Mô phỏng nhà máy LNG bằng phần mềm hysys

Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

BÀI TẬP LỚN MÔN CHẾ BIẾN DẦU VÀ KHÍ
PHẦN KHÍ
BÁO CÁO KẾT QUẢ

Hình 1. Sơ đồ công nghệ làm ngọt khí sử dụng tác nhân DEA

Hình 2. Sơ đồ công nghệ sản xuất LNG
SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 1


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Bài mô phỏng đã giải quyết được :




Dùng công cụ Template tạo case làm ngọt khí để xử lý khí chua (CO2, H2S),
qua đó thông thạo cách xây dựng và sử dụng công cụ Template.Giúp ích cho
việc mô phỏng một nhà máy phức tạp sau này.
Xây dựng sơ đồ LNG có:

 4 máy nén
 2 expander
 6 thiết bị làm mát
 1 thiết bị trao đổi nhiệt nhiều dòng LNG.

Thuyết minh sơ đồ:







Dòng khí chua được làm ngọt bằng tháp hấp thụ sử dụng tác nhân DEA. Khí
ngọt đi ra trao đổi nhiệt làm lạnh sâu, hóa lỏng thành .Dòng giàu DEA đi ra
từ đáy được đưa qua tháp chưng, chưng tách DEA hồi lưu lại tháp hấp thụ.
Hỗn hợp khí ngọt được làm mát sơ bộ xuống 50oF, sau đó được làm lạnh sâu
xuống -40oF,trước khí hóa lỏng.
Tác nhân sử dụng là metan va nito theo 2 chu trình trao đổi nhiệt ngược
chiều.Dòng metan được nén từ 200 lên 600psi sau đó được làm mát xuống
100oF , nén tiếp lên 1200psi,làm mát xuống 90oF, qua trao đổi nhiệt sơ bộ
xuống 20oF, giãn xuống 55psi, nhiệt độ dòng metan giảm xuống -199oF. Qua
trao đổi nhiệt 1 lần nữa, và làm lạnh sâu dòng khí LNG. Tương tự với nito,
khí cũng đc nén-làm mát-nén-làm mát- qua trao đổi nhiệt.Sau quá trình giãn
xuống 200 psi, nhiệt độ dòng nito đạt được là -260oF.
Dòng LNG sau khi trao đổi nhiệt với 2 tác nhân lạnh trên hóa lỏng hoàn
toàn và nhiệt độ thu được là -253,4oF.

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 2


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

BÀI TẬP 1: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG HÀM LƯỢNG CO2,H2S đến công
đoạn làm ngọt khí sử dụng dung môi DEA:
Trong hỗn hợp khí tự nhiên hoặc khí đồng hành khai thác từ một mỏ khí bất kì,
việc có lẫn những khí chua ( khí acid) như CO2, H2S là không thể tránh khỏi. Việc
có mặt những hỗn hợp khí này lợi bất cập hại, vì chúng gây cản trở trong việc vận
hành và chế biến khí trong những giai đoạn sau :
•
•
•
•
•

Gây ăn mòn thiết bị,vận chuyển từ giàn về dễ gây lắng đọng parafin trên
đường ống.
Ngộ độc xúc tác trong quá trình chế biến.
Độc hại với sức khỏe con người, gây ô nhiễm môi trường.
Làm giảm nhiệt trị của hỗn hợp khí.
Không đảm bảo tiêu chuẩn về các chỉ tiêu kỹ thuật của khí thương phẩm.

Vì vậy vấn đề làm ngọt khí được đề cập ở bài tập này là hết sức cấp thiết. Và tác
nhân chúng ta sử dụng để làm điều này là : Diethanolamine( DEA ).Có công thức
là C4H11NO2.Nồng độ dung dịch DEA ta sử dụng phụ thuộc vào lượng khí chua

trong khí và mức độ bão hòa khí chua trong dung dịch. Trong bài ta sử dụng nồng
độ 28% khối lượng DEA, do đó xử lý được cả H2S và CO2. Ưu nhược điểm của
việc sử dụng DEA:
Ưu điểm:
•
•
•
•
•
•

Cho phép ta làm sạch đến mức khá tinh khiết H2S và CO2 với sự có mặt của
COS, CS2.
Dung dịch DEA bền hóa học, dễ hoàn nguyên bằng phương pháp chưng cất.
Áp suất hơi bão hòa thấp nên mất mát thấp.
Công nghệ và thiết kế đơn giản.
Tiến hành ở nhiệt độ cao hơn các dung môi khác từ 5-10oC.
Khả năng tạo bọt thấp với dòng khí có thành phần hydrocacbon nặng cao.

Nhược điểm:
SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 3


Bài tập lớn

•
•
•

•

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Khả năng hấp thụ của dung môi thấp.
Chi phí riêng chất hấp thụ và chi phí sản xuất cao.
Có sự tương tác với CO2 tạo thành hỗn hợp không hoàn nguyên được.
Khả năng làm sạch với mercaptan và lưu huỳnh hữu cơ thấp.

Để nghiên cứu được ảnh hưởng của hàm lượng CO2,H2S đến công đoạn làm
ngọt khí , ta thiết lập case study tương quan mối quan hệ của hàm lượng H2S,
CO2 với lượng DEA dùng để làm ngọt:

Hình 3. Mối quan hệ giữa hàm lượng CO2,H2S đến công đoạn làm ngọt khí

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 4


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Khi ta tăng dần lượng DEA hấp thụ từ 2000 lbmole/h lên 4800 lbmol/h thì xu
hướng khí chua xử lý được khá là trái ngược nhau đối với từng loại. Cụ thể :



Lượng CO2 trong dòng Sweet Gas giảm từ 1,9e-4 xuống 7e-5 và giảm gần
10 lần.
Trong khi đó lượng H2S tăng lên nhưng tăng khồng đáng kể từ 6e-7 lên
6,12e-7.

Trong thực thì hỗn hợp khí chua thường có hàm lượng CO2 lớn hơn H2S, việc xử lý
hàm lượng H2S gần như không đổi khi tăng lượng dung dịch hấp thụ DEA , lại đặt
ra một yêu cầu là tính toán lượng DEA hợp lý để xử lí triệt để CO2 song hành với
việc lượng H2S xử lí được là tối đa. Chẳng hạn với bài toán trên của chúng ta có
thể tính lượng DEA cần dùng vào khoảng 3200lbmole/h là hợp lý.

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 5


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

BÀI TẬP 2 : TẠI SAO PHẢI DÙNG TÁC NHÂN LẠNH LÀ NITO VÀ
METAN? CÓ THỂ THAY THẾ TÁC NHÂN LẠNH KHÁC ĐƯỢC
KHÔNG? TẠI SAO?
Tác nhân làm lạnh trong bài được sử dụng là metan và nito với nhiệt độ dùng để
hóa lỏng LNG lần lượt là -199oF và -260oF. Dùng 2 tác nhân này là vì :









Nito và metan có khả năng làm lạnh rất sâu, Nito có nhiệt độ tới hạn rất thấp
126oK, gần như thấp nhất trong các khí chỉ sau H2. Metan cũng vậy, nhiệt độ
tới hạn của metan cũng rất thấp 191oK, thấp hơn nhiều so với các
hydrocacbon khác như metan 305oK,propan 370oK. Nhiệt độ tới hạn thấp
như vậy ta có thể hạ nhiệt độ xuông thấp rồi nén- làm lạnh-nén-giãn mà
không sợ chúng hóa lỏng , rồi đem đi trao đổi nhiệt, khí này có nhiệt độ rất
thấp, thấp rõ rệt với khi sử dụng các khí khác.Mặt khác có thể điều chỉnh
nồng độ N2 để điều chỉnh nhiệt độ quá trình làm lạnh LNG khá linh hoạt.
Hai khí này khi giãn nở ở áp suất thấp thì nhiệt độ hạ sâu hơn các tác nhân
lạnh khác như : etan,propan.
Thiết bị sử dụng sẽ đơn giản hơn và số lượng thiết bị cũng ít hơn.
Trên lý thuyết khi làm lạnh thì hỗn hợp khí giảm nhiệt độ đến 1 lúc nào đó
hỗn hợp khí bắt đầu ngưng tụ tương ứng với áp suất riêng phần trong hỗn
hợp khí là lớn nhất, cấu tử có nhiệt độ ngưng tụ lớn nhất sẽ ngưng tụ đầu
tiên.Mà trong hỗn hợp của ta gồm chủ yếu metan ( >93%) nên để ngưng tụ
được hỗn hợp này, tác nhân lạnh phải làm lạnh hỗn hợp được xuống ít nhất
là -140oC. Điều này Nito và Metan đáp ứng được.
Nito rất rẻ và sẵn có nhiều trong không khí, Methane có thể lấy trực tiếp từ
nguồn khí tự nhiên để làm tác nhân lạnh, vì không cần tác nhân lạnh phải
tinh khiết tuyệt đối.

Có thể thay thế tác nhân khác được không? Câu trả lời là được nếu tác nhân đó
đáp ứng được yêu cầu :






Làm lạnh hóa lỏng được LNG đến nhiệt độ yêu cầu.
Có thể chế tạo được,rẻ an toàn .
Không ảnh hưởng đến máy nén, đường ông.
Sơ đồ công nghệ càng tối giản càng tốt.

Ta sẽ xét các tác nhân sau :
SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 6


Bài tập lớn









GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Etan ( Đã có key chi tiết gửi thầy): Khi thay thế metan bằng etan ta thấy :
Trải qua các quá trình nén và làm lạnh, etan qua LNG Exchanger có nhiệt độ
20oC , 995psi, đã hóa lỏng nên không thể qua Expander K-101 để giãn

xuống 55psi, để giảm nhiệt độ sâu cho quá trình làm lạnh LNG.
Propan: Đã hóa lỏng ngay ở điều kiện ban đầu : 77oF, áp suất 300 psi do đó
không thể qua các quá trình nén –làm lạnh-trao đổi nhiệt-giãn- trao đổi nhiệt
ở sau. Tương tự với C4.
Để sử dụng được tác nhân C2,C3 thì phải sử dụng công nghệ khác như chu
trình giãn nở song song 3 tác nhân lạnh chẳng hạn.
Về lý thuyết có thể sử dụng oxi, do có thể làm lạnh sâu -180oC, nhưng oxi sẽ
cháy nổ khi qua máy nén, nên không thể sử dụng tác nhân này.
Có thể giữ nguyên metan ở trên và thay thể nito ở dưới bằng metan nữa,
nhưng hiệu quả làm lạnh sẽ không bằng.

BÀI TẬP 3 : XÁC ĐỊNH CÂN BẰNG PHA, HỆ SỐ NÉN, KHỐI LƯỢNG
RIÊNG CỦA HỖN HỢP KHÍ TRƯỚC VÀ SAU KHI LÀM NGỌT CÓ GÌ
KHÁC NHAU? TẠI SAO?
SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 7


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Hình 4. Giản đồ pha dòng Sour Gas

Hình 5. Giản đồ pha dòng Sweet Gas
Để xem được khối lượng riêng ta Click hai phát vào dòng, chọn Properties, đưa
mắt sang cột Mass Density [kg/m3], từ đó xác định được :

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 8


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Tên dòng
Sour Gas
Sweet Gas
3
Khối lượng riếng (kg/m )
63,84
54,46
Bảng 1. Khối lượng riêng của dòng Sour Gas và Sweet Gas
TÍNH HỆ SỐ CHỊU NÉN Z:
Từ công thức tính tỉ trọng khí thực của khí ở nhiệt độ T và áp suất P

Trong đó :

M: là khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp khí
P là áp suất hệ (MPa)
R: là hằng số khí, R=0,00831
T: Nhiệt độ của hệ (K)
z: Hệ số chịu nén của hỗn hợp khí

Ta có thể sử dụng phần mềm hysys để tìm khối lượng phân tử trung bình của hỗn

hợp khí bằng cách click 2 phát vào dòng sau đó chọn Properties, đưa mắt sang cột
Molecular Weight .
Khi biết khối lượng riêng ta tính ngược về thu được z .Thay số và tính toán thu
được bảng :
Tên dòng
M
P (MPa)
T (K)
R
Khối lượng riêng
z

Sour Gas
18,87
6,895
298
0,00831
63,84
0,823
Bảng 2. Tính toán z cho hai dòng

Sweet Gas
17,52
6,85
308,3
0,00831
54,46
0,860

Nhận xét : Có ba vấn đề ta quan tâm đó là giản đồ pha, hệ số nén , khối lượng

riêng, thì kết quả thu được cho hỗn khí trước và sau khi làm ngọt đều rất
SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 9


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

khác nhau. Điều đó phản ảnh sự ảnh hưởng của CO2, H2S rất lớn đến hỗn
hợp khí của chúng ta.






Hình dáng đường bao pha trước khi làm ngọt có hình dáng dốc hơn, trong
giống 1 parabol hơn so với sau khi đã làm ngọt có hình dáng thoải hơn và
phình ra 2 bên hơn. Dòng Sour Gas do còn nước, H2S,N2, CO2 nên hình dạng
bị ảnh hưởng đáng kể. Nước có áp suất hơi thấp nên chỉ ảnh hưởng đến
đường bao pha của hỗn hợp ở nhiệt độ cao và áp suất thấp, trong trường hợp
này ảnh hưởng không nhiều. Còn CO2,H2S làm giảm điểm áp suất cực đại
tồn tại lỏng hơi của hỗn hợp, để ý sẽ thấy điểm này có giá trị 1400 psia ở
Sweet Gas và 1200 psia ở Sour Gas, còn nhiệt độ, áp suất tới hạn của dòng
Sour Gas cao hơn Sweet Gas. Ngoài ra còn ảnh hưởng đến điểm tới hạn nữa
nên dẫn tới hình dạng đường bao pha có sự khác nhau như vậy.
Do Sweet Gas đã được tách nước , CO2,H2S, nên khối lượng riêng sẽ khác so

với dòng Sour Gas. Trong tính toán khối lượng riêng hỗn hợp khí ta sẽ cần
hệ số hiệu chỉnh ƹ tùy theo hàm lượng CO2, H2S trong hỗn hợp.
Hỗn hợp SourGas có khối lượng riêng lớn hơn , khi nén dễ hóa lỏng hơn nên
có hệ số chịu nén z thấp hơn dòng Sweet Gas.

BÀI TẬP 4: XÁC ĐỊNH NHIỆT TRỊ CỦA HỖN HỢP KHÍ ?
Để Xác định nhiệt trị hỗn hợp khí ta làm như sau : Chọn dòng -> Chọn
Properties. Đối với dòng Sweet Gas ta thu được bảng sau :
Nhiệt trị cao (Mj/m3)

9,507e5

Nhiệt trị (kg/kj)

5,426e4

Nhiệt trị thấp (Mj/m3)

8,646e5

Bảng 3. Nhiệt trị của dòng Sweet Gas

BÀI TẬP 5 : TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG
CHO TOÀN BỘ QUÁ TRÌNH :
SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 10


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Để giải quyết bài toán này ta sẽ cần đến sự trợ giúp của công cụ Property Balance
Utility trong nhóm tiện ích của Hysys. Nhấn phím Ctrl +U để mở công cụ này.
Chọn Scope Objects, chọn tiếp FlowSheetWide để tiến hành cân bằng vật chất
cân bằng năng lượng cho cả quá trình

Hình 6. Tiến hành chọn cân bằng vật chất nhiệt lượng cho toàn quá trình

Hình 7. Chọn đối tượng Mole Flow

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 11


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Hình 8. Cân bằng vật chất hiển thị trong Property Balance Utility

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 12

Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Hình 9. Cân bằng năng lượng hiển thị trong Property Balance Utility

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 13


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Ta sẽ thu được kết quả cân bằng vật chất, năng lượng cuối cùng

Hình 10. Cân bằng vật chất, năng lượng cho toàn bộ công nghệ sản xuất LNG

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 14


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

Nhận xét : Cân bằng vật chất, năng lượng đều có những sai số nhất định. Cụ thể:



Cân bằng vật chất có sai số 0,06%.
Cân bằng nhiệt lượng có sai số 11,67%.

Sai sô này xuất hiện do bài này chúng ta sử dụng song hành 2 hệ nhiệt động : PergRobinson và Amine Pkg. Khi luân chuyển giữa 2 hệ nhiệt động như vậy sẽ dẫn đến
các sai khác, không đồng nhất về tính toán như Enthalpy chẳng hạn.

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 15


Bài tập lớn

GV: PGS.Lê Minh Thắng
Ths.Nguyễn Tiến Thành

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

Nguyễn Thị Minh Hiền – Công nghệ chế biến khí – Nhà xuất bản Bách

2.

Khoa Hà Nội xuất bản năm 2016.
Nguyễn Thị Minh Hiền – Mô phỏng các quá trình cơ bản trong công nghệ

hóa học – Nhà xuất bản Bách Khoa Hà Nội xuất bản năm 2016.

SVTH:Văn Tuyển-K57

Page 16