Tìm hiểu gói đặc tính amin

Tìm hiểu gói đặc tính amin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT

KHOA DẦU KHÍ

BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU

-oOo -BÀI TẬP TIN HỌC CHUYÊN NGÀNH

Đề tài: Tìm hiểu gói đặc tính Amin

Giáo viên hướng dẫn:

HÀ NỘI 10/2013

MỤC LỤC

Contents

MỞ ĐẦU

Khí là nguồn nguyên liệu vô cùng quý hiếm gần như không thể thay thế và tái sinh được, nó đóng vai trò cực kỳ quan trọng nếu không muốn nói là quyết định trong thời đại văn minh hiện nay và trong nhiều năn nữa khi mà những nguồn năng lượng khác chưa thể thay thế được Khí đồng hành và khí tự nhiên ngoài chứa các hydrocacbon còn chứa các khí axit như CO2, H2S cũng như các hợp chất hữu cơ của S và các hợp chất khác Những chất kể trên gây khó khăn cho sự vận chuyển và sử dụng khí Vì vậy việc loại bỏ chúng là rất cần thiết

Có nhiều phương pháp là ngọt khí nhưng trong công nghiệp chủ yếu dùng phương pháphấp thụ để làm sạch khí Có hai quá trình hấp thụ cơ bản là hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học Trong các quá trình hấp thụ vậy lý, người ta sử dụng các dung môi như: propylen cacbonat, ete dimetyl plyetylen glycol, N-metylpyrolidon…Trong quá trình hấp thụ hóa học người ta sử dụng dung dịch của các ankanol amin Các tính chất hóa lý cơ bản của dung môi ankanol amin đươch cho trong bảng:

Mặt khác cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin,

vớinhững máy tính tốc độ cao, các hệ điều hành siêu việt, các lập trình viên đã góp phần

to lớn cho sự ra đời của các phần mềm mô phỏng Trước đây để lên kế hoạch cho một dự

án đòi hỏi rất nhiều thời gian, và khảnăng thực hiện dự án đó là khó có thể không thể biếttrước được Nhưng khi các phần mềm mô phỏng ra đời, thì công việc trở nên nhẹ nhàng

đi rất nhiều, chúng ta có thể mô phỏng hoạt động của các nhà máy trong các chế độ vậnhành khác nhau, thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào màkhông ảnhhưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy

Để thực hiện quá trình mô phỏng làm sạch khí bằng phương pháp hấp thụ người ta

sử dụng gói đặc tính Amin như trình bày ở phần dưới đây.

C.1.Các đặc trưng của gói Amin

Tùy chọn gói amin là công cụ hỗ trợ đặc biệt của Hysys nhằm mục đích loại bỏ khí chuanhư H2S hoặc CO2 từ dòng khí thiên nhiên hoặc dòng dầu tinh chế Có nhiều cách xử lý cho việc này, tuy vậy ưu tiên hàng đầu và hợp lý vào thời điểm hiện tại không có gì nổi trội hơn amin

Thành phần ban đầu để sử dụng cho quá trình tính toán là các yếu tố cơ bản như: thành phần dòng nguyên liệu , các thông số kĩ thuật khác của sản phẩm , áp suất , nhiệt độ và tạp chất

Sản phẩm thu được cần được đảm bảo về các mặt như : thỏa mãn bài toán kinh tế, thân thiện với môi trường, ít ảnh hưởng xấu và tác động không tốt tới xung quanh , có thể áp dụng và ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác có liên quan trong cuộc sống cũng như kĩ thuật

Để làm sáng tỏ tại sao lại ưu tiên sử dụng lựa chọn amin, người ta xét tới các tổn thất, mất mát năng lượng cũng như khối lượng dòng , ngoài ra còn xét tới thiết bị máy móc áp dụng trong công nghệ này

Thành phần axit khí chua trong khí tự nhiên , khí gas được loại bỏ bằng phương pháp hấp thụ bề mặt bởi dung môi hóa học ở đây đang xét là ankanol-amin

Gói tùy chọn amin được thiết kế nhằm trợ giúp người dùng sử dụng akanol-amin để xử

lý H2S & CO2 trong dòng khí nguyên liệu ban đầu Dữ liệu của gói chủ yếu giải quyết vấn đề hấp thụ và nhả hấp thụ bằng các dung dịch dung môi có tính bazo như MEA, DEA, MDEA ,TEA hoặc cũng có thể phối trộn các dung môi nêu trên với nhau

Nhìn vào sơ đồ C1 ta có thể thấy quá trình xử lý khí chua sử dụng dung môi Amin Nguyên liệu ban đầu được phối trộn cùng với dung môi sau đó được đưa vào thiết

Ankanol-bị đệm ( tháp đệm) khí chua được hấp thụ lên bề mặt dung môi sau đó được xử lý bằng nhiệt , còn nguyên nguyên liêu được quay lại tháp tái sinh, dòng sản phẩm được tái đun nhằm loại bỏ axit từ dung môi Amin và được thu ở cột dưới

Khí ngưng tụ được phối trộ lại và khí chua được làm quá nhiệt bằng hơi nước Dung môi Amin được làm lạnh rồi lại quay trở lại tháo hấp thụ , một phần dòng Amin có thể tái sinh và quay trở lại tiếp tục sử dụng.

Thiết bị tách loại thùng chứa có thể đặt ở ngoài tháp hấp thụ nhằm đánh giá khả năng xử

lý cũng như lôi cuốn các Hydrocacbon và hạ thấp hàm lượng axit trong sản phẩm

Hình C1

Thiết kế của các phân xưởng xử lý amin các theo lựa chọn sau đây:

• Cấu hình các quá trình

• Các loại amin và nồng độ

• Giải pháp tỉ lệ hồi lưu

• Yêu cầu nhiệt đun sôi lại

phương tiện thu được các giá trị cho các thông số thiết kế chính trong quá trình, và đươc

sử dụng chung để xác nhận các thông số thiết kế ban đầu đạt được bởi các phương pháp trên Các quy tắc của ngón tay cái không tồn tại cho việc thiết kế ứng dụng hấp thụ có chọn lọc vì kinh nghiệm hoạt động bị hạn chế Hơn nữa, quá trình này thường được điều khiển chung bởi động học phản ứng và không thể được thiết kế trên cơ sở một cân bằng hóa học độc lập Chương trình mô phỏng phải được coi là đầy đủ như một công cụ tiên đoán trong các trường hợp

Các chương trình AMSIM sử dụng công nghệ được phát triển bởi DB Robinson & Associates Ltd để mô hình cân bằng độ tan của khí axit trong dung dịch amin Một mô hình giai đoạn không cân bằng mới được dựa trên khái niệm hiệu quả giai đoạn được sử dụng để mô phỏng hiệu suất của bộ tiếp xúc và thiết bị tái sinh Một danh sách các bài tham khảo trên những nghiên cứu dẫn đến sự phát triển của AMSIM có thể được tìm thấy

ở phần cuối của phần này Dữ liệu tốt nhất được biết đến tồn tại được sử dụng để xác định các thuộc tính thành phần trong ngân hàng dữ liệu của AMSIM

Các mô hình AMSIM được thiết kế cho một hoặc hai amin Khi hai amin được lựa chọn, các gói đặc trưng Amin mong đợi cả hai amin để có một thành phần hoặc cả hai amin là không Bạn không thể chỉ định một thành phần amin là lớn hơn không và khác là bằng không Đó là đề nghị thay vì chỉ định một amin được không, đầu vào là một giá trị thành phần rất nhỏ cho biết amin

C.2 Mô hình giai đoạn không cân bằng

Một mô hình giai đoạn không cân bằng đã phát triển để mô phỏng nhiều hợp chất quá trình truyền khối nhiều giai đoạn gặp trong một phân xưởng xử lý amin được sử dụng trong gói đặc tính amin

Mô hình giai đoạn tổng quát thể hiện trong hình C.2 cho hình học dòng chảy và gọi tên các giai đoạn riêng trong một Các khái niệm cơ bản sử dụng là tỷ lệ hấp thụ / giải hấp của khí axit đến / từ các amin hòa tan phải được xem xét như một quá trình truyền khối Quá trình tỷ lệ này phụ thuộc vào thông số cân bằng và động học mô tả hệ thống khí axit / hệ thống

Mô hình kết hợp một Murphree loại hơi hiệu quả sửa đổi vào xác địnhn cho các mức tỉ

lệ truyền khối của từng thành phần khí axit giai đoạn khí axit hiệu quả, lần lượt, các hàm của hệ số truyền khối và thiết kế đĩa cơ học

Khi mô hình giai đoạn tổng quát được mở rộng đến các trường hợp nhiều giai đoạn, các kết quả cột lưu lượng hình học và danh pháp được thể hiện trong hình C.2 kết quả thiết lập phương trình cân bằng đặc trưng cho phân xưởngnhiều giai đoạn được đưa ra trong phần C.4 – cân bằng hòa tan thiết lập này của các phương trình phải được giải quyết chomỗi cột trong dữ liệu dòng Một phương pháp thiết lập Newton- Raphasom được sử dụng

để giải quyết các phưng trình giai đoạn phi tuyến tính điều kiện nghiêm ngặt nhiệt độ, thành phần và tỷ lệ pha trên từng giai đoạn trong cột

Hình C.2

C.3 Hiệu suất của từng bậc tách ( hiệu suất từng giai đoạn)

Hiệu suất của từng bậc tách trong gói đặc tính amine được xác định theo phương trình sau:

V là lưu lượng mol dòng pha hơi

X là phần mol trong pha lỏng

Y là phần mol trong pha hơi

Hiệu suất của bậc tách phụ thuộc vào hệ số động lực học k của phản ứng giữa mỗi khí axit và amine, tính chất vật lý và hóa học của dung dịch amine, áp suất, nhiệt độ, các thông số kích thước của đĩa như đường kính đĩa, chiều cao và chiều dài của đập tràn

Có thể xác định hiệu suất của bậc tách hoặc tính toán thông số này nhờ HYSYS

Nếu phương án amine được lựa chọn, HYSYS luôn sử dụng hiệu suất của từng bậc thành phần Chú ý rằng hiệu suất này chỉ sử dụng cho thành phần H2S và CO2 Nếu hiệu suất này không được thiết lập trong tháp thì HYSYS sẽ tính toán hiệu suất dựa trên các kích thước đã được thiết lập của đĩa trong gói amine của tháp Nếu các thông số kích thước của đĩa không được thiết lập HYSYS sẽ sử dụng các kích thước mặc định của đĩa

để tính toán hệ số của bậc tách Đây là các bậc thực, không phải là các bậc lý tưởng

C.3.1.Mô hình trạng thái không cân bằng:

Phương trình cân bằng vật liệu tổng quát:

C.4.Cân bằng hòa tan

C.4.1.Mô hình Kent- Eisenberg

Mô hình này dựa trên sự tính toán tiếp cận của Kent và Eisenberg sử dụng để tính toán

độ hòa tan tới hạn của khí axit trong dung dịch amine Phần này chứa các dữ liệu thực nghiệm được hợp thức hóa trong mô hình hòa tan Ngoài ra còn bổ sung thêm một số dữ liệu cho DEA, MDEA, MEA/MDEA, DEA/MDEA

Mô hình tiếp tục được phát triển để mở rộng khoảng tin cậy đối với mol dòng nạp liệu giữa khoảng 0.0001 và 1.2 Các mô hình riêng được phát triển để dự đoán độ hòa tan củahỗn hợp khí axit trong dung dịch amine bậc 3 Độ hòa tan của các thành phần trơ như cáchydrocacbon đã được mô hình hóa và hệ số Henry được điều chỉnh lại cho phù hợp với lực ion

Việc tính toán tỷ số cân bằng hay giá trị K gồm hệ phương trình phi tuyến tính biểu diễn

sự cân bằng hóa học, cân bằng pha, cân bằng điện tích, cân bằng khôi lượng của các chất điện phân trong dung dịch Các phương trình này được cho ở dưới đây Mô hình này cũng sử dụng phương pháp nội suy và ngoại suy từ các dữ liệu thực nghiệm vê độ hòa tan

trong gói đặc tính amine Vì amine bậc 4 không hình thành cacbarmat, phương trình bao gồm các loại ion được rút ra từ mô hình

Các phương trình được đưa ra ở dưới đây:

Hằng số cân bằng

Cân bằng pha

Cân bằng khối lượng

Hệsố fugacity của các phântử được tính bằng phương trình trạng thái Peng-Robinson :

- ( C.30 )

Ở đây :

a= α (0.45724) R2 Tc2 / Pc C.31

b = (0.07780) RTc/ Pc C.32

Nhiệt độ phụ thuộc vào hệ số α có dạng

Các thông số α và α là chất phụ thuộc và được xác định thông qua hồi quy nghiêm ngặt đối với dữ liệu chính xác

Cho hỗn hợp, các thông số phương trình a và b được ước tính theo các quy tắc trộn

C.4.2.Mô hình điện phân Li-Mather

Gói tính chất Amines đã được biến đổi mô phỏng ở chế độ 3 giai đoạn Đối với quá trình mô phỏng 3 giai đoạn, các giá trị K từ gói tính chất Peng-Robinson được kết hơp với các giá trị K từ gói dữ liệu Amines LLE và VLE

Mô hình Li-Mather cho thấy một khả năng dự đoán mạnh mẽ trên một phạm vi rộng của các giá trị nhiệt độ, áp suất, sự chất tải khí axit, và nồng độ amin AMSIM có khả năng

mô phỏng quá trình với sự phối trộn nhân tạo được tạo thành từ bất kỳ hai trong sáu gốc amines (MEA, DEA, MDEA, TEA, DGA và DIPA)

Kết cấu của mô hình nhiệt động lực học là dựa trên sự cân bằng của 2 loại: cân bằng phalỏng-hơi và cân bằng hóa học

Xi, Yi = nồng độ phần mol của cấu tử I trong pha lỏng và pha khí

Φiv = hệ số pha loãng trong pha khí

γiL = hệ số hoạt động trong pha lỏng

Hệ số pha loãng được tính bởi phương trình trạng thái Peng- Robinson (Peng-Robinson,1976):

Trong đó các thông số được lấy từ thư viện dữ liệu EQUI-PHASE EQUI90 Thông số hoạt động được tính bởi phương trình Clegg- Pitzer được mô tả ở phần sau

Cân bằng hóa học

Trong trường hợp hỗn hợp chỉ có một cấu tử amin H2S-CO2-H2O, phương trình phản ứng phân ly hóa học được cho bởi như sau:

Các hằng số cân bằng hóa học trong hỗn hợp amin-khí axit đóng vai trò quan trọng trong việc xem xét độ cân bằng hòa tan của khí axit trong dung dịch amin Hắng số K có thể được thể hiện như sau:

Việc xác định cấu tạo của tất cả các loại phân tử và ion trong cả pha lỏng và pha hơi liên quan đến các vấn đề sau: độ hòa tan, các phương trinh phi tuyến tính được thể hiện ở các giai đoạn cân bằng và cân bằng hóa học, và cân bằng khối lượng của chất điện phân trongdung dịch nước

Phương trình Pitzer ban đầu đã không xem xét các phân tử trong hỗn hợp dung môi như hạt tương tác Do đó nó không thích hợp để mô tả nhiệt động lực học của các hỗn hợp dung môi Trong mô hình Clegg, tất cả các cấu tử trong hỗn hợp được coi là các hạt tương tác Trong giới hạn phạm vi lớn tĩnh điện và giới hạn phạm vi nhỏ lực đẩy của các quả cầu cứng được kết luận từ lý thuyết áp suất thẩm thấu do McMillan-Mayer thống kê vẫn không thay đổi Thừa số Gibbs (năng lượng tự do), gex gồm có giới hạn phạm vi lớn tĩnh điện Debye-Huckel, gDH và

mở rộng phạm vi ngắn Margules với hai và ba hậu tố, gs.

Ở đây các hệ số c, a, n và n’ lần lượt tương ứng với cation, anion và các phân tử Chỉ

số dưới 2 thay thế cho H2O Tổng phần mol ion được tính theo công thức sau:

Trong đó:

Ci , Cn là nồng độ mol của ion I và dung môi n

I là lực ion trong dung dịch

A φ

là hệ số Debye- Huckel, là hàm phụ thuộc vào nhiệt độ , khối lượng riêng và hằng

số điện môi của hỗn hợp các dung môi

ρ

là tham số đặc trưng cho khoảng cách để va chạm giữa các ion còn gọi là khoảng cách tối thiểu để va chạm giữa các ion trong dung dịch

Bca là hệ số đặc trưng cho lực đấy dạng cầu giữa các ion

Wnca là hệ số đặc trưng cho sự tương tác giữa các ion với ion và ion với dung môi

Các hệ số An’n, Ann’, Bca, Wnca là hàm phụ thuộc vào nhiệt độ và được xác định theo công thức sau:

Y= a +b/T

Phương trình Clegg-Pitzer dường như không phù hợp trong mô hình này Nó gồm nhiềuthuật ngữ và các hệ số khác, tuy nhiên chỉ sử dụng một lượng ít các tham số và thuật ngữ

ví dụ như là thuật ngữ bậc 4 trong phương trình Clegg-Pitzer không được sử dụng trong

mô hình này Chỉ có các thông số Ann’, An’n, Bca và Wnca được sử dụng và có thể điều chỉnhđược các thông số này

Trong mô hình này, nước và amine dùng làm dung môi Ở nhiệt độ và áp suất của hệ thống đếu sử dụng dung môi nguyên chất Theo quy chuẩn thì trạng thái của ion và các phân tử khác đều ở trạng thái lý tưởng và dung dịch có khả năng pha loãng vô hạn

C.5.Entanpy của pha.

Entanpy của pha hơi được tính theo phương trình Peng-Robinson là tổng năng lượng nhiệt của khí lý tưởng ở trạng thái đang xét Entanpy của pha lỏng tính đến sự ảnh hưởng của ẩn nhiệt pha hơi và nhiệt phản ứng

Khả năng hấp thụ và nhả hấp thụ H2S và CO2 trong dung dịch akanolamine phụ thuộc vào cả nhiệt do phản ứng hóa học gây ra Lượng nhiệt này phụ thuộc vào nồng độ và từng

loại amine, lượng khí axit trong dòng nguyên liệu vào Nhiệt hòa tan của dòng khí axit được xác định theo các dữ liệu thu được từ các thí nghiệm hòa tan khác nhau và sử dụng theo phương trình Gibbs-Helmholtz.

Hiệu ứng nhiệt mà kết quả từ sự bốc hơi và ngưng tụ của amin và nước trong cả hai quátrình hấp thụ và tái sinh được giải thích thông qua các hạn nhiệt ẩn xuất hiện trong tínhtoán của entanpy chất lỏng Hàm lượng nước của nguồn cấp dữ liệu khí chua có thể cóảnh hưởng rất lớn trên các thông số nhiệt độ dự báo trong hấp thụ và cần được xem xét,đặc biệt là ở áp suất thấp

C.6 Mô phỏng quá trình phân xưởng Amin

Chìa khóa để giải quyết một hệ thống xử lý amin nằm trong các mô phỏng của tiếp xúc

và tái sinh Trong cả hai cột, không cân bằng tính toán giai đoạn hiệu quả nghiêm ngặtđược sử dụng Ngoài ra, hiệu quả tiếp xúc kết hợp phản ứng động và các thông số chuyểnkhối lượng Chỉ gói Amin có thể mô phỏng hiệu quả hệ thống này, và chỉ có thành phầnbao gồm trong gói này nên được sử dụng

C.6.1 Tính toán cột

Thực hiện theo các hướng dẫn chung:

• Đảm bảo rằng khí đốt cho tiếp xúc được bão hòa với nước

• Sử dụng thực tế, không lý tưởng, giai đoạn

• Thay đổi hiệu quả giai đoạn cho khí CO2 và H2S từ giá trị mặc định là 1,0 đến chonhững phần cho tái sinh và thời gian hấp thụ ban đầu

• Sử dụng hiệu quả tính toán cho hấp thụ sau đó chạy như chi tiết dưới đây

• Thay đổi các yếu tố giảm xóc từ một giá trị mặc định là 1.0 đến một phần nhỏ nhưkhuyến nghị trong phần sau Đây có thể là cần thiết để ngăn chặn sự dao động trong hộitụ

C.6.2.Bộ tiếp xúc hội tụ

Hội tụ được dễ dàng nhất đạt được bằng cách đầu tiên giải quyết với hiệu quả ước tính(giá trị đề nghị là 0,3 CO2 và 0,6 cho H2S), sau đó yêu cầu hiệu suất tính toán và khởi