Đồ Án Thiết Kế Tháp Chưng Cất Dầu Nặng Trung Đông (Kèm Bản Vẽ Autocad).Pdf

Đố án môn học Thiết kế tháp chưng cất dầu nặng Trung Đông MỞ ĐẦU Dầu mỏ là khoáng vật phong phú nhất trong tự nhiên, là một trong những nguyên liệu thô quan trọng nhất mà loài người có được và nó là m[.]

MỞ ĐẦU

Dầu mỏ là khoáng vật phong phú nhất trong tự nhiên, là một trong những nguyên liệu thô quan trọng nhất mà loài người có được và nó là một trong những nguồn cung cấp hydrocacbon phong phú nhất có trong tự nhiên

Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa, đến thế kỷ XVIII dầu mỏ được sử dụng làm nhiên liệu để đốt và thắp sáng Sang thế kỷ XIX, dầu được coi như là nguồn nhiên liệu chính cho mọi phương tiện giao thông và cho nền kinh tế Hiện nay, dầu mỏ

đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia trên thế giới Khoảng

65 ÷ 70% năng lượng sử dụng đi từ dầu mỏ, chỉ 20 ÷ 22% đi từ than, 5 ÷ 6% từ năng lượng nước và 8 ÷ 12% từ năng lượng hạt nhân Bên cạnh việc sử dụng dầu mỏ để chế biến thành các dạng nhiên liệu thì hướng sử dụng mạnh mẽ và hiệu quả nhất của dầu

mỏ là làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hữu cơ – hóa dầu như: sản xuất cao

su, chất dẻo, tơ sợi tổng hợp, các chất hoạt động bề mặt, phân bón…

Ngành khai thác chế biến dầu khí là một ngành công nghiệp mũi nhọn, trong một tương lai dài vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong lĩnh vực năng lượng và nguyên liệu hoá học mà không có tài nguyên thiên nhiên nào thay thế được Hiệu quả sử dụng dầu

mỏ phụ thuộc vào chất lượng của các quá trình chế biến Theo các chuyên gia về hóa dầu Châu Âu, việc đưa dầu mỏ qua các quá trình chế biến sẽ nâng cao được hiệu quả

sử dụng của dầu mỏ lên 5 lần, và như vậy tiết kiệm được nguồn tài nguyên quý giá này

Dầu mỏ là hỗn hợp rất phức tạp gồm hydrocacbon, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ và các hợp chất khác như CO2, N2, H2, H2S, He, Ar, Ne… Dầu mỏ muốn sử dụng được phải phân chia thành từng phân đoạn nhỏ Sự phân chia đó dựa vào phương pháp chưng cất để thu được các sản phẩm có nhiệt độ sôi khác nhau Trong nhà máy lọc dầu, phân xưởng chưng cất dầu thô là một phân xưởng quan trọng, cho phép ta thu được các phân đoạn dầu mỏ để chế biến tiếp theo Đồ án này đưa ra các vấn đề lý thuyết liên quan và thiết kế tháp chưng cất dầu thô với nguyên liệu là dầu thô nặng Trung Đông

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU

Phần I: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT DẦU THÔ

I Mục đích và ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô

II Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất dầu thô

II.1 Chưng cất đơn giản

II.1.1 Chưng cất bằng cách bay hơi dần dần

II.1.2 Chưng cất bằng cách bay hơi một lần

II.1.3 Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần

II.2 Chưng phức tạp

II.2.1 Chưng cất có hồi lưu

II.2.2 Chưng cất có tinh luyện

II.3 Chưng cất chân không và chưng cất hơi nước

III Công nghệ chưng cất dầu thô

III.1 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

III.1.1 Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện

III.1.2 Áp suất của tháp chưng

III.2 Lựa chọn sơ đồ và chế độ công nghệ của quả trình chưng cất

IV Sản phẩm của quá trình chưng cất

V Thiết bị chính của sơ đồ chưng cất

IV.1 Tháp chưng cất

Các loại tháp thường được sử dụng

Nguyên lý làm việc của tháp chưng cất

V.2 Lò đốt

V.3 Thiết bị trao đổi nhiệt

Phần II: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

I Các số liệu về dầu thô Trung Đông:

II Phân chia phân đoạn sản phẩm:

III Vẽ đường cân bằng VE cho các sản phẩm:

III.1 Đương cong VE của xăng:

III.2 Đường cong VE của kerosen:

III.3 Đường cong VE của nhiên liệu diezel:

IV Tính các tính chất trung bình của sản phẩm:

IV.1 Tỉ trọng trung bình:

IV.2 Tính nhiệt độ soi trung bình phân tử

IV.3 Tính phân tử trọng trung bình của các sản phẩm

V Tính lưu lượng

V.1 Lưu lượng của nguyên liệu ban đầu

V.2 Tính lưu lượng của các sản phẩm và hơi nước

VI Tính chế độ nhiệt trong tháp chưng phân đoạn

VI.1 Xác định áp suất trong tháp

VI.2 Xác định nhiệt độ trong tháp

Nhiệt độ tại vùng nạp liệu

Nhiệt độ tại đáy tháp

Nhiệt độ trên đĩa lấy sản phẩm nhiên liệu diezel

Nhiệt độ trên đĩa lấy kerosen

Nhiệt độ tại đỉnh tháp

Tính chỉ số hồi lưu trên đỉnh tháp

VII Tính kích thước của tháp chưng cất

VII.1 Tính đường kính tháp

VII.2 Tính chiều cao tháp

VIII Tính số chốp và đường kính chốp

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Phần I TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT DẦU THÔ

I. Mục đích và ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô.

Mục đích của quá trình chưng cất dầu thô là chia dầu thô (là nguyên liệu ban đầu) thành những phân đoạn hẹp để tiện lợi cho các quá trình chế biến về sau, chẳng hạn như các quá trình cracking, reforming hay quá trình sản xuất dầu nhờn

Trong công nghiệp chế biến dầu, dầu thô sau khi được xử lý qua các quá trình tách nước, muối và tạp chất cơ học sẽ được đưa vào chưng cất Tùy theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà chúng ta sẽ áp dụng chưng cất dầu ở áp suất khí quyển AD (Atmospheric Distillation) hay chưng cất trong chân không VD (Vacuum Distillation) hay kết hợp cả 2 công nghệ AD-VD gọi tắt là AVD

Với mục đích nhận các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng), phân đoạn kerosen, phân đoạn diezel (nhẹ, nặng) và phần cặn còn lại sau chưng cất người ta sử dụng công nghệ AD

Còn khi muốn chưng cất sâu thêm phần cặn thô nhằm nhận các phân đoạn gasoil chân không hay phân đoạn dầu nhờn người ta dùng chưng cất chân không VD

Phân đoạn gasoil chân không là nguyên liệu cho quá trình Cracking nhằm chế biến xăng có trị số octan cao

Phân đoạn dầu nhờn được dùng để chế tạo các sản phẩm dầu mỡ bôi trơn, còn phân đoạn cặn gudron dùng để chế tạo bitum, nhựa đường hay làm nguyên liệu cho quá trình cốc hóa sản xuất cốc dầu mỏ

Như vậy tùy theo tính chất dầu thô và mục đích chế biến mà người ta áp dụng loại hình công nghệ chưng cất cho thích hợp

II. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất dầu thô:

Quá trình chưng cất dầu thô là một quá trình phân đoạn Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử trong dầu mà không xảy ra sự phân huỷ Hơi nhẹ bay lên và ngưng tụ thành phần lỏng Tùy theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình thành chưng đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất trong chân không và chưng cất với hơi nước

II.1 Chưng cất đơn giản:

Chưng đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi dần dần, một lần hay nhiều lần, một hỗn hợp chất lỏng cần chưng, hình 2 (a, b, c)

II.1.1 Chưng cất bằng cách bay hơi dần dần:

Phương pháp này thường được áp dụng trong phòng thí nghiệm.

Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày trên hình 2a gồm: thiết bị đốt nóng lên tục, một hỗn hợp chất lỏng trong bình chưng 1 từ nhiệt độ thấp tới nhiệt độ sôi cuối liên tục tách hơi sản phẩm và ngưng tụ hơi bay lên trong thiết bị ngưng tụ 3 và thu được sản phẩm lỏng trong bể chứa 4

Hình 2a

II.1.2 Chưng cất bằng cách bay hơi một lần.

Phương pháp này còn gọi là phưng pháp bay hơi cân bằng Hỗn hợp chất lỏng I được cho liên tục vào thiết bị đun sôi 2 và được đốt nóng đến một nhiệt độ xác định và

ở áp suất p cho trước Pha hơi thu được cho qua thiết bị ngưng tụ 3 rồi vào bể chứa 4,

từ đó nhận được phần cất II; còn pha lỏng được lấy ra liên tục và ta nhận được phần cặn III

1 2

4

I

I I

I I I 3

Hình 2b

II.1.3 Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần:

Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt

độ tăng dần hay áp suất thấp hơn đối với phần cặn (hình 2c) Phần cặn của chưng cất lần một là nguyên liệu cho chưng cất lần hai sau khi được đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn Từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được sản phẩm đỉnh, còn đáy chưng cất lần hai ta nhận được sản phẩm cặn

Chưng đơn giản, nhất là với loại bay hơi một lần thì không đạt được độ phận phân chia cao Do đó khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần của các hợp chất lỏng, người ta phải tiến hành chưng cất có tinh luyện đó là chưng phức tạp

Hình 2c

II.2 Chưng phức tạp :

II.2.1 Chưng cất có hồi lưu:

Quá trình chưng cất có hồi lưu là một quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng bay hơi lên Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách khỏi

hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không

có hồi lưu, nhờ vậy có sự phân chia cao hơn

II.2.2 Chưng cất có tinh luyện:

Chưng cất có tinh luyện còn cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu

Cơ sở của quá trình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau Quá trình này được thực hiện bằng phương pháp tinh luyện Để đảm bảo cho sự tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha hơi và pha lỏng 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

Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng cất tinh luyện:

Pha hơi Vn bay lên từ đĩa n lên đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1 chảy từ đĩa n-1 xuống, còn pha lỏng Ln từ đĩa n, chảy xuống đĩa phía dưới n+1 lại tiếp xúc với pha hơi Vn+1 bay từ dưới lên Nhờ quá trình tiếp xúc như vậy mà quá trình trao đổi chất xảy ra tốt hơn Pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm nhiều cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều cấu tử nặng Số lần tiếp xúc

càng nhiều, sự trao đổi chất ngày càng tăng và sự phân chia ngày càng tốt, hay nói cách khác, tháp có độ phân chia càng cao Đĩa trên có hồi lưu đỉnh, còn đĩa dưới cùng

có hồi lưu đáy Nhờ có hồi lưu đỉnh và đáy mà làm cho tháp hoạt động liên tục, ổn định và có khả năng phân tách cao Ngoài đỉnh và đáy người ta còn thiết kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn tháp cho qua trao đổi nhiệt làm lạnh rồi quay lại tưới vào tháp Như vậy theo chiều cao của tháp tinh luyện ta sẽ nhận được các phân đoạn có giới hạn sôi khác nhau tuỳ thuộc vào chế độ công nghệ chưng cất nguyên liệu dầu thô ban đầu

Hình: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng luyên

II.3 Chưng cất chân không và chưng cất hơi nước :

Hỗn hợp các cấu tử có trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi tăng nhiệt độ Trong số các hợp chất dễ bị phân hủy nhất là các hợp chất chứa lưu huỳnh và các hợp chất cao phân tử như nhựa Các hợp chất parafin kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphten và naphten lại kém bền hơn các hợp chất thơm Độ bền nhiệt của cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả thời gian tiếp xúc

ở nhiệt độ đó

Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất của sản phẩm, như làm giảm

độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy của chúng, giảm độ bền oxi hoá Nhưng quan trọng hơn cả là chúng gây nên nguy hiểm cho quá trình chưng cất, vì chúng tạo thành các tạp chất ăn mòn và làm tăng áp suất của tháp Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt của chúng, người ta phải chưng cất chân không VD hay chưng cất với hơi nước để tránh sự phân huỷ nhiệt Chân không làm giảm nhiệt độ sôi, còn hơi nước cũng có tác dụng làm giảm nhiệt độ sôi tức là giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp làm cho chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn

Tóm lai: Cơ sở của quá trình chưng cất là quá trình phân chia vật lý dầu thô thành các thành phần hay phân đoạn, dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử có trong dầu thô Quá trình này không sử dụng xúc tác

III. Công nghệ chưng cất dầu thô:

III.1 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất:

Các thông số công nghệ có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng của quá trình chưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất

Chế độ công nghệ chưng cất phụ thuộc vào chất lượng dầu thô ban đầu mục đích, yêu cầu của quá trình vào chủng loại sản phẩm cần thu, và phải có dây chuyền công nghệ hợp lý

Vì vậy khi thiết kế quá trình chưng cất chúng ta cần phải xét kỹ và kết hợp đầy đủ các yếu tố để quá trình chưng cất đạt hiệu quả cao nhất

III.1.1 Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện.

Chế độ là thông số quan trọng nhất của tháp chưng bằng cách thay đổi chế độ nhiệt của tháp sẽ điều chỉnh được chất lượng và hiệu suất của sản phẩm chế độ nhiệt của tháp gồm nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp

Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) vào tháp chưng phụ thuộc vào bản chất của loại dầu thô, mức độ phân tách của sản phẩm áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp, nhưng chủ yếu là phải tránh sự phân huỷ nhiệt của nguyên liệu ở nhiệt

độ cao Nếu dầu thô là loại dầu nặng mức độ phân chia lấy sản phẩm ít thì nhiệt độ nguyên liệu khi vào tháp chưng luyện sẽ không cần cao Trong thực tế sản phẩm khi chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ nguyên liệu vào tháp chưng luyện thường trong giới hạn 320 ÷ 3600C còn nhiệt độ nguyên liệu mazut vào tháp chưng ở áp suất chân không thường khoảng 400 ÷ 4400C

Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần hồi lưu đáy Nếu bay từ phần hồi lưu đáy bằng một thiết bị đốt nóng riêng biệ, thì nhiệt độ tối ưu, tránh sự phân huỷ các cấu tử nặng, nhưng phải đủ để tách hết hơi nhẹ khỏi phần cặn đáy

Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi hoàn toàn sản phẩm đỉnh

Nhiệt độ đỉnh tháp chưng luyện ở áp suất khí quyển để tách khỏi phân đoạn khác cần giữ trong khoảng 100 ÷ 70mmHg thường nhiệt độ không quá 1200C để tách hết phần gasal nhẹ còn lẫn trong nguyên liệu

Để đảm bảo chế độ nhiệt của tháp và tạo điều kiện phân tách tốt hơn trong quá trình chưng luyện hoàn thiện phải có hồi lưu

Hồi lưu đỉnh tháp có hai dạng: Hồi lưu nóng và hội lưu nguội

- Hồi lưu nóng:

Quá trình hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách cho ngưng tụ một phần hơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó, sau đó tưới trở lại đỉnh tháp, chung chỉ cần một lượng nhiệt để bốc hơi, tác nhan làm lạnh có thể dùng nước hay chính sản phẩm lạnh

t 2

t 0

2

Hình 7: Hồi lưu nóng

1 Tháp chưng

2 Thiết bị ngưng tụ

Lượng hồi lưu nóng được tính theo công thức như sau:

n

Q R

i

=

Rn: Lượng hồi lưu nóng, kg/h

Q: Nhiệt lượng hồi lưu cần lấy để bốc hơi, Kcal/h

I: Nhiệt ngưng tụ của sản phẩm lỏng Kcal/kg

Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và gặp nhiều khó khăn cho việc vệ sinh đặc biệt là khi công suất của tháp lớn, nên loại này ngày nay ít phổ biến và bị hạn chế

- Hồi lưu nguội:

Quá trình hồi lưu nguội được thực hiện bằng cách cho ngưng tụ một phần hơi sản phẩm đỉnh rồi tưới trở lại tháp ngưng khi đó lượng nhiệt cần thiết để cấp cho phần hồi lưu bao gồm nhiệt cần để đung nóng đến nhiệt độ sôi và nhiệt lượng để hoá hơi

2

t 0

t 1

1

2

3

Hình 8: Hồi lưu nguội

1 Tháp chưng

2 Ngưng tụ - làm lạnh

3 Bể chứa hồi lưu

Lượng hồi lưu ngược được tính theo công thức

ng h h

2 1 t1 t2

R

+ −

−

Rng: Lượng hồi lưu ngược

Q: Lượng nhiệt hồi lưu cần

t1: hàm nhiệt của hơi

qh

t2: Lượng hồi lưu lỏng hồi lưu

i: Nhiệt lượng phần hơi cần

t1,t2: Nhiệt độ của hơi và lỏng tương ứng

Từ công thức trên ta thấy lượng hồi vào tháp (t1) càng thấp, thường nhiệt độ hồi lưu t1

tưới vào tháp khoảng 30 ÷ 400C

Ngoài sử dụng hồi đỉnh đáy người ta còn sử dụng hồi lưu trung gian

3

H¬i s¶n phÈm

1

t 1

t 0

2

Hình 9: Hồi lưu trung gian

1 Tháp chưng

2 Thiết bị trao đổi

3 Bơm

Quá trình hồi lưu trung gian được thực hiện bằng cách lấy một sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ kì t1 đưa ra ngoài làm lạnh đến t0 rồi tưới vào hồi lưu lại tháp khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một nhiệt lượng để đung nóng từ nhiệt độ t0 đến

t2

Xác định lượng hội lưu trung gian qua công thức

tg t t t2 t 0

Q R

Q: là lượng hồi lưu lấy di kcal/h

qt

t2, qt

t0: hàm lượng nhiệt của hồi lưu ở pha lỏng ứng với nhiệt độ t2 và t0

kcal/kg