Thiết kế phân xưởng chưng cất chân không cặn dầu soviet năng suất 8 triệu tấn trên năm

Dầu mỏ được con người biết đến từ rất xa xưa. Ở thế kỷ XIX, dầu mỏ được coi là nguồn nhiên liệu chính cho các phương tiện giao thông và nền công nghiệp kinh tế quốc dân. Hiện nay, dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng giữ vị trí quan trọng đối với tất cả các cuốc gia trên toàn thế giới. Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩthuật, dầu mỏ được sử dụng rông rãi cho các ngành công nghiệp tổng hợp hóa dầu (sản xuất cao su, chất dẻo, sợi tổng hợp, …), sản xuất các sản phẩm phi nhiên liệu vô cùng quan trọng như dầu nhờn, dầu bôi trơn, nhựa đường… là một phần không thể thiếu trong sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại. Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí thế giới, từ những thập niên 70, ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam đã không ngừng phát triển và lần lượt đi vào khai thác các mỏ dầu có giá trị kinh tế lớn như : Đại Hùng, Mỏ Rồng, Rạng Đông … Bên cạnh đó, các nhà máy phục vụ cho ngành dầu khí lần lượt được xây dựng vào đi vào hoạt động : Nhà máy chế biến khí Dinh Cố, Nhà máy lọc dầu Dung Quất … và hàng loạt các dự án khác được kí kết đi vào xây dựng. Cặn dầu, hay còn gọi là mazut là nguồn nhiên liệu quan trọng của hệ thống lò đốt trong các ngành công nghiệp xi măng, gốm sứ, đặc biệt hơn nữa nó là nguồn nguyên liệu mang các đặc tính rất tốt để sản xuất các loại dầu nhờn đáp ứng yêu cầu bôi trơn, làm mát hệ thống động cơ, các thiết bị máy móc trong nền công nghiệp hiện đại. Hiểu được tầm quan trọng đó, chúng em xin giới thiệu đồ án “ Thiết kế phân xưởng chưng cất chân không cặn dầu Soviet năng suất 8 triệu tấnnăm” thể hiện sự tìm tòi học hỏi trong quá trình học tập và mong rằng sẽ đóng góp được một phần nhỏ vào sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4

I CÁC TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LIỆU 4

1.1 Thành phần, tính chất của Mazut 4

1.2 Ứng dụng của phân đoạn cặn mazut 5

II CHƯNG CẤT CHÂN KHÔNG CẶN MAZUT 8

2.1 Đặc điểm của quá trình chưng cất ở áp suất chân không 8

2.2 Mục đích 9

2.3 Đặc điểm chưng cất cặn mazut trong tháp chân không 9

2.4 Sản phẩm của quá trình chưng cất cặn mazut 11

2.5 Phân đoạn dầu nhờn 12

2.6 Phân đoạn cặn chân không 13

2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất chân không 14

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG SƠ ĐỒ 19

I LỰA CHỌN SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT 19

1.1 Các loại sơ đồ chưng cất chân không trong công nghiệp 19

1.2 Chế độ công nghệ của tháp chưng cất chân không 21

II SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHÍNH 21

2.1 Sơ đồ cụm chưng cất chân không cặn dầu mazut 21

2.2 Thuyết minh sơ đồ 22

2.3 Cấu tạo chính của tháp chưng cất chân không 22

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 23

I Tính cân bằng 23

1.1 Cân bằng vật chất 23

1.2 Tính cân bằng nhiệt lượng 26

II Tính toán thiết bị 34

2.1 Đường kính tháp 34

2.2 Chiều cao tháp 38

III Tính toán cơ khí 40

3.1 Tính chiều dày thân tháp 40

3.2 Tính toán các ống dẫn 41

3.3 Chọn bích ghép 44

3.4 Tính chọn tai treo 45

3.5 Chọn tai treo 47

KẾT LUẬN 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

LỜI MỞ ĐẦU

Dầu mỏ được con người biết đến từ rất xa xưa Ở thế kỷ XIX, dầu mỏ được coi lànguồn nhiên liệu chính cho các phương tiện giao thông và nền công nghiệp kinh tế quốcdân Hiện nay, dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng giữ vị trí quan trọng đối với tất cảcác cuốc gia trên toàn thế giới Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩthuật,dầu mỏ được sử dụng rông rãi cho các ngành công nghiệp tổng hợp hóa dầu (sản xuất cao

su, chất dẻo, sợi tổng hợp, …), sản xuất các sản phẩm phi nhiên liệu vô cùng quan trọngnhư dầu nhờn, dầu bôi trơn, nhựa đường… là một phần không thể thiếu trong sự pháttriển của nền công nghiệp hiện đại

Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp dầu khí thế giới, từ những thậpniên 70, ngành công nghiệp dầu khí Việt Nam đã không ngừng phát triển và lần lượt đivào khai thác các mỏ dầu có giá trị kinh tế lớn như : Đại Hùng, Mỏ Rồng, Rạng Đông …Bên cạnh đó, các nhà máy phục vụ cho ngành dầu khí lần lượt được xây dựng vào đi vàohoạt động : Nhà máy chế biến khí Dinh Cố, Nhà máy lọc dầu Dung Quất … và hàng loạtcác dự án khác được kí kết đi vào xây dựng

Cặn dầu, hay còn gọi là mazut là nguồn nhiên liệu quan trọng của hệ thống lò đốttrong các ngành công nghiệp xi măng, gốm sứ, đặc biệt hơn nữa nó là nguồn nguyên liệumang các đặc tính rất tốt để sản xuất các loại dầu nhờn đáp ứng yêu cầu bôi trơn, làm mát

hệ thống động cơ, các thiết bị máy móc trong nền công nghiệp hiện đại

Hiểu được tầm quan trọng đó, chúng em xin giới thiệu đồ án “ Thiết kế phân xưởngchưng cất chân không cặn dầu Soviet năng suất 8 triệu tấn/năm” thể hiện sự tìm tòi họchỏi trong quá trình học tập và mong rằng sẽ đóng góp được một phần nhỏ vào sự pháttriển của ngành công nghiệp dầu khí

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

I CÁC TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA NGUYÊN LIỆU

1.1 Thành phần, tính chất của Mazut

1.1.1 Tính chất vật lí

a Đặc tính chung của cặn mazut

Mazut là nhiên liệu lỏng, thường gọi là dầu FO là phần cặn của quá trình chưng cấtkhí quyển dầu thô,được dùng làm nhiên liệu đốtcho các lò đốt công nghiệp Trong nhữngnăm gần đây do nền công nghiệp phát triển mạnh ngoài việc được sử dụng làm nhiên liệuđốt lò con người còn nhận ra được những giá trị quan trọng của cặn mazut đó là dùng làmnguyên liệu sản xuất dầu nhờn Ngày nay công nghiệp chế biến dầu mỏ phát triển mạnh

và sâu sắc người ta thu được mazut từ quá trình chế biến các loại dầu khác nhau, nênthành phần và tính chất của các loại cặn mazut thu được cũng rất khác nhau

b Độ nhớt của cặn mazut

Độ nhớt là một trong những tính chất quan trọng nhất của nhiên liệu lỏng, độ nhớtcủa dầu được xác định phương pháp và thời gian của công đoạn bơm, rót, vận chuyểndầu

Độ nhớt ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của quá trình truyền nhiệt trong đun nóng

Tạp chất cơ học của cặn mazut, chất ổn định dầu cặn của cracking thu được trongquá trình cracking nhiệt có chứa các hợp chất cao phân tử, các cấu tử của nguyên liệu banđầu và chứa các sản phẩm rắn ngưng tụ như các hợp chất asphanten, cacbon và cacbonit

d Ảnh hưởng của thành phần nguyên tố, hàm lượng tro đến tính chất của cặnmazut

Hàm lượng cacbon trong các loại cặn mazut thương phẩm thường nằm trong phạm

vi từ 85 - 88% còn hàm lượng hydro từ 9,6 - 11%, người ta thấy rằng mật độ và độ nhớtcủa cặn mazut thương phẩm thì hàm lượng cacbon trong cặn cracking cao hơn, theo quyđịnh hàm lượng tro trong dầu mazut không vượt quá 0,3% hàm lượng nước trong mazutkhông vượt quá 2  3%

1.2 Ứng dụng của phân đoạn cặn mazut

1.2.1 Sử dụng cặn mazut để sản xuất dầu gốc

Khi nghiên cứu các tính chất sử dụng của phân đoạn dầu nhờn, người ta thấy cáchợp chất n– parafin với phân tử lượng lớn thường là parafin rắn (còn gọi là sáp), chúnglàm giảm độ linh động của dầu nhờn nên hàm lượng của chúng cũng phải giảm tới mứccần thiết, đặc biệt với các dầu bôi trơn làm việc ở nhiệt độ âm

Các izo– parafin lại là thành phần rất tốt trong dầu bôi trơn vì chúng có độ nhớtthích hợp và tính chất nhớt nhiệt tốt Nếu mạch nhánh izo– parafin càng dài thì đặc tínhnày càng thể hiện rõ ràng hơn

Các hydrocacbon naphten hay hydrocacbon thơm 1 vòng hoặc 2 vòng với mạchnhánh parafin dài khi có cùng nhiệt độ sôi thì độ nhớt cũng xấp xỉ nhau Tăng chiều dàinhánh, độ nhớt tăng lên rõ rệt và chỉ số nhớt cũng tốt, đặc biệt là khi mạch nhánh alkyl lạiphân nhánh

Đối với các naphten và hydrocacbon thơm nhiều vòng hoặc loại lai hợp naphten –hydrocacbon thơm thường có độ nhớt rất cao, song chỉ số nhớt lại rất thấp do đó các hợpchất này không phải là cấu tử cần thiết cho dầu gốc để chế tạo dầu bôi trơn chất lượngcao Mặt khác, trong quá trình bảo quản hay làm việc, các hợp chất này có xu hướng tạonhựa mạnh làm giảm nhanh chóng tính năng sử dụng của dầu nhờn

Như vậy, có các hợp chất hydrocacbon với cấu trúc gồm naphten hay hydrocacbonthơm 1 vòng có nhánh izo – parafin dài và các izo – parafin mới là những cất tử lý tưởngcho dầu bôi trơn, vì chúng không chỉ có độ nhớt đảm bảo mà còn có chỉ số độ nhớt cao,cho phép chế tạo được dầu nhờn chất lượng cao

Trong trường hợp cần sản xuất dầu nhờn có chất lượng cao thì chúng ta cần phảitiến hành loại bỏ các hợp chất không thích hợp ra khỏi nguyên liệu Đó là cáchydrocacbon nhiều vòng, các hợp chất dị nguyên tố và ngay cả n– parafin có trọng lượngphân tử lớn

Hình 1.3 cho biết những thành phần nào trong phần cất chân không từ dầu thô là cólợi cho dầu gốc và thành phần nào cần phải tách ra trong quá trình lọc dầu

Các hợp chất phi hydrocacbon

Làm sạch bằng hydro

H2O, H2S, NH3

Phần chiết thu được

Hình 1.3 Sơ đồ tách cấu tử không mong muốn ra khỏi các phân đoạn chưng chân không trong quá trình sản xuất dầu gốc

1.2.2 Ứng dụng cặn mazut trong sản xuất cốc

Hiệu suất cốc thu được từ thành phần dầu của cặn mazut chỉ khoảng 1,2 6,8%trong khi đó hiệu suất thu được từ các asphanten là 57  75,5% Vì vậy sự có mặt củacác chất nhựa và asphanten trong cặn càng nhiều, càng ảnh hưởng tốt đến hiệu suất quátrình cốc hoá

Đánh giá khả năng tạo cốc của cặn, thường sử dụng để sản xuất cốc, thì cặn mazutcủa dầu mỏ họ aromatic hay họ naphtenic sẽ cho hiệu suất và chất lượng cốc hoá caohơn, tốt hơn

1.2.3 Ứng dụng phần cặn mazut để sản xuất bitum

Bitum có tính chất chịu nhiệt, chịu thời tiết tốt và có độ bền cao thì phải có khoảng25% nhựa, 15 - 18% asphanten 52 - 54% dầu

Cặn của những dầu mỏ loại nặng chứa nhiều nhựa và asphanten dùng làm nguyênliệu sản xuất bitum là tốt nhất

Hàm lượng asphanten trong cặn càng cao, tỷ số asphanten càng cao, chất lượngbitum càng tốt, công nghệ chế biến ngày càng đơn giản.

Cặn của dầu mỏ có chứa nhiều parafin rắn là loại nguyên liệu xấu nhất trong sảnxuất bitum, bitum có độ bền rất thấp và tính bám dính rất kém

Để tăng dần hàm lượng asphanten và nhựa, thường tiến hành quá trình oxy hoábằng oxy không khí ở nhiệt độ 170 - 2600C trong quá trình oxy hoá, một bộ phận dầu sẽchuyển sang nhựa còn một bộ phận chuyển sang asphanten do xảy ra các sản phẩmngưng tụ Do đó hàm lượng dầu sẽ giảm, hàm lượng asphanten sẽ tăng nhưng hàm lượngnhựa ít thay đổi

1.2.4 Ứng dụng phần cặn mazut làm nguyên liệu lò đốt

Dầu mazut được sử dụng làm nhiên liệu đốt lò nhờ nhiệt năng của chúng, nhiệtnăng của cặn dầu nằm trong khoảng 10000 Cal/kg Những thành phần không thuộc loạihydrocacbon trong dầu cặn cũng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất sử dụng của nó Các hợp chất của lưu huỳnh trong dầu mỏ tập trung chủ yếu vào dầu cặn Các hợpchất lưu huỳnh còn kết hợp với kim loại, tăng lượng cặn bám trong các thiết bị đốt vàkhói thải của nó gây ô nhiễm môi trường

Cặn mazut thực chất là một hệ keo cân bằng mà hướng phân tán asphanten và môitrường phân tán là dầu và nhựa Trong đó có nhiều chất là những loại cặn có độ nhớt cao

2.1 Đặc điểm của quá trình chưng cất ở áp suất chân không

Chưng cất cặn dầu là một quá trình chế biến vật lý trong đó các cấu tử có trong cặndầu không hề bị biến đổi mà chúng chỉ được phân chia đơn thuần thành các nhóm sảnphẩm Phương pháp này bao gồm quá trình sôi và bay hơi hỗn hợp chất lỏng sau đóngưng tụ hơi và làm lạnh bằng nước Như vậy hơi nhẹ bay lên ngưng tụ thành lỏng, chấtlỏng thu được này sẽ tinh khiết hơn nguyên liệu ban đầu mà thành phần chất vẫn khôngthay đổi

Sau khi chưng chất dầu dưới áp suất khí quyển ở nhiệt độ 350 - 370oC để chưng cấtphần còn lại cần chọn điều kiện để loại trừ khả năng cracking và tạo điều kiện thu đượcphần cất cao nhất Phụ thuộc vào nguyên liệu từ cặn chưng cất khí quyển (mazut) có thểthu được distilat dầu nhờn cho cụm sản xuất dầu nhờn, hoặc gasoil chân không – là

nguyên liệu cho cracking xúc tác Phương pháp phổ biến nhất để tách các phân đoạn rakhỏi mazut là chưng cất chân không.[1, trang 204]

2.2 Mục đích

Hỗn hợp các cấu trúc trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi tăngnhiệt độ Độ bền của các cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà cònphụ thuộc cả vào thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó Trong thực tế chưng cất, đối với cácphân đoạn có nhiệt độ cao, người ta cần tránh sự phân huỷ nhiệt của chúng khi đốt nóng.Tuỳ theo loại dầu thô, trong thực tế không nên đốt nóng quá 400 ÷ 4200C với dầu không

có hay có chứa rất ít lưu huỳnh và không quá 320 ÷ 3400C với dầu có nhiều lưu huỳnh

Áp suất chân không làm giảm nhiệt độ sôi, còn hơi nước cũng có tác dụng tương tựnhư dùng chân không là giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp làm cho chúng sôi ởnhiệt độ thấp hơn Khi tinh luyện, nó được dùng để tái bay hơi phân đoạn có nhiệt độ sôithấp còn chứa trong mazut hay gudron, trong nhiên liệu và dầu nhờn Kết hợp dùng chânkhông và hơi nước khi chưng cất phần cặn sẽ cho phép đảm bảo hiệu quả tách sâu hơnphân đoạn dầu nhờn (có thể đến 550 ÷ 6000C)

Vậy có 2 mục đích chưng cất chân không cặn mazut

- Giảm phân huỷ và phản ứng cracking, tăng hiệu suất thu các phân đoạndầu nhờn và cặn gudron

- Thu được distilat dầu nhờn cho cụm sản xuất dầu nhờn, hoặc gasoil chânkhông – là nguyên liệu cho cracking xúc tác

2.3 Đặc điểm chưng cất cặn mazut trong tháp chân không

Đặc điểm chưng cất trong tháp chân không tương tự như trong tháp chưng cất khíquyển Tuy nhiên nó cũng có một số đặc điểm riêng liên quan với áp suất tháp, điều kiệnnung nóng nhiên liệu có thành phần phân đoạn nặng Trong tháp chân không cần tạo điềukiện để cất được nhiều nhất và phân hủy ít nhất Để làm được điều này cần sử dụng thiết

bị tạo chân không để có được áp suất chân không thấp nhất trong hệ

Để giảm thời gian lưu của mazut trong lò nung và giảm trở lực nên sử dụng lò nunghai chiều, đưa hơi nước vào ống xoắn của lò, giảm thiểu khoảng cách giữa cửa nhập liệuvào tháp và cửa ra khỏi lò nung, tăng đường kính ống dẫn nguyên liệu, giảm thiểu cácchỗ uốn góc, dạng chữ S.[1, trang 205]

Cấu tạo của tháp chân không khác với tháp chưng cất khí quyển nhằm giảm thờigian lưu của cặn trong tháp để tránh phân hủy nó dưới tác dụng của nhiệt độ cao Do lưulượng các dòng hơi trong tháp chân không lớn, nên đường kính của các tháp này lớn hơnnhiều so với tháp cất khí quyển (8 ÷ 12 m) Do sự phân bố của chất lỏng và bọt sủi khôngđồng nhất nên hiệu quả của mâm không cao Để phân bố chất lỏng đồng đều trên cácmâm nên sử dụng cấu trúc mâm đặc biệt (mâm lưới, van (xupap) và sàng).

Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất làm việc của sản phẩm, nhưlàm giảm độ nhớt và nhiệt độ bắt cháy cốc kín của chúng, giảm độ bền oxy hóa Nhưngquan trọng hơn là chúng gây nguy hiểm cho quá trình chưng cất vì chúng tạo ra các hợpchất ăn mòn và làm tăng áp suất tháp Để giảm mức độ phân hủy, thời gian lưu củanguyên liệu ở nhiệt độ cao cũng cần phải hạn chế Ví dụ như trong thực tế chưng cất, thờigian lưu của nguyên liệu dầu (phân đoạn cặn của chưng cất khí quyển) ở tháp chưng cấtkhí quyển không lớn hơn 5 phút và phân đoạn gudron khi chưng cất chân không chỉ vàokhoảng 2 đến 5 phút

Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân hủy nhiệtcủa chúng, người ta phải dùng đến tháp chưng cất chân không hay chưng với hơi nước đểtránh phân hủy nhiệt

Tuy nhiên tác dụng của hơi nước làm tác nhân bay hơi còn bị hạn chế, vì nhiệt độbay hơi khác xa so với nhiệt độ đốt nóng chất lỏng Vì thế nếu tăng lượng hơi nước thìnhiệt độ và áp suất hơi bão hoà của dầu giảm xuống và sự tách hơi cũng giảm theo Dovậy lượng hơi nước có hiệu quả nhất chỉ trong khoảng 2 ÷ 3% so với nguyên liệu đemchưng cất khi số cấp tiếp xúc lý thuyết là 3 hoặc 4 Trong điều kiện như vậy, lượng hơidầu tách ra từ phân đoạn mazut đạt tới 14 ÷ 23% Khi chưng cất với hơi nước, số lượngphân đoạn tách ra được có thể tính theo phương trình sau:

G= M f

P f P−P f z

Trong đó:

G và z – số lượng hơi dầu tách được và lượng hơi nước

M f – phân tử lượng của hơi dầu

18 – phân tử lượng của nước

P – áp suất tổng cộng của hệ

P f – áp suất riêng phần của dầu ở nhiệt độ chưng

Nhiệt độ của hơi nước cần phải không thấp hơn nhiệt độ của hơi dầu tránh sản phẩmdầu ngậm nước Do vậy người ta thường dùng hơi nước nhiệt độ trong khoảng 380 ÷4500C, áp suất hơi từ 0,2 ÷ 0,5 MPa

Công nghệ chưng cất dầu với hơi nước có nhiều ưu điểm Ngoài việc giảm áp suấtriêng phần của dầu, nó còn tăng cường khuấy trộn chất lỏng tránh tích nhiệt cục bộ, tăngdiện tích bề mặt bay hơi do tạo thành những tia và các bong bóng hơi Người ta cũngdùng hơi nước để tăng cường đốt nóng cặn dầu trong lò ống khi chưng cất trong chânkhông Khi đó đạt được mức độ bay hơi lớn cho nguyên liệu dầu, tránh và ngăn ngừa tạocốc trong các lò đốt nóng Tiêu hao hơi nước trong trường hợp này khoảng 0,3 ÷ 0,5% sovới nguyên liệu

Thay thế hơi nước bằng khí trơ sẽ tiết kiệm lượng lớn nhiệt chi cho tạo hơi nước vàgiảm chi phí dùng nước cho ngưng tụ Tuy nhiên nó lại không được ứng dụng rộng rãi dophải có thiết bị gia nhiệt và ngưng tụ lớn, khó tách triệt để sản phẩm dầu ra khỏi dòngkhí

Các phân đoạn ligroin – kerosene – gasoil cũng được làm tác nhân bay hơi nhưnghơi nước được sử dụng phổ biến nhất

2.4 Sản phẩm của quá trình chưng cất cặn mazut

Chế biến mazut trong chân không thu được các distilat dầu nhờn có nhiệt độ sôi và

độ nhớt khác nhau, cặn của quá trình là semiguron hoặc gudron Các sơ đồ công nghệchưng cất chân không được chia thành nhóm nhiên liệu và dầu nhờn Trong sơ đồ nhiênliệu từ mazut thu phân đoạn rộng có nhiệt độ sôi đến 5500C là gasoil chân không, lànguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác hoặc hydrocracking Trong nhóm công nghệthứ hai thu được phân đoạn dầu nhờn, sau khi chế biến (xử lý bằng hydro, làm sạch lựachọn, loại parafin bằng xúc tác hoặc loại parafin ở nhiệt độ thấp trong dung môi, làmsạch tiếp xúc ) có thể thu được các dầu nhờn gốc khác nhau

Chưng cất chân không tạo ra các sản phẩm dầu bôi trơn có độ nhớt khác nhau vàtất cả các dầu bôi trơn chưng cất phản ánh thành phần hoá học tổng quát của loại dầu mỏđem sử dụng Và sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất chân không cặn mazut là cácphân đoạn dầu nhờn và cặn gudron

Sơ đồ mô tả chưng chân không cặn mazut:

Mazut

Chưng chân không

Gazoil nhẹDầu nhờn rộngDầu nhờn tối màuCặn gulron

Hình 2.4 Các phân đoạn sản phẩm từ quá trình chưng cất chân không Bảng 2.4 Chất lượng sản phẩm dầu thu được trong tháp chưng cất chân không như sau:

2.5 Phân đoạn dầu nhờn

Dầu nhờn gốc thu được từ quá trình chưng cất chân không cặn mazut là quá trìnhchế biến vật lý, do đó thành phần hoá học của phân đoạn dầu nhờn giống như thành phầnhoá học của phân đoạn cặn mazut Tuy nhiên do tính chất sử dụng của dầu nhờn mà một

số hợp chất trong cặn mazut không có lợi cần phải loại ra

Các loại dầu thô khác nhau sẽ cho thành phần phân đoạn dầu nhờn khác nhau và chỉnhững phân đoạn đầu nhờn của dầu mỏ họ naphteno – parafinic, parafino – naphtenic hay

Phân đoạn 350 – 500 oC Hàm lượng nhựa, % k.l không quá Bay hơi, % t.t

đến 480 oC, không thấp hơnđến 350 oC, không cao hơn

12

9620

Nhựa đường ( phân đoạn > 500 oC)

Nhiệt độ chớp cháy, oC, không thấphơn

Độ nhớt tương đối ở 80 oCBay hơi đến 500 oC, % t.t không quá

200

80 – 15096

parafinic có khả năng sản xuất được dầu gốc có chất lượng cao Ngược lại, từ dầu mỏ họnaphten hay aromatic khó có khả năng chế tạo dầu nhớt có chỉ số độ nhớt cao.

Trong trường hợp muốn sản xuất dầu nhờn có chỉ số độ nhớt cao thì dầu mỏ họnaphten hay aromatic thì người ta phải thêm một lượng lớn các phụ gia để làm tăng chỉ

số nhớt như vậy giá thành sẽ cao hơn Những phụ gia này thường là các polyme nhưpolyizobutylen, polymetacrylat và polyme của este vinylic, polyalkylstyren

Như vậy, việc tách các thành phần không mong muốn nhờ quá trình lọc dầu chophép có thể sản xuất dầu gốc chất lượng cao từ các dầu thô mà có nguồn gốc không phùhợp cho mục đích này

Bảng 2.5 Thành phần các hydrocacbon có mặt trong dầu nhờn

n– Parafinizo– ParafinNaphten 1 vòng Naphten 2 vòngNaphten 3 vòngHydrocacbon thơm 1 vòng + naphtenHydrocacbon thơm 2 vòng + naphtenHydlocacbon thơm 3 vòng + naphtenHydrocacbon hơn nhiều vòng ngưng tụ

và các hợp chất phi hydrocacbon

13.48.318.49.916.516.58.16.6

8.0

2.6 Phân đoạn cặn chân không

Phân đoạn cặn gudron là phần còn lại của quá trình chưng cất chân không sau khi

đã lấy đi các phân đoạn dầu nhờn Chúng có nhiệt độ sôi lớn hơn 5000C, gồm cáchydrocacbon có số nguyên tử cacbon lớn hơn C41 Thành phần của phân đoạn này rấtphức tạp và có thể chia thành ba nhóm sau:

a) Nhóm chất dầu bao gồm các hydrocacbon có phân tử lượng lớn

Các hydrocacbon có phân tử lượng lớn tập trung nhiều các hợp chất thơm có độ ngưng

tụ cao, cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng giữa hydrocacbon thơm và naphten Đây là nhómhợp chất nhẹ nhất có tỷ trọng xấp xỉ bằng 1, hoà tan trong xăng, n– pentan, CS2 (CacbonDisunfua) nhưng không hoà tan trong cồn Trong phân đoạn cặn, nhóm chất dầu chiếm

khoảng 45  46% Trong công nghệ sản xuất dầu nhờn ta có thể tận dụng phần chất dầunày để sản xuất dầu nhờn có độ nhớt cao sử dụng cho các loại động cơ có tốc độ chậm vàtải trọng lớn

b) Nhóm chất nhựa (còn gọi là nhóm maltene)

Nhóm này ở dạng keo quánh gồm hai thành phần, đó là các chất trung tính và cácchất axit

Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt độ hoá mềm nhỏ hơn 1000C, tỷtrọng lớn hơn 1, dễ dàng hoà tan trong xăng, naphta Chất trung tính tạo cho nhựa có tínhdẻo dai và tính kết dính Hàm lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ kéo dài của nhựa,chiếm khoảng 10 đến 15% khối lượng của cặn gudron

Các chất axit là chất có nhóm – COOH, màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1 dễ hoà tantrong cloroform và rượu etylic Chấl axit tạo cho nhựa tính hoạt động bề mặt Khả năngkết dính của bitum phụ thuộc vào hàm lượng chất axit có trong nhựa, nó chỉ chiếmkhoảng 1% trong cặn dầu mỏ

c) Nhóm asphanten:

Nhóm asphaten là nhóm chất rắn màu đen, cấu tạo tinh thể, tỷ trọng lớn hơn 1, chứaphần lớn các hợp chất dị vòng, có khả năng hoà tan mạnh trong cacbon disunfua (CS2).Đun ở 3000C không bị nóng chảy mà bị cháy thành tro

Ngoài ba nhóm chất chính nói trên, trong cặn gudron còn có các hợp chất cơ kimcủa kim loại nặng, các chất cacben, cacboit rắn giống như cốc, màu sẫm, không tan trongcác dung môi thông thường chỉ tan trong pyridin

Phân đoạn cặn gudron được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như sản xuấtbitum, than cốc, nhiên liệu đốt lò Trong các ứng dụng trên thì sản xuất bitum là ứngdụng quan trọng nhất

2.7 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất chân không

2.7.1 Các khí không ngưng

Các chất khí không ngưng là hỗn hợp của không khí và các hydrocarbon nhẹ (C1,

C2) hòa tan trong nguyên liệu, có giá trị thấp, được thu hồi ở áp suất thấp (áp suất củabình lắng gạn của chưng cất chân không là từ 0.1 – 0.2 bar) Sự thâm nhập của không khí

tỉ lệ với diện tích bề mặt xung quanh tháp, với số lượng các khớp nối, mặt bích, lỗ dột với quá trình lưu trữ nguyên liệu (bể kín khít, áp suất, nhiệt độ bảo quản )

Các khí không ngưng này được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu đốt cho lò đun sôicặn khí quyển Chúng được đốt cháy trực tiếp trong khoang của lò đốt nhờ các mỏ đốtđặc biệt ít làm tổn thất áp suất Lượng khí đốt thay đổi và tăng cùng với sự tăng nhiệt độcháy của lò và với sự tăng kích thước của tháp Như vậy trong một giờ có thể đốt đến 1tấn khí đối với một quá trình xử lý khoảng 500 tấn cặn chưng cất khí quyển Lưu ý đặcbiệt là khi khí bị lẫn H2S, cần phải xử lý khí không ngưng này trước khi sử dụng chúnglàm nhiên liệu đốt lò.

2.7.2 Các chất thải

Phân xưởng chưng cất chân không cũng tương tự như phân xưởng chưng cất khíquyển, nó sản sinh ra ít dòng chất thải và việc xử lý chúng không gặp khó khăn nào đặcbiệt

a Dòng lỏng: nước acid từ ngưng tụ hơi stripping

b Dòng khí: khí thải duy nhất là khói lò

Nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp chưng phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu,mức độ phân tách của sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp,nhưng chủ yếu phải tránh sự phân huỷ nhiệt ở nhiệt độ cao Nếu nguyên liệu thuộc loạidầu nặng mức độ phân chia lấy sản phẩm ít thì nhiệt độ vào tháp chưng luyện sẽ khôngcần cao Trong thực tế sản phẩm khi chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ nguyên liệuvào tháp chưng luyện thường trong giới hạn 320 ÷ 360ºC còn nhiệt độ nguyên liệu mazutvào tháp chưng ở áp suất chân không thường khoảng 400 ÷ 440ºC

Nhiệt độ đáy tháp phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và hồi lưu đáy Nếu bay hơiphần hồi lưu đáy bằng thiết bị đốt nóng riêng biệt thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt

độ bốc hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp, nếu bốc hơi bằng cách dùng hơi nước quánhiệt thì nhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn vùng nạp liệu Nhiệt độ đáy tháp phải chọn tối ưu,vừa tránh sự phân huỷ các cấu tử nặng, vừa phải đủ để tách hết hơi nhẹ ra khỏi phầnnặng

Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi Để tách xăng ra khỏimazut đối với tháp chưng cất chân không áp suất chưng là 10 ÷ 70 mmHg thường nhiệt

độ không quá 120ºC với mục đích để giảm bớt mất mát gasoil chân không hay mất mátcác cấu tử trong phân đoạn dầu nhờn

Để bảm bảo chế độ nhiệt của tháp, cũng như để phân chia các quá trình hoàn thiệnthì phải có hồi lưu

Hồi lưu nóng: Quá trình hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách ngưng tụ một phầnhơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó Khi tưới trở lại tháp, chúng chỉ cần thu nhiệt đểbốc hơi Tác nhân lạnh có thể dùng là nước hay chính sản phẩm lạnh Xác định lượng hồilưu nóng theo công thức:

R n=Q i

Trong đó: Rn: lượng hồi lưu nóng, kg/h

Q: Nhiệt hồi lưu cần lấy để bốc hơi, kcal/hi: Nhiệt ngưng tụ của sản phẩm lỏng, kcal/kg

Do thiết bị hồi lưu nóng ít phổ biến và bị hạn chế do khó lắp ráp và khó cho việc vệsinh, đặc biệt khi công suất của tháp lớn,

Hồi lưu nguội: Được thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ sản phẩm đỉnh rồitưới trở lại tháp chưng Khi đó lượng hồi lưu cần thu lại một lượng nhiệt cần thiết để đunnóng nó đến nhiệt độ sôi cần thiết và nhiệt độ cần để hoá hơi:

R ng= Q

q t h1−q t l2=

Q i+(t2−t1)C

Trong đó:

Rng : Lượng hồi lưu nguội

Q : Lượng nhiệt mà hồi lưu cần.

q t h1 : Hàm nhiệt của hơi

q t l2 : Lượng nhiệt của lỏng hồi lưu

i: Nhiệt lượng phần hơi cần

C: Nhiệt dung sản phẩm hồi lưu

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

Hồi lưu nguội được sử dụng tương đối rộng rãi, vì lượng hồi lưu thường ít, làm tăngchất lượng mà không làm giảm nhiều năng suất của tháp chưng

Hồi lưu trung gian: Quá trình hồi lưu trung gian thực hiện bằng cách lấy một phầnsản phẩm lỏng R tg nằm trên các đĩa có nhiệt độ là t1, đưa ra ngoài làm lạnh đến t0 rồi tướitrở lại tháp, khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt để đun nóng từ nhiệt độ t0 ÷

t2

R tg= Q

q t t2−q t t0

Trong đó : Q là lượng hồi lưu lấy đi, kcal

q t t2, q t t0: Hàm nhiệt của hồi lưu ở pha lỏng với nhiệt độ t2 và t0, kcal/kg

Hồi lưu trung gian có nhiều ưu điểm: Giảm lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp, tận dụngđược một lượng nhiệt thừa rất lớn của tháp chưng để đun nóng nguyên liệu ban đầu, tăngcông suất làm việc của tháp, tăng cường chất lượng của các sản phẩm cạnh sườn và điềuchỉnh nhiệt độ trong tháp Người ta thường kết hợp hồi lưu trung gian với hồi lưu lạnhcho phép điều chỉnh chính xác nhiệt độ chưng do đó đảm bảo được hiệu suất và chấtlượng sản phẩm của quá trình

Áp suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của nguyên liệu và ápsuất riêng phần của từng cấu tử trong tháp Nếu tháp chưng luyện mà dùng hơi nước trực

tiếp cho vào đáy tháp thì hơi nước làm giảm áp suất riêng phần của hơi sản phẩm đầu,cho phép chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn Lượng hơi nước tiêu hao phụ thuộc vào

áp suất chung của tháp và áp suất riêng phần của các sản phẩm đầu

Lượng hơi nước tiêu hao cho tháp chưng ở áp suất chân không khoảng 5÷8% trọnglượng so với nguyên liệu

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

 Loại sơ đồ bay hơi một bậc

 Loại sơ đồ bay hơi hai bậc1.1.1 Sơ đồ bay hơi một bậc

Hình 1.1: sơ đồ bay hơi một bậc

Loại sơ đồ bốc hơi một lần thường dùng để chế biến mazut thành các phân đoạnlàm nguyên liệu sản xuất nhiên liệu

1.1.2 Sơ đồ bay hơi hai bậc

Hình 1.2: sơ đồ bay hơi hai bậc

Loại sơ đồ bay hơi hai lần dùng để chế biến mazut thành các phân đoạn dầu nhờn.Hiện nay trong công nghệ chế biến dầu mỏ người ta thường kết hợp chưng cất thường và

áp suất chân không trong một sơ đồ liên tục, về mặt kinh tế tiết kiệm được các bể chứa,diện tích mặt bằng, tăng công suất của quá trình cùng một dây chuyền điều khiển tự độngđạt hiệu về mặt hiệu quả kinh tế

Việc lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ chưng cất hoàn toàn phụ thuộcvào các đặc tính của quá trình chế biến

Dựa trên nguồn nguyên liệu ban đầu và sản phẩm yêu cầu chúng em lựa chọn sơ đồchưng cất chân không bay hơi một bậc dầu mazut để nhận các phân đoạn dầu nhờn theoyêu cầu đề ra

1.2 Chế độ công nghệ của tháp chưng cất chân không

II. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ VÀ THIẾT BỊ CHÍNH

2.1 Sơ đồ cụm chưng cất chân không cặn dầu mazut

2.2 Thuyết minh sơ đồ

Cặn mazut từ bể chứa nguyên liệu số (12) được bơm ly tâm bơm lên, chia làm 2dòng, một dòng vào bể trao đổi nhiệt ống chùm số (3) trao đổi nhiệt với dòng tuần hoàncủa tháp chưng cất sau đó được đưa vào thiết bị lò đốt số (1) Dòng thứ 2 được đưa quacác thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm của các sản phẩm trích ngang và tiếp tục đưa quathiết bị làm lạnh ống lồng ống số (6), sau đó được bơm ly tâm đưa vào thiết bị lò đốt Saukhi ra khỏi lò nhiệt độ dòng nguyên liệu là khoảng 400 – 420 0C được đi vào vùng nhậpliệu của tháp Tại đỉnh tháp thu được khí nhẹ, sau đó dòng khí đi qua thiết bị làm lạnhngung tụ (9) rồi xuống bể chứa chân không số (8) tại đây chất lỏng được tách ra, sau đóđược đưa vào bể chứa khí áp kế số (11) tại đây thu được cặn gasoil và nước ngưng Khíkhông ngưng sẽ được hệ thống tạo chân không hút ra thu được khí không ngừng và tạođược áp suất chân không cho tháp

Ở phân giữa tháp thu hồi được sản phẩm trích ngang thứ nhất qua thiết bị bay hơisố(7), tại đây phân nhẹ được hoàn lưu lại tháp, phần lỏng được bơm số (17) bơm vàothiết bị trao đổi nhiệt ông chùm số (3) để giảm nhiệt độ sau đó đưa qua thiết bị làm mátbằng không khí số (4), một phần dòng sản phẩm qua thiết bị làm lạnh ngưng tụ số (9) sau

đó quay lại đỉnh tháp phần còn lại được đưa vào bể chứa phân đoạn dầu nhờn nhẹ số(15) Dòng sản phẩm trích ly thứ 2 qua thiết bị bay hơi số(7), tại đây phân nhẹ được hoànlưu lại tháp, phần lỏng được bơm số (17) bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt ông chùm số (3)

để giảm nhiệt độ sau đó đưa qua thiết bị làm mát bằng không khí số(4), dòng sản phẩmđược đưa vào bể chứa phân đoạn dầu nhờn nặng số (14)

Dòng sản phẩm đáy được bơm pittong số (5) bơm vào thiết bị làm lạnh bằng ốnglồng ống số (6) sau đó đưa qua thiết bị làm lạnh bằng không khí số (4), sau đó được chia

ra làm 2 dòng, một dòng được đưa lại hôi lưu đáy tháp, một dòng được đưa vào bể chứacặn gudron số (13)

2.3 Cấu tạo chính của tháp chưng cất chân không

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ

I. Tính cân bằng

1.1 Cân bằng vật chất

Nguyên liệu được đưa vào chưng cất là cặn mazut dầu Soviet (Nga) với các thông

số như sau:

Bảng 3.1 Các phân đoạn dầu Soviet ở áp suất chân không

Giới hạn sôi Hiệu suất (%)

trên dầu

Hiệu suất (%) phân đoạn Tỷ trọng ρ4

 Dầu nhờn tối màu 420 – 500oC: DN2

 Phân đoạn gasoil nhẹ < 350oC: gas

 Phân tử lượng trung bình của các sản phẩm

Dựa vào ρ1515của từng sản phẩm, công thức [1 – 37] tính được phân tử lượng trungbình của các sản phẩm như sau:

M= 44.29∗ρ15

15

 Phân tử lượng trung bình của gas: 261 g/mol

 Phân tử lượng trung bình của DN1: 303 g/mol

 Phân tử lượng trung bình của DN2: 407 g/mol

 Phân tử lượng trung bình của gud: 1591 g/mol

Dựa vào công thức tính tỷ trọng và phân tử lượng trung bình ta có bảng sau:

Bảng 3.2 Bảng các đại lượng trung bình

1.1.1 Năng suất phân xưởng

Mỗi năm có 365 ngày và nhà máy làm việc liên tục trong 24giờ/ngày Chia mỗi ngàychia làm 3 ca, mỗi ca 8h Với số ngày nghỉ và tu sửa 30 ngày

Do đó ta có số ngày làm việc trong 1 năm là: 365 – 30 = 335 ngày

Vậy tổng số giờ làm việc trong 1 năm là 335 * 24 = 8040 giờ

Sau khi tính toán số ngày nghỉ, số ngày tu sửa và số ngày bảo dưỡng máy móc thiết

bị ta có thời gian làm việc cho một năm là 8000 giờ

Năng suất của phân xưởng 8 triệu tấn/năm.

Do đầu vào của dầu mazut đã bị lấy đi 1% cho nhiên liệu đốt lao nên công suất chỉcòn lại: 8000000 – 0.01 * 8000000 = 792000 (tấn/năm)

Năng suất theo giờ :792000

Lượng sản phẩm gasoil sản xuất được trong một giờ là:

Ggas= 990 * 10.40% = 103 (tấn/giờ)Lượng dầu nhờn trung sản xuất được trong một giờ là:

GDN1 = 990 * 29.56% = 293 (tấn/giờ)Lượng dầu nhờn tối màu thu được trong một giờ là:

GDN2 = 990 * 27.71% = 274 (tấn/giờ)Lượng gudron thu được trong một giờ là:

Ggud = 990 * 32.33% = 320 (tấn/giờ)Tính lượng sản phẩm theo kmol/h:

Lượng gasoil thu được là:

1.1.2 Tính tiêu hao nước dành cho tháp chưng

- Tính tiêu hao nước cho tháp phân đoạn:

Trong công nghiệp chế biến dầu lượng hơi nước được dùng xả vào đáy tháp chưngcất chân không thường chọn bằng 3% trọng lượng so với lưu lượng của cặn gudron thoátra

Vậy lượng hơi nước xả vào đáy tháp chính là:

G 1 H2O = 0.03*320= 9.6 (tấn/giờ)

=> n = 533(kmol/h)

- Tiêu hao hơi nước dùng cho các tháp tách :

Hơi nước xả vào đáy tháp bay hơi: Chọn 2% lượng sản phẩm thu được

Lượng hơi nước xả vào tháp lấy dầu trung:

¿ Dầu mazut + hơi nước vào (1)

Mà dầu mazut = 990 (tấn/giờ)

Hơi nước = 20.941 (tấn/giờ)

1.2 Tính cân bằng nhiệt lượng

1.2.1 Tính chế độ tháp chưng chân không

Áp suất:

Áp suất chân không tiến hành chưng cất thường giữ trong khoảng 1070 mmHg

Để tăng hiệu quả chưng cất người ta thường thêm tác nhân bay hơi (hơi nước quá nhiệt)vào đáy tháp, khi đó nhiệt độ sôi của các hydrocacbon giảm xuống và sẽ hạn chế đượcquá trình phân huỷ

Với áp suất đỉnh là 40 - 60 mmHg Áp suất đỉnh đã cho là 41,25 mmHg

- Chênh lệch áp suất đỉnh và áp suất tại vùng nạp liệu thường từ 10 – 20 mmHg.Chọn chênh lệch áp suất đỉnh và áp suất tại vùng nạp liệu là 20 mmHg

- Sự mất mát áp suất trên các đĩa là 1  3 mmHg, ta chọn là 2 mmHg

 Từ đĩa lấy dầu nhờn 2 đến vùng bay hơi là 2  3 đĩa Chọn số đĩa là 3 nên

áp suất tại vùng bay hơi là:

P bay hơi = 55.25 + 2 * 3 = 61.25 mmHg

* Tính áp suất tại vùng nạp liệu

Trong thực tế quá trình chưng cất có sự mất mát về áp suất và do có dùng hơi nướcvào đáy tháp để làm giảm áp suất riêng phần của các cấu tử sản phẩm Do đó, áp suấtriêng phần của các sản phẩm được tính theo định luật Dalton có:

P=π∗y

Trong đó:  - áp suất tại vùng bay hơi;

y - phần mol sản phẩm dầu và hơi nước

Giả thiết nhiệt độ tại đĩa lấy dầu nhờn DN2 là 300oC.

Cân bằng nhiệt lượng cho vùng lấy dầu nhờn:

Trong đó: Qgas,Q DN1,Q DN2,Qgud,Q H

2O(h) là nhiệt lượng các sản phẩm cần cho hồi lưu,kcal/kg

Qgas, Q DN1,Q DN2,Qgud,G H2O là lượng mỗi sản phẩm, kg/h.

I tv v- Entanpi của sản phẩm ở dạng hơi tại nhiệt độ vào, kcal/kg

I ta v - Entanpi của sản phẩm ở dạng hơi tại nhiệt độ ra, kcal/kg

I tv l - Entanpi của sản phẩm ở dạng lỏng tại nhiệt độ vào, kcal/kg

I te l - Entanpi của sản phẩm ở dạng lỏng tại nhiệt độ ra, kcal/kg

I hcv v - Entanpi của hơi nước tại nhiệt độ vào, kcal/kg

- Viết cân bằng nhiệt lượng cho vùng lấy dầu nhờn:

Theo giá trị của d và nhiệt độ ta chọn được Entanpi của sản phẩm như sau: