Gas8 Làm Ngọt Khí bằng DEA

Tài Liệu học mô phỏng hysys mô phỏng thiết bị

Làm ngọt khí bằng DEA

Nội dung

Trong bài này, mô phỏng một nhà máy xử lý khí acid điển hình Dòng khí tự nhiên bão hòa hơi nước được đưa vào thiết bị hấp thụ bằng amin (amine contactor) Dung dịch Diethanolamine (DEA) 28% khối lượng trong nước được dùng làm chất hấp thụ Thiết bị contactor gồm 20 đĩa thực tế Dung dịch amine bão hòa (rich amin) được đưa vào tháp tách nhanh, được giảm áp từ áp suất 6900 kPa trong thiết bị contactor xuống còn 620 kPa trước khi vào thiết bị trao đổi nhiệt giữa hai dòng amin rich/lean, tại đây dòng amin tái sinh (lean amin) sẽ gia nhiệt cho dòng amin bão hoà (rich amin) tới nhiệt độ 95oC Thiết bị tái sinh (regenerator) cũng gồm 20 đĩa Khí acid ra khỏi regenerator ở 50oC, trong khi dòng amine tái sinh có nhiệt độ khoảng 110oC Dòng amine tái sinh được làm lạnh và quay trở lại Contactor

Mục tiêu

Sau khi hoàn thành bài này bạn có thể:

 Mô phỏng tháp Amine trong Hysys

 Cung cấp các tham số đĩa để tính toán hiệu quả cho tháp

 Sử dụng Set Operation

 Sử dụng Spreadsheet

Yêu cầu

Trước khi bắt đầu bài này bạn cần phải:

 Hoàn thành các module 1, 2, 3, và 4

Sơ đồ công nghệ

Sơ đồ tháp hấp thụ

Sơ đồ tháp tái sinh

Xây dựng mô phỏng

Tạo lập cơ sở mô phỏng

Với case này, sử dụng Amines Property Package với các cấu tử sau:

N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6, H2O, DEA

Amines Property Package

Trong Amines Property Package có các mô hình nhiệt động được phát

triển bởi D.B Robinson & Associates áp dụng cho mô phỏng các nhà máy amine (độc quyền của hãng AMSIM) Các thông số động học và cân bằng của khí acid trong dung dịch alkanolamine trong nước có chứa H2S và CO2 bao gồm trong property package Amines property

package được trang bị dựa trên các nghiên cứu của D B Robinson,

một số thông tin chưa được công bố và các tài liệu tham khảo kỹ thuật

Amines package kết hợp mô hình số đĩa thực tế để mô phỏng tháp.

Dựa trên tính toán cấu tử H2S và CO2 để tính toán đường kính tháp cho

cả hai quá trình hấp thụ và tái sinh

Trong Amines

Property Package

không chứa các

cấu tử giả định

Nồng độ dung dịch

amin trong nước

15-20

25-35

35-Nhập các dòng cho sơ đồ mô phỏng

Nhập dòng nguyên liệu:

1 Nhập dòng khí nguyên liệu vào với các tham số sau:

In this cell… Enter

Temperature 25oC (75oF)

Pressure 6900 kPa (1000 psia)

Molar Flow 1250 kgmole/h (25 MMSCFD)

Component Mole Fraction

2 Nhập dòng thứ 2 để bổ sung cho dòng lean amine vào thiết bị Amine Contactor với các tham số sau:

Temperature 35oC (95oF) Pressure 6850 kPa ( 995 psia ) LiaVol Flow 43m3/h (190 USGPM )

Nhập các thiết bị cho sơ đồ mô phỏng

Tháp tách (Separator Operation)

Nước tự do được tách khỏi khí bằng thiết bị phân tách FWKO TK Add Seperator và cung cấp các thông tin sau:

Connections

Vapour Outlet Gas to Contactor

Chắc chắn bạn đã

nhập dung dich

DEA/H 2 O với nồng

độ phần khối lượng

Lưu lượng dòng nước trong FWKO là bao nhiêu?

Tháp hấp thụ (Contactor Operation)

Amine Contactor được mô phỏng bằng Absorber operation trong

Hysys

Nhập Absorber column với các tham số sau:

In this cell… Enter

Connection

Top Stage Feed Gas to Contactor

Bottom Stage Feed Gas to Contactor

Bottoms Liquid Rich DEA

Pressures

Estimates

Top Temperature 40oC (100oF)

Bottom Temperature 70oF (160oF)

Ovhd Vap Rate 1245 kmole/h ( 25 MMSCFD )

Amines Property Package yêu cầu số đĩa thực tế được sử dụng trong

tính toán tháp hấp thụ và tháp tái sinh Với mô hình này, trong HYSYS, các cấu tử CO2 và H2S có thành phần phần mol thay đổi theo các đĩa (trong khí giảm dần từ dưới lên) Quá trình tính toán thực hiện trong

tháp là một phần của Amines Package Các tham số của đĩa cần cung

cấp đầy đủ, được tính toán theo chiều cao giả định của lớp chất lỏng trên đĩa và thời gian tiếp xúc của hơi trong pha lỏng Để nhập các tham

số của đĩa, mở Tray Section Property view, vào Object Navigator.

1 Bấm Navigator hoặc sử dụng phím F3 để mở Object Navigator

2 Chọn DEA Contactor từ Flowsheets và TS-1 từ Unit Operations.

3 Bấm View để mở giao diện Tray Section property

4 Trong giao diện Tray Section property, vào Sizing page trong Rating tab và nhập kích thước như trong hình dưới đây.

5 Đóng giao diện này lại khi bạn đã thực hiện xong

6 Chạy Column

7 Khi Column đã được hội tụ, di chuyển tới Effeciencies page trong Parameters tab.

Các tham số của

đĩa chỉ được nhập

tại giao diện Tray

Section Property

8 Chọn ô Component trong Efficiency Type để xem thành phần các

cấu tử trên mỗi đĩa của tháp

Van (Valve Operation)

Rich DEA từ tháp hấp thụ (Absorber) được chuyển trực tiếp qua van,

VLV-100, áp suất giảm tới 620 kPa (90 psia) được đưa tới tháp tách.

Nhập van với các thông số sau:

Connections

Work Sheet

Pressure of DEA to Flash TK 620 kPa (90 psia)

Nồng độ H 2 S và CO 2 trong khí ngọt là bao nhiêu?

Tháp tách (Separator Operation)

Khí được tách khỏi dòng Rich DEA bằng tháp tách Flash TK

Nhập Separator với các thông số sau:

Connections

Vapour Outlet Flash Vap

Liquid Outlet Rich to L/R

Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchange Operation)

Dòng Regen Feed được gia nhiệt đến 95oC (200oF) trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa hai dòng dung môi bão hòa và tái sinh (lean/rich exchanger), L/R HEX trước khi vào thiết bị Regenerator, tại đây các liên kết amine-acid được phá vỡ, DEA tái sinh được tuần hoàn về tháp

hấp thụ (Contactor).

Nhập Heat Exchanger với các tham số sau:

Connections

Tube Side Inlet Rich to L/R

Tube Side Outlet Regen Feed

Shell Side Inlet Regen Bttms

Shell Side Outlet Lean from L/R

Parameters

Tubeside Delta P 70 kPa (10 psi)

Shellside Delta P 70 kPa (10 psi)

Tháp tái sinh (Regenerator Operation)

Amine Regenerator được mô hình hóa như Distillation Column.

Tổng cộng có 20 đĩa - trong tháp có 18 đĩa cộng thiết bị đun nóng đáy tháp (Reboiler) và ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) Hệ số tách (efficiencies) các cấu tử là hằng số, bằng 0.8 đối với H2S và 0.15 đối với CO2 Hệ số tách của Condenser và Reboiler phải bằng 1 và chỉ

phải nhập hệ số tách cho các đĩa từ 1 -18 Damping Factors bằng 0.4

sẽ tính toán nhanh hơn và hội tụ ổn định hơn Damping Factors điều khiển bước tính toán của vòng lặp ngoài khi cập nhật mô hình nhiệt động ở vòng lặp trong

Nhập Distilation Column với các thông tin sau:

Connections

Feed Stream / Stage Regen Feed / 4 Condenser Type Full Reflux

Bottms Liquid Regen Bttms

Parameters Fixed Damping Factor 0.40 Pressures

Condenser Pressure 190 kPa (27.5 psia) Condenser Delta P 15 kPa (2.5 psia) Reboiler Pressure 220 kPa (31.5 psia) Efficiencies

Monitor Overhead Rate (Estimate) 75 kgmole/h (1.5 MMSCFD) Reflux Ratio (Estimate) 1.5

Estimates Tray 1 Temperature 100oC (210oF) Reboiler Temperature 125oC (260oF) Specifications

Condenser Temperature 50oC (120oF) Reboiler Duty 1.3e7 kJ/h (1.2e7 Btu/hr)

Damping Factors sẽ

không ảnh hưởng khi

mà sai số nhiệt và sai

số của các tham số

không hội tụ.

Các tháp sau đây yêu

cầu sử dụng Damping

Factors 0.25 - 0.5:

*Amine regenerators,

*TEGStrippers,

*Sour Water Strippers

Thiết bị trộn hỗn hợp (Mixer Operation)

Việc bổ sung nước là cần thiết vì nước bị mất mát tại tháp hấp thụ và

tháp tái sinh theo các dòng ra từ đỉnh tháp Thiết bị Mixer kết hợp nước công nghệ và Lean Amine từ thiết bị Regenerator Dòng ra

được hòa trộn ở cùng một áp suất

1 Nhập dòng mới với các tham số sau:

In this cell… Enter Connections

Temperature 20oC (70oF) Compenent Mole Fraction

2 Nhập Mixer với các tham số sau:

Connections

Lean from L/R

Parameters

Pressure Assignment Equalize All

Work Sheet

Liq Vol Flow of DEA to Cool 43 m3/h (190 USGPM)

Lưu lượng dòng makeup H 2 O là bao nhiêu?

Thiết bị làm lạnh (Cooler Operation)

Nhập Cooler với các tham số sau:

In this cell… Enter Connections

Feed Stream DEA to Cool Product Stream DEA to Pump Energy Stream Cooler Q Parameters

Pressure Drop 35 kPa (5 psi)

Bơm (Pump Operation)

Nhập Pump với các tham số sau:

Connections

Work Sheet Temperature for DEA to Recycle 35oC (95oF)

Adding Logical Unit Operations

Set Operation

Set là một công cụ trong mô phỏng tĩnh, được sử dụng để thiết lập mối

tương quan của các biến trong quá trình Mối quan hệ giữa các biến của 2 đối tượng cùng loại, ví dụ giữa nhiệt độ 2 dòng hoặc UA của 2 thiết bị trao đổi nhiệt

1 Kích đúp vào phím Set Nhập các giá trị cần thiết vào Connection

tab như hình dưới đây

2 Chuyển sang Parameters tab Đặt giá trị Multiplier là 1, Offset là

-35 kPa (-5 psi) như hình dưới đây:

Recycle Operation

Recycle được cài đặt như một khối lý thuyết trong quá trình công

nghệ Dòng nguyên liệu đi vào Recycle là điều kiện tính toán dòng

tuần hoàn, và dòng sản phẩm là dòng tuần hoàn giả thiết Các bước sau được thực hiện trong quá trình hội tụ:

 Hysys sử dụng các điều kiện của dòng giả định và tính toán Flowsheet cho dòng tuần hoàn

 Hysys sau đó so sánh các giá trị của các dòng tính toán với dòng giả định

 Dựa vào sự sai khác giữa các giá trị, Hysys sẽ thay đổi các giá trị của dòng tính toán và đặt giá trị đã thay đổi này cho dòng giả định

 Quá trình tính toán sẽ lặp lại cho đến khi các giá trị trong dòng tính toán phù hợp với dòng giả định trong phạm vi sai số định trước

Trong case này, dòng lean amine (DEA to Contactor) ban đầu ước tính sẽ được thay thế bằng dòng DEA mới (DEA to Recycle) và

Contactor và Regenerator sẽ chạy cho đến khi vòng tuần hoàn hội tụ

1 Kích đúp vào biểu tượng Recycle Trong Connections tab nhập các

thông tin như trong hình sau:

2 Chuyển sang Parameters tab Nhập đầy đủ các thông tin như trong

hình dưới đây:

SAVE YOUR CASE!

Phân tích kết quả

Nếu bạn lưu case là template, đóng template và mở case đã được lưu.

Dòng khí vào có chứa 4.1% CO2 và 1.7% H2S Lưu lượng dòng vào là

1250 kgmole/h (25 MMSCFD), dung dịch tuần hoàn DEA 28% để tách

H2S và CO2 Dòng khí ra yêu cầu không quá 2% (thể tích) CO2 và 4ppm (thể tích) H2S

Advanced Modelling

Nồng độ khí axit trong dòng amine được định nghĩa là tỷ số của số mole khí acid và số mole amine tuần hoàn Spreadsheet là công cụ phù hợp trong các tính toán này Không cần phải loading các tính toán trực tiếp và hiển thị chúng mà nó tích hợp vào mô phỏng để tạo các “điểm điều khiển” cho việc tối ưu hóa mô phỏng amine

Các biến sử dụng trong tính toán:

Trong khí ngọt % thể tích CO 2 là bao nhiêu?

Trong khí ngọt hàm lượng H 2 S là bao nhiêu ppm(thể tích) Các tham số khác của dòng khí sản phẩm như thế nào

Các công thức tính toán:

Khí axit đi vào làm ngọt bằng amin có thể so sánh với các giá trị tính toán của D.B Robinson đưa ra:

Maximum Acid Gas Loadings (Moles acid gas / mole of amines)

Khám phá thêm với Simulation

Exercise 1

Bạn vừa nhận được điện thoại của Trưởng phòng Điều hành nhà máy bên cạnh thông báo rằng tháp hấp thụ của họ gặp sự cố và phải dừng hoạt động Bạn buộc phải đồng ý nhận hỗn hợp khí của họ để xử lý, lưu lượng dòng khí của họ gấp đôi lưu lượng dòng khí vào nhà máy của bạn Bạn cần phải có những thay đổi gì để điều khiển nhà máy hoạt động bình thường