ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH TRÍCH LY TRONG CÔNG NGHỆ LỌC DẦU

33 Chương 2 : ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH TRÍCH LY TRONG CÔNG NGHỆ LỌC DẦU Nguyên tắc trích ly : Trích ly lỏng-lỏng là một kỹ thuật phân tách dựa vào độ hòa tan khác nhau hay còn gọi là sự hòa

33

Chương 2 : ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH TRÍCH LY

TRONG CÔNG NGHỆ LỌC DẦU

Nguyên tắc trích ly : Trích ly lỏng-lỏng là một kỹ thuật phân tách dựa vào độ hòa tan

khác nhau (hay còn gọi là sự hòa tan có chọn lọc) của các cấu tử trong nguyên liệu lỏng đồng nhất vào trong một dung môi thích hợp

Nguyên liệu là một chất lỏng chứa các cấu tử cần tách Dung môi mới là một chất lỏng thứ hai có tác dụng kéo các cấu tử cần tách mà chúng là các cấu tử dễ hòa tan vào dung môi mới nhất Như vậy trong nguyên liệu chỉ còn lại các cấu tử không thể hòa tan vào trong dung môi mới

Sau quá trình trích ly, hệ tồn tại hai pha không tan lẫn Việc phân tách hai pha được thực hiện bởi quá trình gạn lắng Tiếp theo đó là quá trình tách dung môi ra khỏi các pha chứa

nó hay còn gọi là quá trình hoàn nguyên dung môi Một quá trình trích ly bằng dung môi thường đòi hỏi hai giai đoạn chính bổ trợ lẫn nhau: giai đoạn trích ly nói riêng và giai đoạn hoàn nguyên hoặc tái sinh dung môi thường bằng quá trình chưng cất

Các trường hợp phải sử dụng quá trình trích ly: Thông thường chúng ta phải sử dụng đến quá trình trích ly khi quá trình chưng cất không đảm bảo được về mặt kỹ thuật:

- Trường hợp các dung dịch đẳng phí

- Trường hợp các dung dịch có nhiệt độ sôi rất gần nhau

- Mặt khác do mối liên hệ chặt chẽ giữa độ hòa tan và bản chất hóa học, trích ly bằng dung môi đặc biệt đáp ứng tốt đối với trường hợp phân tách các cấu tử theo các họ hóa học vì

độ hòa tan của các họ khác nhau là khác nhau (Ví dụ khử aromatic để sản xuất dầu nhờn, sản xuất nhiên liệu; khử asphalt để sản xuất dầu DAO)

Các phương thức trích ly: Quá trình trích ly có thể được áp dụng theo nhiều phương thức khác nhau:

- Trích ly một giai đoạn, giống như quá trình hoá hơi trong chưng cất và chỉ cho phép phân tách sơ bộ, đơn giản, độ tinh khiết của các sản phẩm không cao

- Trích ly chéo dòng cũng như trích ly ngược dòng đơn giản thường được quan tâm hơn

do tiết kiệm được dung môi nhiều hơn, và có thể cho pha rafinat có các chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu nhưng có hiệu suất giới hạn

- Quá trình trích ly ngược dòng có hồi lưu, ngoại hoặc nội, đạt tới được các độ tinh khiết

và hiệu suất mong muốn đối với cả hai pha rafinat và extrait

Các ứng dụng trích ly trong công nghiệp dầu khí: Trong lĩnh vực dầu mỏ, quá trình trích

ly được áp dụng từ lâu và ở một mức độ rất lớn Chúng ta sẽ tìm hiểu trong chương này 3 ứng dụng quan trọng của kỹ thuật trích ly, đó là:

• Quá trình trích ly các hợp chất thơm tồn tại trong dầu cơ sở có tính nhờn nhằm điều chế các loại dầu nhờn

• Quá trình khử asphalt của phần cặn chưng cất chân không, để thu hồi triệt để các loại hydrocarbon (gọi là dầu DAO) mà chúng không bay hơi được trong tháp chưng cất chân không (do chúng có nhiệt độ sôi cao hơn dầu DSV chút ít) (tiếp đó dầu DAO nếu dùng để chế biến dầu nhờn thì cũng sẽ phải trải qua công đoạn trích ly các hợp chất thơm đã nêu ở trên)

• Quá trình trích ly các hợp chất thơm BTX (Benzen, Toluen, Xylen) trong các loại nhiên liệu như trích ly Aromatic từ xăng, kerosen để đảm bảo các quy định hiện hành

và trong tương lai của nhiên liệu và chất đốt

34

2.1 TRÍCH LY KHỬ AROMATIC TỪ DẦU CÓ TÍNH NHỜN ĐỂ SẢN XUẤT DẦU GỐC

Dầu cơ sở là các loại dầu nhờn có tính nhờn được dùng làm nguyên liệu để sản xuất dầu

gốc Các loại dầu cơ sở này có thể là:

- Phần cất distilat của quá trình chưng cất chân không,

- Dầu trích từ cặn chưng cất chân không (dầu DAO-Des-Aphalt-Oil) là dầu đã được khử asphalt bằng trích ly với dung môi C3, C4, C5

Dầu gốc là các loại sản phẩm dầu nhờn của nhà máy lọc dầu đã qua các quá trình chế

biến và đã có đầy đủ các tính chất nhớt

Dầu nhờn thương phẩm là các loại sản phẩm dầu nhờn của nhà máy phối trộn dầu

nhờn Chúng được phối trộn từ các loại dầu gốc và phụ gia theo nhu cầu thị trường, nhằm đáp ứng một số tiêu chuẩn thiết yếu nào đó của động cơ

Các họ hydrocarbon cấu thành các loại dầu cơ sở là:

• Các hợp chất parafin (n-parafin có mạch thẳng),

• Các hợp chất parafin mạch nhánh và parafin có 1 vòng naphten (i-parafin và naphten 1 vòng) là các loại hydrocarbon cần cho dầu thương phẩm,

• Các hợp chất polynaphten (naphten đa vòng),

• Các hợp chất aromatic

Mối liên hệ giữa các tính chất dùng làm dầu gốc và cấu trúc của các hydrocarbon có

trong các phân đoạn dầu cơ sở được nêu trong Tableau 7.1

Một đặc tính cơ bản rất quan trọng của dầu nhớt là tính ổn định ít bị thay đổi của độ nhớt khi nhiệt độ thay đổi Để đo đặc tính này, người ta sử dụng chỉ số độ nhớt VI, là một thang đo quy ước đặc trưng cho sự thay đổi độ nhớt động học của một phân đoạn dầu mỏ theo nhiệt độ Chỉ số độ nhớt VI càng cao, sự thay đổi độ nhớt theo nhiệt độ càng nhỏ, dầu nhờn làm việc càng tốt

Chỉ số độ nhớt VI của các họ hydrocarbon cấu thành các phân đoạn dầu cơ sở được dùng cho quá trình sản xuất các loại dầu gốc nhờ các quá trình trích ly thông thường bằng dung môi là:

Rafinat (dung dịch lọc đã tách aromatic, naphten) 105-120

Extrait (dung dịch trích chứa chủ yếu aromatic) <30

Nhằm mục đích sản xuất các loại dầu nhờn có chất lượng cao, người ta cần phải tách các hydrocarbon naphten nhiều vòng và các aromatic có chỉ số độ nhớt thấp ra khỏi các hợp chất n-parafin mạch thẳng, mạch nhánh và parafin có 1 vòng naphten có chỉ số độ nhớt VI cao Các hydrocarbon khác nhau này có các nhiệt độ sôi xấp xỉ nhau và không thể phân tách được chúng bằng quá trình chưng cất, mà phải dùng quá trình trích ly lỏng/lỏng nhờ sự giúp

đỡ của dung môi chọn lọc

35

Sản phẩm quý có chỉ số độ nhớt cao do chứa nhiều n-parafin và i-parafin, naphten 1

vòng được gọi là dầu lọc (rafinat), chúng là phần lớn dầu còn lại sau khi đã tách gần hết naphten đa vòng và aromatic Sản phẩm thứ hai gồm phần lớn naphten đa vòng và aromatic

có chỉ số độ nhớt nhỏ gọi là dầu trích (extrait)

Nguyên liệu: Các phần cất distilat đến từ các công đoạn chưng cất chân không hoặc dầu

DAO đã khử asphalt đến từ công đoạn khử asphalt

Dung môi được cho tiếp xúc với nguyên liệu trong tháp trích ly trong đó hỗn hợp

nguyên liệu/dung môi được chia vào 3 vùng:

• Vùng trên (vùng trên đầu vào của dung môi), được tạo thành từ rafinat hỗn hợp có chứa khoảng 15-20% dung môi

• Vùng trích ly (bao gồm vùng giữa đầu vào nguyên liệu với đầu vào của dung môi),

nó được tạo thành từ hỗn hợp của extrait hỗn hợp (95%) với rafinat hỗn hợp (5%)

• Vùng dưới (vùng dưới đầu vào của nguyên liệu), được tạo thành từ extrait hỗn hợp

mà thành phần của nó có khoảng 80-85% dung môi với 15-20% extrait

Dung môi chứa trong rafinat và extrait hỗn hợp được tách ra bằng chưng cất và chúng được tuần hoàn lại về thiết bị trích ly Dầu lọc Rafinat đã loại trừ dung môi sẽ đi tiếp qua các quá trình xử lý cần thiết nhằm thu được dầu gốc Dầu trích Extrait đã loại trừ dung môi có thể được đem bán ở nguyên trạng thái cho các ứng dụng đặc biệt, hoặc được chuyển về các bể chứa fuel, hoặc được dùng làm nguyên liệu cho cracking

Hiệu suất của quá trình trích ly tính theo dung dịch lọc thay đổi trong khoảng 50-85% thể tích nguyên liệu, tùy theo loại dung môi sử dụng, nguyên liệu, thiết bị trích ly và độ nghiêm ngặt của quá trình xử lý

Bảng 7.2 cho ta biết đặc tính tiêu chuẩn của distilat (nguyên liệu), rafinat và extraits thu

được Bảng này minh họa cho ta độ giàu các hợp chất aromatic của dầu trích extrait so với dầu lọc rafinat (84% aromatic trong extrait so với 25% aromatic trong rafinat) Độ thơm của các sản phẩm được đo bằng điểm aniline (điểm aniline đo được càng nhỏ thì sản phẩm càng

có nhiều hợp chất aromatic)

Rafinat và extrait cũng được phân biệt với nhau bởi:

• Tỷ trọng: extrait có tỷ trọng xấp xỉ bằng 1,0 (extrait được thu hồi ở đáy của tháp trích ly) trong khi tỷ trọng của rafinat khoảng 0,85

• Độ nhớt: rafinat được tạo thành chủ yếu từ các mạch parafin do đó ít nhớt hơn so với các vòng aromatic phức hợp của extrait

• Nhiệt độ điểm chảy: các hợp chất parafin tạo nên rafinat có điểm chảy cao

• Lưu huỳnh: hàm lượng lưu huỳnh trong rafinat nhỏ hơn trong extrait, bao gồm các hợp chất lưu huỳnh loại benzothiophénique

• Màu sắc: rafinat có màu vàng còn extrait có màu xanh lá cây sáng (màu của extrait thể hiện tính dễ bị oxy hoá của Aromatic)

Bằng cách loại các hợp chất aromatic, quá trình trích ly bằng dung môi do đó cải thiện

rõ ràng chất lượng của dầu cơ sở dùng cho sản xuất dầu nhờn

2.1.1 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình trích ly

Hiệu quả của quá trình trích ly thường phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, thông số mà chúng ta có thể gộp chúng thành 2 nhóm:

Nhóm các thông số bên ngoài quá trình có ảnh hưởng gián tiếp

• Ảnh hưởng của loại dung môi

• Ảnh hưởng của phương thức và loại thiết bị trích ly

36

• Ảnh hưởng của bản chất nguyên liệu

Nhóm các thông số bên trong quá trình có ảnh hưởng trực tiếp

• Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi

• Ảnh hưởng của nhiệt độ trích ly

• Ảnh hưởng của gradient nhiệt độ

2.1.1.1 Nhóm các thông số bên ngoài quá trình có ảnh hưởng gián tiếp đến hiệu quả của

quá trình trích ly

a Loại dung môi

Bảng 7.3 liệt kê các loại dung môi được sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp Trong

đó, các dung môi được dùng nhiều nhất cho trích ly aromatic là các dung môi sau: furfural, phénol, N-methyl-2-pyrrolidon hay còn gọi là NMP

Bảng 7.4 cho tần số sử dụng các loại dung môi khác nhau trong 50 năm vừa qua Các

tiêu chuẩn về môi trường và về tính độc hại trong những năm gần đây đã dẫn đến giảm mạnh việc sử dụng dung môi phénol (mà nó đã từng được sử dụng rất mạnh mẽ vào những năm 1930)

Bảng 7.5 thiết lập sự so sánh giữa 3 dung môi chính và chỉ rõ furfural và NMP đáp ứng

các tiêu chuẩn về đặc tính kỹ thuật của một dung môi tốt dùng cho trích ly các hợp chất aromatic

Đa số các dung môi muốn có độ chọn lọc cao để hòa tan dễ dàng aromatic thì cấu trúc phân tử của dung môi phải gần giống với cấu trúc phân tử của aromatic, nghĩa là nó có chứa 1 vòng benzen hoặc cyclopentan như sau:

HC CH

O C

O

Hai đặc tính quan trọng nhất của một dung môi trích ly là độ chọn lọc và khả năng hòa tan của nó

Độ chọn lọc cao của 1 dung môi là khả năng chọn lọc chỉ trích ly 1 họ hydrocarbon duy

nhất (aromatic) từ trong 1 hỗn hợp nguyên liệu nhiều họ hydrocarbon (parafin-naphten-aromatic)

Ví dụ: Furfural và NMP đều trích ly chọn lọc aromatic nhưng: Furfural có độ chọn lọc cao hơn NMP vì nó chỉ trích ly riêng aromatic, còn NMP thì ngoài aromatic, nó còn trích ly

cả naphten và parafin

Khả năng hòa tan của 1 dung môi là lượng cấu tử cần tách lớn nhất (aromatic) được

trích ly (hòa tan) bởi một đơn vị khối lượng dung môi

Ví dụ: Furfural và NMP đều trích ly hòa tan aromatic nhưng: Furfural có khả năng hòa tan thấp hơn NMP vì lượng aromatic mà 1kg Furfural hòa tan được là thấp hơn lượng aromatic mà 1kg NMP hòa tan được (do NMP hoà tan kém chọn lọc, nó hoà tan cả 1 phần parafin và naphten)

37 Một dung môi trích ly tốt là vừa phải có độ chọn lọc cao: chỉ trích ly riêng các cấu tử aromatic (không trích ly naphten và parafin nhằm tránh mất mát dầu gốc theo dung môi) và vừa phải có khả năng hòa tan lớn: để hòa tan được nhiều lượng cấu tử aromatic này, nhằm giảm lượng dung môi tiêu tốn

Ngoài 2 đặc tính quan trọng trên, dung môi còn phải đáp ứng một số yêu cầu sau:

1 Nhiệt độ trích ly phải cao để dung môi hòa tan được càng nhiều aromatic (và 1 ít naphten)

2 Thu hồi dung môi một cách dễ dàng bằng phương pháp chưng cất (dmôi thường nặng hơn dầu nhưng nhiệt độ sôi lại thấp hơn)

3 Dung môi dễ bay hơi, có áp suất hơi nhỏ nhằm tránh sử dụng thiết bị làm việc ở áp suất cao

4 Dung môi có tỷ trọng lớn để phân tách nhanh chóng pha dầu gốc nhẹ (pha R chứa naphten 1 vòng và parafin) với pha dung môi nặng (pha E chứa naphten đa vòng và aromatic)

5 Dung môi không tạo nhũ tương để phân tách nhanh chóng pha dầu gốc nhẹ với pha dung môi nặng

6 Dung môi phải ổn định để không bị phân hủy nhiệt hoặc phân hủy hóa học

7 Dung môi phải có tính thích ứng, có thể làm việc tốt với nhiều loại dầu gốc

8 Dung môi phải dễ tìm với giá cả chấp nhận được

9 Dung môi phải không ăn mòn các kim loại thông dụng chế tạo thiết bị

10 Dung môi phải không độc đối với môi trường và phải an toàn

b Phương thức trích ly và loại thiết bị trích ly

Hình 7.2 thể hiện hiệu năng (thông qua chỉ số độ nhớt VI) đạt được nhờ các phương

thức trích ly khác nhau Ta thấy phương pháp trích ly ngược dòng luôn cho hiệu năng cao nhất và vì vậy nó được sử dụng rất thông dụng

Hình 7.3 trình bày các kiểu thiết bị trích ly được sử dụng thường xuyên nhất trong công

nghiệp

Trước đây, quá trình trích ly bằng furfural thường được thực hiện trong các thiết bị loại tháp đệm Khuynh hướng hiện nay là sử dụng tháp trích ly tiếp xúc đĩa quay RDC (Rotating

Disc Contactor Hình 7.5) do nó có hiệu quả cao, có nhiều ưu điểm hơn so với các thiết bị

trích ly khác:

• Số bậc lý thuyết cao (lên đến 10, so với từ 5-7 đối với các tháp thông thường) dẫn đến hiệu quả trích ly cao sẽ cho chất lượng 2 pha rất cao

• Bề mặt phân pha giữa 2 pha lọc (còn gọi là pha dầu gốc) và pha trích (còn gọi là pha dung môi) là rất phân biệt

• Hiệu suất thu hồi pha lọc (lưu lượng pha lọc thu được) lớn hơn từ 3-5% so với loại tháp đệm

c Bản chất nguyên liệu

Bản chất của nguyên liệu có ảnh hưởng rất quan trọng đến quá trình trích ly Nói chung, nguyên liệu càng nhớt và có tỷ trọng càng cao thì quá trình trích ly sẽ càng khó khăn, hiệu quả của quá trình trích ly càng thấp Đó là do nguyên liệu nhớt chứa nhiều các phân tử mạch vòng phức tạp làm cho việc xâm nhập của dung môi vào trong nguyên liệu bị hạn chế Và nữa, khi

tỷ trọng của các nguyên liệu càng cao sẽ càng gần với tỷ trọng của furfural, điều đó làm cho

38 Một ví dụ minh họa: với tỷ lệ dung môi khoảng 290%V so với nguyên liệu (2,9/1) và với nhiệt độ trích ly giống nhau, ta thu được các kết quả như sau (so sánh: µ nước ở 20oC =1 cSt=1 mm2/s=1 cP=10-3 Ns/m2):

Độ nhớt của nguyên liệu VI của sản phẩm

2.1.1.2 Nhóm các thông số bên trong quá trình (liên quan đến chế độ, điều kiện làm việc)

có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của quá trình trích ly

d Tỷ lệ dung môi

Tỷ lệ dung môi được định nghĩa là %V dung môi/100%V nhập liệu cho thiết bị trích ly

Tỷ lệ dung môi càng tăng, càng tách triệt để lượng aromatic, hiệu quả trích ly càng tăng, điều

này được thể hiện bởi (Bảng 7.6 và Hình 7.6):

• Chỉ số độ nhớt của pha dầu sẽ tăng, đó là do sự giảm các phân tử aromatic và naphten đa vòng bị lượng dung môi lớn tách triệt để ra khỏi pha dầu

• Lượng pha dầu sẽ giảm (do aromatic và naphten đa vòng bị tách nhiều)

• Sự gia tăng hàm lượng aromatic của pha trích (được đo bằng điểm aniline)

Trong thực tế, người ta phải quan tâm đến việc giảm tỷ lệ dung môi đến mức tối thiểu,

do giá năng lượng liên quan đến việc hoàn nguyên dung môi

e Nhiệt độ trích ly

Gia tăng nhiệt độ trích ly sẽ làm tăng độ hòa tan các phân tử aromatic vào trong furfural

và nó có các hiệu quả giống như khi tăng tỷ lệ dung môi Tuy nhiên nếu tăng nhiệt độ trích ly lên nhiều, sẽ làm cả naphten và thậm chí parafin cũng hòa tan vào dung môi, làm giảm lượng pha dầu thu được

Chú ý là tăng nhiệt độ trích ly có tác dụng kém chọn lọc hơn so với tăng tỷ lệ dung môi

Điều này được thể hiện rõ khi so sánh hai Hình 7.6 và 7.7

Trên Hình 7.7 độ dốc của đường chia cắt giữa pha lọc và pha trích là rất lớn khi tăng nhiệt độ trích ly so với khi tăng tỷ lệ dung môi trên Hình 7.6 Điều này thể hiện sự giảm độ

chọn lọc của furfural khi nhiệt độ tăng lên

Sự gia tăng nhiệt độ trong quá trình trích ly còn bị hạn chế bởi nhiệt độ trộn lẫn, đó là giá trị nhiệt độ khi cả 2 pha tan hoàn toàn vào nhau, trở thành hệ đồng nhất Ở nhiệt độ trộn lẫn, quá trình trích ly không còn ý nghĩa nữa Nhiệt độ trộn lẫn ở vào khoảng 120-145 oC phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu

Hiệu quả của sự gia tăng tỷ lệ dung môi và tăng nhiệt độ trích ly khá giống nhau, do vậy cần phải tối ưu hóa việc sử dụng hai thông số này cho những trường hợp sau:

Nhiệt độ cao/tỷ lệ dung môi thấp Nhiệt độ thấp/tỷ lệ dung môi lớn

Được sử dụng khi:

• Chỉ được sử dụng một lượng dung môi

tuần hoàn thấp

• khi lượng nguyên liệu lại khá nhiều

Kết quả:

• Hiệu suất trích ly kém hơn

Được sử dụng khi:

• Cho phép được sử dụng một lượng dung môi tuần hoàn lớn

• với 1 lượng nguyên liệu ít hơn

Kết quả

• Hiệu suất trích ly cao hơn

39

• nhưng tiêu thụ năng lượng lại thấp • nhưng tiêu thụ năng lượng lớn

f Gradient nhiệt độ

Gradient nhiệt độ trong tháp trích ly hay là chênh lệch nhiệt độ giữa đáy và đỉnh của thiết bị trích ly có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của quá trình

Thông thường chúng tuân theo quy luật như sau:

• Nhiệt độ đỉnh tháp nên cao để cho phép dung môi hòa tan tốt aromatic và naphten

đa vòng trong pha dầu, nhờ đó làm tăng được VI của pha dầu đi ra đỉnh,

• Nhiệt độ đáy tháp nên thấp hơn đỉnh vì độ chọn lọc của furfural đối với các phân tử aromatic tăng khi nhiệt độ giảm, furfural sẽ chỉ hòa tan chọn lọc aromatic mà không kéo naphten 1 vòng , nhờ vậy không bị mất mát naphten 1 vòng đi ra theo dung môi

Các nhiệt độ trích ly thay đổi rất nhiều theo loại dầu thô, độ nhớt của nguyên liệu xử lý

và chất lượng mong muốn Chúng có thể là 100oC ở đỉnh tháp và 60oC ở đáy tháp đối với nguyên liệu là phần cất distilat từ dầu Arabe nhẹ và là 135 oC ở đỉnh và 105 oC ở đáy đối với nguyên liệu là phần cất distilat nặng của dầu thô biển Bắc

2.1.2 Sơ đồ công nghệ phân xưởng trích ly bằng furfural

Hình 7.9 trình bày sơ đồ với các thiết bị chính như sau:

• C1: Tháp tách loại không khí cho nguyên liệu

• C2: Tháp trích ly

• C3: Tháp thu hồi dung môi có trong pha lọc (để thu dầu gốc)

• C4,5,6,8: Các tháp thu hồi dung môi có trong pha trích (để thu dầu trích)

• C7,9: Các tháp chưng cất đẳng phí và tách loại nước

2.1.2.1 C 1 -Tháp tách loại không khí cho nguyên liệu

Nguyên liệu là phần cất distilat hay DAO đến từ kho lưu trữ được bơm đến tháp tách loại không khí C1 sau khi đã được đưa đến nhiệt độ khoảng 100oC bằng cách cho trao đổi nhiệt với phần trích đi ra khỏi tháp C6 Tháp C1 được nối với hệ thống tạo chân không và hoạt động ở Ptđ=0,1 bar (Pck=0,9 bar) Tháp có mục đích tách ẩm và không khí có trong nguyên liệu (furfural rất nhạy với sự oxy hóa và với sự có mặt của nước là những tác nhân làm giảm

rõ rệt hiệu năng của quá trình trích ly)

2.1.2.2 C 2 -Tháp trích ly

Nguyên liệu vào khoảng giữa tháp, có tỷ trọng chừng 0,85 Nhiệt độ của nguyên liệu được hiệu chỉnh nhờ vào thiết bị trao đổi nhiệt E18 Dung môi vào ở đỉnh, do có tỷ trọng lớn (1,1598 ở 20oC) dung môi đi xuống sẽ gặp dòng dầu nhớt đi lên Để điều chỉnh đáy tháp đến nhiệt độ mong ước, ta cho tuần hoàn lại một phần pha trích: dòng trích ở đáy tháp được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt E15 và được quay lại tháp

Tháp trích ly C2 hoạt động dưới áp suất dư 6 bar ở đỉnh tháp để pha dầu ra ở đỉnh tự di chuyển đến tháp C3 Áp suất đáy tháp gần bằng 10 bar (6bar + chiều cao cột lỏng) cho phép tháo phần trích hỗn hợp mà không cần dùng bơm Áp suất hoạt động trong tháp trích ly thực

tế không có ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình trích ly lỏng-lỏng

2.1.2.3 C 3 -Tháp thu hồi dung môi có trong pha dầu

40 Phần dầu hỗn hợp được chuyển về lò F1 đi qua thiết bị trao đổi nhiệt E30 (trao đổi giữa dầu hỗn hợp với dầu gốc đi ra khỏi công đoạn) Nó được nâng lên nhiệt độ khoảng chừng

200oC khi ra khỏi lò để hóa hơi hầu như tất cả furfural trong vùng bốc hơi của tháp C3 Furfural được tách loại trong vùng tinh cất bằng hơi của tháp C3 Dung môi khô (chứa ít nước) được thu hồi trong bình B2 (bình khô) Dung môi ướt bị thấm nhiễm nước từ vùng tinh luyện bằng hơi của C3 được chuyển về bình B1 (bình ướt) Tháp C3 được tạo chân không và làm việc ở áp suất tuyệt đối khoảng 0,2 bar ở đỉnh tháp

2.1.2.4 C 4,5,6,8 -Các tháp thu hồi dung môi có trong pha dung môi

Gần giống như dòng dầu, dòng dung môi di chuyển cũng khá phức tạp với mục đích giảm sự tiêu thụ năng lượng liên quan đến việc hóa hơi hoàn nguyên furfural Để thực hiện điều này, dòng dung môi được tạo thành từ 4 giai đoạn hóa hơi kế tiếp nhau và được kết thúc bằng quá trình tinh cất bằng hơi nước

Dung môi hỗn hợp, có chứa từ 85-90% furfural được tháo ra khỏi đáy của tháp trích ly nhờ trọng lực Nó được nâng lên đến nhiệt độ khoảng 165 oC nhờ 2 thiết bị trao đổi nhiệt E10

và E11 nhằm thu hồi nhiệt lượng của dung dịch trích (Ar) ra khỏi tháp C6 và của hơi đỉnh của tháp C5 rồi vào hóa hơi trong tháp C4 Hơi furfural ở đỉnh C4 chỉ được ngưng tụ một phần trong E9 và sau đó được chuyển đến đáy tháp furfural C9 (khoảng 20% furfural có trong dung môi hỗn hợp được thu hồi trong C4) Phần dung môi hỗn hợp ở đáy C4 sau đó được bơm đến

lò F2, ở đây dung môi được đun đến khoảng 225 oC để bốc hơi trong tháp C5

Hơi dung môi ở đỉnh C5 được ngưng tụ trong E11 và đưa về tháp furfural C9 (khoảng 60% furfural có trong dung môi hỗn hợp ban đầu được thu hồi ở đỉnh tháp C5) Phần dung môi hỗn hợp ở đáy C5 sau đó được hóa hơi trong C8 mà tháp này được nối với hệ thống tạo chân không và có Ptđ ở đỉnh khoảng 0,3bar

Nhiệt độ trong C8 khoảng 170oC Furfural từ đỉnh C8 (khoảng 10%) sau khi ngưng tụ được đưa về bình B2 để cung cấp cho hồi lưu về tháp furfural C9

Quá trình thu hồi furfural trong dung môi kết thúc trong C6, nó vận hành giống như tháp

C3 Hơi furfural đến từ vùng hóa hơi của C6 được chuyển về bình B2 sau khi ngưng tụ Hơi đã

bị thấm nhiễm nước đến từ vùng tinh cất bằng hơi của C6 được ngưng tụ và thu gom trong bình B1

2.1.2.5 C 7,9 -Các tháp chưng cất đẳng phí và tách loại nước

Furfural (thu hồi ở đỉnh tháp C4) bị nhiễm nước do độ hòa tan một phần furfural vào nước Nước có mặt trong furfural có hiệu quả âm đối với chất lượng của quá trình trích ly, do

đó nên tách loại chúng khỏi dung môi

Sơ đồ của quá trình phân tách nước/furfural được trình bày trong Hình 7.10 và hoàn tất bằng giản đồ cân bằng lỏng-hơi của nước/furfural (Hình 7.11)

Dung môi cần tái sinh chứa trong B2 có hàm lượng khoảng 95% furfural và 5% nước, được chưng cất trong tháp C9 Furfural tinh khiết thu hồi ở đáy tháp Ở đỉnh tháp hỗn hợp đẳng phí (35% furfural/65% nước) được làm lạnh, ngưng tụ rồi vào lắng gạn trong bình B4 Nhiệt độ của bình B4 (40oC) là rất quan trọng và phải khá thấp nhằm thu được kết quả lắng tốt giữa pha nước và furfural

Pha furfural (90% furfural/10% nước) từ B4 được quay lại tháp C9 để làm dòng hồi lưu ướt Pha nước (10% furfural/90% nước) trong bình B4, được chuyển về tháp tách loại nước

C7 Hỗn hợp đẳng phí ở đỉnh C7 được lắng gạn trong bình B4 cùng một cách như hỗn hợp đến

41

từ tháp C9 Nước còn chứa furfural<25 ppm ra ở đáy tháp C7 sẽ được đưa đi xử lý tiếp Tháp

C7 làm việc ở 100oC và ở Pa

2.1.3 Sơ đồ công nghệ phân xưởng trích ly bằng NMP

Các tính chất vật lý cơ bản của N-methylpyrrolidon hay NMP được nêu trong Bảng 7.5,

còn công thức hóa học khai triển như sau: C4H6ONCH3

N O

CH3

NMP có các ưu điểm so với furfural như sau:

• Ổn định hóa học hơn, do vậy không bị phân hủy vì nhiệt và hóa học

• Bền oxy hóa hơn, chất lượng dung môi ổn định hơn do có ít liên kết kép

• Ít bị lôi cuốn vào trong pha lọc và pha trích vì ĐCL kém hơn Furfural

• Khả năng hòa tan tốt hơn đối với các aromatic vì thế tốn ít dung môi hơn

• Nhờ vậy nhiệt độ trích ly thấp hơn, sẽ tiết kiệm được năng lượng

• Độc tính ít hơn

Nhưng nó cũng có các nhược điểm sau đây:

• Tỷ trọng thấp hơn: 1,040/1,162 do vậy ∆ρ(dmôi-dnhờn) sẽ nhỏ, khó phân riêng

• Độ chọn lọc kém hơn, nên hiệu suất tách Aromatic là thấp hơn

• Nhiệt độ sôi cao hơn: 202/162, tốn nhiệt hoàn nguyên và ∆ts(dnhờn-dmôi) nhỏ hơn

Sơ đồ công nghệ trích ly bằng NMP được cho trong Hình 7.12, chúng ta sẽ nêu một số

điểm khác nhau của nó đối với phân xưởng trích ly bằng furfural

2.1.3.1 Khu vực nhập liệu nguyên liệu

Do NMP ổn định hơn nhiều so với furfural, vì vậy giai đoạn tách không khí cho nguyên liệu là không cần thiết và nguyên liệu distilat được nhập trực tiếp vào trong tháp trích ly duới

sự điều chỉnh nhiệt độ và lưu lượng

2.1.3.2 Khu vực nhập liệu dung môi

Khả năng hòa tan của NMP là rất đáng kể đối với các hợp chất aromatic, nhưng cũng đáng kể đối với các hợp chất parafin vì ĐCL của nó kém furfural nên nó hòa tan cả naphten

và parafin, điều này có hậu quả làm giảm hiệu suất phần dầu lọc Để điều chỉnh khả năng hòa tan của NMP, ta thêm vào đó một lượng nhỏ nước (0,8-3,2 %) và dung môi lưu chuyển trong công đoạn thực tế là hỗn hợp NMP và nước

Để đạt được sự vận hành tốt, cần phải làm việc ở chế độ nồng độ nước không đổi, điều này có nghĩa là phải kiểm tra thường xuyên nồng độ nước trong dung môi, bởi vì nước đi theo trong nguyên liệu cũng sẽ đi theo trong dung môi Một khu vực sấy làm việc gián đoạn có nhiệm vụ loại định kỳ lượng nước dư có trong dung môi

Độ nhạy của nước đối với dung môi đã dẫn đến việc phải thay thế hơi stripping (đối với các phân xưởng sử dụng furfural) trong các khu vực thu hồi dung môi bằng khí N2 đối với các

42 Dung môi được bơm phun vào ở đỉnh tháp theo lưu lượng và nhiệt độ:

• Tỷ lệ dung môi/nguyên liệu sử dụng trong trích ly bằng NMP là 1,5 là nhỏ hơn so với trường hợp trích ly bằng furfural (3-12) do khả năng hòa tan lớn hơn của NMP

• Nhiệt độ bơm phun dung môi thấp hơn từ 10-20oC so với khi dùng furfural (tiết kiệm năng lượng) để có cùng một chỉ số độ nhớt VI cần tìm và ở cùng một hiệu suất thu dầu lọc

2.1.3.3 Khu vực thu hồi dung môi trong dầu lọc và trong dung môi trích

Nhiệt độ sôi và nhiệt hóa hơi cao hơn của NMP có hậu quả là nhiệt độ trong các khu vực thu hồi dung môi (310-340oC) là cao hơn so với trường hợp sử dụng furfural (200-225

oC), do vậy tiêu thụ năng lượng đáng kể hơn so với sử dụng furfural

2.1.3.4 Khu vực sấy NMP

Sau quá trình làm lạnh đến khoảng 50oC, NMP còn chứa chừng 30% nước được tạm thời lưu trữ trong bể chứa Khi bể chứa đã đạt được đủ mức quy địnhü, khu vực khử nước sẽ được khởi động

Hệ thống thiết bị khử nước bao gồm chủ yếu một tháp chưng cất Nguyên liệu cho tháp này (NMP chứa từ 15-30% nước) được gia nhiệt sơ bộ đến 170oC để đạt được sự phân tách tốt nước-NMP Nước có chứa vài chục ppm NMP được thu hồi ở đỉnh tháp NMP có chứa 15-20% nước được thu hồi ở đáy tháp và được chuyển đến lại bể lưu trữ Điều này giải thích rằng hàm lượng NMP của bể lưu trữ NMP ẩm có thể thay đổi từ 15-30% nước Vì lưu lượng nước

bị pyrolle hóa là rất nhỏ (0,1kg/m3 nguyên liệu distilat xử lý) và vì hàm lượng NMP của nước nhỏ hơn 50 ppm, nên dòng nước này được chuyển đến công đoạn xử lý nước cặn của nhà máy lọc dầu mà không có tác động đáng kể đến DCO (demande chimique en oxygen)

2.2 TRÍCH LY KHỬ ASPHALT TỪ CẶN CHƯNG CẤT CHÂN KHÔNG ĐỂ THU HỒI DẦU DAO

2.2.1 Cấu trúc nguyên liệu, mục đích, nguyên lý quá trình

2.2.1.1 Cấu trúc nguyên liệu

Nguyên liệu của công đoạn khử asphalt là cặn của tháp chưng cất chân không Cặn chưng cất chân không được xem như một hệ keo của các hợp chất có khối lượng phân tử lớn

mà các hợp chất này được xếp thành 3 họ phân biệt gần như tan lẫn trong nhau:

• Phân đoạn môi trường dầu là pha nhẹ nhất của phần cặn và bao gồm các hợp chất

parafin, cycloparafin, và aromatic nhẹ Khối lượng phân tử trung bình của chúng khoảng 700 Các phân tử này thường gồm chừng 50 nguyên tử C và cả các nguyên tử S và N, trừ kim loại

ra

• Phân đoạn nhựa có cấu trúc phân tử được tạo thành từ các hợp chất aromatic ngưng

tụ có mạch vòng béo (cycloaliphatique) dài bảo đảm được độ hòa tan của chúng trong môi trường dầu Khối lượng phân tử trung bình của nhựa khoảng 1000 Các phân tử này thường gồm chừng 100 nguyên tử C và cả các nguyên tử S, N, Ni và V Môi trường dầu và nhựa

thường được nhóm lại dưới tên gọi là malten

• Phân đoạn Asphalt có cấu trúc thơm đa vòng ngưng tụ, có dạng phẳng, chứa khoảng

chừng từ 6-20 vòng aromatic Khối lượng phân tử trung bình của nó khoảng 1000 đến 2000 Phân tử của chúng thường chứa trên 100 nguyên tử C và cả các nguyên tử S, N và kim loại (Ni và V dưới dạng porphyrine) Các mạch nhánh của asphalt rất ngắn để bảo đảm sự giả hòa tan của asphalt trong môi trường dầu qua trung gian của nhựa, sao cho về mặt tổng thể ta có