Thạc Sĩ Tính toán lựa chọn công nghệ tối ưu và các thông số cơ bản của tháp tách Etan từ nguồn khí Nam Côn S

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. Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
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. Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
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.
Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
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 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
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 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
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

Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
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 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
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
6.8. Tính đường kính các ống dẫn của tháp 99
6.8.1. Đường kính ống dẫn nguyên liệu . 99
6.8.2. Đường kính ống dẫn sản phẩm đỉnh . 100
6.8.3. Đường kính ống dẫn sản phẩm đáy 100 Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Đồ án tốt nghiệp – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba

Chuyên ngành Hóa dầu SVTH: Hoàng Trung Kiên

6.8.4. Đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đỉnh . 101
6.8.5. Đường kính ống dẫn sản phẩm hồi lưu đáy 102
6.9. Tính bề dày thân, đỉnh, đáy tháp 102
6.10.Tính toán thiết kế mâm van . 104
6.10.1. Tính chiều dài gờ chảy tràn 105
6.10.2. Tính số đĩa trên mâm . 105
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 106
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 107


Trường ĐH Bà Rịa - Vũng Tàu
Đồ án tốt nghiệp – Khóa III- Năm 2008-2012 GVHD: Th.S Mai Xuân Ba

Chuyên ngành Hóa dầu 107 SVTH: Hoàng Trung Kiên

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất. NXB Khoa
học và kỹ thuật. Tập 1. Năm 2006.
[2]. Tập thể tác giả. Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa chất. NXB Khoa
học và kỹ thuật. Tập 2. Năm 2006.
[3]. GS.TSKH Nguyễn Bin. Các quá trình thiết bị trong công nghệ hóa chất và
thực phẩm. NXB Khoa học và kỹ thuật. Tập 4. Năm 2008.
[4]. Võ Thị Ngọc Tươi – Hoàng Minh Nam. Chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử.
NXB ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh. Tập 14. Năm 2007.
[5]. John M.Campbell. Gas Conditioning and Processing . Pushlish Campell
Petroleum Seriver. Vol 1. 1992.
[6]. Xí nghiệp khai thác dầu khí VietsoPetro và Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí
Minh. Giáo trình công nghệ, NXB Đại học quốc gia Tp.Hồ Chí Minh. Năm 2008.
[7]. MA. Berlin – VG. Gortrencốp – HP. Volcốp. Công nghệ chế biến khí thiê