Đề tài Tính toán lựa chọn công nghệ tối ưu và các thông số cơ bản của tháp tách Etan từ nguồn khí Nam côn sơn 2

Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC – CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM …..………………… ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ TỐI ƯU VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA THÁP TÁCH ETAN TỪ NGUỒN KHÍ NAM CÔN SƠN 2 Giảng viên hướng dẫn: Th.S MAI XUÂN BA Sinh viên thực hiện: HOÀNG TRUNG KIÊN Lớp: DH08H1 Khoá học: 2008 – 2012 Tp Vũng Tàu, tháng 07 năm 2012 Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên LỜI MỞ ĐẦU Thực hiện theo chiến lược phát triển ngành Công nghiệp khí Việt Nam giai đoạn 2011 – 2025 được Thủ Tướng Chính phủ phê duyệt tại quyết định số 459/QĐ-TTg ngày 30/3/2011, Hiện nay Tập Đoàn Dầu khí Việt Nam (PVN) đã và đang triển khai đồng bộ tất cả các khâu trong dây chuyền công nghiệp khí từ khai thác, vận chuyển, chế biến, tiêu thụ và từng bước đa dạng hóa các hộ tiêu thụ khí. Nguồn cung cấp khí chính hiện nay cho các hộ tiêu thụ thuộc khu vực Đông Nam Bộ chủ yếu từ hai bể là Cửu Long và Nam Côn Sơn, nguồn khí này được vận chuyển theo hệ thống đường ống Rạng Đông - Bạch Hổ - Long Hải - Dinh Cố - Phú Mỹ, Lan Tây – Long Hải - Dinh Cố - Phú Mỹ - Nhơn Trạch và đường ống thấp áp Phú Mỹ - Mỹ Xuân - Gò Dầu tới các hộ tiêu thụ ở Bà Rịa - Vũng Tàu – TP Hồ Chí Minh. Theo dự báo sản lượng sản phẩm khí như: LPG sẽ thiếu hụt khoảng 300000 tấn/năm và phải nhập khẩu từ nước ngoài, sản lượng khí khô sẽ thiếu hụt theo nhu cầu của các nhà máy điện và các hộ tiêu thụ công nghiệp khu vực Nam Bộ ngày càng tăng, nhất là miền Đông Nam Bộ từ khoảng 0.79 tỷ m3 năm 2010 tăng dần lên 1.7 tỷ m3 năm 2016 và 5.7 tỷ m3 năm 2025. Ngoài ra theo dự báo bắt đầu từ năm 2017 Nhà máy sản xuất Olefin tại khu lọc hóa dầu Long Sơn sẽ đi vào hoạt động và cần một lượng lớn nguyên liệu Ethane để sản xuất Ethylene phục vụ cho hóa dầu. Do vậy Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam đang tích cực triển khai dự án xây dựng đường ống dẫn khí NCS2 để đưa khí từ các mỏ Hải Thạch/Mộc Tinh về bờ nhằm bổ sung nguồn thiếu hụt nêu trên và xây dựng các phương án đa dạng hóa các sản phẩm từ khí. Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại nước ta chỉ mới có 2 nhà máy chế biến khí là Nhà máy Chế biến Khí Dinh Cố và NCS1 đang hoạt động. Đặc điểm chung của 2 nhà máy này là sử dụng các nguồn nguyên liệu từ các mỏ khí thuộc bể Cửu Long và NCS1 có hàm lượng CO2 và lưu huỳnh rất thấp và áp dụng công nghệ làm lạnh trong (sử dụng van giảm áp, hiệu ứng giãn nỡ qua Turbo Expander kết hợp với tận thu nhiệt lạnh trong hệ thống) để thu hồi các sản phẩm lỏng nên hiệu suất thu hồi LPG chưa cao và không được thiết kế để có khả năng thu hồi sản phẩm Ethane trong khí. Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết hiện nay và được sự đồng ý chấp thuận của Trường Đại Học Bà Rịa- Vũng Tàu và Th.S Mai Xuân Ba, tôi chọn chuyên đề “TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ TỐI ƯU VÀ CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA THÁP TÁCH ETAN TỪ NGUỒN KHÍ NAM CÔN SƠN 2” nhằm mục đích là ứng dụng kiến thức về công nghệ chế biến khí, các quá trình thiết bị nói chung và ứng dụng phần mềm chuyên dụng nói riêng để tính toán, lựa chọn công nghệ thích hợp chế biến khí từ nguồn NCS2 thành các sản phẩm Khí khô, Ethane, LPG và Condensate làm cơ sở định hướng cho việc xem xét thiết kế Nhà máy chế biến Khí NCS2 sau khi hoàn thành dự án xây dựng đường ống. 1. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Tìm hiểu tổng quan về ngành công nghiệp khí của Việt Nam và đánh giá về khả năng cung cầu các sản phẩm khí trong tương lai. Tìm hiểu về công nghệ chế biến khí và chức năng nhiệm vụ, phạm vi áp dụng của các quá trình trong dây chuyền công nghệ chế biến khí. Đánh giá đặc tính kỹ thuật các mỏ khí thuộc bể NCS2 dự kiến sẽ được đưa vào vận hành trong thời gian tới. Xác định các yêu cầu về chất lượng liên quan đến các sản phẩm khí từ nguồn khí NCS2 trên cơ sở đó lựa chọn công nghệ thích hợp cho nhà máy chế biến khí NCS2. Tìm hiểu ứng dụng của phần mềm Hysys và cách thức sử dụng phần mềm Hysys để mô phỏng các thiết bị, quá trình công nghệ trong chế biến dầu mỏ và khí đốt. Xây dựng mô hình mô phỏng Nhà máy xử lý khí NCS2 để thu hồi các sản phẩm như: Khí khô, ethane, LPG và condensate trên phần mềm hysys, kết nối các module thiết bị chính trong công nghệ thành sơ đồ hoàn chỉnh đảm bảo độ tin cậy từ đó làm cơ sở cho quá trình tính toán, đánh giá và lựa chọn công nghệ tối ưu cho Nhà máy. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thu thập các số liệu về sản lượng, thành phần của các mỏ khí thuộc đường ống dẫn khí NCS2 dự kiến đưa vào hoạt động. Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u Đồ án tốt nghiệp Đại học – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên Trên cơ sở đặc tính kỹ thuật của nguồn nguyên liệu đầu vào Nhà máy NCS2 đánh giá lựa chọn công suất và cấu hình thiết kế Nhà máy NCS2 nhằm đảm bảo chất lượng các sản phẩm khí đầu ra. Sử dụng phầm mềm Hysys 7.1 xây dựng các mô hình mô phỏng nhà máy chế biến khí NCS2 trên cơ sở công suất và cấu hình thiết kế được lựa chọn làm cơ sở tính toán lựa chọn phương án công nghệ tối ưu. Xây dựng phương pháp luận tính toán lựa chọn sơ đồ công nghệ tối ưu thông qua các dữ liệu về hiệu suất thu hồi các sản phẩm và chi phí vận hành đối với từng phương án lấy từ kết quả mô phỏng công nghệ. Trên cơ sở sơ đồ công nghệ tối ưu được lựa chọn, khảo sát tính toán các thông số vận hành chính ảnh hưởng đến hiệu quả thu hồi sản phẩm lỏng của Nhà máy và trên cơ sở đó xác định các thông số vận hành tối ưu nhất. 3. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Thu thập và đánh giá các số liệu về đặc tính kỹ thuật của các mỏ khí đưa vào vận hành trong dự án NCS2. Thu thập số liệu về đặc tính kỹ thuật của nguyên liệu đầu vào và sản phẩm đầu ra. Lựa chọn công nghệ, thiết bị chế biến khí NCS2 để đạt chất lượng sản phẩm như mong muốn. Tiến hành xây dựng mô hình mô phỏng như đã thiết kế. Xây dựng phương pháp luận để đánh giá kinh tế kỹ thuật của từng phương án mô phỏng. Trên cơ sở đó lựa chọn công nghệ tối ưu nhất. Sử dụng chức năng Databook để khảo sát các thông số vận hành tối ưu. Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u SVTH: Hoàng Trung Kiên LỜI CÁM ƠN Qua thời gian học kiến thức ở nhà trường và thực tập tại Nhà máy xử lý khí Dinh Cố. Em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “ Tính toán lựa chọn công nghệ tối ưu và các thông số cơ bản của tháp tách Etan từ nguồn khí Nam Côn Sơn 2” Trong thời gian làm đồ án em đã nhận được sự hướng dẫn hết sức tận tình về lý thuyết và công nghệ mô phỏng nhằm lựa chọn công nghệ tối ưu cho việc chế biến dòng nguyên liệu đầu vào đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Em chân thành cám ơn Thầy Mai Xuân Ba giảng viên bộ môn “ Thiết kế mô phỏng công nghệ chế biến Dầu khí”, các giảng viên khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm đã tận tình hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Tuy nhiên với kinh nghiệm còn hạn chế chắc chắn em sẽ không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo để đề tài đạt kết quả tốt hơn. Chân thành cám ơn! Vũng Tàu, tháng 7 năm 2012 Sinh viên thực hiện Hoàng Trung Kiên Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u Đồ án tốt nghiệp – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên MỤC LỤC Mở đầu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHÍ ĐỒNG HÀNH VÀ KHÍ TỰ NHIÊN...................... 1 1.1. Khái niệm và thành phần khí đồng hành ................................................... 1 1.1.1 Khái niệm .............................................................................................. 1 1.1.2. Phân loại................................................................................................ 1 1.2. Tính chất của khí ......................................................................................... 1 1.2.1. Tính chất hóa học .................................................................................. 1 1.2.2. Tính chất lý học..................................................................................... 2 1.2.3. Các sản phẩm của quá trình chế biến khí ............................................... 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGÀNH KHÍ VIỆT NAM..................................... 5 2.1. Giới thiệu về công nghiệp khí Việt Nam ...................................................... 5 2.2. Các nguồn cung cấp khí thiên nhiên hiện nay ............................................. 5 2.2.1. Bể cửu long ........................................................................................... 5 2.2.2. Bể Nam Côn Sơn................................................................................... 6 2.2.3. Bể Malay – Thổ Chu ................................................................................ 7 2.3. Các dự án khí đang vận hành ....................................................................... 7 2.3.1. Dự án khí Cửu Long .............................................................................. 7 2.3.2. Dự án khí Nam Côn Sơn 1..................................................................... 9 2.3.3. Dự án khí PM3 Cà Mau....................................................................... 10 2.4. Nguồn khí Nam Côn Sơn 2 ......................................................................... 10 2.4.1. Nguồn khí đường ống Nam Côn Sơn 2 ................................................ 10 2.4.2. Nhà máy xử lý khí Nam Côn Sơn 2 ..................................................... 10 2.5. Đánh giá khả năng nhu cầu các sản phẩm hiện nay ................................. 11 2.5.1. Nhu cầu tiêu thụ của các sản phẩm khí ................................................ 11 2.5.2. Nguồn cung các sản phẩm khí hiện nay .............................................. 14 CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM HYSYS ............................................. 16 3.1. Tiện ích của phần mềm mô phỏng.............................................................. 16 3.2. Phần mềm Hysys ......................................................................................... 16 3.2.1. Giới thiệu về phần mềm Hysys ............................................................ 16 3.2.2. Ứng dụng của Hysys ........................................................................... 17 Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u Đồ án tốt nghiệp – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên 3.3. Các thao tác để tiếp cận với môi trường trong Hysys................................ 18 3.3.1. Các bước tiến hành mô phỏng trong Hysys.......................................... 18 3.3.2. Các bước cơ bản để vào trường mô phỏng của Hysys .......................... 18 3.3.3. Mô phỏng dòng và thiết bị trong mô hình hóa tĩnh .............................. 21 3.3.4. Tìm hiểu về PFD ................................................................................. 23 3.3.5. Tùy biến của Workbook ...................................................................... 25 3.3.6. Tìm một dòng hay thiết bị.................................................................... 27 3.3.7. Databook............................................................................................. 28 CHƯƠNG 4: NGUỒN KHÍ NCS 2 VÀ CƠ SỞ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN KHÍ .................................................................................................................... 31 4.1. Nhu cầu về sản phẩm Etan và cơ sở thực hiện đồ án ................................ 31 4.2. Xác định quy mô công suất hệ thống tách Etan......................................... 32 4.3. Tổng quan về dự án khí Nam Côn Sơn 2 dự kiến...................................... 33 4.3.1. Nguyên liệu đầu vào nhà máy NCS 2 .................................................. 33 4.3.2. Đặc điểm nguyên liệu đầu vào nhà máy NCS 2 ................................... 34 4.4. Đặc tính kỹ thuật của nguyên liệu .............................................................. 35 4.4.1. Đặc tính nguyên liệu mỏ Đại Hùng...................................................... 35 4.4.2. Đặc tính khí và Condensate vào nhà máy Nam Côn Sơn 2................... 36 4.5. Đặc tính kỹ thuật các sản phẩm khí của nhà máy NCS 2 ......................... 37 4.5.1. Đặc tính kỹ thuật của khí khô thương phẩm......................................... 37 4.5.2. Đặc tính kỹ thuật của Etan thương phẩm ............................................. 37 4.5.3. Đặc tính kỹ thuật của LPG thương phẩm ............................................. 38 4.5.4. Đặc tính kỹ thuật của Condensate thương phẩm .................................. 39 4.6. Biện luận lựa chọn công nghệ thiết bị cho nhà máy NCS 2....................... 39 4.6.1. Lựa chọn thiết bị tách lỏng khí đầu vào ............................................... 39 4.6.2. Lựa chọn thiết bị loại các tạp chất cơ học trong khí ............................. 40 4.6.3. Lựa chọn hệ thống làm sạch khí CO2 có trong khí nguyên liệu ............ 41 4.6.4. Lựa chọn phương pháp làm khô khí..................................................... 42 4.6.5. Biện luận lựa chọn phương pháp làm lạnh khí ..................................... 44 4.6.6. Lựa chọn sơ đồ chưng cất phân đoạn các sản phẩm ............................. 46 Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u Đồ án tốt nghiệp – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên 4.7. Đề xuất sơ đồ công nghệ tối ưu tách Etan từ nhà máy xử lý khí NCS 2............ 46 4.7.1. Phương án 1: Làm lạnh Sale Gas đầu ra sau khi đã tách LPG và Condensate để thu hồi Ean ................................................................................... 48 4.7.2. Phương án 2: Làm lạnh sâu để tách Etan từ nguồn nguyên liệu khí NCS2 ngày từ đầu kết hợp với tháp hấp thụ Demethanizer không có máy nén khí tuần hoàn ............................................................................................................. 53 4.7.3. Phương án 3: Làm lạnh sâu để tách Etan từ nguồn nguyên liệu khí NCS2 ngày từ đầu kết hợp với tháp hấp thụ Demethanizer có máy nén khí tuần hoàn ..................................................................................................................... 54 CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ TỐI ƯU TÁCH ETAN TỪ KHÍ NCS 2 ..................................................................................... 56 5.1. Phương pháp luận tính toán lựa chọn sơ đồ công nghệ tối ưu .................. 56 5.2. Phương pháp mô phỏng .............................................................................. 57 5.3. Kết quả tính toán mô phỏng ....................................................................... 58 5.3.1. Xác định nhiệt độ làm lạnh bằng chu trình Propan............................... 58 5.3.2. Chất lượng sản phẩm Etan ................................................................... 59 5.3.3. Sản lượng các sản phẩm của từng phương án....................................... 60 5.3.4.Năng lượng tiêu tốn cho từng phương án.............................................. 61 5.3.5. Khả năng đấu nối khi dự án đi vào hoạt động ...................................... 65 5.4. Nhận xét và đánh giá lựa chọn công nghệ tối ưu ....................................... 67 5.5. Tính toán xác định các thông số vận hành tối ưu ...................................... 68 5.5.1. Mục đích lựa chọn thông số vận hành tối ưu........................................ 68 5.5.2. Nguyên tắc thực hiện khảo sát ............................................................. 69 5.5.3. Khảo sát ảnh hưởng của áp suất đầu vào đến khả năng thu hồi Etan .... 69 5.5.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ khí đầu vào.................................................... 70 5.5.5. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ dòng khí sau khi qua chu trình làm lạnh ngoài bằng Propan đến khả năng thu hồi Etan .............................................. 71 5.5.6. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ chia dòng qua thiết bị trao đổi nhiệt E- 104p/ Turbo Expander CC-01 .............................................................................. 72 5.5.7. Áp suất vận hành tháp hấp thụ T-100................................................... 73 5.5.8. Các thông số của tháp Demethanizer C-01 .......................................... 74 4.5.9. Các thông số của tháp Deethanizer C-02.............................................. 76 Tr ườ ng Đ H Bà Rị a - Vũ ng Tà u Đồ án tốt nghiệp – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CỞ BẢN CỦA THÁP TÁCH ETANE .. 77 6.1. Nguyên liệu đầu vào .................................................................................... 77 6.1.1. Nguyên liệu ......................................................................................... 77 6.1.2. Nhiệt độ áp suất nguyên liệu ban đầu................................................... 78 6.2. Yêu cầu phân tách ....................................................................................... 79 6.3. Tính toán các thông số hoạt động của tháp tách Etane............................. 80 6.3.1. Tính toán các thông số hoạt động của đỉnh tháp................................... 80 6.3.2. Tính toán các thông số hoạt động của đáy tháp .................................... 81 6.3.3. Tính toán các thông số hoạt động của Reboiler.................................... 82 6.3.4. Kết luận chung về điều kiện hoạt động của tháp .................................. 83 6.4. Tính số đĩa thực tế của tháp tách Etan C-02.............................................. 83 6.4.1. Tính số đĩa lý thuyết theo phương pháp FUG ...................................... 83 6.4.2. Tìm Nmin.............................................................................................. 84 6.4.3. Tìm Rmin .............................................................................................. 84 6.4.4. Tính hiệu suất tháp và số đĩa thực tế .................................................... 84 6.4.5. Xác định vị trí nạp liệu ........................................................................ 88 6.5. Tính chất của dòng hơi, dòng lỏng và nhiệt tải.......................................... 89 6.5.1. Tính tải nhiệt bình ngưng..................................................................... 89 6.5.2. Tải nhiệt của nồi tái đun Reboiler ........................................................ 92 6.6. Tính đường kính tháp ................................................................................. 96 6.6.1. Khối lượng riêng ................................................................................. 96 6.6.2. Lưu lượng............................................................................................ 96 6.6.3. Hệ số ngập lụt FF ................................................................................ 97 6.6.4. Yếu tố hệ thống SF .............................................................................. 97 6.6.5. Vận tốc thiết kế trong ống chảy chuyền ............................................... 97 6.6.6. Yếu tố công suất hơi CAF ................................................................... 98 6.6.7. Tải dòng Vload ...................................................................................... 98 6.7. Tính chiều cao toàn tháp............................................................................. 99