mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển của nhà máy lọc dầu dung quất với nguyên liệu 100% dầu thô bạch hổ

mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển của nhà máy lọc dầu dung quất với nguyên liệu 100% dầu thô bạch hổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

BÁO CÁO MÔN HỌC

NGUYỄN HỒNG THOAN

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 02/2011

MỤC LỤC

– CRUDE DISTILLATION UNIT) CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG

QUẤT………3

II GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PRO/II 5

II.1 Tổng quan về phần mềm mô phỏng Pro/II 5

II.2 Tổng quan về một dự án mô phỏng 7

III MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG CDU CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PRO/II 8

III.1 Nguyên liệu 8

III.2 Sơ đồ mô phỏng bằng phần mềm PRO/II 9

III.3 Mô hình nhiệt động 13

III.4 Xây dựng mô hình và các thông số mô phỏng cần thiết 13

III.5 Xác định số đĩa lí thuyết thích hợp cho T-1101: 17

III.6 Số đĩa lí thuyết là 26 đĩa, các số liệu khác giống như Foster Wheeler (FW) : 17

I GIỚI THIỆU VỀ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT KHÍ QUYỂN (CDU – CRUDE DISTILLATION UNIT) CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT

Phân xưởng chưng cất khí quyển CDU có thể được xem là phân xưởng

“cửa ngõ” của một nhà máy lọc dầu với nhiệm vụ phân tách dầu thô thành những phân đoạn nhỏ hơn theo những khoảng nhiệt độ sôi khác nhau Phân xưởng CDU của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất được thiết kế với công suất 6,5 triệu tấn dầu thô/năm tương đương với 812.500 kg/h (tính cho 8.000 giờ làm việc/năm) Phân xưởng CDU được thiết kế để vận hành với hai nguồn dầu thô là dầu Bạch Hổ của Việt Nam và dầu Dubai của Trung Đông Theo kế hoạch, giai đoạn đầu hoạt động, nhà máy sẽ sử dụng nguồn nguyên liệu là 100 % dầu thô Bạch Hổ Sau đó sẽ sử dụng nguồn nguyên liệu là dầu hỗn hợp (Dầu Mixed) gồm 84,6 % dầu Bạch Hổ và 15,4 % dầu Dubai

Các sản phẩm của phân xưởng CDU bao gồm Offgas, LPG, Full Range Naphta, Kerosen, LGO, HGO và cặn chưng cất khí quyển Hầu hết các sản phẩm của CDU đều đi vào các phân xưởng khác của nhà máy lọc dầu như: NHT (Unit 012: Naphta Hydrotreatment Unit), KTU (Unit 014: Kerosen Treating Unit), RFCC (Unit 015: Residue Fluidised Catalytic Cracking Unit ) … Sơ đồ các phân xưởng của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất được thể hiện tròn Hình 1 bên dưới

Trên sơ đồ nhà máy, dòng dầu thô nguyên liệu sau khi đi qua hệ thống tiền gia nhiệt (Preheater), tách muối sẽ được đưa vào tháp chưng cất chính T-

1101 (Main fractionator) Tại đây dầu thô sẽ được phân tách ra thành các sản phẩm:

1 Over head – Phần đi ra trên đỉnh: phần này sẽ được đưa qua hệ thống làm nguội và phân tách để tách nước ra khỏi dòng Hydrocarbon lỏng trước khi cho dòng hydrocarbon vào tháp ổn định T-1107 (Stabiliser) Tháp ổn định

sẽ phân tách ra các sản phẩm Offgas, LPG ở đỉnh và Full Range Naphta ở đáy;

2 Các sản phẩm cạnh sườn như Kerosen, LGO và HGO được lấy ra từ các Side colum T-1102, T-1103 và T-1104;

3 Cặn chưng cất khí quyển được lấy ra ở đáy tháp T-1101

Nguồn: Nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Hình 1: Sơ đồ các phân xưởng của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Theo Sơ đồ các phân xưởng của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất (Hình 1),

vùng được bao bọc bằng khung hình chữ nhật là phân xưởng chưng cất khí

quyển CDU Với hai thiết bị chính là tháp T-1101 (Main FRACTIONATOR) và

tháp T-1107 (Stabiliser)

Mô hình 3D của phân xưởng chưng cất khí quyển CDU nhìn theo hướng

Đông Nam và Tây Nam được thể hiện trong Hình 2 và Hình 3 theo sau

Nguồn: Nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Hình 2: Mô hình 3D của phân xưởng CDU của Nhà máy Lọc dầu Dung

Quất nhìn theo hướng Đông Nam

Nguồn: Nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Hình 3: Mô hình 3D của phân xưởng CDU của Nhà máy Lọc dầu Dung

Quất nhìn theo hướng Tây Nam

II GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PRO/II

II.1 Tổng quan về phần mềm mô phỏng Pro/II

Phần mềm Pro/II là một trong những sản phẩm của tổ hợp SIMSCI Công

ty này được thành lập từ năm 1957 chuyên về thiết kế các phần mềm mô phỏng dùng trong công nghệ hóa học, đặc biệt là ngành công nghiệp lọc - hóa dầu

Hiện nay sản phẩm của tổ hợp này khá đa dạng, bao gồm các phần mềm thiết kế các thiết bị, đường ống, tính toán kinh tế,

Hình 4: Biểu tượng phần mềm mô phỏng Pro/II

Phần mềm thiết kế mô phỏng Pro/II là sản phẩm đầu tiên của SIMSCI, là kết quả của nhiều lần nâng cấp từ năm 1967 đến năm 1988 và chính thức ra đời với tên gọi Pro/II Hiện nay phần mềm này vẫn không ngừng nâng cấp và đã có phiên bản Pro/II 8.1 (Trong báo cáo này sử dụng phiên bản 8.0)

Phần mềm này có thể sử dụng vào nhiều quá trình khác nhau như sau:

 Thiết kế mới các quá trình

 Ước tính cấu hình thiết bị

 Hiện đại hóa và nâng cấp các thiết bị cũ

 Gỡ rối và làm thông suốt hệ thống thiết bị

 Đánh giá vấn đề môi trường của nhà máy

 Kiểm tra, tối ưu hóa, cải tiến hiệu suất và lợi nhuận của nhà máy

II.2 Tổng quan về một dự án mô phỏng

Pro/II cho phép người dùng có nhiều phương pháp lựu chọn để nhập dữ liệu Mặc dù vậy Pro/II có những cảnh báo khi dữ liệu bắt buộc bị thiếu Vì vậy khi xây dựng một sơ đồ công nghệ để mô phỏng thì cần theo các bước sao cho mang tính logic Dưới đây là một trình tự:

1 Xây dựng sơ đồ

2 Lựa chọn hệ đơn vị

3 Xác định các cấu tử cho dự án

4 Chọn các phương pháp nhiệt động học và tính chất vận chuyển

5 Cung cấp các dữ liệu cho dòng và thiết bị

6 Cung cấp các điều kiện làm việc cho quá trình

7 Chạy dự án mô phỏng

Đây chỉ là những bước cơ bản để chương trình chạy, thực tế để mô phỏng một lưu trình hay một phân xưởng thì bước đầu tiên và vô cùng quan trọng là lập mô hình mô phỏng Ở bước này người dùng phải đơn giản hóa sơ đồ công nghệ thực, bỏ đi những thiết bị không cần thiết, chuyển đổi các mô hình thực thành mô hình lí thuyết, tinh chỉnh mô hình

Hình 5: Sơ đồ một quá trình mô phỏng bằng Pro/II

Sau khi chương trình chạy và có kết quả thì bước cuối cùng là đọc và phân tích kết quả mô phỏng Vì ngôn ngữ của chương trình là tiếng Anh, nên các báo cáo được trình bày bằng ngôn ngữ này Tuy nhiên cách trình bày cũng giúp người dùng dễ theo dõi, điều quan trọng là người dùng sẽ khai thác được

những gì từ các kết quả đó Từ đó xem xét số liệu đó có khớp với các số liệu thực không hoặc sai khác thế nào, nếu có sự chênh lệch nhiều phải tìm ra nguyên nhân dẫn đến sai số

Pro/II là một phần mềm mô phỏng tính toán, các quá trình mô phỏng đều

ở trạng thái tĩnh – Mô tả trạng thái hoạt động ổn định của hệ thống Đó là cân bằng vật chất, các tính chất hóa lí, các tính chất đặc trưng của chất như RVP, điểm vẩn đục, RON Như vậy Pro/II là phần mềm rất hữu ích, là công cụ đắc lực trong việc mô phỏng một mô hình hệ thống ở trạng thái tĩnh

Tuy nhiên, Pro/II không có các thiết bị điều khiển và đo lường như ở phần mềm Dynsim (Một phần mềm của SIMSCI chuyên mô phỏng một quá trình thay đổi theo thời gian) Kết quả mô phỏng ở trạng thái tĩnh không cho phép mô tả các ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số điều khiển đến quá trình làm việc của thiết bị

III MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG CDU CỦA NHÀ MÁY LỌC

DẦU DUNG QUẤT BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PRO/II

III.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu sử dụng trong quá trình mô phỏng này là 100% dầu thô Bạch

Hổ Các đặc trưng kỹ thuật của dầu thô Bạch Hổ được thể hiện như sau:

Phần trăm khối lượng tổng (%kl cummulative)

Tỷ trọng (Density)

III.2 Sơ đồ mô phỏng bằng phần mềm PRO/II

Mô hình mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển với nguyên liệu 100% dầu thô Bạch Hổ được thể hiện trong Hình 6 theo sau Dầu thô qua tiền gia nhiệt, tách muối, vào tháp chính sau đó qua NHT và tách thành Light Naphtha, Heavy Naphtha

Hình 6: Sơ đồ mô hình mô phỏng phân xưởng CDU trên PRO/II của

NMLD Dung Quất theo bản vẽ PFD

Tuy nhiên do gặp một số vấn đề và mục đích chủ yếu là xác định tính chất

và lưu lượng các dòng LPG, Light Naphta, Heavy Naphtha, Kerosen, LGO, HGO và cặn chưng cất khí quyển Nên chúng tôi đã quyết định rút gọn mô hình Với các lí do sau:

- Dầu thô trước khi nạp liệu vào tháp T-1101 cần phải đi qua hệ thống gia nhiệt , tách muối…Nhưng quá trình đó ảnh hưởng rất ít đến tính chất của dầu thô và cũng không ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng Bởi vậy chúng tôi bỏ qua khâu mô phỏng phần này và lấy điều kiện nạp liệu của dầu thô giống như trong tài liệu thiết kế của Nhà máy;

- Các dòng lỏng lấy ra ở Pumparound thực tế được tận dụng nhiệt để sử dụng vào việc khác như đun nóng dầu thô Hoặc các dòng sản phẩm trích ngang như Kerosen, LGO, HGO cũng tương tự như vậy Nhưng vì chỉ quan tâm đến lưu lượng và chất lượng các dòng sản phẩm trên cơ sở tôn trọng công suất của các Pumpapound, lưu lượng các dòng nóng lấy ra ở cạnh sườn tháp, chúng tôi đã rút gọn mô hình mà không làm ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng

- Trong thực tế phân xưởng CDU không bao gồm phân xưởng NHT Tuy nhiên do cần tìm tính chất của dòng Light Naphtha và Heavy Naphtha do

đó chúng tôi mô phỏng luôn NHT Theo sơ đồ công nghệ của nhà máy thì dòng Full Range Naphta sau khi đi ra khỏi tháp ổn định T-1107 thì sẽ đi vào phân xưởng NHT trước khi qua tháp Naphtha Splitter T-1202 Tuy nhiên do số liệu về các phản ứng xảy ra trong NHT chưa có một cách cụ thể Mặt khác nhược điểm của phần mềm Pro/II cũng như những phần mềm mô phỏng khác là cho tới thời điểm này vẫn chưa mô phỏng được phản ứng với xúc tác rắn một cách chính xác mà đặc biệt chất tham gia lại

là các cấu tử giả của dầu thô Điều đáng quan tâm ở đây là để mô phỏng một thiết bị phản ứng thì ta phải biết trước về nguyên liệu và sản phẩm Đặc điểm này khác với tháp (Colunm) ở chỗ là đối với mỗi loại dầu khi nhập các thông số của dầu mới và các thông số hoạt động của tháp thì kết quả sẽ thay đổi tương ứng ở đầu ra Còn đối với thiết bị phản ứng, khi ta thay đổi dầu thô nguyên liệu khác thì phải nhập lại hệ số phản ứng và khó khăn nhất là ta không có được sản phẩm để nhập vào vì sản phẩm là cái

mà ta đang cần tìm do đó sẽ không thiết lập được các phản ứng xảy ra Tóm lại thiết bị phản ứng trong Pro/II hiện nay chỉ có thể mô phỏng một

phản ứng đã có sẵn chất tham gia và chất tạo thành Nếu không có đủ cả

hai yếu tố này thì không thể nào thiết lập được phản ứng Và càng không

chính xác khi các chất tham gia phản ứng lại là các cấu tử giả của dầu thô

do Pro/II đưa ra chứ không phải là một cấu tử cụ thể;

- Nhiệm vụ chính của NHT là xử lí S, N để đảm bảo chất lượng đầu vào

cho hai phân xưởng Izomer hóa và CCR Hàm lượng của S và N trong

Full Range Naphta là khá nhỏ Do đó một cách gần đúng ta có thể xem

như cân bằng vật chất của quá trình NHT gần như không thay đổi Như

vậy ta có thể cho dòng Full Range Naphta đi thẳng vào Splitter để tách ra

thành Light Naphta và Heavy Naphta mà không cần cho qua NHT

Sau khi rút gọn ta được mô hình như Hình 7 theo sau:

Hình 7: Sơ đồ mô hình mô phỏng rút gọn phân xưởng CDU trên PRO/II

của NMLD Dung Quất

Theo nguyên tắc và thực tế mô phỏng cho thấy, kết quả các dòng sản

phẩm cần tính ở mô hình đơn giản ( Hình 7 ) và mô hình phức tạp (Hình 6) gần

như không thay đổi Đặc biệt là LPG, Kerosen, LGO, HGO và Cặn chưng cất

khí quyển Còn Light Naphtha và Heavy Naphta thì có sai khác tuy nhiên trong

mức độ chấp nhận được Vì vậy chúng tôi quyết định chọn mô hình đơn giản để

8 10 12 14

16 18 1

15 17 19 21 23 25 27

30 32 1

S3

LIGH_NAPHTA

H_NAPHTA WATER

FEED

FEED_T1202

Calculator Name Calculator Description

GAP Kero -Naphta GAP LGO-KER OVERLAP HGO-LGO

CA1

10.1840 10.3804 4.5990

III.3 Mô hình nhiệt động

Sử dụng mô hình Grayson Street cho các tháp chính (Main Fractionator) (GS1) và xem như không có ngưng tụ hơi nước, mô hình Grayson Street (GS2)

có xét đến quá trình ngưng tụ hơi nước cho hệ thống ngưng tụ hơi đỉnh tháp và tách pha lỏng – hơi

III.4 Xây dựng mô hình và các thông số mô phỏng cần thiết

Để mô phỏng quá trình chúng ta cần xây dựng một mô hình lí thuyết căn

cứ vào các số liệu của mô hình thực tế Những số liệu trong các bản vẽ PFD trong tài liệu của Technip về cấu trúc của tháp: số đĩa, vị trí lấy ra và đưa vào của các side column và tháp Stripping… đều là số liệu thực tế Chẳng hạn về số đĩa của tháp, Pro/II sẽ mô phỏng dựa trên số đĩa lí thuyết Vì vậy nếu chúng ta muốn có một mô hình chính xác và có độ tin cậy thì cần phải xác định được hiệu suất đĩa của tháp và từ đó đưa ra số đĩa lí thuyết phù hợp cho tháp Hoặc chi tiết hơn nếu có đầy đủ số liệu về hiệu suất của từng đĩa thì kết quả chúng ta càng chính xác Giả sử ta xem hiệu suất đĩa là 100% thì số đĩa lí thuyết trong mô hình Pro/II chính bằng số đĩa thực tế của tháp Tuy nhiên, hiệu suất đĩa trong thực tế sản xuất rất khó đạt được 100% Do đó số đĩa lí thuyết thường nhỏ hơn số đĩa thực tế Vì thế nếu ta chọn số đĩa lí thuyết quá ít hoặc quá nhiều thì kết quả tính của Pro/II cũng sẽ không chính xác Xét về chất lượng các dòng sản phẩm sẽ xấu hơn hoặc tốt hơn Bởi vậy khi chạy Pro/II cần phải so sánh với các chỉ tiêu trong các tài liệu như Basic of Design, mass balance…

Theo thứ tự của quá trình, dầu thô sẽ vào tháp T-1101 trước Các sản phẩm của T-1101 sẽ đi vào các tháp T-1107 Nhưng trước tiên phải xét độ tin cậy của tháp T-1101 Khi mô hình của T-1101 cho kết quả tin cậy rồi ta tiếp tục

mô phỏng các thiết bị tiếp theo Dưới đây là những thông số cần thiết để mô phỏng T-1101

 Lưu lượng dòng nguyên liệu và các dòng sản phẩm chính như sau:

o Nguyên liệu: Dầu thô Bạch Hổ, lưu lượng 812.500 (kg/h)

LGO (Light Gasoil Oil) 170.716

Theo tài liệu Feed thì dòng dầu thô ban đầu được bơm từ bể trước khi đi vào hệ thống tiền gia nhiệt để nạp vào tháp chính (Main FRACTIONATOR) có nhiệt độ 50 oC và áp suất 20 Kg/cm2g Trước khi vào tháp chính chọn dầu thô có nhiệt độ vào tháp 360 oC và áp suất là 2,45 Kg/cm2.g Thông số các dòng hơi nước quá nhiệt sử dụng trong mô phỏng được thể hiện trong Bảng theo sau

Steam Lưu lượng

o

 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp chính T-1101:

Pumparound PA2 Pumparound PA4

Công suất nhiệt, KW -9.000 Công suất nhiệt, KW -4.925

Dầu thô vào tháp ở đĩa 43

o Các dòng hơi từ tháp stripping vào lại tháp chính ở các đĩa

 Các tiêu chuẩn kỹ thuật:

Sử dụng các ràng buộc về lưu lượng các dòng sản phẩm cuối cùng là KEROSENE, LGO, HGO và nhiệt độ đỉnh tháp T-1101 (đã trình bày ở trên) bằng cách khống chế các yếu tố gồm: lưu lượng các dòng sản phẩm lỏng trích ngang tháp chính (KEROSENE-1, LGO-1, HGO-1) và công suất nhiệt của Pumparound PA1

 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp stripping

o Tháp Stripping KEROSENE T-1102

Số đĩa thực tế (bao gồm Reboiler) 11

Mô hình Tháp T-1101 trong mô phỏng PRO/II được thể hiện như Hình 8 dưới đây:

Hình 8: Mô hình tháp T-1101 trong mô phỏng PRO/II

III.5 Xác định số đĩa lí thuyết thích hợp cho T-1101:

Hiệu suất đĩa phụ thuộc vào nhiều yếu tố Nó thường được tính toán và cân nhắc kĩ trong quá trình thiết kế để sao cho vừa đảm bảo được chỉ tiêu về kĩ thuật vừa có hiệu quả về kinh tế Có khá nhiều tài liệu nói về khoảng dao động của hiệu suất đĩa Thông thường trong thiết kế ta thường chọn hiệu suất đĩa nằm trong khoảng 60% đến 80% Nhóm báo cáo khảo sát các giá trị hiệu suất khác nhau và so sánh đối chiếu với tài liệu thiết kế để lựa chọn hiệu suất phù Sau quá trình chạy thử nhiều Bên trên đã xét trường hợp hiệu suất đĩa là 100 % Tiếp theo sẽ khảo sát trường hợp 60% và trường hợp với các số liệu giống như Foster Wheeler đã mô phỏng để có được những nhận xét cụ thể

III.6 Số đĩa lí thuyết là 26 đĩa, các số liệu khác giống như Foster Wheeler (FW) :

FW sử dụng các thông số vận hành khác với bản vẽ PFD mới cập nhật bỡi Technip FW chỉ đưa ra một vài đoạn kết quả Pro/II về tháp (Số đĩa, vị trí nạp liệu, vị trí lấy sản phẩm của các tháp Stripping và Pumparound…) mà không cung cấp file input có đầy đủ tất cả thông số đầu vào cần thiết cho mô phỏng Và