Bài tập lớn tin ứng dụng thiết kế và mô phỏng quy trình dehydration bằng phương pháp hấp thụ sử dụng dung môi hấp thụ là TEG trietylenglycol

Bài tập lớn tin ứng dụng thiết kế và mô phỏng quy trình dehydration bằng phương pháp hấp thụ sử dụng dung môi hấp thụ là TEG trietylenglycol

Lời nói đầu

Dehydrate hóa là một quá trình quan trọng trong công nghệ xử lý khí xa bờ cũng như trong các nhà máy chế biến khí Khí được loại bỏ nước từ ngoài khơi để hạn chế khả năng tạo nút hydrate trong vận chuyển bằng đường ống và các quá trình làm với khí ẩm Các vấn đề có thể xảy ra:

 Ăn mòn

 Hình thành nước dạng lỏng

 Hình thành “Ice”

 Hình thành Hydrate khí

Bởi những khả năng gây nguy hiểm từ hydrate khí nên chúng phải được loại bỏ Có một

số phương pháp để loại bỏ sự hình thành hydrate khí:

Chúng ta sẽ “Thiết kế và mô phỏng quy trình Dehydration bằng phương pháp hấp thụ sử dụng dung môi hấp thụ là TEG - Trietylenglycol “ bằng phần mềm Aspen Hysys của hãng Aspen Technology (Cambridge, USA) Phần mềm này chuyên dùng để tính toán và thiết kế các quy trình công nghệ trong lĩnh vực dầu khí và hóa dầu với độ chính xác cao , thuận tiện và có nhiều ưu điểm

Lời nói đầu 1

1.1 Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng 3

1.2 Tổng quan quá trình công nghệ 3

1.3 Phương pháp hấp thụ 7

Chương 2: Cơ sở của việc thiết kế tính toán mô hình 10

2.1 Tháp Separator 10

2.2 Tháp hấp thụ TEG Contactor 12

2.3 Van VLV-100 16

2.4 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 21

2.5 Tháp tái sinh TEG Regenerator 24

2.6 Thiết bị trộn MIX-100 26

2.7 Bơm P-100 27

2.8 Tháp Remove TEG 27

2.9 Bình Remove H 2 O 29

2.10 Các thiết bị điều khiển RCY-1và ADJ-1 34

Chương 3 Mô phỏng quá trình tách nước trong khí tự nhiên bằng dung môi hấp thụ TEG với phần mềm Hysys 36

3.1 Thiết kế mô phỏng 36

3.2 Kết quả và nhận xét 43

Chương4 Phụ lục 45

Kết luận 50

Tài liệu tham khảo 51

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

1.1 Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng

*Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềm chuyên nghiệp

*Mô phỏng là 1 công cụ cho phép người kĩ sư tiến hành công việc 1 cách hiệu quả hơn khi thiết kế 1 quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến 1 quá trình đang hoạt động trong thực tế

*Mục đích của thiết kế mô phỏng:

- Để mô hình hóa:

 Chia nhỏ quá trình

 Đặc tính quá trình

- Thiết kế 1 quá trình mới

- Thử lại, kiểm tra lại các quá trình đang tồn tại

- Hiệu chỉnh các quá trình đang vận hành

- Tối ưu hóa các quá trình đang vận hành

*Ưu điểm của mô phỏng

 Độ chính xác cao

 Thay đổi bộ số hiệu đầu vào

 Tối ưu hóa chế độ công nghệ(T,P )

 Nhanh chóng, chính xác, kiểm tra

 Thân thiện

1.2 Tổng quan quá trình công nghệ

Chúng ta đã biết nước và hydrocarbon có thể hình thành hydrat, mà có thể làm tắc nghẽn van và đường ống Vì thế việc xây dựng các tháp loại nước trong khí được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy xử lý khí hiện nay Nước cũng có thể gây ra sự ăn mòn trong khí do có chứa thành phần axit Cho đến tận ngày nay, thì các phương pháp loại nước phổ biến để loại nước đó là hoặc là hấp thụ hoặc là hấp phụ Trong phần bài

hấp thụ và hấp phụ, trong đó tri-ethylene glycol (TEG) và silica gel được hấp thụ và hấp thụ tương ứng Một đơn vị phòng thí nghiệm sự hấp thụ, hấp phụ là nghiên cứu về khí tự nhiên (mêtan) tốc độ dòng chảy và nhiệt độ hoạt động với tỷ lệ loại bỏ nước Công việc thử nghiệm bắt đầu ở nhiệt độ phòng bằng cách kiểm soát các van của tỷ lệ

đơn vị hấp thụ, hấp phụ Trong khi đó, tri-ethylene glycol (TEG) chảy ở 120 L / giờ từ một máy bơm lưu thông Thử nghiệm được lặp lại với tốc độ dòng chảy khí mê-tan và

cho thấy, ngày càng tăng của tốc độ dòng chảy khí mê-tan gây ra ngày càng tăng của loại bỏ nước trong khi ngày càng tăng của nhiệt độ hoạt động cho một kết quả của giảm loại bỏ nước Như vậy, trong phân tích hiệu quả khí, việc loại nước trong một đơn vị hấp thụ, hấp phụ, các thông số như tốc độ dòng chảy khí (methane) và nhiệt độ hoạt động là một trong những để được xem xét độ tin cậy và lợi ích kinh tế

Loại nước luôn luôn bao gồm một tháp rửa đầu vào và một contactor(bộ tiếp xúc) Đôi khí trước khi loại nước ta có thể hạ thấp nhiệt độ dòng khí đầu vào thì thích hợp hơn do đó,

do đó ở đầu vào có thể lắp đặt thêm một tháp làm mát

Quá trình tái sinh

Các chức năng chính trong hệ thống tái sinh glycol có thể được chia thành ba loại:

1 Đạt được đặc tính áp suất và nhiệt độ tối ưu trong tái sinh dòng glycol giàu

 Bộ lọc glycol giàu nếu có các hạt rắn hoặc hydrocarbon lỏng trong glycol

 Tích hợp các bộ trao đổi nhiệt, vì vậy các glycol nghèo được làm lạnh bằng

cách nhóm các glycol phong phú, do đó giảm thiểu tiêu thụ năng lượng

 Glycol hình thánh sẽ thay thế các glycol mất đi, ví dụ ở trong bể chứa

Bởi vì những nhận xét này thiết kế của quá trình tái sinh khác nhau với thiết kế của nhà máy Sự tích hợp của bộ trao đổi nhiệt là đặc biệt quan trọng, bởi vì điều này làm giảm tiêu thụ năng lượng tổng thể của nhà máy

Một bộ làm mát đầu vào được sử dụng khi nhiệt độ khí đầu vào là cao hơn so với nhiệt độ mong muốn trong contactor Nó cũng là một công cụ hữu ích trong mô phỏng nếu

Tháp rửa

Tháp rửa sẽ loại bỏ loại bỏ các giọt chất lỏng và chất lỏng trong khí, cả trong nước và hydrocarbon Loại bỏ dòng nước lỏng trong tháp rửa sẽ giúp giảm bớt loại bỏ nước trong contactor Điều này sẽ làm giảm kích thước của contactor(bộ tiếp xúc) và lượng glycol cần thiết, để đạt được điều kiện yêu cầu với dòng khí ra khỏi tháp

Hydrocarbon lỏng cũng là một vấn đề trong tiếp xúc bởi vì chúng làm tăng xu hướng tạo glycols bọt, qua đó làm giảm hiệu suất trong contactot và và tăng sự mất mát glycol trong contactor và trong hệ thống tái sinh Một vấn đề khác là các hydrocarbon

có thể được tích lũy trong glycol gây ô nhiễm môi trường và qua đó làm giảm hiệu suất loại nước

Contactor

Contactor là tháp hấp thụ khí khô bằng glycol Glycol nghèo vào ở phía trên của contactor trong khi glycol giàu được rút ra ở dưới cùng của contactor và gửi đến tháp tái sinh Khí ẩm vào các contactor ở đáy , trong khi đó dòng khí khô ra khỏi đỉnh

Nhiệt độ dòng glycol vào contactor phải đạt từ 3-11 ° C (5 đến 20 ° F) cao hơn khí vào Contactor để giảm thiểu sự ngưng tụ hydrocarbon vào glycol Trong tháp

contactor thì nhiệt độ mà ở dưới 10 ° C (50 ° F) thì TEG trở nên quá nhớt, làm giảm hiệu suất tháp Nhiệt độ contactor có thể được cao tới 66 ° C (150 ° F), nhưng dòng glycol mất mát bay hơi thường được coi là không thể chấp nhận được mức cao trên 38°C (100 ° F) B5 Các dòng chảy glycol vào contactor được quyết định bởi lượng hàm lượng nước trong khí và số đĩa trong tháp Một dòng chảy glycol thông thường là 0,017 đến 0,042 m3 nạc TEG mỗi kg nước trong khí (2-5 gal TEG Nước / lb) Tháp

các tháp lớn hơn với 8 hoặc nhiều hơn 8 đĩa thì lưu lượng thường giảm xuống còn 0,017 m3/kg (2 gal / lb)

Tháp tái sinh

Tháp tái sinh là một tháp chưng cất, glycol và nước được tách ra Glycol giàu được nung nóng trước trong bộ trao đổi nhiệt trước khi dòng nguyên liệu đi vào tháp tái sinh Ở đỉnh tháp sẽ bị ngưng tụ một phần tái sinh Hơi nước rời khỏi bình ngưng và thông ra phía khí quyển Nhiệt độ trong bình ngưng được đưa ra là 98,9°C

(210°F)Năng lượng cần thiết để tách glycol và nước được thay thế bởi reboiler ở trong tháp tái sinh Đối với TEG nhiệt độ tối đa được đề nghị trong reboiler là 204 ° C

(400 ° F) Các glycol nghèo được lấy từ các reboiler và chuyển tới bể chứa trước khi nó được tái chế hoặc được sinh trực tiếp từ reboiler

Áp suất trong hệ thống tái sinh cao hơn áp suất khí quyển, điều này là để đảm bảo rằng không có không khí có thể xâm nhập vào hệ thống từ lỗ thông khí quyển Các

suất TEG của dòng glycol nghèo đạt khoảng 98,6% wt [B4] Nếu độ tinh khiết của glycol là không đầy đủ, nó có thể được cải thiện bằng cách sử dụng kỹ thuật tái tạo tiên tiến hơn

1.3 Phương pháp hấp thụ

Ưu nhược điểm của phương pháp hấp thụ

nên có thể tự động hóa được, giá thành thiết bị thấp, ít tiêu hao tác nhân làm khô khí, các chất hấp thụ dễ chế tạo Đạt hiệu quả kinh tế

-30oC

hơi nước ra khỏi khí Để hạ điểm sương xuống thấp hơn nên dùngphương pháp hấp thụ

các thiết bị đầu nối của đường ống dẫn chính và nhà máy chế biếnkhí

Các chất hấp thụ thường dùng

Làm khô khí bằng các chất hấp thụ dựa trên sự chênh lệch áp suất hơi nước trong khí và chất hấp thụ Khí sẽ được sấy bằng cách cho khí và dung môi tiếp xúc ngược dòng trong tháp hấp thụ, dung môi phải có ái lực mạnh với nước

Yêu cầu của dung môi hấp thụ :

 Có khả năng hấp thụ hơi nước trong khoảng rộng nồng độ, áp suất và nhiệt độ 

Có áp suất hơi bão hòa thấp để mất mát trong quá trình là ít nhất

 Nhiệt độ sôi khác xa nhiệt độ sôi của nước

 Có độ chọn lọc cao đối với các cấu tử khí có mặt trong khí, nghĩa là có khả

năng hấp thụ hơi nước cao, đồng thời khả năng hấp thụ HC là thấp

 Tính ăn mòn kém

 Không độc hại

 Giá thành rẻ

Một số chất hấp thụ thông dụng:

Ưu nhược điểm của các chất hấp thụ:

DEG (Dietylenglycol)

có nồng độ DEG lớn hơn 95% Điểmsương thấp hơn so với khi sử dụng TEG

tái sinh, điểm sương của khí thấpTEG (Trietylenglycol)

sấy cao (27,8 - 47,3) , độ bền cao khi có TEG có khả năng tạo màng khi có mặt

nhiệt độ bình thường Khi tái sinh, dễ HC trong TEG cao hơn so với DEG.

dàng thu được dung dịch có nồng độ

Ngoài ra nó có sự thất thoát trong quá trình hấp thụ và tái sinh khá nhỏ Như vậy ta chọn TEG làm chất hấp thụ

Chương 2: Cơ sở của việc thiết kế tính toán mô hình

Đây là một tháp tách vật lý đơn thuần dùng các tấm chắn có tác dụng giữ lại nước tự do

đi theo dòng khí Với đường kính trung bình khoảng 0,05 m

Với tổn hao áp suất:

PGas to Contactor = PInlet - (ΔPVapour Outlet + ΔPInlet) = 6200 - 200 = 6000 kPa

Như vậy qua thiết bị này nhiệt độ của dòng khí giảm xuống và nhiệt độ hydrate của

Dung môi TEG

 Lưu lượng : 6.519 kgmole/h, 100% lỏng 

Áp suất đỉnh tháp là 6190 kpa, đáy là 6200 kpa Tháp gồm có 8 đĩa lý thuyết Bài

toán cần tính những thông số sau:

 Nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, thành phần dòng TEG giàu

 Nhiệt độ, lưu lượng, áp suất, thành phần khí khô

Nồng độ các cấu tử trong dòng khí khô được tính theo công thức sau:

Yi = (Trong đó :

B = A1A2…Ai-1 + A2A3…Ai-1 + Ai

C = A1A2…Ai-1

D = A1A2…Ai

)

Với Ai, là yếu tố hấp thụ của cấu tử trên mâm i, do tháp hấp thụ tỏa nhiệt nhỏ coi như đẳng nhiệt nên A1 = A2 = … An

Kj - hằng số cân bằng pha của cấu tử cần hấp thụ ở nhiệt độ trung bình của

L - lưu lượng dung môi đi vào tháp hấp thụ (mol/h) G -

lưu lượng khí nguyên liệu (mol/h)

Aj - yếu tố hấp thụ của cấu tử j

Thường thì ta giả sử lượng mole hơi và lỏng ra khỏi đĩa bằng nhau Khi đó A được tính như sau:

Aj

Thành phần các cấu tử trong dung môi bão hòa ra khỏi tháp được tính như sau:

Xj = Yj

Theo những công thức như trên ta tính toán được bảng số liệu sau:

Áp suất của khí lấy bằng áp suất trên đỉnh tháp là 6190 Kpa, của TEG béo lấy bằng áp suất của đáy là 6200 Kpa

Lưu lượng các dòng sản phẩm được tính như sau:

Biết thành phần nguyên liệu vào ta biết được d = 2,848 kgmole/dm3, ta có :

lưu lượng của dung môi béo ra khỏi đáy tháp bằng công thức :

L = V( w1 - w2 )( m + 1 )

Trong đó : w1 = 0.45.10-3 kg/m3 - hàm ẩm của khí nguyên liệu

w2 = 0.03.10-3 kg/m3 - hàm ẩm của khí khô ra ở đỉnh tháp Vậy

tính ra được :

L = 168.54 103 ( 0.45 10-3 - 0.03 10-3 )( 6.127 + 1 ) = 560,01 kg/h ( hay 6,79 kgmole/h )

Trong tháp ta có :

Vnl + Lnl = Vsp + Lsp

Vậy lưu lượng dòng khí khô là :

Vnl = 480 + 6.519 - 6.79 = 479.729 kgmole/h

Tra các thông số của dòng TEG, ta được bảng số liệu sau:

* ( √ )+

định áp suất, thử một vài giá trị của T để tìm mối quan hệ Vm = f(T)

Vm.100 3,94 (l/mol) Molar Volume 3,92

3,9 3,88 3,86 3,84 3,82

2.4 Tính toán thiết bị trao đổi

nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt TEG

Nhiệt dung riêng (j/kg.độ)

814 913

Thiết bị trao đổi nhiệt L/R HEX

Thiết bị tái sinh là một tháp chưng cất, TEG và nước được tách ra Áp suất trong hệ thống tái sinh cao hơn áp suất khí quyển điều này đảm bảo rằng không có không khí có thể xâm nhập vào hệ thống từ lỗ thông khí quyển Các điều kiện hoạt động có ảnh hưởng tới tái tạo độ tinh khiết của Glycol

Như ta đã đặt điều kiện thì áp suất hoạt động của tháp tái sinh cao hơn áp suất khí quyển một chút trong khoảng 110 kPa - 150 kPa

TEG bị phân hủy, như vậy sẽ gây mất mát lượng TEG lớn hơn

Cân bằng vật liệu :

Dòng khí (chủ yếu là nước ở dạng hơi) ra ở đỉnh của tháp tái sinh:

Dòng TEG ra khỏi đáy của tháp tái sinh:

Tính toán Rmin

Từ số liệu sổ tay hóa công tập 2 ta có giản đồ lỏng hơi của hỗn hợp cấu tử Từ giản đồ ta xác định được m’, vậy ta có:

Dựa vào bảng trên tính được nhiệt dung riêng của các dòng Regen feed, Sour Gas,

Regen Bttms như sau :

Áp dụng các công thức tính nhiệt lượng

QcondQ = C.L.( t2 - t1 ) ta có bảng giá trị sau : Q =

Nhiệt lượng của toàn tháp được tính như sau:

Q = QRegen Feed + QrebQ - QcondQ - QRegen Bttms - QSour Gas

= 3,43.106 ( KJ/h )

2.6 Thiết bị trộn MIX-100

Trong quá trình làm việc sẽ có một lượng nhỏ TEG bị mất mát, vì thế yêu cầu tạo một sòng để chắc chắn rằng dòng nguyên liệu cân bằng được duy trì

Ở đây sẽ tính toán lượng dòng TEG:

(Lượng TEG)TEG to Pump = (Lượng TEG)Makeup TEG + (Lượng TEG)Lean From L/R

<-> FTEG to Pump C%TEG to Pump = FMakeup TEG C%Makeup TEG + FLean From L/R C%Lean to L/R

C%Pump ,C%Makeup, C%Lean : Nồng độ phần mol của TEG trong dòng TEG to Pump, Makeup TEG, Lean to R/L

Một tiêu chuẩn để xác định hiệu quả của quá trình tách nước là điểm sương ở khí khô Vấn

đề này có thể được kiểm tra bằng việc tìm nhiệt độ của khí mà tại đó nước bắt đầu ngưng tụ Trước hết tất cả TEG phải được loại bỏ bởi TEG có ảnh hưởng tới điểm sương của nước Vấn đề này được thực hiện bởi việc sử dụng thiết bị Component Splitter Dòng hơi ra ngoài được làm lạnh và nhiệt độ ra của nó được điều khiển bởi thiết bị Adjust để tìm điểm sương của dòng khí

Nhiệm vụ của tháp Remove là tách loại triệt để TEG trong hỗn hợp sản phẩm đỉnh của tháp TEG Contactor.TEG sau khi được tách sẽ ra khỏi đỉnh tháp ở dạng lỏng còn sản phẩm đáy chính là hỗn hợp khí

Vapour 1,0Thành phần

Do thành phần ban đầu của nguyên liệu của tháp lượng TEG rất không đáng kể phần mol

= 0 do đó phần mol của sản phẩm đáy cũng sẽ không thay đổi.Lưu lượng mol,lưu lượng khối lượng của dòng sản phẩm đáy cũng sẽ không thay đổi

Sản phẩm đáy sẽ giống như dòng nguyên liệu vào:

TEG 0.000000

Và sản phẩm đỉnh sẽ duy nhất có TEG.với phần mol=1 và các cấu tử khác =0

Tháp thực hiện ở điều kiện đẳng áp P=6155 kPa bằng với áp suất của dòng nguyên liệu vào cũng như 2 dòng sản phẩm

Từ bảng số liệu vè thành phần phẩn mole các cấu tử trên ta tính đươc:

- Khối lượng phân tử trung bình dòng Water Dewpoint:

- Tương tự ta tính được khối lương riêng của dòng khí vào là ρk = 79,48 Kg/m3

- Lưu lượng của dòng vào (Water Dewpoint) Qw = 8392 (Kg/h) hay 479,7

(Kmole/h)

- Lưu lượng của lỏng vào bình là: 0.0038 m3/h

- Lưu lượng của khí vào bình là: 26,6662 m3/h

tan trong nước là bằng không do lượng nước nhỏ)

Do tỉ số của pha lỏng trên pha hơi là nhỏ cho nên ta chon kiểu bình tách năm

ngang như hình trên Ta lựa chon thời gian lưu trong thiết bị là 2 phút (đủ để các bong khí

có thể thoát ra khỏi nước ) và tý số L’/D’= 3

Khi đó ta có:

- Không gian dành cho khối lỏng là:

- Không gian dành cho pha khí là:

Tốc độ cưc đại của dòng khí cho phép tách các giọt lỏng trong một bình tách nằm ngang là:

⁄

Trong đó K là hệ số xác định ở biểu đồ 4.36 (trang 136- Giáo trình công nghệ lọc dầu

- Phan Tử Bằng - Nhà xuất bản xây dựng - Hà nội 2002)

Lưu lượng khí Qv được tính:

⁄

Trong đó: Pb: áp suất tiêu chuẩn 1atm

Tb: nhiệt độ tiêu chuẩn 289K