Bài giảng Làm ngọt khí bằng DEA

Làm ngọt khí bằng DEA Nội dung Trong bài này, mô phỏng một nhà máy xử lý khí acid điển hình. Dòng khí tự nhiên bão hòa hơi nước được đưa vào thiết bị hấp thụ bằng amin (amine contactor). Dung dịch Diethanolamine (DEA) 28% khối lượng trong nước được dùng làm chất hấp thụ. Thiết bị contactor gồm 20 đĩa thực tế. Dung dịch amine bão hòa (rich amin) được đưa vào tháp tách nhanh, được giảm áp từ áp suất 6900 kPa trong thiết bị contactor xuống còn 620 kPa trước khi vào thiết bị trao đổi nhiệt giữa hai dòng amin rich/lean, tại đây dòng amin tái sinh (lean amin) sẽ gia nhiệt cho dòng amin bão hoà (rich amin) tới nhiệt độ 95oC. Thiết bị tái sinh (regenerator) cũng gồm 20 đĩa. Khí acid ra khỏi regenerator ở 50oC, trong khi dòng amine tái sinh có nhiệt độ khoảng 110oC. Dòng amine tái sinh được làm lạnh và quay trở lại Contactor. Mục tiêu Sau khi hoàn thành bài này bạn có thể: Mô phỏng tháp Amine trong Hysys Cung cấp các tham số đĩa để tính toán hiệu quả cho tháp Sử dụng Set Operation Sử dụng Spreadsheet Yêu cầu Trước khi bắt đầu bài này bạn cần phải: Hoàn thành các module 1, 2, 3, và 4. Sơ đồ công nghệ s Sơ đồ tháp hấp thụ Sơ đồ tháp tái sinh Xây dựng mô phỏng Tạo lập cơ sở mô phỏng Với case này, sử dụng Amines Property Package với các cấu tử sau: N2, H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6, H2O, DEA. Amines Property Package Nồng độ dung dịch amin trong nước Amin %kl MEA 15-20 DEA 25-35 TEA,MDEA 35-50 DGA 45-65 Trong Amines Property Package không chứa các cấu tử giả định Trong Amines Property Package có các mô hình nhiệt động được phát triển bởi D.B. Robinson & Associates áp dụng cho mô phỏng các nhà máy amine (độc quyền của hãng AMSIM). Các thông số động học và cân bằng của khí acid trong dung dịch alkanolamine trong nước có chứa H2S và CO2 bao gồm trong property package. Amines property package được trang bị dựa trên các nghiên cứu của D. B. Robinson, một số thông tin chưa được công bố và các tài liệu tham khảo kỹ thuật. Amines package kết hợp mô hình số đĩa thực tế để mô phỏng tháp. Dựa trên tính toán cấu tử H2S và CO2 để tính toán đường kính tháp cho cả hai quá trình hấp thụ và tái sinh. Nhập các dòng cho sơ đồ mô phỏng Nhập dòng nguyên liệu: Nhập dòng khí nguyên liệu vào với các tham số sau: In this cell… Enter Name Sour Gas Temperature 25oC (75oF) Pressure 6900 kPa (1000 psia) Molar Flow 1250 kgmole/h (25 MMSCFD) Component Mole Fraction N2 0.0016 H2S 0.0172 CO2 0.0412 C1 0.8692 C2 0.0393 C3 0.0093 i-C4 0.0026 n-C4 0.0029 i-C5 0.0014 n-C5 0.0012 C6 0.0018 H2O 0.0122 DEA 0.0 Nhập dòng thứ 2 để bổ sung cho dòng lean amine vào thiết bị Amine Contactor với các tham số sau: In this cell… Enter Name DEA to Contactor Temperature 35oC (95oF) Pressure 6850 kPa ( 995 psia ) Chắc chắn bạn đã nhập dung dich DEA/H2O với nồng độ phần khối lượng LiaVol Flow 43m3/h (190 USGPM ) Component Mass Fraction H2O 0.72 DEA 0.28 Nhập các thiết bị cho sơ đồ mô phỏng Tháp tách (Separator Operation) Nước tự do được tách khỏi khí bằng thiết bị phân tách FWKO TK. Add Seperator và cung cấp các thông tin sau: In this cell… Enter Connections Name FWKO TK Feed Sour Gas Vapour Outlet Gas to Contactor Liquid Outlet FWKO Lưu lượng dòng nước trong FWKO là bao nhiêu? Tháp hấp thụ (Contactor Operation) Amine Contactor được mô phỏng bằng Absorber operation trong Hysys. Nhập Absorber column với các tham số sau: In this cell… Enter Connection Name DEA Contactor No of Stages 20 Top Stage Feed Gas to Contactor Bottom Stage Feed Gas to Contactor Ovhd Vapour Sweet Gas Bottoms Liquid Rich DEA Pressures Top 6850 kPa (995 psia ) Bottom 6900 kPa ( 1000 psia ) Estimates Top Temperature 40oC (100oF) Bottom Temperature 70oF (160oF) Ovhd Vap Rate 1245 kmole/h ( 25 MMSCFD ) Amines Property Package yêu cầu số đĩa thực tế được sử dụng trong tính toán tháp hấp thụ và tháp tái sinh. Với mô hình này, trong HYSYS, các cấu tử CO2 và H2S có thành phần phần mol thay đổi theo các đĩa (trong khí giảm dần từ dưới lên). Quá trình tính toán thực hiện trong tháp là một phần của Amines Package. Các tham số của đĩa cần cung cấp đầy đủ, được tính toán theo chiều cao giả định của lớp chất lỏng trên đĩa và thời gian tiếp xúc của hơi trong pha lỏng. Để nhập các tham số của đĩa, mở Tray Section Property view, vào Object Navigator. Bấm Navigator hoặc sử dụng phím F3 để mở Object Navigator Chọn DEA Contactor từ Flowsheets và TS-1 từ Unit Operations. Các tham số của đĩa chỉ được nhập tại giao diện Tray Section Property Bấm View để mở giao diện Tray Section property Trong giao diện Tray Section property, vào Sizing page trong Rating tab và nhập kích thước như trong hình dưới đây. Đóng giao diện này lại khi bạn đã thực hiện xong Chạy Column Khi Column đã được hội tụ, di chuyển tới Effeciencies page trong Parameters tab. Chọn ô Component trong Efficiency Type để xem thành phần các cấu tử trên mỗi đĩa của tháp. Nồng độ H2S và CO2 trong khí ngọt là bao nhiêu? Van (Valve Operation) Rich DEA từ tháp hấp thụ (Absorber) được chuyển trực tiếp qua van, VLV-100, áp suất giảm tới 620 kPa (90 psia) được đưa tới tháp tách. Nhập van với các thông số sau: In this cell.. Enter Connections Inlet Rich DEA Outlet DEA to Flash TK Work Sheet Pressure of DEA to Flash TK 620 kPa (90 psia) Tháp tách (Separator Operation) Khí được tách khỏi dòng Rich DEA bằng tháp tách Flash TK Nhập Separator với các thông số sau: In this cell… Enter Connections Name Flash TK Feed DEA to Flash TK Vapour Outlet Flash Vap Liquid Outlet Rich to L/R Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchange Operation) Dòng Regen Feed được gia nhiệt đến 95oC (200oF) trong thiết bị trao đổi nhiệt giữa hai dòng dung môi bão hòa và tái sinh (lean/rich exchanger), L/R HEX trước khi vào thiết bị Regenerator, tại đây các liên kết amine-acid được phá vỡ, DEA tái sinh được tuần hoàn về tháp hấp thụ (Contactor). Nhập Heat Exchanger với các tham số sau: In this cell… Enter Connections Name L/R HEX Tube Side Inlet Rich to L/R Tube Side Outlet Regen Feed Shell Side Inlet Regen Bttms Shell Side Outlet Lean from L/R Parameters Tubeside Delta P 70 kPa (10 psi) Shellside Delta P 70 kPa (10 psi) Tháp tái sinh (Regenerator Operation) Damping Factors sẽ không ảnh hưởng khi mà sai số nhiệt và sai số của các tham số không hội tụ. Các tháp sau đây yêu cầu sử dụng Damping Factors 0.25 - 0.5: *Amine regenerators, *TEGStrippers, *Sour Water Strippers Amine Regenerator được mô hình hóa như Distillation Column. Tổng cộng có 20 đĩa - trong tháp có 18 đĩa cộng thiết bị đun nóng đáy tháp (Reboiler) và ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser). Hệ số tách (efficiencies) các cấu tử là hằng số, bằng 0.8 đối với H2S và 0.15 đối với CO2. Hệ số tách của Condenser và Reboiler phải bằng 1 và chỉ phải nhập hệ số tách cho các đĩa từ 1 -18. Damping Factors bằng 0.4 sẽ tính toán nhanh hơn và hội tụ ổn định hơn. Damping Factors điều khiển bước tính toán của vòng lặp ngoài khi cập nhật mô hình nhiệt động ở vòng lặp trong. Nhập Distilation Column với các thông tin sau: In this cell… Enter Connections Name Regenerator No. of Stages 18 Feed Stream / Stage Regen Feed / 4 Condenser Type Full Reflux Ovhd Vapour Acid Gas Bottms Liquid Regen Bttms Reboiler Duty Rblr Q Condenser Duty Cond Q Parameters Fixed Damping Factor 0.40 Pressures Condenser Pressure 190 kPa (27.5 psia) Condenser Delta P 15 kPa (2.5 psia) Reboiler Pressure 220 kPa (31.5 psia) Efficiencies CO2 0.15 H2S 0.8 Monitor Overhead Rate (Estimate) 75 kgmole/h (1.5 MMSCFD) Reflux Ratio (Estimate) 1.5 Estimates Tray 1 Temperature 100oC (210oF) Reboiler Temperature 125oC (260oF) Specifications Condenser Temperature 50oC (120oF) Reboiler Duty 1.3e7 kJ/h (1.2e7 Btu/hr) Thiết bị trộn hỗn hợp (Mixer Operation) Việc bổ sung nước là cần thiết vì nước bị mất mát tại tháp hấp thụ và tháp tái sinh theo các dòng ra từ đỉnh tháp. Thiết bị Mixer kết hợp nước công nghệ và Lean Amine từ thiết bị Regenerator. Dòng ra được hòa trộn ở cùng một áp suất. Nhập dòng mới với các tham số sau: In this cell… Enter Connections Name Makeup H2O Temperature 20oC (70oF) Compenent Mole Fraction H2O 1.0 Nhập Mixer với các tham số sau: In this cell… Enter Connections Inlets Makeup H2O Lean from L/R Outlet DEA to Cool Parameters Pressure Assignment Equalize All Work Sheet Liq Vol Flow of DEA to Cool 43 m3/h (190 USGPM) Lưu lượng dòng makeup H2O là bao nhiêu? Thiết bị làm lạnh (Cooler Operation) Nhập Cooler với các tham số sau: In this cell… Enter Connections Name Cooler Feed Stream DEA to Cool Product Stream DEA to Pump Energy Stream Cooler Q Parameters Pressure Drop 35 kPa (5 psi) Bơm (Pump Operation) Nhập Pump với các tham số sau: In this cell… Enter Connections Inlet DEA to Pump Outlet DEA to Recycle Energy Pump Q Work Sheet Temperature for DEA to Recycle 35oC (95oF) Adding Logical Unit Operations Set Operation Set là một công cụ trong mô phỏng tĩnh, được sử dụng để thiết lập mối tương quan của các biến trong quá trình. Mối quan hệ giữa các biến của 2 đối tượng cùng loại, ví dụ giữa nhiệt độ 2 dòng hoặc UA của 2 thiết bị trao đổi nhiệt. Kích đúp vào phím Set. Nhập các giá trị cần thiết vào Connection tab như hình dưới đây. Chuyển sang Parameters tab. Đặt giá trị Multiplier là 1, Offset là -35 kPa (-5 psi) như hình dưới đây: Recycle Operation Recycle được cài đặt như một khối lý thuyết trong quá trình công nghệ. Dòng nguyên liệu đi vào Recycle là điều kiện tính toán dòng tuần hoàn, và dòng sản phẩm là dòng tuần hoàn giả thiết. Các bước sau được thực hiện trong quá trình hội tụ: Hysys sử dụng các điều kiện của dòng giả định và tính toán Flowsheet cho dòng tuần hoàn Hysys sau đó so sánh các giá trị của các dòng tính toán với dòng giả định. Dựa vào sự sai khác giữa các giá trị, Hysys sẽ thay đổi các giá trị của dòng tính toán và đặt giá trị đã thay đổi này cho dòng giả định. Quá trình tính toán sẽ lặp lại cho đến khi các giá trị trong dòng tính toán phù hợp với dòng giả định trong phạm vi sai số định trước. Trong case này, dòng lean amine (DEA to Contactor) ban đầu ước tính sẽ được thay thế bằng dòng DEA mới (DEA to Recycle) và Contactor và Regenerator sẽ chạy cho đến khi vòng tuần hoàn hội tụ. Kích đúp vào biểu tượng Recycle. Trong Connections tab nhập các thông tin như trong hình sau: Chuyển sang Parameters tab. Nhập đầy đủ các thông tin như trong hình dưới đây: SAVE YOUR CASE! Phân tích kết quả Nếu bạn lưu case là template, đóng template và mở case đã được lưu. Dòng khí vào có chứa 4.1% CO2 và 1.7% H2S. Lưu lượng dòng vào là 1250 kgmole/h (25 MMSCFD), dung dịch tuần hoàn DEA 28% để tách H2S và CO2. Dòng khí ra yêu cầu không quá 2% (thể tích) CO2 và 4ppm (thể tích) H2S. Trong khí ngọt % thể tích CO2 là bao nhiêu? Trong khí ngọt hàm lượng H2S là bao nhiêu ppm(thể tích) Các tham số khác của dòng khí sản phẩm như thế nào Advanced Modelling Nồng độ khí axit trong dòng amine được định nghĩa là tỷ số của số mole khí acid và số mole amine tuần hoàn. Spreadsheet là công cụ phù hợp trong các tính toán này. Không cần phải loading các tính toán trực tiếp và hiển thị chúng mà nó tích hợp vào mô phỏng để tạo các “điểm điều khiển” cho việc tối ưu hóa mô phỏng amine. Các biến sử dụng trong tính toán: Các công thức tính toán: Khí axit đi vào làm ngọt bằng amin có thể so sánh với các giá trị tính toán của D.B. Robinson đưa ra: Maximum Acid Gas Loadings (Moles acid gas / mole of amines) CO2 H2S MEA, DEA 0.5 0.35 DEA 0.45 0.30 TEA, MDEA 0.30 0.20 Khám phá thêm với Simulation Exercise 1 Bạn vừa nhận được điện thoại của Trưởng phòng Điều hành nhà máy bên cạnh thông báo rằng tháp hấp thụ của họ gặp sự cố và phải dừng hoạt động. Bạn buộc phải đồng ý nhận hỗn hợp khí của họ để xử lý, lưu lượng dòng khí của họ gấp đôi lưu lượng dòng khí vào nhà máy của bạn. Bạn cần phải có những thay đổi gì để điều khiển nhà máy hoạt động bình thường.