Nghiên cứu tính toán lựa chọn giải pháp thu gom vận chuyển xử lý khí thuộc Bể Sông Hồng

Nghiên cứu tính toán lựa chọn giải pháp thu gom vận chuyển xử lý khí thuộc Bể Sông Hồng Nghiên cứu tính toán lựa chọn giải pháp thu gom vận chuyển xử lý khí thuộc Bể Sông Hồng Nghiên cứu tính toán lựa chọn giải pháp thu gom vận chuyển xử lý khí thuộc Bể Sông Hồng luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

bộ giáo dục và đào tạo trường đại học bách khoa hà nội

luËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

nghiªn cøu, tÝnh to¸n lùa chän gi¶I

ph¸p thu gom, vËn chuyÓn, xö lý khÝ

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Thị Minh Hiền đã chỉ đạo, hướng dẫn tận tình, sâu sắc về mặt khoa học đồng thời cung cấp những trang thiết bị cần thiết giúp tôi có thể hoàn thành luận văn thạc sỹ này

Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã dạy dỗ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tại trường

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, sự ủng hộ nhiệt tình của các thành viên phòng khai thác công ty PVEP Sông Hồng đã dành cho tôi trong thời gian tôi tìm kiếm thông tin nghiên cứu địa chất Bể Sông Hồng

Tôi cũng xin cảm ơn gia đình và tất cả những người bạn đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, tháng 11/2009 Học viên

Trần Anh Đức

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU……… 1

I TỔNG QUAN VỀ TIỀM NĂNG DẦU KHÍ Ở BỂ SÔNG HỒNG… 2

II TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH CO2……… 8

1 Tách bằng dung môi hóa học tái sinh và không tái sinh………… 8

a Dung môi hoá học tái sinh……… 8

b Dung môi hoá học không tái sinh……… 10

2 Tách bằng dung môi vật lý……… 11

3 Tách bằng dung môi hóa lý……… 12

4 Công nghệ tách CO2 sử dụng màng……… 12

5 Tách bằng rây phân tử……… 24

III ĐÁNH GIÁ CÁC CÔNG NGHỆ VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG…… 26

1 Tách bằng dung môi hóa học tái sinh và không tái sinh………… 26

2 Tách bằng dung môi vật lý……… 30

3 Tách bằng dung môi hóa lý……… 35

4 Công nghệ tách CO2 sử dụng màng……… 38

5 Tách bằng rây phân tử……… 41

6 Đánh giá chung về công nghệ……… 43

7 Kết luận về khả năng áp dụng……… 51

IV ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ CHO BỂ KHÍ SÔNG HỒNG VIỆT NAM 52 1 Thiết lập mô phỏng hệ thống thu gom, vận chuyển khí cụm mỏ ngoài khơi Vịnh Bắc Bộ bằng phần mềm Hysys 3.2……… 52

a Mô phỏng các quá trình trên giàn khai thác mỏ khí Bạch Long 62

suất 6965 kPa……… 86

dòng DEA đầu vào, nồng độ DEA 45% khối lượng, áp suất

6965 kPa……… 87

DEA tinh khiết……… 88

hấp thụ DEA……… 90

e Biến thiên nồng độ CO2 trong khí ngọt vào số đĩa của tháp tái

KẾT LUẬN……… 93

Bể Sông Hồng là bể dầu khí được phát hiện, khảo sát sớm tuy nhiên đánh giá chưa đầy đủ Các phát hiện cho thấy ở đây chủ yếu là tiềm năng về khí

Có thể chia Bể Sông Hồng ra làm hai khu vực địa lý tương ứng với hai cụm

mỏ khí có hàm lượng CO2 khác nhau Phía bắc Bể Sông Hồng là các cụm mỏ nhỏ trải từ miền võng Hà Nội ra ngoài khơi Vịnh Bắc Bộ trong giới hạn thềm

cao (từ 72% – 93.5 % thể tích) Luận văn đưa ra các khảo sát và căn cứ để có hai nhóm giải pháp tương ứng cho hai cụm mỏ có tính chất khác nhau của Bể Sông Hồng

I T ỔNG QUAN VỀ TIỀM NĂNG DẦU KHÍ Ở BỂ SÔNG HỒNG

Những nghiên cứu đầu tiên về dầu khí ở Bể Sông Hồng được bắt đầu vào những năm 1960 nhưng mãi đến cuối năm 1983 đầu năm 1984 chúng ta mới

có được những mặt cắt địa chấn và bản đồ cấu trúc địa chất đầu tiên Các lô gần bờ được khảo sát địa vật lý tỷ mỉ vào các năm 1986 – 1991, nhưng phần trũng trung tâm của Bể Sông Hồng (các lô 108 – 110) vẫn còn là vùng bỏ trống và chỉ sau năm 1993 mới được khảo sát bổ sung So với các bể trầm tích khác của Việt Nam như Bể Cửu Long, Bể Nam Côn Sơn, mặc dù Bể Sông Hồng được nghiên cứu khảo sát sớm nhất nhưng cho đến nay vẫn chưa đầy

đủ, do đó mức độ đánh giá cấu trúc cũng như tiềm năng dầu khí ở Bể Sông Hồng còn nhiều hạn chế

Mỏ khí và condensat Tiền Hải C là phát hiện quan trọng đầu tiên (1975) ở phía bắc Bể Sông Hồng Tuy là một mỏ nhỏ (với trữ lượng tại chỗ khoảng 1,2

khí phát điện với công suất 30 MW trong thời kỳ đất nước ta còn trong tình trạng khủng hoảng thiếu điện năng Hiện nay mỏ khí Tiền Hải C vẫn tiếp tục khai thác phục vụ công nghiệp địa phương nhưng sản lượng đang giảm dần

Ở ngoài khơi Vịnh Bắc Bộ vẫn đang tìm kiếm thăm dò các lô 102, 103, 106,

có:

Mỏ Hàm lượng khí

CO2 trung bình (%)

Tổng trữ lượng khí (Tỷ m 3 )

Tiềm năng trữ lượng khí (Tỷ m 3 )

Trữ lượng khí hydrocacbon (Tỷ m 3 )

Hình I.1: Các phát hiện khí khu vực Bể Sông Hồng

Bạch Long Trữ lượng:

2.05 tỷ m 3

Thái Bình Trữ lượng:

4.44 tỷ m 3

Các phát hiện quan trọng tiếp theo giai đoạn 1990 – 1994 là ở đới nâng

trong khí rất cao, nhưng qua tính toán trữ lượng và loại trừ CO2 thì trữ lượng khí hydrocacbon còn lại khoảng 402,8 tỷ m3

Tại phần trung tâm Bể Sông Hồng Công ty PVEP đã tính trữ lượng cho hai cấu tạo Bồ Nông (113A) và cấu tạo Ngựa Vằn (111A) tương ứng là: 28,9

lô 119 Trung Quốc đã khoan gần 10 giếng và có thừa nhận trữ lượng khí ở

hiện dầu khí từ trung bình đến lớn của Bể Sông Hồng nếu có cũng sẽ tập trung xung quanh đường trục chính ở trung tâm – phần mà mức độ nghiên cứu địa vật lý còn ít và khoan tìm kiếm thăm dò cũng còn rất hạn chế Vì vậy, đối với cụm mỏ đã xác định ở phía bắc Bể Sông Hồng có thể tiến hành lập dự

án thu gom, vận chuyển, tiêu thụ để thay thế mỏ khí Tiền Hải C đang giảm dần công suất Với phần còn lại tiếp tục công tác tìm kiếm thăm dò dầu khí trong thời gian tới là việc làm hết sức cấp bách

Tổng trữ lượng khí ( Tỷ m 3 )

Trữ lượng khí hydrocacbon (T ỷ m 3 )

Độ sâu (m) CO 2 (%)

3186 3492-3496

83 79.4 80.5 83.5 81.6

81.5 tổng cộng

537.7 2071.5

99.4 402.8

Hình I.2 – Phân bố khí CO2 phía nam Bể Sông Hồng

II TỔNG QUAN CÁC CÔNG NGHỆ TÁCH CO 2

II.1 Tách bằng dung môi hóa học tái sinh và không tái sinh

a Dung môi hoá học tái sinh

Dung môi hoá học tái sinh được sử dụng thường là những bazơ yếu, chúng tác dụng với axit yếu (H2S và H2CO3) để thu được dung dịch muối tan Muối này có thể phân huỷ bởi nhiệt Các axit mạnh hơn axit cacbonic thì đòi hỏi một năng lượng lớn cho quá trình tái sinh Alkanolamines là các hợp chất tiêu biểu của bazơ yếu sử dụng trong nhóm này

Từ những năm của thập kỷ 30, việc sử dụng những dung môi hóa học như

khí Các dòng khí có áp suất riêng phần của các khí axit từ thấp đến trung bình thì việc ứng dụng của alkanolamines là rất hợp lý Việc giới thiệu một số dung môi hóa học đặc biệt gần đây làm tăng khả năng mở rộng việc sử dụng các dung môi hóa học Bảng II.1 tóm tắt một số quá trình alkanolamine được sử dụng rộng rãi nhất

áp suất riêng phần của khí axít thấp và điều kiện khắt khe của khí sau xử lý phải được thoả mãn yêu cầu

Các nhà máy sản xuất NH3 và H2, nhà máy vận hành ở nhiệt độ thấp, nhà máy sản xuất LNG, và một số ứng dụng trong nhà máy lọc dầu thoả mãn yêu cầu của việc sử dụng dung môi này

Việc sử dụng MEA hạn chế xuất phát từ 2 vấn đề quan trọng: thứ nhất đòi hỏi năng lượng cao do nhiệt phản ứng của MEA với H2S và CO2 cao, và thứ hai

sự ăn mòn của MEA Các vấn đề này được khắc phục bởi những quá trình amine

sử dụng các amine khác mà trong nhiều trường hợp có thể giảm những yêu cầu

về năng lượng của quá trình đến hơn 50% trong khi đó giảm quá trình ăn mòn đến mức tối thiểu Quá trình MEA cũng thích hợp khi các khí cần xử lý có chứa các chất gây ô nhiễm khác

Diethanolamine (DEA)

DEA hiện tại là dung môi được sử dụng rộng nhất trong việc xử lý khí Lĩnh vực chính của việc sử dụng DEA là làm ngọt khí thiên nhiên DEA có nhiệt phản ứng với H2S và CO2 thấp hơn MEA và ít ăn mòn hơn MEA Nhưng vấn đề không thuận lợi của việc sử dụng dung môi DEA là yêu cầu năng lượng vẫn còn cao và khả năng tách CO2 còn thấp

Di-isopropanolamine (DIPA)

Việc sử dụng dung môi DIPA cho việc tách khí axit không được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp Điều đó là do khối lượng phân tử của DIPA cao và giá cũng tương đối cao Sử dụng DIPA trước đây là một quá trình được chọn lựa

hoặc là dung môi đặc biệt khác

Methyldiethanolamine (MDEA)

MDEA đã chiếm lĩnh được một phần đáng kể thị trường xử lý khí trong

và CO2 khi tiếp xúc với các dòng khí có chứa khí axít Tính chọn lọc này có ích

H2S thấp hơn 5,7 mg/m3

Quá trình này có yêu cầu năng lượng thấp nhất trong các kiểu quá trình amine khác nhau Áp suất hơi thấp và điểm đông đặc thấp cũng là những thuận lợi Sơ đồ quá trình cũng giống như của MEA hay DEA

Dung môi đặc biệt :

Trong những thập kỷ gần đây, một số dung môi alkanolamine đặc biệt được

áp dụng trong công nghiệp xử lý khí Các dung môi này là những sản phẩm thỏa mãn yêu cầu mức độ xử lý khí khác nhau

dụng trong việc tách sâu CO2 từ khí thiên nhiên, khí tổng hợp Những dung môi

mức thấp hơn 50 ppm cho những ứng dụng ở nhiệt độ thấp Nhà công nghệ cũng

có thể sản xuất được dung môi alkanolamine đặc biệt sử dụng để xử lý khí reformer đến mức nhỏ hơn 100ppm CO2 Vấn đề thuận lợi chính của những dung môi này là năng lượng và tốc độ tuần hoàn thấp trong khi đó vẫn duy trì đặc điểm kỹ thuật xử lý

Một số nhà công nghệ cung cấp dung môi này: DOW, Union Carbide (UCC), Exxon

b Dung môi hoá học không tái sinh

Các dung dịch nước của sodium hydroxide (NaOH) hay potassium

(COS) trong một số trường hợp

Dung dịch kiềm đã qua sử dụng dài thường được gọi là kiềm “sulfidic” và được bán trên thị trường cho công nghiệp “bột giấy và giấy” hoặc công nghiệp

mỏ nếu thành phần của chúng thích hợp cho việc sử dụng trong các ngành công nghiệp này Trong trường hợp xút đã sử dụng chứa lượng carbonate (CO32-) đáng kể, thì có thể vứt bỏ như các hợp chất thải

Các dung môi không tái sinh khác đã được sử dụng trong một vài ứng dụng trong quá khứ Nhưng với tính chất là không tái sinh nên hiện nay đa số không

sử dụng dung môi này trong việc tách CO2 từ khí thiên nhiên

II.2 Tách bằng dung môi vật lý

Công nghệ tách bằng dung môi hóa học thường thực hiện trong điều kiện áp suất riêng phần của khí axit từ thấp đến trung bình Vì vậy với những dòng khí

có áp suất riêng phần khí axit cao dĩ nhiên sẽ đòi hỏi mức năng lượng cao hơn cho quá trình xử lý tùy thuộc vào quá trình tái sinh nhiệt Một vài dung môi hữu

cơ khan được phát triển để đáp ứng vấn đề này Một vài quá trình xử lý bằng dung môi vật lý được thể hiện ở bảng II.2

COS % tách được

Bảng II.2 Một số quá trình tách sử dụng dung môi vật lý Nguyên tắc của việc tách bằng dung môi vật lý là hoà tan vật lý các khí axit

ở áp suất cao và tái sinh các khí này bằng cách giảm áp suất trong một hay nhiều giai đoạn Nhiệt và khí trơ trong một vài trường hợp được cung cấp để thực hiện quá trình tái sinh hiệu quả hơn

chúng cũng hoà tan các hợp chất sulfur hữu cơ khác ở mức không ổn định Việc loại bỏ lượng lớn khí chua là vấn đề chính Sự hoà tan các hydrocacbon là vấn

đề không thuận lợi thường xảy ra khi sử dụng các dung môi vật lý này

Một số nhà cung cấp bản quyền công nghệ:

Lurgi Oel-Gas-Chemie GmbH, Linde AG, Flour Enterprises.Inc, Union Carbide Co., Uhde GmbH…

II.3 Tách bằng dung môi hóa lý

Dung môi hoá lý là dung môi có sự kết hợp chặt chẽ của một chất phản ứng hóa học và một dung môi vật lý trong một hỗn hợp

Các dung môi hoá lý có thể là sulfinol hay một hợp chất có các tính chất của dung môi hóa học và vật lý như diglycolamine (DGA) Một số dung môi hóa lý thể hiện ở bảng sau

COS % tách được

Hot Pot

Mines, Benefield,

II.4 Công nghệ tách CO 2 sử dụng màng

Các hệ thống màng tách đã trở thành công nghệ xử lý khí thiên nhiên được chấp nhận với các lợi thế rõ rệt so với các phương pháp khác Từ khi phân

ngày nay công suất có thể lên đến trên 250 triệu scfd (7 triệu m3/ngày) Một vài nhà máy có công suất trên 500 triệu scfd (14 triệu m3/ngày) đang được xây

dựng Mặc dầu hầu hết các nhà máy này đều được xây dựng trong đất liền, tuy nhiên, vẫn có một số nhà máy đã và đang được lắp đặt ở trên biển

vào năm 1981 Ban đầu, công nghệ này chỉ xử lý các dòng khí có lưu lượng nhỏ

mà nguyên nhân chính là do sự rủi ro về mặt kinh tế và ngoài ra, một số thông

số lúc đó còn chưa thể tính được Thêm một nguyên nhân nữa chính là sự suy giảm của công nghiệp dầu khí vào những năm 80

Ngày nay, với các ưu thế so với các công nghệ khác, công nghệ sử dụng màng tách là sự lựa chọn chủ yếu cho các dự án tách khí mới

chính như sau:

-Xử lý khí thiên nhiên

đưa trở lại giếng dầu để tăng khả năng thu hồi dầu

Các loại màng tách:

Màng tách là các chất bán thấm có khả năng tách một cách có chọn lọc một vài chất trong hỗn hợp Theo định nghĩa này thì có rất nhiều loại màng tách Các ứng dụng bao gồm:

-Màng Paladi kim loại cho việc trích ly hidro

-Màng cao su silicon cho việc thu hồi các khí hữu cơ từ không khí

-Màng polyvinyl sử dụng trong việc dehydro hoá etanol

Vật liệu màng tách CO2:

các polyme như: xenlulo axetat, polyimit, polysulfon, polycacbonat, polyeteimit Loại màng được dùng phổ biến nhất là xenlulo axetat Polyimit cũng có khả

ứng được khi qui mô tách lớn

Các tính chất của màng tách loại polyimit và các polyme khác có thể được cải tiến để phù hợp với các qui trình tách Ví dụ như, màng tách polyimit ban

đầu có thể được dùng để thu hồi hidrô nhưng sau đó có thể được cải tiến cho quá trình tách CO2

Sự thẩm thấu qua màng:

Nguyên lý hoạt động của màng tách không phải như là một thiết bị lọc Ở thiết bị lọc, các phân tử có kích thước nhỏ được tách ra khỏi các phân tử có kích thước lớn nhờ các lỗ có kích thước trung bình Thiết bị màng hoạt động dựa trên

qua màng Do cấu tạo màng là không có các lỗ nên việc phân tách không dựa trên kích thước hạt mà dựa vào khả năng hoà tan và khả năng khuếch tán từng chất qua màng

thẩm thấu chậm hơn nên được gọi là các “khí chậm” (slow gas) Công nghệ này

thiên nhiên, nước và H2S cũng bị tách đồng thời, nhưng metan, etan và các hidrocacbon khác bị tách với tỷ lệ thấp hơn nhiều

Định luật Fick dưới đây mô tả quá trình hoà tan-khuếch tán:

J= k x D x ∆ρ / l Trong đó: J là dòng CO2 bị tách trên một đơn vị diện tích màng

K là khả năng hoà tan của CO2 vào màng

D là hệ số khuếch tán của CO2 qua màng

thẩm thấu

l : độ dày của màng

Để đơn giản hoá, hệ số khuếch tán (D) và hệ số hoà tan (k) được gộp chung thành một hệ số gọi là hệ số thẩm thấu, ký hiệu là P (P = k x D) Do đó, định luật Fick có thể được chia thành hai yếu tố : yếu tố phụ thuộc màng tách (P/l) và yếu tố phụ thuộc quá trình (∆ρ) Để đạt được yêu cầu mong muốn, cần phải điều chỉnh hai yếu tố này cho phù hợp P/l không phải là một hằng số, rất nhạy cảm với sự thay đổi của các điều kiện vận hành như nhiệt độ và áp suất

Phương trình định luật Fick cũng có thể được viết cho metan hoặc bất kỳ cấu

tử nào khác trong dòng Hệ phương trình này dẫn đến một định nghĩa cho biến

số thứ hai cũng rất quan trọng là độ chọn lọc, ký hiệu α Độ chọn lọc là tỷ lệ

so với metan

Các tính chất thẩm thấu và chọn lọc là rất quan trọng trong việc xem xét, lựa chọn loại màng thích hợp trong từng quá trình Đối với một yêu cầu tách cho trước, khi độ thẩm thấu của màng càng cao thì diện tích màng càng nhỏ và do đó giảm chi phí của hệ thống Khi độ chọn lọc càng cao, tỷ lệ mất mát các hidrocacbon càng thấp và do đó tăng hiệu suất của sản phẩm

Tuy nhiên, thường thì không có loại màng nào có độ thẩm thấu và tính chọn lọc cùng cao cả Người ta có thể chọn loại màng hoặc tốt về tính thẩm thấu hoặc tốt về tính chọn lọc hoặc trung hoà giữa hai yếu tố này Cách chọn thông thường

là chọn loại màng có tính chọn lọc cao, sau đó giảm độ dày màng đến mức có thể để tăng khả năng thẩm thấu Tuy nhiên, như vậy sẽ giảm độ bền của màng Cấu trúc màng:

Màng tách thường có cấu tạo gồm môt lớp rất mỏng có cấu trúc không lỗ nằm trên một lớp màng dày hơn và có cấu trúc nhiều lỗ làm bằng cùng loại vật liệu Cấu trúc này được gọi là cấu trúc đối xứng

Lớp màng không có lỗ đáp ứng được các yêu cầu của màng tách lý tưởng, nghĩa là có độ chọn lọc cao và rất mỏng Lớp màng có lỗ có chức năng trợ giúp

về mặt cơ học và vẫn cho phép các dòng hợp chất đã thẩm thấu qua lớp màng không lỗ tự do đi ra ngoài

Kiểu màng đối xứng mặc dầu đã cải thiện được nhiều nhược điểm so với loại màng đơn, tuy nhiên, do làm từ cùng một loại vật liệu, nên loại màng này rất đắt tiền, không thể sản xuất với số lượng lớn Những nhược điểm này có thể được khắc phục bằng loại màng composit Đây là loại màng tách bao gồm một

lớp mỏng có độ chọn lọc cao làm từ vật liệu polyme gắn trên một màng có cấu trúc đối xứng làm từ vật liệu polyme khác Cấu trúc này cho phép các nhà sản xuất màng tách có thể sử dụng các polyme thích hợp để chế tạo màng tách

bởi vì các tính chất của lớp màng chọn lọc có thể điều chỉnh dễ dàng mà không

có sự tăng nhiều về chi phí

Các lưu ý khi thiết kế:

Rất nhiều thông số có thể được điều chỉnh để tối ưu hoá quá trình theo các yêu cầu về ứng dụng và yếu cầu của khách hàng Việc tối ưu hoá các thông số này là đặc biệt quan trọng với các phân xưởng có qui mô công suất lớn bởi vì một sự thay đổi nhỏ có thể mang lại một hiệu quả rất lớn Một vài yếu cầu cơ bản như sau :

-Giá thành thấp

-Tính khả thi cao

-Thời gian vận hành lâu

-Dễ vận hành

-Hiệu suất thu hồi hidrocacbon cao

-Chi phí bảo dưỡng thấp

-Tiêu tốn năng lượng ít

Tuy nhiên, một số yêu cầu trên lại trái ngược với nhau Ví dụ, muốn có hiệu suất thu hồi cao thì thường phải dùng thiết bị nén, do đó sẽ tăng chi phí vận hành

và chi phí bảo dưỡng Các nhà thiết kế phải cân bằng được các yêu cầu này để

hệ thống có sự tối ưu toàn cục

Sơ đồ quá trình:

Quá trình đơn giản nhất là quá trình một giai đoạn Một dòng nguyên liệu

hidrocacbon

Trong những ứng dụng tách CO2 với một lượng lớn, một lượng đáng kể hidrocacbon bị mất do thẩm thấu qua màng Hệ thống nhiều giai đoạn được thiết

kế nhằm khắc phục nhược điểm này Hệ thống hai bước như hình vẽ dưới đây cho phép thu hồi một lượng hidrocacbon bị mất Phần thu hồi được quay trở lại

để nhập với dòng nguyên liệu ban đầu

Hình II.2 Sơ đồ hệ thống tách hai bước

Hệ thống tách hai giai đoạn, trong đó, dòng thẩm thấu qua màng một được đưa tiếp vào màng thứ hai, như hình vẽ dưới đây

Nguyên

tách

Dòng đã tách CO2

Dòng giàu CO2

Nguyên

liệu

Màng tách

Dòng đã tách CO2

Dòng giàu CO2

Hình II.1 Sơ đồ hệ thống tách một giai đoạn

Hình II.3 Sơ đồ hệ thống tách hai giai đoạn Trong sơ đồ này, dòng thẩm thấu đi ra khỏi giai đoạn tách thứ hai thường có

còn lại được đưa trở về nhập lại với dòng nguyên liệu ban đầu Một thiết bị nén được lắp đặt ngay tại đầu ra của dòng thẩm thấu trong giai đoạn thứ nhất với mục đích tạo áp cho dòng trước khi vào màng tách thứ hai Quá trình tách hai giai đoạn này có hiệu suất thu hồi hidrocacbon cao hơn so với các quá trình một giai đoạn hoặc quá trình tách hai bước nhưng đòi hỏi tiêu tốn nhiều năng lượng cho thiết bị nén

Một vài sơ đồ khác đôi khi cũng được sử dụng Một ví dụ điển hình là việc

quá trình hai giai đoạn để lọc tiếp Dùng sơ đồ này thì sẽ lợi về công suất máy nén do dòng đi qua máy nén có lưu lượng nhỏ hơn tuy nhiên lượng mất mát hidrocacbon là lớn hơn so với quá trình hai giai đoạn

Có rất nhiều yếu tố cần được xem xét khi khi quyết định sử dụng quá trình một giai đoạn hay nhiều giai đoạn Phân tích kinh tế cần chỉ rõ chi phí lắp đặt và vận hành thiết bị nén có vượt quá khoản tiết kiệm được khi thu hồi được lượng hidrocacbon hay không Phần trăm hidrocacbon thu hồi được định nghĩa là tỷ lệ giữa hidrocacbon trong dòng khí sản phẩm và hidrocacbon trong dòng nhập liệu Hiệu suất thu hồi hidrocacbon của quá trình hai giai đoạn thì lớn hơn đối với quá trình một giai đoạn Tuy nhiên, khi quyết định sử dụng quá trình nào, nhà

Nguyên

tách

Dòng đã tách CO2

Dòng giàu CO2

sản xuất cần lưu ý đến ảnh hưởng cuả máy nén hồi lưu Những ảnh hưởng này bao gồm: lượng hidrocacbon thêm vào để sử dụng như nhiên liệu, do đó gia tăng thêm lượng hidrocacbon mất mát, cũng như sự gia tăng về vốn đầu tư các thiết

bị nén và các khó khăn trong quá trình bảo dưỡng thiết bị đặc biệt là ở những vùng xa Đối với các quá trình tách CO2 bình thường, nghĩa là lượng CO2 bị tách không quá 50% CO2 trong nguyên liệu, thì quá trình tách một giai đoạn nên được dùng

Áp suất dòng nhập liệu:

Sự gia tăng áp suất dòng nhập liệu sẽ dẫn đến sự giảm đồng thời của độ thẩm thấu và độ chọn lọc.Tuy nhiên, áp suất gia tăng sẽ tạo nên một lực dẫn qua màng Do đó, xét về toàn diện, sẽ có một sự gia tăng về khả năng thẩm thấu Như vậy, yêu cầu về diện tích màng có giảm đi Công suất máy bơm tăng nhẹ và lượng hidrocacbon mất mát giảm nhẹ

Do diện tích yêu cầu của màng ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố áp suất, trong khi các thông số khác thì không, các nhà sản xuất cố gắng tăng áp suất vận hành đến mức có thể để có thể có được một hệ thống rẻ và gọn Tuy nhiên, yếu tố giới hạn của việc thiết kế là áp suất giới hạn của màng và giá thành cũng như khối lượng của thiết bị ở một áp suất cao

Áp suất dòng thẩm thấu:

Ảnh hưởng của áp suất dòng thẩm thấu trái ngược với ảnh hưởng của áp suất dòng nhập liệu Áp suất càng thấp thì càng giảm yêu cầu về diện tích màng Tuy

nhiên, không như áp suất dòng nhập liệu, áp suất dòng thẩm thấu có ảnh hưởng lớn đến lượng hidrocacbon mất mát

Sự chênh lệch về áp suất qua màng tách không chỉ là yếu tố duy nhất để xem xét Những phân tích cụ thể đã chỉ ra rằng một yếu tố không kém phần quan trọng trong quá trình thiết kế đó là tỷ lệ áp suất qua màng Tỷ lệ này bị ảnh hưởng rất mạnh bởi áp suất dòng thẩm thấu Ví dụ, áp suất nhập liệu là 90 bar và

áp suất dòng thẩm thấu là 3 bar thì tỷ lệ này là 30 Trong khi đo, nếu áp suất dòng thẩm thấu là 1 bar thì tỷ lệ này lại là 90 Chính vì nguyên nhân này, các nhà thiết kế tìm mọi cách để giảm áp suất dòng thẩm thấu Điều này rất quan trọng với việc thiết kế các phân đoạn tiếp theo để xử lý dòng thẩm thấu Ví dụ, nếu nó được sử dụng để đốt thì phân xưởng đốt phải được tối ưu hoá ở điều kiện

áp suất thấp Nếu dòng thẩm thấu bị nén, ví dụ trường hợp làm nguyên liệu cho màng tách thứ hai hoặc để bơm lại vỉa, sự gia tăng về công suất và kích thước máy nén cần được xem xét trong sự cân bằng với độ giảm yêu cầu về diện tích của màng tách

Tách CO2:

tích của màng tách

dòng thương phẩm Để hiệu rõ về điều này, chúng ta đi vào một ví dụ cụ thể Một hệ thống xử lý khí có hàm lượng CO2 từ 50% xuống còn khoảng 30% thì

còn 5% hoặc hệ thống từ 1% xuống 0,5% bởi vì tỷ lệ CO2 bị tách đều vào khoảng 55% Điều này hoàn toàn khác với các công nghệ xử lý CO2 truyền

3% xuống còn 0,1% thì không cần hệ thống lớn hơn nhiều so với hệ thống xử lý

lệ CO2 bị tách ra ở từng trường hợp (97% so với 70%) dẫn đến kích thước của

hệ thống tách còn 0,1% phải lớn gấp 3 lần kich thước của hệ thống tách còn 1%

tách Điều đó có nghĩa là một phân xưởng tách CO2 từ 50% xuống còn 30% có

công nghệ truyền thống để tách tinh là rất hợp lý Tuỳ trường hợp cụ thể, có thể kết hợp cả hai quá trình trên

đã có sẵn có thể được giải quyết theo nhiều cách Hoặc là sản xuất khí thương

tuy nhiên sẽ tăng lượng hidrocacbon bị mất mát Nếu công suất của thiết bị nhiệt cho phép, các màng tách có thể hoạt động ở điều kiện nhiệt độ cao để tăng công suất Nếu hệ thống tách sẵn có không dùng màng, có thể lắp phía trước của hệ

Các lưu ý thiết kế khác:

Các thông số quá trình không phải là những yếu tố duy nhất ảnh hưởng đến việc thiết kế Một số thông số khác cần phải xem xét trong quá trình thiết kế được kể đến như sau ;

- Địa điểm: Địa điểm phải thoả mãn một số yêu cầu về kích thước và trọng lượng của hệ thống, mức độ tự động hoá, mức độ khoảng không gian có thể Mặt khác, việc thiết kế cho hệ thống ngoài khơi và trên bờ cũng khác nhau

thấu Dòng thẩm thấu có thể được thải trực tiếp trong không khí hoặc đốt, có thể

là trực tiếp hoặt dùng xúc tác

thống tiền xử lý, sau màng tách hoặc tại vòng hồi lưu trong hệ thống nhiều giai đoạn

- Các tiêu chuẩn thiết kế: Các tiêu chuẩn thiết kế thay đổi từ công ty này đến công ty khác

Quá trình tiền xử lý:

Quá trình tiền xử lý hoàn chỉnh là rất quan trọng đối với hiệu quả của quá trình sau này Xử lý không đúng hoặc không đầy đủ sẽ gây ra những ảnh hưởng xấu đến hoạt động của các phân xưởng phía sau

Các chất thường có trong khí thiên nhiên gây ảnh hưởng xấu đến hoạt động của màng tách bao gồm :

- Các chất lỏng: các chất này làm phồng màng tách và ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của màng

- Các hidrocacbon nặng (>C15): Các hợp chất này dần dần bao phủ màng tách làm giảm độ thẩm thấu của màng

- Các hạt: các hạt có thể làm nghẽn khu vực dòng chảy qua màng

khơi mào và phụ gia có thể phá vỡ cấu trúc màng Nhà sản xuất màng phải có cảnh báo về các hợp chất này với người sử dụng màng

Hệ thống tiền xử lý phải loại bỏ các hợp chất này và đảm bảo không cho quá trình hình thành lỏng trên màng tách diễn ra

Hai hiệu ứng có thể gây ra quá trình ngưng tụ tại màng Thứ nhất, khí bị làm lạnh, kết quả của hiệu ứng Joule-Thomson, khi đi qua màng Thứ hai, bởi vì

dòng khí trở nên nặng hơn và do đó điểm sương tăng khi khí đi qua màng Quá trình ngưng tụ có thể được ngăn chặn bằng cách tiên đoán điểm sương và sau đó cung cấp một lượng nhiệt đủ để đảm bảo nhiệt độ không thấp hơn giới hạn an toàn quá trình ngưng tụ

Các ưu điểm của công nghệ tách bằng màng:

Công nghệ sử dụng màng tách có các lợi thế so với các công nghệ tách truyền thống ở những điểm sau :

nghệ tiết kiệm được chi phí và thời gian nhiều nhất, đặc biệt là khi sử dụng ở

những vùng xa mà nguyên nhân chính là do không đòi hỏi các yêu cầu về các thiết bị phụ trợ khác như bể chứa dung môi, xử lý nước như ở các công nghệ khác

tách một giai đoạn là chi phí thay thế màng Chi phí này thấp hơn rất nhiều so với chi phí thay thế dung môi và chi phí năng lượng của các quá trình truyền thống Các cải tiến trong việc chế tạo màng và thiết kế quá trình tiền xử lý giúp cho tuổi thọ của màng ngày càng nhiều hơn, do đó giảm chí phí vận hành Chi phí năng lượng cho quá trình tách nhiều giai đoạn thường tương đương với chi phí năng lượng của các quá trình tách truyền thống

thời gian Với các công nghệ tách truyền thống, hệ thống được thiết kế theo nhu cầu cao nhất ngay từ thời điểm ban đầu, do đó sẽ dẫn đến sự lãng phí về công suất thiết bị còn đối với công nghệ tách bằng màng, nhu cầu công suất đến đâu thì lắp đến đó Điều này cũng là một yếu tố rất thuận lợi khi phân xưởng được lắp đặt ở ngoài khơi

- Vận hành đơn giản và tính ổn định cao: Hệ thống một giai đoạn có tính ổn định rất cao, hầu như không có quá trình ngừng bất thường, và rất dễ dàng trong vận hành Có thể tự vận hành trong thời gian dài Các thiết bị trong quá trình tiền xử

lý mà có thể gặp vấn đề trong vận hành luôn được dự phòng để đảm bảo quá trình vận hành được liên tục khi có nhu cầu bảo dưỡng Việc thêm vào của thiết

bị nén có thể làm tăng tính phức tạp của quá trình tuy nhiên, so với các quá trình tách truyền thống thì quá trình nhiều giai đoạn vẫn đơn giản hơn Hệ thống nhiều giai đoạn có thể vận hành như hệ thống một giai đoạn khi ngưng hoạt động thiết bị nén Tuy nhiên, lúc này lượng hidrocacbon mất mát sẽ nhiều hơn Các quá trình khởi động, vận hành và shutdown có thể tự động hoá, được kiểm soát ở phòng điều khiển nên lực lượng vận hành ít hơn

yếu tố đặc biệt quan trọng đối với các nhà máy được lắp đặt ngoài khơi Do ưu

điểm về kích thước nên hầu hết các nhà máy ngoài khơi đều chọn công nghệ màng tách

về thành phần dòng nhập liệu thì sự thay đổi về chất lượng sản phẩm là rất ít Ví

còn khoảng 5% Bằng cách điều chỉnh một vài thông số vận hành như nhiệt độ, các nhà sản xuất có thể đạt chất lượng sản phẩm như ban đầu mong muốn

công suất thấp đến 10%

ngân Các công nghệ tách truyền thống đòi hỏi các quá trình này riêng biệt

pháp cho vấn đề này là lắp đặt thêm một phân xưởng tách sử dụng màng để tách

một ưu điểm là có thể tận dùng dòng thẩm thấu để cung cấp năng lượng cho phân xưởng sau Như vậy, giảm được lượng hidrocacbon mất mát

- Công nghệ thân thiện với môi trường

- Lý tưởng cho việc lắp đặt ở vùng xa

II.5 Tách bằng rây phân tử

Các lỗ của chất dùng để hấp phụ có kích thước nằm trong khoảng giữa hai kích thước hạt này Do đó, khi đi qua các chất hấp phụ, CO2 và các chất có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng (N2, H2S, COS) bị giữ lại trong khi đó các hydrocacbon do có kích thước lớn hơn sẽ không bị hấp phụ Sau khi bề mặt chất

hấp phụ đã bị bám đầy, các chất hấp phụ được đem đi giải hấp để tiếp tục cho quá trình Các hạt hấp phụ có thể ở nhiều dạng và tuỳ thuộc vào từng ứng dụng tách tách khác nhau.Hiện tại, UOP và Engelhald Corp là hai nhà sản xuất tiêu biểu trong công nghệ này, trong đó, công nghệ của Engelhald cần phải được chú

ý đến do có khả năng xử lý dòng nguyên liệu có nồng độ CO2 cao đến 40% Những ưu điểm của công nghệ rây phân tử :

-Không cần phải tách hydrat ở khâu thượng nguồn

Tuy nhiên, chi phí lắp đặt vẫn khá cao, tương đương chi phí lắp đặt phân xưởng

xử lý amine

III ĐÁNH GIÁ CÁC CÔNG NGHỆ VÀ KHẢ NĂNG ÁP DỤNG

III.1 Tách bằng dung môi hóa học tái sinh và không tái sinh

Ngoài ra, sự tích hợp các quá trình ADIP/Claus/SCOT có thể ứng dụng

đầu và quá trình SCOT xử lý khí thải Claus

Mô tả quá trình:

Quá trình ADIP sử dụng dung dịch của amine bậc 2, di-isopropanolamine hay amine bậc 3, methyl di-ethanolamine Nồng độ dung dịch amine đến 50% có thể được áp dụng

Quá trình có tốc độ ăn mòn thấp và xu hướng tạo bọt của dung môi có thể điều chỉnh được do thiết kế tối ưu Mô hình có thể được thay đổi khác nhau tuỳ thuộc vào ứng dụng Sự tích hợp cao của các thiết bị trong quá trình tách là có thể thực hiện được

Hệ thống đơn giản nhất tương tự các quá trình amine khác Việc xử lý lỏng ADIP tiếp theo là những thiết bị lắng/trộn (mixer/settlers) cho việc tách COS Quá trình tái sinh thông dụng thường được áp dụng Thành phần dung môi sẽ được điều chỉnh theo những yêu cầu của khách hàng

Điều kiện hoạt động:

dàng đạt được.Một giới hạn rất rộng của áp suất xử lý và các nồng độ chất gây ô

nhiễm có thể được xem xét Điều kiện sulfur 10 ppm trong dòng hydrocacbon

có thể đáp ứng

Các công trình đã lắp đặt:

Hơn 400 thiết bị ADIP đang được vận hành hoặc đang được xây dựng

Những lĩnh vực ứng dụng bao gồm: khí thiên nhiên, khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG), khí từ nhà máy lọc dầu, khí hóa lỏng (LPG) và khí tổng hợp

III.1.2 ADIP - X

Nhà cung cấp công nghệ: Shell Global Solution International B.V

Áp dụng:

Quá trình amine tái sinh này thích hợp cho việc tách nhiều và sâu CO2 từ các

nhiên, khí nhà máy lọc dầu, và khí tổng hợp

Quá trình này ứng dụng cho việc tách với công suất lớn hơn và kích cỡ thiết

bị nhỏ gọn hơn so với các dung môi amine tương tự

Mô tả quá trình:

methyldiethanolamine (MDEA) và một chất phụ gia Nồng độ amine trong dung dịch có thể đạt đến 50% khối lượng Quá trình này có tốc độ ăn mòn bề mặt thấp

và xu hướng tạo bọt của dung môi có thể kiểm soát được do thiết kế tối ưu Thành phần dung môi sẽ được chọn sao cho phù hợp với những yêu cầu của khách hàng Sự tích hợp cao với các quá trình tách khác có thể thực hiện được

Hệ thống đơn giản nhất tương tự các quá trình amine khác

Điều kiện hoạt động:

Nguyên liệu với một giới hạn rất rộng của nồng độ các chất gây ô nhiễm có

dàng

Các công trình đã lắp đặt:

III.1.3 Advanced Amines

Nhà cung cấp công nghệ: Prosernat – IFP Group Technologies

Áp dụng:

Advanced Amines sử dụng một hỗn hợp gồm các amine DEA, MDEA và MDEA hoạt hóa để làm ngọt khí thiên nhiên Quá trình Advanced Amines này

có thể hấp thụ tất cả các dạng của khí axit trong dòng khí nguyên liệu Khí sau

Mô tả quá trình:

Công nghệ Advaned Amines cơ bản được phát triển dựa trên kinh nghiệm vận hành của TOTAL, và được phát triển bởi các nhóm các nhà công nghệ SNEP, ELF Chúng bao gồm những quá trình sau:

và lượng khí axit bị tách (mol khí axit/mol DEA) cũng lớn, cho hiệu suất cao cho việc khử axit

tách chọn lọc H2S hoặc áp dụng trong việc làm giàu H2S

CO2 với khối lượng lớn MDEA hoạt hóa cung cấp những thuận lợi riêng như quá trình tái sinh một phần hay toàn phần của dung môi cho ứng dụng tách CO2

được từ thiết bị hấp thụ thông thường/thiết bị tái sinh nhiệt (the conventional absorber/thermal regenerator) đến sơ đồ dòng phức tạp

Các công trình đã lắp đặt:

Hơn 120 thiết bị, trong đó 1/5 hoạt động bởi TOTAL với công suất khoảng

10 đến 900 feet khối/ngày (scfd)

III.1.4 Quá trình a-MDEA

Nhà cung cấp công nghệ: BASF AG

Áp dụng:

Tách CO2, H2S, COS và RSH từ khí tổng hợp, khí thiên nhiên và các khí khác

Các điều kiện hoạt động:

Các nhà máy giới hạn công suất từ 106 ngàn scfd đến 28,6 triệu scfd (3000 đến 810000 m3/h), nhiệt độ tháp hấp thụ từ 300C đến 900C, áp suất hấp thụ từ áp suất khí quyển đến 120bar và thành phần khí nguyên liệu từ 0.5-25% thể tích

khoảng 48% là vẫn có thể được

Tính kinh tế:

Đây là quá trình có hiệu quả về năng lượng do lượng khí axit được hấp thụ cao cùng với dung môi Điều này cho phép sử dụng tốc độ tuần hoàn thấp và giảm sự tiêu thụ năng lượng cũng như giảm kích thước thiết bị

tiêu thụ năng lượng nhiệt cho quá trình xử lý khí thiên nhiên là 15-20MJ/kmol CO2 và H2S

Những thuận lợi: sự cuốn theo hydrocacbon trong quá trình hấp thụ là rất

thấp, không làm thoái biến các sản phẩm, không ăn mòn ( thiết bị làm bằng thép

cacbon), khuynh hướng tạo bọt thấp, dung môi không độc và dễ phân hủy sinh học

Các công trình đã lắp đặt:

Hơn 200 nhà máy đang hoạt động và trên 30 thiết bị đang trong giai đoạn thiết kế và xây dựng chủ yếu là xử lý khí tổng hợp, khí thiên nhiên và các dòng khí H2

BASF là nhà sản xuất amine lớn nhất thế giới

III.1.5 Fluor ECONAMINE/Fluor Improved ECONAMINE

Nhà cung cấp công nghệ: Fluor Enterprises, Inc

Áp dụng:

Công nghệ này được sử dụng trong các nhà máy với các tiêu chuẩn sản

ppm tại áp suất thấp khoảng 50 psi

Quá trình Fluor ECONAMINE sử dụng dung dịch DGA Nồng độ dung dịch đến 65% DGA nên tốc độ tuần hoàn, sự tiêu thụ hơi nước giảm vì vậy tiết kiệm đáng kể cả chi phí cố định và chi phí hoạt động khi so sánh với các quá trình amine khác

khí hậu bắc cực

Các công trình đã lắp đặt:

Hơn 55 nhà máy ECONAMINE khoảng kích cỡ khoảng 3-400 triệu scfd Có

III.2 Tách bằng dung môi vật lý

III.2.1 Quá trình Fluor Solvent

Nhà cung cấp công nghệ: Fluor Enterprises, Inc

Áp dụng:

Quá trình ứng dụng để tách chủ yếu là CO2 và lượng H2S ở dạng vết từ các

1000 ppm

Quá trình này đặc biệt thích hợp cho khí nguyên liệu có thành phần CO2 lên đến 55%

Do lượng dung môi đưa vào tăng theo sự giảm của nhiệt độ, thiết bị hấp thụ

phân hủy sinh học và kết tinh ở -570K, vì vậy quá trình thích hợp cho môi trường Bắc Cực Quá trình này thường là lựa chọn kinh tế nhất cho việc tách CO2 khi áp suất riêng phần của CO2 cao và nồng độ H2S thấp

Các công trình đã lắp đặt: 13 nhà máy (8 khí thiên nhiên, 2 ammonia, 1 khí

tổng hợp, 2 hydrogen) với tốc độ nguyên liệu đến 220 triệu scfd (6,25 triệu

m3/ngày) và áp suất đến 2000 psig

III.2.2 Quá trình Selexol

Nhà cung cấp công nghệ: UOP LLC

Áp dụng:

đến thiết bị Claus

dầu hoặc phân bón

yêu cầu kỹ thuật trong đường ống

Quá trình này sử dụng dung môi Selexol của Dow, đây là dung môi vật lý được tạo thành từ dimethylether của polyethylene glycol, là một chất trơ về mặt hóa học và không dễ bị thoái hóa Quá trình này cũng tách được COS,

phép tối ưu hoá và giảm năng lượng tiêu hao Thép carbon có thể được sử dụng

cho quá trình chế tạo vật liệu của thiết bị và đường ống nhờ đó quá trình trơ về mặt hoá học và không có tính của dung dịch nước

Áp suất riêng phần của khí axit là nguồn lực thúc đẩy sự vận chuyển Áp suất giới hạn đặc trưng của nguyên liệu là từ 300 - 2000 psia, với thành phần của khí axit (CO2 + H2S) từ 5% đến hơn 60% thể tích Tính chất sản phẩm tuỳ thuộc vào ứng dụng và có thể từ mức ppm đến mức % khí axit

Các công trình đã lắp đặt:

Hơn 55 thiết bị Selexol đi vào hoạt động trên diện rộng Quá trình Selexol được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ khí thiên nhiên đến khí tổng hợp và có ảnh hưởng lớn đến hệ thống tách khí axit cho dự án khí hoá

III.2.3 Quá trình Purisol

Nhà cung cấp công nghệ: Lurgi Oel-Gas-Chemie GmbH

Áp dụng:

Tách khí axit từ khí thiên nhiên, khí nhiên liệu và khí tổng hợp bằng quá trình hấp thụ vật lý bằng dung môi NMP (N-metyl-pyrrolidone) Một số trường hợp tiêu biểu:

phần (POX) của than đá hay dầu mỏ

Có 7 thiết bị đang hoạt động hay đang xây dựng

III.2.4 Công nghệ Rectisol

Nhà cung cấp công nghệ: Lurgi Oel-Gas-Chemie GmbH và Linde AG

Áp dụng:

Lurgi là nhà cung cấp công nghệ quá trình Rectisol, quá trình hấp thụ ở nhiệt

Quá trình này có khả năng sản xuất lượng khí sạch với hàm lượng sulfur thấp hơn 0.1 ppm và hàm lượng CO2 giảm xuống giới hạn ppm

Điều kiện thuận lợi của quá trình so với các quá trình khác là sử dụng rẻ, bền, và dung môi dễ sản xuất, sơ đồ linh động và chi phí phụ trợ thấp

Thiết bị Rectisol dùng để tách sulfur và CO2 trong quá trình sản xuất methanol từ khí tổng hợp

Nước làm lạnh (Δt = 100C) 133 m3/h

Các công trình đã lắp đặt:

Có hơn 100 thiết bị đang hoạt động hay đang xây dựng

III.2.5 Công nghệ Morphysorb

Ứng dụng: