Công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc và nhiều bậc: những đặc điểm đặc trưng và so sánh

Phương pháp ngưng tụ khí ở nhiệt độ thấp 25oC đến 35oC, áp suất cao 3.04.0 MPa được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn cả để chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành. Khí từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí, sau đó được làm lạnh và đưa vào thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp. Tại đó, khí nén được làm lạnh tới nhiệt độ âm cần thiết, sau đó đưa sang bộ phận tách khí, ở đó một phần Hydrocacbon đã được ngưng tụ tách ra.

Tiểu luận môn học CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ

Công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc và

nhiều bậc: những đặc điểm đặc trưng và so sánh

GVHD: PGS.TS Lê Minh Thắng

Sinh viên thực hiện:

Lê Anh Tú – MSSV: 20134478 Nguyễn Mạnh Tuấn – MSSV: 20134303

Hà nội, tháng 11 năm 2016

Lời nói đầu:

Với mong muốn tìm hiểu về các công nghệ chế biến khí, đặc biệt là công nghệ chế biến khí bằng phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp, chúng em đã chọn đề tài:

“Công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc và nhiều bậc: những đặc điểm đặc trưng

và so sánh.”

Tiểu luận gồm có 2 phần chính:

Chương 1: Tổng quan về quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp

Chương 2: Mô phỏng lại các quá trình công nghệ

Trong quá trình làm tiểu luận này, dù đã cố gắng nhưng do kiến thức có hạn nên em không thể tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận được sự góp ý và bổ sung của

cô để tiểu luận này có thể hoàn thiện hơn

2

Mục lục:

I Sơ lược về quá trình chế biến khí theo sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp. 4

II.1 Ngưng tụ nhiệt độ thấp có lưu trình làm lạnh ngoài 5 II.2 Ngưng tụ nhiệt độ thấp có lưu trình làm lạnh trong 6

1 Thông số cơ bản của dòng nguyên liệu 8

2 Yêu cầu đề ra của bài tiểu luận 8

1 Mô phỏng lưu trình trong Hysys 9

2 Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng của quá trình 11

1 Mô phỏng lưu trình trong Hysys 15

2 Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng của quá trình 16

Chương 1: Tổng quan về quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp

I. Sơ lược về quá trình chế biến khí theo sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp.

Phương pháp ngưng tụ khí ở nhiệt độ thấp -25oC đến -35oC, áp suất cao 3.0-4.0 MPa được coi là phương pháp có hiệu quả và kinh tế hơn cả để chế biến khí tự nhiên

và khí đồng hành

Khí từ xí nghiệp khai thác dầu được nén bằng máy nén khí, sau đó được làm lạnh

và đưa vào thiết bị ngưng tụ nhiệt độ thấp Tại đó, khí nén được làm lạnh tới nhiệt độ

âm cần thiết, sau đó đưa sang bộ phận tách khí, ở đó một phần Hydrocacbon đã được ngưng tụ tách ra

Phần ngưng tụ của bậc nén và làm lạnh khí đồng hành được bơm từ thùng chứa qua

bộ phận trao đổi nhiệt sang cột tách etan, tại đó phân đoạn chứa metan và etan được tách ra Sau đó, phần nặng hơn là phần ngưng tụ đã được tách metan và etan, qua thiết

bị trao đổi nhiệt vào trong bình chứa, từ đó nó được đưa đi chế biến tiếp

Phương pháp ngưng tụ nhiệt độ thấp để tách phần nặng từ khí đồng hành là phương pháp rất tốn kém, để thực hiện cần có thiết bị làm lạnh phức tạp Tuy nhiên, do sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản hiệu quả tách C3+ khỏi khí khá cao và tương đối triệt để nên những năm gần đây, phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế biến khí

Có nhiều phương pháp để áp dụng, có thể phân loại theo số bậc tách hay kiểu nguồn làm lạnh Theo kiểu nguồn lạnh, ta có thể có chu trình làm lạnh trong, chu trình làm lạnh ngoài, hay chu trình làm lạnh tổ hợp là kết hợp cả hai phương pháp trên Chu trình làm lạnh ngoài không phụ thuộc vào sơ đồ công nghệ có tác nhân làm lạnh đặc biệt Tùy thuộc vào tác nhân làm lạnh mà chu trình làm lạnh ngoài có thể được chia làm hai nhóm: nhóm một tác nhân làm lạnh và nhóm nhiều tác nhan làm lạnh, thường là hỗn hợp các hydrocacbon nhẹ Chu trình làm lạnh ngoài có ứng dụng hai hay nhiều tác nhân làm lạnh được gọi là chu trình làm lạnh bậc thang

Chu trình làm lạnh trong, tác nhân làm lạnh chính là dòng khí đưa vào chế biến Chu trình làm lạnh trong có thể chia làm hai nhóm:

4

- Nhóm thứ nhất có kết hợp với sự tiết lưu dòng chất lỏng, một phần lạnh nhận được do sự tiết lưu condensat của bậc 1 và 2, hoặc tiết lưu phần lỏng còn lại của các tháp tách metan và etan

- Nhóm thứ hai có kết hợp sự giãn nở khí Một phần lạnh và nhiệt độ thấp nhận được do quá trình giãn nở khí bằng tuabin

Về mặt nguyên tắc, có thể sử dụng sơ đồ trong đó toàn bộ lượng lạnh cần thiết cho quá trình nhận được do tiết lưu dòng lỏng condensat Tuy nhiên, sơ đồ có bộ phận tiết lưu trong trường hợp này là không kinh tế và phức tạp Chỉ sử dụng tuabin giãn nở khí làm nguồn nhiệt duy nhất trong trường hợp khí gầy và khí được truyền dẫn với áp suất tương ứng

Khí đồng hành thường được chế biến theo sơ đồ, trong đó chu trình làm lạnh ngoài bằng propan kết hợp với chu trình làm lạnh trong Trong những sơ đồ như vậy, ở bậc 1 người ta áp dụng chu trình làm lạnh ngoài, làm lạnh khí tới nhiệt độ khoảng -30oC, còn

ở bậc 2, để nhận được nhiệt độ thấp hơn, người ta sử dụng chu trình làm lạnh trong Theo yêu cầu nhận sản phẩm ra, sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp được chia thành sơ đồ

để nhận C2+ và sơ đồ để nhận C3+

II.1 Ngưng tụ nhiệt độ thấp có lưu trình làm lạnh ngoài:

Hình 1: Sơ đồ công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp (NNT) có lưu trình làm lạnh ngoài

1, 7 Tháp tách 2 pha 4, 5 Thiết bị trao đổi nhiệt 9 Thiết bị hồi lưu

2 Bộ phận nén khí 6, 10 Thiết bị làm lạnh bằng propan 11 Thiết bị đun sôi đáy tháp

3 Thiết bị làm mát bằng không khí 8 Tháp tách etan

I Khí đưa vào chế biến II Khí khô sản phẩm III Các hydrocacbon C3+

Nguyên lý của sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp có lưu trình làm lạnh ngoài:

Theo sơ đồ này, khí nguyên liệu từ ống dẫn được đưa vào bộ phận tách khí sơ

bộ 1, tại đây nó được làm sạch khỏi các tạp chất cơ học và các chất lỏng dạng hạt (dầu, nước, ) Sau khi được làm sạch sơ bộ trong tháp tách 1, khí được đưa vào máy nén 2 Khí nén đi qua thiết bị làm mát bằng không khí 3, được làm lạnh lần lượt trong các thiết bị trao đổi nhiệt 4 và 5 do dòng lạnh của khí khô và chất lỏng ngưng tụ từ tháp phân tách 7 Sau đó qua bộ phận bay hơi propan 6, một phần khí được ngưng tụ và đi vào tháp phân tách 7, ở đó hydrocacbon đã ngưng tụ được tách ra Từ đỉnh tháp 7 khí khô thoát ra, sau khi truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt 4 được đưa vào đường ống dẫn khí chính Từ đáy tháp tách 7, phần ngưng tụ (condensat) được tháo ra, sau khi được truyền lạnh ở bộ phận trao đổi nhiệt 5, nhiệt độ được nâng lên và được đưa vào phần giữa tháp tách etan 8 Sản phẩm đỉnh tháp gồm có hỗn hợp metan (20% ÷ 70% thể tích), etan (30% ÷ 75% thể tích) và propan (không quá 5% thể tích) được trộn lẫn với khí khô, đưa vào đường ống dẫn khí chính Sản phẩm đáy tháp chính là phân đoạn chứa hỗn hợp propan và hydrocacbon nặng C3+, được sử dụng để sản xuất propan, butan, pentan và benzin khí hoặc khí đốt cho sinh hoạt (đun nấu, sưởi, )

II.2 Ngưng tụ nhiệt độ thấp có lưu trình làm lạnh trong.

Hình 2: Công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp sử dụng turbo expander

1 Công đoạn sấy khí 4 Bộ phận tách áp suất cao 7 Tháp tách metan

2 Bộ phận trao đổi nhiệt 5 Tuabin giãn nở khí

3 Máy nén 6 Bộ phận tách áp suất thấp

6

I Khí nguyên liệu II Khí khô III Phân đoạn hydrocacbon nặng

Nguyên lý của sơ đồ ngưng tụ nhiệt độ thấp có sử dụng turbo expander:

Khí có áp suất cao đi vào công đoạn sấy khí 1 để giảm hàm lượng nước xuống giới hạn cho phép, sau đó khí được đưa qua bộ phận trao đổi nhiệt 2 để làm lạnh, tận dụng nhiệt của dòng khí khô tách ra từ tháp tách metan 7 có nhiệt độ thấp Sau khi ra khỏi thiết bị làm lạnh, khí vào bộ phận tách áp suất cao 4 Phần lỏng tách ra được đưa thẳng vào tháp tách metan

Phần khí tách ra từ bộ phận tách áp suất cao 4 được đưa qua tuabin giãn nở khí

để giảm áp, giảm nhiệt độ rồi dẫn vào bộ phận tách áp suất thấp 6 để tách triệt để hơn các hydrocacbon nhẹ Khí tách ra tại bộ phận tách áp suất thấp 6 được đưa ra trộn với dòng sản phẩm Phần lỏng được đưa vào tháp tách metan 7 Sản phẩm khí thu được ở tháp tách metan 7 có thành phần chủ yếu là metan được đưa ra ngoài Do có nhiệt độ thấp nên được tận dụng bằng cách trao đổi nhiệt với dùng nguyên liệu thông qua bộ phận trao đổi nhiệt 2 rồi tới máy nén khí 3 để nén đến áp suất thích hợp rồi đưa vào bồn chứa hoặc đưa đi tiêu thụ Máy nén được nối với tuabin giãn nở khí qua 1 trục nhằm tận dụng công do quá trình giãn nở khí sinh ra Phần lỏng tách ra ở đáy tháp chủ yếu là C2, C3, và C4+

Chương 2: Mô phỏng lại các quá trình công nghệ:

1 Thông số cơ bản của dòng nguyên liệu:

Trong bài tiểu luận này, dòng nguyên liệu đầu vào có thông số như sau:

Năng suất làm việc 500 triệu m3/năm

Thông số thành phần dòng được lấy từ thông số mỏ Bạch Hổ, trong sách công nghệ Chế biến khí Ngoài ra, cấu tử C5+ được lấy tính chất tương tự như C7

2 Yêu cầu đề ra của bài tiểu luận:

Công nghệ ngưng tụ nhiệt độ thấp một bậc và nhiều bậc: những đặc điểm đặc trưng và so sánh Từ đó, trong bài sẽ mô phỏng lại 2 quá trình ngưng tụ nhiệt độ thấp

sử dụng lưu trình làm lạnh trong và ngoài ứng với hai loại là ngưng tụ NNT một bậc

và nhiều bậc Những điểm cần so sánh:

- Điểm đặc trưng của lưu trình một bậc và nhiều bậc

- Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng của cả quá trình, sử dụng hysys để tính toán

- Xét đến chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật để đánh giá tính ứng dụng trong mỗi lưu trình

1 Mô phỏng lưu trình trong Hysys:

8

a Lưu trình một bậc:

Hình 3: Lưu trình khi mô phỏng bằng Hysys

• Thuyết minh lưu trình:

Do dòng vào có CO2 nên dòng khí được làm ngọt, coi như tách hoàn toàn CO2

thông qua tháp tách lý tưởng (Component Spliter) thu được dòng khí “ngọt” Dòng khí đó được đưa qua tháp tách 2 pha EQ-1 để thu phần hơi, đảm bảo cho quá trình nén bởi máy nén EQ-2 lên 3MPa Do dòng khí thu được có áp suất cao nên được làm mát sơ bộ bằng quạt không khí EQ-3 Dòng khí mát được chia đôi với tỉ lệ 50/50 (dòng 1 và 2) Dòng 1 được trao đổi nhiệt với dòng hơi kết hợp từ đỉnh tháp tách 2 pha EQ-7 và tháp chưng EQ-8 Dòng 2 được trao đổi nhiệt với dòng lỏng ở tháp chưng EQ-7 Trộn lại hai dòng, ta thu được dòng 5 Tiếp đến, dòng 5 được làm lạnh bởi thiết bị bay hơi propan (hoặc propan-etan) EQ-6 xuống Sau khi được làm lạnh, dòng trở thành dòng 2 pha, dòng này tiếp tục đi qua tháp tách 2 pha, phần lỏng trao đổi nhiệt qua EQ-5 để lên nhiệt độ khoảng 10oC và đi vào tháp chưng EQ-8 Phần hơi từ EQ-7 và đỉnh tháp chưng EQ-8 sẽ được trộn vào và trao đổi nhiệt qua EQ-4 lên nhiệt độ khoảng 0oC rồi đi ra ngoài

b Lưu trình nhiều bậc:

Hình 4: Lưu trình ba bậc

• Thuyết minh lưu trình:

Tương tự với lưu trình một bậc, dòng khí trước khi đưa vào các bậc đều được gia nhiệt sơ bộ Dòng sau trộn được đi qua thiết bị làm lạnh EQ-5 xuống -10oC, tháp tách pha thứ nhất EQ-6, dòng hơi lại được qua thiết bị làm lạnh EQ-7 xuống -20oC và chuyển thành hỗn hợp hai pha được tách bởi tháp tách EQ-8 Dòng hơi lại tiếp tục được làm lạnh xuống thêm và chuyển pha qua thiết bị EQ-9 và được tách bởi EQ-10 Cuối cùng, dòng lỏng của ba tháp tách EQ-6, 8, 10 được trộn lại, trao đổi nhiệt qua thiết bị EQ-4.1 lên 10oC và đi vào tháp chưng EQ-11 Dòng hơi từ đỉnh tháp chưng kết hợp với dòng hơi đỉnh tháp tách trao đổi nhiệt qua thiết bị

EQ-4 lên 0oC

c Lựa chọn chất tải lạnh:

Chất tải lạnh trong lưu trình NNT có làm lạnh ngoài rất quan trọng Lưu trình có sử dụng template của chu trình lạnh:

1 0

Để làm lạnh cho lưu trình thì cần hai điều kiện quan trọng: Nhiệt độ đủ thấp để đáp ứng khả năng tách hợp lý và lưu lượng chất tải lạnh đi trong chu trình Theo khảo sát sơ bộ, khi sử dụng propan có nhiệt độ sôi là -42.19oC, ta lựa chọn nhiệt độ cuối của trao đổi nhiệt là -40oC (qua thiết bị EQ-6 ở một bậc và EQ-19 ở ba bậc) thì hiệu quả thu được propan ở dòng lỏng tương ứng với tháp tách sơ bộ là không cao Do đó ta cần

hạ nhiệt độ thấp hơn Trong lưu trình của bài tiểu luận này ta lựa chọn chất tải lạnh là hỗn hợp dòng C2 và C3 tỉ lệ 50:50 Nhiệt độ sôi của hỗn hợp tại 1 atm là -54.81oC Chọn nhiệt độ làm lạnh cuối là -50oC

Cấu tử Nhiệt độ sôi ( o C) tại 3 MPa Lưu lượng mole (kmole/h)

2 Cân bằng vật liệu và nhiệt lượng của quá trình:

a Tại lưu trình một bậc:

Xét cân bằng vật liệu và nhiệt lượng tại các thiết bị EQ-1 đến 8, ta có bảng sau:

Cân bằng vật chất

Cân bằng năng lượng:

b Tại lưu trình nhiều bậc, ta có bảng sau:

Cân bằng vật chất

Cân bằng năng lượng

1 2

3 So sánh hai lưu trình:

a Điểm đặc trưng của hai lưu trình

• Lưu trình một bậc:

Ở lưu trình này, hệ thống chỉ sử dụng một thiết bị làm lạnh và một thiết bị tách hai pha Lưu lượng của chất tải lạnh cần dùng là 695259.8 kmole/h

Xét dòng trước khi vào tháp tách etan:

Ta có thành phần dòng lỏng như sau (kmole/h)

Lưu lượng mole của Propane 44365.70

Lưu lượng mole của Ethane 45448.62

Lưu lượng mole của Methane 50261.46

Do đó ta chọn điều kiện của tháp chưng sao cho phù hợp với khả năng tách thực tế lượng C3 ở đỉnh tháp là 4% là tháp có 14 đĩa, chỉ số hồi lưu là 2, áp suất làm việc ở đỉnh và đáy đều là 3MPa

Tổng kết lại, ta thu được khả năng tách C3 của lưu trình là 69.36%, C4 là 93.79%

• Lưu trình ba bậc

Ở lưu trình này, hệ thống sử dụng 3 thiết bị làm lạnh và ba thiết bị tách pha Ta thu được thông tin của dòng lỏng trộn cả ba dòng lỏng dưới đáy như sau:

Tổng lưu lượng chất tải lạnh cần sử dụng: 690473.6 kmole/h

Tổng lưu lượng mole Propane: 43307.38 kmole/h

Tổng lưu lượng mole Ethane: 41454.17 kmole/h

Tổng lưu lượng mole Methane: 44900.16 kmole/h

Do đó ta chọn điều kiện của tháp chưng sao cho phù hợp với khả năng tách thực tế lượng C3 ở đỉnh tháp là 4% là tháp có 14 đĩa, chỉ số hồi lưu là 2, áp suất làm việc ở đỉnh và đáy đều là 3MPa

Tổng kết lại, ta thu được hiệu suất tách C là 68.09%, C là 94.61%

Khi so sánh, có một điều dễ thấy rằng, lượng C1 và C2 ở dòng lỏng đã giảm đi ở lưu trình nhiều bậc so với một bậc sau khi ra khỏi hệ thống ngưng tụ, có nghĩa là khả năng tách đã sâu hơn Do sự cân bằng lỏng hơi cũng như sự cân bằng khi hấp thụ các chất ở nhiệt độ xác định nên đã gây ra hiện tượng hệ thống tách 3 bậc có lượng propan sau tách nhỏ hơn một bậc một chút nhưng không đáng kể, bù lại, hàm lượng C4+ trong dòng sản phẩm có hàm lượng cao hơn

Ngoài ra, ta nhận thấy rằng, lượng chất tải lạnh cần sử dụng cho lưu trình ba bậc đã nhỏ hơn so với một bậc, tức là đã tiết kiệm được lượng chất tải lạnh Nếu tối ưu lượng chất tải lạnh, ta hoàn toàn thấy sự chênh lệch này là đáng kể

Tựu chung lại, lưu trình ba bậc có những điểm tốt hơn như là khả năng tách sâu hơn, dòng sản phẩm ít lẫn khí khô hơn, giảm chi phí cho chất tải lạnh cũng như năng lượng cung cấp cho tháp chưng

b Chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật:

Điều ta dễ thấy là sơ đồ nhiều bậc tốn khá nhiều thiết bị, thêm 4 thiết bị không

kể chu trình lạnh khép kín Do đó, chi phí thi công, lắp đặt hay vận hành bị cao hơn Tựu chung lại khi kết hợp giữa ưu điểm về đặc trưng của quá trình với đưa vào thực tế thì chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật là tương đương nhau Do vậy, người ta thường sử dụng lưu trình một bậc để tách C3+ Những chu trình nhiều bậc chủ yếu người ta ứng dụng

để tách sâu C2 và C3, ngoài ta có thể kết hợp chu trình làm lạnh trong hay kết hợp các chu trình (làm lạnh tổ hợp)

1 4

III. Lưu trình NNT có chu trình làm lạnh trong:

1. Mô phỏng lưu trình trong Hysys:

a. Lưu trình một bậc:

Hình 5: Lưu trình mô phỏng NNT tách C 3+ một bậc bằng Hysys.

• Thuyết minh lưu trình:

Do dòng vào có chứa CO2, N2 nên dòng khí được đưa qua tháp tách cấu tử (Component spliter) và giả thiết như 2 cấu tử này được tách hoàn toàn Khí sau khi được loại bỏ CO2, N2 thì được nén đến áp suất 5MPa Do quá trình tăng áp thì đi liền với quá trình tăng nhiệt, ta dẫn hỗn hợp khí sau khi nén qua Cooler E101 để làm mát

về 20oC Dòng khí sau đó được đưa vào tháp tách pha EQ1 để tách những giọt lỏng còn sót lại trong quá trình chuẩn bị ban đầu Hơi đi ra từ EQ1 được trao đổi nhiệt với dòng khí khô sản phẩm giảm xuống còn -5oC Do nhiệt độ giảm, một phần khí bị ngưng tụ và được tác ra ở tháp tách EQ2, rồi sau đó đi vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng T-100 Trong khi đó, dòng khí đi ra từ EQ2 được giảm áp bằng Expander K-100 Khi xảy ra quá trình này, nhiệt độ dòng khí giảm sâu xuống còn -33.5oC; khiến cho một phần lỏng bị ngưng tụ lại Phần lỏng này sau đó lại được tách ra ở tháp tách EQ3 và đi vào đĩa trên cùng của tháp chưng T-100 Khí khô đi ra từ EQ3 được trộn với khí khô

đi ra từ đỉnh tháp chưng, qua Compressor K-101 sử dụng công sinh ra từ K-100, nén tới áp suất 2.7MPa trước khi đem đi sử dụng