Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

LỜI CẢM ƠN
Sau ba tháng làm việc, nhóm em đã hoàn thành đề tài theo đúng thời hạn được
giao. Thành quả đạt được hôm nay là do sự nỗ lực của bản thân dưới sự hướng dẫn
giúp đỡ tận tình của các thầy cô, cùng sự động viên nhiệt tình từ gia đình và bạn bè.
Về phía nhà trường, nhóm em xin chân thành cám ơn lãnh đạo nhà trường cùng các
thầy cô thuộc bộ môn Công nghệ Hóa học Dầu và Khí, Khoa Hóa Kỹ Thuật – Đại học
Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện cũng như trang bị cho em những kiến thức nền
tảng trước khi được nhận đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc nhất đến TS. Đặng Kim Hoàng đã hướng dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ nhóm em
trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Về phía bạn bè, cảm ơn tất cả những người bạn đã giúp đỡ em tháo gỡ những khó
khăn gặp phải khi làm đồ án.
Nhóm em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè của em những lời
chúc tốt đẹp nhất!
Đà Nẵng, tháng 05 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Tùng
Nguyễn Thành Nhung

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

i


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN........................................................................................................ii
MỤC LỤC.................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.........................................................................................x
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ KHÍ HYDROSUNFUA TRONG NHÀ MÁY
LỌC DẦU..................................................................................................................... 2
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HYDROSUNFUA (H2S)...........................................2
1.1.1 Tính chất vật lý...............................................................................................2
1.1.2 Các nguồn tạo ra khí axit................................................................................2
1.1.3 Tác hại của khí axit........................................................................................5
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ AXIT..........................................................8
1.2.1 Hấp phụ..........................................................................................................8
1.2.2 Thẩm thấu......................................................................................................8
1.2.3 Chưng cất ở nhiệt độ thấp..............................................................................9
1.2.4 Hấp thụ...........................................................................................................9
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG PHÂN XƯỞNG XỬ LÝ
KHÍ HYDROSUNFUA...............................................................................................22
2.1 CÁC YẾU CẦN QUAN TÂM KHI THIẾT KẾ.................................................22
2.1.1 Các yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn công nghệ.........................................22
2.1.2 Các yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn chất hấp thụ cho quá trình làm ngọt
khí......................................................................................................................... 22
2.1.3. Những ưu điểm khi sử dụng dung môi MEA..............................................22
SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

3


Đồ án tốt nghiệp

3.1.3 Những ưu điểm của phần mềm hysys...........................................................60
3.1.4. Thao tác tính toán mô phỏng trong Hysys...................................................61

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

4


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

3.2 TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG XỬ LÝ KHÍ HYDROSUNFUA
CBẰNG MEA..........................................................................................................64
3.2.1 Chọn hệ đơn vị, chọn thành phần cấu tử và mô hình nhiệt động..................64
3.2.2 Tạo dòng nguyên liệu và dòng hồi lưu vào thiết lập tháp hấp thụ...............64
3.2.3 Mô phỏng thiết bị hấp thụ............................................................................65
3.2.4 Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt...................................................................67
3.2.5 Mô phỏng tháp Stripper................................................................................68
3.2.6 Sơ đồ phân xưởng xử lý khí axit bằng MEA................................................71
CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THIẾT KẾ - MÔ PHỎNG.............................72
4.1 THÁP HẤP THỤ (C-01)....................................................................................72
4.1.1 Kết quả tính toán tháp hấp thụ......................................................................72
4.1.2 Kết quả mô phỏng........................................................................................72
4.2 THÁP STRIPPER (C-02)...................................................................................73
4.2.1 Kết quả tính toán tháp Stripper.....................................................................73
4.2.2 Kết quả mô phỏng tháp Stripper...................................................................74
KẾT LUẬN.................................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................76


Hình 3.1 Thiết lập hệ đơn vị........................................................................................62
Hình 3.2 Chọn mô hình nhiệt động..............................................................................62
Hình 3.3 Lựa chọn cấu tử............................................................................................63
Hình 3.4 Môi trường mô phỏng trong Hysys...............................................................63
Hình 3.5 Thành phần các cấu tử mô hình nhiệt động trong hysys...............................64
Hình 3.6 Các thông số nhập vào tháp hấp thụ.............................................................66
Hình 3.7 Sử dụng công cụ Utilities nhập các thông số tháp C-01...............................66
Hình 3.8 Kết quả tính toàn tháp C-01 từ hysys............................................................66
Hình 3.9 Nhập thông số dòng vào ra thiết bị E-02......................................................67
Hình 3.10 Nhập tổn thất áp suất vào thiết bị...............................................................68
Hinh 3.11 Nhập nhiệt độ dòng Rich amine 3...............................................................68
SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

6


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Hình 3.12 Thiết Lập các thông số và cài đặt cho tháp Stripper...................................69
Hình 3.13 Sử dụng công cụ Utilities nhập các thông số tháp C-02.............................70
Hình 3.14 Kết quả tính toán tháp C-02 từ hysys..........................................................70
Hình 3.15 Sơ đồ công nghệ mô phỏng phân xưởng xử lý khí axit bằng dung môi MEA
..................................................................................................................................... 71

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

7


Exchanger Design Handbook”)..................................................................................54
Bảng 2.15 Các hệ số dẫn nhiệt của từng vật liệu làm tường ống (tài liệu lấy từ
).....................55
Bảng 2.16 Các thông số thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt E-02:......................................58
Bảng 3.1 Các cấu tử và mô hình nhiệt động sử dụng trong mô phỏng:.......................64
Bảng 3.2 Các thông số của dòng nguyên liệu:............................................................64
Bảng 3.3 Thành phần nguyên liệu...............................................................................65
SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

8


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Bảng 3.4 Các thông số của dòng hồi lưu:...................................................................65
Bảng 3.5 Thành phần dòng hồi lưu.............................................................................65
Bảng 3.6 Các thông số của tháp C-02.........................................................................65
Bảng 3.7 Các thông số nhập vào thiết bị heat exchanger............................................67
Bảng 4.1 Kết quả tính toán tháp hấp thụ:....................................................................72
Bảng 4.2 Thông số tính toán thiết kế tháp hấp thụ:.....................................................72
Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng tháp hấp thụ:..................................................................72
Bảng 4.4 Thông số thiết kế phần mềm tính toán tháp hấp thụ.....................................73
Bảng 4.5 Kết quả tính toán tháp Stripper....................................................................73
Bảng 4.6 Thông số tính toán thiết kế tháp Stripper.....................................................74
Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng tháp Stripper..................................................................74
Bảng 4.8 Thông số tính toán thiết kế tháp Stripper.....................................................74

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

LỜI MỞ ĐẦU
Từ xa xưa con người đã biết sử dụng dầu mỏ và khí tự nhiên để phục vụ cho
cuộc sống sinh hoạt mặc dù sự hiểu biết còn hạn chế và sử dụng rất lãng phí
nhưng họ cũng đã coi đó là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá.
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người đã đánh
giá và nhận thức tầm quan trọng của chúng đối với sự phát triền kinh tế của mỗi
quốc gia. Đó là nguồn nguyên liệu chính để phát triển các ngành công nghiệp
khác. Dầu mỏ và khí tự nhiên là nguồn khoáng sản không phải là vô tận nên cần
biết cách khai thác, chế biến hợp lý để tránh lãng phí nguồn nguyên liệu này.
Trước đây lượng dầu mỏ được khai thác và chế biến gấp nhiều lần khí tự
nhiên khai thác, ngày nay khoảng cách đó được thu hẹp lại bởi lượng dầu mỏ
cũng đang dần cạn kiệt cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến
dầu khí.
Dầu mỏ khai thác lên là hỗn hợp huydrocacbon và phi hydrocacbon nên
trong quá trình chến biến luôn luôn tồn tại thành phần khí axit, mà chính khí
axit này là nguyên nhân làm ảnh hưởng đến quá trình chế biến. Vì vậy với nền
tảng kiến thức của một sinh viên sắp tốt nghiệp cũng như nhằm nghiên cứu sâu
hơn, hiểu rõ hơn về quá trình làm ngọt khí trong nhà máy lọc dầu, vì thế nhóm
em chọn đề tài: “Thiết kế phân xưởng xử lý khí axit bằng Mono Ethanol
Amine” làm đề tài tốt nghiệp cuối khóa.
Do kiến thức cơ bản về kỹ thuật còn hạn chế, nên quá trình tính toán thiết kế
và trình bày nội dung thiết kề sẽ gặp nhiều thiếu sót. Mong quý thầy cô và các
bạn đóng góp ý kiến để bản đồ án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng


Tính chất
Khối lượng phân tử, g/mol
Mật độ thể tích , g/l
Nhiệt độ sôi, oC
Hằng số axit:
H2S ↔ HS- + H+

Giá trị

pKa1

34,082
1,5392
-60,28
pKa1 = 6,89

HS- ↔ S2- + H+
pKa2
Độ tan trong nước tại 40oC, g/100ml nước

pKa2 = 19±2
0,25

H2S ít tan trong nước, tan nhiều trong etanol. Khác với nước, H 2S không tạo được
liên kết hidro bền vững, do vậy ở điều kiện thường nó tồn tại ở trạng thái khí. Giới

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

12


R-S-R’ + H2 → R-H + R’-H + H2S

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

13


Đồ án tốt nghiệp

-

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Từ phân xưởng RFCC: Với nguyên liệu là cặn của chưng cất khí quyển, trong đó
có chứa nhiều lưu huỳnh và các hợp chất của lưu huỳnh. Trong quá trình RFCC
có xảy ra các phản ứng không mong muốn trong đó có phản ứng tạo ra H 2 dưới tác
dụng của nhiệt lưu huỳnh và các hợp chất của lưu huỳnh sẽ tác dụng với H 2 tạo ra
các sản phẩm chứa lưu huỳnh trong đó có H2S.
Khi có mặt của những khí axit trên sẽ gây khó khăn trong quá trình vận chuyển,
chế biến hay ảnh hướng đến môi trường.

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

850
600
250
250
650
500
300
300
1000
1000
200
200
10
10
7,5
7,5

Hình 1.1 Sơ đồ nhà máy lọc dầu

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

15


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

1.1.3 Tác hại của khí axit
 Tác hại của khí axit trong quá trình chế biến

16


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

của các ao, hồ, thậm chí của một số sông, biển đều có màu đen nhờ quá trình hô
hấp sunfat của các vi khuẩn phân giải chất hữu cơ từ xác động thực vật trong
mô trường kị khí( như bùn của ao, hồ, sông, biển). Đó chính là màu của kết tủa
FeS. Chính do sự thiếu dưỡng khí cộng với các sản phẩm khí độc hại như H 2S,
mercaptan, ...được tạo ra trong nước, làm cho các loài động vật như tôm cá,
cùng hệ thực vật nước bị hủy diệt. Đồng thời đây cũng là nguồn gốc lây lan
dịch bệnh theo đường nước.
Hydrosunfua khi bị oxi hóa sẽ tạo thành các hợp chất sunfit, các hợp chất
này có khả năng tạo thành các cặp microgalvanic với thép nên các thiết bị kỹ
thuật và các đường ống tiếp xúc với sunfit nhanh chóng bị phá hủy.
Việc ngăn chặn quá trình ăn mòn sunfit thực sự nan giải. Mặc dù đã có
thêm các chất ức chế ăn mòn axit, nhừng các đường ống làm từ thép đặc biệt
không gỉ đều vẫn bị phá hỏng.
H2S kết hợp với các hợp chất không no tạo thành dạng mercaptan là các chất
hoạt động và có độc tính. Chúng là nguyên nhân chính làm giảm hoạt tính của
xúc tác do chúng có độ bền nhiệt cao, có khả năng làm tăng quá trình tạo nhựa,
tạo xỉ, cặn...gây thụ động hóa bề mặt xúc tác và tăng khả năng bị ăn mòn của
vật liệu chế tạo thiết bị.
Sự có mặt của oxi trong khí làm tăng đáng kể vận tốc ăn mòn. Oxi có thể lẫn
vào khí qua nhiều con đường khác nhau.
Sự có mặt của hơi ẩm( có thể là rất ít) là điều kiện thuận lợi xảy ra ăn mòn
kim loại. Sự có mặt đồng thời của H 2S, O2 và H2O là rất bất lợi cho quá trình
bảo vệ kịm loại, chống ăn mòn.

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

 Ảnh hưởng của H2S đến các quá trình công nghiệp
 Ảnh hưởng của H2S đến quá trình steam reforming metan có sử dụng xúc
tác Ni trên chất mang CeO2 và Al2O3.
Sự có mặt của H2S sẽ hạn chế tốc độ phản ứng steam reforming trên cả 2
loại xúc tác này, dẫn tới làm giảm lượng H 2 sinh ra. Với sự có mặt của H 2S ở
nồng độ 2-10 ppm, tốc độ phản ứng bị giảm đột ngột. Việc khảo sát ảnh hưởng
của áp suất riêng phần của H2S lên quá trình steam reforming metan cho thấy:
tốc độ phản ứng steam reforming giảm khi áp suất riêng phần của H2S tăng.
 Rạn nứt do khí H2S ẩm gây ra trong các nhà máy lọc dầu.
H2S ẩm có khả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhiều thiết bị và quá
trình xử lý trong nhà máy lọc dầu như:
-

Tại phân xưởng FCC, các tháp chưng cất, các thùng chứa ở trên đỉnh tháp
chưng cất phân đoạn, tháp hấp thụ … đều dễ bị hư hỏng do khí H 2S ẩm (gây
nên các hiện tượng phồng, HIC-hiện tượng ăn mòn do thẩm thấu hydro, SOHIC
- hiện tượng ăn mòn điểm bởi H 2S và SSC - hiện tượng ăn mòn do sunfit). Tháp
cất loại butan của phân xưởng FCC cũng bị tổn hại do SSC, hiện tượng phồng
và HIC.

-

Các bộ phận thu hồi toàn bộ hơi của phân xưởng cốc hóa. Sự có mặt của các
muối cyanua sẽ làm tăng đáng kể khả năng và tính nghiêm trọng của quá trình
phồng rộp và HIC.


1.2.1 Hấp phụ
Phương pháp này được sử dụng khi yêu cầu độ sạch của khí sản phẩm rất
cao và hàm lượng khí axit trong khí nguyên liệu bé. Tác nhân hấp phụ thường
là zeolithe.
Nếu dùng loại zeolithe 4A, 5A thì có thể thực hiện đồng thời quá trình dehydrate hóa
và quá trình khử axit. Khí sản phẩm khi sử dụng zeolithe 4A, 5A đạt yêu cầu kỹ thuật
rất cao [H2O] = 0.1ppm, [H2S] = 20 – 40 mg/m3. Ngoài ra, người ta còn dùng phổ biến
zeolithe 13A vì loại zeolithe này có thể tách được cả mercaptane (RSH). Tuy nhiên
thực tế dòng khí có cả H2S và CO2, khi có mặt CO2 thì zeolithe sẽ xúc tác cho phản
ứng giửa CO2 và H2S tạo thành COS:
H2S + CO2 → COS + H2O
Hiện nay, một số rây phân tử đang được nghiên cứu để làm chậm phản ứng
này. Tuy nhiên đặc điểm của zeolithe là dễ ngộ độc với hàm lượng vết của
glycol hoặc các sản phẩm phân hủy của glycol do vậy sẽ giảm dần hoạt tính và
tuổi thọ của zeolithe.
Nếu loại bỏ được các nguyên nhân gây ngộ độc trên thì tuổi thọ của zeolithe tăng lên 3
÷ 5 năm trước khi thay zeolithe mới.
SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

20


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

1.2.2 Thẩm thấu
Phương pháp này được áp dụng khi nồng độ của khí CO 2 trong khí cao và
yêu cầu độ sạch của khí sản phẩm là không cao lắm, có thể dùng tách đồng thời
cả nước.


GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

ΔPi: độ chênh lệch áp suất riêng phần của cấu tử i ở mặt trên và mặt dưới

màng lọc ( Pa, CmHg).
1.2.3 Chưng cất ở nhiệt độ thấp
Phương pháp này chỉ được sử dụng decarbonate hóa khí. Phương pháp này
sử dụng khi nồng độ CO2 trong khí cao. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc
khí carbonic sẽ kết tinh ở nhiệt độ thấp để tách CO2 ra ( CO2 kết tinh ở -56.4 oC)
Nhược điểm của phương pháp này có chi phí năng lượng cao dẫn đến giá thành sản
phẩm cao, nhưng dùng để làm sạch sơ bộ khí CO2 khi hàm lượng CO2 trong khí cao.
1.2.4 Hấp thụ
 Nguyên tắc của quá trình hấp thụ
Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp
thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là chất hấp phụ hay còn gọi là dung môi hập thụ,
khí không bị hấp thụ là khí trơ. Quá trình hấp thụ đóng vai trò quan trọng trong
công nghiệp hóa học, nó dùng để:
-

Thu hồi cấu tử quý.

-

Làm sạch khí.

-

Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng.


không thể tách ra được trong quá trình tái sinh dung môi. RVP tương đối cao so
với các amine khác nên sẽ bị hao hụt nhiều hơn.
Do những lí do trên, ta chỉ dùng MEA khi yêu cầu hiệu suất khử khí axit
cao, nồng độ của khí axit trong khí nguyên liệu nhỏ và không có COS, CS 2
trong thành phần khí nguyên liệu.
Dung môi DEA: Dung môi được sử dụng là dung dịch nước
diethanolamine (DEA), là amine bậc 2, được sử dụng rộng rãi hơn so với MEA.
DEA kém ăn mòn hơn so với MEA nên có thể sử dụng nó với nồng độ 25 ÷ 30
%wt dung dịch.

-

Ưu điểm của quá trình: Đảm bảo làm sạch triệt để khí khỏi H 2S và CO2 với sự
có mặt của COS và CS2 ( do sản phẩm phản ứng của DEA với COS và CS 2 bị
phân hủy trong quá trình tái sinh dung môi đến CO 2 và H2S ). Dung dịch DEA
bền về mặt hóa học, có áp suất hơi bảo hòa thấp nên ít tổn thất hơn so với
MEA, công nghệ và thiết bị đơn giản. Sản phẩm phân hủy của DEA có tính ăn
mòn ít hơn so với sản phẩm phân hủy của MEA.

-

Nhược điểm của quá trình: Khả năng hấp thụ của dung môi thấp do nó là amine
bậc 2 nên có ái lực với H 2S và CO2 nhỏ, nhất là với dòng khí nguyên liệu có áp

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

23


Đồ án tốt nghiệp


MEA

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

DEA

DGA

MDEA

24


Đồ án tốt nghiệp

Khoảng nồng độ, %wt
Khả năng hấp thụ mol/mol

15÷20
0,3÷0,3
5

25÷30
0,3÷0,4

50÷70

20÷50


hạn chế

không

rất tốt

Khả năng hấp thụ chọn lọc
H2 S

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

25