Nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu

Để giải quyết nội dung của đề tài, luận văn gồm 4 chương: - Chương 1: Tổng quan về nhà máy lọc dầu và công nghệ chế biến dầu mỏ - Chương 2: Công nghệ chưng cất dầu thô - Chương 3: Giới

Đỗ Khoa Tuấn

Nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất

trong nhà máy lọc dầu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI – 2010

Luận văn Cao học

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5

LỜI NÓI ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU MỎ 9

1.1 Giới thiệu chung 9

1.2 Một số đặc điểm của dầu khí 12

1.2.1 Thành phần hoá học của dầu khí 12

1.2.2 Các đặc tính quan trọng của dầu thô 13

1.2.2.1 Tỷ trọng 13

1.2.2.2 Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu 13

1.2.2.3 Nhiệt độ sôi trung bình 13

1.2.2.4 Hệ số đặc trưng K 13

1.3 Các phân đoạn dầu mỏ 14

1.3.1 Phân đoạn khí 14

1.3.2 Phân đoạn xăng 15

1.3.3 Phân đoạn kerosene 15

1.3.4 Phân đoạn gasoil nhẹ 15

1.3.5 Phân đoạn gasoil nặng 16

1.3.6 Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gudon) 16

1.4 Các quá trình chế biến dầu mỏ 17

1.4.1 Các quá trình chế biến vật lý trong lọc dầu 17

1.4.1.1 Chuẩn bị dầu thô trước khi chế biến 17

1.4.1.2 Quá trình chưng cất dầu thô 19

1.4.2 Các quá trình chế biến hóa học 19

1.4.2.1 Quá trình cracking 19

1.4.2.2 Quá trình reforming 20

1.4.2.3 Quá trình izome hóa 21

1.4.2.4 Quá trình hydrotreating 22

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT DẦU THÔ 24

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất 24

2.2 Quá trình chưng cất dầu thô 25

2.3.2 Lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ của quá trình chưng cất 29

2.4 Tháp chưng cất 34

2.4.1 Các loại tháp chưng cất 34

2.4.1.1 Tháp đệm 34

2.4.1.2 Tháp với các loại đĩa chụp 34

2.4.1.3 Tháp với đĩa lòng máng, đĩa lưới, đĩa sàng 34

2.4.2 Mô tả toán học tháp chưng cất 35

2.4.2.1 Một số giả thiết 35

2.4.2.2 Các phương trình cân bằng 36

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH 38

3.1 Cơ sở điều khiển quá trình 38

3.1.1 Quá trình và các biến quá trình 38

3.1.2 Chức năng của điều khiển quá trình 40

3.1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 40

3.1.3.1 Thiết bị đo 41

3.1.3.2 Thiết bị điều khiển 41

3.1.3.3 Thiết bị chấp hành 41

3.2 Một số sách lược điều khiển cơ sở 42

3.2.1 Điều khiển truyền thẳng 42

3.2.1.1 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 42

3.2.1.2 Tính chất của điều khiển truyền thẳng 43

3.2.1.3 Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng 45

3.2.2 Điều khiển phản hồi 45

3.2.2.1 Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi 45

3.2.2.2 Vai trò của điều khiển phản hồi 46

3.2.3 Điều khiển tỉ lệ 48

3.2.3.1 Cấu hình điều khiển tỉ lệ 48

3.2.3.2 Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ 49

3.2.4 Điều khiển tầng 50

3.2.4.1 Cấu trúc của điều khiển tầng 50

3.2.4.2 Ứng dụng của điều khiển tầng 52

3.2.5 Một số sách lược điều khiển khác 52

3.2.5.1 Điều khiển suy diễn 52

3.2.5.2 Điều khiển lựa chọn 53

3.2.5.3 Điều khiển phân vùng 53

3.4 Chỉnh định bộ điều khiển PID 54

3.4.1 Phương pháp chỉnh định của Ziegler-Nichols 55

3.4.2 Phương pháp mô hình nội (IMC) 57

3.4.2.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp IMC 58

3.4.2.2 Hàm truyền của mạch vòng kín IMC 58

3.4.2.3 Tổng hợp bộ điều khiển tương quan theo phương pháp IMC 59

3.5 Điều khiển quá trình đa biến 61

3.5.1 Tổng quan về quá trình đa biến 61

3.5.2 Điều khiển đa biến/tập trung 63

3.5.2.1 Cấu trúc điều khiển tập trung 63

3.5.2.2 Ưu điểm của điều khiển tập trung 63

3.5.2.3 Hạn chế của điều khiển tập trung 64

3.5.3 Điều khiển đơn biến/phi tập trung 65

3.5.3.1 Tổng quan về điều khiển phi tập trung 65

3.5.3.2 Cấu trúc đối tượng điều khiển 66

3.5.3.3 Phương pháp phân tích ma trận khuếch đại tương đối RGA 67

3.5.3.4 Tính ổn định của hệ phi tập trung 69

3.5.4 Điều khiển tách kênh quá trình đa biến 70

3.5.4.1 Tổng quan 70

3.5.4.2 Tách kênh từng phần 70

3.5.4.3 Tách kênh hoàn toàn 72

3.6 Bài toán điều khiển tháp chưng cất lọc dầu 76

3.6.1 Cấu hình điều khiển LV 79

3.6.2 Cấu hình điều khiển DV 80

3.6.3 Cấu hình điều khiển D/(L+D)V 81

3.6.4 Cấu hình điều khiển DB 82

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT HAI CẤU TỬ 83

4.1 Xác định đối tượng và mô hình đối tượng 83

4.2 Tính toán điều khiển tháp chưng cất hai cấu tử 84

4.2.1 Điều khiển theo phương pháp tách kênh 85

4.2.2 Tính toán bộ điều khiển PID theo phương pháp IMC 86

4.2.2.1 Xấp xỉ hàm truyền đạt s 11 và s 22 86

4.2.2.2 Tính toán bộ điều khiển theo phương pháp IMC 95

4.2.2.3 Tính toán điều khiển truyền thẳng 97

4.3 Mô phỏng trường hợp thiết kế điều khiển không xét đến tác động xen kênh 98

4.4 Mô phỏng trường hợp thiết kế điều khiển tách kênh 101

4.3.1 Mô phỏng mạch vòng đơn s 11 và s 22 101

4.3.1.1 Mạch vòng đơn s 11 101

4.3.1.1 Mạch vòng đơn s 22 104

4.3.2 Mô phỏng hệ đa biến 106

4.3.2.1 Xây dựng mô hình hệ đa biến 106

4.3.2.2 Mô phỏng tác động giữa các kênh trong hệ thống đa biến 108

KẾT LUẬN 110

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

AD : chưng cất trong khí quyển (Atmospheric Distillation)

VD : chưng cất trong chân không (Vacumn Distillation)

CDU : quá trình lọc dầu thô (Crude oil Distillation Unit)

BTX : Benzen, Toluen, Xylen

IMC : phương pháp mô hình nội (Internal Model Control)

PEM : phương pháp dự báo lỗi (Prediction Error Method)

SISO : hệ đơn biến một đầu vào một đầu ra

MIMO : hệ đa biến nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Decoupler : khâu bù kênh

RGA : phương pháp ma trận khuếch đại tương đối (Relative Gain Array)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hình ảnh một nhà máy lọc dầu 11

Hình 1.2 Quy trình chế biến của nhà máy lọc dầu 11

Hình 1.3 Sơ đồ các quá trình chế biến dầu mỏ 17

Hình 2.1 Cấu tạo của một tháp chưng cất đơn giản 26

Hình 2.2 Chưng cất AVD có nhận nguyên liệu cho sản xuất BTX 30

Hình 3.1 Quá trình và phân loại biến quá trình 39

Hình 3.2 Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình 40

Hình 3.3 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 42

Hình 3.4 Hai cấu trúc điều khiển truyền thẳng 43

Hình 3.5 Hai cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng 46

Hình 3.6 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ 49

Hình 3.7 Hai cấu trúc điều khiển tầng 51

Hình 3.8 Đặc tính của đối tượng 56

Hình 3.9 Xác định hệ số khuếch đại tới hạn 57

Hình 3.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình theo mô hình nội 58

Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến / tập trung 63

Hình 3.12 Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tập trung 65

Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc tách kênh từng phần 71

Hình 3.14 Cấu trúc tách kênh của Boksenbom và Hood 72

Hình 3.15 Sơ đồ cấu trúc tách kênh của Zalkind và Luyben 74

Hình 3.16 Sơ đồ một tháp chưng cất hai cấu tử 77

Hình 3.17 Cấu hình điều khiển LV 79

Hình 3.18 Cấu hình điều khiển DV 80

Hình 3.19 Cấu hình điều khiển D/(L+D)V 81

Hình 3.20 Cấu hình điều khiển DB 82

Hình 4.1 Sơ đồ sách lược điều khiển tách kênh 86

Hình 4.2 Sơ đồ Simulink ước lượng s11 88

Hình 4.3 Khối IDDATA 88

Hình 4.4 Cửa sổ Systems Identification Toolbox GUI 89

Hình 4.5 Cửa sổ nhập dữ liệu 90

Hình 4.6 Cửa sổ Systems Identification Toolbox GUI sau khi nhập dữ liệu 91

Hình 4.7 Cửa sổ chọn mô hình ước lượng 92

Hình 4.8 Kết quả ước lượng s11 93

Hình 4.9 Đồ thị so sánh kết quả ước lượng s11 93

Hình 4.10 Kết quả ước lượng s22 94

Hình 4.11 Đồ thị so sánh kết quả ước lượng s22 94

Hình 4.12 Cấu trúc Feedforward 97 Hình 4.13 Mô hình Simulink mô phỏng điều khiển không xét đến tác động xen

Hình 4.14 Kết quả mô phỏng khi không có xen kênh 99

Hình 4.15 Kết quả mô phỏng xen kênh khi thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi 100

Hình 4.16 Kết quả mô phỏng xen kênh khi thành phần sản phẩm đáy thay đổi 100

Hình 4.17 Mô hình Simulink mạch vòng đơn s11 101

Hình 4.18 Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi thay đổi thành phần sản phẩm đỉnh 102

Hình 4.19 Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi có tác động nhiễu nhưng chưa có khâu bù nhiễu 102

Hình 4.20 Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi có tác động nhiễu và đã có khâu bù nhiễu 103

Hình 4.21 Mô hình Simulink mạch vòng đơn s22 104

Hình 4.22 Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi thay đổi thành phần sản phẩm đáy 104

Hình 4.23 Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi có tác động nhiễu nhưng chưa có khâu bù nhiễu 105

Hình 4.24 Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi có tác động nhiễu và đã có khâu bù nhiễu 105

Hình 4.25 Mô hình Simulink hệ đa biến 106

Hình 4.26 Sơ đồ khối Process 107

Hình 4.27 Sơ đồ khối Decoupler 107

Hình 4.28 Sơ đồ khối Disturbance model 107

Hình 4.29 Sơ đồ khối Feedforward 107

Hình 4.30 Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi thành phần sản phẩm đỉnh 108 Hình 4.31 Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi thành phần sản phẩm đáy 108 Hình 4.32 Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi điểm làm việc và có tác động của nhiễu 109

LỜI NÓI ĐẦU

Việt Nam ta là một trong những nước có trữ lượng dầu mỏ khá lớn trong khu vực với các mỏ Bạch Hổ, mỏ Rạng Đông, mỏ Rồng,… và chúng ta cũng mới đã xây dựng được nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà máy lọc dầu đầu tiên ở nước ta Trước khi chưa có nhà máy lọc dầu, đất nước ta chưa chế biến được dầu thô thành các sản phẩm có giá trị thương mại cao hơn mà chủ yếu là khai thác, xuất khẩu dầu thô, trong khi lại phải nhập khẩu hầu hết các sản phẩm từ dầu mỏ để phục vụ cho việc phát triển công nghiệp và trong cuộc sống sinh hoạt Hiện tại, với một nhà máy lọc dầu Dung Quất đất nước ta đã có thể chế biến phần nào lượng dầu thô khai thác được, song trong tương lai đất nước ta còn phải xây dựng thêm những nhà máy lọc dầu để khai thác và chế biến dầu mỏ với sản lượng cao hơn và hiệu quả kinh tế tốt hơn, đóng góp nhiều hơn vào GDP của đất nước

Ngày nay, khoa học công nghệ không ngừng phát triển và lĩnh vực điều khiển quá trình cũng không nằm ngoài xu hướng đó Trong lĩnh vực điều khiển quá trình, nhiều lý thuyết điều khiển, phương pháp điều khiển mới, nhiều thiết bị điều khiển hiện đại được nghiên cứu, đưa ra áp dụng để giải quyết các bài toán điều khiển công nghiệp ngày càng phức tạp Trong đó, nhà máy lọc dầu là nơi chứa rất nhiều bài toán điều khiển công nghiệp điển hình và phức tạp và đây vẫn luôn là mảnh đất cho các nhà khoa học, các nhà điều khiển nghiên cứu, khám phá và thử nghiệm áp dụng những lý thuyết mới Những năm gần đây, Việt Nam cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu điều khiển quá trình trong công nghệ lọc hóa dầu được đưa ra, song so với thế giới vẫn chỉ là những bước đi nhỏ Vì lý do đó tác giả đã

chọn đề tài : “Nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất trong nhà máy

lọc dầu” để nghiên cứu và mong muốn đóng góp một phần nhỏ vào công việc

nghiên cứu điều khiển quá trình ở nước ta

Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu công nghệ lọc hóa dầu, đối tượng tháp chưng cất, làm rõ các bài toán điều khiển trong đó, tìm hiểu các phương pháp điều khiển

tạo cơ sở cho việc thiết kế điều khiển nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất lọc dầu

Để giải quyết nội dung của đề tài, luận văn gồm 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan về nhà máy lọc dầu và công nghệ chế biến dầu mỏ

- Chương 2: Công nghệ chưng cất dầu thô

- Chương 3: Giới thiệu về điều khiển quá trình

- Chương 4: Nghiên cứu điều khiển tháp chưng cất hai cấu tử

Để hoàn thành luận văn này tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô ở bộ môn Tự động hóa XNCN, cùng các thầy cô trong Khoa Điện - Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học, nghiên cứu và hoàn thành luận văn Đặc biệt luận văn không thể hoàn thành nếu không có sự

hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Huy Phương, người đã luôn tận tình chỉ dẫn

tác giả nghiên cứu đề tài Tác giả cũng xin cảm ơn người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã ủng hộ động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình hoàn thành luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù bản thân đã nỗ lực và làm việc nghiêm túc, nhưng do khó khăn về thời gian và hạn chế về kiến thức, mặt khác đây cũng là một vấn đề phức tạp nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự đánh giá góp ý và phê bình của các quý thầy cô và bạn đồng môn

Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2010

Học viên thực hiện

Đỗ Khoa Tuấn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU

VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU MỎ

1.1 Giới thiệu chung

Công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời từ năm 1859, với nước Mỹ là nước đi tiên phong Nhưng chỉ sau một thời gian ngắn sau đó, nhiều nước trên toàn thế giới cũng tham gia khai thác dầu mỏ Thế kỷ 20 đã trở thành thế

kỷ chứng kiến ngành công nghiệp dầu mỏ tăng trưởng nhanh chóng và đã trở thành nền công nghiệp mũi nhọn Ngày nay, sản phẩm năng lượng dầu mỏ đã chiếm tới 70% tổng số năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới Hai mục tiêu chính của công nghiệp dầu khí là:

+ Cung cấp các sản phẩm năng lượng cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp và các sản phẩm về dầu mỡ bôi trơn

+ Cung cấp các hóa chất cơ bản cho ngành tổng hợp hóa dầu và hóa học tạo

sự phát triển mạnh về các chủng loại sản phẩm của ngành hóa chất, vật liệu Hóa dầu đã thay thế dần hóa than đá và vượt lên công nghiệp chế biến than

Nguyên liệu dầu mỏ có nhiều đặc tính quý mà nguyên liệu từ than đá hoặc khoáng chất khác không có được, đó là giá thành thấp, thuận tiện cho quá trình tự động hóa, dễ khống chế các điều kiện công nghệ và có công suất chế biến lớn, sản phẩm thu được từ dầu mỏ có chất lượng cao, ít tạp chất, dễ tinh chế và tạo ra được nhiều chủng loại sản phẩm đáp ứng mọi nhu cầu của các ngành kinh tế

Trước hết phải kể đến các sản phẩm năng lượng từ dầu khí Đặc điểm lớn nhất của các sản phẩm này là dễ sử dụng, dễ điều khiển tự động, dễ vận chuyển, bảo quản, sử dụng ít có tro xỉ Nhiên liệu xăng ngày nay đã được phát triển rất nhiều về chất lượng, có thể đáp ứng được các yêu cầu của động cơ có tỷ số nén cao, ít độc tố

có hại cho môi trường, hoạt động tốt ở nhiều loại điều kiện Bởi vậy, nhiên liệu xăng đã trở nên rất quen thuộc trong xã hội hiện đại Các nhiên liệu khác như nhiên liệu phản lực, nhiên liệu diezel đã góp phần phát triển các động cơ có kích thước

gọn nhưng lại có công suất lớn, chịu tải trọng cao, hiệu suất nâng cao hơn hẳn với các động cơ xăng có cùng kích thước Trong tương lai gần, tỷ trọng năng lượng do dầu khí cung cấp có thể giảm sút ít nhiều do con người ngày càng tìm ra các năng lượng mới thay thế cùng với xu thế tăng mục tiêu chế biến dầu cho sản xuất các hóa chất cơ bản, tuy nhiên dầu khí vẫn là nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp năng lượng cho thế giới

Bên cạnh đó, các sản phẩm phi năng lượng như các loại dầu mỡ bôi trơn và các loại dầu công nghiệp cũng là một thế mạnh của các sản phẩm từ dầu mỏ Mọi chi tiết cơ khí từ rất nhỏ đến các máy móc khổng lồ đều cần đến dầu, mỡ bôi trơn Tiếp đến, các sản phẩm hóa chất cơ bản từ dầu mỏ cũng có nhiều đặc tính quý như

độ tinh khiết cao, giá thành thấp,… Bởi vậy, chúng đã góp phần mở rộng các chủng loại hàng nhu yếu phẩm, hàng tiêu dùng như vải sợi, chất dẻo, nhựa đến các hàng công nghiệp như thuốc nhuộm, phân bón, thuốc trừ sâu,…Ngày nay, các sản phẩm này đã chiếm tới 90% tổng số các hợp chất hữu cơ trong các ngành công nghiệp hóa chất

Nhà máy lọc dầu là nơi thực hiện các quá trình chế biến dầu thô thành các sản phẩm dầu mỏ và các sản phẩm sản xuất từ nhà máy phải đảm bảo theo các tiêu chuẩn chất lượng đã qui định Cơ cấu về các sản phẩm dầu mỏ phải đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ của thị trường theo từng khu vực và sự phân chia sản xuất trên phạm vi thế giới

Hình 1.1 Hình ảnh một nhà máy lọc dầu

Qui trình chế biến của nhà máy lọc dầu được minh họa trong sơ đồ sau:

Hình 1.2 Quy trình chế biến của nhà máy lọc dầu

Việt Nam chúng ta cũng là một đất nước có nhiều tiềm năng về dầu mỏ với

thác Hiện nay, chúng ta cũng đã có nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà máy chế biến dầu đầu tiên ở Việt Nam Đồng thời, trong tương lai cũng có hàng loạt nhà máy chế biến dầu và khí đồng hành cũng sẽ được xây dựng Ngành công nghiệp chế biến dầu ở nước ta thực sự đang bước vào thời kỳ mới

1.2 Một số đặc điểm của dầu khí

Trong thiên nhiên, dầu mỏ nằm ở dạng chất lỏng nhờn, dễ bắt cháy Khi khai thác, ở nhiệt độ thường dầu thô có thể lỏng hoặc đông đặc, có màu từ vàng đến đen, còn khí hydrocacbon thường ở dạng hoà tan trong dầu (khí đồng hành), hay ở dạng nén ép trong các mỏ khí (khí thiên nhiên)

Dầu khí không phải là một đơn chất mà là một hỗn hợp rất phức tạp của nhiều chất (có thể đến hàng trăm chất) Sự khác nhau về số lượng cũng như hàm lượng của các hợp chất có trong dầu khí dẫn đến sự khác nhau về thành phần của dầu ở các mỏ khác nhau và so với các khoáng chất khác

1.2.1 Thành phần hoá học của dầu khí

Trong dầu thô có chứa tới hàng trăm hợp chất khác nhau, nhưng nguyên tố

cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là cacbon C và hydro H (C chiếm 82 –87%, H chiếm 11 -14%) Ngoài các nguyên tố cơ bản trên còn có các nguyên tố khác như lưu huỳnh S (0,1 - 7%), nitơ N (0,001 - 1,8%), oxy O (0,05 - 1%) và một lượng rất nhỏ các nguyên tố khác

Các hợp chất hydrocacbon phổ biến nhất trong dầu khí có thể trình bày như sau:

 Hydrocacbon parafin RHp: Các hydrocacbon parafin có công thức tổng quát

là CnH2n+2, trong đó n là số nguyên tử cacon trong mạch

 Hydrocacbon naphtetic RHn (còn gọi là cycloparafin): Loại hợp chất này có công thức tổng quát là CnH2n

 Hydrocacbon thơm RHA (Hydrocacbon aromatic): Hydrocacbon thơm có công thức tổng quát CnH2n-6

 Các hợp chất phi hydrocacbon: thường gặp nhất là các hợp chất của lưu huỳnh, nitơ, oxy, các chất nhựa, asphanten và kim loại Nói chung thì các

hợp chất phi hydrocacbon đều có hại cho dầu mỏ trong quá trình chưng cất nên chung cần phải được loại bỏ

1.2.2 Các đặc tính quan trọng của dầu thô

1.2.2.1 Tỷ trọng

Tỷ trọng là khối lượng dầu so với khối lượng của nước ở một nhiệt độ và thể tích xác định Tỷ trọng của dầu dao động trong khoảng rộng tuỳ thuộc vào từng loại dầu, thông thường nó có giá trị từ 0,8 đến 0,99 Tỷ trọng của dầu là một thông số vật lý vô cùng quan trọng trong đánh giá chất lượng của dầu thô và giá của nó trên thị trường thế giới

1.2.2.2 Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu

Độ nhớt đặc trưng cho tính lưu biến của dầu cũng như ma sát nội tại của dầu

Do vậy, độ nhớt cho phép đánh giá khả năng bơm vận chuyển và chế biến dầu, đánh giá khả năng bôi trơn, tạo sương mù khi bơm vào động cơ, lò đốt

1.2.2.3 Nhiệt độ sôi trung bình

Là thông số quan trọng trong đánh giá và tính toán công nghệ chế biến dầu

1.2.2.4 Hệ số đặc trưng K

Được dùng để phân loại dầu thô, tính toán thiết kế hay chọn công nghệ chế biến thích hợp, K có quan hệ với tỷ trọng, trọng lượng phân tử và cả trị số octan hay xetan của sản phẩm dầu K được tính theo công thức sau:

3 / 1

diezel, kerosen) trong dầu thô cao hay thấp Dầu càng nhẹ tổng hiệu suất càng cao và dầu đó càng có giá trị Đối với dầu thô Việt nam, tổng hiệu suất sản phẩm trắng từ 50% - 60% khối lượng dầu thô

o Dầu thô Việt nam là loại dầu sạch, chứa rất ít các độc tố, rất ít lưu huỳnh, nitơ, kim loại nặng Mỏ Bạch Hổ chứa 0,03% - 0,05% lưu huỳnh, dầu thô Đại Hùng chứa 0,08% Những loại dầu thô ít lưu huỳnh như vậy trên thế

giới rất hiếm

1.3 Các phân đoạn dầu mỏ

Từ dầu mỏ qua quá trình chế biến sẽ sản sinh ra rất nhiều sản phẩm Các sản phẩm này thu được từ sự khác nhau giữa các nhiệt độ sôi của các phân đoạn Các phân đoạn dầu mỏ bao gồm: phân đoạn khí, phân đoạn xăng, phân đoạn kerosene, phân đoạn gasoil nhẹ, phân đoạn gasoil nặng và cặn gudon

+ Khí ngưng tụ: là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí Bao gồm các hydrocacbon như propan, butan và một số hydrocacbon lỏng như pentan, hexan,… Khí hydrocacbon là khí không màu, không mùi, không vị Các hydrocacbon

có tính tan khác nhau, không trộn lẫn được với nước, nhưng có thể hòa tan trong các dung môi hữu cơ Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon no mạch thẳng tăng dần theo số nguyên tử cacbon no trong mạch

Khí khô thương phẩm (CH4, C2H6) được sử dụng làm nhiên liệu trong các nhà máy điện, các khu công nghiệp Ngoài mục đích sử dụng như một loại nhiên

liệu, khí khô còn được sử dụng như một nguồn nguyên liệu cho công nghiệp hóa dầu (để tổng hợp các polyme phục vụ cho công nghiệp nhựa, cao su tổng hợp, chất tẩy rửa) Đặc biệt là ứng dụng của khí cho việc sản xuất phân đạm cho nông lâm nghiệp

Ngoài ra, LPG là các khí C3H8 và C4H10 cũng là loại nhiên liệu rất hữu ích với nhiệt lượng giải phóng khi cháy lớn, không gây ô nhiễm môi trường, dễ vận chuyển, lưu trữ LPG cũng được dùng làm sản xuất các hóa chất như butadien, etylen, propylen cho ngành nhựa,…

1.3.2 Phân đoạn xăng

Phân đoạn xăng có nhiệt độ sôi dưới 1800 C, gồm các hydrocacbon từ C5 -

C10, C11 là các parafinic, naphtenic và aromatic Tuy nhiên thành phần và số lượng của chúng thì khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc dầu thô khai thác

Xăng được sử dụng làm nhiên liệu, làm dung môi như trong các công nghiệp sơn, keo dán, hương dược liệu,… Bên cạnh đó, trong ngành tổng hợp hóa dầu xăng cũng được dùng làm nhiên liệu để sản xuất các hydrocacbon thơm như toluen, benzen,…

1.3.3 Phân đoạn kerosene

Phân đoạn này còn gọi là phân đoạn dầu lửa, có nhiệt độ sôi từ 180 - 2500C, gồm các hydrocacbon từ C11 - C15, C16 Thành phần hóa học chủ yếu là các n-parafin và rất ít izo-parafin Các hydrocacbon naphtenic và thơm, ngoài loại có cấu trúc một vòng và nhiều nhánh phụ, còn có mặt các hợp chất hai hoặc ba vòng Trong kerosene bắt đầu có sự hiện diện của hydrocacbon có cấu trúc hỗn hợp giữa vòng thơm và vòng naphten như tetralin và đồng đẳng của nó Các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng dần

Phân đoạn kerosene được chủ yếu làm nhiên liệu cho động cơ phản lực và một phần làm dầu hỏa dân dụng

1.3.4 Phân đoạn gasoil nhẹ

Phân đoạn này còn gọi là phân đoạn dầu diesel, có khoảng nhiệt độ sôi từ

nhẹ là phần lớn các n-parafin và izo-parafin, còn hydrocacbon thơm rất ít Ngoài naphten và thơm hai vòng là chủ yếu, những chất có ba vòng bắt đầu tăng lên và còn có các hợp chất với cấu trúc hỗn hợp (giữa naphten và thơm) Hàm lượng lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng nhanh

Phân đoạn gasoil của dầu mỏ được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho động

cơ diesel, đây là một loại nhiên liệu hiện nay được sử dụng khá phổ biến trên thế giới

1.3.5 Phân đoạn gasoil nặng

Phân đoạn này có khoảng sôi từ 350-5000C, bao gồm các hydrocacbon từ

C21-C35 hoặc có thể lên tới C40 Thành phần hóa học của phân đoạn này tương đối phức tạp, gồm một ít các n- và izo-parafin, lượng naphten và thơm nhiều Ở phân đoạn gasoil nặng thì hàm lượng lưu huỳnh, nitơ và oxy tăng mạnh, hơn 50% lượng lưu huỳnh có trong dầu mỏ tập trung ở phân đoạn này gồm các dạng như disunfua, thiophen, sunfua vòng,… Các hợp chất nitơ thường ở dạng đồng đẳng của pyridin, pyron và cacbazol, các hợp chất của oxy ở dạng axit Các kim loại nặng như V, Ni,

Cu, Pb ,… các chất nhựa, asphanten cũng có mặt trong phân đoạn này

Ứng dụng chủ yếu của phân đoạn gasoil nặng là sản xuất dầu nhờn Ngoài

ra, nó cũng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm trắng, là tên gọi của ba loại nhiên liệu, đó là: xăng, kerosene, diesel

1.3.6 Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gudon)

Đây là phần còn lại sau khi đã tách các phân đoạn trên, có nhiệt độ sôi lớn hơn 5000C gồm các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon lớn hơn C41 và có thể lên tới C80 Phân đoạn này có thành phần hóa học rất phức tạp và chia ra làm ba nhóm: + Nhóm chất dầu (chiếm khoảng 45-46%): gồm 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 thơm và naphten, đây là nhóm hợp chất nhẹ nhất có tỷ trọng gần bằng 1, hòa tan trong xăng, n-pentan, … nhưng không hòa tan trong cồn

+ Nhóm chất nhựa (chiếm khoảng 11-16%): ở dạng keo quánh, gồm thành phần trung tính và thành phần axit Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt

độ hóa mềm nhỏ hơn 1000C, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong xăng và naphten Các chất axit là chất có nhóm -COOH, có màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong cloroform và rượu etylic

+ Nhóm asphanten: là nhóm chất rắn, có màu đen, cấu tạo tinh thể, tỷ trọng lớn hơn 1, chứa phần lớn các hợp chất dị vòng và có khả năng hòa tan mạnh trong cacbon disunfua Khi đun ở nhiệt độ 3000C không bị nóng chảy mà cháy thành tro Ngoài các nhóm chính này, cặn gudon còn chứa các hợp chất của kim loại nặng Cặn gudon được sử dụng để sản xuất bitum, than cốc, bồ hóng, nhiên liệu đốt lò

1.4 Các quá trình chế biến dầu mỏ

Hình 1.3 Sơ đồ các quá trình chế biến dầu mỏ

1.4.1 Các quá trình chế biến vật lý trong lọc dầu

1.4.1.1 Chuẩn bị dầu thô trước khi chế biến

Đây cũng là một bước rất quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến dầu, bởi dầu thô vừa khai thác ở mỏ lên, ngoài thành phần là các hydrocacbon còn lẫn nhiều tạp chất là đất đá, nước và muối khoáng Các tạp chất này lẫn vào dầu mỏ và nằm ở dạng nhũ tương nên khó tách ở điều kiện bình thường Nếu không được tách

các hợp chất ăn mòn, phá hỏng thiết bị Việc xử lý dầu thô được tiến hành qua các bước sau:

 Ổn định dầu nguyên khai: dầu nguyên khai còn chứa các khí hòa tan như

khí đồng hành và các khí phi hydrocacbon, đa phần chúng dễ tách ra khi giảm áp suất khi phun ra khỏi giếng khoan Tuy nhiên, vẫn còn một lượng nhất định lẫn vào trong dầu, do đó cần tách tiếp trước khi đưa chúng vào chế biến để hạ thấp áp suất hơi khi chưng cất dầu thô và nhận thêm được nguồn nguyên liệu quý cho việc sản xuất olefin nhẹ Thực chất ổn định dầu là chưng cất tách bớt phần nhẹ

 Tách các hợp chất cơ học, nước và muối: trên thực tế có nhiều phương

pháp tách các tạp chất này, có thể ra như:

+ Phương pháp lắng: bản chất của phương pháp là dựa vào sự khác nhau về

tỷ trọng của dầu và các tạp chất như đất đá, nước và muối Để tăng tốc độ lắng, trên thực tế người ta thường dùng biện pháp gia nhiệt để giảm độ nhớt, thông thường ở khoảng từ 50 đến 600C

+ Phương pháp ly tâm: được dùng để tách nước và các tạp chất đất đá

+ Phương pháp lọc: ta thêm vào dầu các chất dễ thấm nước để giữ lại nước

và tách chúng ra, thực tế dùng các bông thủy tinh để lọc nước khỏi dầu Phương pháp này đạt được hiệu quả cao mà đơn giản, tuy nhiên thường phải thay màng lọc liên tục

+ Phương pháp hóa học tách nhũ tương nước trong dầu: bản chất của phương pháp là cho thêm một chất được gọi là chất khử nhũ, một chất hoạt động bề mặt để phá nhũ tương Khó khăn của phương pháp này là phải chọn được chất hoạt động

bề mặt thích hợp, mà không gây hậu quả khó khăn cho chế biến sau này

+ Phương pháp dùng điện trường: đây là một phương pháp mới, hiện đại, công suất lớn, dễ ứng dụng tự động hóa nên các nhà máy chế biến dầu lớn hiện nay đều sử dụng phương pháp này Bản thân các tạp chất rất dễ nhiễm điện tích, nên khi dùng lực điện trường mạnh sẽ làm thay đổi điện tích, tạo điều kiện đông tụ hay phát triển làm cho kích thước lớn lên làm tạp chất lắng xuống và dễ bị tách ra khỏi dầu

1.4.1.2 Quá trình chưng cất dầu thô

Quá trình chưng cất dầu thô là quá trình vật lý phân chia dầu thô thành nhiều hỗn hợp khác nhau dựa vào sự khác nhau giữa nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong thành phần của dầu thô Mỗi hỗn hợp đó được gọi là một phân đoạn dầu mỏ, được đặc trưng bởi điểm sôi đầu và điểm sôi cuối Để từ đó các phân đoạn sẽ được đưa đi tới các quá trình tiếp theo để chế biến

 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất:

Trong bất kỳ tháp chưng cất nào thì tổng lượng vật chất đi vào tháp phải bằng tổng lượng vật chất đi ra khỏi tháp Toàn bộ nhiệt lượng đi vào tháp chưng cất bằng tổng lượng nhiệt đi ra khỏi tháp Nếu ta thay đổi nhiệt lượng đi vào tháp hay nhiệt lượng đi ra khỏi tháp thì thành phần và chất lượng sản phẩm của quá trình chưng cất sẽ thay đổi

Trong tháp chưng cất xảy ra quá trình tiếp xúc giữa hai pha lỏng - hơi Pha hơi Vn bay từ đĩa thứ n lên đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1 chảy từ đĩa n-1 xuống, còn pha lỏng Ln từ đĩa n sẽ chảy xuống phía dưới đĩa n+1 lại tiếp xúc với pha hơi Vn+1 từ dưới bay lên Nhờ quá trình này mà các cấu tử nhẹ có trong pha lỏng sẽ đi vào pha hơi và các cấu tử nặng có trong pha hơi sẽ ngưng tụ vào pha lỏng Chu trình bay hơi, ngưng tụ này xảy ra liên tục trên các đĩa và tạo ra sự khác nhau về nồng độ sản phẩm trên từng đĩa Kết quả là pha hơi bay lên càng được làm giàu về nồng độ thêm cấu tử nhẹ, còn pha lỏng đi xuống ngày càng chứa nhiều cấu

tử của phân đoạn xăng để đáp ứng nhu cầu thương mại Quá trình bẻ gãy mạch hydrocacbon này được tiến hành với sự có mặt của xúc tác mang tính axit trong

điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp Ngoài ra, thực tế còn có quá trình cracking nhiệt

Quá trình cracking xúc tác là một quá trình không thể thiếu được trong bất

kỳ nhà máy chế biến dầu nào trên thế giới bởi quá trình này là một trong những quá trình chính để sản xuất xăng có trị số octan cao

 Cơ sở lý thuyết của quá trình cracking:

Trong quá trình cracking xúc tác, có một số lượng lớn các phản ứng hóa học phức tạp xảy ra, gồm các phản ứng cracking nhiệt và các phản ứng cracking xúc tác

Phản ứng cracking xúc tác: là các phản ứng dị thể được thực hiện nhờ vào các hợp chất trung gian kém bền dạng carbocation Sự có mặt các tâm axit của xúc tác cho phép thúc đẩy việc tạo thành các hợp chất trung gian dạng carboncation, điều này đã cải thiện vận tốc cũng như sự chọn lọc của quá trình cracking

Phản ứng cracking nhiệt: đây là những phản ứng không thể tránh khỏi ở nhiệt độ cao và là những phản ứng không mong muốn Các phản ứng này tạo ra một lượng lớn các sản phẩm rất nhẹ như metan, ethan,… và mức độ tạo cốc lớn Điều này làm giảm hiệu suất thu hồi xăng Đồng thời xăng thu được có chỉ số octan và

độ ổn định oxy thấp

1.4.2.2 Quá trình reforming

Reforming là một trong các quá trình quan trọng của công nghiệp chế biến Vai trò của quá trình reforming này được tăng lên bởi nhu cầu về xăng chất lượng cao và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp hóa dầu ngày một nhiều

Quá trình này cho phép chuyển hóa các hydrocacbon parafine và naphten có trong phân đoạn xăng thành các cấu tử hydrocacbon aromatique có trị số octan cao cho xăng, các hợp chất hydrocacbon thơm cho tổng hợp hóa dầu Bên cạnh đó, quá trình còn cho phép thu được khí Hydro kỹ thuật cho quá trình chuẩn bị nguyên liệu

và xử lý hydro các phân đoạn sản phẩm trong nhà máy lọc dầu

 Cơ sở lý thuyết của quá trình reforming:

Phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming bao gồm các phản ứng sau: Dehydro hóa các hydrocacbon naphten, dehydro vòng hóa các hydrocacbon paraphin, đồng phân hóa và hydrocracking Tuy nhiên song song với các phản ứng chính quá trình này còn xảy ra các phản ứng phụ tuy không ảnh hưởng nhiều đến cân bằng của các phản ứng của phản ứng chính nhưng lại ảnh hưởng đến độ hoạt động và độ bền của xúc tác, ví dụ như phản ứng ngưng tụ các hợp chất trung gian không bền như olefin diolefin với hydrocacbon thơm dẫn đến tạo thành các chất nhựa và cốc bám trên bề mặt của xúc tác Bởi vậy, ta cần phải khắc phục quá trình tạo cốc trên xúc tác, hay ít nhất cũng phải hạn chế tớ mức tối đa quá trình tạo cốc

1.4.2.3 Quá trình izome hóa

Như đã nêu trên, trong công nghiệp chế biến dầu dùng hai quá trình chủ đạo

là reforming xúc tác và cracking xúc tác để nhận xăng có trị số octan cao Tuy nhiên, nhu cầu xã hội về sản lượng và chất lượng xăng ngày càng tăng trong khi rằng buộc môi trường về hàm lượng chì cũng như hàm lượng các hợp chất thơm nói chung và benzen nói riêng trong xăng ngày càng giảm Bởi vậy quá trình izome hóa cũng được đưa vào áp dụng trong nhà máy lọc dầu

Quá trình izome hóa là quá trình biến đổi các hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh Quá trình này thường áp dụng để nâng cao trị số octan của xăng Đồng thời, đây cũng là phương pháp để tạo ra các cấu tử cao octan pha và xăng nhằm nâng cao chất lượng

 Cơ sở lý thuyết của quá trình izome hóa:

Phản ứng chính của quá trình là phản ứng chuyển hóacác n-parafin thành các izo-parafin Ngoài ra trong các quá trình còn xảy ra các phản ứng phụ: phản ứng hydrocracking các parafin thành các parafin nhẹ hơn, phản ứng hydro hóa mở vòng các naphten thành các parafin và phản ứng tạo cốc

Quá trình izome hóa tương đối linh hoạt về mặt nguồn nguyên liệu sử dụng Phân đoạn thường được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình này là phân đoạn xăng nhẹ thu được từ quá trình chưng cất trực tiếp dầu thô, tuy nhiên cũng có thể sử

Xúc tác được sử dụng chủ yếu trong quá trình izome hóa là Pt/Al2O3 với chất mang Al2O3 được halogen hóa để cải thiện hoạt tính axit và Pt/zeolit Về mặt bản chất có thể thấy xúc tác của quá trình được tạo thành từ hai thành phần: thành phần kim loại có đặc trưng thúc đẩy các phản ứng hydro hóa, làm bão hòa các hydrocacbon tiền đề của quá trình tạo cốc và chất mang có tính axit có nhiệm vụ thúc đẩy các phản ứng xảy ra theo cơ chế ion cacboni mà cụ thể trong quá trình này

là các phản ứng izome hóa

1.4.2.4 Quá trình hydrotreating

Hydrotreating là quá trình được sử dụng phổ biến trong các nhà máy lọc dầu

và trong những năm gần đây nó đóng vai trò ngày càng quan trọng trong công nghiệp dầu mỏ và công nghiệp hóa dầu Mục đích của quá trình này là:

+ Loại bỏ các tạp chất như: lưu huỳnh, nitơ, kim loại,… có mặt trong phân đoạn dầu mỏ để chuẩn bị nguyên liệu cho các quá trình chuyển hóa khác của nhà máy lọc dầu mà xúc tác của quá trình này nhạy cảm với các tạp chất đó

+ Cải thiện các đặc trưng của sản phẩm cuối theo các tiêu chuẩn yêu cầu của sản phẩm nhằm thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng của sản phẩm và bảo vệ môi trường

 Cơ sở lý thuyết của quá trình:

Các tạp chất trong các hợp chất dị nguyên tử khác nhau có mặt trong các phân đoạn dầu mỏ được tách ra bằng các phản ứng với hydro trên bề mặt của xúc tác Các phản ứng này dẫn đến việc tạo thành các hydrocacbon bão hòa hoặc chưa bão hòa và loại bỏ các tạp chất lưu huỳnh, nitơ, oxy dưới dạng H2S, NH3, H2O Các phản ứng chính xảy ra trong quá trình hydrotreating: khử lưu huỳnh, khử nitơ, hydro hóa Trong trường hợp nguyên liệu xử lý có mặt các hợp chất chứa oxy, kim loại thì trong quá trình hydrotreating còn xảy ra phản ứng khử oxy và khử kim loại

Các phản ứng bẻ gãy liên kết giữa C và các dị nguyên tố là phản ứng tỏa nhiệt Các phản ứng hydro hóa là các phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt mạnh vì vậy xảy ra thuận lợi trong điều kiện áp suất hydro lớn và nhiệt độ thấp

Quá trình hydrotreating được sử dụng để xử lý cho tất cả các phân đoạn dầu

mỏ trong nhà máy lọc dầu, từ phân đoạn xăng nhẹ đến phân đoạn cặn Bên cạnh sản phẩm chính là phân đoạn tương ứng với phân đoạn nguyên liệu chứa hàm lượng tạp chất thấp, trong quá trình còn có một lượng nhất định các sản phẩm nhẹ hơn nguyên liệu do các phản ứng hydrocracking

Xúc tác cho quá trình hydrotreating gồm có hai phần: chất mang oxit và pha hoạt tính Chất mang oxit thường được sử dụng là γ oxit nhôm và pha hoạt tính là các sunfua của các kim loại Mo, W được tăng cường họat tính bởi Ni, Co

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT DẦU THÔ

2.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất

Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp

Tuỳ theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình thành chưng cất đơn giản, chưng cất phức tạp, chưng cất nhờ cấu tử bay hơi, hay chưng cất chân không

 Chưng cất đơn giản:

Chưng cất bay hơi dần dần: phương pháp này thường áp dụng trong các phòng thí nghiệm, dùng để xác định đường cong chưng cất dầu

Chưng cất bằng cách bay hơi một lần: phương pháp này còn gọi là bay hơi cân bằng

Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần: gồm nhiều quá trình chưng cất bay hơi một lần nối tiếp nhau

 Chưng cất phức tạp:

Chưng cất có hồi lưu: là quá trình chưng cất khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay trở lại tưới vào dòng bay hơi, nhờ sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm các cấu tử nhẹ so với khi không có hồi lưu Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế chặt chẽ về nhiệt độ và lượng hồi lưu

Chưng cất có tinh luyện: chưng cất có tinh luyện còn có độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu Trong quá trình chưng cất có tinh luyện có sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau, quá trình này được thực hiện trong tháp tinh luyện nhờ các đĩa được bố trí bên trong

Luận văn Cao học

Chưng cất trong chân không và chưng cất với hơi nước: hỗn hợp các cấu tử trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi nhiệt độ cao Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ của chúng thì ta phải tiến hành chưng cất ở chân không vì chân không làm giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp hoặc chưng cất với hơi nước vì hơi nước làm giảm áp suất riêng của các cấu tử làm cho nó có nhiệt độ sôi thấp hơn, khi chưng cất với hơi nước thì phải lựa chọn lượng hơi nước đem chưng cất cùng với nhiệt độ và áp suất của nó

2.2 Quá trình chưng cất dầu thô

Chưng cất dầu thuộc nhóm các phương pháp chế biến vật lý trong công nghệ hóa dầu, quá trình này chia dầu thô thành các phần gọi là các phân đoạn, thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu

tử mà không làm phân hủy chúng

Có hai phương pháp chưng cất là chưng cất trong khí quyển AD (Atmospheric Distillation) và chưng cất trong chân không VD (Vacuum Distillation) Chưng cất trong khí quyển AD với nguyên liệu là dầu thô hay còn gọi

là quá trình CDU (Crude oil Distillation Unit), nguyên liệu của quá trình chưng cất

VD là cặn của quá trình chưng cất AD (cặn chưng cất hay mazut) Tuỳ theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà người ta sử dụng quá trình AD, quá trình VD hay kết hợp cả hai (A-V-D) Trên thực tế, phương pháp A-V-D đang được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy lọc dầu hiện đại trên thế giới

Khi áp dụng công nghệ AD, ta chưng cất dầu thô với mục đích nhận được các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng), phân đoạn kerosen, phân đoạn diesel (nhẹ, nặng) và các phần cặn của quá trình chưng cất Nếu muốn chưng cất sâu thêm phần cặn thô nhằm mục đích nhận thêm các phân đoạn gasoil chân không hay các phân đoạn dầu nhờn thì ta phải chưng cất tiếp phần cặn thô bằng công nghệ

VD

Sau đây trình bày cấu tạo bên trong một tháp chưng cất đơn giản

Hình 2.1 Cấu tạo của một tháp chưng cất đơn giản

2.3 Chế độ công nghệ và sơ đồ công nghệ chưng cất dầu khí

2.3.1 Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

Các yếu tố và thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng của quá trình chưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất Chế

độ công nghệ chưng cất phụ thuộc vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục đích và

yêu cầu của quá trình, chủng loại sản phẩm, từ đó xây dựng dây chuyền công nghệ hợp lý để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất

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 sẽ hiệu chỉnh được chất lượng và hiệu suất của sản phẩm Chế

độ nhiệt của tháp gồm nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt

độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp

- Nhiệt độ nguyên liệu: được khống chế tuỳ thuộc vào bản chất của từng loại dầu thô, mức độ phân tách sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp Chủ yếu là phải tránh được sự phân huỷ nhiệt của các cấu tử ở nhiệt độ cao, nhiệt độ của nguyên liệu vào được điều khiển thông qua nhiệt độ của lò ống

- Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần hồi lưu đáy Nếu bay hơi phần hồi lưu đáy bằng một thiết bị đốt nóng riêng biệt (reboiller) thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt độ bốc hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp Nếu bốc hơi bằng phương pháp dùng hơi nước quá nhiệt nhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn nhiệt độ vùng nạp nguyên liệu Nhiệt độ tại đáy tháp phải chọn tối

ưu, tránh phân huỷ các cấu tử nặng nhưng cũng phải đủ để bay hơi hết phần nhẹ

- Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi hoàn toàn của sản phẩm đỉnh mà không bị cuốn theo các sản phẩm nặng Để tách các sản phẩm nặng ra khỏi sản phẩm đỉnh, làm tinh khiết hơn sản phẩm đỉnh thì phải dùng hồi lưu đỉnh tháp, nhiệt độ đỉnh tháp khi chưng cất khí quyển thường từ 100-2000C, khi chưng cất chân không với áp suất là từ 10 đến 70 mmHg thì nhiệt độ không được quá 1200C

Áp suất của tháp chưng

Khi chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển thì áp suất tuyệt đối trong tháp thường cao hơn một chút so với áp suất khí quyển, ở mỗi phần sản phẩm lấy ra cũng có áp suất khác nhau Áp suất trong tháp chưng được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh

áp suất đặt ở thiết bị ngưng tụ

Khi chưng cất ở áp suất chân không thì áp suất thường được khống chế từ 10 đến

70 mmHg, độ chân không càng sâu thì cho phép chưng cất sâu hơn nhưng sẽ dẫn đến sự khó khăn cho việc chế tạo thiết bị

Chỉ số hồi lưu

Là tỷ lệ của lượng dầu hồi lưu so với lượng dầu sản phẩm, chỉ số hồi lưu càng cao thì sản phẩm ra càng tinh khiết nhưng lượng sản phẩm lấy ra càng ít, do đó phải tính toán chỉ số hồi lưu phù hợp để sản phẩm ra có độ tinh khiết cần thiết nhưng vẫn phải đảm bảo năng suất Chỉ số hồi lưu cũng có thể dựa trên lượng dầu hồi lưu và lượng dầu nguyên liệu vào

 Để duy trì sự làm việc ổn định của tháp chưng cất, cần phải nắm vững các nguyên tắc sau:

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

- Nếu áp suất tăng lên thì chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn và do đó lượng chất lỏng càng nhiều, có thể 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 phẩm cạnh sườn và cả sản phẩm đáy sẽ nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên

- Nhiệt độ đáy tháp quá thấp thì sản phẩm đáy sẽ chứa nhiều phần nhẹ

- Nếu nhiệt độ cấp vào đáy tháp quá thấp, lượng hơi trên các khay chứa đĩa

sẽ nhỏ hơn, phần lỏng chảy xuống bộ phận chưng càng nhiều

- Với sơ đồ chưng cất có sử dụng thiết bị reboiler, nhiệt độ của reboiler quá thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và do đó làm tăng lượng cặn

- Nếu nhiệt độ đỉnh quá cao, sản phẩm sẽ quá nặng và có nhiều sản phẩm hơn so với thiết kế và ngược lại

- Nhiệt độ cần thiết để tách phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn khi tách các phân đoạn nhẹ

- Cần chú ý đến lượng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh, vì nếu lượng nước không đủ thì nhiệt độ tháp quá cao, dẫn đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

2.3.2 Lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ của quá trình chưng cất

Việc chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ chưng cất trước hết phụ thuộc vào các đặc tính của nguyên liệu và mục đích của quá trình chế biến Có thể lựa chọn sơ đồ công nghệ theo đặc tính của nguyên liệu như sau:

Đối với dầu mỏ có chứa khí hoà tan thấp (0,5 đến 1,2%), trữ lượng xăng thấp (12 đến 15% phân đoạn có nhiệt độ sôi đến 1800C) và hiệu suất các phân đoạn có nhiệt độ sôi tới 3500C không lớn hơn 45% thì sơ đồ chưng cất AD với bay hơi một lần và tháp chưng cất là phù hợp hơn cả

Đối với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng sản phẩm trắng cao (50 đến 60%), chứa nhiều khí hoà tan (>1,2%), chứa nhiều phân đoạn xăng (20 đến 30%) thì nên chọn sơ đồ chưng cất AD với bay hơi hai lần Lần thứ nhất tiến hành bay hơi sơ bộ phần nhẹ và tinh cất chúng ở tháp sơ bộ, lần thứ hai tiến hành chưng cất phần dầu còn lại Sơ đồ công nghệ chưng cất với tháp bay hơi sơ bộ được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy của Liên bang Nga và Tây Âu hiện nay, sơ đồ này cho phép đặt được độ sâu chưng cất cần thiết và linh hoạt hơn khi liên kết các khối

AD và VD với các loại nguyên liệu dầu thô khác nhau

Trên thực tế trong công nghệ chế biến dầu mỏ có rất nhiều loại sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô, để có cái nhìn tổng quát về công nghệ chưng cất dầu ta tìm hiểu sơ đồ công nghệ chưng cất A-V-D có kết hợp quá trình khử nước, muối bằng điện, có nhận nguyên liệu cho sản xuất BTX (Bezen, Toluen, Xylen – các hydrocacbon mạch vòng cho tổng hợp hữu cơ) sau đây:

Hình 2.2 Chưng cất AVD có nhận nguyên liệu cho sản xuất BTX

1.Thiết bị trao đổi nhiệt; 2 Khử muối, nước bằng điện;

3 Tháp chưng sơ bộ; 4 Làm lạnh ngưng tụ;

5 Bể chứa; 6,9,13 Lò ống;

7 Cột phân đoạn chính ở áp suất khí quyển;

8 Cột tách phụ; 10 Tháp chưng chân không;

12 Thiết bị tách khí; 13 Bể lắng;

14 Tháp khử butan; 16,17,18,19 Tháp phân chia xăng;

20 Thiết bị đốt nóng

Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:

Ban đầu, nguyên liệu dầu thô và các chất khử nhũ tương được đưa vào đốt nóng trong các thiết bị trao đổi nhiệt 1, sau đó được đưa vào thiết bị khử nước và muối bằng điện 2 Thiết bị khử này sẽ tách nước và muối rồi lại đưa sản phẩm quay trở về 1 và cho vào tháp tách sơ bộ 3 Dầu sẽ được tách toàn bộ các cấu tử nhẹ của xăng và khí dầu tại tháp này Các khí hyđrocacbon và xăng nhẹ sẽ nằm trên đỉnh

tháp và được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh ngưng tụ bằng không khí và nước 4

và vào thùng chứa 5, một phần chất lỏng được tưới hồi lưu lại đỉnh tháp 3 Khí và xăng từ thùng chứa 5 được đưa vào tháp khử Butan 14 Tại đáy tháp 3, dầu sau khi

đã được tách bớt xăng sẽ được cho đi qua lò đốt nóng 6 Qua đây, dầu có nhiệt độ cao được tách thành hai dòng, dòng nhỏ sẽ được đưa quay trở lại đáy tháp để điều chỉnh nhiệt độ đáy tháp, dòng chính sẽ dẫn vào tháp tách AD 7 Hơi bốc lên từ đỉnh tháp 7 sẽ qua các thiết bị ngưng tụ và làm lạnh rồi cho quay trở về thùng chứa 5 cùng với sản phẩm đỉnh tháp 3 và tháp khử Butan 14 Tháp chưng cất AD 7 sẽ được tách ra 3 phân đoạn cạnh xườn: 1800C-2200C; 2200C -2800C; 2800C -3500C Mỗi phân đoạn được qua tách hơi phụ riêng biệt 8 Hơi nước quá nhiệt được đưa vào đáy của tháp chưng cất để tách hết các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp Từ tháp 7, phần cặn rộng (cặn thô hay mazut) được qua lò ống gia nhiệt để làm nguyên liệu cho tháp chưng cất chân không VD số 10 Tháp này sẽ tách ra gasoil chân không, phần đầu tiên sẽ được làm lạnh và một phần quay lại để tưới hồi lưu đỉnh, sản phẩm tiếp theo

là phân đoạn tối màu hơn Sản phẩm đáy là cặn gurdon, sau khi tách ra được làm lạnh và cho hồi lưu đáy tháp để chỉnh nhiệt độ của cặn trong khoảng 320 – 3300C

Để tránh sự phân huỷ ở đáy tháp VD số 10 và lò ống 9 cũng như các thiết bị bốc hơi hydrocacbon và hơi nước tách ra từ đỉnh tháp chưng VD 10 được qua hệ thống tạo chân không sau khi đã được ngưng tụ trong thiết bị 4 rồi vào thiết bị tách hơi

12 Pha hơi được bơm chân 11 hút theo, còn pha lỏng cho qua thùng chứa 13 để phân tách riêng dầu và nước

Xăng chưa ổn định từ thiết bị 5 cho qua trao đổi nhiệt 1 và đi vào ổn định trong tháp khử butan Phần C1 – C4 tách ra ở đỉnh tháp, qua làm lạnh và được chia thành 2 phần, một phần cho hồi lưu và một phần được phân chia trong thiết bị phân chia khí thành khí ngưng tụ (LPG) và khí khô (C1 – C2)

Xăng đã khử butan được cho qua chưng cất tiếp trong các tháp 16, 17, 18, 19 thành các phân đoạn hẹp: <620C, 620C - 850C, 850C - 1050C, 1050C -1400C, 1400C

- 1800C và 85 – 1800C, dùng làm nguyên liệu cho các quá trình sản xuất benzen,

2.3.3 Chế độ công nghệ của dây chuyền

Ta vẫn lấy sơ đồ công nghệ trình bày như hình 2.2 để nghiên cứu, chế độ công nghệ dây chuyền như sau:

Thiết bị khử nước, muối

Nhiệt độ dầu (0C) Áp suất (MPa) Tiêu hao hơi (% so với dầu)

Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 180-230 (0C) 196

Nhiệt độ cửa ra tưới hồi lưu 1 (0C) 216

Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 230-280 (0C) 246

Nhiệt độ tưới hồi lưu 2 (0C) 260

Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 280-360 (0C) 312

Nhiệt độ đáy tháp (0C) 342

Nhiệt độ tại thiết bị chứa (0C) 60

Áp suất tại đỉnh tháp (MPa) 0,25

Áp suất tại thiết bị chứa (MPa) 0,20

Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 180-230 (0C) 2

Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 230-280 (0C) 1

Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 280-360 (0C) 0,5

Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) > 3600C 2,5

Chỉ số hồi lưu (kg/kg) 1,4/1

Tháp chưng chân không VD

Nhiệt độ cấp liệu (0C) 395

Nhiệt độ đỉnh cột (0C) 125

Nhiệt độ tại cửa ra của gasoil nhẹ (0C) 195

Nhiệt độ tại cửa ra của phân đoạn dầu nhờn rộng (0C) 260

Nhiệt độ tại cửa ra của phân đoạn dầu tối màu (0C) 300

Nhiệt độ tại đáy tháp (0C) 352

Áp suất chân không ở đỉnh tháp (kPa) 8

Áp suất đỉnh tháp (MPa) 0,45 0,13 0,35 0,20

Áp suất đáy tháp (MPa) 0,42 0,10 0,32 0,17

Quá trình chưng cất dầu khí là một quá trình đòi hỏi rất gắt gao về chế độ làm việc của từng khâu Theo chế độ công nghệ như trên, phải thiết kế các hệ thống điều khiển để cho hệ thống làm việc ổn định, các thông số ở một khâu nào đó phải thoả mãn yêu cầu, như vậy sản phẩm ra mới đáp ứng được chất lượng

2.4 Tháp chưng cất

2.4.1 Các loại tháp chưng cất

Để hiệu quả chưng cất được tốt, quá trình tiếp xúc pha trong tháp tinh luyện cần được xảy ra đồng đều, triệt để Trong tháp ch ưng thì phần phía trên đĩa nạp liệu của tháp thực hiện quá trình làm tăng nồng độ của các cấu tử nhẹ trong pha hơi nên được gọi là phần tinh luyện Phần dưới đĩa nạp liệu của tháp thực hiện quá trình tách pha hơi ra khỏi pha lỏng và làm tăng nồng độ cấu tử trong cặn chưng nên được gọi là phần chưng Trong thực tế có các loại tháp như sau:

2.4.1.1 Tháp đệm

Trong tháp đệm, người ta bố trí các ngăn có chứa đệm với hình dạng hình vành khuyên hoặc hình trụ có nhiều tấm chắn để tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng

Nhược điểm của tháp đệm là quá trình tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi không tốt, không đồng đều ở toàn bộ đệm theo tiết diện ngang của tháp, nếu đường kính tháp nhỏ hơn 1 mét thì tháp đệm có hiệu quả tương đương các loại tháp khác

Vì vậy, loại tháp đệm hay được dùng trong các dây chuyền có công suất thấp, do dễ chế tạo và vốn đầu tư không quá cao

2.4.1.2 Tháp với các loại đĩa chụp

Loại tháp này được sử dụng khá rộng rãi trong công nghệ chưng cất dầu mỏ

và các phân đoạn dầu Các đĩa chụp có nhiều loại, chúng khác nhau bởi cấu tạo và hình dạng của chụp, nhằm tăng cường sự tiếp xúc pha trong tháp cũng như đĩa hình chữ S, đĩa xupap,…

2.4.1.3 Tháp với đĩa lòng máng, đĩa lưới, đĩa sàng

Loại tháp này rất thích hợp cho chưng cất các cặn nặng hay sản phẩm có độ nhớt cao

2.4.2 Mô tả toán học tháp chưng cất

2.4.2.1 Một số giả thiết

Trong quá trình phân tích tháp chưng cất, ta đưa ra một số giả thiết để nghiên cứu mô tả toán học tháp như sau:

- Hỗn hợp nguyên liệu hai cấu tử

- Lượng hơi bị giữ lại trên mỗi khay là không đáng kể

- Nhiệt hóa hơi của hai cấu tử trong hỗn hợp cần tách xấp xỉ bằng nhau

- Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh không đáng kể

- Độ hóa hơi α của hai cấu tử được giữ không đổi

Khi đạt trạng thái cân bằng lỏng - hơi, độ hóa hơi của các cấu tử trong tháp được thể hiện qua biểu thức:

H L

H L H H

L L

x x

y y x y

x y

/

/ /

x

x y

x x

y y

)1(1)

1/(

)1/(

- Bỏ qua động học của bình ngưng và thiết bị đun sôi

- Bỏ qua cân bằng động lượng trên mỗi khay và giả thiết rằng tốc độ lưu lượng mol của chất lỏng rời khỏi mỗi khay có mối liên hệ với lượng chất lỏng giữ trên mỗi khay theo công thức:

trong mỗi khay Nếu lưu lượng hơi quá lớn gây ra hiện tượng bọt khí đẩy chất lỏng

ra khỏi khay, giá trị λ sẽ dương λ>1 sẽ gây ra đáp ứng ngược đối với lượng chất giữ trong thiết bị đun sôi khi tăng V Đồng thời có thể gây đáp ứng ngược trong thành phần đáy Điều đó cũng gây khó khăn cho việc sử dụng V trong các vòng điều khiển đơn Tuy nhiên, trong các ví dụ xét ở đây, ta cho λ = 0

Bốn giả thiết ban đầu cho ra: V = V1 = V2 = … = VN

Bên cạnh đó, lúc này ta không cần quan tâm đến cân bằng năng lượng trên mỗi khay Các giả định trên có vẻ như là một sự hạn chế, nhưng chúng vẫn giữ lại những tác động chính quan trọng về đặc tính động học và khả năng điều khiển Chú

ý chúng ta không giả định sự không đổi về ngưng tụ trên các khay, đó là chúng ta

đã bao hàm đặc tính động học của dòng chất lỏng Điều này có nghĩa là sẽ mất một khoảng thời gian : t = (NT - 2).τ kể từ lúc dòng chất lỏng từ đỉnh của tháp được chảy đến khi tới nồi hơi Điều này rất thuận lợi cho việc điều khiển vì các tín hiệu phản hồi khởi tạo ngay lúc ban đầu được tách ra (nếu chúng ta có tín hiệu điều khiển có tác động đủ nhanh thì ta sẽ tránh được sự tác động mạnh tồn tại ở trạng thái ổn định giữa các thành phần cấu tạo tại đỉnh và đáy của tháp)

2.4.2.2 Các phương trình cân bằng

Để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như sự thay đổi lưu lượng, việc điều khiển mức,… tới thành phần sản phẩm, ta sử dụng các phương trình dựa trên điều kiện cân bằng vật chất

 Khay thứ i:

Phương trình cân bằng vật chất:

i i i i

dt

x M d

(2.5)

Từ đó rút ra được đạo hàm của thành phần cấu tạo chất lỏng:

i i i i i

M dt

dM x dt

x M d

dt



) (

(2.6) Ngoài ra, mô hình tháp chưng cất còn phải thỏa mãn các biểu thức sau:

i

i i

x

x y

)1(1

dM

i i i i

i  1  1  (2.10)

F i i i i i i i i

dt

x M d

)

(

1 1 1 1

 Bình ngưng: i = NT

D L V dt

dM

i i

i  1  (2.12)

i i i i i i

dt

x M d





 1 1)

(

(2.13) Với MNT = MD, LNT = LT

 Nồi hơi: i = 1

B V L dt

dM

i i

i  1  (2.14)

i i i i i i

dt

x M d





 1 1)

(

(2.15) Với M1 = MB, V1 = VB = V

CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ

TRÌNH

3.1 Cơ sở điều khiển quá trình

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động trong điều khiển, vận hành và giám sát các quá trình công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an toàn cho con người, máy móc và môi trường

3.1.1 Quá trình và các biến quá trình

Quá trình là một trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ

Quá trình công nghệ là những quá trình liên quan đến biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất và năng lượng, nằm trong một dây chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng Trong khi đó, quá trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật được đo hoặc / và được can thiệp Do vậy, khi nói đến một quá trình kỹ thuật thì ta có hiểu đó là quá trình công nghệ cùng các phương tiện

kỹ thuật như thiết bị đo và thiết bị chấp hành

Mọi quá trình đều có trạng thái hoạt động và diễn biến của nó được thể hiện bởi các biến quá trình, đó bao gồm biến vào và biến ra Biến vào là đại lượng hoặc điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, biến ra lại là đại lượng hay điều kiện thể hiện tác động của quá trình ra bên ngoài

Hình 3.1 Quá trình và phân loại biến quá trình

Ngoài việc phân biệt biến quá trình là biến vào và biến ra, ta cũng cần phân biệt các biến cần điều khiển và các biến không cần điều khiển, biến điều khiển và nhiễu trong một quá trình

- Biến cần điều khiển: là một biến ra hoặc một biến trạng thái của quá trình được điều khiển, điều chỉnh sao cho gần với một giá trị mong muốn hay giá trị đặt hoặc bám theo một biến chủ đạo, tín hiện mẫu

- Biến điều khiển: là biến vào của quá trình có thể can thiệp trực tiếp từ bên ngoài và qua đó tác động tới các biến ra theo mong muốn

- Nhiễu: là các biến còn lại không can thiệp được một các trực tiếp hay gián tiếp trong phạm vi quá trình đang quan tâm Có hai loại nhiễu: nhiễu quá trình và nhiễu đo Nhiễu quá trình là các biến vào tác động lên quá trình kỹ thuật một các cỗ hữu không can thiệp được Nhiễu đo là nhiễu tác động lên phép đo, gây sai số trong giá trị đo được Nhiễu luôn tác động đến quá trình một cách không mong muốn vì thế luôn cần có biện pháp nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu ảnh hưởng của nó

Dựa trên số lượng các biến vào và biến ra, một quá trình có thể được xếp vào loại quá trình đơn biến hay đa biến Quá trình đơn biến là quá trình mà chỉ có một biến ra, trong khi quá trình đa biến là quá trình có nhiều biến ra Đa phần các quá trình công nghệ đều là quá trình đa biến

Biến trạng thái

QUÁ TRÌNH

Biến ra

Biến cần điều khiển

Biến không cần điều khiển

Biến không cần điều khiển

Nhiễu Biến điều khiển

Biến vào

Vật chất Năng lượng Thông tin

Vật chất Năng lượng Thông tin