Mô phỏng HYSYS quá trình làm khô khí bằng pp hấp thụ MEG

Lời Mở Đầu Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hòa hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào ấp suất, nhiệt độ, và thành phần hóa học của khí.. Hàm lượng

Lời Mở Đầu

Khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hòa hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào ấp suất, nhiệt độ, và thành phần hóa học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ và áp suất tương ứng với hàm lượng nước cực đại

có thể nhất định Hàm lượng ẩm tương ứng với hơi nước bão hòa tối đa được gọi là

độ ẩm cân bằng

Hàm lượng hơi nước trong khí đồng hành và khí thiên nhiên cần phải biết vì hơi nước có thể bị ngưng tụ trong các hệ thống công nghệ xử lý sau này, hình thành các hydrat ( các tinh thể chất rắn ) dễ đóng cục chiếm các khoảng không trong các ống dẫn hay các thiết bị, phá vỡ điều kiện làm việc bình thường đối với các dây chuyền khai thác, vận chuyển và chế biến khí Ngoài ra sự có mặt của hơi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh ( H2S và các chất khác ) sẽ là tiền đề thúc đẩy ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng của các thiết bị, công trình

Trước những nguy cơ về tác hại to lớn của hơi nước có mặt trong khí thiên nhiên và khí đồng hành trong các quy trình công nghệ thì việc làm khô khí sao cho đạt yêu cầu về tiêu chuẩn kỹ thuật là một nhiệm vụ bắt buộc để đảm bảo khả năng hoạt động ổn định và hiệu quả của các dây chuyền công nghệ chế biến các sản phẩn khí sau này Khí được sấy khô với mục đích tách hơi nước và tạo ra cho khí có nhiệt

độ điểm sương theo nước thấp hơn với nhiệt độ cực tiểu mà tại đó khí được vận chuyển hay chế biến

Do vậy, mục đích của đồ án này là thiết kế một sơ đồ công nghệ làm khô khí bằng phương pháp Hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol (MEG) bằng phần mềm mô phỏng Hysys

Chương I - Tổng quan về quá trình công nghệ sấy khô khí

I Cơ sở lý thuyết

Hydrat là những hợp chất có thể tồn tại một cách bền vững dưới dạng tinh thể Thực chất là những dung dịch rắn, trong đó các phân tử nước dung môi nhờ các liên kết hydro tạo thành “khung” hydrat Trong các khoang của khung này các phân tử khí có khả năng tạo hydrat như metan, etan, propan, isobutan, nitơ, H2S, CO2, argon

sẽ chiếm chỗ Các hydrocacbon với phân tử của nó có thể xâm nhập vào “khung” cùng với các phân tử khí có kích thước nhỏ hơn, dẫn tới thay đổi áp suất cân bằng trên các hydrat Mức độ chiếm chỗ trong khung của các phân tử khí tạo hydrat đối với thành phần khí đã cho chủ yếu phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của hệ Các tinh thể hydrat hình thành trên bề mặt phân chia pha của hệ khí-nước Nước tự do còn lại sau khi đã hình thành các hydrat chỉ tiếp tục chuyển thành trạng thái hydrat khi có sự khuấy trộn các pha và khi có những điều kiện nhiệt động thích hợp Khi không có sự khuấy trộn thì quá trình khuếch tán của khí qua lớp màng cứng của các hydrat rất khó khan và sự phát triển liên tục của các hydrat sẽ không xảy ra

Điều kiện hình thành các hydrat ngoài ra còn phụ thuộc vào hàm lượng của muối có trong nước, hàm lượng của chúng tăng sẽ dẫn đến giảm nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat Nhiệt độ này cũng phụ thuộc vào thành phần khí, ví dụ nhiệt độ bắt đầu tạo thành hydrat của metan khi có mặt propan, CO2, H2S sẽ thấp hơn so với khi vắng mặt các chất này Hình dạng của hydrat rất đa dạng, nó được xác định bởi thành phần khí và các điều kiện nhiệt động học Thông thường về hình dạng chúng giống như nước đá hay tuyết âm nén

Nhằm ngăn ngừa sự hình thành các hydrat người ta sử dụng rộng rãi phương pháp ức chế tức là phương pháp đưa vào dòng khí các chất khác nhau gọi là các chất ức chế làm hạ nhiệt độ tạo thành hydrat như methanol, glycol … và phương pháp làm khô (tách nước) khí dựa trên cơ sở tách hơi nước ra khỏi khí bằng các chất hấp thụ lỏng hoặc rắn

- Phương pháp ức chế: thực chất là cho chất ức chế vào dòng khí ẩm, chất ức chế

sẽ tan trong nước tự do, kết quả là làm giảm áp suất hơi nước và hạ nhiệt độ tạo thành hydrat Hiện nay các chất ức chế ngăn ngừa sự tạo thành hydrat thông dụng nhất là:

o Sử dụng chất ức chế là methanol, cần có khu vực khử hydrat và khu vực khử axit

Trong thực tế thường sử dụng các loại glycol: EG, DEG,TEG với nồng độ khoảng 60 - 80 % khối lượng Việc lựa chọn một loại glycol sử dụng đạt hiệu quả cao chomột quá trình xử lý khí nào đó phụ thuộc vào :

 T đông đặc và độ nhớt của dung dịch glycol ;

 độ hạ T tạo hydrate đối với nồng độ glycol đã cho ;

 khả năng hòa tan của glycol trong HC ngưng tụ ;

Gây độc hại với người và môi trường

Có áp suất hơi bão hòa rất thấp và có

khả năng thu hồi rất cao bằng phương

pháp vật lí đơn giản là cô đặc các dung

dịch nước chứa glycol

Áp suất hơi bão hòa cao do vậy khó tách ra khỏi dòng khí, việc tái sinh nó rất phức tạp nên việc tiêu hao chất ức

chế là lớn

Nhiệt độ sôi cao nên khó bị bay hơi

Tránh mất mat khỏi thiết bị

Nhiệt độ sôi thấp nên khả năng thất

thoát là rất cao

Không gây ăn mòn cho thiết bị Một số phân xưởng đôi khi cần thiết kế

thêm các thiết bị loại axit có thể sinh

ra

- Phương pháp hấp phụ: các phương pháp hấp phụ cho phép đạt điểm sương theo

ẩm trong khoảng 100–200oC và sấy sâu khí đến điểm sương -85 ÷ -100oC Các chất hấp phụ có thể chia thành : Boxit là khoáng thiên nhiên chứa chủ yếu là oxit nhôm ; oxit nhôm hoạt hóa là Boxit đã làm sạch ; các loại Gel là những hợp chất cấu tạo từ oxit silic và alumogel ; các rây phân tử là các zeolite Các chất hấp phụ

có bề mặt riêng rất lớn ( 500-800 m2/g ) và bề mặt này được tạo thành từ các mao quản hay mạng tinh thể Các quá trình hấp phụ có thể thực hiện gián đoạn trong các thiết bị với tầng thấp hấp phụ cố định hoặc liên tục với các thiết bị chứa các

lớp hấp phụ chuyển động Tuy nhiên các quá trình liên tục rất ít khí được sử dụng

do các thiết bị công nghệ rất phức tạp

- Phương pháp thẩm thấu khí: Cho đến nay, quá trình dehydrat hóa bằng thẩm thấu

khí hầu như không còn được sử dụng trong công nghiệp xử lý khí nữa do những yêu cầu kỹ thuật quá cao của quá trình Để déshydrat hóa khí bằng thẩm thấu phải lựa chọn những hợp chất cao phân tử thích hợp có αij rất lớn, khoảng 200.000 (với loại màng mỏng đồng thể và không hề có khuyết tật) và khoảng 300 ÷ 500 (với loại chùm sợi rỗng) Hơn nữa, phải chấp nhận một lượng C1 thẩm thấu qua màng lọc để màng lọc được chọn có bề mặt riêng không quá lớn

- Phương pháp hấp thụ: phương pháp hấp thụ được sử dụng rộng rãi để sấy khô

khí tại các công trình ống dẫn khí cũng như trong các nhà máy chế biến khí Chất hấp thụ sấy khô là những dung dịch nước đậm đặc của mono- , di- và trietylenglycol Sự sấy khô khí bằng các chất hấp thụ này dựa trên sự khác biệt về

áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí và trong chất hấp thụ Giá trị điểm sương của khí được đảm bảo bằng dung dịch Glycol

So sánh ưu nhược điểm của các dung môi hấp thụ nước:

CO2 ở nhiệt độ thường Dung dịch đậm đặc không bị đông đặc ở nhiệt độ cao có độ chọn lọc cao

Tiêu hao do thất thoát cao hơn TEG Khi tái sinh khó thu được DEG nồng độ

>95% Điểm sương thấp hơn so với TEG Giá thành cao

TEG

Độ hút ẩm cao Tạo điểm sương cho khí sấy cao (27.8 – 47.3oC) độ bền cao khi có mặt các hợp chất lưu huỳnh, O2 và CO2 ở nhiệt độ

Đòi hỏi chi phí đầu tư cao

Dung dịch TEG có khả năng tạo màng khi có mặt các HC nhẹ Độ hòa tan

Ưu điểm Nhược điểm

bình thường Khi tái sinh dễ thu được nồng độ cao >99% Dung dịch không bị đông đặc Độ bay hơi TEG thấp hơn DEG

của các HC nhẹ trong TEG cao hơn DEG

Metanol

Giá thành rẻ Được sử dụng chủ yếu trong các hệ thống vận chuyển Điều kiện thường dung dịch đậm đặc không bị đông đặc

Có độ nhớt thấp nhất nên khả nẳng tiếp xúc với hỗn hợp khí là cao hơn các glicol

Có áp suất riêng phần cao lên khó tách ra khỏi khí khi tái sinh Tiêu hao lớn

Đặc tính vật lý của các Glycol và Metanol (dùng làm khô khí)

HO-CH2O)2-H

-(CH2-

HO-CH2O)3-H

-(CH2-

HO-CH2O)4-H

II Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ

dùng Glycol [1]

Chương II - Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm

- Nhiệt độ khí nguyên liệu : 50oC

- Lưu lượng khí nguyên liệu : 5.106 m3/ngày đêm

- Áp suất khí nguyên liệu : 68 Bar

- Áp suất khí khô : 66 Bar

- Điểm sương khí khô : 10oC

- Chất hấp thụ MEG (Mono Etylen Glycol)

- Lưu lượng riêng chất hấp thụ 30 Kg/Kg H2O

II Yêu cầu tính :

- Nồng độ tối thiểu của Glycol

- Lượng dung dịch tuần hoàn/h (kg/h, kmol/h)

- Số đĩa lý thuyết của tháp

- Đường kính tháp

- Chiều cao tháp

III Các bước tính toán [1]

Bước 1 : Cụ thể hóa các số liệu ban đầu

 Lưu lượng khí nguyên liệu 5.106 m3/ngày đêm = 208333,33 m3/h

 Áp suất khí nguyên liệu 68 Bar = 6,8 MPa

 Áp suất khí khô 66 Bar = 6,6 Mpa

 Khối lượng phân tử trung bình của khí nguyên liệu

= ∗ = 21,68 ∗ 68

8,314 ∗ (273 + 50) = 0,55

Bước 2 : Xác định nồng độ Glycol tái sinh tối thiểu

Dựa vào nhiệt độ tiếp xúc (được nhận bằng nhiệt độ của khí cần sấy khô) và điểm sương của khí đã sấy khô để xác định nồng độ của Glycol tái sinh tối thiểu αmin

cần để thu được điểm sương cho trước của khí thông qua sơ đồ hình II.5 (trang 96 – [1]), giản đồ này phản ánh các giá trị cân bằng, mà trong điều kiện thực tế không đạt được, nên để xác định nồng độ Glycol theo đồ thị này ta phải nhận điểm sương của khí thấp hơn giá trị đã cho 5-8oC

Ta chọn nhiệt độ điểm sương thấp hơn giá trị đã cho 8oC, tức nhiệt độ điểm sương là 2oC Dựa vào đồ thị hình II.5 suy ra :

Nồng độ Glycol tái sinh tối thiểu αmin = 96%

Bước 3 : Xác định hàm ẩm của khí cần sấy khô

Dựa vào đồ thị hình II.1 (trang 90 – [1]) xác định hàm ẩm của khí cần sấy khô

ω1 và của khí đã sấy khô ω2 (Do tỷ trọng của khí là 0,55 nhỏ hơn 0,6 nên ta không cần

hệ số hiệu chỉnh hàm ẩm)

Với khí nguyên liệu ở điều kiện T = 50oC ; 6,8 Mpa

ω1 = 1,65 g/m3 = 0,00165 kg/m3Với khí khô ở áp suất 6,6 MPa và có nhiệt độ điểm sương là 10oC

ω2 = 0,19 g/m3 = 0,00019 kg/m3

Bước 4 : Tính lưu lượng chất hấp thụ tái sinh

L1 = V*( ω1 - ω2 )*l (kg/h) Trong đó : V là thể tích khí nguyên liệu (m3/h)

l là lưu lượng riêng chất hấp thụ (kg/kg H2O)

ω1 , ω2 là hàm ẩm của khí cần sấy khô và khí đã sấy khô (kg/ m3 )

K =0,19{(1 − 0,99)62 + 18 ∗ 0,99}

Bước 8 : Xác định yếu tố hấp thụ A theo công thức

A = LKVTrong đó :

L’ là lưu lượng lỏng dung môi vào tháp tính ra Kmol/h

V’ lưu lượng khí cần làm khô tính ra Kmol/h

- Xác định L ’ từ L 1 : theo tính toán ở trên ta có L1 = 9125 kg/h Khối lượng phân

tử trung bình của dung môi hấp thụ được tính theo công thức

Bước 10 : Hệ số tách lý thuyết khi tính toán có chú ý đến lượng nước trong glycol tái sinh

1 − α

α62

=

1 − 0,9918

1 − 0,99

0,9962

= 0,0336

Yn+1 là phần mol nước trong khí cần sấy khô

Ta có : ω = 1,65 g/m3

= 0,092 mol/m3 Mặt khác 1m3 khí nguyên liệu có số mol là : n = 1*0,55*103/21,68 = 25,369 mol

Theo kinh nghiệm thực tế thì hiệu suất làm việc của đĩa là từ 0,25-0,4

Ta chọn hiệu suất làm việc của đĩa là : ȵ = 0,35

n =

ȵ =

3,050,35 = 8,7 Vậy số đĩa thực tế của tháp hấp thụ là 9 đĩa

Bước13 : Tính đường kính tháp hấp thụ

ω P ( ) Trong đó : Q là lưu lượng khí nguyên liệu m3/s

T là nhiệt độ khí nguyên liệu K

P áp suất khí Mpa

ω vận tốc tuyến tính của dòng khí trong tháp (0,05-0,15 m/s)

Chọn ω = 0,13 m/s

h là chiều cao vòm đỉnh và đáy tháp 1-1,2 m

Chọn d = 0,6 m và h = 1,2 m

o H = 9*0,6 + 1,2 = 6,6 m

Vậy chiều cao tháp là 6,6 m

Chương III - Mô phỏng quá trình công nghệ làm khô khí

- Nhiệt độ khí nguyên liệu : 50oC

- Lưu lượng khí nguyên liệu : 5.106 m3/ngày đêm

- Áp suất khí nguyên liệu : 68 Bar

- Áp suất khí khô : 66 Bar

- Điểm sương khí khô : 10oC

- Chất hấp thụ MEG ( Mono Etylen Glycol )

- Lưu lượng riêng chất hấp thụ 30 Kg/Kg H2O

Điều kiện hoạt động

III Tiến hành mô phỏng:

1 Định nghĩa cơ sở mô phỏng:

Sử dụng hệ nhiệt động Peng-Robinson với các cấu tử như sau: C1, C2, C3, n-C4, i-C4, n-C5, n-C6, N2, He, EGlycol, H2O

2 Nhập các dòng nguyên liệu:

Do khí đồng hành và khí thiên nhiên khai thác từ lòng đất thường bão hòa hơi nước và hàm lượng hơi nước phụ thuộc vào ấp suất, nhiệt độ, và thành phần hóa học của khí Mỗi một giá trị nhiệt độ và áp suất tương ứng với hàm lượng nước cực đại có thể nhất định nên:

- Sử dụng đồ thị II.1 (trang 90-[1]) như trong bước 3, ta xác định được hàm lượng nước trong khí nguyên liệu là 0,00165 (kg/m3), suy ra lưu lượng nước trong khí nguyên liệu là: 0,00165*208333.33/18 = 19,09 (kmol/h)

- Ta sẽ nhập 2 dòng khí đầu vào gồm khí nguyên liệu (chưa tính lượng nước) và hàm ẩm của nó, sau đó cho qua máy trộn để được dòng khí nguyên liệu thực:

a Dòng “khi nguyen lieu”

b Cooler

Qua thử nghiệm mô phỏng cùng với điều kiện vận hành tháp hấp thụ từ 15 –

38oC, ta nhập một thiết bị làm lạnh để đảm bảo dòng khí nguyên liệu ở nhiệt

độ làm việc của tháp

Design / Connection

Pressure

Rating / Tray Sections

e Valve

Nhập một van giảm áp để giảm áp suất của dòng “glycol giau1” xuống áp

suất phù hợp với điều kiện của tháp tái sinh (từ 1 – 1,2 bar)

Design / Connection

Worksheet / Condition

f Heat Exchanger

Nhập 1 thiết bị trao đổi nhiệt để đun nóng sơ bộ dòng “Glycol P thap” bằng

dòng nóng ra khỏi đáy tháp tái sinh

Design / Connection

Design / Parameter

Worksheet / Condition

Pressure

8_MainTS 160 oC

i Mixer

Nhập một thiết bị trộn thứ 2 để đảm bảo lưu lượng và nồng độ của dòng

glycol nghèo tái sinh để sử dụng được cho tháp hấp thụ

Temperature (glycol bo sung) 20 oC

Design / Parameter

Worksheet / Condition

Worksheet / Composition / glycol

IV Kết quả và phân tích

Dựa vào bảng Datasheet của dòng khí đã làm khô ta thấy rằng lượng hàm lượng

nước trong khí nguyên liệu sau khi qua xử lý đã giảm hẳn, phần trăm thể tích của

nước trong khí đã làm khô là 0% và coi như mục đích của quá trình đã thực hiện

được

Tuy nhiên, quá trình mô phỏng thiết kế vẫn còn nhiều vấn đề cần được khắc

phục như: việc tối ưu các thiết bị chưa thực hiện được, quá trình tính toán bằng tay

và mô phỏng còn nhiều điểm chưa so sánh được,…

Phụ lục (đính kèm)

1 Sơ đồ PFD có show table:

2 Workbook

Tài liệu tham khảo

[1] MA Berlin, VG Gortrencop, HP Volcop Người dịch – Hoàng Minh Nam,

Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Đình Soa, Phan Minh Tân Hiệu đính – Nguyễn Đình

Soa Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ, ĐHKT-TPHCM

[2] Nguyễn Thị Minh Hiền (2004), Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng

hành, NXB KHKT, Hà Nội

[3] Số liệu từ thầy giáo, TS Nguyễn Danh Nhi, ĐH Mỏ Địa Chất

[4] Process Modeling using HYSYS

[5] Nguồn Internet

Mục lục

Lời Mở Đầu 1

Chương I - Tổng quan về quá trình công nghệ sấy khô khí 2

I Cơ sở lý thuyết 2

II Sơ đồ nguyên tắc công nghệ sấy khô khí bằng phương pháp hấp thụ dùng Glycol [1] 7 Chương II - Tính toán các thông số cơ bản của tháp làm khô khí bằng phương pháp hấp thụ dùng MonoEtylenGlycol 8

I Dữ liệu ban đầu :[3] 8

II Yêu cầu tính : 8

III Các bước tính toán [1] 8

Chương III - Mô phỏng quá trình công nghệ làm khô khí bằng MEG bằng phần mềm Hysys 13

I Thông số đầu vào của dòng, thiết bị :[3] 13

II Sơ đồ PFD sau khi đã rút gọn: 13

III Tiến hành mô phỏng: 14

IV Kết quả và phân tích 21

Phụ lục (đính kèm) 22

Tài liệu tham khảo 23

Mục lục 24