Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

LỜI MỞ ĐẦU
Khí tự nhiên và khí đồng hành là nguyên – nhiên liệu quan trọng, có hiệu quả
kinh tế cao trong đời sống và công nghiệp hóa học. Ở Việt Nam, nhu cầu tiêu thụ LPG
tăng trưởng một cách nhanh chóng: năm 1991 nhu cầu LPG cả nước là 50.0000 tấn;
năm 2000 là 400.000 tấn; năm 2010 là 1.2 triệu tấn. Dự báo năm 2015 nhu cầu sử
dụng LPG cả nước khoảng 1.5 triệu tấn và đến năm 2020 là 2 triệu tấn. Lượng LPG
sản xuất trong nước chiếm 40%, còn lượng nhập khẩu chiếm 60%, khoảng 1.2 triệu
tấn LPG nhập khẩu vào năm 2020. Khi các cụm công nghiệp hóa dầu của Việt Nam đi
vào hoạt động thì lượng nhập khẩu LPG sẽ cao hơn nữa.. Với nhu cầu lớn như vậy
việc tính toán thiết kế xây dựng các nhà máy chế biến khí có công suất lớn, sản phẩm
phong phú, hiệu quả kinh tế cao là một yêu cầu cấp thiết. Tăng công suất các nhà máy
chế biến khí là đã tăng nhịp độ phát triển của công nghiệp dầu khí. Điều đó phụ thuộc
rất nhiều yếu tố như: công nghệ chế tạo thiết bị, vấn đề khai thác, vận chuyển khí, sử
dụng nguyên liệu và sản phẩm. Đặc biệt là nguồn tài nguyên khí tự nhiên và khí đồng
hành của từng nước.
Khí tự nhiên và khí đồng hành bên cạnh thành phần chủ yếu là các hydrocacbon
no còn có một lượng nhỏ các khí khác như He, N 2, CO2, H2S ... Trong đó các khí CO2,
H2S gọi là các khí axit được đặc biệt quan tâm vì khi có mặt ở một hàm lượng đủ lớn
sẽ gây những trở ngại cho các quá trình chế biến, vận chuyển, sử dụng và bảo quản
khí. Do vậy vấn đề làm sạch khí khỏi các cấu tử axit là một vấn đề không thể thiếu khi
thiết kế nhà máy chế biến khí.
Trong ngành công nghiệp hóa học, phần mềm mô phỏng HYSYS (sản phẩm của
công ty AspenTech – Canada) đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc nghiên cứu
thiết kế công nghệ phân tích vận hành và tối ưu hóa hệ thống, tối ưu về mặt kinh tế,
điều khiển các quá trình công nghệ gần với các quá trình trong thực tế.
Vì vậy mục đích của đồ án này là thiết kế, mô phỏng tĩnh một sơ đồ công nghệ
làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ dùng Diethanolamine (DEA) bằng phần mềm

Hysys.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Đình Chiển đã nhiệt tình giảng dạy và giúp
đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.

Vũng tàu, ngày 20 tháng 11 năm 2012
TM nhóm:

GVHD: TS. Lê Đình Chiển

1


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ LÀM NGỌT KHÍ
I. Mục đích
Trong thành phần của khí tự nhiên và khí đồng hành bên cạnh thành phần chính
là các hydrocacbon no còn có chứa một lượng đáng kể các tạp chất có tính axit như
cacbonic (CO2), hydrosunfua (H2S) và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác như oxyt lưu
huỳnh cacbon (COS), disunfua cacbon (CS2), mecaptan (RSH)... Các tạp chất kể trên
là các tạp chất không mong muốn trong quá tr ình khai thác, chế biến, vận chuyển, sử
dụng và bảo quản khí cho mục đích làm nguyên liệu đốt, tổng hợp hữu cơ – hóa
dầu…. Sự tồn tại của các khí axit gây nên sự ăn mòn kim loại, giảm hiệu quả của các
quá trình xúc tác, làm ngộ độc xúc tác, gây ô nhiễm môi trường, độc hại cho người sử
dụng... Bên cạnh đó sự có mặt ở hàm lượng cao CO 2 trong khí cũng làm giảm nhiệt trị
của khí, giảm hiệu quả của quá trình vận chuyển khí.
Với các nguy hại đã trình bày, thì sự có mặt của các cấu tử mang tính axit trong

khí cần phải được khống chế ở một hàm lượng đủ nhỏ nhằm giảm thiểu những tác hại
mà các khí axit này gây ra cho thiết bị, máy móc, môi trường và sinh vật. Cộng hòa
liên bang Nga quy định hàm lượng H 2S không được vượt quá 22 mg/m 3 còn Mỹ quy
định khắt khe hơn: hàm lượng H 2S không được vượt quá 5,7 mg/m 3; nồng độ CO2
trong khoảng 1÷2% thể tích...

II. Cơ sở lý thuyết
Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu nhằm làm sạch khí tự nhiên và khí đồng
hành khỏi các cấu tử axit bằng các phương pháp hấp phụ và phương pháp hấp thụ.
Việc lựa chọn các phương pháp làm ngọt khí cần chú ý đánh giá thành phần của
nguyên liệu bao gồm cả tạp chất mà trong khí thành phẩm yêu cầu phải loại bỏ. Một số
tạp chất khi tác dụng với các dung môi có thể hình thành các hợp chất hóa học mà
trong giai đoạn tái sinh sẽ không bị phân hủy (phản ứng không thuận nghịch trong điều
kiện quá trình). Điều này dẫn đến giảm hoạt tính dung môi và kết quả là dung môi mất
hoàn toàn hoạt tính.
Thực tế cho thấy, những lượng tạp chất nhỏ đôi khi lại gây những ảnh hưởng rất
lớn đến việc lựa chon dung môi hoặc công nghệ làm sạch khí. Tỷ lệ H 2S/CO2 trong khí
nguyên liệu cần phải được các nhà công nghệ xem xét thận trọng do nồng độ H 2S
trong các khí axit là yếu tố quyết định lựa chọn công nghệ, phương pháp làm sạch khí,
phương pháp xử lý và thu hồi chất thải của công nghệ...
Dưới đây là các phương pháp và công nghệ làm ngọt khí đã và đang được áp
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

2


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất


dụng trên thế giới:
1. Quá trình hấp thụ
a. Cơ sở hóa – lý
Hấp thụ là quá trình pha lỏng hút pha khí. Khí được hút gọi là chất bị hấp thụ,
chất lỏng dùng để hút gọi là chất hấp thụ. Đi kèm với quá trình hấp thụ là quá trình
nhả hấp thụ.
Hấp thụ và nhả hấp thụ là hai quá trình chuyển khối cơ bản được sử dụng để tách
các cấu tử không mong muốn ra khỏi khí tự nhiên và khí đồng hành. Bản chất hóa lý
của quá trình là sự hình thành cân bằng pha giữa hai pha khí – lỏng do sự khuếch tán
của các chất từ pha nọ sang pha kia. Động lực của quá trình khuếch tán là sự chênh
lệch áp suất riêng phần giữa các cấu tử trong pha lỏng và pha khí. Nếu áp suất riêng
phần của các cấu tử trong pha khí lớn hơn trong pha lỏng thì sẽ xảy ra quá trình hấp
thụ (chất lỏng hấp thụ chất khí), còn ngược lại thì xảy ra quá trình nhả hấp thụ (chất
khí được tách ra khỏi pha lỏng). Thực tế, tính toán động lực của quá trình khuếch tán
được tính qua nồng độ các cấu tử, vì áp suất riêng phần tỷ lệ thuận với nồng độ.
Chất hấp thụ cần thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Có khả năng hấp thụ chọn lọc
- Có áp suất hơi bão hòa bé để mất mát dung môi trong quá trình là bé nhất.
- Nhiệt dung riêng bé, tiêu tốn năng lượng cho quá trình tái sinh nhỏ.
- Nhiệt độ sôi khác xa với nhiệt đội sôi của chất bị hấp thụ, nhờ thế dễ dàng tái
sinh dung môi bằng chưng cất.
- Nhiệt độ đóng rắn thấp, không bị đóng rắn tại nhiệt độ làm việc.
- Độ nhớt của chất hấp thụ nhỏ.
- Không tạo thành kết tủa khi hấp thụ.
- ít ăn mòn, ít bay hơi, mất mát ít trong quá trình.
- Có độ bền nhiệt và độ bền oxy hóa
- Không độc hại cho con người và môi trường.
- Giá thành rẻ, dễ kiếm.
Trong nhà máy chế biến khí nói riêng và trong công nghệ lọc – hóa dầu nói
chung quá trình hấp thụ được sử dụng khá phổ biến. Quá trình hấp thụ và nhả hấp thụ

được tiến hành theo một chu trình kín và liên tục.
b. Phân loại
Để tách các cấu tử có tính axít trong khí tự nhiên và khí đồng hành người ta sử
dụng chủ yếu là các quá trình hấp thụ bởi tính hiệu quả và kinh tế của nó. Dưới đây là
các quá trình hấp thụ được phân loại theo đặc điểm tương tác của khí axit với dung
môi (chất hấp thụ): hấp thụ hóa học, hấp thụ vật lý và quá trình tổ hợp.
 Quá trình hấp thụ hóa học
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

3


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Các quá trình hấp thụ hóa học làm sạch khí bằng dung môi là những dung dịch
nước alkanolamin (monoetanol amin, dietanol amin, diglycol amin...) chúng dựa trên
phản ứng hóa học của các hợp chất không mong muốn với alkanolamin.
Các quá trình amin đảm bảo làm sạch triệt để khí khỏi H 2S, CO2 với áp suất và
nồng độ làm việc của chúng trong khí ban đầu khác nhau, độ hòa tan các hydrocacbon
trong những chất hấp thụ này không cao. Thiết bị và công nghệ của quá trình đơn giản
và bền.
Nhược điểm cơ bản của quá trình là không tách được toàn bộ H 2S, CO2, RSH,
COS và CS2. Mức độ tách mercaptan và các hợp chất chứa lưu huỳnh khác thấp, tương
tác của mercaptan, COS và CS 2 với một số dung môi kể trên tạo thành hợp chất không
thể tái sinh được trong điều kiện của quá trình. Muốn tái sinh dung môi khi có mặt
mercaptan, COS và CS2 trong khí tự nhiên và khí đồng hành cần phải có bậc tuần hoàn
của chất hấp thụ cao, tiêu hao nhiệt lượng lớn. Một điều cần lưu ý rằng chất hấp thụ và
sản phẩm tương tác của chúng với các tạp chất chứa trong khí có thể làm tăng tính ăn

mòn thiết bị, đòi hỏi vật liệu và công nghệ chế tạo thiết bị tốn kém.
Bảng 1 dưới đây đưa ra một vài tính chất hoá lý cơ bản của các alkanolamin
thường dùng.
Bảng 1: Tính chất hóa lý cơ bản của MEA, DEA, DIPA, DGA
Dung môi

MEA

DEA

DIPA

DGA

61

105,1

133,2

105,1

1018

1090

989

1055


110 Pa

171

…..

248,7

221

660 Pa
1320 Pa

100

187

167

…...

69

150

133

…...

48


1,33

1,33

1,33

Nhiệt độ đông đặc (°C)

10,5

28

42

9,5

Độ nhớt tuyệt đối (Pa.s)

0,241
(ở 20°C)

0,38
(ở 30°C)

0,198
(ở 45°C)

0,026
(ở 24°C)


Độ hòa tan trong nước (%KL) ở 20°C

hoàn toàn

96,4

87

hoàn toàn

1486,4

1205,9

722,5

917,4

TC hóa – lý
Khối lượng phân tử

Khối lượng riêng (kg/m3)
Nhiệt độ sôi (0C) ở áp suất:

Áp suất hơi bão hòa (Pa) ở 20°C

Nhiệt hóa hơi (J/kg) ở 105 Pa

 Quá trình hấp thụ vật lý

Các quá trình làm sạch khí bằng phương pháp hấp thụ vật lý các cấu tử axit trong
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

4


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

khí tự nhiên và khí đồng hành bằng dung môi hữu cơ (propylen cacbonat, đimetyl ete
polyetylenglycol, N-metyl pirrolidon...). Chúng dựa trên hấp thụ vật lý chứ không phải
là các phản ứng hóa học như quá trình hấp thụ hóa học.
Trên nguyên tắc các dung môi hữu cơ có thể sử dụng để làm sạch toàn bộ khí
khỏi H2S, CO2, RSH, COS và CS2 khi áp suất riêng phần của chúng lớn trong điều
kiện hấp thụ. Chất hấp thụ thường không sủi bọt, không ăn mòn thiết bị, có nhiệt độ
đông đặc thấp... Với các ưu điểm này thì việc sử dụng dung môi hữu cơ cho quá trình
rất thích hợp khi áp dụng tại những vùng có điều kiện nhiệt độ khí hậu lạnh.
Khi áp suất riêng phần của các hợp chất không mong muốn cao, quá trình làm
sạch khí bằng dung môi hữu cơ có yêu cầu chi phí đầu tư và vận hành ít hơn đối với
việc thực hiện quá trình hấp thụ hóa học bằng amin. Việc tái sinh chất hấp thụ vật lý
diễn ra trong nhiều trường hợp không cần cấp nhiệt mà nhờ giảm áp suất hệ thống.
Nhược điểm cơ bản của quá trình là dung môi hữu cơ được sử dụng lại hấp thụ
thương đối tốt các hydrocabon. Nhiều trường hợp việc làm sạch khí là chưa triệt để.
 Quá trình tổ hợp
Quá trình tổ hợp làm sạch khí tự nhiên và khí đồng hà nh khỏi các cấu tử axit
bằng hỗn hợp dung dịch nước alkanolamin với dung môi hữu cơ như sulfolan,
metanol... Chúng dựa trên hấp thụ vật lý các hợp chất không mong muốn bằng dung
môi hữu cơ và tương tác hóa học với alkanolamin, là phần phản ứng tích cực của chất
hấp thụ. Quá trình đã kết hợp được nhiều ưu điểm của hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa

học, nổi bật là việc làm sạch triệt để H 2S, CO2, RSH, COS và CS2 khỏi khí tự nhiên và
khí đồng hành.
Nhược điểm cơ bản của quá tr ình là sự hấp thụ tương đối tốt các hydrocacbon.
Điều này làm hạn chế' việc thu hồi để sản xuất lưu huỳnh sau khi tiến hành tái sinh
chất hấp thụ.
Quá trình hoạt động hiệu quả nhất khi đảm bảo tỷ lệ các cấu tử axit trong khí
H2S/CO2 > 1 và áp suất riêng phần của chúng 7÷8 MPa. Độ bão hòa của sulfinol có thể
đạt 85% (cao hơn của MEA vài lần). Vì vậy thực hiện quá tr ình sulfinol cần tuần hoàn
dung dịch ít hơn, chi phí vận hành thấp hơn. Nhưng thực tế cũng cho thấy khi áp suất
riêng phần nhỏ thì sử dụng dung môi MEA và Sulfinol hiệu quả là như nhau.
2.

Quá trình hấp phụ
Hấp phụ là quá trình hút các chất lên bề mặt xốp của chất rắn nhờ các ái lực trên
bề mặt. Các vật liệu này được gọi là chất hấp phụ, chất bị hút gọi là chất bị hấp phụ.
Lực hấp phụ hóa học do lực hút phân tử Vanderwall tác dụng trong khoảng không gian
gần sát bề mặt gọi là hấp phụ vật lý. Mỗi phân tử bị hấp phụ (pha khí hay lỏng) đều
giảm độ tự do, nên hấp phụ luôn kèm theo sự tỏa nhiệt.
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

5


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Trong công nghệ làm ngọt khí nếu dùng phương pháp hấp phụ sẽ đáp ứng tốt với
khí có hàm lượng H2S , RSH trung bình và thấp. Phương pháp có độ chọn lọc cao, H 2S
thu được có độ tinh khiết cao, ít chịu ảnh hưởng của áp suất. Chi phí cho chất hấp thụ

là tương đối thấp. Nhưng nhược điểm lớn của quá trình hấp phụ trong làm ngọt khí đó
là quá trình xảy ra chậm, chất hấp phụ khó tái sinh, hiệu quả của quá trình thấp nên
phương pháp sử dụng chất hấp phụ là ít phổ biến.
Một số chất hấp phụ có thể dùng để làm ngọt khí:
o Silicagel, Al2O3, than hoạt tính, zeolit.
o Các oxit kim loại: Fe2O3, ZnO,...

III. Sơ đồ nguyên lý công nghệ làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ
dùng DEA
II

8
6

2

VI

4

1

I

10
IV

V
11


III

3
9

7

VII

5

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý công nghệ làm ngọt khí bằng phương pháp hấp thụ dùng DEA

Ký hiệu:
1. tháp hấp thụ; 2,3,4. thiết bị phân ly; 5,6. thiết bị làm nguội bằng không khí;
7,8. thiết bị làm lạnh bằng nước; 9. thiết bị trao đổi nhiệt; 10. tháp nhả hấp thụ; 11.
Bộ phận đun nóng; I. khí nguyên liệu; II. khí sạch(khí ngọt); III. Dung môi bão hoà;
IV. khí phân ly; V. Dung môi đã nhả hấp thụ một phần; VI. khí axit; VII. Dung môi đã
tái sinh tuần hoà trở lại tháp hấp thụ.

CHƯƠNG II
TỔNG QUAN VỀ HYSYS
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

6


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

I.


Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Giới thiệu chung

Hysys là phầm mềm chuyên dụng dùng để tính toán và mô phỏng công nghệ
được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó các quá trình xử lý và chế biến khí được
sử dụng nhiều nhất.
Hysys là sản phẩm phần mềm của công ty Hyprotech – Canada thuộc công ty
AEA Technologie Engineering Software-Hyprotech Ltd. Hiện tại thuộc về công ty
AspenTech của Mỹ. Là một phần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có
độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá
trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông số trong quá trình thiết kế nhà máy chế
biến khí. Ngoài thư viện có sẵn, Hysys cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng
rất thuận tiện cho việc sử dụng. Ngoài ra Hysys còn có khả năng tự động tính toán các
thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin. Đây chính là điểm mạnh của Hysys giúp
người sử dụng tránh những sai sót và đồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu
khác nhau.
Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng:
o Steady Mode: Trạng thái tĩnh, sử dụng thiết kế công nghệ cho một quá trình.
o Dynamic Mode: Trạng thái động, mô phỏng thiết bị hay quy trình ở trạng thái
đang vận hành liên tục, khảo sát sự thay đổi các đáp ứng của hệ thống theo sự
thay đổi của một vài thông số.

II.

Thao tác thực hiện quy trình công nghệ

Sau khi khởi động Hysys, để thiết kế một qui trình công nghệ ta cần tiến hành
các bước sau:

• Bước 1: Thiết lập hệ đơn vị sử dụng: Từ Menu Bar chọn Tools\Preferences để
mở ra cửa sổ Preferences và sau đó lựa chọn Variable Tab. Chúng ta có thể lựa
chọn hệ đơn vị trong thư viện có sẵn (như hệ đơn vị SI, Field…) hay chúng ta
có thể tạo ra một hệ đơn vị để phù hợp với quy trình công nghệ.
• Bước 2: Chúng ta có hai trường hợp lựa chọn:
+ Mở một quy trình đã được thiết lập: Nhấp File/Open Case.
+ Thiết lập một quy trình mới: Nhấn File/New Case.
• Bước 3: (chỉ thực hiện khi bước 2 thiết lập một quy trình mới): tạo New Fluid
Package hoặc chọn một Fluid Package đã có sẵn từ trước.
Khi tạo New Fluid Package cần cung cấp thông tin về thuật toán dùng để tính
toán và thành phần các cấu tử có mặt trong toàn bộ quá trình mô phỏng. Việc xác định
thuật toán có ý nghĩa quan trọng vì điều này sẽ quyết định đến phương pháp tính toán
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

7


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

và kết quả của quá trình. Thông thường lựa chọn hệ nhiệt động Peng Robinson hoặc
SRK cho các hệ dầu, khí và hoá dầu.
Ngoài việc lựa chọn các thành phần các cấu tử có sẵn, Hysys còn cho phép người
sử dụng lựa chọn các hệ giả định, đây là những hệ không bao gồm từng cấu tử riêng lẻ
mà được xác định thông qua các thông tin về tính chất hoá lý như đường cong ASTM,
TBP...
• Bước 4: Nhấn chọn Enter Simulation Environment để vào môi trường mô
phỏng PFD, từ đây chúng ta có thể thiết lập các dòng và các thiết bị cần thiết
cho quy trình công nghệ.

• Bước 5: Xuất kết quả của quá trình mô phỏng dưới dạng dữ liệu thông qua
Report (chọn Tool/Reports) hoặc bằng đồ thị và giao diện mô phỏng.
• Bước 6: Trong trường hợp muốn xem mô hình động của quá trình (chuyển sang
Dynamic Mode) thì cần thực hiện các bước sau:
+ Thiết lập các thông số động của quá trình qua trang Dyn Property Model
+ Xác định kích thước của các thiết bị cùng với các thông số cần thiết như
số vòng quay của bơm, quạt, máy nén…
+ Thiết lập các bộ điều khiển và các bảng theo dõi.

III.

Ứng dụng
Hysys bao gồm các ứng dụng sau:
 Hysys.Concept: Thiết kế và bảo vệ hệ thống phân tách một cách hiệu quả nhất.
 Hysys.Process: Giảm thấp nhất vốn đầu tư và chi phí vận hành, chọn lựa cách
bảo quản, các đặc tính và phân loại thiết bị, trang bị và sữa chữa các thiết bị để
cải tiến quá trình hoạt động và điều khiển nhà máy.
 Hysys.Plant: Sử dụng công cụ mô phỏng để đưa ra các điều kiện thuận lợi, đánh
giá hoạt động của nhà máy hiện hành, trang bị các thiết bị để đạt được độ tin
cậy về hoạt động, an toàn, lợi nhuận cao nhất. Cải tiến các thiết bị có sẵn và mở
rộng quy mô nhà máy hiện hành.
 Hysys.OTS: Những qui trình hướng dẫn hoạt động giúp người vận hành nắm
bắt về công nghệ, mức độ an toàn trong hoạt động của nhà máy, làm theo
những qui tắc hướng dẫn về an toàn và vận hành để tăng lợi nhuận.
 Hysys.RTO+: Tối ưu hiệu quả nhà máy, chuyển đổi mô hình sản xuất, sử dụng
công nghệ có sẵn và tăng lợi nhuận trong hoạt động bằng cách cho phép những
thay đổi về công nghệ và sản phẩm.
 Economix: Những dữ liệu thu được từ mô phỏng là công cụ cơ bản để dựa vào
nó mà có những thông tin xác thực nhằm quyết định về vấn đề đầu tư và xây
dựng một cách có hiệu quả nhất.


GVHD: TS. Lê Đình Chiển

8


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

IV.

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Những ưu điểm của phần mềm Hysys

Hysys cho độ chính xác khá cao. Trong Hysys việc mô phỏng được hướng dẫn
một cách cặn kẽ trong quá trình làm nền tương đối đơn giãn, Hysys có khả năng báo
lỗi bằng màu đỏ tại các thiết bị mô phỏng khi ta nhập dữ liệu không hợp lệ hoặc nhập
thiếu dữ liệu. Việc điều hành và tính toán các thông số công nghệ của dòng và các
thiết bị trong nhà máy mang tính logic cao, việc thêm bớt các thiết bị cũng đơn giản và
không cần đòi hỏi nhập lại các số liệu ban đầu cũng như thiết lập một quy trình. Khi
mô phỏng thì Hysys có các khả năng sau:
 Khả năng tính toán các thông số còn lại khi đã biết đủ các thông số liên quan.
Trong Hysys, người ta đã lập ra nhiều mô hình nhiệt động và phương trình tính
toán các đặc trưng lý hoá của tất cả các cấu tử và hợp chất.
 Khả năng tính toán hai chiều và khả năng sử dụng thông tin một phần. Chương
trình chia làm nhiều phần nhỏ (các đơn vị unit khác nhau). Mỗi unit là một thiết
bị như: tháp chưng cất, máy nén, bình tách... có khả năng xác định xem các
thông số nào đã biết hoặc các thông số nào có thể tính toán từ các dòng nối với
các unit đó.
 Khả năng truyền dữ liệu. Khi Hysys được cung cấp thêm một thông tin mới,

chương trình lập tức sẽ thực hiện các tính toán có thể rồi chuyển kết quả mới
này tới các thiết bị sử dụng chúng. Trong quá trình chạy, Hysys sẽ thực hiện
việc truyền dữ liệu và các phép tính lặp để đưa ra kết quả tối ưu từ những thông
số mà người mô phỏng nhập vào.
 Khả năng tự động tính toán lại. Khi người mô phỏng loại bỏ một thông số hoặc
một thiết bị nào đó, Hysys sẽ tự động loại bỏ tất cả các thông số tính toán được
từ các thông số cũ và giả định chúng là chưa biết. Các thông số không liên quan
đến thông số bị loại bỏ sẽ vẫn được giữ lại.

CHƯƠNG III
MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

9


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Dòng khí tự nhiên bão hòa hơi nước ở nhiệt độ 25°C được đưa vào tháp hấp thụ
bằng amin (amine contactor). Dung dịch Diethanolamine (DEA) có nồng độ phần khối
lượng là 28% trong nước được dùng làm chất hấp thụ. Tháp hấp thụ (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 tháp hấp thụ 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 95 oC. Tháp tái sinh
(regenerator) cũng gồm 20 đĩa. Khí acid ra khỏi tháp tái sinh ở 50 oC, trong khi dòng
amine tái sinh có nhiệt độ khoảng 110 oC. Dòng amine tái sinh được làm lạnh và quay
trở lại tháp hấp thụ.


I. Thông số đầu vào của dòng nguyên liệu và thiết bị chính
• Các dòng nguyên liệu


Dòng khí đầu vào
+ Thành phần khí:

Cấu tử

N2

H2S

CO2

C1

C2

C3

i-C4

Phần mole

0.0016

0.0172


0.0413

0.8692

0.0393

0.0093

0.0026

Cấu tử

n-C4

i-C5

n-C5

C6

H2O

DEA

Phần mole

0.0029

0.0014


0.0012

0.0018

0.0122

0.0000

+ Nhiệt độ khí đầu vào: 25°C
+ Áp suất: 6900 kPa
+ Lưu lượng mole: 1250 kgmole/h


Dòng amine nghèo vào thiết bị hấp thụ amine
+ Thành phần:
Thành phần

H2O

DEA

Phần khối lượng

0.72

0.28

+ Nhiệt độ: 35°C
+ Áp suất: 6850 kPa
+ Lưu lượng thể tích: 43 m3/h

• Tháp hấp thụ:
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

10


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

+ Nhiệt độ trong khoảng: 40 ÷ 70°C
+ Áp suất cao từ : 6850 ÷ 6900 kPa
• Tháp tái sinh:
+ Nhiệt độ cao: 100 ÷ 125°C
+ Áp suất trong khoảng: 190 ÷ 220 kPa

II. Sơ đồ PFD rút gọn
Hình 3.1: Sơ đồ PFD rút gọn của quá trình làm ngọt khí bằng dung môi DEA.

III. Tiến hành mô phỏng
1.

Tạo lập cơ sở mô phỏng
Sử dụng hệ nhiệt động Amines Property Package với các cấu tử như sau : N 2,
H2S, CO2, C1, C2, C3, i-C4, n-C4, i-C5, n-C5, C6, H2O, DEA.
Trong Amines Property Package không chứa các cấu tử giả định, các mô hình
nhiệt động được phát triển bởi D.B. Robinson & Associates áp dụng cho mô phỏng
các phân xưởng amine.

2. Nhập các dòng nguyên liệu

a. Nhập dòng khí nguyên liệu vào với các tham số sau:
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

11


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Name

Sour Gas

Temperature

25oC

Pressure

6900 kPa

Molar Flow

1250 kgmole/h

Component

Mole Fraction


N2

0.0016

H2 S

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

H2 O

0.0122

DEA

0.0000

b. Nhập dòng thứ 2 để bổ sung cho dòng amine nghèo (lean amine) vào thiết bị
hấp thụ amine (Amine Contactor) với các tham số sau:
Name

DEA to Contactor

Temperature


35oC

Pressure

6850 kPa

LiaVol Flow

43 m3/h

Component

Mass Fraction

H2 O

0.72

DEA

0.28

3. Nhập các thiết bị cho sơ đồ mô phỏng
a. Tháp tách (separator Operation)
Nước tự do được tách khỏi khí bằng thiết bị phân tách FWKO TK.

GVHD: TS. Lê Đình Chiển

12



Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Connections
Name

FWKO TK

Feed

Sour Gas

Vapour Outlet

Gas to Contactor

Liquid Outlet

FWKO

b. Tháp hấp thụ (contactor Operation)
Nhập Absorber column với các tham số sau:
Connection

Name

DEA Contactor


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

Parameters/Amines
Tray Section

TS-1


Top

6850 kPa

Weir Height

0.0025 m

Bottom

6900 kPa

Weir Length

1.000 m

Estimates

Tray Diameter

1.200 m

Top Temperature

40oC

Bottom Temperature

70oF


Ovhd Vap Rate

1245 kmole/h

Ta cần nhập số đĩa thực tế được sử dụng trong tính toán tháp hấp thụ và tháp tái
sinh. Trong tháp này các cấu tử CO 2 và H2S có thành phần phần mol thay đổi theo các
đĩa (giảm dần từ dưới lên trong pha khí). 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.
c. Van (Valve Operation)
Dòng amine giàu (Rich DEA) từ tháp hấp thụ (Absorber) được chuyển trực tiếp
qua van VLV-100, ở đó áp suất giảm xuống còn 620 kPa được đưa tới tháp tách.
Nhập van với các thông số sau:
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

13


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Name

VLV-100

Connections
Inlet


Rich DEA

Outlet

DEA to Flash TK

Work Sheet
Pressure of DEA to Flash TK

620 kPa

d. Tháp tách (Separator Operation)
Các khí trong dòng amine giàu (Rich DEA) được loại bỏ bằng việc sử dụng thiết
bị tách nhanh để thu dòng amine giàu ở đáy tháp.
Nhập một bình tách với các thông số như sau:
Connections
Name

Flash TK

Feed

DEA to Flash TK

Vapour Outlet

Flash Vap

Liquid Outlet


Rich to L/R

e. Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger Operation)
Dòng nguyên liệu cho tháp tái sinh (Regen Feed) được gia nhiệt đến 95°C trong
thiết bị trao đổi nhiệt (L/R HEX) giữa dòng amine giàu và dòng nghèo (lean/rich
exchanger), 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 Connections
các tham số sau:
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

Shellside Delta P

70 kPa

Heat Exchanger Mode
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

Worksheet/Conditions
14
Temperature,
Regen Feed

Exchanger Design
(Weighted)

95°C


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

f. Tháp tái sinh (Regenerator Operation)
Tháp tái sinh amine (Amine Regenerator) được mô phỏng như một tháp chưng
cất (Distillation Column). Có 20 đĩa, trong tháp có 18 đĩa cộng với thiết bị đun nóng
đáy tháp (Reboiler) và ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser). Hệ số tách (efficiencies) của
các cấu tử là hằng số, bằng 0.8 đối với H 2S 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.

Hệ số giảm dần (Damping Factors) bằng 0.4 sẽ tính toán nhanh hơn và hội tụ ổn định
hơn. Hệ số giảm dần 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:
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/Solver
Fixed Damping Factor

0.40

Solving Method

Modified HYSIM Inside-Out

Parameters/Profiles
Condenser Pressure

190 kPa

Condenser Delta P

15 kPa

Reboiler Pressure

220 kPa

Tray 1 Temperature


100°C

Reboiler Temperature

125°C

Parameters/Efficiencies
CO2

0.15

H2S

0.8

Design/Monitor/Specifications
Reflux Ratio (Estimate)
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

1.5
15


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Ovhd Vap Rate (Estimate)


75 kgmole/h

Design/Specs/Add
Column Temperature, Condenser

50°C

Column Duty, Reboiler

1.3e7 kJ/h

g. Thiết bị trộn hỗn hợp (Mixer Operation)
Việc bổ sung nước là cần thiết vì nước bị mất mát tại tháp hấp thụ và các dòng
sản phẩm đỉnh của tháp tái sinh. Thiết bị Mixer kết hợp dòng amine nghèo từ tháp tái
sinh với một dòng nước đã qua xử lý. Các dòng này được trộn ở cùng áp suất.
Nhập thiết bị trộn với các thông số như sau:
Nhập dòng mới:
Connections
Name

Makeup H2O

Temperature 20oC
Compenent

Mole Fraction

H2 O

1.0


h. Thiết bị làm lạnh (Cooler Operation)
Nhập một thiết bị làm lạnh (Cooler) với các thông số như sau:
Connections
Name

Cooler

Feed Stream

DEA to Cool

Product Stream

DEA to Pump

Energy Stream

Cooler Q

Parameters
Pressure Drop
i. Bơm

(Pump
Operation)
một
bơm
các tham số


Nhập
(Pump) với
như sau:

GVHD: TS. Lê Đình Chiển

35 kPa

16


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất
Connections
Inlet

DEA to Pump

Outlet

DEA to Recycle

Energy

Pump Q

Work Sheet
Temperature for DEA to Recycle


35oC

j. Thiết bị cài đặt (Set)
Thiết bị cài đặt (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.
Nhập một thiết bị cài đặt (Set) với các thông số như sau:
Connections
Name

SET-1

Object, Target Variable

DEA to Recycle

Variable, Target Variable

Pressure

Object, Source

Gas to Contactor

Parameters
k. Thiết bị hồi lưu Multiplier
1
(Recycle)
Offset (kPa)
-35 kPa

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.

GVHD: TS. Lê Đình Chiển

17


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

Trong quá trình làm ngọt này, dòng amine nghèo (DEA to Contactor) ban đầu
ước tính sẽ được thay thế bằng dòng DEA mới (DEA to Recycle). Contactor và
Regenerator sẽ chạy cho đến khi vòng tuần hoàn hội tụ.
Nhập một thiết bị hồi lưu (Recycle) với các thông tin như sau:
Connections

IV. Kết quả mô phỏng


Name

RCY-1

Inlet

DEA to Recycle

Outlet

DEA to Contactor

Parameters/Variable

Dựa vào bảng 3.1, Datasheet
của dòng khí đã được làm ngọt ta
thấy rằng hàm lượng H2S và CO2
trong khí nguyên liệu sau khi qua xử
lý đã giảm hẳn, phần trăm về thể tích
của H2S trong khí đã làm ngọt là 0%,
của CO2 là 0,17%. Như vậy khí sau

Vapour Fraction

10.00

Temperature

10.00


Pressure

10.00

Flow

10.00

Enthalpy

10.00

Composition

10.00

Entropy

10.00

khi xử lý đã đạt tiêu chuẩn là khí ngọt.
Bảng 3.1: Kết quả dòng vật chất của quá trình mô
phỏng

GVHD: TS. Lê Đình Chiển

18



Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

CHƯƠNG IV
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

19


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

PHỤ LỤC
I.

PFD có show table
(Hình 3.2 trang 21)

II.

Datasheet
(Bảng 3.3 trang 22÷23)

III.

Workbook
(Bảng 3.4 trang 24)
Bảng 3.2: sổ làm việc của quá trình làm ngọt


GVHD: TS. Lê Đình Chiển

20


GVHD: TS. Lê Đình Chiển

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

21

Hình 3.2: Sơ đồ PFD có thể hiện các giá trị trên bảng

Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng


Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

KẾT LUẬN
Với mục đích “Mô phỏng quá trình làm ngọt khí bằng phần mềm hysys”. Đồ
án đã giải quyết được một số vấn đề sau :
o Tìm hiểu về tháp hấp thụ, giải hấp thụ và các thiết bị trong dây chuyền công
nghệ làm ngọt khí bằng DEA.
o Tìm hiểu về cách làm việc và ứng dụng của phần mềm hysys trong quá trình
mô phỏng (tĩnh) công nghệ làm ngọt khí nói riêng và trong lĩnh vực lọc hóa
dầu.
o Sử dụng phần mềm hysys để mô phỏng quá trình làm ngọt khí.

o Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm việc.
Qua thời gian làm đồ án và tìm hiểu về hysys chúng em nhận thấy phần mềm này
có những ưu điểm rất lớn, hỗ trợ tốt cho quá trình làm việc của kỹ sư lọc dầu, nhất là
trong quá trình thiết kế phân xưởng, nổi bật nhất là những ưu điểm sau:
 Giao diện thân thiện, dễ sử dụng, các thiết bị trong phần mềm rất giống với thực
tế.
 Tính toán nhanh và chính xác, khi thay đổi các thông số gần như hysys tính
toán được ngay, thích hợp cho việc khảo sát.
 Các thông số nhập vào rất ít, hysys chỉ cần biết 3 yếu tố, các yếu tố còn lại sẽ
được hysys tính toán.
 Có thể xem lại tất cả những dữ liệu đã nhập và hysys đã tính toán, qua đó dễ
dàng kiểm tra tính chính xác của các thông số.
 Rất nhiều tiện ích, mô hình demo mà hysys đã thực hiện sẵn trong thư viện,
điều này giúp ích rất nhiều cho những người mới bắt đầu quá trình tìm hiểu về
hysys.
Do còn nhiều mặt hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế nên đồ án
sẽ không tránh khỏi sai sót. Vì vậy em rất mong được sự nhận xét và đóng góp ý kiến
quý báu của thầy và bạn bè để chúng em có thể mở mang thêm kiến thức.
Em xin chân thành cảm ơn!

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Tài liệu hướng dẫn làm đồ án từ thầy Lê Đình Chiển, Đại Học Mỏ - Địa chất
[2]. MA. Berlin, VG. Gortrencop, HP. Volcop. Người dịch – Hoàng Minh Nam,
Nguyễn Văn Phước, Nguyễn Đình Soa, Phan Minh Tân. Hiệu đính – Nguyễn
Đình Soa. Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí dầu mỏ, ĐHKT – TPHCM
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

22



Bài Tập Lớn Tin Ứng Dụng

Trường Đại Học Mỏ - Địa Chất

[3]. Nguyễn Thị Minh Hiền (2004), Công nghệ chế biến khí thiên nhiên và khí đồng
hành, NXB KHKT, Hà Nội.
[4]. Advanced Process Modeling using Hysys
[5]. Aspen Hysys 7.2 – tutorial
[6]. Nguồn Internet: />
GVHD: TS. Lê Đình Chiển

23