Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về nguồn khí cần làm khô 1. Khái quát về mỏ Hải Thạch và công nghệ xử lý trên giàn Mỏ Hải Thạch là mỏ khí-condensate nằm trong dự án Biển Đông 1 của Biển Đông POC thuộc lô 05.2 tại bể Nam Côn Sơn, có vị trí cách bờ khoảng 340 km về phía Nam. Khí được khai thác ở mỏ sẽ được dẫn chung vào đường ống Nam Côn Sơn đưa về trạm tiếp nhận và phân phối khí Dinh Cố [1].
Đồ án thiết kế Hình 1. Vị trí của mỏ Hải Thạch Mỏ Hải Thạch có thời gian khai thác 25 năm với công suất 8.5 triệu m3 khí và 25 ngàn thùng condensate mỗi ngày [3], mỗi năm cung cấp khoảng hai tỷ m3 khí năm, góp Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 2 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 5% GDP cho đất nước, ngoài ra còn bảo đảm an ninh năng lượng cho Việt Nam trong thời gian tới. Bên cạnh, ta phải xét đến khối lượng khổng lồ của giàn: Giàn đầu giếnh Hải Thạch có khối lượng gần 10 000 tấn và giàn xử lý có khối lượng gần 21 000 tấn. Fuel Gas Acid Gas Treatment End Flash Gas Well Reception Acid Gas Dehydration Liquefaction Removal Natural Gas Condensate Fractionanation Stabilisation LPG C4 and C3 Condensate C5+ Đồ án thiết kế Hình 1.
Sơ đồ xử lý trên giàn Hải Thạch [3] Hình 1.2 thể hiện các công đoạn xử lý khí trên giàn Hải Thạch, khí được khai thác từ dưới giếng sẽ được dẫn đến trạm tiếp nhận, tại đây hệ thống tách condensate-khí sẽ làm nhiệm vụ phân tách nguồn đầu vào ra thành dòng khí và dòng condensate, dòng condensate sau đó sẽ qua hệ thống ổn định condensate cho phù hợp các đặc tính hóa lý cũng như kỹ thuật và đưa vào bồn chứa, còn dòng khí sau đó sẽ đi qua hệ thống làm ngọt khí, loại bỏ các khí chua như CO2, H2S,… tiếp theo dòng khí sẽ được dẫn qua hệ thông làm khô khí để loại bỏ lượng hơi nước bão hòa còn lẫn trong khí. Và sẽ được dẫn vào bờ và chuẩn bị cho các công đoạn chế biến như khí CNG, LNG, LPG và nguồn khí này cũng đã đáp ứng các yêu cầu cho khí nguyên liệu [6]. Đặc điểm kỹ thuật của nguồn khí Bên cạnh biết được các công đoạn của quy trình công nghệ xử lý khí trên giàn, ta cũng cần phải biết các thông số kỹ thuật cũng như thành phần nguồn khí để phục vụ cho việc thiết kế tháp hấp thụ làm khô khí [3]. Thông số kỹ thuật của nguồn khí khai thác.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 3 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT Bảng 1. Thành phần nguồn khí mỏ Hải Thạch [1], [2] STT Thành phần khí % Mole 1 Metane 0.0032 Các thông số kỹ thuật của nguồn khí sẽ quyết định các thông số công nghệ của Đồ án thiết kế các thiết bị trong hệ thống, nên dòng khí trước khi đưa vào hệ thống sẽ được đo các thông số như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng. Các thông số được thể hiện trong bảng 1. Thông số kỹ thuật nguồn khí [3] Nhiệt độ (oC) 38 Áp suất (kPa) 6200 Lưu lượng (MMSCFD) 378.08 Đây là dòng khí được tách từ mỏ khí-condensate (khí ngưng tụ) nên thành phẩn chủ yếu là khí metan (0.8855 %mole), bên cạnh đó cũng có dãy đồng đẳng của hydrocarbon từ propane cho đến decane nhưng chiếm hàm lượng thấp.
Đồng thời cũng có chứa một lượng hơi nước bão hòa và khí acid. Vì dòng khí đã qua hệ thống quy trình làm ngọt khí trước đó, nên ta xem xét hàm lượng các khí chua vào tháp hấp thụ là không có. Nên ta kết luận khí vào tháp hấp thụ là khí khô, ngọt (hàm lượng khí chua vì H2S < 1% thể tích, CO2 < 2% thể tích) [18], nguồn khí là khí gầy (chứa ít các hydrocarbon nặng) [18], nhưng lượng nước trong khí ở mức cao do đó khả năng hình thành hydrat là rất cao. Vì vậy, nơi đến tiếp theo của dòng khí sẽ là hệ thống làm khô khí.
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 4 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1. Sự hình thành hydrat 1. Định nghĩa Hydrat có tên khoa học là Natural Hydrate hoặc Gas Hydrate, đó là chất ở dạng rắn hình thành từ khí thiên nhiên và nước ở điều kiện áp suất cao (trên 30 atm) và nhiệt độ thấp (dưới 0oC). Hydrat có các phân tử cấu trúc chủ yếu là mạng tinh thể kết tinh từ các phân tử nước, bên trong chứa các phân tử khí.
Các ô tạo thành mạng tinh thể chặt khít, cấu trúc của hydrat giống như cấu trúc của băng nhưng khác là các phân tử khí nằm trong các ô tinh thể và giữa chúng không có liên kết nào. Nhìn bên ngoài hydrat giống như băng và dùng que diêm đốt thì hydrat cháy [18]. Tính chất vật lý của hydrat: - Hydrat giống như tuyết được ép lại với nhau. - Màu của hydrat có thể thay đổi từ trắng đến xám phụ thuộc vào thành phần tập chất có trong thành phần.
- Hydrat có khối lượng riêng là 0. - Tinh thể hydrat có độ bền cơ học, tính đàn hồi cao và độ thẩm thấu nhỏ. Đồ án thiết kế Thực nghiệm cho thấy: để phá hủy hoàn toàn một mol hydrat metan cần 14.5 Kcal; với các đồng đẳng của metane từ C trờ lên thì nhiệt lượng cần cung cấp cũng + 2 tăng lên theo khối lượng phân tử và đạt tới 32 Kcal. Nguyên nhân Ba điều kiện để sự hình thành hydrat diễn ra [5]: - Nước tự do, nước ngưng tụ hay hàm ẩm trong dòng khí, tùy thuộc vào hàm ẩm khác nhau sẽ ãnh hưởng đến nhiệt độ và áp suất tạo thành hydrat.
- Áp suất cao, đối với dòng khí có hàm lượng nước càng lớn thì nhiệt độ tạo thành hydrat càng cao và ngược lại. - Nhiệt độ thấp, với dòng khí ở một nhiệt độ xác định, áp suất tạo tinh thể hydrat tăng khi hàm lượng nước tăng và ngược lại. Dựa vào các nguyên nhân trên ta sẽ có các giải pháp để tránh tạo thành hydrat: - Loại bỏ lượng hơi nước bão hòa lẫn trong khí, vì nước là một yếu tố quan trọng trong việc hình thành hydrat. Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 5 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT - Hạn chế việc tăng áp suất trong quá trình vận chuyển, điều này không khả khi vì khi vận chuyển từ giàn vào bờ bắt buộc phải tuân theo thông số áp suất, áp suất đa phần phải cao để dễ dàng vận chuyển.
- Nhiệt độ phải cao, vậy đòi hỏi phải gia nhiệt cho đường ống hay tăng nhiệt độ dòng khí, điều này không khả thi và gây nguy hiểm cho quá trình vận hành của công nhân. Do đó xét về mặt kinh tế và khả thi của quy trình thì phương án loại bỏ lượng hơi nước bão hòa là phù hợp và thuận lợi hơn cả. Cấu trúc hydrat Đồ án thiết kế Hình 1. Cấu trúc của hydrat [9] Về cấu trúc các tinh thể hydrat có hai loại ô mạng cơ sở như hình 1.2 [9] Các chấm tròn chỉ các phân tử nước, các đoạn thẳng chỉ liên kết hydro.
Bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen đã cho thấy cấu trúc tinh thể hydrat có dạng 12 mặt, mỗi mặt là hình 5 cạnh. Cấu trúc này có thể biến đổi thành dạng 14 mặt và 16 mặt. - Dạng cấu trúc 1 có hằng số mạng là 12 A, chứa 46 phân tử nước sắp xếp hình thành 8 lỗ trống trong đó có 2 lỗ trống dạng 12 mặt, 6 lỗ trống còn lại dạng 14 mặt. Ở dạng này thì các phân tử khí metane có thể chui vào.
- Dạng cấu trúc 2 có 16 mặt, có hằng số mạng là 17 A. Ô mạng cơ sở chứa 136 phân tử nước, với cấu trúc chứa 16 lỗ trống nhỏ dạng 12 mặt và 8 lỗ trống lớn dạng Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 6 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 12 mặt. Ở dạng cấu trúc này có thể bẫy được các phân tử lớn như propane, n-butane, izo-butane. Một số hydrat điển hình: CH4.
Tác hại của việc tạo thành hydrat Tắc nghẽn: ở điều kiện phù hợp (nhiệt độ, áp suất) sự hình thành hydrat diễn ra sẽ tạo ra các nút cản trở sự vận chuyển khí trên đường ống, làm hẹp khoảng không di chuyển. Một khối hydrat đã hình thành thì rất khó khăn cho việc khắc phục sự cố vì các khối hydrat rất cứng. Giải pháp tốt nhất hiện nay để loại bỏ khối hydrat chính là hệ thống phóng thoi thông minh [23]. Nổ: việc tạo thành các nút sẽ làm tăng áp suất trong ống, dẫn đến nổ ống dẫn khí.
Các vụ nổ ống dẫn dầu-khí là các vấn đề nghiêm trọng, không những gây thiệt hại lớn về tài chính: thất thoát nguồn nguyên liệu, gián đoạn việc cung cấp nguyên liệu cho các khu công nghiệp. Bên cạnh, ảnh hưởng nghiệm trọng đến môi trường biển, gây chết hàng loạt các động vật biển và bỏ ra hàng tỷ đô-la để khắc phục sự cố [23]. Đồ án thiết kế Do đó, phòng thì lúc nào cũng dễ dàng hơn là khắc phục hậu quả và để giảm thiểu cũng như tránh các tác hại trên, tốt nhất ta nên tuyệt đối không để việc hình thành hydrat. Giới thiệu về các phương pháp làm khô khí Nước tồn tại trong khí chủ yếu dưới dạng hơi bão hòa.
Mục đích của việc loại bỏ nước trong khí tự nhiên là để làm giảm sự hư hại ống do ăn mòn và tránh tắc nghẽn đường ống do việc tạo thành hydrat. Trong một vài trường hợp, quá trình khử nước nhằm mục đích đáp ứng thông số kỹ thuật được quy định sẵn cho các quá trình sau xử lý hoặc thu hồi các sản phẩm lẫn trong nước. Quá trình khử nước có thể được tiến hành bằng nhiều phương pháp tiêu biểu đó là: phương pháp hấp thụ và phương pháp hấp phụ. Bên cạnh nếu chúng ta không dùng hệ thống làm khô khí, ta còn có thể sử dụng các chất ức chế họ amine: DEA, TEA,… để làm giảm sự hình thành hydrat trên đường ống, nhưng cần một hệ thống phụ trợ để tách chất ức chế ra khỏi dòng khí [7], [10], [13].
Ngành công nghệ kỹ thuật hóa học 7 Khoa hóa học và Công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khóa 2012-2016 Trường ĐHBRVT 1.