Nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ cá voi xanh

Các phương pháp loại bỏ khí acid H2S và CO2 khỏi khí thiên nhiên thường được sử dụng bao gồm: hấp thụ, hấp phụ, chưng cất ở nhiệt độ thấp và màng thẩm thấu.. Đối tượng nghiên cứu Đối tượ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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 CO2 content of about 30% volume and H2S 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

CHƯƠNG 4 TỔNG QUAN BỘ PHẦN MỀM ASPEN ONE

4.3 Giới thiệu phần mềm Aspen HYSYS

4.4 Giới thiệu phần mềm Aspen Process Economic Analyzer

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

5.1.2 Các bước tiến hành mô phỏng

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

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

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

5.2 Mô phỏng phương án hấp thụ hoá học

5.2.1 Cơ sở dữ liệu mô phỏng

5.2.2 Tiến hành mô phỏng

5.2.3 Kết quả mô phỏng

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

6.1 Các bước tiến hành đánh giá tính kinh tế

6.2 Đánh giá tính kinh tế cho phương án Membrane

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

6.4 So sánh và lựa chọn phương án tối ưu

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

Cá Voi XanhDiethanolamineDiglycolamineDiisopropanolamineDimethyl ether polyethylene glycolGallon Per Minute

HydrocarbonKhí thiên nhiênMethyl diethanolamineMonoethanolamineMàng lọc

Million Standard Cubic Feet Per DayNatural Gas Liquids

N-Methyl-2-pyrrolidoneNgoài khơi

Dòng khí qua màng lọc (Giàu CO2, H2S)Phần triệu thể tích

Dòng khí không đi qua màng lọc (Giàu hydrocarbon)Mercaptan

Phần trăm thể tíchUniversal Oil Product

Số hiệu

bảng

hành ở một số mỏ khí của Việt Nam

Số hiệu

hình

dung môi hấp thụ amine

5.4 Tạo model Membrane

thụ hoá học

phương án

MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nhu cầu sử dụng khí trên thế giới cũng như ở Việt Nam ngày càngtăng, nguồn lợi nhuận thu về từ khí là vô cùng lớn Chính vì vậy việc thăm dò, tìmkiếm và khai thác các mỏ khí đóng vai trò vô cùng quan trọng Trong thời gian gầnđây, tại miền Trung Việt Nam, mỏ khí Cá Voi Xanh đã được phát hiện với trữ lượngthu hồi tại chỗ ước tính vào khoảng 150 tỷ m3, lớn nhất Việt Nam vào thời điểm hiệntại Nếu được đưa vào khai thác và xử lý, dự án khí mỏ Cá Voi Xanh ngoài định hướngcung cấp một lượng lớn khí đốt cho các nhà máy nhiệt điện, đảm bảo nhu cầu về điệncho các tỉnh miền Trung, không còn phụ thuộc quá nhiều vào thủy điện, còn mở ra cơhội phát triển ngành công nghiệp hóa dầu từ khí tại miền Trung Việt Nam

Tuy nhiên, hàm lượng khí CO2 trong thành phần khí thiên nhiên từ mỏ Cá VoiXanh rất cao, xấp xỉ 30% mol Bên cạnh đó, hàm lượng H2S trong khí thiên nhiên từ

mỏ Cá Voi Xanh cũng tương đối cao khoảng 2500 ppmv, cao hơn nhiều so với nguồnkhí 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 RạngĐông/Phương Đông: 7,3 ppmv, mỏ Bạch Hổ/Rồng: 18,7 ppmv, mỏ Cá Ngừ Vàng: 9ppmv, mỏ Đại Hùng tại điểm đấu vào đường ống Nam Côn Sơn: 2 ÷ 4 ppmv, mỏThiên Ưng gần như không chứa khí H2S…) [3] Khí H2S và CO2 này nếu chưa đượcloại bỏ đến mức cho phép, có thể gây ăn mòn mạnh các đường ống vận chuyển từngoài 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 táctrong ngành công nghiệp hóa dầu và ảnh hưởng đến màu sắc và chất lượng sản phẩmtrong các ngành sản xuất gốm sứ, gạch men, nhựa… [14] Do đó, khí thiên nhiên từ

mỏ Cá Voi Xanh cần được xử lý để loại bỏ H2S và CO2 nhằm đáp ứng mục đích sửdụng của khí thương phẩm (H2S ≤ 30 ppmv và CO2 ≤ 8% vol theo đề nghị củaExxonMobil)

Các phương pháp loại bỏ khí acid H2S và CO2 khỏi khí thiên nhiên thường được

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

Theo các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà tư vấn công nghệ, các nhà cungcấp 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 ngoàikhơi do kích thước thiết bị nhỏ gọn, hoạt động dễ dàng và độ tin cậy cao, thân thiệnvới môi trường hơn hệ thống loại bỏ khí acid bằng dung môi do sẽ không lo ngại đếnvấn 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 VoiXanh”

2. Mục đích nghiên cứu

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

- Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của khí mỏ Cá Voi Xanh

- Nghiên cứu lựa chọn các phương án công nghệ phù hợp để xử lý khí acid cho khí mỏ Cá Voi Xanh

- Sử dụng công cụ mô phỏng nhằm đánh giá và đề xuất phương án công nghệ tối

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 đồcông nghệ tối ưu qua việc đánh giá tính khả thi về kỹ thuật và hiệu quả xử lý khí acidcho khí thiên nhiên sẽ phần nào khẳng định tính hợp lý của các kết quả nghiên cứutrên 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 côngnghệ xử lý khí acid cho khí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh, mở ra triển vọng khả thitrong vận chuyển, tồn chứa, chế biến và sử dụng khí này trong ngành công nghiệp điệnkhí 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

- Tích đọng vật liệu hữu cơ ban đầu

- Biến đổi vật liệu ban đầu thành dầu khí

- Di chuyển đến nơi ở mới

- Biến đổi trong bồn chứa

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 khímethane, ethane, cùng với các hydrocarbon (HC) nặng hơn và một số tạp chất như

H2S, CO2, Hg, kim loại, He, …

Tương tự như dầu mỏ, khí thiên nhiên là một hỗn hợp phức tạp có rất nhiều cấu tửkhác nhau, nhưng ít phức tạp hơn dầu mỏ Về bản chất chúng đều có HC là thành phầnchính, chiếm từ 60% ÷ 90% thể tích Ngoài ra còn chứa các hợp chất dị nguyên tố làhợp chất chứa oxy, lưu huỳnh, các phức cơ kim và các khí trơ như N2, He, Ar, …Thành phần hóa học của khí tự nhiên và khí đồng hành ở Việt Nam được thể hiệntrong 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 phầncác cấu tử cơ bản trong khí thay đổi trong khoảng rộng tùy theo các mỏ khí khai thác

và đều chứa các hàm lượng khí acid cần được quan tâm xử lý như H2S, CO2.

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 lượngngày càng tăng và phân bố rộng khắp Tuy vậy dựa theo nguồn gốc hình thành của khí,

ta có thể phân loại như sau:

- Khí thiên nhiên: Khí khai thác từ những mỏ khí riêng biệt, hoàn toàn không chứa dầu mỏ kèm theo

- Khí ngưng tụ (condensate): Loại trung gian giữa dầu và khí, bao gồm phần đuôicủa khí và phần đầu của dầu điều kiện thường condensate này sẽ ở dạng lỏnggọi là khí không ngưng

- Khí đồng hành: Khí được khai thác cùng với quá trình khai thác dầu Khí nằmtrong mỏ này có áp suất cao nên chúng hòa tan một phần trong dầu Khi khaithác 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

Phân loại khí dựa vào phần trăm thể tích của khí acid (CO2 và H2S) có trong mỏkhí Khí là khí chua nếu thành phần H2S chiếm lớn hơn 1% thể tích hoặc thành phần

CO2 chiếm lớn hơn 2% thể tích Khí được gọi là khí ngọt nếu thành phần H2S nhỏ hơn1% thể tích và thành phần CO2 nhỏ hơn 2% thể tích

1.1.3.3 Phân loại theo hàm lượng C 3 +

Theo hàm lượng C3+ ta phân biệt khí béo và khí gầy Khí béo là khí giàu C3, C4

và các hydrocacbon nặng (có khối lượng riêng lớn hơn 150 g/cm3) Khí gầy là khíchứa ít các hydrocacbon nặng (có khối lượng riêng nhỏ hơn 150 g/cm3)

1.1.3.4 Phân loại theo hàm lượng C 2 +

Hàm lượng C2+ có trong khí thiên nhiên cũng là một tiêu chí để phân loại khí.Bao gồm khí khô và khí ẩm.Khí khô là khí có thành phần C2+ nhỏ hơn 10% thể tích.Khí ẩm là khí có thành phần C2+ lớn hơn hoặc bằng 10% thể tích

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 cộngđồng các quốc gia dầu khí trên thế giới Theo PetroVietNam, mỏ dầu Bạch Hổ và mỏRồng thuộc vùng trũng Cửu Long đã và đang cho sản lượng khí đồng hành quan trọngnhất Ngoài ra, tiềm năng khí của Việt Nam tập trung ở 5 vùng trũng chính gồm: trũngSông Hồng, trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn, trũng Mã Lai-Thổ Chu và trũngPhú 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 cókhả năng thương mại là trũng Cửu Long, trũng Nam Côn Sơn thuộc thềm lục địa phíanam 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 dựkiến, mỏ khí sẽ được đưa vào khai thác từ năm 2023 với định hướng sử dụng để cungcấp điện cũng như làm nguyên liệu cho công nghiệp hoá dầu Trữ lượng thu hồi tại chỗước tính vào khoảng 150 tỷ m3, gấp 3 lần mỏ Lan Tây và Lan Đỏ, lớn nhất Việt Namtại 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 tínhkhi đưa vào khai thác, dự án sẽ cung cấp nguồn khí thiên nhiên đặc biệt quan trọng, sửdụng cho các nhu cầu phát điện, hóa dầu, cũng như là động lực phát triển các ngànhcông nghiệp địa phương, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng cho đất nước, thêmđộng 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 TamQuang, huyện Núi Thành (Quảng Nam) và hai nhà máy sẽ xây ở khu kinh tế DungQuất, 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 ngânsách Nhà nước (theo Petro Việt nam), đóng vai trò quan trọng đóng góp vào ngân sáchnhà 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, cóthể kể đến là CO2, H2S, và N2 Thành phần mỏ khí Cá Voi Xanh được cho trong bảngsau [8]

Bảng 1.2 Thành phần mỏ khí Cá Voi Xanh

Thành phần

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XỬ LÍ KHÍ ACID

2.1 Tác hại của khí acid

H2S và CO2 là những khí acid có mặt trong khí thiên nhiên, khi có mặt của hơinước sẽ có tính ăn mòn rất cao, nhanh chóng phá hủy đường ống và các thiết bị trongquá trình vận chuyển khí từ giàn khai thác vào bờ và tồn chứa

Ngoài ra, H2S rất độc dù có mặt với hàm lượng nhỏ và gây nguy hại đối với sứckhỏe con người, đe dọa đến cuộc sống

CO2 làm giảm nhiệt trị của khí thiên nhiên và giảm công suất đường ống

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

Tính chất

Nhiệt độ sôi, 0C

Nhiệt độ nóng chảy, 0C

Khối lượng riêng ở 250C, kg/m3

Khối lượng phân tử

Độ nhớt ở 250C, Pa.s

Áp suất hơi bão hoà ở 25oC, Pa

Nhiệt dung riêng, KJ/(kg.độ)

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 chỉcần 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 lý bằng phương pháp hấp thụ hoá học

- Sơ đồ công nghệ với nhiều thiết bị quá cồng kềnh nên không phù hợp để xử lý các

- 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

- Tương tác của RSH, COS và CS2 với một vài dung môi tạo thành các hợp chất 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]

Khối lượng phân tửĐiểm chảy 0CNhiệt độ sôi, 0C/101325 Pa

Tỉ trọng, 20/200C)

Độ nhớt tuyệt đối ở 200C (Pa.s)Nhiệt trị ở 15,60C (J/kg.s.K)Điểm chớp cháy (0C)

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của quá trình khử acid cho khí bằng dung môi

hấp thụ amine [3]

2.2.2 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ là phương pháp thường được sử dụng để khử tinh khítrong trường hợp dòng khí có lưu lượng không quá cao, nồng độ khí acid thấp và khí.[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 vàtrong 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 tửkhông có lỗ xốp mà qua các lớp này, quá trình thẩm thấu sẽ được thực hiện nhờ hòatan 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

lọc này rất lớn, có thể đạt đến 1000 m2/m3

Hình 2.6 Cấu tạo màng chùm sợi rỗng

2.2.4 Phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp

Người ta có thể sử dụng phương pháp chưng cất ở nhiệt độ thấp để tách CO2 khinồng độ của khí tạp này trong khí thô cao [3] Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp CO2 sẽ kếttinh (điểm ba là -56,57 oC)

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 độthấp rất phức tạp về mặt công nghệ, dường như chưa được ứng dụng trong côngnghiệp.

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:

- Lưu lượng khí nguyên liệu lớn: tối thiểu 7 tỷ m3/năm

- Hàm lượng khí acid cao: 2500 ppmv H 2 S, 30% thể tích CO 2

- Yêu cầu chất lượng khí sản phẩm vào bờ : H2S < 30 ppmv, CO2 ≤ 8% vol Qua phần tổng quan ở chương 2, chúng ta hoàn toàn có cơ sở khoa học để phântích 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 offshorenhư mỏ khí Cá Voi Xanh do sơ đồ công nghệ với nhiều thiết bị quá cồngkềnh; ngoài ra với phương pháp khử thô này không thể đảm bảo tiêu chí về hàm lượng H2S rất nhỏ của dòng khí sản phẩm;

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

khoảng 3 triệu ft3 chuẩn/ngày) và cả tiêu chí về hàm lượng khí acid quá lớn 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 môiamine và phương pháp thẩm thấu để xem xét mức độ phù hợp của từng phương phápcho 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 sửdụng nhiều loại dung môi amine có các tính năng kỹ thuật khác nhau được so sánhtrong bảng 3.1, trong đó dung môi Methyl DiEthanol Amine (MDEA) là dung môi rấttiềm năng, mới được nghiên cứu sử dụng gần đây, với nhiều ưu điểm như : Hoạt tínhhóa học mạnh, hoàn toàn có thể thỏa mãn tiêu chí về chất lượng khí sản phẩm với hàmlượng H2S rất nhỏ, có thể sử dụng dung môi này ở nồng độ cao nên cho phép giảm lưulượng và bội số tuần hoàn dung môi, giảm chi phí, tăng tính kinh tế cho quá trình Đặcbiệt, đối với các mỏ khí offshore như nguồn khí Cá Voi Xanh, phương pháp hấp thụhoá học bằng dung môi amine lại mang tính khả thi do sơ đồ công nghệ của phânxưởng xử lý khí acid bằng dung môi amine khá đơn giản và thiết bị bền nên vốn đầu tưthấp

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

3.2 Phương pháp thẩm thấu

Theo các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà tư vấn công nghệ, các nhà cungcấp thiết bị và các chuyên gia thì công nghệ sử dụng màng thẩm thấu được đánh giá làhiệu quả và kinh tế nhất cho đến nay để loại bỏ CO2 Đây là phương pháp lý tưởngcho các mỏ khí ngoài khơi, có địa hình không thuận lợi, thân thiện với môi trường hơnphương 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 phísản xuất, hiệu quả loại bỏ CO2, độ bền, kích thước thiết bị, độ thân thiện môi trường.

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 vàthời gian thực hiện để chuẩn bị là tối thiểu Chi phí lắp đặt thấp hơn so với các côngnghệ 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 Chiphí này thấp hơn so với việc thay thế dung môi và chi phí năng lượng trong nhà máyđối 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 vậnhành

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

- Sử dụng không gian hiệu quả: xây dựng các khối hệ thống màng lọc (Skid) cóthể được tối ưu hóa sử dụng rất có hiệu quả không gian có sẵn Điều này đặc biệt quantrọng đối với môi trường làm việc ngoài khơi, xa rất liền, việc lắp đặt và bố trí khá khókhăn, 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 dụnghiệu 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 phậnchuyển 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 liệuhầu 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,chẳng hạn như loại nước ngoài nhiệm vụ chính là loại bỏ CO2 và H2S, hệ thống mànglọc có thể kiểm soát sương điểm của dòng và loại bỏ thủy ngân so với các phươngpháp xử lý khí acid truyền thống

- Thân thiện với môi trường: hệ thống màng tránh việc loại bỏ định kỳ và xử lýdung môi hoặc các chất hấp phụ Ngoài ra, khí thẩm thấu được sử dụng để cung cấpkhí nhiên liệu cho phát điện, hoặc cung cấp năng lượng cho một máy nén hoặc thiết bịkhác, 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 (Hình3.3) 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 giúpthu hồi một lượng đáng kể HC bị thẩm thấu qua màng Ví dụ đối với hệ thống hai giađoạn (hình 3.4) cho thấy chỉ có một phần HC bị mất, phần còn lại được hồi lưu vềnguyên 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 lạiđược 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 sungthêm một máy nén (áp suất giảm mạnh khi đi qua màng lọc) và hệ thống làm mát nêncần 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 hỏimột máy nén để tăng áp suất của các dòng permetate trước khi đưa đi hồi lưu do đólàm 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 thứnhất sẽ được tiếp tục đưa sang màng thứ hai Tại màng thứ hai dòng Retentate sẽ đượclấy ra ngoài, dòng Permeate chứa chủ yếu CO2 và các HC bị kéo theo sau khi nâng áp

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 chokhí thiên nhiên từ mỏ Cá Voi Xanh là hấp thụ bằng dung môi hóa học và màng thẩmthấu 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 đánhgiá 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 môhình quá trình và thiết bị Nó xây dựng một môi trường mô hình hóa cho phép ngườidùng viết một hoặc nhiều mô hình dưới dạng tập hợp các phương trình đại số và viphân 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 kiểmtra tính nhất quán của phép đo, kiểm tra mức độ tự do và giải quyết tập hợp cácphương trình thông qua một bộ giải định hướng phương trình Mô hình có thể ở trạngthái ổn định (tĩnh) hoặc động Bên cạnh đó, các mô hình này có thể được liên kết để sửdụng trong Aspen Plus hoặc Aspen HYSYS chỉ bằng một vài thao tác đơn giản [4]

Phát triển và thử

nghiệm mô hình

trong ACM

Xuất mô hình từACM

Cài đặt mô hìnhvào máy tính

Sử dụng môhình trong phầnmềm AspenPlus/AspenHYSYS

Hình 4.1 Nguyên lý làm việc của phần mềm ACM

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 nghệđược 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 độchính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trìnhtính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biếnkhí Ngoài thư viện có sẵn, HYSYS cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rấtthuận tiện cho việc sử dụng Bên cạnh đó, HYSYS còn có khả năng tự động tính toáncác thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin Đây chính là điểm mạnh của HYSYSgiúp người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu banđầu 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 phầnmềm 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 taphải sử dụng phần mềm Aspen Custom Model để thiết lập và trích xuất vào HYSYStheo sơ đồ thuật toán sau:

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

Desktop

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

Trích xuất dữ liệu Membrane từ ACM sang HYSYS

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

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

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 lậptrình được sử dụng ở đây là ngôn ngữ tham chiếu của ACM Các phương trình, biến vàtham số của mô hình membrane phải được khai báo trong phần đầu tiên Trong môhình này, các khai báo gồm có :

 NCells : Số lõi lọc

 A : Tổng diện tích màng, m2

 L() : Hệ số thẩm thấu của từng cấu tử, m3/m2.h.bar

 Lmol() : Hệ số thẩm thấu của từng cấu tử tính theo mol, kmol/m2.h.bar

 PPerm : Áp suất dòng khí qua màng, bar

 ACell : Diện tính của mỗi lõi lọc, m2

 FRet() : Lưu lượng mol của dòng khí không qua màng mỗi lõi lọc, kmol/h

 FPerm() : Lưu lượng mol của dòng khí qua màng mỗi lõi lọc, kmol/h

 ZRet() : Phần mol của từng cấu tử trong dòng khí không qua màng sau mỗi lõi lọc

 ZPerm() : Phần mol của từng cấu tử trong dòng khí qua màng sau mỗi lõi lọc

 Jmol() : Lưu lượng mol của từng cấu tử trong dòng khí qua màng sau mỗi lõi lọc

 RhoRet : Nồng độ dòng khí không qua màng

 RhoPerm : Nồng độ dòng khí qua màng

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