Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ cá voi xanh

Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu gồm các đặc trưng cơ bản của khí mỏ Cá Voi Xanh, các phương án công nghệ để xử lý khí acid và các công cụ của phần mềm mô phỏng.. Ý nghĩa khoa

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

BÙI TÁ VŨ

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ ACID CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ VOI XANH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT HÓA HỌC

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

BÙI TÁ VŨ

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ ACID CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ VOI XANH

Chuyên ngành :Kỹ thuật Hóa học

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ THỊ NHƯ Ý

Đà Nẵng – Năm 2019

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện và được sự hướng dẫn của GVC TS Lê Thị Như Ý Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố dưới bất kỳ hình thức nào trước đây Tôi xin cam đoan, những số liệu trong các bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tôi thu thập từ các nguồn khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo Ngoài ra, trong luận văn còn sử dụng một số nhận xét, đánh giá cũng như số liệu của các tác giả khác, cơ quan đều có trích dẫn và chú thích nguồn gốc Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Tác giả luận văn

Bùi Tá Vũ

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ KHÍ ACID

CHO KHÍ THIÊN NHIÊN TỪ MỎ CÁ VOI XANH

Học viên: Bùi Tá Vũ, Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 8520301

Khóa: K35.KHH.QNg Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm Tắt - Mỏ khí Cá Voi Xanh (CVX) với trữ lượng thu hồi ước tính vào khoảng 150 tỷ m3, được xem là mỏ khí lớn nhất tại vùng biển ngoài khơi của Việt Nam từ trước đến nay nên nếu có thể đưa mỏ khí vào khai thác một cách thuận lợi sẽ đem lại tiềm năng kinh tế vô cùng lớn cho đất nước chúng ta Tuy nhiên, với hàm lượng rất cao của khí CO 2 30% thể tích và hàm lượng khí H 2 S 2000 ppm đòi hỏi chúng ta phải có biện pháp xử lý khí acid ngay tại giàn để có thể thể vận chuyển khí vào bờ Nói

về các phương pháp xử lý acid, có rất nhiều phương pháp xử lý khác nhau, mỗi phương pháp lại có những ưu, nhược điểm riêng phù hợp cho từng trường hợp khác nhau Vậy phương án nào mới phù hợp nhất để xử lý khí acid cho mỏ khí CVX cả về mặt yêu cầu kỹ thuật lẫn tính hiệu quả kinh tế?

Để giải quyết các vấn đề nói trên, luận văn sẽ bao gồm các nhiệm vụ sau: Tìm hiểu tổng quan về khí thiên nhiên và mỏ khí Cá Voi Xanh, về các quá trình xử lý khí acid Từ đó đề xuất các phương án phù hợp để xử lý khí acid cho mỏ khí Cá Voi Xanh Bước tiếp theo là tiến hành mô phỏng các phương

án đã chọn bằng bộ phần mềm Aspen One Từ đó, đánh giá kinh tế cho các phương án xử lý khí acid

Abstract – Blue Whale (Ca Voi Xanh) gas field whose the estimated reserve of about 150

billion m3, is considered the largest offshore gas field in Vietnam so far, so if it is possible to put this gas fields into exploitation, it will be convenient to a bring a great economic potential for our country However, with a very high CO 2 content of about 30% volume and H 2 S gas content of about 2000 ppm requires that we take measures to treat acid gas immediately at the rig to be able to transport gas to shore Talking about the acid gas removal, there are many different treatment methods, each method has its own advantages and disadvantages suitable for each different case So which new method is the best suitable to remove acid gas for Blue Whale gas field both in terms of technical requirements and economic efficiency?

To solve the above problems, the thesis will include the following tasks: Understanding the overview of natural gas and Blue Whale gas field, about the process of treating acid gas Since then, propose suitable solutions to treat acid gas for the Blue Whale gas field The next step is to simulate selected options with the Aspen One software suite From there, evaluate the economy for the treatment of acid gas and give the best plan

Keywords: Blue Whale gas; acid gas removal; chemical absorption; membrane; Aspen One

software suite

LỜI CAM ĐOAN 3

TÓM TẮT LUẬN VĂN 4

MỤC LỤC 5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 9

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ MỎ KHÍ CÁ VOI XANH 3

1.1 Tổng quan về khí thiên nhiên 3

1.1.1 Nguồn gốc 3

1.1.2 Thành phần khí thiên nhiên 3

1.1.3 Phân loại khí thiên nhiên 4

1.1.4 Tiềm năng khí ở việt nam 4

1.2 Tổng quan về mỏ khí Cá Voi Xanh 5

1.2.1 Vị trí 5

1.2.2 Tầm quan trọng của dự án 5

1.2.3 Thành phần 6

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÍ KHÍ ACID 7

2.1 Tác hại của khí acid 7

2.2 Các phương pháp xử lý khí acid 7

2.2.1 Phương pháp hấp thụ 7

2.2.2 Phương pháp hấp phụ 9

2.2.3 Phương pháp thẩm thấu khí 10

2.2.4 Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp 12

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KHÍ ACID CHO KHÍ MỎ CÁ VOI XANH 14

3.1 Phương pháp hấp thụ hoá học bằng dung môi amine 14

3.2 Phương pháp thẩm thấu 15

4.1 Giới thiệu phần mềm Aspen Custom Modeler 20

4.2 Giới thiệu phần mềm Aspen Properties Desktop 21

4.3 Giới thiệu phần mềm Aspen HYSYS 21

4.4 Giới thiệu phần mềm Aspen Process Economic Analyzer 22

CHƯƠNG 5 MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢ THI NHẰM LOẠI BỎ KHÍ ACID CHO KHÍ MỎ CÁ VOI XANH 24

5.1 Mô phỏng phương án sử dụng màng thẩm thấu (membrane) 24

5.1.1 Thuật toán quá trình mô phỏng 24

5.1.2 Các bước tiến hành mô phỏng 24

5.1.3 Mô phỏng sơ đồ công nghệ 2 bước có hồi lưu 31

5.1.4 Mô phỏng sơ đồ công nghệ 2 giai đoạn có hồi lưu 33

5.1.5 Đánh giá các công nghệ màng từ kết quả mô phỏng 34

5.2 Mô phỏng phương án hấp thụ hoá học 35

5.2.1 Cơ sở dữ liệu mô phỏng 35

5.2.2 Tiến hành mô phỏng 39

5.2.3 Kết quả mô phỏng 40

CHƯƠNG 6 ĐÁNH GIÁ TÍNH KINH TẾ CỦA CÁC PHƯƠNG ÁN XỬ LÍ KHÍ ACID 42

6.1 Các bước tiến hành đánh giá tính kinh tế 42

6.2 Đánh giá tính kinh tế cho phương án Membrane 44

6.3 Đánh giá tính kinh tế cho phương án hấp thụ hoá học 45

6.4 So sánh và lựa chọn phương án tối ưu 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

ACM Aspen Custom Modeler

Số hiệu

Số hiệu

hình

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nhu cầu sử dụng khí trên thế giới cũng như ở Việt Nam ngày càng tăng, nguồn lợi nhuận thu về từ khí là vô cùng lớn Chính vì vậy việc thăm dò, tìm kiếm và khai thác các mỏ khí đóng vai trò vô cùng quan trọng Trong thời gian gần đây, tại miền Trung Việt Nam, mỏ khí Cá Voi Xanh đã được phát hiện với trữ lượng

tại Nếu được đưa vào khai thác và xử lý, dự án khí mỏ Cá Voi Xanh ngoài định hướng cung cấp một lượng lớn khí đốt cho các nhà máy nhiệt điện, đảm bảo nhu cầu

về điện cho các tỉnh miền Trung, không còn phụ thuộc quá nhiều vào thủy điện, còn

mở ra cơ hội phát triển ngành công nghiệp hóa dầu từ khí tại miền Trung Việt Nam

mỏ Cá Voi Xanh cũng tương đối cao khoảng 2500 ppmv, cao hơn nhiều so với nguồn khí được khai thác từ các mỏ dầu khí khác trong nước (mỏ Sư Tử Vàng/Sư Tử Trắng: 11,7 ppmv, mỏ Tê Giác Trắng/Hải Sư Trắng/Hải Sư Đen: 0,4 ppmv, mỏ Rạng Đông/Phương Đông: 7,3 ppmv, mỏ Bạch Hổ/Rồng: 18,7 ppmv, mỏ Cá Ngừ Vàng: 9

loại bỏ đến mức cho phép, có thể gây ăn mòn mạnh các đường ống vận chuyển từ ngoài khơi vào bờ, bắt buộc phải thiết kế chế tạo bằng thép chống ăn mòn đắt tiền Hoặc có thể gây ăn mòn turbine khí trong ngành công nghiệp điện khí, đầu độc xúc tác trong ngành công nghiệp hóa dầu và ảnh hưởng đến màu sắc và chất lượng sản phẩm trong các ngành sản xuất gốm sứ, gạch men, nhựa… [14] Do đó, khí thiên nhiên từ

ExxonMobil)

sử dụng bao gồm: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất ở nhiệt độ thấp và màng thẩm thấu Tuy nhiên, việc lắp đặt một hệ thống phức tạp với nhiều thiết bị và tiện ích mở rộng để hỗ trợ các hoạt động cho một số phương pháp kể trên không thể thỏa mãn các ràng buộc chính ứng dụng trên các giàn khai thác ngoài khơi là giới hạn về không gian và trọng lượng [15]

Theo các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà tư vấn công nghệ, các nhà cung cấp thiết bị và các chuyên gia trong lĩnh vực khí thì công nghệ sử dụng màng thẩm

thấu được đánh giá là hiệu quả và kinh tế nhất cho đến nay để loại bỏ khí acid ngoài khơi do kích thước thiết bị nhỏ gọn, hoạt động dễ dàng và độ tin cậy cao, thân thiện với môi trường hơn hệ thống loại bỏ khí acid bằng dung môi do sẽ không lo ngại đến vấn đề làm sạch hóa chất từ đó làm giảm chi phí sản xuất [8], [11] Bên cạnh đó, phương pháp hấp thụ hóa học bằng dung môi Amine cũng thể hiện nhiều tính khả thi Với những phân tích nêu trên, tôi xin đề xuất chọn đề tài cho luận văn của mình

là “Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi

Xanh”

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu, mô phỏng nhằm đánh giá và đề xuất phương án công nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh tại lô 118 thuộc địa phận huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu gồm các đặc trưng cơ bản của khí mỏ Cá Voi Xanh, các phương án công nghệ để xử lý khí acid và các công cụ của phần mềm mô phỏng

4 Nội dung nghiên cứu

khí mỏ Cá Voi Xanh

ưu nhằm xử lý khí acid cho khí thiên nhiên mỏ Cá Voi Xanh

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

5.1 Ý nghĩa khoa học

Việc sử dụng kết quả mô phỏng của phần mềm Hysys để lựa chọn loại sơ đồ công nghệ tối ưu qua việc đánh giá tính khả thi về kỹ thuật và hiệu quả xử lý khí acid cho khí thiên nhiên sẽ phần nào khẳng định tính hợp lý của các kết quả nghiên cứu trên lý thuyết và thực tế

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ cho phép đánh giá và đề xuất phương án công nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh, mở ra triển vọng khả thi trong vận chuyển, tồn chứa, chế biến và sử dụng khí này trong ngành công nghiệp điện khí và công nghiệp hóa dầu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ MỎ KHÍ CÁ VOI XANH

1.1 Tổng quan về khí thiên nhiên

1.1.2 Thành phần khí thiên nhiên [3]

Khí thiên nhiên là một loại nhiên liệu khí hóa thạch, thành phần chủ yếu là khí methane, ethane, cùng với các hydrocarbon (HC) nặng hơn và một số tạp chất như

Tương tự như dầu mỏ, khí thiên nhiên là một hỗn hợp phức tạp có rất nhiều cấu

tử khác nhau, nhưng ít phức tạp hơn dầu mỏ Về bản chất chúng đều có HC là thành

Thành phần hóa học của khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam được thể hiện trong bảng 1 dưới đây:

Bảng 1.1 Thành phần hóa học (% thể tích) của khí tự nhiên và

khí đồng hành ở một số mỏ khí của Việt Nam

Qua những số liệu trong các bảng này, ta có thể dễ dàng nhận thấy những cấu tử

cơ bản của khí tự nhiên và khí đồng hành là methane, ethane, propane và butane

Trong đó methane là cấu tử chiếm chủ yếu (có thể đạt 98% theo thể tích) Thành phần các cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong khoảng rộng tùy theo các mỏ khí khai thác

1.1.3 Phân loại khí thiên nhiên

1.1.3.1 Phân loại theo nguồn gốc

Hiện nay trên thế giới người ta đã phát hiện và khai thác mỏ khí với số lượng ngày càng tăng và phân bố rộng khắp Tuy vậy dựa theo nguồn gốc hình thành của khí,

ta có thể phân loại như sau:

chứa dầu mỏ kèm theo

của khí và phần đầu của dầu điều kiện thường condensate này sẽ ở dạng lỏng gọi là khí không ngưng

trong mỏ này có áp suất cao nên chúng hòa tan một phần trong dầu Khi khai thác lên, áp suất giảm, khí sẽ thoát ra và ta thu được khí đồng hành

1.1.3.2 Phân loại theo hàm lượng khí acid

1.1.4 Tiềm năng khí ở việt nam

Việt Nam được Thế Giới nhìn nhận là một quốc gia dầu khí non trẻ trong cộng đồng các quốc gia dầu khí trên thế giới Theo PetroVietNam, mỏ dầu Bạch Hổ và mỏ Rồng thuộc vùng trũng Cửu Long đã và đang cho sản lượng khí đồng hành quan trọng nhất Ngoài ra, tiềm năng khí của Việt Nam tập trung ở 5 vùng trũng chính gồm: trũng Sông Hồng, trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn, trũng Mã Lai-Thổ Chu và trũng Phú Khánh, vẫn đang trong đoạn nghiên cứu và đánh giá một cách chi tiết Đây là

những vùng có khả năng cung cấp khí trong vài thập kỷ tới Hiện nay chỉ có 2 trũng có khả năng thương mại là trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn thuộc thềm lục địa phía nam của nước ta

1.2 Tổng quan về mỏ khí Cá Voi Xanh

1.2.1 Vị trí

Mỏ khí Cá Voi Xanh được phát hiện vào năm 2011 nằm ngoài khơi trong lô 118, thuộc bể Sông Hồng, cách bờ biển miền Trung khoảng 100 km về phía Đông Theo dự kiến, mỏ khí sẽ được đưa vào khai thác từ năm 2023 với định hướng sử dụng để cung cấp điện cũng như làm nguyên liệu cho công nghiệp hoá dầu Trữ lượng thu hồi tại chỗ

, gấp 3 lần mỏ Lan Tây và Lan Đỏ, lớn nhất Việt Nam tại thời điểm hiện tại Dự án khai thác mỏ khí Cá Voi Xanh được coi là “siêu dự án”

mở ra triển vọng mới cho ngành công nghiệp khí Việt Nam [14]

Hình 1.1 Vị trí mỏ Cá Voi Xanh

1.2.2 Tầm quan trọng của dự án

- Đối với nguồn năng lượng khu vực

Dự án khí Cá Voi Xanh là dự án khí lớn nhất tại Việt Nam cho tới nay Dự tính khi đưa vào khai thác, dự án sẽ cung cấp nguồn khí thiên nhiên đặc biệt quan trọng, sử dụng cho các nhu cầu phát điện, hóa dầu, cũng như là động lực phát triển các ngành công nghiệp địa phương, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước, thêm động lực phát triển kinh tế địa phương, và tạo nhiều việc làm cho khu vực Nguồn khí

Cá Voi Xanh sẽ được sử dụng cho 4 nhà máy nhiệt điện khí, với tổng công suất 3.000

MW (công suất mỗi nhà máy 750 MW) Trong đó, hai nhà máy được xây tại xã Tam Quang, huyện Núi Thành (Quảng Nam) và hai nhà máy sẽ xây ở khu kinh tế Dung Quất, thuộc địa phận xã Bình Thạnh (Bình Sơn)

- Đối với sự phát triển kinh tế đất nước

Khai thác dầu khí tại đây ước tính hằng năm có thể mang về 24 tỷ USD cho ngân sách Nhà nước (theo Petro Việt nam), đóng vai trò quan trọng đóng góp vào ngân sách nhà nước, mang lại nguồn ngoại tệ lớn cho quốc gia, làm cân đối hơn cán cân xuất, nhập khẩu thương mại quốc tế, góp phần tạo nên sự phát triển ổn định đất nước [15]

1.2.3 Thành phần

Về thành phần, khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh có hàm lượng tạp chất cao, có

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÍ KHÍ ACID

2.1 Tác hại của khí acid

nước sẽ có tính ăn mòn rất cao, nhanh chóng phá hủy đường ống và các thiết bị trong quá trình vận chuyển khí từ giàn khai thác vào bờ và tồn chứa

khỏe con người, đe dọa đến cuộc sống

Bảng 2.1 Tính chất vật lý của một số dung môi vật lý [3]

Tính chất Propylene

Ưu điểm:

- Các chất hấp thụ không sủi bọt, không ăn mòn thiết bị

- Khi áp suất riêng phần các hợp chất acid cao thì chi phí đầu tư và vận hành ít hơn so với phương pháp hoá học

- Việc tái sinh chất hấp thụ vật lý trong nhiều trường hợp không cần cấp nhiệt mà chỉ cần giảm áp suất trong hệ thống

Nhược điểm:

- Các dung môi được sử dụng hấp thụ tương đối tốt các HC nên mất mát HC lớn

- Việc làm sạch triệt để khí trong nhiều trường hợp chỉ được thoả mãn sau khi xử

- Độ hoà tan các HC trong các chất hấp thụ này không cao nên giảm mất mát HC

- Thiết bị của quá trình đơn giản và bền nên vốn đầu tư thấp

Nhược điểm:

- Mức độ tách RSH và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác không cao

hoá học không tái sinh được

- Cần có bậc tuần hoàn dung môi cao và tiêu hao nhiệt lượng lớn

- Chất hấp thụ và sản phẩm tương tác của chúng với các tạp chất chứa trong khí nguyên liệu có tính ăn mòn cao

Bảng 2.2 Tính chất hoá lý cơ bản của các dung môi amine [3]

Quá trình này sử dụng chất hấp phụ rắn có cấu trúc xốp với các mao quản rất nhỏ

để tạo bề mặt riêng thật lớn, từ đó có thể giữ lại một cách chọn lọc trên bề mặt và trong các mao quản các cấu tử cần tách

Ưu điểm: sản phẩm có độ sạch rất cao

Hạn chế: không sử dụng phù hợp đối với nguồn khí có lưu lượng lớn và chứa

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của màng lọc [11]

Hiện nay, phương pháp thẩm thấu sử dụng màng lọc là các lớp mỏng cao phân tử không có lỗ xốp mà qua các lớp này, quá trình thẩm thấu sẽ được thực hiện nhờ hòa tan và khuếch tán Hợp chất cao phân tử này phải thẩm thấu rất tốt đối với các cấu tử

cần tách hay có độ chọn lọc tốt Các hợp chất cao phân tử thường sử dụng là dẫn xuất của cellulose acetate, polyethersulfones, polyimides, polyamides, …

Ưu điểm :

- Không có sự chuyển pha cũng như thay đổi nhiệt độ nên ít tiêu tốn năng lượng

- Khả năng thích nghi cao: sự thay đổi thành phần khí không làm thay đổi thông

số kỹ thuật hệ thống màng

- Chi phí đầu tư, vận hành thấp

- Chiếm ít diện tích, phù hợp cho các môi trường làm việc offshore

- Ít tác động đến môi trường do không chứa các phụ gia hoá học, khí sản phẩm đạt chất lượng tốt

giữa Hỗn hợp khí nguyên liệu sẽ đi

vào một đầu thiết bị, một số cấu tử

cần tách sẽ thẩm thấu qua các màng

lọc và sẽ đi vào các lỗ trống của ống

góp ở giữa để đi ra ngoài

Hình 2.5 Cấu tạo màng lọc phẳng

- Loại chùm sợi rỗng: Các sợi rỗng có đường

kính rất bé (khoảng 300 µm), khoảng cách

giữa các sợi còn bé hơn (khoảng 50 ÷ 100

µm) Hỗn hợp khí nguyên liệu sẽ đi bên ngoài

các sợi rỗng này Bề mặt riêng của loại màng

Hình 2.6 Cấu tạo màng chùm sợi rỗng

2.2.4 Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp

C)

Có 2 cách để giải quyết khó khăn này :

- Sử dụng phụ gia là một HC nhẹ (quá trình Ryan-Holme)

- Sử dụng một tháp chưng cất đặc biệt (quá trình CFZ - Controlled Freezing Zone)

Hình 2.7 Sơ đồ công nghệ của quá trình Ryan-Holme

Hình 2.8 Sơ đồ công nghệ của quá trình CFZ

Tuy nhiên quá trình Ryan-Holme và CFZ của phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp rất phức tạp về mặt công nghệ, dường như chưa được ứng dụng trong công nghiệp

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KHÍ ACID CHO

KHÍ MỎ CÁ VOI XANH

Khí mỏ Cá Voi Xanh có những đặc trưng kỹ thuật sau:

Qua phần tổng quan ở chương 2, chúng ta hoàn toàn có cơ sở khoa học để phân tích và lựa chọn các phương pháp công nghệ phù hợp nhằm xử lí khí acid cho mỏ khí

Cá Voi Xanh Trong đó:

- Phương pháp hấp thụ vật lý không phù hợp để xử lý các mỏ khí offshore như mỏ khí Cá Voi Xanh do sơ đồ công nghệ với nhiều thiết bị quá cồng kềnh; ngoài ra với phương pháp khử thô này không thể đảm bảo tiêu chí về

- Phương pháp hấp phụ không thoả mãn cả tiêu chí về khả năng xử lý lưu lượng khí quá lớn (lưu lượng khí cần xử lý chỉ có thể dao động trong

trong dòng nguyên liệu đầu vào

Như vậy, ta sẽ chỉ đi sâu phân tích 2 phương pháp là hấp thụ hoá học bằng dung môi amine và phương pháp thẩm thấu để xem xét mức độ phù hợp của từng phương pháp cho việc xử lí khí acid cho mỏ khí Cá Voi Xanh, thoả mãn các yêu cầu đã đề ra

3.1 Phương pháp hấp thụ hoá học bằng dung môi amine

Như đã trình bày ở chương 2, đây là phương pháp khử tinh khí acid với việc sử dụng nhiều loại dung môi amine có các tính năng kỹ thuật khác nhau được so sánh trong bảng 3.1, trong đó dung môi Methyl DiEthanol Amine (MDEA) là dung môi rất tiềm năng, mới được nghiên cứu sử dụng gần đây, với nhiều ưu điểm như : Hoạt tính hóa học mạnh, hoàn toàn có thể thỏa mãn tiêu chí về chất lượng khí sản phẩm với hàm

lượng và bội số tuần hoàn dung môi, giảm chi phí, tăng tính kinh tế cho quá trình Đặc biệt, đối với các mỏ khí offshore như nguồn khí Cá Voi Xanh, phương pháp hấp thụ hoá học bằng dung môi amine lại mang tính khả thi do sơ đồ công nghệ của phân xưởng xử lý khí acid bằng dung môi amine khá đơn giản và thiết bị bền nên vốn đầu tư thấp

Bảng 3.1 So sánh các amine sử dụng cho quá trình hấp thụ hoá học [3]

Khả năng hấp thụ khí

vào khí acid > 0,45

Hiện nay, có 3 nhà bản quyền là UOP, BASF, Uhde xác nhận là cung cấp được công nghệ xử lí khí acid bằng anime cho dòng khí từ mỏ Cá Voi Xanh cho cả 2 trường

của nhà bản quyền BASF với dung môi sử dụng là MDEA

3.2 Phương pháp thẩm thấu

Theo các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà tư vấn công nghệ, các nhà cung cấp thiết bị và các chuyên gia thì công nghệ sử dụng màng thẩm thấu được đánh giá là

các mỏ khí ngoài khơi, có địa hình không thuận lợi, thân thiện với môi trường hơn phương pháp sử dụng dung môi luôn phải đối mặt với vấn đề xử lý hóa chất

Các nhân tố được lựa chọn đánh giá trong hình 3.1 gồm: chi phí đầu tư, chi phí

Phương pháp màng thẩm thấu có rất nhiều những ưu điểm như sau:

- Chi phí vốn thấp: hệ thống màng là skid gắn kết và do đó phạm vi, chi phí và thời gian thực hiện để chuẩn bị là tối thiểu Chi phí lắp đặt thấp hơn so với các công nghệ khác, đặc biệt vị trí lắp đặt ngoài khơi, rất xa đất liền

- Chi phí vận hành thấp: Chi phí vận hành chủ yếu chi phí để thay thế màng Chi phí này thấp hơn so với việc thay thế dung môi và chi phí năng lượng trong nhà máy đối với các công nghệ truyền thống Những cải tiến trong cấu tạo màng lọc và thiết kế

xử lý sơ bộ khí cho phép tăng thời gian sống của màng, giúp giảm hơn nữa chi phí vận hành

- Hoàn nhanh vốn đầu tư: Thông thường, các hợp đồng mua bán mặt hàng khí tăng giảm theo thời gian Các hệ thống màng rất linh động, thích hợp với việc tăng giảm năng suất

- Sử dụng không gian hiệu quả: xây dựng các khối hệ thống màng lọc (Skid) có thể được tối ưu hóa sử dụng rất có hiệu quả không gian có sẵn Điều này đặc biệt quan trọng đối với môi trường làm việc ngoài khơi, xa rất liền, việc lắp đặt và bố trí khá khó khăn, và đây là lý do tại sao rất nhiều nước phát triển đã được lựa chọn phương pháp

sử dụng màng lọc để loại bỏ khí acid ở ngoài khơi Hình 2.4 minh họa việc sử dụng hiệu quả không gian của hệ thống màng so với hệ thống sử dụng dung môi amine

Hình 3.2 Hình thể hiện việc sử dụng hiệu quả không gian của Skid [11]

- Hoạt động đơn giản và độ tin cậy cao: Bởi vì hệ thống màng không có bộ phận chuyển động, hầu như không có thời gian chết đột xuất và rất đơn giản để hoạt động

Có thể hoạt động không cần giám sát trong thời gian dài

- Khả năng thích nghi cao: sự thay đổi nhỏ trong thành phần khí acid nguyên liệu hầu như không làm thay đổi thông số kỹ thuật của hệ thống màng

- Thiết kế hiệu quả: Hệ thống màng và tiền xử lý tích hợp một số hoạt động khác,

lọc có thể kiểm soát sương điểm của dòng và loại bỏ thủy ngân so với các phương pháp xử lý khí acid truyền thống

- Thân thiện với môi trường: hệ thống màng tránh việc loại bỏ định kỳ và xử lý dung môi hoặc các chất hấp phụ Ngoài ra, khí thẩm thấu được sử dụng để cung cấp khí nhiên liệu cho phát điện, hoặc cung cấp năng lượng cho một máy nén hoặc thiết bị khác, hoặc tái bơm vào giếng [8]

Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý khí acid bằng màng lọc

Sơ đồ công nghệ xử lý bằng màng lọc đơn giản nhất là sơ đồ 1 giai đoạn (Hình 3.3) Dòng thẩm thấu qua màng (permeate) có nồng độ khí acid cao và dòng giàu HC (retentate) là khí sản phẩm

Hình 3.3 Sơ đồ công nghệ 1 giai đoạn

Đối với các sơ đồ loại bỏ khí acid ở mức cao, thì sẽ có một lượng đáng kể các

HC thẩm thấu qua màng và bị mất mát Do đó hệ thống màng lọc nhiều giai đoạn giúp thu hồi một lượng đáng kể HC bị thẩm thấu qua màng Ví dụ đối với hệ thống hai gia đoạn (hình 3.4) cho thấy chỉ có một phần HC bị mất, phần còn lại được hồi lưu về nguyên liệu ban đầu

Hình 3.4 Sơ đồ công nghệ 2 giai đoạn

Công nghệ 2 giai đoạn dựa trên công nghệ 1 giai đoạn nhưng dòng Permeate lại được tiếp tục đưa qua màng lọc thứ 2 để tăng hiệu quả tách và thu hồi HC bị thất thoát, cho hồi lưu lại cùng với dòng nguyên liệu ban đầu, công nghệ này đòi hỏi bổ sung thêm một máy nén (áp suất giảm mạnh khi đi qua màng lọc) và hệ thống làm mát nên cần phải xét hiệu quả của việc thu hồi HC so với việc đầu tư máy nén có mang lại kinh

tế hay không

Phương án thẩm thấu ba giai đoạn bị loại bỏ vì ứng với mỗi màng lọc đòi hỏi một máy nén để tăng áp suất của các dòng permetate trước khi đưa đi hồi lưu do đó làm tăng mạnh chi phí của quá trình [6]

Ngoài ra còn có công nghệ 2 bước (Hình 3.5) dựa trên công nghệ 1 giai đoạn, nhưng sẽ cho sản phẩm có độ tinh khiết cao hơn vì dòng Retentate đi ra khỏi màng thứ nhất sẽ được tiếp tục đưa sang màng thứ hai Tại màng thứ hai dòng Retentate sẽ được

và làm mát sẽ được hồi lưu lại với dòng nguyên liệu

Hình 3.5 Sơ đồ công nghệ 2 bước

Tóm lại, qua phân tích ở trên, hai phương pháp thích hợp để xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh là hấp thụ bằng dung môi hóa học và màng thẩm thấu Và để có thể đề xuất phương án tối ưu để xử lý khí acid cho mỏ khí Cá Voi Xanh, chúng ta sẽ tiến hành mô phỏng các sơ đồ công nghệ ứng với mỗi phương án và đánh giá dựa vào các kết quả trích xuất được từ bộ phần mềm Aspen One

CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN BỘ PHẦN MỀM ASPEN ONE

4.1 Giới thiệu phần mềm Aspen Custom Modeler

Aspen Custom Modeler (ACM) là một môi trường mô phỏng và phát triển mô hình quá trình và thiết bị Nó xây dựng một môi trường mô hình hóa cho phép người dùng viết một hoặc nhiều mô hình dưới dạng tập hợp các phương trình đại số và vi phân phi tuyến tính

Phần mềm cho phép người dùng nhanh chóng tạo ra các mô hình thiết bị xử lý và

áp dụng các mô hình thiết bị này để mô phỏng và tối ưu hóa các quy trình ACM kiểm tra tính nhất quán của phép đo, kiểm tra mức độ tự do và giải quyết tập hợp các phương trình thông qua một bộ giải định hướng phương trình Mô hình có thể ở trạng thái ổn định (tĩnh) hoặc động Bên cạnh đó, các mô hình này có thể được liên kết để sử dụng trong Aspen Plus hoặc Aspen HYSYS chỉ bằng một vài thao tác đơn giản [4]

Hình 4.1 Nguyên lý làm việc của phần mềm ACM

Phát triển và thử

nghiệm mô hình

trong ACM

Xuất mô hình từ ACM

Cài đặt mô hình vào máy tính

Sử dụng mô hình trong phần mềm Aspen Plus/Aspen HYSYS

Hình 4.2 Giao diện làm việc phần mềm ACM

4.2 Giới thiệu phần mềm Aspen Properties Desktop

Vì quá trình mô phỏng đòi hỏi phải kết hợp nhiều phần mềm khác nhau nên để

thuận lợi cho quá trình tính toán, ta sử dụng phần mềm Aspen Properties Desktop V10 xây dựng hệ cấu tử và phương trình nhiệt động dùng chung cho toàn bộ quá trình

Hình 4.3 Giao diện làm việc phần mềm Aspen Properties

4.3 Giới thiệu phần mềm Aspen HYSYS

HYSYS là phầm mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến khí được

sử dụng nhiều nhất

HYSYS là một phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí Ngoài thư viện có sẵn, HYSYS cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rất thuận tiện cho việc sử dụng Bên cạnh đó, HYSYS còn có khả năng tự động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin Đây chính là điểm mạnh của HYSYS giúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau

Hình 4.4 Giao diện làm việc phần mềm HYSYS

4.4 Giới thiệu phần mềm Aspen Process Economic Analyzer

Aspen Process Economic Analyzer là phần mềm mô phỏng để tính toán và đưa

ra kết quả chi phí cho toàn bộ dự án Phần mềm có thể kết nối trực tiếp với các phần mềm mô phỏng khác thuộc bộ phần mềm Aspen One như: HYSYS, Aspen Plus,… cũng như một số phần mềm mô phỏng bên ngoài khác như: ProII, Simsci,… Trong

phạm vi thực hiện đồ án này, để thuận tiện ta sử dụng phần mềm Aspen Process Economic Analyzer đã được tích hợp sẵn trong phần mềm HYSYS để trực tiếp tính

toán chi phí của dự án

Hình 4.5 Môi trường làm việc của phần mềm Aspen Process Economic Analyzer

Hình 4.6 Đánh giá tính kinh tế trực tiếp trên phần mềm HYSYS

CHƯƠNG 5

MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG ÁN KHẢ THI NHẰM LOẠI BỎ KHÍ ACID

CHO KHÍ MỎ CÁ VOI XANH

5.1 Mô phỏng phương án sử dụng màng thẩm thấu (membrane)

5.1.1 Thuật toán quá trình mô phỏng

Do phần mềm HYSYS không hỗ trợ công cụ mô phỏng màng thẩm thấu nên ta phải sử dụng phần mềm Aspen Custom Model để thiết lập và trích xuất vào HYSYS theo sơ đồ thuật toán sau:

5.1.2 Các bước tiến hành mô phỏng

5.1.2.1 Tạo hệ cấu tử và lựa chọn phương trình nhiệt động

Tại tab Components ta tiến hành lựa chọn các cấu tử cần sử dụng

Hình 5.1 Lựa chọn các cấu tử

Sử dụng HYSYS mô phỏng quá trình xử lí khí acid bằng Membrane

Trích xuất dữ liệu Membrane từ ACM sang HYSYS

Sử dụng phần mềm Aspen Custom Model để mô phỏng tạo ra Membrane

Tạo hệ cấu tử sử dụng cho toàn bộ quá trình bằng phần mềm Aspen Properties

Desktop

Tiếp theo đó ta chuyển sang tab Methods để lựa chọn phương trình nhiệt động

Hình 5.2 Lựa chọn hệ phương trình nhiệt động

Sau khi hoàn thành xong các bước trên, ta tiến hành Save và dùng file này để làm

dữ liệu đầu vào cho phần mềm ACM và HYSYS

5.1.2.2 Sử dụng phần mềm ACM mô phỏng Membrane

Trong tab Component List chọn Configure Properties Use Aspen property System Import Aspen Properties file và chọn đường dẫn đến file mà ta vừa tạo bằng phần mềm Aspen Properties Desktop V10

Hình 5.3 Nhập dữ liệu đầu vào cho phần mềm ACM

Tiếp theo, trong tab Custom Modeling chọn Models Add Model rồi tiến hành

đặt tên cho Model mới tạo này, ở đây ta tạm đặt là Membrane

Hình 5.4 Tạo model Membrane

Lúc này, phần mềm yêu cầu chúng ta phải nhập lập trình cho model Ngôn ngữ lập trình được sử dụng ở đây là ngôn ngữ tham chiếu của ACM Các phương trình, biến và tham số của mô hình membrane phải được khai báo trong phần đầu tiên Trong mô hình này, các khai báo gồm có :

Chi tiết đoạn mã xin tham khảo phụ lục đính kèm

Hình 5.5 Nhập code cho Model Membrane

Sau khi tiến hành nhập code xong, ta nhấn phím F8 để tiến hành chạy code, nếu

không báo lỗi thì có nghĩa code của chúng ta đã hoạt động ổn định

Tiếp theo đó ta đóng cửa sổ code, click chuột vào model Membrane vừa tạo và

chọn Add Icon để tạo biểu tượng mô hình Membrane theo ý muốn

Hình 5.6 Tạo biểu tượng cho Model Membrane