Đồ án môn học công nghệ lọc dầu

Đồ án môn học công nghệ lọc dầu

TRƯỜNG ĐH MỎ - ĐỊA CHẤT

BỘ MÔN LỌC – HÓA DẦU

-: -ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ LỌC DẦU

Câu 1

Sử dụng các dữ liệu tính toán tại mục 3.4 giáo trình công nghệ lọc dầu của tác giảPhan Tử bằng (NXB Xây Dựng, 2002) ngoại trừ dữ liệu vị trí đĩa lấy sản phẩm, anh (chị)hãy xác định vị trí lấy xăng nặng khi biết nhiệt độ lấy xăng nặng là: 158oC

Câu 2.

Xây dựng sơ đồ điều khiển và mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất trong câu

1 để thay đổi nhiệt độ vùng lấy xăng nặng tăng lên 10oC

GVHD: Nguyễn Anh Dũng SVTH: Nguyễn Văn Bình

Lớp: Lọc Hóa Dầu B-K53

STT: 04

Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản nhất, đôi khi gần như là phương phápduy nhất được sử dụng trong một nhà máy để phân chia dầu mỏ và khí tự nhiên cũng nhưcác phân đoạn của chúng thành các phân đoạn và tiểu phân đoạn Người ta cần chưng cấtkhông những dầu thô, khí đồng hành, khí tự nhiên mà cả các sản phẩm ra khỏi lò phảnứng hóa học dùng trong các quá trình chế biến sâu dầu mỏ cũng như trong lĩnh vực hóa

dầu Sự chưng cất được tiến hành trong các thiết bị chưng cất gồm tháp chưng cất và cácthiết bị phụ trợ khác như lò gia nhiệt, thiết bị làm lạnh, và một điều không thể thiếuđược là hệ thống thiết bị điều khiển, thiết bị đo nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,

Bẩn chất của quá trình chưng cất dầu thô là phân tách các phân đọan hydrocacbonkhác nhau dựa vào nhiệt độ sôi của chúng Đối với tháp chưng cất dầu thô khí quyểnthông thường người ta lấy ra các phân đoạn sản phẩm sau:

- Phân đoạn khí – xăng nhẹ: có nhiệt độ sôi nhỏ hơn 60oC, chứa các hydrocacbon từ

Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Anh Dũng, là người trực tiếp giảng dạy, chỉbảo và hướng dẫn em để em có thể hoàn thành được đồ án này Tuy nhiên, do còn cónhiều mặt hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế nên trong đồ án sẽ khôngtránh khỏi những sai sót Vì vậy, em rất mong sự nhận xét và đóng góp ý kiến của Thầy

và bạn bè để em có thêm những kinh nghiệm cũng như kiến thức

NỘI DUNG

1 Tổng quan về quá trình chưng cất

1 Cơ chế của quá trình chưng cất

Để hiểu rõ hơn về quá trình chưng cất cũng như việc bố trí các thiết bị đo lường vàđiều khiển, ở đây em sẽ mô tả sự hình thành và hướng chuyển động của các dòng hơi vàdòng lỏng trong tháp chưng cất (hình 1.1) Trong hình 1.1 chỉ có hai phân đoạn được lấy

ra khỏi tháp chưng cất Nếu cần lấy một phân đoạn sườn nào đó thì ta trích dòng lỏngđang chảy xuống bằng cách cho nó chảy ra ngoài tại mỗi đĩa nào đó có nhiệt độ thíchhợp Dòng nguyên liệu có thể được dẫn vào tháp chưng cất ở một đĩa nào đó có nhiệt độthích hợp Đó là đĩa nạp liệu Đĩa nạp liệu ở cao hay ở thấp là phụ thuộc vào nhiệt độ củadòng nguyên liệu và theo thiết kế của tháp Trong tháp chưng cất khí quyển đĩa nạp liệuthường là một trong những đĩa dưới cùng

Do sự trao đổi chất tốt ở các đĩa mà dòng hơi và dòng lỏng không ngừng mất bớt đi

và tăng lên trong toàn tháp, khi càng lên cao nhiệt độ tháp giảm dần do đó lượng hơigiảm dần và lượng lỏng tăng dần Dòng hơi đi từ dưới lên, xuyên qua lớp lỏng chảy trànngang trên mặt đĩa như hình 1.3

Người ta thường phân biệt dòng hồi lưu ngoài và dòng hồi lưu trong Dòng hồi lưungoài là dòng lỏng chảy trở về đỉnh tháp từ thiết bị ngưng tụ ở đỉnh tháp, nó có nhiệt độthấp hơn nhiều nhiệt độ đỉnh tháp nên còn được gọi là dòng hồi lưu lạnh Dòng hồi lưungoài lấy ngay ở đỉnh tháp, dòng hồi lưu ngoài dễ khống chế và dễ đo Dòng hồi lưutrong là dòng lỏng chảy trong tháp chưng cất có nhiệt độ thay đổi theo từng đĩa ở trongtháp chưng cất Chính vì vậy mà nó còn có tên là dòng hồi lưu nóng Trong một sốtrường hợp người ta tạo dòng hồi lưu nóng bằng cách dẫn một dòng nguyên liệu lạnh nhờống dẫn kín vào đỉnh tháp chưng cất như hình 1.3a.

Trong phương pháp hồi lưu vòng người ta trích một phần dòng lỏng tại một đĩa nào

đó đem ra ngoài trao đổi nhiệt rồi đưa trở về tháp chưng cất ở vị trí cao hơn đĩa lấy phânđoạn đó vài ba đĩa như hình 1.3b

Hồi lưu có tác dụng làm tăng độ phân tách của phép chưng cất nhưng gây hao phínăng lượng Hồi lưu vòng chủ yếu được dùng để giảm lưu lượng hơi đi qua một vùng cóliên quan, đặc biệt là trong những trường hợp dòng hơi quá lớn, vì dòng hồi lưu có nhiệt

độ thấp hơn đó tạo ra sự ngưng tụ một phần hơi đang bay lên Hồi lưu vòng làm giảm khảnăng phân tách, các đĩa nằm trong vùng đó làm việc chủ yếu như thiết bị trao đổi nhiệt,

do đó nó làm tăng số đĩa cần có của tháp chưng cất lên một vài đơn vị

Hình 1.1: Sự chuyển động và hướng chuyển động các dòng trong tháp chưng cất

Hình 1.2: Sự chuyển động của lỏng và hơi từ đĩa này tới đĩa kia

Dòng hơi tạo ra bởi thiết bị tái đun nóng (Reboiler) ở đáy tháp chưng cất đóng vai tròhồi lưu hơi, có tác dụng tương đương dòng hồi lưu lạnh, nghĩa là làm tăng khả năng phântách

Hình 1.3: a) Hồi lưu nóng; b) Hồi lưu vòng

Về lí thuyết, độ hồi lưu (Reflex Ratio) là tỉ số giữa dòng hồi lưu trong và distillat,nhưng vì dòng hồi lưu trong thường chỉ biết được nhờ tính toán, khó đo trực tiếp, vả lại

nó thay đổi theo từng đĩa, chính vì vậy người ta thường coi tỉ số giữa dòng hồi lưu ngoài

và distillat là độ hồi lưu (còn gọi là chỉ số hồi lưu) Trong thực tế chưng cất dầu thô người

ta luôn kết hợp các phương pháp hồi lưu một cách hợp lí và linh động Sự kết hợp đóđược thực hiện một cách khá đa dạng

Trong hình 1.1 cho thấy là ở đĩa nạp liệu có sự thay đổi đột ngột hơn về lưu lượnghơi và lưu lượng lỏng, vì tại đó ngoài dòng hơi từ dưới đi lên như ở các đĩa dưới lân cậncòn có dòng hơi vốn có sẵn trong nguyên liệu đã được đun nóng Tình hình cũng như vậyđối với dòng lỏng Nguyên liệu vào tháp chưng cất luôn luôn là dầu thô ở dạng hỗn hợpcân bằng lỏng hơi Ở hình này ta thấy rõ hơn hình ảnh chuyển động của pha hơi và phalỏng ở trong tháp tại các đĩa dạng một bước (Single - Pass Tray) ở chế độ ôn hòa nhất,tức là ở điều kiện các bóng hơi đi lên chui qua lớp lỏng đang chảy ngang trên mặt đĩa màkhông làm bắn tung tóe, làm bắn quá nhiều lớp lỏng lên phía trên Khi dòng hơi phụt lênquá mạnh, lớp chất lỏng trên đĩa bị phun lên, "sôi" và dâng cao lên, các giọt lỏng có thểtheo dòng hơi, bị cuốn lên qua các lỗ hơi mà không tập hợp thành dòng chảy xuống đĩa

dưới theo ống chảy chuyền Khi đó tác dụng của đĩa bị giảm sút hoặc thậm chí khôngcòn.

2 Một số loại tháp chưng cất cơ bản

Cũng có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần như trong phòng thínghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi hỗn hợp, và chưng cất liên tục, như trongcác tháp chưng cất trong công nghiệp Trong nhiều trường hợp có một tỷ lệ nhất định củahỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa.Các hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đẳng phí Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phảidùng đến các phương pháp tinh cất đặc biệt khác

Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau:

- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới;

- Nhược điểm: yêu cầu lắp đặt cao, mâm lắp phải rất phẳng, đối với những tháp có

đường kính quá lớn (> 2,4 m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phốikhông đều trên mâm

- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, trở lực thấp.

- Nhược điểm: hiều suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện

tháp không đều, sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưngcất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từngmâm một cách rõ ràng, tháp đệm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô côngnghiệp

Bảng 1.1 So sánh ưu điểm và nhược điểm của các loại tháp

- Hiệu suất cao

- Trở lực lớn

Hình 1.4: Một số loại mâm tháp điển hình

Một dầu thô được chưng cất khí quyển có đặc chưng về đường chưng cất TBP, về tỷkhối và phân tử lượng như bảng 2.1 Ở đây chúng ta coi giá trị của tỷ khối bằng giá trịcủa khối lượng riêng.

Bảng 2.1 Đặc trưng của dầu thô, tỷ khối d = 0,840, Kw = 12,3Phần chưng

cất [% V]

Nhiệt độ[oC]

Tỷ khối tứcthời

Phần chưngcất [% V]

Nhiệt độ[oC]

Tỷ khối tứcthời3

196222252

0,6820,7060,7290,7520,767

0,7810,7930,807

404550556065657075

272296322349375

401427461

0,8210,8360,8490,8610,869

0,8770,8850,891

Hình 2.1: Đường đặc trưng TBP và tỷ khối tức thời của dầu thô

Căn cứ vào TBP có thể chia dầu thô thành 6 phân đoạn sau bằng phương pháp chưngcất khí quyển:

- Phân đoạn khí: 1% thể tích

- Phân đọan xăng nhẹ: 12% thể tích

- Phân đoạn xăng nặng: 16% thể tích

- Kerosen: 6% thể tích

- Gas oil: 16% thể tích

- Cặn khí quyển AR 49% thể tích

GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu

Giả sử tháp có công suất khoảng 120m3 dầu thô/h, áp suất đỉnh tháp là 1,5 atm, ápsuất gây ra tại mỗi đĩa là 8 mmHg, tháp có 24 đĩa và đĩa nạp liệu ở dưới 24 đĩa đó như ởhình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ tháp chưng cất khí quyển

Đặc trưng của các phân đoạn trong quá trình chưng cất dầu thô được thể hiện trênbảng 2.2

Bảng 2.2 Đặc trưng của các phân đoạn

(coi số đo tỷ khối bằng số đo khối lượng riêng, * ở thể lỏng; **h: kí hiệu chỉ giờ)

Tháp stripping

W0 W1

W2

Đĩa lấy xăng nặng

1,214,419,27,219,2

0,667*

0,7220,7750,8060,873

0,80010,39714,8805,80316,070

6499140183220

12,50105,05106,2931,69

1 Xác định vị trí lấy phân đoạn xăng nặng

2 Xây dựng sơ đồ điều khiển và mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất trên để thayđổi nhiệt độ vùng lấy sản phẩm xăng nặng tăng lên 10oC

1 Xác định vị trí lấy phân đoạn xăng nặng

Sơ đồ dòng vùng lấy xăng nặng được thể hiện trên hình 2.3

SVTH: Nguyễn Văn Bình 13 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53

Hình 2.3: Sơ đồ dòng vùng xăng nặng

Số liệu liên quan đến vùng lấy xăng nặng được cho trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Số liệu liên quan đến vùng lấy xăng nặng (ở nhiệt độ T3 = 158oC)

Entanpy [kcal/kg] [kcal/h]Vào

0,7590,8040,7750,772-

42,00,38

3188068360295

R3

8345

18518018488691

5897800123048005428088R3

0,7490,8040,772-

40680128934960155R3

5557770(L2 = 1000x7,2x0,806 + 295 = 6098)

Áp dụng phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có:

24023275 + 88R3 = 18560742 + 155R3

5462533 = 67R3

R3 = 81530 kg/h hay 81530/140 = 582,36 kmol/h

Lưu lượng mol dòng xăng nặng L’

3: 19,2x0,775x103/140 = 106,29 kmol/h

Số mol hơi xăng nặng tại đĩa lấy xăng nặng: 582,36 + 106,29 = 688,65 kmol/h

Tổng số mol hơi qua đĩa lấy xăng nặng: 582,36 + 106,29 + 105,05 + 12,5 +(8345/18) = 1269,81 kmol/h

Áp suất hơi riêng phần của xăng nặng tại đĩa lấy sản phẩm:

81,1269

65,688

' 3

(mmHg) (2.1)

(Với c là vị trí của đĩa lấy phân đoạn xăng nặng)

Do ta lấy đường TBP của phân đoạn xăng nặng chính là đoạn đường TBP tương ứngvới phân đoạn xăng nặng trên đường TBP của dầu thô ở hình 2.1

Ta dễ dàng vẽ được đường flash ở 1 atm của phan đoạn xăng nặng thông qua đườngTBP của nó Ta vẽ đường flash của phân đoạn xăng nặng ở 158oC bằng cách từ điểm To =

158oC đó ta kẻ đường song song với đường flash tại 1 atm Đường TBP, đường flash củaphân đoạn xăng nặng ở 760 mmHg và đường flash của xăng nặng có To = 158oC được thểhiện trên hình 2.4

Dựa vào hình 2.4 ta xác định được T50 của hai đường flash, với đường flash ở 1 atm

có T50 = 176oC và đường còn lại có T50 = 168oC Do đó, theo hình 3.12 tài liệu số [2] taxác định được áp suất của đường flash có To = 158oC là 645 mmHg Điều đó có nghĩa là

áp suất hơi riêng phần của xăng nặng tại đĩa lấy sản phẩm là 645 mmHg

Ta có:

' 3

P

= 645 mmHg Thay vào phương trình (2.1) ta xác định được: c = 6

Vậy vị trí lấy phân đoạn xăng nặng là ở đĩa số 6 từ trên xuống.

Hình 2.4 Đường chưng cất TBP, flash 1atm và flash tại To = 158oC của phân đoạn xăng

nặng

2 Xây dựng sơ đồ điều khiển và mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất trên để

thay đổi nhiệt độ vùng lấy sản phẩm xăng nặng tăng lên 10 o C

Nhiệm vụ của điều khiển quá trình là đảm bảo điều kiện vận hành an toàn, hiều quả

và kinh tế cho quá trình công nghệ Trước khi tìm hiểu hoặc xây dựng một hệ thống điềukhiển quá trình, người kỹ sư phải tìm rõ các mục đích điều khiển và chức năng hệ thốngcần thực hiện nhằm đạt được các mục đích đó Việc đặt bài toán và đi đến xây dựng mộtgiải pháp điều khiển quá trình bao giờ cũng bắt đầu với việc tiến hành phân tích và cụ thểhóa các mục đích điều khiển Phân tích mục đích điều khiển là cơ sở quan trọng cho việcđặc tả các chức năng cần thực hiện của hệ thống điều khiển quá trình

Toàn bộ các chức năng của một hệ thống điều khiển quá trình có thể phân loại và sắpxếp nhằm phục năm mục đích cơ bản sau đây:

- Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, trơn tru: Giữ cho hệ thống hoạt động ổn

định tại điểm làm việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo cácđiều kiện theo yêu cầu của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hànhthuận tiện

- Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: Đảm bảo lưu lượng sản phẩm

theo kế hoạch sản xuất và duy trì các thông số liên quan chất lượng sản phẩmtrong phạm vi yêu cầu

- Đảm bảo hệ thống vận hành an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng

như bảo vệ con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra

sự cố

- Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua việc giảm nồng độ khí

thải độc hại, giảm lượng nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói,giảm tiêu thụ nhiên liệu và nguyên liệu

- Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất và chất lượng theo yêu cầu trong

khi giảm chi phí nhân công, nguyên liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêucầu thay đổi của thị trường

1 Xây dựng sơ đồ điều khiển tháp chưng cất để nâng nhiệt độ vùng lấy xăng

Ta xác định được mục đích trong quá trình điều ở đây là nâng nhiệt độ của vùng lấyxăng nặng trong tháp chưng cất lên 10oC Qua đó, ta xác định được các yếu tố có thể tácđộng lên như: nhiệt độ dòng nguyên liệu, lưu lượng dòng hồi lưu đáy tháp, lưu lượngdòng hồi lưu đỉnh tháp, lưu lượng dòng hồi lưu sườn tại vùng lấy xăng nặng và nhiệt độdòng hồi lưu sườn của vùng lấy xăng nặng Ta phải tiến hành nhận xét đánh giá và lựachọn ra yếu tố tối ưu nhất để tiến hành điều chỉnh hay tác động lên Các yếu được nhậnxét và đánh giá như sau:

- Đối với yếu tố nhiệt độ dòng nguyên liệu: Nếu ta tiến hành điều chỉnh nhiệt độ

của dòng nguyên liệu thì lúc đó nó sẽ gây ảnh hưởng đến quá trình truyền chất vàtrao đổi chất trong tháp Nó sẽ làm thay đổi và tác động đến toàn bộ các vùng lấysản phẩm phân đoạn cũng như nhiệt độ và áp suất có trong tháp, có thể sẽ gây ramột số hiện tượng làm cho tháp hoạt động không ổn định Cụ thể ở đây nếu ta sửdụng đến phương án là thay đổi nhiệt độ dòng nguyên liệu thì trong trường hợpnày ta phải tăng nhiệt độ dòng nguyên liệu lên, khi đó sẽ làm thay đổi trạng tháicủa nguyên liệu đưa vào tháp chưng cất Do đó sẽ làm tăng nhiệt độ của các vùng

lấy phân đoạn sản phẩm đáy, Gas Oil, Kerosen, xăng nặng và phân đoạn đỉnh.Làm thay đổi quá trình cân bằng lỏng hơi cũng như quá trình trao đổi chất và làmthay đổi nồng độ và chất lượng của các phân đoạn Khi tiến hành thay đổi nhiệt

độ dòng nguyên liệu thì nó sẽ tác động đến toàn bộ quá trình làm việc của tháp,ảnh hưởng đến tất cả các vùng lấy sản phẩm phân đoạn và ảnh hưởng đến chế độ

làm việc cũng như thiết kế của tháp Chính vì vậy mà ta sẽ không sử dụng phương án làm thay đổi nhiệt độ của dòng nguyên liệu vào tháp Trong công

nghiệp chế biến dầu khí, thì nhiệt độ của dòng nguyên liệu vào tháp chưng cấtđược đặt cố định

- Đối với yếu tố lưu lượng dòng hồi lưu đáy tháp: Khi ta tiến hành thay đổi lưu

lượng dòng hồi lưu ở đáy tháp thì nó sẽ làm thay đổi nhiệt độ của đáy tháp, nồng

độ cũng như là lưu lượng của phần sản phẩm đáy Ngoài ra nó còn làm thay đổi

cả nhiệt độ của các vùng lấy sản phẩm trong tháp, làm thay đổi quá trình trao đổichất và quá trình cân bẳng lỏng hơi trong tháp chưng cất Cụ thể trong trường hợpnày, nếu ta sử dụng phương án là tăng lưu lượng dòng hồi lưu đáy để tăng nhiệt

độ trong vùng lấy sản phẩm xăng nặng thì nó sẽ tác động làm tăng nhiệt độ củatất cả các vùng phân đoạn lấy sản phẩm sườn cũng như sản phẩm đỉnh và đáy.Ngoài ra, nó còn làm giảm đi lưu lượng dòng sản phẩm đáy Chính vì vậy mà

phương án sử dụng yếu tố làm thay đổi lưu lượng dòng hồi lưu đáy là không tối

ưu và không được chấp nhận.

- Đối với yếu tố lưu lượng dòng hồi lưu đỉnh : Nếu ta tiến hành thay đổi lưu lượng

dòng hồi lưu đỉnh tháp thì trước hết nó sẽ làm thay đổi nhiệt độ và áp suât củavùng đỉnh tháp Ngoài ra nó còn làm thay đổi lưu lượng của dòng lỏng quay lạitháp, dòng hồi lưu nội trong tháp, do đó nó sẽ làm thay đổi đến nhiệt độ cũng như

áp suất ở các vùng phân đoạn trong tháp, nó sẽ ảnh hưởng đến cân bằng lỏng hơi

và quá trình trao đổi chất Kết quả là làm thay đổi chất lượng, lưu lượng của dòngsản phẩm đỉnh cũng như các phân đoạn sản phẩm khác trong tháp Đối với mụcđích làm tăng nhiệt độ vùng lấy sản phẩm xăng nặng lên 10oC thì ta sẽ phải tácđộng làm giảm lưu lượng dòng hồi lưu đỉnh, khi đó nó sẽ là tăng nhiệt độ cũng