Bài tập lớn môn tin ứng dụng đề tài quá trình tách NGL từ khí tự nhiên và tiến hành mô phỏng sơ đồ công nghệ trong phần mềm HYSYS

Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT
KHOA DẦU KHÍ
BỘ MÔN LỌC HÓA DẦU

BÀI TẬP LỚN MÔN TIN ỨNG DỤNG
Đề bài: Anh chị hãy thiết kế, mô phỏng một quy trình công nghệ lọc dầu,
hóa dầu, chế biến khí, hóa học đã học bằng phần mềm Hysys

Giáo viên hướng dẫn: Ths. Đoàn Văn Huấn
Thực hiện

: Nhóm 5 Lớp Lọc hóa dầu B_K53

Hà Nội,11/2012
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 1


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Sự phát triển của ngành cơng nghiệp hóa học trong những năm vừa qua chứng tỏ
dầu mỏ và khí là những nguyên liệu lý tưởng cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ - hóa dầu.
Từ mỏ dầu và khí, qua các q trình tổng hợp hữu cơ – hóa dầu rất nhiều các hợp chất
hữu cơ, các hợp chất trung gian cho công nghiệp và đời sống đã được tổng hợp nên.
Khi nguồn dầu mỏ đang dần cạn kiệt thì khí tự nhiên có vai trị ngày càng quan
trọng cho cơng nghiệp hóa dầu. Để có nguồn khí ngun liệu đáp ứng tốt nhất cho cơng
nghiệp hóa dầu thì thành phần của khí phải đảm bảo khơng chứa các nhiều hợp phần

khơng mong muốn. Trong các thành phần của khí tự nhiên chứa chủ yếu là metane, và
một lượng nhỏ các hợp phần khác như etane, propan…và các thành phần vô cơ (rất ít).
Do đó khí khi khai thác lên ta cần phải tách riêng các thành phần để sử dụng chúng với
các mục đích khác nhau.
Với mục đích tách riêng các thành phần quan trong trong khí tự nhiên đã có rất
nhiều phương pháp được nghiên cứu và sử dụng. Trong bài tập lớn này chúng tơi xin
trình bày về một q trình tách NGL từ khí tự nhiên và tiến hành mô phỏng sơ đồ công
nghệ trong phần mềm HYSYS. Mục đích là để:
 Vận chuyển khí (khơng cịn các hydrocacbon nặng ngưng tụ trong đường ống).
 Đáp ứng đặc tính kỹ thuật của khí thương phẩm
 Thu được tối đa sản phẩm lỏng (sản phẩm lỏng có giá trị hơn so với sản phẩm khí).

Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Ths. Đoàn Văn Huấn người trực tiếp giảng
dạy mơn học và hướng dẫn chúng em hồn thành đồ án này.
Nhóm thực hiện:
Nhóm 5 Lớp lọc hóa dâu B_K53

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 2


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN

1.1.Mục đích
Tách riêng metane. Etane, propane từ khí tự nhiên nhằm:

•
•
•

Vận chuyển khí (khơng cịn các hydrocacbon nặng ngưng tụ trong đường ống).
Đáp ứng đặc tính kỹ thuật của khí thương phẩm
Thu được tối đa sản phẩm lỏng (sản phẩm lỏng có giá trị hơn so với sản phẩm
khí).

1.2. Ý nghĩa
Tạo ra nguồn ngun liệu có giá trị cho ngành cơng nghiệp hóa dầu trong việc sản
xuất các vất liệu dẻo và các hợp chất hưu cơ tổng hợp cũng như các dung môi…
1.3. Cơ sở lý thuyết và sơ đồ công nghệ
1.3.1 Cơ sở lý thuyết.
Để tách riêng các cấu tử trong hỗn hợp thì có rất nhiều phương pháp như hấp thụ,
hấp phụ, trích ly, chưng cất… Trong đó phương pháp chưng cất được sử dụng rộng rãi
hơn cả vì hiệu quả của nó rất lớn. Đối với hỗn hợp khí tự nhiên ta sử dụng phương pháp
chưng cất ở nhiệt độ thấp. Chưng cất nhiệt độ thấp thực hiện tách các cấu tử định trước
hiểu quả hơn với sơ đồ thiết kế đơn giản.
Quá trình tách hỗn hợp các cấu tử dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của các
cấu tử. Tùy thuộc vào thành phần của hỗn hợp cần tách mà ta có thể thiết kế các sơ đồ
cơng nghệ khác nhau.
Ngun liệu: khí tự nhiên, khí đồng hành
Khí tự nhiên là hỗn hợp khí hydrocacbone và một số khí vơ cơ. Metane ln là
hợp phần chính của khí tự nhiên. Nó chiếm từ 70-98% thể tích của khí tự nhiên.
Khí đồng hành là khí thu được khí khai thác dầu mỏ, hỗn hợp khí bay ra cùng với
dầu. Khí đồng hành có hàm lượng metane ít hơn khí tự nhiên (48-80%) và chứa nhiều
hydrocacbone nặng hơn.
Bảng 1.1. Nhiệt độ sôi của các cấu tử trong hỗn hợp
Cấu tử

Metane
Etane
Propane
Iso-butane
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Nhiệt độ sôi (0C)
-161,5
-88,3
-42,4
-10,2
Page 3


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
n-butane
Pentane

-0.05
36

1.3.2. Sơ đồ công nghệ.

Loại các tạp
chất cơ học

Loại khí

Tháp tách
methane

axit

Nguyên liệu
CO2, H2S

Tháp tách
ethane

CH4
C3H8

Tháp tách
propane

C4+
C2H6

Khí sau khi khai thác ngồi các cấu tử chính là các hydrocacbone paraffin còn
chữa các tạp chất như: bụi, hơi nước, khí trơ, CO 2, H2S, các tạp chất hữu cơ của lưu
huỳnh. Trước khi đưa vào chế biến khí cần phải qua cơng đoạn chuẩn bị, tại đó tiến hành
loại bỏ các tạp chất kể trên bằng các q trình tách bụi, tách hơi nước và tách khí axit.
Để loại bỏ bụi người ta sử dụng các thiết bị như cyclone, lắng bụi và lọc điện. Đối
với khí ẩm có chứa nhiều dầu mỏ nguyên khai người ta dùng thiết bị scrubber, cyclone
ẩm, máy rửa quay…Còn đối với các khí axit đuợc sử lý bằng phương pháp hấp thụ bởi
DEA hay MEA ngồi ra có thể sử dụng phương pháp hấp phụ.
Sau khi loại bỏ các tạp chất và khí axit hỗn hợp khí được làm lạnh đến -95 0C rồi
đưa vào tháp tách metan De-Methanizer (chế độ vận hành và mơ hình giống như tháp
Reboiler Absorber). Tại đây metane được tách ra ở đỉnh. Còn hỗn hợp sản phẩm lấy ra ở
đấy được dẫn vào tháp tách Etan De-Ethanizer (tháp chưng luyện Distilation). Tại đây

etane được tách ra. Hỗn hợp lấy ra ở đáy tiếp tục được đưa vào tháp tách Propan DePropanizer (tháp chưng luyện Distilation) để tách nốt propane.

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 4


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng

CHƯƠNG II

THIẾT KẾ, TỐI ƯU Q TRÌNH VÀ TÍNH TỐN THIẾT BỊ

2.1. Cơ sở thiết kế
Dựa vào thành phần nguyên liệu và yêu cầu sản phẩm ta sẽ lựa chọn các loại thiết
bị tách khác nhau. Đối với quá trình tách methane thì ta sẽ chọn thiết bị tách có cơ chế
vận hành giống như tháp Reboiler Absorber.

Cịn đối với q trình tách ethane và propane thì ta chọn thiết bị giống như thiết bị
chưng cất liên tục (Distillation Column)

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 5


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng

2.2.Cơ sở tối ưu quá trình
Tối ưu nhiệt độ đầu vào của nguyên liệu: Nhiệt độ của hỗn hợp đầu vào tháp có

thể thay đổi bất kỳ. Với nhiệt độ thay đổi hỗn hợp đầu vào cũng thay đổi trạng thái nhiệt
động của nó. Điều này cũng dẫn đến làm thay đổi lượng hơi và lượng lỏng đi trong tháp.
Chỉ số hồi lưu: Chỉ số hồi lưu càng lớn thì nhiệt lượng được tiêu thu ở đáy tháp
càng nhiều, vì phải làm bay hơi lượng hồi lưu này. Mặt khác số đĩa lý thuyết của tháp
giảm cùng với sự tăng của chỉ số hồi lưu. Nếu giảm chỉ số hồi lưu thì sẽ làm tăng chi phí
chế tạo tháp mặc dù có giảm chi phí làm việc. Vì vậy cần tiếp cận giá trị thích hợp của
chỉ số hồi lưu.
Vị trí nạp liệu: Vị trí nạp liệu có ảnh hưởng đến lượng lỏng và hơi đi trong tháp vì
tại vị trí nạp liệu có một lượng lỏng đi xuống đáy tháp và một phần hơi bay lên đỉnh tháp.
Do đó nó làm thay đổi cân bằng vật liệu trong tháp.

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 6


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Số đĩa trong tháp: Số đĩa sẽ quyết định đến chất lượng sản phẩm. Số đĩa lớn thì
chất lượng sản phẩm cao tuy nhiên lại làm tăng chi phí thiết kế, lắp đặt và ngược lại. Do
đó cần phải tính tốn số đĩa sao cho thích hợp.
Lưu lượng dịng ngun liệu: Với mỗi một quy trình cơng nghệ các thiết bị đều
được thiết kế với một dòng lưu chất nhất định nên khi lưu lượng dòng nguyên liệu thay
đổi sẽ làm thay đổi chất lượng của sản phẩm.

CHƯƠNG III.

MƠ PHỎNG Q TRÌNH CƠNG NGHỆ

3.1. Mơ phỏng q trình tách metane
3.1.1. Nhập dòng ngun liệu:

Dịng nguyên liệu được làm lạnh đến nhiệt độ -95 0C và áp suất 2275 kPa. Nguyên
liệu có các cấu tử N2; CO2, methane, ethane, propane, iso butane, n-butane, iso pentane,
n- pentane, n- hexane, n-heptane, n-octane với thành phần như sau:
Bảng 3.1. Dòng nguyên liệu
Nhiệt độ
Áp suất
Lưu lượng
Thành phần
N2
CO2
C1
C2
C3
i-C4
n-C4
i-C5
n-C5
n-C6
n-C7
n-C8

-950C
2275 kPa
1620 kgmole/h
Mole fraction
0.0025
0.0048
0.7041
0.1921
0.0706

0.0112
0.0085
0.0036
0.0020
0.0003
0.0002
0.0001

Quá trình chế biến cần tách riêng các cấu tử chình methane, ethane và propane có
độ tinh khiết cao. Q trình thiết lập mơ phỏng trong Hysys cho q trình tách bao gồm
các bước sau:
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 7


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Đầu tiên chọn mô hình cho q trình mơ phỏng là Peng Robinson EOS. Nhập
dịng ngun liệu có thành phần như trên và một dịng năng lượng có giá trị bằng
2.1x106kJ/h. Sau đó nhập 1 tháp De-Methanizer hoạt động giống như reboiled absorber
với dòng vào là dòng nguyên liệu và dòng năng lượng trên.

3.1.2. Dịng năng lượng:
Bảng 3.2. Thơng số dịng năng lượng
In this cell
Name
Energy Flow

Enter
Ex Duty

2.1 x 106 kJ/h

3.1.3. Nhập các thông tin tháp:

Bảng 3.3. Thông số tháp tách Methane
name

DC1
Design/Connections

Connections

No. of stage

10

Top stage inlet

Feed1

Optional inlet streams
Stage Numbering

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Ex Duty
Inlet Stage 4_main TS
Top Down

Page 8

Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Ovhd Vapour Outlet

DC1 Ovhd

Reboiler Energy Stream

DC1 Reb Q

Bottoms Liquid Outlet

DC1 Btm

Presure
Profile

Top Stage Presure

2275 kPa

Reboiler Presure

2310 kPa

Optional
Estimates

Optional Top Stage

Temperature Estimate

-880 C

Optional Reboiler
Temperature Estimate

270 C

Monitor Ovhd Prod Rate
/digign

1338 kgmole/h

Design
[specs]

active

Column
Fractions

Component

Comp Fraction

Name

1_Main TS

Stage

Mole Fraction

Flow Basis

Vapour

Phase

0.9600

Spec Value
2.Ovhd

prod

Estimate

rate

Sản phẩm đỉnh chứa chủ yếu là methane.
3.2. Mơ phỏng q trình tách ethane.
Dòng sản phẩm được lấy ra ở đáy tháp tách methane được bơm vào tháp tháp tách
ethane hoạt động như tháp chưng cất liên tục.
3.2.1.Bơm
Bảng3.4. Các thông số của bơm
Design/connections
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Design/Parameters
Page 9


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Name

P-100

Adiabbatic Efficiency

Inlet

DC1 Btm

Energy

P-100-HP

Fluid Package

75%

Basis-1

Worksheet/Conditions
Pressure[kPa]

2790kPa

3.2.2. Nhập tháp tách ethane

Bảng 3.5. Các thông số của tháp tách ethane
Name

DC2
Design/Connections

Connections

No. of stage

14

Feed Stream / stage
Condenser Type

Partial

Overhead Vapour Product

DC2 Ovhd

Bottom Product

DC2 Btm

Overhead Liquid Product

DC2 Dist

Reboiler Duty

DC2 Reb Q

Condenser Duty
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

DC2 Feed / 6

DC2 Cond Q

Page 10


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Presure Profile

2725kPa

Condenser Delta P

35kPa

Reboiler

2792 kPa

Condenser

-40 C

Reboiler

Optional Estimates

Condenser

950 C

Specifications
Overhead Vapour Rate

320 kgmole/h

Distillate Rate
Reflux Ratio
Design [specs]

0 kgmole/h
2.5 ( Molar)

Component Ratio
Name
Stage

Reboiler

Flow Basis

Molar

Phase

Liquid

Spec Value

0.01

Numerator

Ethane

denominator

propane

Ovhd Vap Rate

Astimate

C2/C3

Monitor/digign

C2/C3

active

Dòng sản phẩm lấy ra ở đỉnh tháp chủ yếu chứa ethane.
3.3. Mô phỏng q trình tách propane.
Dịng sản phẩm từ đáy tháp tách etane được đưa vào tháp tách propan làm việc
như tháp chưng cất lien tục. Tại đây propan được tách ra ở đỉnh tháp.
3.3.1. Valve:
Bảng 3.6. Các thông số van
Connections/ design
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 11


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Feed Stream
Product Stream
Worksheet
DC3 Feed Pressure

DC2 Btm
DC3 Feed
1690kPa

3.3.2. Nhập các thông số tháp tách propane

Bảng 3.7. Các thông số tháp tách propane
Name

DC3
Design/Connections

Connections

No. of stage

24

Feed Stream / stage
Condenser Type

DC3 Btm

Overhead Liquid Product

DC3 Dist

Reboiler Duty

DC3 Reb Q

Condenser Duty

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Total

Bottom Product

Presure Profile

DC3 Feed / 11

DC3 Cond Q

Condenser
Page 12

1585kPa


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Condenser Delta P

35kPa

Reboiler

1655kPa

Condenser

380 C

Reboiler

Optional Estimates

1200 C

Specifications
Distillate Rate

Reflux Ratio
Design [specs]

110 kgmole/h
1.0 ( Molar)

Component Fraction
Name
Stage

Condenser

Flow Basis

Molar

Phase

Liquid

Spec Value

0.015

comppnents

i-C4 and n-C4

Name

C3

Stage

Reboiler

Flow Basis

Molar

Phase

Liquid

Spec Value

0.02

Compnents

C3

Distillate Rate

Astimate

Reflux Ratio

Monitor/digign

iC4+nC4

astimate

iC4+nC4

Active

C3

Active

Sản phẩm ra ở đỉnh chứa chủ yếu là propane
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 13


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng

3.4. Kết quả mô phỏng

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 14


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
CHƯƠNG 4

PHỤ LỤC

1.Sơ đồ công nghệ đầy đủ

2. Dòng nguyên liệu
Phụ lục 4.1. Thành phần dòng nguyên liệu
Name
Nhiệt độ
Áp suất
Lưu lượng
Thành phần
N2
CO2
C1
C2
C3
i-C4
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Feed 1
-950C
2275 kPa
1620 kgmole/h
Mole fraction
0.0025
0.0048
0.7041
0.1921
0.0706
0.0112

Page 15


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
n-C4
i-C5
n-C5
n-C6
n-C7
n-C8

0.0085
0.0036
0.0020
0.0003
0.0002
0.0001

3.Tháp De- methane (Reboiled Absorber)
Phụ lục 4.2. Dòng sản phẩm của tháp tách methane
DC1 Ovhd
-870C
2275
1188
Mole Fraction
0.0034
0.0063
0.9600
0.0291
0.0011

0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

Nhiệt độ
Áp suất (kPa)
Lưu lượng (kgmole/h)
N2
CO2
Methane
Ethane
Propane
i-butane
n-butane
i-pentane
n-pentane
n-hexane
n-heptane
n-octane

DC1 Btm
17.920C
2310
431.8
0.0000
0.0006

0.0000
0.6407
0.2617
0.0419
0.0318
0.0135
0.0075
0.0011
0.0008
0.0004

4. Bơm
Phụ lục 4.3. Thông số dòng vào và ra của bơm

0

Nhiệt độ ( C)
Áp suất (kPa)
Lưu lượng(kgmole/h)

P - 100
DC1 Btm
17.92
2310
431.8

5.Tháp tách ethane

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 16

DC2 Feed
18.65
2790
431.8


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Phụ lục 4.4. Dòng sản phẩm của tháp tách ethane

Nhiệt độ (0C)
Áp suất (kPa)
Lưu lượng (kgmole/h)

DC2
DC2 Dist
Ovhd
8.585
8.585
2725
2725
248.2
3.852e-6
Mole Fraction

N2
CO2
Methane
Ethane

Propane
i-butane
n-butane
i-pentane
n-pentane
n-hexane
n-heptane
n-octane

0.0000
0.0009
0.0000
0.9698
0.0292
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

DC2 Btm
87.83
2792
147.7

0.0000
0.0004
0.0000

0.9297
0.0696
0.0001
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

0.0000
0.0000
0.0000
0.0071
0.7093
0.1225
0.0931
0.0395
0.0219
0.0033
0.0022
0.0011

6.Van
Phụ lục 4.5. Thông số dòng ra và vào van

0

Nhiệt độ ( C)
Áp suất (kPa)

Lưu lượng(kgmole/h)

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

VLV - 100
DC2 Btm
87.83
2792
147.7

Page 17

DC3 Feed
63.89
1690
147.7


Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
7.Tháp De- propane ( Distillation Column)
Phụ lục 4.6. Dòng sản phẩm của tháp tách propane
0

Nhiệt độ ( C)
Áp suất (kPa)
Lưu lượng (kgmole/h)
N2
CO2
Methane
Ethane

Propane
i-butane
n-butane
i-pentane
n-pentane
n-hexane
n-heptane
n-octane

DC3 Dist
45.83
1585
106.6
Mole Fraction
0.0000
0.0000
0.0000
0.0098
0.9752
0.0138
0.0012
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000

DC3 Btm
105.5
1685

41.1
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0200
0.4042
0.3315
0.1419
0.0788
0.0118
0.0079
0.0039

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Thị Minh Hiền. Công nghệ chế biến khí tự nhiên và khí đồng hành
[2].Ths.Đoàn Văn Huấn.Bài giảng tin ứng dụng
[3]GS.TSKH. Nguyễn Bin. Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và
thưc phẩm, tập 4

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 18


Bài tập lớn mơn Tin ứng dụng
[4]. HYSYS® 2004.2 Tutorials and Applications © 1981-2005 by Aspen
Technology, Inc. All rights reserved. (File hướng dẫn sử dụng trong phần mềm
aspen hysys)

GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn

Page 19