Tính toán, thiết kế cụm phân xưởng tách PLG trong nhà máy chế biến khí từ nguồn khí sư tử trắng với năng suất nhập liệu 10 triệu m3 ngày

Nhà máy sẽ được xây dựng tại xã An Ngãi - huyện Long Điền - tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, được thiết kế có khả năng xử lí 10 triệu m3 khí/ngàyđêm cho 1 dây chuyền với chế độ phân tách LPG và c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CỤM PHÂN XƯỞNG TÁCH LPG TRONG NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ

TỪ NGUỒN KHÍ SƯ TỬ TRẮNG VỚI NĂNG SUẤT

Trình độ đào tạo: Đại học chính quyNgành: Công Nghệ kỹ thuật hóa họcChuyên ngành: Hóa dầu

Người hướng dẫn : Tiến sĩ Lê Công Tánh

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Luân

MSSV: 1152010122 Lớp: DH12HD

TP Hồ Chí Minh, năm 2016

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu và tính toán thiết kế của riêng tôidưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Lê Công Tánh Các số liệu và kết quả nghiên cứutrong đồ án tốt nghiệp này là trung thực và không trùng lặp với các đề tài khác.

Nếu có bất kì sự sao chép về số liệu cũng như về kết quả, tôi xin chịu trách nhiệm

TP Hồ Chí Minh, ngày 5 tháng 5 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Luân

LỜI CẢM ƠN

Trong thực tế cuộc sống cũng như trong công việc, học tập hay tất cả các lĩnhvực khác, không có bất kì sự thành công nào mà không được sự giúp đỡ hỗ trợ từmọi người xung quanh Cũng chính vì có được sự giúp đỡ hỗ trợ trong suốtquãng thời gian qua nên em mới hoàn thành đồ án tốt nghiệp “ Tính toán, thiết kếcụm phân xưởng tách LPG trong nhà máy chế biến khí từ nguồn nguyên liệu khí

Sư Tử Trắng với năng suất nhập liệu 10 triệu Sm3/ngày” một cách tốt đẹp nhất

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Tiến Sĩ Lê Công Tánh , Kỹ sưNguyễn Thế Thịnh cùng tập thể tất cả anh, chị trong Phòng Công Nghệ thuộc Tổngcông ty Tư Vấn Thiết Kế Dầu Khí (PVE) đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện tốtnhất để em hoàn thành quá trình xây dựng đồ án Nếu không có sự hỗ trợ của cácanh chị, thì em nghĩ đồ án này khó mà hoàn thành được Một lần nữa em xin chânthành cảm ơn

Trong suốt thời gian thực tập tại công ty và phòng Công nghệ, bản thân em

đã học hỏi được rất nhiều về tác phong làm việc cũng như nhận ra sự hạn chếthiếu sót trong kiến thức của bản thân

Trong thời gian thực tập tại công ty, bản thân em đã bộc lộ rất nhiều hạnchế không những về kiến thức đã được học mà còn về thời gian tiến độ làm việc.Tuy nhiên, do là lần đầu tiên được làm việc và tiếp xúc với một môi trườngchuyên nghiệp, hiện đại nên em cũng không tránh khỏi các hạn chế Bản thân em

sẽ cố gắng xem những hạn chế trên là bài học để luôn cố gắng, phấn đấu trongcông việc cũng như cuộc sống sau này

Bài báo cáo đồ án được hoàn thành trong những ngày cuối của đợt thực tập.Bắt đầu đi vào tìm hiểu và xây dựng tính toán một thiết bị trong ngành công nghiệpdầu khí, kiến thức của em còn hạn chế và rất nhiều bỡ ngỡ Do vậy, chắn chắc sai sót

là không thể tránh khỏi, em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ các anh chị trongPhòng Công Nghệ thuộc Tổng Công ty Tư Vấn Thiết Kế Dầu Khí và các thầy cô khóaHóa và Công Nghệ Thực Phẩm trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu những

Sau cùng, em xin kính chúc tập thể quý anh chị thuộc Phòng Công Nghệ, Tiến Sĩ

Lê Công Tánh, Kỹ sư Nguyễn Thế Thịnh cũng như quý thầy cô Khoa Hóa Học vàCông Nghệ Thực Phẩm đại học Bà Rịa – Vũng Tàu thật dồi dào sức khỏe để tiếptục thực hiện tốt công việc cũng như sứ mệnh của mình

Trân trọng

TP Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 5 năm 2016

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thành Luân

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG v

DANH MỤC HÌNH vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ VÀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP KHÍ 2

1.1 Giới thiệu về ngành công nghiệp khí Việt Nam 2

1.2 Dự án: Nam Côn Sơn 2 và nhà máy GPP 2 2

1.3 Hoạt động của phân xưởng tách LPG 4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ VÀ CỤM PHÂN XƯỞNG TÁCH LPG 5

2.1 Thiết kế, mô phỏng sơ bộ nhà máy chế biến khí 5

2.1.1 Thiết kế sơ đồ hoạt động 5

2.1.2 Chọn thiết bị tách lỏng đầu vào nhà máy 7

2.1.3 Chọn hệ thống sấy khí 8

2.1.4 Lựa chọn công nghệ làm lạnh khí đầu vào sau khi ổn định condesat 9

2.1.5 Lựa chọn sơ đồ phân tách sản phẩm [2,tr 321] 10

2.2 Phân xưởng tách LPG trong nhà máy chế biến khí 12

2.2.1 Hoạt động phân xưởng tách LPG 12

2.2.2 Các thiết bị chính của phân xưởng tách LPG 13

2.3 Phương pháp tính toán cho cụm tách LPG 17

2.3.1 Tính toán cân bằng pha [12,tr 32] 17

2.3.2 Tính toán cân bằng vật chất cho tháp chưng cất 18

2.3.5Tính toán thông s

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHO CỤM TÁCH LPG

3.1Nguyên liệu, sản phẩm

3.2Tính toán các thông số hoạt động của tháp

3.2.1Thông số 3.2.2Thông số ho 3.3Tính toán thông số làm việc của tháp

3.3.1Tính số đĩa lý thuyế 3.3.2Tính toán hi 3.4Tính toán thông số kỹ thuật của tháp

3.4.1Tính toán cân b 3.4.2Tính toán thông s 3.4.3Tính toán c 3.4.4Tính toán thi CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CHI PHÍ

4.1Tính toán sơ bộ lượng nguyên liệu sử dụng:

4.2Tính sơ bộ chi phí vật liệu của tháp LPG:

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Bản vẽ chi tiết tháp tách LPG

Phụ lục 2: Sơ đồ công nghệ cơ bản của nhà máy GPP

iii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

LPG: Liquefied Petroleum Gas

GDC: Trung tâm phân phối khí Phú Mỹ

GPP: Chế độ GPP cho nhà máy chế biến khí

Bảng 2.1 Thành phần các dòng nguyên liệu: 5

Bảng 2.2 Tính chất của dòng nguyên liệu 7

Bảng 2.3 Nhiệt độ điểm sương của các chất hấp phụ 9

Bảng 2.4 Ký hiệu các đại lượng 17

Bảng 2.5 So sánh đĩa loại lỗ và đĩa loại van 23

Bảng 3.1 Thành phần của nguyên liệu đi vào tháp LPG 25

Bảng 3.2 Điều kiện của các dòng nguyên liệu 26

Bảng 3.3 Thành phần phân tách (gần đúng) 27

Bảng 3.4 Nồng độ phần mol và lưu lượng của mỗi cấu tử 27

Bảng 3.5 Số liệu liên quan đến tính toán nhiệt độ tại đỉnh tháp 29

Bảng 3.6 Số liệu liên quan đến tính toán nhiệt độ tại condenser 31

Bảng 3.7 Số liệu liên quan đến tính toán tại đáy tháp 33

Bảng 3.8 Số liệu liên quan đến tính toán nhiệt độ tại reboiler 35

Bảng 3.9 Điều kiện hoạt động của tháp 36

Bảng 3.10a Kết quả xác định hệ số φ 38

Bảng 3.10b Kết quả xác định chỉ số hồi lưu tối thiểu 39

Bảng 3.11 Kết quả mô phỏng cho từng đĩa trong tháp 44

Bảng 3.12 Tải trọng hơi tại các đĩa trong tháp (phần luyện) 46

Bảng 3.13 Thông số của đáy và nắp thiết bị 51

Bảng 3.14 Kích thước bích ghép đáy, nắp 52

Bảng 3.15 Thông số bích ghép ống dẫn 53

Bảng 3.16 Kích thước của chân đỡ ( mm) 56

Bảng 3.17 Kích thước của tai treo 57

Bảng 3.18 Các thông số cho tháp tách LPG 58

Bảng 4.1 Sơ bộ chi phí tháp tách LPG 74

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các vùng mỏ khí chính ở Việt Nam. 2

Hình 1.2 Triển vọng cung- cầu LPG trong nước cho đến năm 2020 4

Hình 2.1: Sơ đồ cơ bản cho nhà máy xử lý khí 6

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả hệ thống làm lạnh khí nguyên liệu 9

Hình 2.3 Sơ đồ hoạt động của nhà máy chế biến khí………11

Hình 2.4 Sơ đồ đơn giản của một tháp chưng cất 13

Hình 2.5 Minh họa condenser 15

Hình 2.6 : Một số dạng reboiler 16

Hình 2.7 Mô tả Reboiler dạng Thermosiphon 16

Hình 3.1 Sơ đồ làm việc của đỉnh tháp và condenser 29

Hình 3.2 Đáy, nắp thiết bị 51

Hình 3.3 Bích ghép thân với đáy, nắp 52

Hình 3.4 Bích ghép thân thiết bị với ống dẫn 53

Hình 3.5 Mô tả chân đỡ của tháp 56

Hình 3.6 Mô tả tai treo thiết bị 57

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay, nguồn cung cấp khí đốt cho các hộ tiêu thụ khu vực Đông Nam

Bộ chủ yếu là từ hai bể Nam Côn Sơn và Cửu Long [18] Tuy nhiên do sự sụtgiảm đáng kể về sản lượng cũng như chất lượng của các nguồn cung cấp khínày, nên nhu cầu cấp thiết đặt ra là phải tìm kiếm nguồn cung cấp với trữ lượnglớn ổn định và đạt yêu cầu về chất lượng tốt trong tương lai

Quá trình thăm dò và khai thác thử đã cho tín hiệu tốt tại vùng bể Cửu Long với sựkiện đón nhận dòng sản phẩm khí đầu tiên tại mỏ Sư Tử Trắng vào ngày15/11/2012 [20] Dự kiến Mỏ Sư Tử Trắng có thể có trữ lượng tới 170 tỉ m3 khí sovới khoảng 58 tỉ m3 khí với sản lượng khai thác 2,7 tỉ m3/năm của mỏ Lan Tây -Lan Đỏ nằm trong bồn trũng Nam Côn Sơn[19]

Xuất phát từ nhu cầu về sản lượng khí đốt cũng như các sản phẩm khí nhưLPG đang tăng đáng kể trong khi lượng cung cấp lại có chiều hướng giảm trongnhững năm tới nên việc vận hành và đưa vào hoạt động Dự án khí Nam Côn Sơn

2 ( nguồn khí từ các mỏ ở bể Nam Côn Sơn và Cửu Long) là rất cần thiết Ở thờiđiểm hiện tại nước ta chỉ mới có hai nhà máy chế biến khí là Dinh Cố và Nam CônSơn 1 đang hoạt động

Từ nhu cầu thực tế cũng như sự đồng ý chấp thuận của trường Đại Học Bà Rịa –Vũng Tàu và Tiến Sĩ Lê Công Tánh, tôi chọn đề tài:

“ TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CỤM PHÂN XƯỞNG TÁCH LPG TRONG NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ TỪ NGUỒN KHÍ SƯ TỬ TRẮNG VỚI NĂNG SUẤT NHẬP LIỆU 10 TRIỆU SM 3 /NGÀY”

1

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ VÀ

NGÀNH CÔNG NGHIỆP KHÍ

1.1 Giới thiệu về ngành công nghiệp khí Việt Nam

Nền tảng cơ bản để phát triển nền công nghiệp khí của nước ta hiện nay đó

là nguồn dự trữ khí Với trữ lượng khí dự trữ được đánh giá là rất lớn và chủyếu tập trung ở bốn vùng trũng chính: Nam Côn Sơn, Sông Hồng, Cửu Long và

Mã Lai - Thổ Chu [10, tr 17]

Hình 1.1 Các vùng mỏ khí chính ở Việt Nam

Ngoài các vùng mỏ chính kể trên, còn có nhiều mỏ có triển vọng về dầu và khíđồng hành lớn Bể Cửu Long có triển vọng lớn về dầu nhưng đồng thời cũng cómột lượng lớn khí đồng hành Nhưng với sự sụt giảm đáng kể sản lượng củacác nguồn cung cấp khí: Bạch Hổ; Rạng Đông[21,tr 5] thì việc bổ sung các nguồncung cấp mới( Sư Tử Trắng; Hải Sư Tử Trắng) là điều hết sức cần thiết

1.2 Dự án: Nam Côn Sơn 2 và nhà máy GPP 2

Dự án đường ống dẫn khí Nam Côn Sơn 2 là dự án trọng điểm quốc gia, bao gồm các hạng mục chính như đường ống ngoài biển (có chiều dài khoảng 325 km, đường kính ống 26 inches, xuất phát từ Hải Thạch-Mộc Tinh đi qua Thiên Ưng-Mãng Cầu, Bạch Hổ và tiếp bờ tại Long Hải) và phần trên bờ (bao gồm khoảng 9

km tuyến ống 26 inches từ điểm tiếp bờ đến Nhà máy GPP2, Nhà máy GPP2,các trạm và tuyến ống dẫn sản phẩm từ Nhà máy GPP2 đến Phú Mỹ.

Khu vực bể Nam Côn Sơn được đánh giá là có tiềm năng lớn về khíthiên nhiên Để thu gom khí khai thác từ các mỏ Hải Thạch - Mộc Tinh, ThiênƯng - Mãng Cầu, các mỏ khí khác của bể Nam Côn Sơn và bể Cửu Long vàvận chuyển về bờ để cung cấp các sản phẩm cho các hộ tiêu thụ ở khu vựcNam Bộ và có tính đến việc vận chuyển khí nhập khẩu trong tương lai

Nhà máy GPP2, các trạm và tuyến ống dẫn sản phẩm thuộc Hợp đồng EPC Nhàmáy xử lý khí GPP2 là những hạng mục quan trọng của dự án Đường ống dẫn khíNam Côn Sơn 2 Nhà máy sẽ được xây dựng tại xã An Ngãi - huyện Long Điền

- tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, được thiết kế có khả năng xử lí 10 triệu m3 khí/ngàyđêm cho 1 dây chuyền với chế độ phân tách LPG và có xem xét/nghiên cứu xâydựng, lắp đặt hệ thống thu hồi etan cùng hệ thống tách riêng propan trong tươnglai.Từ Nhà máy xử lý khí GPP2, khí khô được vận chuyển qua tuyến ống đếnTrung tâm phân phối Khí Phú Mỹ (GDC) để tiếp nhận và phân phối khí cho các hộtiêu thụ (tuyến ống này đi song song và nằm trong hành lang tuyến ống cùng vớicác hệ thống đường ống hiện hữu Bạch Hổ và Nam Côn Sơn 1) và tuyến ốngdẫn sản phẩm lỏng (LPG và Condensat):

- Đường ống dẫn khí từ Nhà máy GPP2 đến Phú Mỹ GDC: dài khoảng 30 km,đường kính ống 30 inches;

- Đường ống dẫn Condensate từ GPP2 đến Thị Vải: dài khoảng 25km, đườngkính ống 6 inches;

- Đường ống dẫn LPG từ GPP2 đến Thị Vải: dài khoảng 25km, đường kính ống 10 inches

Mỏ Sư Tử Trắng được phát hiện vào ngày 19/11/2003, nằm ở góc Đông Nam lô 15-1 thềm lục địa Việt Nam, ở độ sâu 56m nước, cách đất liền khoảng 62km và cách Vũng Tàu khoảng 135km về phía đông Theo khảo sát, trữ lượng của mỏ STT do Cửu Long JOC điều hành đạt khoảng 300 triệu thùng dầu thô và 3-4 tỷ m3 khí đốt.

3

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

Ngày 14/5/2012, tại công trường chế tạo Cảng Hạ lưu PTSC, Công ty Cổ phần Dịch

vụ Cơ khí Hàng hải PTSC tổ chức lễ hạ thủy, vận chuyển và lắp đặt khối thượng tầng giàn khai thác Sư Tử Trắng do Công ty Cửu Long JOC là chủ đầu tư.

Ngày 15/11/2012, Cửu Long JOC đã đón nhận dòng khí đầu tiên của mỏ Sư TửVàng Hiện việc khai thác dầu tại mỏ này đang được tiến hành[18]

Dự kiến cuối năm 2016 dự án mỏ Sư Tử Trắng phát triển toàn mỏ vào giaiđoạn 1 cho dòng sản phẩm khí đầu tiên Tuy nhiên một phần khí được đem trởlại mỏ để chờ phát triển giai đoạn 2 Dự kiến, trong giai đoạn 2 sẽ bổ sunggiàn nén khí để đưa khí về đường ống dẫn NCS 2

Từ những thành quả ban đầu trên thì việc tiến hành thi công và đưa vào vậnhành nhà máy GPP2 là rất cần thiết

1.3 Hoạt động của phân xưởng tách LPG

a, LPG và nhu cầu sử dụng hiện nay

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG) là một nhóm các loại khí Hydro-Carbon, chủ yếubao gồm Propane và Butane (gồm cả Iso-Butane), phát sinh từ quá trình lọc dầu thôhoặc chế biến khí tự nhiên, khí đồng hành [17]

Hình 1.2 Triển vọng cung- cầu LPG trong nước cho đến năm 2020 [21]

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ VÀ CỤM PHÂN

XƯỞNG TÁCH LPG

2.1 Thiết kế, mô phỏng sơ bộ nhà máy chế biến khí

Thiết kế, tính toán cấu hình cơ bản dựa trên các bước:

1 Sử dụng phần mềm Hysys[3] mô phỏng thành phần của nguyên liệu, xây dựng quy trình nhà máy GPP để tính toán hoạt động của tháp chưng cất tách LPG

2.Sử dụng các số liệu từ quá trình mô phỏng kết hợp với tính toán để xác định các thông số cơ bản của tháp tách LPG và các cụm công nghệ phụ trợ

2.1.1 Thiết kế sơ đồ hoạt động

* Nguyên liệu

Được thiết kế để thu hồi các sản phẩm Sale Gas, Etan và LPG cũng như phầncondensat Nhà máy (GPP) thiết kế được nhập liệu từ nguồn nguyên liệu của mỏkhí Sư Tử Trắng với các thông số cơ bản [6]:

Lưu lượng nguyên liệu : 10 triệu Sm3/ ngày đêm

Áp suất: 70 bargNhiệt độ: 25 degCĐược phối trộn từ hai dòng thành phần với tỉ lệ 50:50:

Bảng 2.1 Thành phần các dòng nguyên liệu:

Thành phần

CO2N2C1C2C3i-C4n-C4i-C5n-C5C6C7C8C9C10C11

5

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

Thành phần

C12C13C14C15C16C17C18C19C20C21C22C23C24C25C26C27C28C29C30C31C32C33C34C35C36+

Nhà máy được thiết kế làm 5 cụm : Cụm làm lạnh nguyên liệu sau khi phântách, cụm ổn định condesat để tận thu LPG, cụm thu hồi SaleGas, cụm thuhồi etan và tách LPG với sản phẩm đáy là Condesat (C5+)

Căn cứ vào đặc điểm thành phần nguyên liệu, cũng như yêu cầu của các sảnphẩm sau khi phân tách [5] ta có thể lập sơ đồ cơ bản của nhà máy như hình2.1 [10,tr 113]:

Tách lỏng

sơ bộ

2.1.2 Chọn thiết bị tách lỏng đầu vào nhà máy

Đường ống NCS 2 được thiết kế để làm vận chuyển hai pha lỏng – khí.Nguyên liệu đầu vào nhà máy là dòng nguyên liệu với nhiệt độ 250C, áp suất là 70bar Ta có thể thấy ở điều kiện như trên một phần dòng khí đã hóa lỏng, nên cầnphải có một thiết bị tách lỏng phù hợp để phân tách dòng lỏng - khí trong nguyênliệu Bảng 2.2 là tính chất của dòng nguyên liêụ dựa trên kết quả của phần mềm

mô phỏng Hysys:

Bảng 2.2 Tính chất của dòng nguyên liệu

Có bốn loại bình tách cơ bản là bình tách đứng, bình tách ngang, bình tách hình cầu

và Slug Catcher Do hệ thống đường ống vận chuyển nguyên liệu từ mỏ vào bờ thayđổi cao độ theo địa hình đáy biển nên trong đường ống có hiện tượng tích tụ lỏngtại những điểm có cao độ thấp của đường ống khi lưu lượng và áp suất của khítrong đường ống nhỏ không đủ áp lực để đẩy lỏng về bờ Khi lưu lượng khí đầuvào lớn và áp suất cao, lượng lỏng bị tích tụ cuốn theo dẫn đến lượng lỏng vào Nhàmáy tăng đột ngột Vì vậy ta phải lựa chọn thiết bị tách lỏng/khí có thể tích đủ lớn đểchứa lượng lỏng này Slug Catcher là thiết bị phù hợp nhất vì có khả năng chứa và

7

tách lỏng lớn do cấu tạo là hệ thống các dãy ống có kích thước lớn để chứa lỏngmặc dù hiệu quả tách lỏng thấp hơn so với các loại khác.

ăn mòn kim loại, làm giảm tuổi thọ và thời gian sử dụng thiết bị

Lựa chọn phương pháp tách nước:[1,tr 147],[10,tr 118]

Có nhiều phương pháp làm khô khí, tùy thuộc vào hàm lượng nước đầu vào,yêu cầu điểm sương theo mong muốn và cách lựa chọn công nghệ chế biến khí

mà ta lựa chọn các phương pháp khác nhau Để đạt được nhiệt độ điểmsương thấp ( khoảng -90 đến

-1000C) ta phải sử dụng phương pháp hấp phụ vì các lí do[10,tr 124-126]:

- Đây là phương pháp cần sử dụng để sấy khô khí với độ hạ điểm sươngtới

100 0C – 120 0C và yêu cầu khí sau khi sấy phải có điểm sương thấp trong

8

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

Bảng 2.3 Nhiệt độ điểm sương của các chất hấp phụ

Do đặc điểm nhiệt độ điểm sương yêu cầu của khí trước khi vào tháp chưngcất phải ở khoảng -900C đến -1000C nên sử dụng nhôm oxit hay silicagel là khôngthỏa mãn Vậy đề xuất sử dụng zeolit để tách nước ra khỏi dòng khí đầu vào

2.1.4 Lựa chọn công nghệ làm lạnh khí đầu vào sau khi ổn định condesat

Để có thể thu hồi tối đa thành phần LPG và ethane trong nguyên liệu khí ban đầuthì cần làm lạnh nhiệt độ của dòng khí nguyên liệu xuống khoảng -880C đến-1000C Để làm được điều này, ta có thể kết hợp sử dụng phương pháp làm lạnhtổng hợp (làm lạnh ngoài kết hợp giảm áp qua van, giãn nở turbo expander và tậndụng nhiệt lạnh trong hệ thống [2] ) Sơ đồ làm lạnh được nêu trong hình 2.2:

Hình 2.2 Sơ đồ mô tả hệ thống làm lạnh khí nguyên liệu

Chọn tác nhân làm lạnh dòng nguyên liệu khí ban đầu là dòng sản phẩm đỉnh của tháp demethanize cho quá trình làm lạnh Có thể mô tả quá trình làm lạnh như sau: -Khí nguyên liệu sau khi đi qua cụm tách nước ở nhiệt độ 20,150C sẽ được hạ nhiệt xuống -30C nhờ tận dụng dòng nhiệt lạnh từ đỉnh tháp T-100 Sau đó nhờ chu trình

làm lạnh ngoài sẽ giảm nhiệt độ xuống còn -250C, một lần nữa tận dụng dòngnhiệt lạnh từ đỉnh tháp T-100 để hạ nhiệt độ xuống còn -450C.

-Dòng nguyên liệu ở nhiệt độ -450C này sẽ được phân tách khí/lỏng để dòng lỏng đổvào tháp T-100 Dòng khí tách ra được giảm áp từ 65 bar xuống còn 22 bar khi đó nhiệt

độ sẽ được giảm từ -45 xuống còn -85.6 0C sau đó nhờ trao đổi nhiệt với dòng từđỉnh tháp T-100 để hạ nhiệt độ xuống -88,90C sau đó được dẫn vào tháp T-

100

- Dòng sản phẩm đi ra từ đỉnh tháp T-100 có nhiệt độ thấp ( -1000C) nên sẽ được tận dụng trao đổi nhiệt để làm lạnh dòng nguyên liệu vào đình tháp

2.1.5 Lựa chọn sơ đồ phân tách sản phẩm [2,tr 321]

Theo như quy trình cơ bản của nhà máy, ta sẽ có đáy thiết bị phân tách cho radòng lỏng, đáy tháp demethanize cho dòng C2+, nên ta cần có tháp tách Etan vàtháp tách LPG

Ngoài ra, do sản phẩm thô ở đáy thiết bị phân tách V-101 là hỗn hợp lỏng cóchứa nhiều cấu tử nhẹ chưa phân tách nên cần có thêm một tháp ổn địnhcondesat để tăng hiệu suất thu hồi sản phẩm

Đề xuất sơ đồ hoạt động của nhà máy như hình 2.3:

10

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

Hình 2.3 Sơ đồ hoạt động của nhà máy chế biến khí (xem phụ lục 2)

Mô tả quy trình vận hành của nhà máy:

Dòng nguyên liệu với các thành phần đã nêu ở trên, được đi qua thiết bị phântách V-101 được phân tách ra 2 pha lỏng và khí Pha khí tách ra được phối trộnchung với dòng sản phẩm đỉnh tháp ổn định condesat đã qua máy nén K-101 đểnén đến áp suất 50 bar

Dòng lỏng tách ra từ đáy thiết bị V-101 sẽ được đưa đến tháp ổn định condesat

ở nhiệt độ 260C và áp suất 16 bar Đạt được điều kiện nhiệt độ này nhờ van VLV-103 giảm áp còn khoảng 16 bar và đi qua thiết bị trao đổi nhiệt E-100 để giảmtăng nhiệt độ lên 260C Thiết bị E-100 hoạt động nhờ trao đổi nhiệt với dòng sảnphẩm đáy của tháp tách LPG

Ở tháp T-102, hoạt động ở áp suất trung bình khoảng 15 bar, dòng sản phẩm cóchứa C3+ được tách ra ở đáy, thực hiện trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm đáy tháptách LPG và đổ vào tháp LPG ở nhiệt độ 1980C Dòng sản phẩm đỉnh tháp, sau khiqua máy nén sẽ trộn với dòng khí ban đầu từ V-101 để đi qua cụm hấp thụ nước.Cụm làm lạnh hoạt động bằng cách tận dụng tối đa dòng lạnh sinh ra từ đỉnhtháp T-100, hoạt động ở áp suất trung bình 25 bar, dòng sản phẩm đỉnh tháp sau khiđược tận dụng làm lạnh dòng nguyên liệu sẽ được đi qua thiết bị giãn nở và thu hồi

ở điều kiện nhiệt độ 400C, áp suất 30 bar

Dòng nguyên liệu qua thiết bị giãn nở được làm lạnh sâu xuống đến -89 0C sau đó

đổ vào tháp T-100 Dòng nguyên liệu thứ 2 được chia ra từ dòng nguyên liệu ban đầu

ở nhiệt độ -450C được giảm áp xuống đến 27 bar sau đó đổ vào tháp T-100

Lượng C2+ từ đáy tháp demethanize được qua tháp T-101 và T-103, hai tháphoạt động ở điều kiện áp suất lần lượt là 22 bar và 15 bar Tại đây cac sản phẩmnhư Ethane, LPG và Condensat được tách ra

2.2 Phân xưởng tách LPG trong nhà máy chế biến khí

2.2.1 Hoạt động phân xưởng tách LPG

Nhà máy chế biến khí được xây dựng nhằm thu hồi LPG từ nguồn nguyên liệu với hiệu suất thu hồi khoảng 80 – 99% C3

12

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

Phân xưởng tách LPG được hoạt động dựa trên dòng nguyên liệu đã tách các sảnphẩm nhẹ là C1, C2 Sản phẩm của phân xưởng LPG là LPG và condensat để phục

vụ cho nhu cầu pha trộn xăng thương phẩm

Dựa theo sơ đồ nhà máy, tháp tách LPG hoạt động ở áp suất 14 – 16 barg với hai dòng nguyên liệu đi vào tháp với một dòng C3+ ở đáy của tháp T-102 và sản phẩmđáy của tháp T-101

LPG tách ra được hóa lỏng ở 450C, 14 bar để tồn chứa, pha trộn cũng như vận chuyển Dòng nhập liệu đi vào tháp được trung gian qua hai thiết bị van giảm áp, trao đổi

nhiệt để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tách xảy ra

2.2.2 Các thiết bị chính của phân xưởng tách LPG

Hình 2.4 Sơ đồ đơn giản của một tháp chưng cất[22]

Đường kính: chủ yếu phụ thuộc vào công suất của tháp chưng cất, hay nói cách

khác là lưu lượng dòng hơi và dòng lỏng đi vào bên trong tháp Thông sốđường kính tháp sẽ được thiết kế phù hợp sao cho khi tháp làm việc thì sẽ khôngxảy ra hiện tượng ngập lụt hay cuốn theo dòng lỏng lên đĩa trên

Đĩa ( Tray): Là các phần bên trong của tháp chưng cất được đặt nằm ngang để

tạo điều kiện cho pha hơi đi lên và pha lỏng đi xuống bên trong tháp tiếp xúc với

nhau một thời gian đủ lâu để sự trao đổi giữa nguyên liệu xảy ra một cách hoànhảo Tùy vào yêu cầu sản phẩm cũng như chế độ công nghệ mà số đĩa trong thápthay đổi sao cho phù hợp nhất Trên đĩa bao gồm các thành phần:

Gò chảy tràn: là vách ngăn có chiều cao cố định thấp hơn gờ chắn của ốnghơi.Mục đích của gờ chảy tràn là giữ cho mực chất lỏng bên trên đĩa, tạo điềukiện cho pha lỏng cũng như pha hơi tiếp xúc

Ống chảy truyền: Tiết diện có thể là hình tròn, số ống phụ thuộc vào kíchthước tháp và lưu lượng lỏng Có thể bố trí một ống hoặc nhiều hơn, và ở haibên hay chính giữa đĩa,ổng chảy truyền phải được kéo sát đến gần đĩa dưới( phải thấp hơn gờ chảy tràn của đĩa dưới ) để giữ một lớp chất lỏng ở trongống, ngăn không cho pha hơi đi qua

Với tháp chóp, Chóp: Có thể là dạng tròn hoặc dạng khác lắp vào đĩa bằngnhiều cách khác nhau, ở chóp có rãnh để khí đi qua.Rãnh cũng có thể đa dạng vềhình dạng ( tròn, tam giác…) Chóp có tác dụng làm cho khí đi từ đĩa dưới lên quacác ống khí rồi xuyên qua các rãnh của chóp và sục vào lớp chất lỏng trên đĩa đểthực hiện quá trình trao đổi lỏng – hơi Ngoài ra tháp chưng cất còn có một sốthiết bị phụ trợ như làm lạnh ngưng tụ,thiết bị trao đổi nhiệt, bình hồi lưu, nồi tái

đun sôi Nguyên tắc hoạt động của tháp chưng cất:

Nguyên liệu ở dạng lỏng – hơi được đưa vào giữa tháp trở xuống ( để dòng lỏng có thời gian đi xuống vùng chưng của tháp) Phần ở dưới đĩa nhập liệu gọi là vùng chưng, phần trên đĩa nhập liệu là vùng cất Tại đây dòng lỏng sẽ chạy từ vùng chưng xuống đáy tháp Tại đây mức chất lỏng luôn được duy trì và cung cấp nhiệt để bay hơi, hơi bay lên sẽ giàu cấu tử dễ bay hơi hơn so với dòng lỏng Hơi này sẽ

14

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

sục vào phần lỏng của các đĩa phái trên Ở đó, hơi cùng lỏng sẽ thực hiện quátrình trao đổi pha Kết quả tạo ra một dòng hơi mới giàu cấu tử dễ bay hơi hơn,chất lỏng giàu cấu tử khó bay hơi hơn sẽ chảy xuống đáy tháp và lại tiếp tụctrao đổi nhiệt với dòng hơi đang bay lên tại các đĩa mà dòng lỏng này đi xuống

Cứ như vậy tiếp tục qua nhiều bậc, hơi đi ra khỏi đỉnh tháp chưng cất sẽ chứa nhiều cấu tử dễ bay hơi hơn.Phần lỏng giàu cấu tử khó bay hơi sẽ đi theo dòng lỏng ra khỏi đáy tháp chưng cất Dòng lỏng này một phần được đưa vào thiết bị tái đun sôi, tại đây

nó được đun sôi bay hơi một phần và dẫn trở lại tháp với mục đích cung cấp nhiệt cho quá trình đun sôi ở đáy tháp Dòng hơi bay lên đỉnh tháp đi qua các đĩa và lên đỉnh tháp, sau khi được hồi lưu 1 phần thì được bơm ra thùng chứa sản phẩm.

b, Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh [15, tr 14-15]

Có 2 dạng Condenser:

ngưng

tụ một phần Loại condenser này thực chất là một bậc thay đổi nồng độ Nhiệt

độ trong condenser chính là nhiệt độ điểm sương của hỗn hợp hơi cân bằng.Gồm 2 loại: + Distillation vapor: Lỏng ngưng tụ chỉ để hồi lưu về đỉnh tháp, cònsản phẩm lấy ra ở thể hơi được gọi là Overhead

lại lấy ra làm sản phẩm => sản phẩm gồm hai loại sản phẩm lỏng và sản phẩm hơi.

- Bubble Temperature: Hơi đi ra từ đỉnh tháp được làm lạnh đến nhiệt độđiểm sôi của hỗn hợp và ngưng tụ hoàn toàn, một phần cho hồi lưu về đỉnh tháp,phần còn lại lấy ra ở dạng sản phẩm lỏng, được gọi là Fix Rate Draw

Hình 2.5 Minh họa condenser [15,tr 14]

c, Thiết bị đun sôi đáy tháp

Có 4 dạng reboiler: Thermosiphon without baffles và with baffles; Dạng Kettle; Dạng One through; Dạng lò

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

2.3 Phương pháp tính toán cho cụm tách LPG

Ký hiệu

Kiαa,b

Ka , KbFBD

yi,xi lần lượt là nồng độ mol của cấu tử i trong pha hơi và pha lỏng.Cấu tử nào có khả năng bay hơi càng lớn thì hệ số Ki càng cao và ngược lại.

17

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

cân bằng của chúng[12,tr 43]:

αa,b =Trong đó:

- αa,b: Độ bay hơi tương đối của cấu tử a so với cấu tử b

- Ka, Kb lần lượt là hằng số cân bằng của cấu tử a và cấu tử b

αa,b có thể xem như đại lượng đặc trưng cho khả năng và hiệu quả của quátrình chưng cất phân đoạn Ta cũng có thể xem như αa,b là đại diện cho tỷ sốgiữa hằng số cân bằng của cấu tử dễ bay hơi và cấu tử khó bay hơi nên ta có:

α a,b = ≥ 1 (2.1)

Nếu độ bay hơi tương đối càng lớn ta có thể xem như cấu tử a dễ bay hơi hơncấu tử b, càng dễ tách ra hơn b Nếu ngược lại ta khó có thể thực hiện phươngpháp chưng cất thông thường

* Tính toán nhiệt độ điểm sương cân bằng: Điểm sương là trạng thái hỗn hợp

hydrocacbon bắt đầu ngưng tụ ( giọt lỏng đầu tiên được sinh ra trong hỗn hợp khí)

và được xác định bởi công thức 2.3 [12,tr 11]:

xi = ∑ = 1 (2.3)

Sử dụng phương pháp giả sử - kiểm tra, từ dữ liệu ban đầu về thành phần ápsuất ta chọn điều kiện nhiệt độ sau đó dùng công thức 2.3 để kiểm tra cho đếnkhi giá trị được chọn thỏa yêu cầu

2.3.2 Tính toán cân bằng vật chất cho tháp chưng cất

a, Cân bằng vật chất cho toàn tháp[9,tr 144]

Trong đó: F là lượng nguyên liệu (mol/thời gian)

D, B là lượng sản phẩm đỉnh, đáy của tháp chưng cất (mol/thờigian)

Đối với cấu tử dễ bay hơi:

F.xFi = D.xDi + B.xBi (2.5)

Trong đó: xFi, xBi, xDi là nồng độ cấu tử i lần lượt trong dòng nguyên liệu, sản phẩm đáy và sản phẩm đỉnh.

b, Cân bằng vật chất vùng chưng[9,tr 179]

Ta có:

Ln+1 = Vn + BVới: Ln+1 là lưu lượng dòng lỏng xuống từ đĩa thứ n + 1 (mol/ thời gian)

Vn là lưu lượng dòng hơi bay lên từ đĩa thứ n (mol/ thời gian)

Đối với cấu tử dễ i bay hơi ta có:

Ln+1.x(n+1)i = Vn.yni + B.xBi ( 2.7)với: x(n+1)i là phần mol cấu tử i trong dòng lỏng Ln+1

yni là phần mol cấu tử i trong dòng hơi Vn.

c, Cân bằng vật chất vùng cất[9,tr 179]

Ta có:

Vn = Ln+1 + BVới: Ln+1 là lưu lượng dòng lỏng xuống từ đĩa thứ n + 1 (mol/ thời gian)

Vn là lưu lượng dòng hơi ra khỏi đĩa n (mol/ thời gian)

Đối với cấu tử dễ i bay hơi ta có:

Vn.yni = Ln+1.x(n+1)i + B.xBi ( 2.7) với: x(n+1)i là phần mol cấu tử i trong dòng lỏng Ln+1

yni là phần mol cấu tử i trong dòng hơi Vn.

2.3.3 Cân bằng nhiệt cho tháp chưng cất

a, Cân bằng nhiệt cho toàn tháp[9,tr 196-201]

Ta có:

F.hF + QR = D.hD + B.hB + QC (2.8)Trong đó:

- QR, QC lần lượt là tải nhiệt của thiết bị reboiler và condenser

- F, D, B lần lượt là lưu lượng của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy

(mol/thời gian)

19

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

- hF, hD, hB lần lượt là entanpy của nguyên liệu, sản phẩm đỉnh, sản phẩm đáy ( nhiệt lượng/mol)

b, Cân bằng nhiệt lượng vùng chưng[9,tr 196-201]

Ln+1.hn+1 + QR = Vn.hn + B.hB (2.9)Trong đó:

- Ln+1 là lưu lượng dòng lỏng vào đĩa thứ n+1 ( mol/thời gian)

- Vn là lưu lượng dòng hơi ra khỏi đĩa thứ n ( mol/thời gian)

- hn+1, hn lần lượt là entanpy của dòng lỏng và dòng hơi vào đĩa n+1 và đĩa n( nhiệt lượng/mol)

c, Cân bằng nhiệt lượng cho vùng cất[9,tr 196-201]

Vn.hn = Ln+1.hn+1 + D.hD + QCTrong đó: - Ln+1 là lưu lượng dòng lỏng vào đĩa thứ n+1 ( mol/thời gian)

- Vn là lưu lượng dòng hơi ra khỏi đĩa thứ n ( mol/thời gian)

- hD là entanpy của dòng lỏng đỉnh tháp

2.3.4 Tính toán thông số hoạt động của tháp

a, Xác định số đĩa lý thuyết nhỏ nhất[12]

Sử dụng phương trình tính toán Fenske để xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu

Nmin cần thiết để đạt mức độ tách yêu cầu ở chế độ hồi lưu hoàn toàn ( R ).Phương trình Fenske [12,tr 241] ở chế độ hồi lưu hoàn toàn cho 2 cấu tử i và r códạng:

=Hoặc:

N

min =

Ở đây, ∝ là hệ số bay hơi tương đối của cấu tử i so với cấu tử so sánh r Số đĩa

lý thuyết nhỏ nhất bao gồm cả thiết bị ngưng tụ và nồi tái đun ở đỉnh và đáytháp chưng cất

b, Xác định tỉ số hồi lưu tối thiểu

Chỉ số hồi lưu là tối thiểu khi số đĩa lý thuyết là vô cùng Số đĩa lý thuyết tốithiểu khi sự hồi lưu ở đỉnh diễn ra hoàn toàn và sự phân tách diễn ra trên mỗi đĩađạt cực đại Sử dụng phương pháp UnderWood để tính toán độ hồi lưu tốithiểu ta có phương trình[12,tr 243]:

Rmin + 1 = ∑Trong đó: được xác định theo phương trình [12,tr 243] như sau:

∑∝∝= 1 – q (2.15b)với q là tỉ số nhiệt lượng đặc trưng cho trạng thái nhiệt động ban đầu của hỗnhợp F vào tháp chưng cất Nếu hỗn hợp đầu vào tháp ở trạng thái lỏng nhiệt độsôi thì q =1, và nếu ở trạng thái hơi bão hòa thì q = 0

Sau khi xác định được chỉ số hồi lưu tối thiểu ta có thể xác định được chỉ số hồilưu thích hợp bằng hệ thức[12,tr 239] như sau:

Ropt = 1.3Rmin + 0.36 (2.15c)

c, Mối quan hệ giữa số đĩa lý thuyết N với chỉ số hồi lưu làm việc R

Sử dụng quan hệ thực nghiệm của Gilliland được mô tả bằng phương trình củaMolokanov [12,tr 241] như sau:

Ở đây

Trong chưng luyện hiệu suất thiết bị dao động từ khoảng 0,2 đến 0,9 Phần lớn

sự phân tách Hydrocacbon chủ yếu có tương quan với hiệu suất thiết bị ( đĩa)qua hệ thức sau:

η = .100% (2.17) [9,tr 170]

Với: η là hiệu suất thết bị, được xác định thông qua sự tương quan với độ nhớt của hỗn hợp nguyên liệu đi vào thiết bị

21

- = : là phần sản phẩm đỉnh tính theo lượng hỗn hợp đầu.

- i, j lần lượt là cấu tử dễ bay hơi và cấu tử khó bay hơi

2.3.5 Tính toán thông số kỹ thuật của tháp chưng cất

a, Lựa chọn loại tháp chưng cất [13, tr 11]

Một số loại đĩa trong tháp chưng cất thường gặp nhất trong thực tế như là:tháp chưng cất đĩa lỗ, đĩa chóp và đĩa van, tháp đệm

Các yêu tố cần thiết phải xem xét đến khi tiến hành so sánh hoạt động của cácloại tháp đĩa chóp, đĩa lỗ, đĩa van là: 1- Giá thành, 2- Năng suất, 3- Khoảng làmviệc, 4-Hiệu suất, 5- Trở lực của tháp

Nhìn chung, đĩa loại lỗ có giá thành thấp nhất và hoạt động đủ tốt cho hầu hết cáctrường hợp thường gặp trong thực tế Đĩa van được xem xét đến nếu như đĩa loại

lỗ không đáp ứng được về tỉ số vận hành Trong khi đó, đĩa loại chóp chỉ được sửdụng khi tốc độ pha hơi cần phải giữ ở mức độ rất thấp và mức chất lỏng trên đĩatháp phải luôn giữ ổn định ở mọi tốc độ của dòng hơi

Trong đồ án này, chọn loại tháp đĩa lỗ để thực hiện chưng cất và tính toán

22

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

Bảng 2.5 So sánh đĩa loại lỗ và đĩa loại van

Thông số Năng suất Hiệu suất

Tỉ số vận

hành

Lượng lỏng

bị cuốn theo dòng hơi Trở lực Giá thành

Khả năng bảo dưỡng

và sửa chữa Khả năng tắt nghẽn Khả năng ăn mòn

Phạm vi ứng dụng

kiểm tra và chỉnh sửa bằng phương pháp lặp để có phương án thiết kế tốt nhất.Trình tự thiết kế tháp loại đĩa lỗ như sau: [13, tr 103]

23

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

1 Tính toán các giá trị tối đa và tối thiểu của dòng hơi và lỏng đi trong tháp

5 Kiểm tra tốc độ rò rỉ, trở lực của đĩa dựa vào các công thức thực nghiệm nếukhông đạt yêu cầu quay lại bước 4

6 Kiểm tra hệ số dự phòng của kênh chảy truyền, nếu không đạt quay lại bước 2

7 Quyết định sơ đồ bố trí chi tiết mặt đĩa, Tính lại tỷ số tải trọng củ tháp và tải trọng làm việc ở chế độ sặc cho đường kính tháp đã tính

8 Kiểm tra lượng lỏng cuốn theo dòng khí từ đĩa dưới lên đĩa trên

9 Tính toán các thông số như chiều cao, bề dày của tháp

10 Một số thiết bị phụ trợ cho tháp ( Ống dẫn nhập liệu, ống dẫn sản phẩm, ốnghồi lưu ở đỉnh và đáy)

Nội dung tính toán của đồ án đưa ra các bước tính toán và bố trí sơ bộ thápchưng cất LPG Để có được các thông số với độ chính xác cao hơn cần trải quaquá trình tính lặp

Đồ án tốt nghiệp SVTH: Nguyễn Thành Luân

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CHO CỤM TÁCH LPG

3.1 Nguyên liệu, sản phẩm.

a, Nguyên liệu

Tháp được nhập liệu với hai dòng nguyên liệu Dòng thứ nhất là sản phẩm đáy

C3+ của tháp tách ethane và dòng thứ hai là dòng sản phẩm đáy từ tháp ổn địnhcondensat Thành phần của hai dòng sau khi qua tính toán mô phỏng bằng phầnmềm Hysys được mô tả trong bảng 3.1:

Bảng 3.1 Thành phần của nguyên liệu đi vào tháp LPG

Cấu tử

CO2MethaneEthanePropanei-Butanen-Butanei-Pentanen-Pentanen-HexaneC7*

25