Giáo trình Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) - Trường Cao Đẳng Dầu Khí

Giáo trình Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (Nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí - Cao đẳng) được biên soạn gồm các nội dung chính sau: Một số khái niệm; Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô; Thông số kỹ thuật trong vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô; Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô trên mô hình thực hành. Mời các bạn cùng tham khảo!

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ

(Ban hành kèm theo Quyết định số: 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 3 năm 2022

của Trường Cao Đẳng Dầu Khí)

Bà Rịa-Vũng Tàu, năm 2022

(Lưu hành nội bộ)

Trang 2

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình “Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô” được biên soạn theo chương

trình đào tạo nghề “Vận hành thiết bị chế biến dầu khí” của Bộ Lao động – Thương binh

và Xã hội Các kiến thức trong toàn bộ giáo trình có mối liên hệ lôgic chặt chẽ Tuy vậy, giáo trình cũng chỉ là một phần trong nội dung của chuyên ngành đào tạo cho nên người dạy, người học cần tham khảo thêm các giáo trình có liên quan đối với ngành học để việc

sử dụng giáo trình có hiệu quả hơn

Khi biên soạn giáo trình chúng tôi đã cố gắng cập nhật những kiến thức mới liên

quan đến mô đun “Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô” phù hợp với đối tượng sử

dụng cũng như cố gắng gắn những nội dung lý thuyết với những vấn đề thực tế thường gặp trong sản xuất, đời sống để giáo trình có tính thực tiễn cao

Nội dung của giáo trình được biên soạn gồm 4 bài:

Bài 1: Một số khái niệm

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô

Bài 3: Thông số kỹ thuật trong vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô

Bài 4: Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô trên mô hình thực hành

Giáo trình sẽ phục vụ tốt cho việc giảng dạy và học tập của giáo viên và học sinh trong Trường trong việc tìm hiểu cấu tạo, quy trình vận hành, xử lý sự cố khi vận hành tháp chưng cất

Xin chân thành cảm ơn các giáo viên Khoa dầu khí của trường Cao đẳng Dầu khí đã

giúp đỡ tôi hoàn thành giáo trình “Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô”

Trân trọng cảm ơn./

Bà rịa - Vũng Tàu, tháng 3 năm 2022

Tham gia biên soạn

Trang 3

MỤC LỤC

TRANG

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN 1

LỜI GIỚI THIỆU 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 9

BÀI 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM 16

1.1 NHIỆT CẢM (SENSIBLE HEAT) 17

1.2 ẨN NHIỆT (LATENT HEAT) 17

1.3 ĐIỂM SÔI ĐẦU (INITIAL BOILING POINT - IBP) 17

1.4 ĐIỂM SÔI CUỐI (END BOILING POINT - EBP) 18

1.5 ĐIỂM SƯƠNG 19

1.6 ĐIỂM BỌT 19

1.7 ÁP SUẤT HƠI 19

1.8 ÁP SUẤT HƠI RIÊNG PHẦN 21

1.9 CÂN BẰNG LỎNG HƠI 22

1.10 DÒNG HỒI LƯU 22

BÀI 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO THÁP CHƯNG CẤT DẦU THÔ 24

2.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG THÁP CHƯNG CẤT DẦU THÔ 25

2.1.1 Mục đích của quá trình chưng cất dầu thô 25

2.1.2 Ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô 25

2.1.3 Nguyên lý của quá trình chưng cất 26

2.1.4 Sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô 28

2.1.5 Chuẩn bị nguyên liệu trước khi chưng cất 29

2.2 CẤU TẠO THÁP CHƯNG CẤT DẦU THÔ 31

2.2.1 Giới thiệu hệ thống chưng cất dầu thô 31

2.2.2 Các loại tháp chưng cất 37

2.2.3 Cấu tạo các đĩa và một số bộ phận trong tháp 38

Trang 4

BÀI 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT TRONG VẬN HÀNH PHÂN XƯỞNG CHƯNG

CẤT DẦU THÔ 46

3.1 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ TRÊN MÔ HÌNH 47

3.1.1 Tổng quan về phân xưởng chưng cất dầu thô trên mô hình 47

3.1.2 Mô tả công nghệ 48

3.2 ĐỌC SƠ ĐỒ TRÊN MÔ HÌNH 61

3.3 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT TRONG VẬN HÀNH 61

3.4 TÁC ĐỘNG CỦA CÁC THÔNG SỐ TRONG VẬN HÀNH 66

3.4.1 Vận hành thông thường 67

3.4.2 Những điểm cần chú ý khi thay đổi chế độ làm việc của tháp chưng 68

BÀI 4: VẬN HÀNH PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU THÔ TRÊN MÔ HÌNH THỰC HÀNH 70

4.1 QUY TRÌNH KHỞI ĐỘNG PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU THÔ 71

4.2 QUY TRÌNH NGỪNG HOẠT ĐỘNG BÌNH THƯỜNG PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU THÔ 74

4.3 CÁC TÌNH HUỐNG SỰ CỐ THƯỜNG GẶP 76

4.3.1 Sự cố ở bộ điều khiển không khí 76

4.3.2 Sự cố mất điện 76

4.3.3 Nguồn cung cấp hơi bị hỏng 76

4.3.4 Không có nhiên liệu cung cấp tới lò gia nhiệt 76

4.3.5 Sự cố ở van điều khiển mức ở đáy tháp chưng 76

4.3.6 1 Van điều khiển dòng công nghệ vào lò đốt bị hỏng 77

4.3.7 Máy nén khí hỏng 77

4.3.8 Van điều khiển mức của thiết bị tách muối bị hỏng 77

4.3.9 Rò rỉ dòng công nghệ trong lò đốt 77

4.3.10 Ống dẫn trong lò đốt bị bám cốc 77

PHỤ LỤC 1: HỆ THỐNG TIỀN GIA NHIỆT I VÀ TÁCH MUỐI 79

PHỤ LỤC 2: HỆ THỐNG TIỀN GIA NHIỆT II 80

PHỤ LỤC 3: LÒ GIA NHIỆT 81

PHỤ LUC 4: THÁP CHƯNG CẤT 82

PHỤ LỤC 5: HỆ THỐNG BƠM TUẦN HOÀN 83

Trang 5

PHỤ LỤC 6: HỆ THỐNG TÁCH VÀ THU HỒI SẢN PHẨM 84 PHỤ LỤC 7: HỆ THỐNG ỔN ĐINH NAPHTHA 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ chưng cất theo tiêu chuẩn ASTM D86 18

Hình 1.2: Sơ đồ chưng cất trong phòng thí nghiệm 18

Hình 1.3: Sơ đồ chưng cất trong phòng thí nghiệm – Xác định điểm sôi cuối 19

Hình 1.4: Áp suất hơi của chất lỏng 19

Hình 1.5: Áp suất hơi của propan và octan 20

Hình 1.6: Áp suất hơi của một số hydrocacbon 20

Hình 1.7: Áp suất hơi riêng phần 21

Hình 1.8: Ảnh hưởng của áp suất hơi 21

Hình 2.1: Quá trình bay hơi ngưng tụ xảy ra bên trong tháp chưng cất 27

Hình 2.2: Tách hỗn hợp butan – hexan bằng phương pháp chưng 28

Hình 2.3: Sơ đồ công nghệ của quá trình tách muối 30

Hình 2.4: Sơ đồ chưng cất dầu thô 32

Hình 2.5: Tháp chưng cất dầu thô 33

Hình 2.6: Tháp Stripping 34

Hình 2.7: Tháp chưng cất chân không 35

Hình 2.8: Thu hồi khí không ngưng bằng bơm chân không 36

Hình 2.9: Thu hồi khí không ngưng bằng ejector 36

Hình 2.10: Quá trình tiếp xúc pha trên đĩa 38

Hình 2.11: Cách sắp xếp ống chảy truyền 39

Hình 2.12: Tấm ngăn trên đĩa 39

Hình 2.13: Các lỗ nhỏ trên đĩa 40

Hình 2.14: Cấu tạo đĩa tại vùng trích sản phẩm 40

Hình 2.15: Đĩa lỗ 41

Hình 2.16: Đĩa hình chữ S 41

Hình 2.17: Đĩa van 42

Hình 2.18: Bộ phận lọc 43

Hình 2.19: Tấm chắn hồi lưu 43

Hình 2.20: Bộ phận tách sương 44

Hình 4.1: Hệ thống tiền gia nhiệt I và thiết bị thiết bị tách muối 49

Trang 7

Hình 4.2: Hệ thống tiền gia nhiệt II 51

Hình 4.3: Lò gia nhiệt 53

Hình 4.4: Tháp chưng cất chính 55

Hình 4.5: Tháp tách sản phẩm 56

Hình 4.6: Hệ thống bơm tuần hoàn 58

Hình 4.7: Hệ thống ổn định 60

Trang 8

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Thông số trong điều kiện vận hành ổn định 61

Trang 9

GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN

1 Tên mô đun: VẬN HÀNH PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU THÔ

2 Mã mô đun: PETR56115

3 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun:

3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các môn học, mô đun chuyên ngành của chương trình đào

tạo Môn đun này được dạy trước mô đun vận hành phân xưởng chế biến dầu I và sau các môn học, mô đun như: Sản phẩm dầu mỏ, Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt

3.2 Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức, kỹ năng về thiết bị và các thông

số kỹ thuật, kỹ năng vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô và xử lý sự cố thường gặp trong vận hành…

3.3 Ý nghĩa và vai trò của môn học: Là môn học cung cấp các kiến thức về quá trình

chưng cất dầu thô: đặc tính nguyên liệu, sản phẩm, sơ đồ hệ thống và thiết bị, cấu tạo các bộ phận chính…và kỹ năng vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô trên

mô hình ô phỏng (Khởi động, ngừng hoạt động…)

4 Mục tiêu mô đun:

A 1 Liệt kê được các khái niệm chính liên quan đến quá trình chưng cất dầu thô

A 2 Giải thích được nguyên lý hoạt động và cấu tạo của tháp chưng cất dầu thô

A 3 Mô tả được sơ đồ phân xưởng chưng cất dầu thô trên mô hình

A 4 Liệt kê được các thông số công nghệ trên mô hình

A 5 Giải thích được tác động của các thông số công nghệ trong vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô

C 1 Tuân thủ tuyệt đối các qui định về an toàn, pccc, nội quy phòng học/phòng

mô hình và quy chế của nhà trường

C 2 Tuân thủ các qui trình vận hành các thiết bị điện, tự động hóa có liên quan

C 3 Xác định được công việc phải thực hiện, hoàn thành các công việc theo yêu cầu, không để xảy ra sự cố, hư hỏng đối với hệ thống thiết bị

5 Nội dung mô đun:

Thời gian đào tạo (giờ)

Tổng

số

Trong đó

Lý thuyết

LT TH

COMP64002 Giáo dục chính trị 4 75 41 29 5 0 COMP62004 Pháp luật 2 30 18 10 2 0 COMP62008 Giáo dục thể chất 2 60 5 51 0 4 COMP64010 Giáo dục quốc phòng và An ninh 4 75 36 35 2 2 COMP63006 Tin học 3 75 15 58 0 2 FORL66001 Tiếng Anh 6 120 42 72 6 0 SAEN512001 An toàn vệ sinh lao động 2 30 26 2 2 0

MECM52003 Vẽ kỹ thuật - 1 2 45 15 28 0 2 ELEI53011 Điện kỹ thuật 2 3 45 36 6 3 0 AUTM52111 Cơ sở điều khiển quá trình 2 45 14 29 1 1 PETR52002 Nhiệt kỹ thuật 2 30 28 0 2 0

PETR63004 Cơ sở quá trình và thiết bị trong

công nghệ hóa học 3 45 42 0 3 0 PETR53005 Sản phẩm dầu mỏ 3 45 42 0 3 0 PETR56107 Vận hành máy thuỷ khí I 6 150 28 106 2 14 PETR64108 Vận hành máy thuỷ khí II 4 100 28 66 2 4 PETR56109 Vận hành hệ thống đường ống và

PETR62110 Vận hành thiết bị tách dầu khí 2 45 14 29 1 1 PETR53111 Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt 3 75 21 50 2 2 PETR62114 Kỹ thuật phòng thí nghiệm 2 45 13 30 1 1 PETR56115 Vận hành phân xưởng chưng cất

Trang 11

PETR54219 Thực tập sản xuất 4 195 45 138 3 9 PETR66220 Khóa luận tốt nghiệp 6 270 28 230 0 12

5.2 Chương trình chi tiết môn học

Số

Thời gian (giờ)

Tổng

Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập

2.1 Nguyên lý hoạt động tháp chưng cất dầu

3.1 Mô tả công nghệ trên mô hình 2 2

3.3 Các thông số kỹ thuật trong vận hành 9 9

3.4 Tác động của các thông số trong vận

Trang 12

4.1 Quy trình khởi động phân xưởng chưng

4.2 Quy trình ngừng hoạt động bình thường

+ Phòng thực hành: Mô hình mô phỏng Lọc hóa dầu

6.2 Trang thiết bị dạy học: Projetor, máy vi tính, bảng, bút viết bảng/ phấn

6.3 Học liệu, dụng cụ, phương tiện: Giáo trình Vận hành phân xưởng chưng cất dầu

thô

6.4 Các điều kiện khác: Không

7 Nội dung và phương pháp đánh giá:

7.1 Nội dung:

- Kiến thức: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

- Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kỹ năng

- Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần:

+ Tuân thủ tuyệt đối các qui định về an toàn, pccc, nội quy phòng học/phòng

mô hình và quy chế của nhà trường

+ Tuân thủ các qui trình vận hành các thiết bị điện, tự động hóa có liên quan + Xác định được công việc phải thực hiện, hoàn thành các công việc theo yêu cầu, không để xảy ra sự cố, hư hỏng đối với hệ thống thiết bị

+ Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

7.2 Phương pháp:

Người học được đánh giá tích lũy môn học như sau:

7.2.1 Cách đánh giá

Trang 13

- Áp dụng quy chế đào tạo Cao đẳng hệ chính quy ban hành kèm theo Thông tư số 09/2017/TT-LĐTBXH, ngày 13/3/2017 của Bộ trưởng Bộ Lao động – Thương binh và Xã hội

- Hướng dẫn thực hiện quy chế đào tạo áp dụng tại Trường Cao đẳng Dầu khí như sau:

+ Điểm kiểm tra thường xuyên (Hệ số 1) 40% + Điểm kiểm tra định kỳ (Hệ số 2) + Điểm thi kết thúc môn học 60%

Chuẩn đầu ra đánh giá

Số cột

Thời điểm kiểm tra

Thường xuyên Vấn đáp/ Viết Hỏi đáp/ Tự

luận/ Trắc nghiệm

A1, A2, A3, A4, A5 2 Trước mỗi

buổi học (vấn đáp)/ sau 15 giờ

LT (trắc nghiệm) Định kỳ Viết/

TH Kết thúc môn

học

Viết/ Thực hành trên mô hình mô phỏng

Trắc nghiệm/

tự luận/ Bảng đánh giá

A1, A2, A3, A4, A5, B1, B2, B3

C1, C2, C3,

1 Sau 145 giờ

Trang 14

phân, sau đó được quy đổi sang điểm chữ và điểm số theo thang điểm 4 theo quy định của

Bộ Lao động Thương binh và Xã hội về đào tạo theo tín chỉ

8 Hướng dẫn thực hiện môn học

8.1 Phạm vi, đối tượng áp dụng: Đào tạo nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí hệ

Cao đẳng và trung cấp, trường Cao đẳng Dầu khí

8.2 Phương pháp giảng dạy, học tập môn học

8.2.1 Đối với người dạy

* Lý thuyết: Áp dụng phương pháp dạy học tích cực bao gồm: thuyết trình, giảng

giải, nêu vấn đề, hướng dẫn đọc tài liệu, bài tập tình huống, câu hỏi thảo luận…

* Bài tập: Phân chia nhóm nhỏ thực hiện bài tập theo nội dung đề ra

* Thảo luận: Phân chia nhóm nhỏ thảo luận theo nội dung đề ra

* Hướng dẫn tự học theo nhóm: Nhóm trưởng phân công các thành viên trong

nhóm tìm hiểu, nghiên cứu theo yêu cầu nội dung trong bài học, cả nhóm thảo luận, trình bày nội dung, ghi chép và viết báo cáo nhóm

8.2.2 Đối với người học: Người học phải thực hiện các nhiệm vụ như sau:

- Nghiên cứu kỹ bài học tại nhà trước khi đến lớp Các tài liệu tham khảo sẽ được cung

cấp nguồn trước khi người học vào học môn học này (trang web, thư viện, tài liệu )

- Tham dự tối thiểu 70% các buổi giảng lý thuyết và 100% các buổi thực hành Nếu người học vắng >30% số tiết lý thuyết hoặc vắng học thực hành >0% phải học lại môn học mới được tham dự kì thi lần sau

- Tự học và thảo luận nhóm: là một phương pháp học tập kết hợp giữa làm việc theo nhóm và làm việc cá nhân Một nhóm gồm 8-10 người học sẽ được cung cấp chủ đề thảo luận trước khi học lý thuyết, thực hành Mỗi người học sẽ chịu trách nhiệm về 1 hoặc một

số nội dung trong chủ đề mà nhóm đã phân công để phát triển và hoàn thiện tốt nhất toàn

bộ chủ đề thảo luận của nhóm

- Tham dự đủ các bài kiểm tra thường xuyên, định kỳ

- Tham dự thi kết thúc môn học

- Chủ động tổ chức thực hiện giờ tự học

9 Tài liệu tham khảo:

Trang 15

[1] Trường Cao Đẳng Dầu khí, Giáo trình Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô,

Lưu hành nội bộ, 2017

[2] Lê Văn Hiếu, Công nghệ chế biến dầu mỏ, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội 2006

[1] Prosimulator, Crude distillation CRD01 (version3), mar 2015

Bài 1: Một số khái niệm Trang 16

BÀI 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM

❖ GIỚI THIỆU BÀI 1

Bài 1 là bài giới thiệu tổng quan về quá trình chưng cất nói chung và các khái niệm chính liên quan đến tháp chưng cất

- Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 1

- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, nêu vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận theo nhóm

- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 1) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 1

- Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng học lý thuyết đúng chuẩn

- Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu

- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mô đun, giáo trình, tài liệu

tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan

- Các điều kiện khác: Không có

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 1

- Nội dung:

✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: Tuân thủ tuyệt đối các qui định về an toàn, pccc, nội quy phòng học/phòng mô hình và quy chế của nhà trường

Bài 1: Một số khái niệm Trang 17

✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: Không có

✓ Kiểm tra định kỳ: không có

❖ NỘI DUNG BÀI 1

Là dạng nhiệt có thể đo được bằng nhiệt kế Khi ta thêm một lượng nhiệt cảm vào một vật thì sẽ làm tăng nhiệt độ của vật đó

Là lượng nhiệt được thêm vào hay tách ra khỏi vật mà không làm thay đổi nhiệt

độ của vật

Ví dụ như lượng nhiệt cần thêm vào chất lỏng để chuyển chất từ thể lỏng sang thể hơi, hoặc lượng nhiệt tách ra khi ta ngưng tụ hơi thành lỏng

❖ Đường cong chưng cất ASTM D86

Dầu mỏ, các phân đoạn dầu mỏ hoặc sản phẩm dầu mỏ là một hỗn hợp của rất nhiều các hydrocacbon khác nhau với nhiệt độ sôi khác nhau nên không có nhiệt độ sôi

cố định Tại một nhiệt độ nào đó sẽ có hợp chất có nhiệt độ sôi tương ứng thoát ra khi tiến hành chưng cất Do vậy, đặc trưng cho tính chất bay hơi của dầu mỏ, các phân đoạn dầu mỏ hoặc sản phẩm dầu mỏ là khoảng nhiệt độ sôi Đường cong biểu diễn mối tương quan giữa nhiệt độ sôi và phần trăm thể tích hoặc phần trăm khối lượng của hỗn hợp thu được khi tiến hành chưng cất gọi là đường cong chưng cất

Đường cong chưng cất được xây dựng dựa trên quá trình chưng cất được thực hiện trong bộ chưng cất theo tiêu chuẩn ASTM D86 (hình 1.1)

Bài 1: Một số khái niệm Trang 18

Hình 1.1 Sơ đồ chưng cất theo tiêu chuẩn ASTM D86

❖ Điểm sôi đầu (Initial Boiling Point – IBP)

Khi tiến hành quá trình chưng cất 100 ml mẫu trong thiết bị chưng cất theo tiêu chuẩn ASTM D86, nhiệt độ tại đó giọt chất lỏng đầu tiên rơi xuống bình hứng được gọi

là nhiệt độ sôi đầu hay điểm sôi đầu

Hình 1.2 Sơ đồ chưng cất trong phòng thí nghiệm

Khi tiến hành quá trình chưng cất 100 ml mẫu trong thiết bị chưng cất theo tiêu chuẩn ASTM D86, nhiệt độ cao nhất mà nhiệt kế ghi được khi toàn bộ chất lỏng trong bình chưng đã bay hơi hết được gọi là nhiệt độ sôi cuối hay điểm sôi cuối

Bài 1: Một số khái niệm Trang 19

Hình 1.3 Sơ đồ chưng cất trong phòng thí nghiệm – Xác định điểm sôi cuối

Là nhiệt độ tại đó giọt chất lỏng đầu tiên của hơi ngưng tụ xuống chất lỏng Chúng ta cần lưu ý điểm sương khác với điểm nhiệt độ sôi đầu Đối với điểm sương chúng ta xét toàn bộ hơi và chú ý xem nhiệt độ tại đó giọt chất lỏng đầu tiên ngưng tụ khi hơi được làm lạnh

Còn đối với nhiệt độ sôi đầu, chúng ta lại bắt đầu với chất lỏng và tiến hành gia nhiệt cho chất lỏng

Là nhiệt độ tại đó trong chất lỏng xuất hiện bọt khí đầu tiên khi chất lỏng được đun nóng

Là áp suất của hơi tác động lên chất lỏng trong một bình kín

Hình 1.4 Áp suất hơi của chất lỏng Theo hình vẽ ta thấy có hiện tượng các phân tử của chất lỏng chuyển vào pha hơi

và các phân tử từ pha hơi lại quay trở lại chất lỏng Các phân tử thoát ra khỏi chất lỏng tạo thành hơi và sinh ra áp suất hơi trong bình

Bài 1: Một số khái niệm Trang 20

Hình 1.5 Áp suất hơi của propan và octan Theo hình 1.5 ta thấy áp suất hơi của propan lớn hơn so với áp suất hơi của octan Propan nhẹ hơn octan Do đó ta có thể kết luận rằng hợp chất nào nhẹ hơn thì có áp suất hơi lớn hơn

Hình 1.6 Áp suất hơi của một số hydrocacbon Chúng ta cần nhớ một điều rằng một chất chỉ sôi khi mà áp suất hơi của nó bằng với áp suất trên chất lỏng Ví dụ rằng tháp chưng của chúng ta hoạt động ở áp suất 30

propan

octan

Bài 1: Một số khái niệm Trang 21

psi, các hydrocacbon sẽ không bắt đầu bay hơi khi áp suất hơi của chúng không đạt tới

30 psi

Khi chất lỏng trong bình không chứa một cấu tử mà chứa hai hoặc nhiều hơn hai cấu tử thì áp suất hơi trên bề mặt chất lỏng sẽ do tất cả các cấu tử này đóng góp vào Phần áp suất hơi của từng cấu tử góp vào đó gọi là áp suất hơi riêng phần

Hình 1.7 Áp suất hơi riêng phần Theo hình vẽ ta thấy lượng propan trong pha hơi lớn hơn so với heptan Do đó áp suất hơi riêng phần của propan sẽ lớn hơn áp suất hơi riêng phần của heptan

Điều này là do propan nhẹ hơn so với heptan Ta có thể nói rằng hydrocacbon nào nhẹ hơn thì sẽ có áp suất hơi riêng phần lớn hơn

- Ảnh hưởng của áp suất hơi riêng phần:

Hình 1.8 Ảnh hưởng của áp suất hơi

Bài 1: Một số khái niệm Trang 22

Chúng ta xem xét trường hợp tách kerosene ra khỏi dầu nặng trong tháp chưng Tháp vận hành ở áp suất 20 psi Để kerosene bay hơi khỏi dầu nặng thì áp suất hơi của

nó phải đạt 20 psi (Hình 7)

Giả sử rằng bây giờ chúng ta đưa thêm một dòng hơi có áp suất 10 psi vào dưới đáy tháp Lúc này hơi nước đã đóng góp 10 psi vào áp suất tổng và áp suất riêng phần của hydrocacbon trong tháp là 10 psi Áp suất duy nhất ảnh hưởng đến các phân tử kerosene là áp suất gây ra bởi sự chuyển động của các phân tử hydrocacbon (Sự bay hơi của hydrocacbon trong tháp chưng chỉ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hydrocacbon trong pha hơi)

Vì vậy khi có hơi nước thêm vào thì kerosene sẽ sôi khi áp suất hơi của nó đạt 10 psi

Ta biết rằng khi áp suất của chất lỏng giảm thì nhiệt độ sôi của chất lỏng giảm theo Do đó khi có thêm hơi nước (hoặc khí trơ) thì sẽ giảm được nhiệt độ cần thiết để chưng cất chất lỏng

Giả sử có một chất lỏng, ta biết rằng trên bề mặt chất lỏng đó luôn luôn có các phân tử của chất lỏng thoát ra tạo thành pha hơi và đồng thời cũng có các phân tử từ pha hơi quay trở lại pha lỏng Khi số phân tử thoát ra bằng với số phân tử quay trở lại pha lỏng thì ta gọi là trạng thái cân bằng lỏng hơi (Xem hình vẽ 4) Đặc trưng cho cân bằng lỏng hơi là hệ số cân bằng lỏng hơi (K) Hệ số K của một chất bằng tỷ số giữa thành phần chất đó trong pha hơi chia cho thành phần chất đó trong pha lỏng Một chất có hệ

số K càng lớn thì khả năng bay hơi càng cao

1.10 DÒNG HỒI LƯU

Chất lỏng đi vào tháp với mục đích làm lạnh được gọi là dòng hồi lưu Có hai loại dòng hồi lưu đó là hồi lưu bên trong và hồi lưu bên ngoài Chất lỏng thu được nhờ ngưng tụ hơi ở đỉnh tháp, và cho quay trở lại tháp chưng cất ở đỉnh tháp gọi là dòng hồi lưu bên ngoài Khi dòng hồi lưu này vào đĩa trên cùng của tháp, nó sẽ làm nguội chất lỏng trên đĩa này, do nhiệt độ bị giảm nên một phần hơi sẽ ngưng tụ thành lỏng Lượng chất lỏng thêm vào này tiếp tục chảy xuống đĩa tiếp theo và đóng vai trò như một dòng hồi lưu và được gọi là dòng hồi lưu bên trong Dòng hồi lưu bên trong này tiếp tục chảy xuống các đĩa bên dưới cho tới khi nó đạt nhiệt độ đủ cho sự bay hơi xảy ra Khi tháp hoạt động bình thường thì sự bay hơi và ngưng tụ này xảy ra ở mọi đĩa trong tháp chưng cất

Bài 1: Một số khái niệm Trang 23

❖ TÓM TẮT BÀI 1

Trong bài này, một số nội dung chính được giới thiệu gồm:

- Nhiệt cảm

- Ẩn nhiệt

- Điểm sôi đầu

- Điểm sôi cuối

❖ CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 1:

Câu 1: Trình bày sự khác nhau giữa Nhiệt cảm và Ẩn nhiệt?

Câu 2: Trình bày khái niệm Điểm sôi đầu và Điểm sôi cuối?

Câu 3: Trình bày điểm khác nhau giữa Điểm sôi đầu và điểm sương?

Câu 4: Trình bày khái niệm Áp suất hơi và Áp suất hơi riêng phần?

Câu 5: Trình bày ứng dụng của Cân bằng lỏng hơi và dòng hồi lưu cho quá trình

vận hành?

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 24

BÀI 2: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO THÁP CHƯNG CẤT

DẦU THÔ

❖ GIỚI THIỆU BÀI 2

Bài 2 là bài cung cấp cho người học các kiến thức cơ bản về quá trình chưng cất dầu thô (mục đích ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô, nguyên liệu, sản phẩm, nguyên lý hoạt động, sơ đồ hệ thống, cấu tạo và nguyên lý hoạt động,…) để người học vận dụng khi thực hành

❖ MỤC TIÊU BÀI 2

Sau khi học xong bài này, người học có khả năng:

➢ Về kiến thức:

- Giải thích được nguyên lý hoạt động và cấu tạo của tháp chưng cất dầu thô

- Trình bày được mục đích, ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô

- Trình bày được sơ đồ hệ thống, nguyên liệu và sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô (chưng khí quyển và chưng chân không)

- Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập Tham gia đầy đủ thời lượng môn học

❖ PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY VÀ HỌC TẬP BÀI 2

- Đối với người dạy: sử dụng phương pháp giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, nêu vấn đề); yêu cầu người học thực hiện câu hỏi thảo luận theo nhóm

- Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình (bài 2) trước buổi học; hoàn thành đầy đủ câu hỏi thảo luận nhóm và nộp lại cho người dạy đúng thời gian quy định

❖ ĐIỀU KIỆN THỰC HIỆN BÀI 2

- Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Phòng học lý thuyết đúng chuẩn

- Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu

- Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình mô đun, giáo trình, tài liệu

tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan

- Các điều kiện khác: Không có

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 25

❖ KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ BÀI 2

- Nội dung:

✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức

✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Tuân thủ tuyệt đối các qui định về an toàn, pccc, nội quy phòng học/phòng mô hình và quy chế của nhà trường

✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: 01điểm (vấn đáp/ viết)

✓ Kiểm tra định kỳ: 01điểm (Trắc nghiệm/ tự luận)

❖ NỘI DUNG BÀI 2

2.1.1 Mục đích của quá trình chưng cất dầu thô

Quá trình chưng cất dầu thô là một quá trình vật lý phân chia dầu thô thành nhiều hỗn hợp khác nhau dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử có trong thành phần của dầu thô Mỗi hỗn hợp, được gọi là một phân đoạn dầu mỏ, được đặc trưng bởi một

“khoảng nhiệt độ sôi” hay nói một cách khác là được đặc trưng bởi điểm sôi đầu và điểm sôi cuối

Dầu thô khai thác được từ các mỏ dầu là một hỗn hợp rất phức tạp của hydrocacbon và dẫn xuất của nó, vì vậy giá trị sử dụng trực tiếp của dầu thô là rất thấp

Để tăng giá trị sử dụng của dầu thô, người ta tiến hành quá trình chưng cất dầu thô nhằm tách dầu thô thành nhiều phân đoạn dầu mỏ có khoảng nhiệt độ sôi xấp xỉ khoảng nhiệt

độ sôi của các sản phẩm thương mại hoặc chuẩn bị nguyên liệu cho các phân xưởng hạ nguồn Thông thường rất ít phân đoạn thu được từ phân xưởng chưng cất được sử dụng trực tiếp như là sản phẩm thương mại hoặc được dùng để phối liệu tạo sản phẩm thương mại mà phần lớn các phân đoạn thu được từ phân xưởng này đều phải trải qua các quá trình chuyển hoá hóa học hoặc xử lý tiếp theo sau đó nhằm cung cấp cho chúng ta nhiều sản phẩm thứ cấp khác nhau

2.1.2 Ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô

Giá trị sử dụng trực tiếp của dầu thô là rất thấp Vì vậy, để tăng giá trị sử dụng, dầu thô cần được trải qua các quá trình xử lý và chuyển hoá hoá học nhằm cung cấp cho chúng ta nhiều sản phẩm thứ cấp khác nhau Quá trình chưng cất dầu thô nhằm tách dầu thô thành các phân đoạn khác nhau Các phân đoạn này có khoảng nhiệt độ sôi xấp xỉ khoảng nhiệt độ sôi của các sản phẩm thương phẩm, chỉ một vài phân đoạn được sử dụng trực tiếp như là sản phẩm thương phẩm hoặc được dùng để phối liệu tạo sản phẩm thương phẩm Phần lớn các phân đoạn thu được đều phải trải qua các quá trình chuyển

hoá hóa học hoặc xử lý tiếp theo

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 26

Dầu thô sau khi được tách nước, tách muối và các tạp chất cơ học sẽ được đưa qua phân xưởng chưng cất Trong công nghiệp chế biến dầu, người ta thường áp dụng quá trình chưng cất khí quyển và quá trình chưng cất chân không để phân chia dầu thô

thành các phân đoạn khác nhau:

a Chưng cất khí quyển dầu thô

Phân xưởng chưng cất khí quyển là một phân xưởng cơ bản của nhà máy lọc dầu

Nó luôn hiện diện trong bất cứ một nhà máy lọc dầu nào Do vị trí của nó trong nhà máy lọc dầu là đứng trước các phân xưởng khác, xử lý dầu thô đầu tiên trước khi dầu thô được xử lý trong các phân xưởng tiếp theo nên đây là phân xưởng xử lý lưu lượng nguyên liệu lớn nhất so với các phân xưởng khác Phân xưởng này đóng vai trò rất quan trọng trong nhà máy lọc dầu Năng suất của phân xưởng thay đổi từ 300.000 tấn/năm đến hơn 10 triệu tấn/năm

Khi tiến hành quá trình chưng cất khí quyển, chúng ta chỉ chưng cất dầu thô với mục đích nhận các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng); phân đoạn kerosen, phân đoạn diezel (gasoil nhẹ, gasoil nặng); và phần cặn còn lại sau chưng cất (được gọi là cặn chưng cất khí quyển hay mazut)

b Chưng cất chân không

Khi muốn chưng cất sâu thêm phần cặn chưng cất khí quyển của dầu thô với mục đích nhận các phân đoạn gasoil chân không hay phân phân đoạn dầu nhờn, người ta dùng quá trình chưng cất chân không Như vậy, nguyên liệu của quá trình chưng cất khí quyển là dầu thô còn nguyên liệu của quá trình chưng cất chân không là phân đoạn cặn chưng cất khí quyển của dầu thô

Hỗn hợp các cấu tử có mặt trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ nhiệt khi ở nhiệt độ cao Việc phân huỷ nhiệt sẽ làm xấu đi tính chất của các sản phẩm Vì vậy, người ta tiến hành chưng cất cặn chưng cất khí quyển ở áp suất chân không để giảm nhiệt độ sôi của các cấu tử có mặt trong phân đoạn cặn nhằm tránh sự phân huỷ nhiệt

2.1.3 Nguyên lý của quá trình chưng cất

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí đã hoá lỏng thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Quá trình chưng bắt đầu được áp dụng với nền sản xuất rượu từ thế kỷ 11 Ngày nay các hỗn hợp chất lỏng cần tách càng phong phú:

- Dầu mỏ

- Không khí hóa lỏng được chưng cất ở nhiệt độ -190oC để sản xuất oxy và nitơ

- Quá trình tổng hợp hữu cơ thường cho sản phẩm ở dạng hỗn hợp chất lỏng Ví

dụ sản xuất metanol, etylen, propylen…

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 27

Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm Thường bao nhiêu cấu tử thì có bấy nhiêu sản phẩm Sản phẩm đỉnh gồm cấu tử dễ bay hơi và một phần cấu tử khó bay hơi Sản phẩm đáy gồm chủ yếu cấu tử khó bay hơi và một phần cấu tử dễ bay hơi

Nguyên lý làm việc của một tháp chưng luyện như sau: hơi đi từ dưới lên, lỏng

đi từ trên xuống Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi tương ứng với sự thay đổi nồng độ Trên đĩa 1 chất lỏng có nồng độ cấu tử dễ bay hơi x1, hơi bốc lên từ đĩa đó có nồng độ y1, trong đó y1 > x1, hơi đó qua các lỗ đi lên đĩa 2 tiếp xúc với chất lỏng ở đó Nhiệt độ của đĩa 2 thấp hơn đĩa 1 cho nên một phần hơi được ngưng tụ lại, do đó nồng độ cấu tử dễ bay hơi trên đĩa này là x2 > x1 Hơi bốc lên từ đĩa 2 có nồng độ cấu tử dễ bay hơi là y2 > x2 đi lên đĩa 3 Nhiệt độ đĩa 3 thấp hơn đĩa 2, hơi ngưng tụ một phần do đó x3 > x2 Trên mỗi đĩa xảy ra quá trình truyền chất giữa pha lỏng và pha hơi Một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi

và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng Quá trình ngưng tụ và bốc hơi lặp lại nhiều lần, cuối cùng trên đỉnh tháp thu được cấu tử dễ bay hơi có nồng độ cao và dưới đáy tháp thu được cấu tử khó bay hơi nồng độ cao

Hình 2.1 Quá trình bay hơi ngưng tụ xảy ra bên trong tháp chưng cất Chúng ta xem xét trường hợp tách hỗn hợp butan và hexan đơn giản nhất như sau:

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 28

Hình 2.2 Tách hỗn hợp butan – hexan bằng phương pháp chưng Khi hỗn hợp butan – hexan được gia nhiệt, cấu tử nhẹ hơn là butan sẽ bay hơi trước Nhiệt được cấp để tăng nhiệt độ butan đến nhiệt độ sôi của nó là nhiệt cảm (sensible heat) Nhiệt cấp để butan bay hơi sau khi nó đạt được nhiệt độ sôi gọi là nhiệt

ẩn (latent heat) Hơi butan sau khi bay ra khỏi đỉnh bình chưng thì được ngưng tụ lại trong thiết bị ngưng tụ Hexan không bay hơi được tháo ra ở đáy bình Đây là mô hình chưng đơn giản nhất để tách hỗn hợp các cấu tử

2.1.4 Sản phẩm của quá trình chưng cất dầu thô

Khi tiến hành chưng cất dầu thô, chúng ta thu được nhiều phân đoạn và sản phẩm dầu Chúng được phân biệt với nhau bởi khoảng nhiệt độ sôi, thành phần hydrocacbon,

và nhiều tính chất khác có liên quan đến việc sử dụng chúng

- Khí đốt: gồm C1 và C2, chủ yếu được sử dụng để cung cấp năng lượng cho nhà máy lọc dầu

- Khí propan và butan: tuỳ thuộc công nghệ chưng cất, phân đoạn C3, C4 nhận được ở thể khí hay ở dạng hoá lỏng (LPG) Phân đoạn này có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho các quá trình chế biến khác, nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu hoặc được dùng làm nhiên liệu dân dụng

- Phân đoạn xăng: có khoảng nhiệt độ sôi từ 30 – 180oC, bao gồm các hydrocacbon từ C5 - C11 Phân đoạn này có thể tiếp tục được tách ra thành nhiều phân đoạn có khoảng nhiệt độ sôi hẹp hơn, thường là được tách ra thành phân đoạn xăng nhẹ (30 - 70oC)

và phân đoạn xăng nặng (70-180oC) Phân đoạn xăng nhẹ được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình isome hoá và phân đoạn xăng nặng được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình reforming xúc tác để nâng cao giá trị của sản phẩm Ngoài ra phân đoạn này còn được sử dụng để làm dung môi

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 29

- Phân đoạn kerosen: có khoảng nhiệt độ sôi từ 180 - 250oC, bao gồm các hydrocacbon

từ C11 - C15, C16 Phân đoạn này được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ phản lực Khi nhu cầu loại nhiên liệu này đủ hoặc phân đoạn kerosen không đáp ứng được các yêu cầu của nhiên liệu phản lực thì nó được sử dụng làm dầu hoả dân dụng, hoặc dung môi cho công nghiệp sơn

- Phân đoạn diesel: có khoảng nhiệt độ sôi từ 250 - 350oC, bao gồm các hydrocacbon

từ C15,C16 - C20, C21 Phân đoạn này được sử dụng làm nhiên liệu diezel

- Phân đoạn mazut: có nhiệt độ sôi từ 350oC trở lên Đây chính là phần cặn của quá trình chưng cất khí quyển, được dùng làm nhiên liệu đốt cho các lò công nghiệp hay được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình chưng cất chân không

- Phân đoạn dầu nhờn: có khoảng nhiệt độ sôi từ 350 - 500 hoặc 550oC, bao gồm các hydrocacbon từ C21 đến C35 hoặc có thể lên đến C40 Đây chính là sản phẩm đỉnh của tháp chưng cất chân không Phân đoạn này có thể được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác hay hydrocracking Ngoài ra phân đoạn này có thể được chia thành nhiều phân đoạn nhỏ có khoảng nhiệt độ sôi hẹp hơn để làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất dầu nhờn khác nhau

- Phân đoạn gudron: là phân đoạn cuối cùng thu được bởi quá trình chưng cất Đây chính là cặn của quá trình chưng cất chân không, được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cốc hóa hoặc được dùng để chế tạo bitum hoặc để chế tạo thêm phần dầu nhờn nặng

2.1.5 Chuẩn bị nguyên liệu trước khi chưng cất

a Mục đích

Dầu thô vừa khai thác từ các mỏ dầu lên, ngoài thành phần chính là các hydrocacbon và dẫn xuất của chúng như đã nói ở trên, trong dầu còn lẫn nhiều tạp chất, chẳng hạn tạp chất cơ học như đất đá, nước và cả muối khoáng Sự có mặt của các tạp chất này sẽ dẫn đến hiện tượng tạo cặn bùn và các hợp chất ăn mòn, phá hỏng thiết bị, làm giảm hiệu quả của quá trình chế biến

Các tạp chất cơ học, nước có thể được tách ra khỏi dầu bằng phương pháp cơ học như lắng, ly tâm, lọc hoặc bằng phương pháp hoá học Ở đây chúng ta chỉ đề cập đến quá trình xử lý tách muối cho dầu thô Đây là một quá trình quan trọng trong nhà máy lọc dầu vì nó quyết định đến hiệu quả hoạt động tốt hay không tốt của các quá trình xử

lý chế biến sau này

b Tác hại của muối

Sự có mặt của muối trong dầu thô sẽ dẫn đến những tác hại sau:

• Đóng cặn trên các đường ống của thiết bị trao đổi nhiệt làm giảm hệ số truyền

nhiệt của thiết bị dẫn đến thiết bị làm việc kém hiệu quả

• Gây ăn mòn thiết bị

• Đóng cặn trên các đường ống làm giảm tiết diện đường ống dẫn đến làm tăng

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 30

vận tốc, tăng trở lực và kết quả là làm tăng công suất của bơm

Ngoài ra, sự có mặt của muối trong phần cặn chưng cất khí quyển sẽ dẫn đến gây ngộ độc xúc tác quá trình cracking, đặc biệt khi quá trình cracking xử lý phân đoạn cặn nặng

Mặc khác, một quá trình tách muối hoạt động không tốt cũng có thể dẫn đến sự nhiễm bẩn của nước đi ra từ thiết bị tách muối do các hydrocacbon bị kéo theo Điều đó gây ra những vấn đề rất nghiêm trọng về ô nhiễm môi trường

c Cơ chế quá trình tách muối

Để tách loại muối ra khỏi dầu thô, chúng ta dùng nước để "rửa" dầu thô và tách nước + muối dựa trên phương pháp tĩnh điện Tương tác giữa điện trường và các hạt làm cho các hạt tích điện và lắng xuống Nguyên tắc này được áp dụng để tách muối, nước

ra khỏi dầu thô Vì bản thân các tạp chất đã là các hạt dễ bị nhiễm điện tích, do vậy nếu chúng ta dùng lực điện trường mạnh sẽ làm thay đổi điện tích, tạo điều kiện cho các hạt đông tụ hay phát triển làm cho kích thước lớn lên và như vậy chúng sẽ dễ tách ra khỏi dầu

Quá trình tách muối bằng phương pháp tĩnh điện bao gồm 3 công đoạn nối tiếp như sau :

• Phân tán các muối của dầu thô vào trong nước (quá trình rửa)

• Lắng các hạt nước bằng lực tĩnh điện

• Lắng gạn tách loại bằng trọng lực

d Sơ đồ công nghệ của quá trình tách muối

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ của quá trình tách muối

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 31

e Các thông số của quá trình tách muối

Người ta thường pha thêm nước vào dầu với lượng từ 3 – 8% so với dầu thô và

có thể cho thêm hóa chất rồi cho qua van tạo nhũ Dầu thô đi vào thiết bị tách muối có nhiệt độ khoảng 100 – 150oC Dầu thô chứa nhũ tương nước - dầu được đưa vào giữa hai bản điện cực có điện trường khoảng 1000v/cm và một điện trường phụ tạo thành do mặt nước tách ra và điện cực thứ nhất, khoảng 200v/cm Thời gian lưu của dầu thô trong thiết bị tách muối thường từ 20 – 30 phút

2.2.1 Giới thiệu hệ thống chưng cất dầu thô

a Sơ đồ hệ thống chưng cất dầu thô khí quyển

Dầu thô từ nơi khai thác được chứa ở các bồn bể chứa (storage tanks) Dầu thô thường chứa các tạp chất như nước, muối, cặn, các tạp chất này phải được loại bỏ trước khi dầu được đem đi chế biến Một số tạp chất được lắng đọng trong bồn chứa, còn lại các tạp chất được tách ra nhờ thiết bị tách loại muối (desalter) Dầu thô sau khi được gia nhiệt nhờ hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt được đưa vào tháp tại đĩa tiếp liệu Nguyên liệu đi vào tháp ở trạng thái bốc hơi một phần nên khi vào đĩa nạp liệu nó có gây nên hiện tượng xáo trộn, do đó khoảng cách giữa đĩa nạp liệu và đĩa trên nó phải lớn hơn khoảng cách giữa các đĩa khác trong tháp Nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp thường đạt nhiệt độ đủ cho đa số các cấu tử nhẹ bay hơi hết Các cấu tử nhẹ còn giữ lại thì sẽ được tách ra nhờ dòng hơi nước sục vào ở đáy tháp

Trong đa số các tháp chưng cất, các đĩa được đánh số theo thứ tự tăng dần từ trên đỉnh tháp xuống

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 32

Hình 2.4 Sơ đồ chưng cất dầu thô

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 33

Hình 2.5 Tháp chưng cất dầu thô Phân đoạn rời khỏi đỉnh tháp chưng cất được đưa tới các tháp xử lý phần nhẹ (light end towers) Các tháp này phân chia sản phẩm đỉnh thành nhiều loại xăng với độ phối trộn khác nhau

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 34

Hình 2.6 Tháp Stripping Sản phẩm tách ra từ thân tháp được đưa qua tháp stripping Tháp stripping có cấu tạo và chức năng như một tháp chưng cất thu nhỏ Mục đích là để tách nốt phần nhẹ có trong dòng trích sản phẩm từ thân tháp Dòng lỏng chảy trong cột sẽ tiếp xúc với hơi nước sục từ dưới tháp lên Hơi nước làm giảm áp suất riêng phần của các hydrocacbon

và các cấu tử nhẹ có trong lỏng sẽ bay hơi Hơi này được đưa trở lại tháp vào đĩa phía trên đĩa trích sản phẩm

Các sản phẩm tách ra từ thân tháp được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình tổng hợp hóa dầu hoặc làm nhiên liệu

Khi muốn chưng cất sâu thêm phần cặn còn lại sau chưng cất nhằm mục đích nhận các phân đoạn gasoil chân không hay phân đoạn dầu nhờn (phân đoạn có nhiệt độ

350 – 5400C, sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác hay hydrocracking, các phân đoạn hẹp hơn được sử dụng làm nguyên liệu cho sản xuất các loại dầu nhờn), người ta dùng chưng cất chân không Phần cặn của chưng cất chân không gọi là phân đoạn cặn gudron được dùng để chế tạo bitum, nhựa đường hay làm nguyên liệu cho quá trình cốc hóa sản xuất cốc dầu mỏ

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 35

b Sơ đồ hệ thống chưng cất dầu thô chân không

Hình 2.7 Tháp chưng cất chân không

Chưng cất chân không là phương pháp chưng cất mà tháp chưng cất vận hành ở

áp suất dưới áp suất khí quyển (14,7 psi)

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 36

Hình 2.8 Thu hồi khí không ngưng bằng bơm chân không

Hình 2.9 Thu hồi khí không ngưng bằng ejector Nguyên liệu dùng cho tháp chưng cất chân không là phần cặn nặng của quá trình chưng cất khí quyển Trước khi vào tháp, nguyên liệu có thể được cho qua lò đốt hoặc không bởi vì sau khi rời khỏi tháp chưng cất khí quyển thì nhiệt độ của phần cặn cũng

đủ cho quá trình bốc hơi xảy ra Khi nguyên liệu vào vùng bốc hơi (Flash zone) thì các cấu tử nhẹ ngay lập tức bốc hơi, phần nặng đi xuống đáy tháp tạo thành sản phẩm đáy gọi là hắc ín Khi hơi đi lên đỉnh tháp một phần các cấu tử nặng sẽ ngưng tụ thành lỏng

và được tháo ra ở thân tháp và được gọi là phân đoạn dầu nhờn (phân đoạn gasoil)

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 37

Tất cả các khí không ngưng phải được lấy ra liên tục khỏi tháp nếu không áp suất của tháp sẽ tăng Có thể dùng ejector hoặc bơm chân không để hút các khí không ngưng này

Với tháp chưng cất chân không nhiệt độ chưng cất thấp hơn nhiều so với nhiệt

độ của tháp chưng cất ở áp suất thường Điều này cho phép ta nhận được các sản phẩm sâu hơn và tránh được sự phân huỷ nhiệt của các chất

2.2.2 Các loại tháp chưng cất

Muốn có hiệu quả phân tách tốt, quá trình tiếp xúc pha trong tháp tinh luyện phải được xảy ra đồng đểu, triệt để Do vậy, người ta phải trang bị các cơ cấu bên trong tháp nhằm đạt được mục đích này Trong thực tế thường chế tạo tháp với các loại đĩa khác nhau như đĩa chụp, đĩa đệm, đĩa lỗ, đĩa van, đĩa lòng máng…

Phần phía trên đĩa nạp liệu của tháp thực hiện quá trình làm tăng nồng độ của các cấu tử nhẹ trong pha hơi nên được gọi là phần tinh luyện Phần phía dưới đĩa nạp liệu của tháp thực hiện quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng và làm tăng nồng độ của cấu tử nặng trong phần cặn chưng nên được gọi là phần chưng Do vậy phần đáy phải cung cấp thêm nhiệt hay phải đưa thêm tác nhân bay hơi vào Mức độ phân tách tốt hay không tốt phụ thuộc vào số đĩa được bố trí trong tháp và lượng hồi lưu Nếu số đĩa quá ít thì khó phân tách, nhưng nếu số đĩa quá lớn thì dẫn đến chiều cao của tháp quá lớn, gây ra khó khăn cho chế tạo lắp ráp, tăng vốn đầu tư…

Trong thực tế tồn tại các loại tháp như dưới đây

a Tháp đệm

Trong tháp đệm người ta bố trí các ngăn có chứa đệm với hình dạng nhất định hoặc là hình vành khuyên, hình trụ có tấm chắn để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha lỏng, hơi Nhược điểm của tháp đẹm là quá trình tiếp xúc giữa hai pha lỏng hơi không tốt, không đều ở toàn bộ đệm theo tiết diện ngang của tháp Nhưng nếu đường kính tháp nhỏ hơn 1 mét, thì tháp đệm có hiệu quả tương đương như các loại tháp khác

Vì vậy, loại tháp đệm hay được dùng trong các dây chuyền có công suất thấp, do dễ chế tạo và vốn đầu tư không cao

b Tháp đĩa

Loại tháp này được sử dụng khá phổ biến trong công nghệ chưng cất dầu mỏ và các phân đoạn dầu Các đĩa chụp có nhiều loại, chúng khác nhau bởi cấu tạo và hình dạng của chụp, nhằm tăng cường sự tiếp xúc pha trong tháp như đĩa hình chữ S…

c Tháp với đĩa lòng máng, đĩa lưới hay đĩa sàng

Loại này thích hợp cho chưng cất các cặn nặng hay sản phẩm có độ nhớt cao

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 38

Đối với chưng cất dầu thô thì tháp đĩa hoặc tháp sử dụng kết hợp các loại đĩa, đệm được sử dụng là chủ yếu

2.2.3 Cấu tạo các đĩa và một số bộ phận trong tháp

a Cấu tạo các đĩa trong tháp

Cơ sở của quá trình chưng luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau Để đảm bảo sự tiếp xúc hoàn thiện giữa pha lỏng và pha hơi trong tháp được trang bị các đĩa hay đệm Độ phân chia một hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha (số đĩa lý thuyết), vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp

Hình vẽ sau đây mô tả quá trình tiếp xúc pha trên đĩa chóp

Hình 2.10 Quá trình tiếp xúc pha trên đĩa Hơi đi lên theo các ống dẫn hướng (riser) qua các chóp (bubble cap), và tạo thành các bọt khí nhỏ hơn Do đó diện tích tiếp xúc lỏng hơi được tăng lên

Các ống chảy truyền (downcomer) phải được thiết kế phù hợp để cung cấp dòng lỏng ổn định từ đĩa này sang đĩa khác trong tháp Các ống chảy truyền có thể được bố trí trong tháp như sau:

Bài 2: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo tháp chưng cất dầu thô Trang 39

Hình 2.11 Cách sắp xếp ống chảy truyền

Hình 2.12 Tấm ngăn trên đĩa Khi dòng lỏng ra hay vào một đĩa nó sẽ đi qua các tấm ngăn (Weir) Khi chất lỏng chảy vào đĩa tấm ngăn giúp phân phối chất lỏng chảy trên toàn bộ đĩa Còn tại cửa

ra của đĩa thì tấm ngăn có nhiệm vụ duy trì mực chất lỏng thích hợp trên đĩa Nếu lượng chất lỏng trên đĩa quá cao thì áp suất cần thiết để cho dòng hơi qua đĩa sẽ lớn, hay nói cách khác dòng hơi qua đĩa sẽ khó khăn hơn Còn nếu mức chất lỏng trên đĩa quá thấp thì sự tiếp xúc lỏng hơi trên đĩa sẽ giảm, hiệu suất phân tách thấp Để có được hiệu quả