Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ-ĐỊA CHẤT
KHOA DẦU KHI
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....................................................................................................................................................3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN......................................................................................................................4
1.1.MỤC ĐICH......................................................................................................................................4
1.2. Ý NGHĨA.........................................................................................................................................4
1.3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ.........................................................................4
1.3.1 Cơ sở lý thuyết............................................................................................................................4
1.3.2. Sơ đồ công nghệ........................................................................................................................5
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ, TỐI ƯU QUÁ TRÌNH VÀ TINH TOÁN THIẾT BỊ.................................6
2.1. Cơ sở thiết kế..................................................................................................................................6
2.2.Cở sở tối ưu quá trình.....................................................................................................................7
CHƯƠNG III. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ....................................................................8
3.1. Mô phỏng quá trình tách metane..................................................................................................8
3.1.1. Nhập dòng nguyên liệu:...........................................................................................................8
3.1.2. Dòng năng lượng:.....................................................................................................................9
3.1.3. Nhập các thông tin tháp:..........................................................................................................9
3.2. Mô phỏng quá trình tách ethane..................................................................................................10
3.2.1.Bơm..........................................................................................................................................10
3.2.2. Nhập tháp tách ethane............................................................................................................11
3.3. Mô phỏng quá trình tách propane...............................................................................................12
3.3.1. Valve:......................................................................................................................................12
3.3.2. Nhập các thông số tháp tách propane....................................................................................13
3.4. Kết quả mô phỏng.........................................................................................................................15
CHƯƠNG 4. PHỤ LỤC..........................................................................................................................15
1.Sơ đồ công nghệ đầy đu....................................................................................................................15
2.Dòng nguyên liệu..............................................................................................................................16
3.Tháp De- methane (Reboiled Absorber).........................................................................................16
4. Bơm...................................................................................................................................................17
5.Tháp tách ethane..............................................................................................................................17
6.Van.....................................................................................................................................................18
7.Tháp De- propane ( Distillation Column)...................................................................................18
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................19
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Page 2
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
MỞ ĐẦU
Sự phát triển của ngành công 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 quá 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 trò ngày càng quan
trọng cho công nghiệp hóa dầu. Để có nguồn khí nguyên liệu đáp ứng tốt nhất cho công
nghiệp hóa dầu thì thành phần của khí phải đảm bảo không chứa các nhiều hợp phần
không 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 tôi xin
trình bày về một quá 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 (không còn 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 môn học và hướng dẫn chúng em hoàn thành đồ án này.
Nhóm thực hiện:
Nhóm 5 Lớp lọc hóa dâu B_K53
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Page 3
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 (không còn 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 nguyên liệu có giá trị cho ngành công 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
công nghệ khác nhau.
Nguyên liệu: khí tự nhiên, khí đồng hành
Khí tự nhiên là hỗn hợp khí hydrocacbone và một số khí vô cơ. Metane luôn 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
n-butane
Pentane
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Nhiệt độ sôi (0C)
-161,5
-88,3
-42,4
-10,2
-0.05
36
Page 4
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
1.3.2. Sơ đồ công nghệ.
Loại các tạp
chất cơ học
Loại khí
Tháp tách
methane
axit
CH4
C3H8
Nguyên liệu
CO2, H2S
Tháp tách
ethane
Tháp tách
propane
C4+
C2H6
Khí sau khi khai thác ngoài 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 công đoạn chuẩn bị, tại đó tiến hành
loại bỏ các tạp chất kể trên bằng các quá 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 ngoài 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 mô 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 5
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
CHƯƠNG II
THIẾT KẾ, TỐI ƯU QUÁ TRÌNH VÀ TINH TOÁN 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.
Còn đối với quá 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 6
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.
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 toán số đĩa sao cho thích hợp.
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Page 7
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Lưu lượng dòng nguyên liệu: Với mỗi một quy trình công 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.
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
3.1. Mô phỏng quá trình tách metane
3.1.1. Nhập dòng nguyên liệu:
Dòng 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. Quá trình thiết lập mô phỏng trong Hysys cho quá trình tách bao gồm
các bước sau:
Đầu tiên chọn mô hình cho quá trình mô phỏng là Peng Robinson EOS. Nhập
dòng nguyên liệu có thành phần như trên và một dòng 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.
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Page 8
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
3.1.2. Dòng năng lượng:
Bảng 3.2. Thông số dòng 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
Presure
Ex Duty
Inlet Stage 4_main TS
Stage Numbering
Top Down
Ovhd Vapour Outlet
DC1 Ovhd
Reboiler Energy Stream
DC1 Reb Q
Bottoms Liquid Outlet
DC1 Btm
Top Stage Presure
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
2275 kPa
Page 9
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Profile
Optional
Estimates
Reboiler Presure
2310 kPa
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. Mô phỏng quá 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
Name
P-100
Inlet
DC1 Btm
Energy
P-100-HP
Fluid Package
Basis-1
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Design/Parameters
Adiabbatic Efficiency
75%
Worksheet/Conditions
Pressure[kPa]
Page 10
2790kPa
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
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
Feed Stream / stage
DC2 Feed / 6
Condenser Type
Partial
Overhead
Product
Presure Profile
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
14
Vapour
DC2 Ovhd
Bottom Product
DC2 Btm
Overhead Liquid Product
DC2 Dist
Reboiler Duty
DC2 Reb Q
Condenser Duty
DC2 Cond Q
Condenser
2725kPa
Condenser Delta P
35kPa
Reboiler
2792 kPa
Page 11
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Optional Estimates
Condenser
-40 C
Reboiler
950 C
Specifications
Overhead Vapour Rate
Design [specs]
Monitor/digign
320 kgmole/h
Distillate Rate
0 kgmole/h
Reflux Ratio
2.5 ( Molar)
Component Ratio
Name
C2/C3
Stage
Reboiler
Flow Basis
Molar
Phase
Liquid
Spec Value
0.01
Numerator
Ethane
denominator
propane
Ovhd Vap Rate
Astimate
C2/C3
active
Dòng sản phẩm lấy ra ở đỉnh tháp chủ yếu chứa ethane.
3.3. Mô phỏng quá trình tách propane.
Dòng 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
Feed Stream
Product Stream
Worksheet
DC3 Feed Pressure
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
DC2 Btm
DC3 Feed
1690kPa
Page 12
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
3.3.2. Nhập các thông số tháp tách propane
Bảng 3.7. Các thông số tháp tách propane
Name
DC3
Design/Connections
Connections
Presure Profile
Optional Estimates
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
No. of stage
24
Feed Stream / stage
DC3 Feed / 11
Condenser Type
Total
Bottom Product
DC3 Btm
Overhead Liquid Product
DC3 Dist
Reboiler Duty
DC3 Reb Q
Condenser Duty
DC3 Cond Q
Condenser
1585kPa
Condenser Delta P
35kPa
Reboiler
1655kPa
Condenser
380 C
Reboiler
1200 C
Page 13
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
Specifications
Distillate Rate
Reflux Ratio
Design [specs]
Monitor/digign
1.0 ( Molar)
Component Fraction
Name
iC4+nC4
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
astimate
iC4+nC4
Active
C3
Active
Sản phẩm ra ở đỉnh chứa chủ yếu là propane
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
110 kgmole/h
Page 14
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
3.4. Kết quả mô phỏng
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Page 15
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
CHƯƠNG 4
PHỤ LỤC
1.Sơ đồ công nghệ đầy đu
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
n-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
0.0085
Page 16
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
i-C5
n-C5
n-C6
n-C7
n-C8
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
Nhiệt độ (0C)
Áp suất (kPa)
Lưu lượng(kgmole/h)
P - 100
DC1 Btm
17.92
2310
431.8
DC2 Feed
18.65
2790
431.8
5.Tháp tách ethane
Phụ lục 4.4. Dòng sản phẩm của tháp tách ethane
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Page 17
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
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)
VLV - 100
DC2 Btm
87.83
2792
147.7
DC3 Feed
63.89
1690
147.7
7.Tháp De- propane ( Distillation Column)
Phụ lục 4.6. Dòng sản phẩm của tháp tách propane
GVHD Ths. Đoàn Văn Huấn
Page 18
Bài tập lớn môn Tin ứng dụng
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
[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
- Xem thêm -