Tìm hiểu thiết bị chưng cất dầu thô

Tìm hiểu thiết bị chưng cất dầu thô

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Khoa công nghệ Hóa dầu

Đề tài : Tìm hiểu thiết bị chưng cất dầu thô.

• Nhóm I

Trường đại học Bách Khoa Hà Nội

Bộ môn Công nghệ Hữu Cơ- Hóa Dầu

Nhóm I

Đề tài : Tìm hiểu thiết bị chưng cất dầu thô GVHD : TS Đào Quốc Tùy

Nội dung

Phần1

Tổng quan

Phần 2 Các quá trình chưng cất

Phần 3 Các thiết

bị chưng

cất

Sản phẩm của quá trình chưng cất

Nguyên

lý

VAI TRÒ THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

• Thiết bị chưng cất giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp chế biến dầu khí

• Hầu hết các quá trình phân tách hỗn hợp lỏng đồng nhất ra thành các phân đoạn trong các quá trình công nghệ đều sử dụng phương pháp chưng cất.

NGUYÊN LIỆU DẦU THÔ

NGUYÊN LIỆU DẦU THÔ

Thành phần

Các hợp chất này chủ yếu là sự kết hợp giữa hydro và nguyên tử cacbon để hình thành các cấu tử gọi là hydrocacbon từ dạng đơn giản như khí metan (CH4) đến các dạng phức tạp như

C85H60

NGUYÊN LIỆU DẦU THÔ

NGUYÊN LIỆU DẦU THÔ

Đường cong chưng cất

• Đường cong chưng cất biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ và phần trăm thể tích (hoặc khối lượng) dầu thô đã bay hơi (tích luỹ)

NGUYÊN LIỆU DẦU THÔ

Phân đoạn

• Một nhóm các hợp chất phục vụ cho một mục đích sử dụng nào đó được gọi là một phân đoạn (hay còn gọi là khoảng cắt)

NGUYÊN LIỆU DẦU THÔ

• Hàm lượng lưu huỳnh

Hàm lượng lưu huỳnh trong dầu thô rất khác nhau giữa các loại dầu

Hàm lượng lưu huỳnh trong dầu thô lớn làm giảm giá trị của dầu do phải

đầu tư cho quá trình chế biến nhiều hơn (chủ yếu là các phân xưởng xử lý) và vấn đề bảo vệ môi trường gặp phải nhiều khó khăn khi đảm bảo hàm lượng các hợp chất lưu huỳnh độc hại trong khí thải

NGUYÊN LIỆU DẦU THÔ

Thành phần hoá học và phân loại dầu mỏ

• Thành phần Hydrocacbon

• Thành phần phi hydrocacbon

Thành phần Hidrocacbon:

• Aromactics:

Thành phần phi hydrocacbon

Thành phần phi hydrocacbon

Sản phẩm của quá trình chưng cất

dầu thô

• Phân đoạn khí

• Phân đoạn xăng

• Phân đoạn kerosene

• Phân đoạn diesel

• Phân đoạn cặn gudron

Một số khái niệm

• Khoảng chồng lấn giữa hai phân đoạn phản ánh hiệu quả của quá trình chưng cất:

Một số khái niệm

Xác định điểm cắt của các phân đoạn là việc làm hết sức quan trọng của nhà thiết kế

Điểm cắt có ảnh hưởng lớn tới hiệu suất thu hồi và chất

lượng của các phân đoạn Tùy theo tính chất của dầu, mục đích của nhà máy (các sản phẩm cần sản xuất, các loại sản phẩm cần ưu tiên, chất lượng sản phẩm yêu cầu) mà xác định điểm cắt các phân đoạn chưng cất cho phù hợp

Nguyên lý quá trình chưng cất dầu

• Nguyên lý phân tách các cấu tử có nhiệt độ sôi khác nhau

Một số nguyên tắc cơ bản trong chưng

cất dầu mỏ

:

• - Áp suất ảnh hưởng tới nhiệt độ sôi của các cấu tử, áp suất càng

cao nhiệt độ sôi của các cấu tử càng cao.

• - Trong cùng điều kiện công nghệ như nhau, nếu áp suất tháp tăng

lên thì các sản phẩm của quá trình chưng cất sẽ nhẹ hơn.

• - Nếu nhiệt độ nguyên liệu vào quá thấp thì lượng cấu tử bay hơi ở đĩa tiếp liệu sẽ thấp và phần không bay hơi sẽ chảy xuồng phân

chưng của tháp.

• - Nếu nhiệt độ đáy tháp quá thấp, sản phẩm đáy sẽ nhẹ và nhiều hơn.

Một số nguyên tắc cơ bản trong chưng

cất dầu mỏ

• Nếu nhiệt độ đỉnh tháp quá cao thì sản phẩm đỉnh sẽ càng nặng hơn và

do vậy lượng sản phẩm càng nhiều

• Hơi do hệ thống gia nhiệt đáy đóng vai trò quan trọng trong việc sục các cấu tử nhẹ chứa trong pha lỏng ở các đĩa bay hơi Giảm nhiệt độ gia

nhiệt đáy sẽ làm giảm lượng hơi trong tháp và giảm nhiệt độ của tháp

• Tăng lượng hồi lưu sẽ làm tăng lượng chất lỏng trong các đĩa Kết quả

là nhiệt độ đỉnh tháp sẽ giảm đi, sản phẩm đỉnh sẽ nhẹ hơn Tuy nhiên, ảnh hưởng của dòng hồi lưu chậm hơn

Các quá trình chưng cất khác

Chưng cất khí quyển

• 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

• Mục đích của phân xưởng chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển là phân tách dầu thô thành các phân đoạn theo các ứng dụng tương ứng :

Khí hoá lỏng (LPG), phân đoạn naphtha (một số phân xưởng chưng cất dầu thô được thiết kế để tách phân đoạn này thành hai phân đoạn riêng naphtha nặng và naphtha nhẹ), phân đoạn kerosene, phân đoạn diesel nhẹ (LGO), phân đoạn diesel nặng (HGO) và cặn chưng cất (residue)

Chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

với một tháp chưng cất chính

kiện thực tế chưng cất dầu Thiết bị loại này có cấu tao đơn giản, gọn, ít tốn kém.

nước thì gặp nhiều khó khăn khi áp dụng loại hình chưng cất này, áp suất trong thiết bị lớn, vì vậy cần phải có độ bền lớn, tốn nhiên liệu, đắt tiền, cấu tạo thiết bị phức tạp để tránh gây nổ do áp suất cao.

Sơ đồ Chưng cất AD với bay hơi hai lần

• Với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng sản phẩm trắng cao (50 – 65%), chứa nhiều khi hoà tan (>1,2%), chứa nhiều phân đoạn xăng (20 – 30%) thì nên chọn sơ đồ chưng cất AD với bay hơi hai lần

• Ưu điểm : giảm được áp suất trong tháp thứ hai đến áp suất 0,l4 – 0,16 MPa và nhận được từ dầu thô lượng sản phẩm trắng nhiều hơn Mặt

khác những hợp chất gây ăn mòn, như hợp chất lưu huỳnh và

hydrocacbon nhẹ loại ra ở tháp thứ nhất nên trong tháp thứ hai không cần phải thiết kế bằng vật liệu đắt tiền có độ bền cao và không bị ăn mòn được cho phép việc đun dầu với hệ số trao đổi nhiệt lớn, giảm bớt đáng

kể công suất cần thiết

• Nhược điểm: Phái đun nóng dầu trong lò với nhiệt độ cao hơn từ 5 –

100C so với sơ đồ khác

Tháp chưng cất chính

• Tháp chưng cất chính là thiết bị quan trọng nhất của phân xưởng chưng cất dầu thô, có nhiệm vụ phân chia dầu thô thành các phân đoạn khác nhau theo mục đích sử dụng Tháp chưng cất chính có thể là kiểu tháp đĩa hoặc tháp kiểu đệm, tuy nhiên số tháp dùng kiểu đĩa chiếm tỷ lệ lớn hơn

• Cấu tạo của 1 tháp chưng cất : 40-55 đĩa chưng cất , được chia thành hai phần: đoạn chưng và đoạn luyện

Sơ đồ tháp chưng cất :

Chưng cất chân không

• Giới thiệu chung

Với đa số các loại dầu thì cặn này không thể đưa thẳng tới phân xưởng cracking được mà cần phải tách bớt các phân đoạn không phù hợp cho quá trình cracking Để tách tiếp các phân đoạn này cần phải được thực hiện ở nhiệt độ tương đối cao Khi thực hiện chưng cất ở nhiệt độ cao sẽ xảy

ra hiện tượng cracking nhiệt tạo ra các sản phẩm không mong muốn Điều này không chỉ làm ảnh hưởng tới hoạt động của thiết bị mà còn ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi sản phẩm chung của nhà máy Để khắc phục vấn đề

này, người ta tiến hành chưng cất cặn dầu thô ở áp suất thấp (áp suất chân không), khi đó nhiệt độ sôi của các cấu tử sẽ giảm xuống nhờ đó các phân đoạn tách ra dễ dàng ở nhiệt độ thấp không xảy ra quá trình cracking

Chưng cất chân không

Mục đích

phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào thời gian ở nhiệt độ đóHỗn

hợp trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao, độ bền nhiệt của cấu tử không chỉ

Sự phân hủy sẽ làm xấu đi tính chất của sản phẩm và nguy hiểm cho quá

trình chưng cất vì nó tạo ra các hợp chất gây ăn mòn Vì vậy ta tiến hành chưng cất chân không sẽ đảm bảo cho hiệu quả tách sâu hơn phân đoạn dầu nhờn

Chưng cất chân không

• Đặc điểm của tháp chưng cất chân không

Trong tháp chân không cần tạo điều kiện để cất được nhiều nhất và phân

hủy ít nhất vì vậy sử dụng thiết bị tạo chân không để có được áp suất

chân không thấp nhất trong hệ

Giảm thời gian lưu của mazut trong lò nung và giảm trở lực nên sử dụng

lò nung hai chiều, đưa hơi nước vào ống xoắn của lò, giảm thiểu khoảng cách giữa cửa nhập liệu vào tháp và cửa ra khỏi lò nung, tăng đường

kính ống dẫn nguyên liệu, giảm thiểu các chỗ uốn góc, dạng chữ S

Đường kính của các tháp này lớn hơn nhiều so với tháp cất khí quyển (8

÷ 12 m)

Chưng cất chân không

• Các sản phẩm thu dược khi chưng cất dầu thô trong chân không

Chế biến mazut trong chân không thu được các distilat dầu nhờn có nhiệt

độ sôi, độ nhớt và các tính chất khác khác nhau, cặn của quá trình này là semigudron hoặc gudron các sơ đồ chưng cất chân không được chia

thành nhóm nhiên liệu và dầu nhờn

Trong nhóm sơ đồ nhiên liệu từ mazut thu phân đoạn rộng có nhiệt độ sôi

đến 5500oC gọi là gasoil chân không, là nguyên liệu cho cracking xúc tác hoặc hydrocracking

Hiện nay trong các nhà máy có 2 loại sơ đồ : chưng cất bay hơi 1 bậc tất

cả các phân đoạn và phân tách nó trong 1 tháp chân không và chưng cất mazut bay hơi hai bậc và phân tách phân đoạn chưng cất trong 2 tháp chân không

Chưng cất chân không

• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bị chính

 Tháp chưng cất chân không thường sử dụng là tháp dạng đệm để

giảm tối đa tổn thất áp suất.

 Kích thước, cấu tạo các vùng của tháp là khác nhau để đảm bảo

hoạt động tháp bình thường đồng thời tiết kiệm chi phí chế tạo

• Sơ đồ nguyên lý hoạt động và cấu tạo thấp chưng cất chân không

Các thiết bị tạo độ chân không

• Thiết bị ngưng tụ bề mặt

• Hỗn hợp hơi nước, hydrosunfua

và khí phân hủy đi ra từ tháp chưng

trước tiên đi vào không gian giữa các ống

thiết bị ngưng tụ bề mặt dạng cố định

Các thiết bị tạo độ chân không

• 1 - Vỏ TB, 2 - ống hút

3 - ống đẩy, 4 – Cánh quạt

Thiết bị ngưng tụ khí áp

Thiết bị ngưng tụ khí áp gồm ống 3 có chiều

cao 12m, trong đó các dòng khí và nước

chuyển động gặp nhau; hơi van thủy lực chảy vào bể chứa hoặc thải vào knước ngưng tụ và cùng với nước qua cửa ênh Van thuỷ lực được tạo thành như sau khí không ngưng tụ được hút bằng máy: đuôi của ống 3 ngập trong lớp nước trong bể 4 Không khí và bơm chân

không hoặc bơm tia nước

Bơm phun tia

• Hơi hoạt đông phun ra từ vòi phun

1 với tốc độ siêu âm

• Buồng hút 2 diễn ra sự hút khí không

ngưng tự và cuốn chúng vào ống thắt

• Buồng trộn 3 để trộn hoàn toàn hơi với khí Buồng trộn 3 kết thúc bằng họng hình trụ

Hệ thiết bị ngưng tụ khí áp - bơm phun

Các quá trình chưng cất khác.

• Ngoài hai quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển và ở áp suất chân không, công nghiệp chế biến dầu khí còn sử dụng thấp chưng cất để phân tách các phân đoạn ở nhiều giai đoạn chế biến tiếp theo như : quá trình cracking , quá trình xử lý hydro, quá trình reforming.

PHẦN 3 HOẠT ĐỘNG CỦA

THIẾT BỊ CHƯNG CẤT

THÁ P

ĐĨA

THÁ

P ĐỆM

Tháp đĩa

• Cấu tạo chung

• Nguyên lý

Nguyên lý quá trình chuyển khối trong tháp đĩa

Quá trình chuyển khối trên các đĩa

Cấu tạo các chi tiết bên trong tháp

Cấu tạo các dạng đĩa

• Tháp đĩa lỗ

• Tháp đĩa chóp

• Tháp đĩa van

Đĩa lỗ

Đĩa chóp

Đĩa chóp

Đĩa chóp

Ưu điểm :

trong tháp.

Nhược điểm :

Đĩa van

• Kết cấu tổng thể của đĩa van lắp đặt trong tháp chưng cất :

Đĩa van

• Van ở trạng thái đóng Van ở trạng thái mở một phần

Đĩa van

• Tháp hoạt động tương đối ổn định hạn chế hiện tượng lỏng kéo theo dòng hơi do tốc độ quá lớn hoặc hiện tượng sặc tháp.

• Có khả năng hoạt động ở khoảng rộng chế độ hoạt động của tháp

• Năng lượng dòng hơi đi qua van được sử dụng một cách có hiệu quả để cải thiện quá trình tiếp xúc lỏng-hơi.

• Trở lực cục bộ do các van gây ra cho dòng chảy pha lỏng trên đĩa không quá lớn, hiệu quả làm việc của các vùng trong đĩa đồng đều

• Kiểu đĩa này có kết cấu vững chắc, nhẹ và không đắt.

• Thiết kế và vận hành loại đĩa này đơn giản

Đĩa van

Dạng đĩa đặc biệt (Ballast và Flexi)

Đĩa van

• Có thể cho phép tăng lưu lượng dòng khí và hơi trong tháp tới 20-30%.

• Với kết cấu đặc biệt, đĩa chưng luyện dạng này cho phép tháp hoạt động rất ổn định, thậm chí ở lưu lượng dòng khí/hơi thấp

• Tổn thát áp suất là rất nhỏ, do vậy, tổng tổn thất áp suất trong tháp nhỏ phù hợp với quá trình chưng cất chân không.

• Có thể hoạt động thích hợp với công suất cao hơn nhiều so với đĩa van;

• Có khả năng phân tách các cấu tử tốt nhờ tạo điều kiện chuyển khối tốt và sự hoạt động ổn định.

• Hiệu quả hoạt động cao ở công suất thấp đảm bảo giảm thiểu tối đa lượng sản phẩm

không đạt chất lượng trong giai đoạn khởi động tháp.

Đĩa van

tiêu thụ năng luợng ở mức tối thiểu.

đầu xảy ra hiện tượng sặc, nhờ vậy mà có thể tăng công suất hiệu dụng của tháp, cho phép tận dụng một cách hiệu quả tháp chưng cất và các thiết bị phụ.

đuợc chất lượng sản phẩm, giảm được tỷ lệ hồi lưu và do đó cho phép giảm

được năng lượng, phụ trợ tiêu thụ hoặc giảm được số lượng đĩa trong tháp.

chuyển động của van) gần như loại bỏ hoàn toàn hiện tượng kẹt của bộ phận chuyển động Thời gian ngừng tháp giảm đáng kể do khả năng thu hồi chất lỏng nhanh.

Ống chảy truyền và các sơ đồ kết cấu đĩa chưng

Một số cách bố trí đĩa chưng cất

Cấu tạo và hình dạng một số loại ống chảy truyền

Tháp đệm

Cấu tạo một số bộ phận

Đệm có kết cấu

• Cấu trúc hình học gồm nhiều tấm rất mỏng (thường là tấm kim loại) được dập

nhăn, sắp xếp theo trật tự song song nhau với kích thước và hình dáng phù hợp với kích thước và hình dạng của tháp chưng cất

• Các lớp đệm này được xếp vào trong tháp, các lớp kế tiếp nhau có chiều nghiêng với nhau 90 o C

• Các lớp đệm xếp trong tháp chiếm tới 60-70% thể tích của tháp, phần không gian còn lại là dành cho bố trí các chi tiết khác như hệ thống thu gom và tái phân phối chất lỏng, hệ thống phân phối lỏng, bộ phận phân tách pha (lỏng kéo theo hơi)

Đệm có kết cấu

Đệm có kết cấu

• Quá trình chưng cất chân không

• Qúa trình chưng ở áp suất thấp

Đệm làm bằng sứ

Đệm làm bằng kim loại

Đệm làm bằng chất dẻo

• Các đệm truyền thống chế tạo từ gốm rất nhạy cảm đối với môi trường có kiềm và axit HF Trong khi đó đệm kim loại thì khả năng thấm ướt bề mặt đệm với một số chất lỏng kém và khả năng bị ăn mòn cao Đệm chế tạo bằng chất dẻo nhẹ hơn dễ lắp đặt, tổn thất áp suất trên một bậc chuyển khối lý thuyết thấp, giá thành thấp, không lo ngại về hiện tượng ăn mòn đệm Tuy nhiên, đệm chất dẻo lại gặp vấn đề thấm ướt như đệm kim loại và đặc biệt khả năng chịu nhiệt

độ cao

Bộ phận phân phối chất lỏng

• Các nghiên cứu chỉ ra rằng: chất lỏng và hơi phân bố không đều trong tháp đệm (thậm chí có vùng bị khô) làm ảnh hưởng lớn đến hiệu quả làm việc của tháp

• Số lượng đĩa tương đương thực tế (bậc chuyển khối tương đương) của tháp đệm sẽ giảm tỷ lệ thuận với hiệu quả phân phối lỏng trong tháp.

Bộ phận phân phối chất lỏng

• Hiện tượng phân bố chất lỏng không đều trong tháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: kết cấu của đệm, kích thước của tháp, hiệu quả làm việc của bộ phân phối,…

• Trong tháp đệm, mỗi một tầng đệm (gồm nhiều lớp đệm) đều có một hệ thống phân phối lỏng ở phía trên Tùy thuộc vào đặc điểm thiết kế và khoảng cách cần thiết để pha hơi tách khỏi lớp đệm mà

hệ thống này được lắp đặt trong khoảng từ 0- 200mm so với mặt trên của lớp đệm.

Bộ phận phân phối chất lỏng

theo.

• Các đầu phân phối phải đảm bảo hoạt động liên tục

• Các đầu phân phối phải được đặt tại một vị trí thích so với vỏ tháp;

• Hạn chế tối đa sự khác biệt lưu lượng giữa các đầu phân phối

Một số dạng hệ thống phân phối đang

sử dụng trong thực tế

Một số dạng hệ thống phân phối đang sử

dụng trong thực tế

Hệ thống thu gom chất lỏng dạng đĩa

• Thường dùng thu gom và rút một phần hay toàn bộ chất lỏng ra phía

• Có thể áp dụng cho mọi kích thước tháp chưng cất

• Thể tích chất lỏng thu gom lớn có thể lắp đặt một đường ống chảy truyền

Hệ thống thu gom chất lỏng dạng hình máng

• Hệ thống này thường được áp dụng cho các tháp có đường kính lớn hơn 1000mm với một số đặc tính kỹ thuật chủ yếu: diện tích thoáng (cho hơi đi) chiếm khoảng 25-40%