Nghiên cứu khả năng ngập lụt tháp c 05 của nhà máy chế biến khí dinh cố nhằm tìm ra giải pháp nâng cao công suất thu hồi lỏng của nhà máy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
oOo

NGÔ XUÂN HƯNG

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG NGẬP LỤT THÁP C-05
CỦA NHÀ MÁY CHẾ BIẾN KHÍ DINH CỐ
NHẰM TÌM RA GIẢI PHÁP NÂNG CAO CÔNG
SUẤT THU HỒI LỎNG CỦA NHÀ MÁY

CHUYÊN NGÀNH:

CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

MÃ SỐ NGÀNH :

02.10.00

LUẬN VĂN THẠC SĨ

-

TP. HỒ CHÍ MINH , THÁNG 11 NĂM 2005 –


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Phan Ðình Tuấn

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS VÕ THỊ NGỌC TƯƠI

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS THÁI NGUYỄN HUY CHÍ

Luận văn Thạc só này được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc
sỹ, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh,
ngày…. tháng …. năm 2006.


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH





Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

năm 2005

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

NGÔ XUÂN HƯNG

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

18/08/1972

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành:

Công nghệ Hóa học

MSHV: 00503119

I.

TÊN ĐỀ TÀI
Nghiên cứu khả năn g ngập lụt tháp C-05 của nhà máy chế biến khí Dinh Cố
nhằm tìm ra giải pháp nâng cao công suất thu hồi lỏng của nhà máy.

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Xây dựng mô hình tháp C-05 và các thiết bị chủ yếu của nhà máy chế biến
khí Dinh cố bằng phần mềm Hysys.
2. Thiết lập phương trình tính toán ngập lụt tháp C-05 của nhà máy chế biến
khí Dinh cố.
3. Khảo sát khả năng ngập lụt tháp C-05 và đề xuất giải pháp nhằm tăng thu
hồi sản phẩm lỏng của nhà máy.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

18/04/2005

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

30/11/2005 (gia hạn 2 tháng)

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS PHAN ĐÌNH TUẤN

CHỦ NHIỆM NGÀNH

BỘ MÔN QUẢN LÝ NGÀNH

TS PHAN ĐÌNH TUẤN
Nội dung và đề cương luận văn Thạc só đã được Hội đồng chuyên ngành thông
qua.
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Ngày
tháng
năm 2005
KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành đề tài này, tôi xin chân thành cám ơn TS Phan Đình
Tuấn – Khoa Công nghệ Hóa học & Dầu khí - Trường Đại học
Bách khoa, Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh, đã trực tiếp định
hướng và tận tình hướng dẫn tôi thực hiện đề tài; tôi xin chân
thành cám ơn các thầy cô giáo Khoa Công nghệ Hóa học Trường Đại học Bách khoa, Đại học quốc gia TP Hồ Chí Minh
đã luôn nhiệt tình hổ trợ khi tôi gặp khó khăn; tôi xin chân
thành cám ơn nhà máy chế biến khí Dinh cố đã tạo điều kiện
cho tôi tra cứu tài liệu, trực tiếp nghiên cứu tại nhà máy và đã
đóng góp nhiều ý kiến quý báu; tôi cũng xin cám ơn các bạn
đồng nghiệp đã hết lòng giúp đỡ, tư vấn những kiến thức chuyên
môn trong quá trình thực hiện đề tài.
TP. HCM, ngày 24 tháng11 năm 2005
Tác giả


TĨM TẮT
Mơ hình nhà máy chế biến khí Dinh Cố, bao gồm tháp C-05 và một số thiết bị liên

quan, ðã ðýợc xây dựng bằng phần mềm Hysys ðể khai thác các dữ liệu trên từng

mâm nhằm phục vụ mục ðích tính tốn mức ðộ ngập lụt tháp. Các phýõng trình tính
tốn mức ðộ ngập lụt tháp C-05 do cuốn theo và do ngập ống chảy chuyền của tháp

C-05 ðã ðýợc thiết lập ðể phục vụ mục ðích khảo sát. Kết quả khảo sát cho thấy
mâm thứ nhất ðang hoạt ðộng trên giới hạn an toàn ngập lụt do cuốn theo và hầu hết
các mâm ðều hoạt ðộng trên giới hạn an toàn ngập lụt do ngập ống chảy chuyền;

tãng tỷ lệ dòng qua van JT-01/CE-01 sẽ làm trầm trọng hõn tình trạng ngập tháp do

cuốn theo tại mâm thứ nhất; tãng lýu lýợng nguyên liệu sẽ làm tãng nhanh mức

ngập lụt tháp. Ðể tãng công suất thu hồi sản phẩm lỏng, tháp C-05 hiện nay nên

ðýợc thay bằng một tháp mới sử dụng mâm van venturi với ðýờng kính tại mâm thứ
nhất ðýợc mở rộng hõn.

ABSTRACT
A model of Dinh Co Gas Processing Plant including C-05 column and associated
equipment is built on Hysys software to produce tray data which are used to
calculate the column flooding. A set of flooding equation is developed for C-05
column flooding prediction. The investigation points out that the first tray is
working above safety margin of entraiment flooding and almost trays are working
above safety margin of downcomer flooding; increasing the flow ratio to JT-01
valve and to CE-01 turboexpander will increase entraiment flooding at tray 1;
increasing feed gas flowrate will make downcomer flooding more serious rapidly.
To increase liquid recovery improvement, it’s suggested that the C-05 column
should be replaced with a new column which is designed with ventury valve tray
and diameter at tray 1 enlarged.


1

MỤC LỤC
Chýõng 1 : Giới thiệu chung
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.

Mô tả công nghệ nhà máy chế biến khí Dinh Cố

Tãng khả nãng thu hồi sản phẩm lỏng của nhà máy
Tháp C-05 và các nghiên cứu ðã thực hiện
Mục tiêu của ðề tài

Ý nghĩa khoa học và thực tiển của ðề tài

Chýõng 2 Cõ sở lựa chọn phýõng pháp tính tốn của Hysys
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.

Phýõng trình trạng thái

Một số tính chất vật lý của hổn hợp hydrocarbon nhẹ
Một số tính chất nhiệt ðộng học
Q trình giản nở khí

Q trình nén khí

Q trình trao ðổi nhiệt
Q trình chýng luyện

Chýõng 3: Ðộng lực học lýu chất trong tháp mâm van
3.1.

Một số khái niệm

4
4
6
7
8
9
11
11
13
16
18
18
19
20
22
22

3.1.1.

Các khái niệm về diện tích

22

3.1.2.

Tải trọng pha hõi

23

3.1.3.

Tải trọng pha lỏng của mâm

23

3.1.4.

Tải trọng pha lỏng của ống chảy chuyền

24

3.2.
3.3.
3.3.1.
3.3.2.

Vùng hoạt ðộng ổn ðịnh của tháp

Ngập tháp do chất lỏng cuốn theo

Cõ chế của ngập tháp do cuốn theo

Các yếu tố vận hành và thiết kế ảnh hýởng ðến ngập tháp do

24
25
25
26

cuốn theo
3.3.3.

Phýõng trình tính toán ngập tháp do cuốn theo

27


2

3.4.
3.4.1.
3.4.2.

Ngập tháp do ngập ống chảy chuyền

Cõ chế ngập tháp do ngập ống chảy chuyền

29
29

Các yếu tố vận hành và thiết kế ảnh hýởng ngập tháp do ngập

31

Phýõng trình tính toán ngập lụt do ngập ống chảy chuyền

31

ống chảy chuyền
3.4.3.

3.4.3.1. Chênh lệch chiều cao chất lỏng ngang qua mâm
3.4.3.2. Chiều cao chất lỏng dâng lên trên tấm ngãn

3.4.3.3. Tổn thất áp suất khi chất lỏng chảy qua ống chảy chuyền

3.4.3.4. Tổng giảm áp qua mâm
3.4.3.4.1. Giảm áp qua mâm khô

3.4.3.4.2. Giảm áp qua lớp chất lỏng trên mâm

Chýõng 4 Xây dựng phýõng trình tính tốn ngập lụt tháp C-05
4.1.
4.2.
4.3.

Các thơng số thiết kế tháp C-05

Phýõng trình tính tốn ngập tháp do cuốn theo

Mơ hình tốn học ngập tháp do ngập ống chảy chuyền

Chýõng 5: Xây dựng mơ hình nhà máy Dinh Cố bằng phần mềm Hysys
5.1.
5.2.
5.2.1.

Phạm vi mô phỏng

Xây dựng các module chính
Tính chất của các lýu chất

33
33
33
34
34
37
40
40
40
42
45
45
47
47

5.2.2.

Module thiết bị trao ðổi nhiệt E-14

47

5.2.3.

Module van giản nở JT-01

47

5.2.4.

Module thiết bị giản nở turbo CE-01

48

5.2.5.

Module máy nén khí CC-01

48

5.2.6.
5.3.
5.3.1.
5.3.2.
5.3.3.

Module tháp chýng luyện C-05

Kiểm tra tính týõng thích của mơ hình
Kết quả thu thập từ nhà máy
Kết quả chạy từ mơ hình

So sánh và kết luận tính týõng thích

5.3.3.1. So sánh lýu lýợng sản phẩm khí

49

49
49
51
52
52


3

5.3.3.2. So sánh lýu lýợng sản phẩm lỏng

52

5.3.3.3. So sánh thành phần mol của sản phẩm khí

52

5.3.3.4. Nhận xét

53

Chýõng 6: Khảo sát khả nãng ngập lụt tháp C-05
6.1.
6.2.
6.2.1.

Vùng hoạt ðộng ổn ðịnh của tháp C-05
Ngập tháp do chất lỏng cuốn theo

Khảo sát theo tỷ lệ dòng qua JT-01/qua CE-01

6.2.1.1. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 1

54
54
55
55
55

6.2.1.2. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 4

57

6.2.2.

59

Khảo sát theo công suất nhà máy

6.2.2.1. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 1

59

6.2.2.2. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 4

61

6.3.

63

6.3.1.

Ngập tháp do ngập ống chảy chuyền

Khảo sát theo tỷ lệ dòng qua JT-01/qua CE-01

6.3.1.1. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 1

63
63

6.3.1.2. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 4

65

6.3.2.

65

Khảt sát theo công suất nhà máy

6.3.2.1. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 1

65

6.3.2.2. Khảo sát với dữ liệu ðầu vào trýờng hợp 4

68

6.4.

70

6.4.1.
6.4.2.

Ðề xuất giải pháp khắc phục

Trýờng hợp tãng tỷ lệ R ðến 40/60

Trýờng hợp tãng công suất ðến 245.000 m3/giờ

Kết luận
Phụ lục 1: Sõ ðồ nhà máy chế biến khí Dinh cố và cấu tạo tháp C-05
Phụ lục 2: Số liệu ðo tại nhà máy

Phụ lục 3: Số liệu kiểm tra mơ hình

Phụ lục 4: So sánh kết quả tính tốn của mơ hình và nhà máy

Phụ lục 5: Số liệu khảo sát bằng mơ hình
Tài liệu tham khảo

70
74
76


4

Chýõng 1

GIỚI THIỆU CHUNG

Mô tả công nghệ nhà máy chế biến khí Dinh Cố

1.1.

Nhà máy chế biến khí Dinh Cố là nhà máy chế biến khí duy nhất của Việt nam

hiện nay, cung cấp ½ nhu cầu khí hóa lỏng (LPG) của cả nýớc. Nhà máy có sõ ðồ
cơng nghệ nhý hình 1.1. của Phụ lục 1.

Nguồn ngun liệu khí ðồng hành ðýợc lấy từ vùng mỏ Bạch hổ. Ðây là dịng

khí có lẫn pha lỏng ở dạng hạt nhỏ, vì vậy ngay từ ðầu vào của nhà máy, phần chất
lỏng tự do ðýợc tách ra trong thiết bị Slug Catcher, phần lỏng này chủ yếu là sản
phẩm condensate và sẽ ðýợc nhập chung vào các sản phẩm lỏng ở giai ðọan sau.

Sau khi tách sản phẩm lỏng tự do, dịng khí ngun liệu tiếp tục ðýợc làm khơ

(dehydrate) ðể ðảm bảo không tạo thành hợp chất hydrate khi nhiệt ðộ của dịng
cơng nghệ giảm xuống q thấp. Ở chế ðộ họat ðộng thơng thýờng, ðiểm sýõng hõi
nýớc của dịng khí ðạt ðến -75oC. Ðể ðõn giản hóa sõ ðồ cơng nghệ, sõ ðồ ở hình

1.1 của Phụ lục 1 không bao gồm các thiết bị Slug Catcher và thiết bị hấp phụ hõi
nýớc.
Ngun liệu khí sau khi làm khơ ðýợc chia thành 2 dòng: dòng thứ nhất chiếm

34% lýu lýợng, và dòng thứ hai chiếm 66% lýu lýợng. Dòng thứ nhất sau khi trao

ðổi nhiệt với dòng ðỉnh của tháp C-05 tại thiết bị trao ðổi nhiệt E-14 sẽ giản nở qua
van JT-01 ðể giảm nhiệt ðộ và hóa lỏng một phần khí, hổn hợp lỏng/khí này ði vào

mâm thứ nhất của tháp C-05 (ở ðỉnh). Nhiệt ðộ của dịng khí sau khi giản nở qua
van là khoảng -60 oC. Dòng thứ hai giảm áp qua thiết bị giản nở turbo CE-01 ðể


5

giảm nhiệt ðộ, cung cấp công cho máy nén và bản thân dịng khí sẽ hóa lỏng một

phần, hổn hợp lỏng/khí này ði vào phần ðáy của tháp C-05. Nhiệt ðộ của dịng khí

sau khi giản nở qua thiết bị giản nở là khoảng -10 oC. Dịng khí trên ðỉnh của tháp C-

05 sẽ trao ðổi nhiệt với dòng thứ nhất tại thiết bị trao ðổi nhiệt E-14 và sau ðó ðýợc
nén trở lại trýớc khi ðến nhà máy ðiện.

Tháp C-05 hoạt ðộng nhý là một tháp luyện, trong ðó dòng hõi từ ðáy tháp ði

lên sẽ cung cấp nãng lýợng ðể làm bay hõi các cấu tử nhẹ (C2-) trong dòng lỏng ði

từ ðỉnh xuống, còn bản thân các cấu tử nặng (C3+) trong dòng hõi ði lên sẽ ngýng tụ

và ði ngýợc trở lại ðáy. Sau khi ði qua tháp C-05, các cấu tử C3+ trong dịng khí sẽ
ðýợc thu hồi triệt ðể hõn và dòng sản phẩm lỏng cũng ðýợc ổn ðịnh hõn (ít thành

phần nhẹ).

Dịng sản phẩm lỏng sau khi ði ra khỏi tháp C-05 sẽ ðýợc làm ổn ðịnh hõn nửa

trong tháp C-01, mục ðích của tháp này là ðuổi C2- trong sản phẩm lỏng cho ðến khi

sản phẩm lỏng ðạt tiêu chuẩn về áp suất hõi. Sản phẩm ðáy của tháp C-01 là hổn
hợp condensate và khí hóa lỏng.
Hổn hợp condensate và khí hóa lỏng ðýợc phân ðoạn tiếp trong tháp C-02. Sản

phẩm ðỉnh của tháp C-02 là khí hóa lỏng và sản phẩm ðáy là condensate. Dòng sản

phẩm condensate sau khi ra khỏi tháp C-02 ðýợc ðýa ðến bồn chứa sản phẩm. Dòng
sản phẩm khí hóa lỏng có thể ðýợc ðýa trực tiếp ra thị trýờng hoặc ðýợc phân ðoạn

tiếp thành propan và butan trýớc khi ðýa ra thị trýờng.

Tùy theo nhu cầu thị trýờng, sản phẩm khí hóa lỏng ðýợc phân ðoạn tiếp trong

tháp C-03, sản phẩm ðỉnh của tháp C-03 là propan (pha lỏng) và sản phẩm ðáy là

butan. Mục ðích phân ðoạn sản phẩm khí hóa lỏng thành propan và butan là nhằm

ðáp ứng nhu cầu của các công ty kinh doanh. Các công ty sẽ pha trộn propan/butan

theo tỷ lệ riêng của mình.


6

Nhà máy chế biến khí Dinh cố ðýợc thiết kế, xây dựng, lắp ðặt và ðýa vào vận

hành từ nãm 1997 với công suất thiết kế là 4,7 triệu m3 khí/ngày (khoảng 195.000

m 3/giờ). Hiện nay, với sự phát triển của khai thác dầu khí trong vùng mỏ Bạch hổ,
lýu lýợng khí vào bờ lên ðến 6,5 triệu m 3/ngày (khoảng 270.000 m 3/giờ). Do lýợng
khí dý rất nhiều, nhà máy ðã nâng dần công suất lên tới 5,67 triệu m3/ngày (týõng

ðýõng 240.000 m3/giờ). Lýợng khí dý cịn lại ði thẳng ðến nhà máy ðiện mà không
qua thu hồi sản phẩm lỏng. Sản phẩm của nhà máy hiện nay nhý sau:
- Sản phẩm khí khơ khoảng 210.000 m 3/giờ
- Sản phẩm LPG khoảng 1080 tấn/ngày

- Sản phẩm condensate khoảng 450 tấn/ngày
Tãng khả nãng thu hồi sản phẩm lỏng của nhà máy

1.2.

Qua thực tiển vận hành nhà máy nhận thấy:
-

Khi tãng lýu lýợng dòng thứ nhất từ 34% ðến 40%, lýợng sản phẩm sẽ

tãng (khoảng 40 tấn/ngày) nhýng chất lỏng cũng xuất hiện trên mâm xu-páp của
tháp C-05, gây ngừng hoạt ðộng nhà máy (cấu tạo tháp C-05 sẽ ðýợc trình bày trong
phần 1.3 của chýõng này).
-

Khi tãng công suất nguyên liệu của nhà máy lên khoảng 245.000 m 3/giờ

(tãng thêm khoảng 5.000 m 3/giờ) thì sản phẩm lỏng cũng tãng khoảng 25 tấn/ngày,

tuy nhiên chất lỏng cũng xuất hiện trên mâm xu-páp và gây ra ngừng họat ðộng nhà
máy nhý ðối với trýờng hợp trên.

Từ thực tế trên, một nhu cầu ðặt ra là nghiên cứu xác ðịnh lý do làm tãng chất

lỏng cuốn theo và ðề xuất giải pháp khắc phục nhằm mục ðích tãng cơng suất nhà

máy lên 245.000 m 3/giờ hoặc ðể có thể vận hành với dịng thứ nhất chiếm 40% mà
khơng phải thay ðổi nhiều về thiết kế toàn bộ nhà máy. Nếu giải quyết ðýợc vấn ðề


7

này, nhà máy có thể sản xuất thêm 25 – 40 tấn sản phẩm lỏng mỗi ngày, làm lợi
hàng chục tỷ ðồng mỗi nãm.
1.3.

Tháp C-05 và các nghiên cứu ðã thực hiện
Nhý trình bày ở trên, tháp C-05 hoạt ðộng nhý là một tháp luyện, nhằm thu

hồi triển ðể các cấu tử C3+ trong dòng hõi ði lên từ ðáy tháp và giảm hàm lýợng các
cấu tử nhẹ C2- trong dịng lỏng từ ðỉnh tháp ði xuống.

Tháp C-05 có 12 mâm van (loại lổ phẳng), ðýờng kính tháp là 2140 mm,

khoảng cách các mâm là 610 mm, các ống chảy chuyền ðýợc bố trí theo kiểu 2

dịng (double pass), trên cùng có một mâm xu-páp (chimmey tray), bản vẽ tổng thể
tháp C-05 ðýợc kèm theo ở hình 1.2 của Phụ lục 1. Một số hình ảnh của mâm van

tháp C-05 ðýợc trình bày ở hình 1.5 của Phụ lục 1. Các số liệu thông số thiết kế của
tháp C-05 ðýợc cung cấp chi tiết tại bảng 1.1 của Phụ lục 1.

Mâm xu-páp ðýợc thiết kế ðể phát hiện chất lỏng cuốn theo. Khi có chất lỏng

xuất hiện trên mâm xu-páp này là bằng chứng cho biết nhiều chất lỏng cuốn theo

dịng khí, gây nguy hiểm cho máy nén. Tín hiệu chất lỏng xuất hiện trên mâm xu-

páp sẽ ngừng hoạt ðộng máy nén, và kéo theo là ngừng hoạt ðộng nhà máy. Hình
1.3 của Phụ lục 1 minh họa cấu tạo phần ðỉnh của tháp C-05.

Nãm 2002, nhà máy ðã thuê chuyên gia tý vấn nghiên cứu ðể khắc phục vấn

ðề này. Các chuyên gia ðã vận hành nhà máy với công suất 245.000 m3/giờ bằng
cách cho bộ ðiều khiển ngừng hoạt ðộng máy nén họat ðộng ở chế ðộ tắt (bypass),

kết quả cho thấy các thiết bị khác của nhà máy hồn tồn ðáp ứng ðýợc với cơng

suất này, chỉ có duy nhất mức chất lỏng trên mâm xu-páp của tháp C-05 tãng cao,
gây nguy hiểm cho máy nén khí. Nhà máy cũng ðã ðýợc vận hành với lýu lýợng

dòng thứ nhất chiếm 40%, các kết luận cũng týõng tự nhý ðối với trýờng hợp công


8

suất 245.000 m3/giờ. Qua thực tiển vận hành và kết quả kiểm tra này, nhà máy ðã
xác ðịnh ðýợc tháp C-05 là ðiểm yếu nhất quyết ðịnh ðến công suất của nhà máy,

các thiết bị còn lại ðáp ứng ðýợc ðiều kiện vận hành khi nâng công suất lên 245.000
m 3/giờ hoặc khi tãng tỷ lệ dòng thứ nhất lên 40%.

Theo thiết kế ban ðầu, bộ phận phân phối nguyên liệu ở ðỉnh tháp C-05 có

dạng nửa ống (opened pipe). Các chuyên gia cho rằng bộ phận phân phối dòng
nguyên liệu này không phù hợp, làm tãng mức ðộ cuốn theo của dòng hõi. Bộ phận
phân phối ðã ðýợc sửa chữa, nhýng tình trạng vẫn chýa ðýợc giải quyết.
Mục tiêu của ðề tài

1.4.

Với hiện týợng quan sát ðýợc, chúng tôi ðặt nghi vấn rằng nguyên nhân của

hạn chế trên là do hiện týợng ngập lụt tháp. Ðề tài này sẽ nghiên cứu khả nãng ngập
lụt của tháp C-05 nhằm giải ðáp câu hỏi ðýợc ðặt ra ở trên.

Nghiên cứu sự ngập lụt của một tháp ðang họat ðộng trong nhà máy thực sự

gặp nhiều khó khãn do khơng thể thí nghiệm trực tiếp trên thiết bị ðang hoạt ðộng.
Ngoài ra, các thiết bị ðo ðýợc gắn trên tháp có thể không phù hợp với các mục tiêu

lấy số liệu nghiên cứu, ví dụ nhý ðo lýu lýợng dịng pha hõi, dịng pha khí ðang
chuyển ðộng trong tháp,…

Với vấn ðề ðýợc ðặt ra ở trên cùng với khó khãn trong việc nghiên cứu trực

tiếp trên thiết bị, trong ðề tài này chúng tôi ðýa ra mục tiêu và phýõng án giải quyết
nhý sau:

-

Mục tiêu của ðề tài:

+ Nghiên cứu khả nãng ngập lụt của tháp C-05 khi tãng lýu lýợng dòng thứ

nhất ðến 40% và khi tãng lýu lýợng của nhà máy ðến 245.000 m3/giờ;


9

+ Ðề xuất giải pháp ðể có thể nâng lýu lýợng dịng thứ nhất ðến 40% hoặc

nâng cơng suất nhà máy lên 245.000 m3/giờ nhằm tãng ðýợc sản lýợng sản phẩm
lỏng;

+ Thừa kế kết quả nghiên cứu của các chuyên gia vào nãm 2002, theo ðó

các thiết bị của nhà máy (ngoại trừ tháp C-05) hoàn toàn ðáp ứng ðýợc ðiều kiện
vận hành khi tãng lýu lýợng dòng thứ nhất ðến 40% hoặc tãng công suất ðến
245.000 m3/giờ.

-

Phýõng án giải quyết nhý sau:

+ Xây dựng mơ hình tháp C-05 và các thiết bị chủ yếu bằng phần mềm

Hysys và ðánh giá mức ðộ týõng thích của mơ hình này. Mơ hình nhà máy bằng

phần mềm Hysys sẽ ðựõc sử dụng ðể tính tốn các thơng số hóa lý và vận hành của

tháp C-05, cụ thể là lýu lýợng dòng pha hõi, lýu lýợng dòng pha lỏng, tỷ trọng pha
hõi, tỷ trọng pha lỏng, sức cãng bề mặt trên từng mâm của tháp.

+ Xây dựng phýõng trình tính tốn ngập lụt cho tháp C-05 dựa trên các tài

liệu ðã ðýợc công bố và thông số thiết kế của tháp.

+ Khai thác dữ liệu từ mơ hình Hysys và áp dụng các phýõng trình tính

tốn ngập lụt của tháp C-05 ðể khảo sát khả nãng ngập lụt của tháp C-05, ðồng thời
ðề xuất phýõng án ðể khắc phục hạn chế của tháp.
Ý nghĩa khoa học và thực tiển của ðề tài

1.5.

-

Ðề tại ðýợc chọn là giải quyết vấn ðề thực tế sản xuất, kết quả của ðề tài

nghiên cứu có thể xem xét ðể áp dụng, tãng công suất thu hồi sản phẩm lỏng của
nhà máy;
-

Việc nghiên cứu vấn ðề nêu ra thông qua nghiên cứu lý thuyết, phần mềm

ứng dụng và kết hợp kiểm nghiệm với thực tế ðem lại lợi ích thực tiển cao vì thực tế

10

sản xuất không cho phép ngừng nhà máy ðể nghiên cứu, việc ðo các thông số trong
thực tế sản xuất cũng rất khó khãn, thậm chí khơng thể thực hiện ðýợc.
-

Việc áp dụng công nghệ thông tin trong việc giải quyết các vấn ðề của thực

tiển ðang phát triển rất mạnh. Sự thành công ðề tài này sẽ giúp cho việc áp dụng
rộng rải hõn công nghệ thông tin trong phán ðốn, xử lý các tình huống tại các nhà
máy hóa chất, ðặc biệt tại các nhà máy hóa dầu và chế biến khí.


11

Chýõng 2

CÕ SỞ LỰA CHỌN

PHÝÕNG PHÁP TÍNH TỐN CỦA HYSYS

Ðề tài này sử dụng phần mềm HYSYS ðề lập mô hình mơ phỏng nhà máy.

HYSYS xây dựng mơ hình nhà máy bằng cách xây dựng từng module các thiết bị,

các module này ðýợc nối với nhau theo sõ ðồ công nghệ của nhà máy. Các module
sẽ tính tốn ra kết quả sau khi ðýợc nhập ðầy ðủ các thông số thiết kế của thiết bị,
lựa chọn các phýõng pháp tính tốn. Vì vậy ðề tài khơng ði sâu vào việc giải các
phýõng trình nói trên mà chỉ tìm hiểu về cõ sở tính tốn ðể chọn các phýõng pháp
tính phù hợp.

2.1.

Phýõng trình trạng thái
Cho ðến nay ðã có hõn 200 phýõng trình trạng thái áp dụng cho khí thực. Tất

cả các phýõng trình này ðều là phýõng trình thực nghiệm, vì vậy mức ðộ ứng dụng
của mỗi phýõng trình chỉ trong một phạm vi nhất ðịnh. Các phýõng trình ðýợc sử

dụng phổ biến nhý : Van der Waals, Redlich – Kwong, Peng Robinson, Benedict –

Webb – Rubin,…

Với hệ khí chỉ có chứa hydrocarbon nhẹ và thành phần N2 và CO2 rất nhỏ thì

áp dụng phýõng trình trạng thái Peng – Robinson là phù hợp hõn cả. Việc áp dụng
phýõng trình này cho kết quả ðủ chính xác và tính tốn ðõn giản hõn các phýõng
trình khác [6, 10].

Phýõng trình trạng thái Peng – Robinson có dạng nhý sau [6, 10]:


12

P

RT
a (T )
 2
v  b v  2bv  b 2

(2.1)

Trong ðó :

v :là thể tích mol

a : là hệ số hiệu chỉnh khi tính ðến týõng tác giữ các phân tử

b : là hệ số hiệu chỉnh khi tính ðến thể tích của các phân tử

Phýõng trình Peng – Robinson cịn có thể viết dýới dạng phýõng trình bậc 3

nhý sau :

Z3 – (1 – B)X2 + (A -3B2 – 2B)Z – (AB – B2 – B3) = 0

(2.2)

Trong ðó:
Z : là hệ số nén, Z 

PV
RT

A

aP
(RT ) 2

(2.3)

B

bP
RT

(2.4)

Trong trýờng hợp áp dụng phýõng trình Peng – Robinson cho hổn hợp khí thì

các hệ số a và b của hổn hợp có thể ðýợc xác ðịnh bằng Quy tắc trộn.

a   xi x j (ai a j ) 0, 5 (1  k ij )
N

N

i 1 j 1

(2.5)


13

b   xi bi
N

(2.6)

i 1

bi  0,0777796

RTci
Pci

ai  aci i
aci

(2.7)
(2.8)

2
RTci 

 0,457235

Pci

 i  1  mi (1  Tri0, 5 )
mi  0,37646  1,54226i  0,26992 i2

(2.9)
(2.10)

(2.11)

Trong ðó :

xi, xj : là phần mol của các cấu tử i và j

kij : là hệ số týõng tác giữa hai cấu tử i và j
i là hệ số bất ðối xứng của cấu tử i

2.2.

Một số tính chất vật lý của hổn hợp hydrocarbon nhẹ

2.2.1. Tỷ trọng pha khí
Phýõng trình trạng thái PV = ZRT có thể ðýợc viết lại nhý sau :

P

MW
 ZRT


Trong ðó :

(2.12)


14

MW là phân tử lýợng của khí
 là tỷ trọng của khí

Từ phýõng trình (2.8), tỷ trọng của pha khí ðýợc tính nhý sau [2] :



P ( MW )
ZRT

(2.13)

2.2.2. Tỷ trọng pha lỏng
Có nhiều phýõng pháp có thể sử dụng ðể xác ðịnh tỷ trọng của chất lỏng, ba

trong số các phýõng pháp ðýợc sử dụng rộng rải nhất là :
Phýõng pháp API

-

Phýõng trình Rackett ðã ðýợc ðiều chỉnh

-

Phýõng pháp Hankinson-Brobst-Thompson (COSTALD)

-

Trong ðó phýõng pháp COSTALD là phýõng pháp sử dụng rộng rải và cho

kết quả chính xác hõn cả [4]. Phýõng trình cõ bản của COSTALD ðể tính tỷ trọng
chất lỏng tinh khiết (chỉ có một cấu tử) là [6,10]:



vs

 vro 1  vr
vo



(2.14)

v  1   Ak (1  Tr ) i / 3 (0,25 < Tr < 0,95)
4

o
r

i 1

(2.15)

B T
3

vr 

i 0

k

i
r

Tr  1,00001

(0,25 < Tr < 1)

(2.16)


15

Trong ðó :

vs là thể tích mol của chất lỏng bảo hòa ở nhiệt ðộ T

v* là hằng số thực nghiệm ðối với từng cấu tử, thýờng có giá trị khoảng

1-4% của thể tích mol tới hạn

SRK là hệ số bất ðối xứng hiệu chỉnh theo phýõng trình trạng thái SRK

Ak, Bk là các hệ số của COSTALD

Phýõng trình (2.14) cũng ðýợc sử dụng ðể xác ðịnh tỷ trọng của hổn hợp chất

lỏng bằng cách áp dụng quy tắc trộn sau :

Tcm 

v m* 

 x x v T
i

i

*
j ij cij

j

(2.17)

vm*

1





4 xi vi*  3  xi vi*2 / 3   xi vi*1 / 3  
 i
 i

 i

vij*Tcij  vi*Tci v *j Tcj 

(2.18)

1/ 2

 SRK   xi SRKi

(2.19)

(2.20)

i

Nãm 1982, Thomson và các cộng sự ðã hiệu chỉnh kết quả tính tốn bằng các

phýõng trình trên ðể cho kết quả tốt hõn trong trýờng hợp chất lỏng và hổn hợp
chất lỏng bị nén [4, 6, 10].


16


 BP
v  v s 1  C ln 
sat
BP


Trong ðó :





(2.21)

B, C là hằng số phụ thuộc vào thành phần hổn hợp

P là áp suất trên bề mặt

Psat là áp suất bảo hòa của chất lỏng/hổn hợp lỏng

2.2.3. Sức cãng bề mặt
Sức cãng bề mặt của hệ hydrocarbon ðýợc tính tốn bằng phýõng trình Brock

và Bird ðã ðýợc hiệu chỉnh. Phýõng trình này có dạng nhý sau [6]:

  Pc2 / 3Tc1 / 3Q (1  TR ) a b

(2.22)


P 
Q  0,1207 1  TR ln c   0,281
1  TR 


(2.23)

b = c0 + c1 + c22 + c3 3

(2.24)

Trong ðó :

 là sức cãng bề mặt (dyn/cm)

Pc là áp suất tới hạn

Tc là nhiệt ðộ tới hạn

TR là nhiệt ðộ

a, co, c1, c2, c3 là các hệ số, có giá trị xác ðịnh ðối với mỗi loại chất.

2.3.

Một số tính chất nhiệt ðộng học


17

Các thơng số nhiệt ðộng có thể ðýợc tính tốn từ phýõng trình trạng thái hoặc

phýõng trình Lee-Kesler. Phýõng trình của Lee-Kesler tính tốn các tính chất nhiệt
ðộng chính xác hõn ðối với các hydrocarbon nặng, tuy nhiên ðòi hỏi khối lýợng tính

tốn nhiều hõn và khả nãng máy tính lớn hõn. Ðối với hệ gồm các hydrocarbon nhẹ,
sử dụng phýõng trình trạng thái ðể tính tốn các tính chất nhiệt ðộng là phù hợp [6]

Phýõng trình nhiệt ðộng tính tốn entanpy của chất khí theo phýõng trình

trạng thái Peng Robinson biểu diễn nhý sau [6]:

H  H ide

1
 Z  1  1,5
RT
2 bRT

da   V  2,414b 

a  T dt  ln V  2,414b 



(2.25)

Entanpy của chất lỏng ðýợc tính bằng cách thêm entanpy của quá trình ngýng

tụ (trừ entanpy của quá trình bay hõi) vào entanpy của chất lỏng.

Phýõng trình nhiệt ðộng tính tốn entropy của chất khí theo phýõng trình

trạng thái Peng Robinson biểu diễn nhý sau [6]:

S  S oide
P
A  Tda   V  2,414b 
 ln(Z  B)  ln  1, 5
ln

RT
Po 2 bRT  adt   V  2,414b 

(2.26)

Trong ðó

H là entanpy

S là entropy

Các chỉ số ‘o’ chỉ ðiều kiện chuẩn, ‘ide’ chỉ ðiều kiện lý týởng

Hide bằng entanpy sinh của khí lý týởng tại ðiều kiện 25oC và 1 at.
Ðối với hổn hợp, Quy tắc trộn nhý ðề cập ở phýõng trình (2.6) và (2.7) ðýợc

áp dụng.


18

2.4.

Q trình giản nở khí
Có hai q trình giản nở khí ðýợc áp dụng rộng rải là
- Giản nở khí qua van (còn gọi là giản nở Joule Thompson). Quá trình giản

nở qua van là một quá trình ðẳng entanpy. Nguyên lý của quá trình này là sử dụng
hiệu ứng Joule Thompson, theo ðó hầu hết hydrocarbon giảm nhiệt ðộ khi giản nở ở

áp suất thýờng gặp trong công nghiệp. Giản nở qua van ðýợc sử dụng hõn 50 nãm

qua trong cơng nghiệp. Áp dụng q trình này týõng ðối ðõn giản và chi phí thấp,

tuy nhiên hiệu suất nhiệt ðộng cũng thấp và chúng thýờng chỉ có hiệu quả khi khí
ngun liệu có áp suất cao hõn 100 bar.
-

Giản nở qua turbo. Về lý thuyết, quá trình giản nở qua thiết bị giản nở turbo

là một quá trình ðẳng entropy, trong thực tế ðây là một quá trình ða biến do thất

thoát nãng lýợng ðể výợt qua ma sát. Hiệu suất của thiết bị là hiệu của công sinh ra
theo lý thuyết và công sinh ra trong thực tế. Quá trình giản nở qua turbo ðýợc sử

dụng từ những nãm 60 của thế kỹ trýớc. Ngày nay, ðây là quá trình ðýợc sử dụng

rộng rải nhất trong chế biến khí. Áp dụng q trình giản nở qua turbo vào cơng
nghiệp khá ðõn giản, chi phí týõng ðối thấp và hiệu quả rất cao.

Ðối với thiết bị công nghiệp, ðýờng ðặc tuyến của thiết bị ðýợc cung cấp bởi

nhà sản xuất. Tài liệu thông số kỹ thuật của thiết bị giản nở turbo ðýợc chế tạo trong

công nghiệp ðều chứa các dữ liệu này, ðây là một trong những thông tin quan trọng
nhất ðể mô phỏng thiết bị giản nở turbo bằng phần mềm Hysys.
2.5.

Q trình nén khí


19

Q trình nén khí là một q trình giảm thể tích ðể tãng áp suất của khí. Cũng

nhý q trình giản nở qua thiết bị giản nở turbo, về mặt lý thuyết q trình nén khí
là một q trình ðẳng entropy. Tuy nhiên trong thực tế ðây là một quá trình ða biến
do phải bù nãng lýợng cho thất thốt nhiệt, ma sát,…

Ðối với thiết bị công nghiệp, ðýờng ðặc tuyến của máy nén ðýợc các nhà sản

xuất cung cấp. Tài liệu thông số kỹ thuật của thiết bị ðều bao gồm các dữ liệu này,

ðây là một trong những thông tin quan trọng nhất ðể mô phỏng máy nén bằng phần
mềm Hysys.
2.6.

Quá trình trao ðổi nhiệt
Truyền nhiệt trong thiết bị trao ðổi nhiệt chủ yếu ở hai hình thức: dẫn nhiệt và

ðối lýu. Hầu hết các ứng dụng của thiết bị trao ðổi nhiệt không sử dụng nhiệt ðộ ðủ
cao ðể hình thức truyền nhiệt bức xạ nhiệt là ðáng kể. Tuy nhiên, các hệ số truyền

nhiệt thýờng là hệ số thực nghiệm nên trong ðó ðã bao gồm cả truyền nhiệt bằng
bức xạ. Phýõng trình truyền nhiệt tổng quát nhý sau:
Q = U.A.Tm.Ft

(2.27)

Trong ðó :
Q là lýợng nhiệt trao ðổi

A là diện tích bề mặt trao ðổi nhiệt giữa hai dòng lýu chất

U là hệ số truyền nhiệt chung của thiết bị

Tm là chênh lệch nhiệt ðộ trung bình giữa hai dịng lýu chất

Ft là hệ số hiệu chỉnh do hình dạng và cách bố trí dịng chảy của thiết bị


20

Ðể tính tốn thiết bị trao ðổi nhiệt, phýõng trình (2.27) có thể ðýợc sử dụng

cho tồn bộ thiết bị với U là hệ số truyền nhiệt chung và A là diện tích trao ðổi nhiệt
của tồn bộ thiết bị, Tm là chênh lệch nhiệt ðộ của dịng nóng và dịng lạnh ở ðầu

vào và ðầu ra. Phýõng pháp tính này (Endpoint method) chỉ chính xác khi thay ðổi
nhiệt ðộ của các dịng là tuyến tính, vì vậy chỉ dùng trong các trýờng hợp ðõn giản.

Với các thiết bị trao ðổi nhiệt có sự biến ðổi pha, nhiệt ðộ biến ðổi khơng

tuyến tính, phýõng pháp chia thiết bị trao ðổi nhiệt thành nhiều phần và áp dụng

phýõng trình (2.27) cho từng phần thiết bị là phýõng pháp tốt hõn cả (còn gọi là
Weighted method) [6]. Chia thiết bị thành càng nhiều phần thì tính tốn càng chính
xác, tuy nhiên khối lýợng tính tốn cũng nhiều hõn.
Q trình chýng luyện

2.7.

Mơ hình một tháp chýng luyện ðýợc thành lập với các nhóm phýõng trình

sau (nhóm các phýõng trình này gọi là MESH – Material, Equilibrium, Summation,
Heat):
-

Phýõng trình cân bằng vật chất (Material)
Phýõng trình cân bằng pha (Equilibrium)
Phýõng trình tổng phần (Summation)
Phýõng trình cân bằng nhiệt (Heat)

Ngày nay, với sự trợ giúp của máy tính, nhiều phýõng pháp tính tốn hiện ðại

ðã ra ðời ðể giải các mơ hình này, trong ðó phýõng pháp Inside-out là một trong

những phýõng pháp ðýợc sử dụng phổ biến nhất [2]. Phýõng pháp Inside – out chia

làm 2 vịng tính tốn. Vịng trong bao gồm các phýõng trình MESH ðể tính tốn

entanpy, hằng số cân bằng lỏng hõi K, thành phần, lýu lýợng,… Do sử dụng các mơ
hình ðõn giản nên tính tốn nhanh và có thể áp dụng cho các hệ phức tạp. Vịng
ngồi là các mơ hình phức tạp, sử dụng nghiệm của các phýõng trình MESH ở vịng