đồ án công nghệ chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾTQuá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển là một quá trình vật lý giópcho quá trình tách các cấu tử cần thiết cho các sản phẩm mong muốn như xăng,kerosen, die

I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển là một quá trình vật lý giópcho quá trình tách các cấu tử cần thiết cho các sản phẩm mong muốn như xăng,kerosen, diezen, dầu nhờn được diễn ra thuận lơi, chính vì vậy việc hiểu rõ bảnchất của quá trình để điều khiển và kiểm soát quá trình diễn ra thuận lợi, giópthu được nhiều sản phẩm, quá trình diễn ra an toàn hơn

Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng

tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứanhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue) Chưng cấtdầu và sản phẩm dầu với mục đích tách dầu thô thành các phân đoạn, được thựchiện bằng phương pháp sôi dần hoặc sôi nhiều lần Chưng cất bay hơi nhiều lầngồm hai hay nhiều quá trình bay hơi một lần

I.1 Mục đích của quá trình

Ngày nay dầu mỏ và khí đốt được coi là “Vàng đen” , chúng đóng vai tròquan trọng trong đời sống kinh tế toàn cầu Đây còng là một nguyên liệu quantrọng nhất của xã hội hiện đại để sản xuất điện và còng là nhiên liệu của tất cảphương tiện giao thông vân tải Hơn nữa dầu mỏ còng được sử dụng trong côngnghiệp hóa dầu để sản xuất chất dẻo và nhiều sản phẩm khác.Dầu mỏ mang lạilợi nhuận siêu ngạch cho các quốc gia và dân tộc đang sở hữu và tham gia trưctiếp kinh doanh nguồn nguyên liệu trời cho này.Hiện nay trong cán cân nănglượng thì dầu mỏ vẫn giữ vai trò quan trọng nhất so với các dạng năng lượngkhác Cùng với than đá, dầu mỏ và nhiều loại khí đốt khác chiếm tới 90% tổngtiêu thụ năng lượng toàn cầu Đã có không ít các cuộc chiến tranh, các cuộckhủng hoảng kinh tế và chính trị có nguyên nhân sâu xa từ các hoạt động cạnhtranh sản xuất và kinh doanh trong lĩnh vực dầu mỏ

Đối với nước ta hiện nay, vai trò và ý nghĩa của dầu khí nói chung trong đó

có dầu mỏ càng trở nên quan trọng trong thời kì đẩy nhanh công nghiệp hóa và

hiện đại hóa Không chỉ là vấn đề thu nhập kinh tế đơn thuần, trong những nămqua dầu mỏ đã góp phần đáng kể trong ngân sách quốc gia, làm cân đối hơn cáncân thương mại xuất nhập khẩu quốc tế, góp phần tạo nên sự ổn định nước nhàtrong những năm đổi mới đất nước Chính vì vậy chúng ta cần phải sử dụng cóhiệu quả nguồn nguyên liệu quí này bằng việc thực hiện quá trình chế biến dầuthô ở áp suất khí quyển để mang lại nhiều nguồn lợi về kinh tế hơn nữa chonước ta.

I.2 Nguyên lý của quá trình chưng cất

Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng

tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứanhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue).Như vậy, phépchưng cất có thể thu được Distillat có thành phần mong muốn bằng cách chưngcất nhiều lần

Nhưng chưng cất nhiều lần như vậy rất phiền phức, tốn thời gian màkhông kinh tế Để khắc phục nhược điểm này ta dùng hệ thống chưng cất có cộtchưng cất Cột chưng cất có số đĩa lý thuyết càng lớn, thì có khả năng cho một distillat có thành phần khác càng nhiều so với dung dịch trong bìnhđun, tức là distillat rất giàu chất dễ bay hơi Dùng cột chưng cất có nhiều đĩa lýthuyết có thể thu được distillat là chất dễ bay hơi gần như tinh khiết

I.2.1 Chưng cất đơn giản

Chưng cất bay hơi dần dần: Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác địnhđường cong chưng cất Enghen Chưng cất bay hơi một lần: Cho phép nhận đượcphần chưng cất lớn hơn so với bay hơi một lần

Hình I.1 Chưng cất bay hơi dần dần

Chưng cất bay hơi nhiều lần: Cho phép quá trình tách các phân đoạn theo mongmuốn

Hình I.2 Chưng cất bay hơi nhiều lần

I.2.2 Chưng cất phức tạp

Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh Nhờ sự tiếp xúcthêm mộy lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêmcấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn

Chưng cất có tinh luyện: Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa phalỏng và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếukết hợp với hồi lưu

Hình I.3 Sự tiếp xúc giữa dòng lỏng và hơi trong tháp chưng cất

Chưng cất chân không & chưng cất với hơi nước: Độ bền nhiệt các cấu tửtrong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu Đối với các phânđoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân huỷ chúng (giảm độ nhớt,

độ bền oxy hoá…) bằng cách hạn chế nhiệt độ (320o- 420oC) chưng cất Nếunhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân huỷ chúng ta dùng chưng cất chân không haychưng cất hơi nước Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm chúng sôi ởnhiệt độ thấp hơn

I.2.3 Đĩa chưng cất (Tray)

Trong công nghệ dầu khí, để chưng cất những lượng khổng lồ (hàng triệutấn/năm) Người ta dùng những thiết bị chưng cất khổng lồ, hoạt động liên tục

Hơi nguyên liệu sẽ bay lên đỉnh tháp và phần lỏng sẽ chảy xuống phần dướitháp Sự tiếp xúc giữa hai dòng này được thực hiện một cách đặc biệt nhờ cácđĩa.

Tại các đĩa xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và dòng lỏng Đồngthời tại đây còng xảy ra quá trình trao đổi chất, phần nhẹ trong pha lỏng bay hơitheo pha hơi, phần nặng trong pha hơi ngưng tụ theo dòng lỏng

Như vậy, khi dòng hơi lên đến đỉnh thì rất giàu cấu tử nhẹ, còn dòng lỏng đixuống đáy lại giàu cấu tử nặng hơn

Có rất nhiều dạng đĩa khác nhau được sử dụng tuỳ vào loại nguyên liệu.Nhưng mục đích chung nhằm đảm bảo sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơiphải lớn để quá trình phân tách hiệu quả

Hiện nay, sử dụng chủ yếu các dạng đĩa sau:

− Đĩa nhiều lỗ (Sieve Trays)

− Đĩa chụp (Bubble–Cap Trays)

− Đĩa ống khói (Chimmey Trays)

− Đĩa Van (Valve Trays)

Hình I.4 Mâm kiểu van

Sự phân bố dòng chảy qua van ảnh hưởng rất lớn đến sự tiếp xúc pha và chấtlượng các phân đoạn

I.2.4 Sự Stripping

Đối với chưng cất dầu thô, dòng trích ngang luôn có lẫn sản phẩm đỉnh

Để loại bỏ các cấu tử nhẹ này, người ta thực hiện quá trình tái hoá hơi riêngphần các phần nhẹ Quá trình này gọi là quá trình stripping

Quá trình này được thực hiện trong những cột nhỏ từ 4-10 đĩa, đặt bên cạnhtháp chưng cất khí quyển và thường dùng hơi nước trực tiếp

Ngoài ra có thể stripping bằng nhiệt (phân đoạn Kerozen)

I.2.5 Sự hồi lưu (Relux)

Nhằm tạo ra dòng lỏng có nhiệt độ thấp đi từ đỉnh tháp xuống đáy tháp đểtrao đổi nhiệt với dòng hơi Từ đó làm cho quá trình trao đổi chất tách phânđoạn được triệt để và thu được chất lượng distillat mong muốn

Tỉ lệ dòng hoàn lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố kinh tế làbài toán quyết định

Khi tỉ lệ hoàn lưu tăng, số mâm giảm nhưng đường kính tháp tăng lên Chủyếu có 3 dạng sau:

− Hồi lưu nóng: Sử dụng dòng hồi lưu ở trạng thái lỏng sôi

− Hồi lưu lạnh: Nhiệt độ dòng hồi lưu ở dưới điểm lỏng-sôi

− Hồi lưu vòng: Lấy các sản phẩm ở các mâm dưới hồi lưu lên các mâm

I.3 Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình chưng cất

I.3.1 Nguyên liệu

Thành phần nguyên liệu đưa vào quá trình chưng cất phải được xác địnhxem chúng thuộc loại nào: dầu nặng hay dầu nhẹ, dầu chứa nhiều hydrocacbonparafinic, naphtenic hay aromatic,dầu có chứa nhiều lưu huỳnh hay không? Trước khi đưa vào quá trình chế biến vì chúng có quyết định quan trọng đếnviệc lựa chọn công nghệ cho quá trình chế biến

Thành phần của dầu thô là hỗn hợp các chất hữu cơ rất phức tạp với các chấtlỏng chiếm ưu thế, trong đó còn có các hợp chất hữu cơ rắn hòa tan và các khíhydrocacbon Chúng gồm có:

no, Naphten, Hydrocacbon thơm lựa chọn công nghệ chưng cất phùhợp tùy thuộc vào thành phần nhiều hay ít của các nhóm này gióp thuđược sản phẩm có tính chuyên hóa nhiều hơn, tránh tiêu hao nănglượng cho nhiều quá trình không cần thiết

hợp chất chứa oxy Chúng chiếm thành phần nhỏ trong dầu mỏ nhưnglại ảnh hưởng rất lớn và có tính quyết định đến việc lựa chọn côngnghệ phù hợp cho quá trình chưng cất gióp cho quá trình vận hànhđược diễn ra an to toàn, sản phẩm thu được đạt chất lượng tốt, đạt hiệuquả kinh tế cao nhất

I.3.2 Sản phẩm dầu mỏ của quá trình chưng cất

Dầu mỏ, khi muốn chế biến thành các sản phẩm phải được tiến hành chianhỏ thành từng phân đoạn hẹp với các khoảng nhiệt độ sôi nhất định Nhữngphân đoạn này nói chung tương ứng với các sản phẩm cuối cùng của quá trình

chế biến, nên chúng được mang tên các sản phẩm đó Thông thường, dầu mỏđược chia thành các phân đoạn chính sau đây:

- Phân đoạn dầu nhờn (hay còn gọi là phân đoạn gasoil nặng), với khoảng

Trong các phân đoạn trên đây, sự phân bố các hợp chất hydrocacbon vàkhông hydrocacbon của dầu mỏ nói chung không đồng nhất chúng thay đổi rấtnhiều khi đi từ phân đoạn nhẹ sang phân đoạn nặng hơn Vì vậy tính chất củatừng phân đoạn đều khác nhau Hơn nữa, các loại dầu mỏ ban đầu đều có tínhchất và sự phân bố các hợp chất hữu cơ trong đó còng khác nhau, cho nên tínhchất của từng phân đoạn dầu mỏ còn phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính hoá họccủa loaị dầu ban đầu

+Sản phẩm khí Hydrocacbon

Khí thu được trong quá trình chưng cất dầu bao gồm các hydrocacbonC1-C4 và một lượng ít C5-C6 , hydrocacbon thu được chủ yếu là C3 và C4.Đây là nguồn nguyên liệu lớn cho quá trình tổng hợp hoá dầu còng như sử dụngdân dụng bằng cách hoá lỏng (LPG) Từ C3 có thể chế tạo dung môi, C4 dùng

để sản xuất dung môi, sản xuất cao su, dùng trong cracking hơi, sản xuất phụgia MTBE chống kích nổ cho xăng

+Phân đoạn xăng

 Sản xuất nhiên liệu dùng cho động cơ xăng.

sử dụng để trích ly chất bộo, trong công nghiệp hương liệu, dược liệu.Trong phân đoạn xăng có nhiệt độ sôi từ 30-35oC tới nhiệt độ 180oC; đượctinh cất tiếp để nhận các phân đoạn hẹp như 30-62oC ; 62-85oC ; 85-105oC ;105-140oC hay phân đoạn rộng như 85-140oC dùng làm nguyên liệu cho quátrình izome hoá, reforming xúc tác với mục đích nhận xăng hay nhậnhydrocacbon thơm loại benzen (B), tuluen (T), xylen (X), hoặc làm nguyên liệucho cracking nhằm sản xuất các olefin thấp như etylen, propylen, butylen,butadien Ngoài ra phân đoạn xăng còn được làm dung môi như dung môiparafinic (etepetrol) cho công nghiệp trích ly tinh dầu, pha chế mỹ phẩm

+ Phân đoạn Kerosen

Phân đoạn này được sử dụng cho 2 mục đích:

Nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực được chế tạo từ phân đoạn kerosenhoặc từ hỗn hợp phân đoạn kerosen với phân đoạn xăng Do đặc điểm cơ bảnchất của nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực là làm sao có tốc độ cháy lớn, dễdàng tự bốc cháy ở bất kỳ nhiệt độ và áp suất nào, cháy điều hoà và không bị tắttrong dòng không khí có tốc độ xoáy lớn, nghĩa là quá trình cháy phải có ngọnlửa ổn định Để đáp ứng yêu cầu trên, người ta thấy trong thành phần cáchydrocacbon của phân đoạn kerosene, các hydro naphten và parafin thích hợpnhất với những đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ phản lực Vì vậyphân đoạn kerosen và phân đoạn xăng của dầu mỏ họ naphten-paraffin hoặcparafino-naphten là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất nhiên liệu cho động cơphản lực Trong khi đó sự có mặt của hydrocacbon thơm không thuận tiện cho

quá trình cháy, do đó nếu hàm lượng của chúng quá lớn, cần phải loại bớt chúng

ra để giữa trong giới hạn 20-25%

Chú ý hàm lượng của hydrocacbon paraffin trong nhiên liệu phản lực trongkhoảng 30-60%, nếu cao hơn cần phải tiến hành loại bỏ nhằm đảm bảo tính linhđộng tốt của nhiên liệu ở nhiệt độ thấp

Phân đoạn kerosene của họ dầu mỏ paraffin còn được dùng để sản xuất dầuhoả dân dụng (thắp sáng hoặc đun nấu) mà không đòi hỏi một quá trình biến đổithành phần bằng các phương pháp hóa học phức tạp, đáp ứng được yêu cầu củadầu hoả là ngọn lửa cháy xanh, không có màu vàng đỏ, không tạo nhiều khóiđen, không tạo nhiều tàn đọng ở đầu bấc và dầu phải dễ dàng bốc hơi theo lênphía trên để cháy

+Phân đoạn Diezel

Phân đoạn gasoil nhẹ của dầu mỏ chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu chođộng diesel Do động cơ diesel đòi hỏi nhiên liệu phải có trị số xetan cao (cótính chất rất dễ oxy hoá để tự bốc cháy tốt) do phân đoạn gasoil (của dầu mỏ họparaffin) lấy trực tiếp từ quá trình chưng cất sơ khởi thường có trị số xetan rấtcao Vì vậy chúng thường được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu diesel thíchhợp nhất mà không phải qua một quá trình biến đổi hoá học nào Tuy nhiên cầnlàm tăng trị số xetan của nhiên liệu diesel, người ta còng có thể cho thêm vàomột số chất phụ gia thúc đẩy quá trình oxy hoá Với số lượng khoảng 1,5% ta cóthể tăng chỉ số xetan lên đến 15-20 đơn vị so với trị số ban đầu của nó là 40 đơnvị

+ Phân đoạn dầu nhờn

không Được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác hay

400 - 450 oC; 420 - 490 oC; 450 - 500 oC được dùng làm nguyên liệu cho sảnxuất các loại dầu nhờn bôi trơn khác nhau.

Ngoài ra phân đoạn này còn dùng để sản xuất sản phẩm trắng, các sản phẩmtrắng là tên gọi của 2 nhiên liệu xăng, kerosene, diesel Đó là các loại nhiêu liệuđược sử dụng nhiều nhất, quan trọng nhất Để làm tăng số lượng các nhiên liệunày, có thể tiến hành phân huỷ gasoil nặng bằng phương pháp cracking hoặchydrocracking, với cách này, có thể biến các cấu tử C21- C40 thành xăng (C5-C11), kerosene (C11- C16), diesel (C16- C20) Dẫn đến nâng cao hiệu suất sửdụng của dầu mỏ

II CÔNG NGHÊ CHƯNG CẤT DẦU THÔ Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

Trong công nghiệp chế biến dầu, dầu thô sau khi đã được xử lý qua các quátrình tách nước, muối và các tạp chất cơ học được đưa vào quá trình chưng cấtnhằm thu được các loại sản phẩm theo yêu cầu Các quá trình chưng cất dầu thô

ở áp suất khí quyển AD (Atmospheric Distillation) và quá trình chưng cất trongchân không VD (Vacuum Distillation) thuộc về nhúm các quá trình chế biến vật

lý Đối với quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển AD thì nguyên liệuđưa vào quá trình chưng cất là dầu thô, đôi khi còn gọi là quá trình CDU(Crude oil Distillation Unit), còn đối với quá trình chưng cất trong chân không

VD thì nguyên liệu của quá trình chính là phần cặn của quá trình chưng cất ở

áp suất khí quyển AD, trong thực tế đôi khi còn gọi là cặn chưng cất (cặn thôhay mazut) Tuỳ theo mục đích và quá trình chưng cất mà chúng ta sẽ áp dụngquá trình chưng cất AD, VD hay kết hợp cả hai quá trình AD – VD (gọi tắt làquá trình A- V – D) Trong công nghiệp chế biến hiện nay thỡ các nhà máy hiệnđại luụn dựng loại hình công nghệ A – V – D

II.1 Chuẩn bị nguyên liệu trước khi chế biến

Dầu thô vừa khai thác ở mỏ lên, ngoài phần chủ yếu là các hydrocacbontrong dầu còn lẫn nhiều tạp chất nh tạp chất cơ học, đất đá, nước và cả muốikhoáng Chúng lẫn vào dầu khí và phổ biến nằm ở dạng nhò tương nên khó tách

ở điều kiện bình thường Nếu không tách các tạp chất này, khi vận chuyển haytồn chứa và đặc biệt là khi chưng cất dầu, chúng sẽ tạo cặn bùn và các hợp chất

ăn mòn, phá háng thiết bị, làm háng công suất chế biến Vì thế trước khi đưavào chế biến dầu thô cần phải được cho qua các bước xử lý khác nhau

II.1.1 Ổn định dầu thô

Dầu thô mới khai thác lên có lẫn các khí hữu cơ (C1-C4 và một ít C5+) vàkhí vô cơ (H2S, CO2, He) sự có mặt các khí trong dầu mỏ, khi vận chuyển phầnnhẹ dễ bắt cháy không an toàn và không kinh tế vì trong quá trình vận chuyểncác khí nhẹ dễ mất mát, mà các khí hữu cơ này là nguyên liệu có giá trị chocông nghiệp tổng hợp hoá dầu Trong quá trình tách các khí có lợi ta tách được

cả khí H2S là khí có hại, nó ăn mòn thiết bị Dầu mỏ sau khi đã tách rồi mới chosang giai đoạn tách muối và nước bằng phương pháp nhiệt hoá học, sau đó chosang tách muối và nước bằng phương pháp điện hay là kết hợp phương phápnhiệt điện

Ổn định dầu nguyên khai tức là loại bớt các phần quá nhẹ rất dễ bay hơitrong dầu ngay từ lúc vừa thoát ra khỏi giếng khoan (tức là xử lý ngay ở nơikhai thác)

Hình II.1 Sơ đồ ổn định dầu nguyên khai

(1) Lắng tách tạp chất (2) Trao đổi nhiệt

(3) Phân ly tách nước (4) Tháp chưng

(5) Lò đốt (6,8) Thiết bị làm lạnh bằng không khí(7) Tách khí

(I) Dầu nguyên khai (II) Khi đi thiêu đốt

(III) Khí đi phân chia (IV) Xăng nhẹ

(V) Dầu đã ổn định

Thuyết minh sơ đồ: Dầu thô vừa khai thác lên cho qua thiết bị lắng tách tạp

chất cơ học (1) sau đó cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (2) và qua thiết bị phân ly(3) để tách sơ bộ nước, rồi đưa vào tháp chưng (4) Áp suất của tháp chưngđược điều chỉnh tuỳ theo mức độ chứa các phần nhẹ trong dầu thô Sản phẩmlỏng đáy tháp được đưa sang thiết bị đun sôi (5) kiểu lò đứng, ở đây dùng mộtphần khí khô thoát ra ở đỉnh tháp chưng để làm nhiên liệu đốt lò Phần khí béo

có thể sử dụng cho các nhu cầu địa phương, hay cho vào phân xưởng phân chiakhí để sử dụng làm nguyên liệu cho ngành tổng hợp hoá dầu, hoặc có thể nén lạicho xuống các giếng khoan, hay thiêu đốt C1, C2 Ở đáy tháp (4) lấy dầu đã ổnđịnh đưa về các nhà máy xử lý và chế biến

II.1.2 Tách các tạp chất cơ học, nước và muối

-Tách bằng phương pháp cơ học

+ Lắng: Bản chất của phương pháp lắng là dùa vào sự khác nhau về tỷ trọng

của dầu và các tạp chất như đất đá, nước và muối Nếu dầu có các tạp chất này,khi để lắng lâu ngày các tạp chất sẽ tách ra và lắng xuống tạo thành hai líp rõ rệt

và có thể tách ra dễ dàng

Tốc độ lắng của các hạt được tính theo công thức Stockes, áp dụng khi kíchthước hạt lớn hơn 0,5 m.

Để tăng tốc độ lắng, người ta thường dùng biện pháp gia nhiệt để giảm độ

do bay hơi Nếu duy trì quá trình ở áp suất cao, ta có thể nâng cao nhiệt độ đểtăng tốc độ lắng mà không sợ mất mát vì áp suất hơi lúc này thấp hơn so vớitrường hợp dùng áp suất thấp

+ Phương pháp ly tâm: Là phương pháp hay được dùng để tách nước và các

tạp chất đất đá Lực ly tâm càng lớn càng có khả năng phân chia cao, các hạt có

tỷ trọng khác nhau khỏi dầu Lực ly tâm tỷ lệ với bình phương số vòng quay lytâm của rôto, nên số vòng quay càng lớn hiệu quả tách càng cao Trong côngnghiệp thường dùng máy ly tâm với số vòng quay từ 3500-50000 vòng/phút.Nhưng nếu số vòng quay càng lớn thì việc chế tạo thiết bị càng khó khăn vàkhông thể chế tạo thiết bị với công suất lớn Do vậy, lĩnh vực áp dụng củaphương pháp này cũng bị hạn chế

+ Phương pháp lọc: Để tách nước và các tạp chất đất đá khỏi dầu có thể dùng

phương pháp lọc khi chóng ta cho thêm vào dầu một chất dễ thấm nước, dễ giữnước và tách chúng ra Các chất này thuộc loại các “chất trợ lọc” Ví dụ: trongthực tế người ta dùng bông thuỷ tinh để lọc nước khỏi dầu

Phương pháp lọc tuy đơn giản và có thể đạt hiệu quả cao, nhưng gặp phải khó khăn là phải liên tục thay thế màng lọc do bẩn hay quá tải mà đôi khi việcthay thế cũng rất tốn kém và phức tạp

+ Các phương pháp khác

- Tách nhũ tương nước trong dầu bằng phương pháp hoá học

Bản chất của phương pháp là cho thêm một chất hoạt động bề mặt để phá nhũtương (còn gọi là chất khử nhũ) Khi các điều kiện thao tác như nhiệt độ, ápsuất, rung động … được chọn ở chế độ thích hợp thì hiệu quả của phương phápcũng rất cao Nhưng khó khăn là phải chọn được chất hoạt động bề mặt thíchhợp, không gây hậu quả khó khăn cho chế biến sau này, cũng như không phânhuỷ hay tạo điều kiện ăn mòn thiết bị

- Phương pháp dùng điện trường

Dùng điện trưòng để phá nhũ, tách muối khỏi dầu là một phương pháp hiện đại,công suất lớn, qui mô công nghiệp và dễ tự động hoá nên các nhà máy chế biếndầu có công suất lớn đều áp dụng phương pháp này

Vì bản thân các tạp chất đã là các hạt dễ nhiễm điện tích, do vậy nếu ta dùnglực điện trường mạnh sẽ làm thay đổi điện tích tạo điều kiện cho các hạt đông tụhay phát triển làm cho kích thước lớn lên và như vậy chúng dễ bị tách ra khỏidầu Tương tác giữa điện trường và các hạt làm cho các hạt tích điện và lắngxuống Nguyên tắc này được áp dụng để tách muối, nước ra khỏi dầu

Dầu thô được gia nhiệt trước trong các thiết bị trao đổi nhiệt rồi được trộnvới một lượng nước sạch để tạo thành nhò tương chứa muối Lực hót giữa cáchạt tích điện làm cho các hạt lớn lên, ngưng tụ thành hạt có kích thước lớn và

chúng dễ tách thành líp nước nằm dưới lớp dầu Trong thực tế người ta phathêm nước vào dầu với lượng từ 3-8% so với dầu thô và có thể cho thêm hoáchất rồi cho qua van tạo nhò Sau khi đã qua thiết bị trao đổi nhiệt ở nhiệt độ

vào khoảng cách giữa hai điện cực có hiệu điện thế 26000V trở lên, chúng tíchđiện va vào nhau và tăng dần kích thước cuối cùng tách thành líp nước nằmphía dưới lớp dầu Để ngăn ngừa sự bay hơi dầu do tiếp xúc ở nhiệt độ cao áp

được bố trí ngay trong thiết bị, khi tách một bậc, người ta có thể tách 90-95%muối, còn nếu áp dụng tách hai bậc sẽ nâng hiệu suất tách muối lên 99% Thiết

bị tách muối và nước có dạng hình trụ hoặc hình cầu Dạng hình trụ loại nằmngang được sử dụng phổ biến hơn do dễ chế tạo, lắp đặt và tốn ít kim loại hơn.Thiết bị thường có kích thước sau: đường kính 3-5m, chiều dài 18-20m, dung

II.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất và chất lượng của quá trìnhchưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất Chế độ công nghệchưng cất phụ thuộc nhiều vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục đích và yêucầu của quá trình, vào chưng loại sản phẩm cần thu và phải có dây chuyền côngnghệ hợp lý Vì vậy khi thiết kế quá trình chưng cất chúng ta phải xét kỹ và kếthợp đầy đủ các yếu tố để quá trình chưng cất đạt hiệu quả kinh tế cao nhất Cácyếu tố công nghệ chưng cất dầu chính là các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làmviệc của tháp chưng cất

II.2.1 Nhiệt độ của tháp chưng luyện

Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất của tháp chưng cất bằng cách thay đổi chế

độ nhiệt của tháp chưng cất, dễ điều chỉnh được chất lượng và hiệu xuất của sảnphẩm Chế độ nhiệt của tháp gồm: Nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độđỉnh tháp, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp

Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) vào tháp chưng khống chế tuỳ theo bản chấtcủa dầu thô, mức độ cần phân tách, sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơinước đưa vào đáy tháp, nhưng chủ yếu là phải tránh được sự phân huỷ nhiệt củanguyên liệu ở nhiệt độ cao Do vậy nhiệt ở lò ống phải được khống chế chặtchẽ, nếu dầu là loại dầu nhẹ, mức độ phân chia lấy sản phẩm ít, thì nhiệt độphần nguyên liệu vào không cần cao Trong thực tế sản xuất khi chưng cất ở áp

ở áp suất p = 1 at, còn nhiệt độ nguyên liệu vào tháp chưng cất chân không là

Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần hồilưu đáy Nếu dùng một thiết bị đốt nóng riêng biệt (reboiler) thì nhiệt độ đáytháp sẽ ứng với nhiệt độ bốc hơi cân bằng tại áp suất đáy tháp Nếu bốc hơi dođưa hơi nước quá nhiệt vào đáy tháp, nhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn nhiệt độ

cấu tử nặng, nhưng lại phải đủ để tách hết hơi nhẹ khỏi phần cặn đáy Nhiệt độđỉnh tháp được khống chế và chọn nhằm đảm bảo được sự bay hơi hoàn toànsản phẩm đỉnh mà không cuốn theo các phần nặng khác Muốn vậy người taphải dùng hồi lưu đỉnh tháp để tách xăng khỏi phân đoạn khác, nhiệt độ đỉnh

áp suất chân không khi áp suất là 10 - 70 mmHg thường nhiệt độ không quá

bớt sự mất mát các cấu tử trong phân đoạn dầu nhờn

Dùng hồi lưu sẽ tạo điều kiện phân chia tốt hơn, có 3 dạng hồi lưu: hồi lưunóng, hồi lưu nguội, hồi lưu trung gian

a Hồi lưu nóng

Hồi lưu nóng là quátrình hồi lưu không cần làm lạnh ngưng tụ mà chỉ cần ngưng tụ một phần hơisản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó, sau đó cho tưới trở lại đỉnh tháp, như vậychỉ cần một lượng nhiệt đủ để bốc hơi.

Hình II.2 Sơ đồ hồi lưu nóng

Q : Lượng nhiệt hồi lưu cần lấy để bốc hơi (kcal/kg)

L : Nhiệt ngưng tụ của sản phẩm nóng (kcal/kg)

+ Hồi lưu nóng có ưu điểm là

Cấp nhiệt cho hồi lưu thấp chỉ đủ bốc hơi Tác nhân làm lạnh có thể dùngnước hay chính sản phẩm lạnh

+ Nhược điểm

Khó lắp rắp, gặp nhiều khó khăn cho việc vệ sinh do tạo nhựa ở nhiệt độ cao

và khả năng phân tán không cao do dùng lượng dầu hồi lưu

b Hồi lưu nguội

Là loại được thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ toàn bộ sản phẩmđỉnh rồi tưới trở lại đỉnh tháp Khi đó lượng nhiệt cần thiết để cấp cho phầnhồi lưu bao gồm: Nhiệt cần thiết để đun nóng nó đến nhiệt độ sôi và nhiệtlượng cần thiết để hoá hơi

Hình II.3 Sơ đồ hồi lưunguội

1 - Tháp chưng

2 - Thiết bị ngưng tụ

3 - Bể chứa hồi lưu

+ Lượng hồi lưu nguội được tính theo công thức

C t t i

Q q

2

=

R

: Lượng hồi lưu nguội

Q : Nhiệt lượng hồi lưu cần (Kcal/kg)

i : Nhiệt lượng phần hơi cần

C : Nhiệt dung của sản phẩm hồi lưu

t1 , t2 : Nhiệt độ của hồi lưu và lỏng tương ứng

Hồi lưu nguội được sử dụng rộng rãi vì lượng hồi lưu thường Ýt, làm tăngchất lượng mà không làm giảm nhiều năng suất của tháp chưng và điều chỉnhđỉnh tháp dễ dàng

c Hồi lưu trung gian

Ngoài hồi lưu đỉnh, đáy tháp người ta còn sử dụng hồi lưu trung gian đểtăng chất lượng của các sản phẩm cạnh sườn và điều chỉnh nhiệt độ trong tháp.Qúa trình hồi lưu được thực hiện bằng cách lấy một phần sản phẩm lỏng nằm

lại tháp Khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt độ để đun nóng từnhiệt độ t0 đến t1

+ Ưu điểm của hồi lưu trung gian

Làm giảm lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp, tận dụng được một lượng nhiệt thừarất lớn của tháp chưng để đun nóng nguyên liệu ban đầu, tăng công suất củatháp.

Hình II.4 Sơ đồ hồi lưu trung gian

II.2.2 Yếu tố áp suất của tháp chưng cất

Khi chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển, áp suất tuyệt đối trong tháp

suất cũng có khác nhau, phụ thuộc vào việc tăng hay giảm nhiệt độ của tháp khilấy sản phẩm ra.

Áp suất trong tháp được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh áp suất đặt ởthiết bị ngưng tụ, áp suất trong mỗi tiết diện của tháp chưng luyện phụ thuộcvào trở lực thủy tĩnh khi hơi đi qua các đĩa, hay phụ thuộc vào số đĩa và cấu trúccủa đĩa, lưu lượng riêng của chất lỏng bay hơi Thông thường từ đĩa này sangđĩa khác áp suất thay đổi từ 5-10 mmHg, từ dưới lên áp suất thấp qua mỗi đĩagiảm từ 1-3 mmHg Áp suất của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất nguyênliệu và áp suất riêng phần của từng cấu tử Áp suất hơi nước được đưa vào cũngảnh hưởng đến áp suất chung của tháp Lượng hơi nước tiêu hao dùng cho thápchưng ở áp suất khí quyển khoảng 1,2-1,5% trọng lượng so với nguyên liệu.II.2.3 Những điều cần chú ý khi điều chỉnh, khống chế chế độ làm việc củatháp chưng cất

Để duy trì sự làm việc ổn định của tháp chưng cất chúng ta cần nắm vững cácnguyên tắc sau:

+ Điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng

+ Nếu áp suất tăng lên, chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn nếu áp suất cao quá,lượng chất lỏng trong tháp sẽ nhiều và như vậy sẽ dẫn đến hiện tượng "sặc"tháp, làm giảm hiệu quả phân tách

+ Nếu các điều kiện khác trong tháp là cố định, thì sản phẩm đỉnh, sản phẩmcạnh sườn và sản phẩm đáy sẽ trở lên nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên.+ Nếu nhiệt độ đáy tháp quá thấp, sản phẩm đáy sẽ chứa nhiều phần nhẹ hơn.+ Nếu nhiệt độ cấp liệu vào tháp quá thấp, lượng hơi trên các khay chứa đĩa sẽnhỏ, như vậy phần lỏng sẽ nhiều và chúng chảy xuống phía dưới vào bộ phậnchưng sẽ càng nhiều

+ Với sơ đồ chưng cất có sử dụng thiết bị reboiler, nếu nhiệt độ của reboiler quáthấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và làm tặng lượng cặn.

+ Nếu nhiệt độ đỉnh quá cao, sản phẩm đỉnh sẽ quá nặng, và có nhiều sản phẩmhơi so với thiết kế và ngược lại nếu nhiệt độ đỉnh quá thấp, sản phẩm sẽ quá nhẹ

và ít sản phẩm hơn

+ Nhiệt độ cần thiết để tách các phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn so với táchdầu thô nhẹ

+ Chú ý: Nhất là nhiệt độ đỉnh tháp, tránh nhiệt độ quá cao do làm lạnh không

đủ (VD: Do mất nước làm lạnh) dẫn đến sự thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởngnhiều đến chất lượng sản phẩm

II.2.4 Các điều kiện cần thiết đảm bảo cho việc chưng cất

Để chưng cất tốt nhất thì cần thiết các điều kiện sau:

+ Phải tồn tại pha hơi và pha lỏng chuyển động ngược chiều nhau trên toàn bộchiều cao của tháp chưng

+ Phải có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa pha lỏng và pha hơi hồi lưu, nhiệt độcủa pha hơi phải cao hơn pha lỏng

+ Cấu tạo của tháp phải đảm bảo sự tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng tốt

+ Phần cột chưng ở phía trên đĩa nạp liệu thực hiện quá trình tăng cường độ cấu

tử nhẹ trong pha hơi gọi là phần tinh luyện

II.3 Chọn dây chuyền công nghệ

Việc chọn sơ đồ công nghệ và chế độ chưng cất hoàn toàn phụ thuộc vàocác đặc tính của nguyên liệu và mục đích chế biến Có hai loại sơ đồ chưng cấtdầu thô ở áp suất khí quyển chủ yếu đó là: Sơ đồ công nghệ chưng cất AD vớibay hơi một lần và Sơ đồ công nghệ chưng cất AD với bay hơi hai lần Với

thành phần nguyên liệu đã cho ta chọn dây chuyền công nghệ chưng cất loại haitháp với một tháp bay hơi sơ bộ và một tháp chưng cất chính.

Ưu điểm: Với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng sản phẩm trắngcao (50 -65%), chứa nhiều khi hoà tan (>1,2%) chứa nhiều phân đoạn xăng.Trong nhiều trường hợp này để đạt được mục đích của quá trình chưng cất cókết quả cao thì ta nên chọn sơ đồ công nghệ chưng cất AD với bay hơi hai lần,lần 1 bay hơi sơ bộ phần nhẹ và tinh cất chúng ở tháp sơ bộ còn lần hai chưngcất phần dầu còn lại

Nhờ áp dụng chưng hai lần ta có thể giảm được áp suất trong tháp thứ haiđến áp suất 0,14-0,16 MPa và nhận được từ dầu thô lượng sản phẩm trắng nhiềuhơn Nhờ các cấu tử nhẹ nước được tách sơ bộ ở tháp thứ nhất nên trong cácống xoắn của lò và trong tháp thứ hai không có hiện tượng gây ra áp suất lớnnhư trường hợp tinh luyện bốc hơi và tinh luyện một lần Mặt khác những hợpchất gây ăn mòn, như hợp chất lưu huỳnh được thoát ra từ tháp thứ nhất Nêntrong tháp thứ hai không cần phải thiết kế bằng vật liệu đắt tiền có độ bền cao

và không bị ăn mòn Nhờ những hydrocacbon nhẹ được loại ra ở tháp thứ nhấtcho phép việc đun dầu với hệ số trao đổi nhiệt lớn, giảm bớt đáng kể công suấtcần thiết của lò đun dầu Nhờ loại bỏ được nước ngay ở tháp thứ nhất nên thápthứ hai làm việc an toàn

Nhược điểm: Phải đun nóng dầu trong lò với nhiệt độ cao hơn từ 5 – 10oC

so với sơ đồ khác (các phân đoạn nhẹ và nặng bốc hơi riêng lẻ), có thể hạnchế hiện tượng này bằng cách cho hơi nước vào những ống cuối cùng của lò đểgiảm bớt áp suất riêng phần của các hydrocacbon

Sơ đồ này đang được áp dụng phổ biến trong các quá trình chưng cất dầu thô

hiện nay Qua phân tích những ưu điểm trên, để chưng cất dầu thô nhiều phần

nhẹ thì thuận tiện hơn cả là nên chọn sơ đồ loại hai tháp

11 Thiết bị trao đổi nhiệt 12 Thiết bị làm lạnh

13 Thiết bị ngưng tụ 14 Tháp tái bay hơi

15 Tháp ổn định

Thuyết minh dây chuyền :Dầu thô sau khi tách bớt n–parafin được cho vào bểchứa (1) và sau đó cho vào bể lắng (2), ở đây phần đất đá, nhựa có trong dầuđược lắng xuống Dầu thô sau khi đã lắng xuống nhờ bơm (8) bơm vào thiết bịtách muối và nước (3), trước khi vào thiết bị tách (3) dầu thô được gia nhiệtnhờ các thiết bị trao đổi nhiệt (11) để tận dụng nhiệt Ở thiết bị (3) nước vàmuối khoáng trong dầu được tách ra nhờ điện trường Sau đó dầu thô được cho

qua các thiết bị trao đổi nhiệt (11) để đạt được nhiệt độ khoảng 200oC và đi vàotháp chưng sơ bộ (4) Ở đây một phần nhẹ trong dầu được tách ra đi lên đỉnhtháp qua thiết bị ngưng tụ (13) sau đó cho vào bể chứa (7) Ở bể chứa (7) mộtphần dầu nhẹ cho quay trở lại đỉnh tháp (4) (hồi lưu) để ổn định nhiệt độ trongtháp, còn một phần cho qua tháp ổn định (15) Phần dầu còn lại sau khi ra khỏiđáy tháp (4) được cho vào lò đốt (5) Ở đây dầu được gia nhiệt đến nhiệt độ310oC-360oC, sau đó cho vào tháp chưng chính (6) Ở đỉnh tháp (6) phần dầunhẹ bay lên được ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ (13) và cho vào bể chứa (7) Mộtphần ở đây được cho hồi lưu trở lại đỉnh tháp (6) để ổn định nhiệt độ trong tháp,phần còn lại cho vào tháp tách xăng nặng khí không ngưng ở bể chứa (7) đượccho vào tháp ổn định (15) Ở cạnh sườn của tháp (6) các phân đoạn kerosen,gasoil nhẹ, gasoil nặng được lấy ra và cho vào các thiết bị tái bay hơi (14) Ởđây một phần được hồi lưu trở lại tháp (6) để ổn định nhiệt trong tháp Phần cònlại được cho qua các thiết bị trao đổi nhiệt (11) để tận dụng nhiệt, sau đó choqua các thiết bị làm lạnh (12) rồi đưa ra ngoài ta thu được các sản phẩmkerosen, gasoil nhẹ, gasoil nặng

Phần nhẹ ở tháp (6) sau hồi lưu còn lại cho qua tháp tách xăng nặng, ở đáytháp này nhiệt độ khoảng 160oC nờn phần nặng của xăng khoảng nhiệt độ sôilớn hơn 95oC được tách ra ở dạng lỏng và đi ra đáy tháp, một phần được hồilưu trở lại đáy tháp, phần còn lại cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (11) để tận dụngnhiệt và đi ra ngoài qua thiết bị làm lạnh (12) Ở đây ta thu được xăng nặng.Phần nhẹ đi ra ở đỉnh tháp (14) qua thiết bị làm lạnh (12) và vào bể chứa (7),một phần được cho hồi lưu trở lại tháp (6), phần còn lại đi vào thiết bị trao đổinhiệt (11) để tận dụng nhiệt Sau đó được cho vào tháp ổn định nhiệt (15) Ởđây nhiệt độ tháp này khoảng 130oC nên phần nhẹ của xăng từ C5 trở lên đượctách ra ở dạng lỏng theo đáy tháp đi ra, ở đây một phần được hồi lưu trở lại đáytháp (14) phần còn lại qua thiết bị làm lạnh (12) ta thu được xăng nhẹ ở đỉnhtháp (14) nhiệt độ khoảng 67oC nên phần khí từ C1 - C4 được tách ra và đi ra

khỏi đỉnh tháp qua thiết bị làm lạnh (12) và bể chứa (7) Ở đây một phần khíkhông ngưng cho ra ngoài được đư đi đốt để lấy nhiệt, phần lỏng còn lại choqua phân xưởng sản xuất LPG Hơi nước được làm lạnh ở thiết bị (12) vào bểchứa (7) và được đưa ra ngoài.

III.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ.

Các số liệu ban đầu:

Loại công nghệ : Sơ đồ công nghệ chưng cất loại 2 tháp

Năng suất : 6 triệu tấn/năm

Nguyên liệu : Dầu thô Xô-Viết

Hiệu suất thu sản phẩm : [ Lấy theo tài liệu tham khảo]

III.1 Thiết lập các đường cân bằng cho sản phẩm

III.1.1 Đường cân bằng của sản phẩm L Naphta

Để xác định đường cân bằng pha cho các sản phẩm ta sử dụng phương phápObradeikov và Smidocivi Coi áp suất của quá trình là 1at và sử dụng công thứcsau:

C = l.y + (1-l).x

Trong đó:

l : Phân đoạn chưng cất đến một nhiệt độ nào đó trên đường cân bằng VE

C : Phần trăm tương ứng với cùng nhiệt độ trên, trên đường cong chưng cấtđiểm sôi thực ĐST

y : Phần trăm chưng cất trên đường cong điểm sôi thực ĐST với 100% chưngcất trên đường cân bằng VE

x : Điểm đầu của đường cân bằng biểu thị bằng chưng cất tại cùng nhiệt độtrên đường cong chưng cất điểm sôi thực ĐST

trên đường cong chưng cất điểm sôi thực ĐST

Biểu đồ 3.1 Đường cong chưng cất điểm sôi thực.

Các giá trị x, y được xác định tại giá trị nhiệt độ sôi ứng với 50% thể tích củanguyên liệu theo đồ thị của phương pháp

Trên đường cong chưng cất điểm sôi thực của nguyên liệu ta tìm được nhiệt

7,8%

Còn từ đây ta tính được nhiệt độ sôi ứng với %V của sản phẩm như sau:

Bảng 3.1: Nhiệt độ sôi tương ứng với %V của sản phẩm