Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí mô phỏng phân xưởng chưng cất dầu thô (CDU) và áp dụng pinch technology để đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt

Dòng sản phẩm ra khỏi các thiết bị của quá trình thường có nhiệt độ cao và cầnđược làm lạnh để đưa vào kho lưu trữ trước khi đưa đi phân phối đến nơi tiêu thụ.. Một số đặc tính của dầu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Bộ môn : Kỹ thuật Dầu Khí

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : ĐOÀN VĂN HIẾU

Ngành : Công nghệ Hoá Học – Dầu và Khí

1- Tên đề tài : Mô phỏng phân xưởng Chưng cất Dầu thô (CDU) và áp dụng PinchTechnology để đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt

2- Nội dung các phần thuyết minh, mô phỏng và tính toán :

- Số liệu đồ án: Tham khảo sơ đồ công nghệ của phân xưởng CDU theo số liệucủa nhà máy lọc dầu Nghi Sơn

- Tổng quan lý thuyết về kỹ thuật Pinch ứng dụng trong Công nghệ Hóa học

- Giới thiệu về Nhà máy Lọc dầu Ngi sơn và Phân xưởng CDU

- Khai thác số liệu phục vụ quá trình mô phỏng toàn bộ phân xưởng CDU

- Đánh giá kết quả mô phỏng

- Trích xuất số liệu phục vụ mô phỏng đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt của phânxưởng CDU

- Phân tích đánh giá hiệu quả thu hồi nhiệt của phân xưởng CDU hiện hành

- Đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu quả thu hồi nhiệt của phân xưởng

- Kết luận và Kiến nghị

3- Các bản vẽ và đồ thị : Đủ để diễn tả các kết quả nghiên cứu được

4- Ngày giao nhiệm vụ : 02-02-2015

5- Ngày hoàn thành nhiệm vụ : 31-05-2015

Thông qua Bộ môn CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ngày… tháng… Năm 2015 (Ký và ghi rõ họ tên)

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN

GVC TS Lê Thị Như Ý PGS TS Nguyễn Đình Lâm

MỤC LỤC

Các quá trình trong công nghệ hóa học như: Chưng cất, phản ứng hóa học, tríchly…cần phải được cung cấp một lượng năng lượng cần thiết để quá trình xảy ra đạthiệu quả và đảm bảo thu được các sản phẩm có chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu thịtrường Dòng sản phẩm ra khỏi các thiết bị của quá trình thường có nhiệt độ cao và cầnđược làm lạnh để đưa vào kho lưu trữ trước khi đưa đi phân phối đến nơi tiêu thụ Tất

cả chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh đều được tính vào giá thành của mộtđơn vị sản phẩm vì vậy nếu chi phí cho quá trình đun nóng và làm nguội đắt tiền thìsản phẩm bán ra thị trường có giá cao, tính cạnh tranh thấp Vì vậy, tiết kiêm nănglượng tiêu thụ là một vấn đề rất quan trọng có ảnh hưởng lớn đến lợi nhuận và sự tồntại của nhà máy Để làm được việc này, chúng ta cần phải thiết kế hệ thống trao đổinhiệt để tận dụng nhiệt của các dòng nóng để gia nhiệt nguyên liệu làm gảm chi phícho quá trình đun nóng và làm nguội

Hiện nay, người ta dùng kỹ thuật Pinch technology để thiết kế hệ thống trao đổinhiệt, nhằm tận dụng tối đa lượng nhiệt có thể thu hồi được từ quá trình qua đó làmgiảm chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh, tiến đến làm giảm chi phí tổng củaquá trình

Kỹ thuật Pinch technology cung cấp cho người thiết kế một công cụ thuận tiện

để phân tích quá trình thu hồi nhiệt tại các nhà máy hóa chất, hóa dầu và đặt biệt làtrong lĩnh vực lọc dầu Bằng cách xây dựng đường tổ hợp (Composite curve và Grandcomposite curve) cho các dòng công nghệ nóng và nguội trong quá trình, kỹ thuậtPinch technology giúp chúng ta tính toán lượng nhiệt cần cấp thêm vào hay lấy bớt rakhỏi quá trình một cách dễ dàng thông qua lựa chọn giá trị Dtmin thích hợp của hệthống trao đổi nhiệt

Đề tài của tôi là: “Mô phỏng phân xưởng Chưng Cất Dầu Thô và Áp dụng Pinch technology để đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt ”, trên cơ sở kiến thức cơ bản

của kỹ thuật Pinch, ứng dụng phần mềm Aspen HX – Net, Excel tôi đã hoàn thành đồ

án này Đồ án bao gồm 2 phần chính:

− Mô phỏng phân xưởng Chưng cất Dầu Thô(CDU) trên hysys

− Ứng dụng kỹ thuật Pinch và phần mềm Aspen HX – Net để tính toánlượng nhiệt thu hồi của phân xưởng CDU

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS TS Nguyễn Đình Lâm đã giúp tôihoàn thành đồ án này đúng hạn

Trong quá trình làm, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót làđiều khó tránh khỏi Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo và các bạn để đềtài được hoàn thiện hơn

Đà nẵng, ngày 09 tháng 6 năm 2015

Sinh viên thực hiện Đoàn Văn Hiếu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC

DẦU NGHI SƠN

1.1 Giới thiệu

Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn, Việt Nam thuộc khu kinh tế Nghi Sơn, nằm ở phíaNam tỉnh Thanh Hóa, cách Hà Nội 200km, có đường bộ và đường sắt Quốc gia chạyqua, có cảng biển nước sâu cho tàu có tải trọng đến 30.000 DWT (Dead Weight Ton)cập bến Khu kinh tế Nghi Sơn được đánh giá là trọng điểm phát triển phía Nam củaVùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, đồng thời là cầu nối giữa vùng Bắc Bộ với Trung Bộ,với thị trường Nam Lào và Đông Bắc Thái Lan

Mục tiêu cụ thể của việc xây dựng nhà máy lọc dầu Nghi Sơn do chính phủ đềxuất là:

- Đáp ứng nhu cầu thị trường và a ninh năng lượng

- Cung cấp nguyên liệu để phát triển nghành công nghiệp hóa dầu

- Đóng góp vào sự phát triển kinh tế của khu vực phía bắc và đảm bảo sự pháttriển đồng đều của cả nước

1.2 Công suất thiết kế và nhu cầu sản phẩm thương mại của nhà máy

Dự án này có tổng mức đầu tư lên tới 9 tỷ USD và có công suất 9.6 triệu tấndầu thô trong một năm giai đoạn đầu và có thể nâng cấp lên 10 triệu tấn dầu thô mộtnăm Chủ đầu tư này là một công ty liên doanh gồm: Tập đoàn Dầu khí Việt Nam(PVN) (25,1% vốn), Công ty Dầu mỏ Kuwait (KPI) (35,1%), Công ty Idemitsu Kosan

Co (IKC) (35,1%) và Công ty Hóa chất Mitsui Chemicals Inc (MCI) 4,7% Liên danhnhà thầu EPC do công ty JGC Corporation (Nhật Bản) đứng đầu và các nhà thầu:Chiyoda Corporation (Nhật Bản), GS Engineering & Construction Corporation (HànQuốc), SK Engineering & Construction Co., Ltd (Hàn Quốc), Technip France (Pháp),

và Technip Geoproduction (M) Sdn Bhd (Malaysia)

Nhà máy được thiết kế cung cấp các sản phẩm thương mại:

- 2,3 triệu tấn xăng dầu với 3 loại khác nhau: RON92, RON95 và RON98

- 3,7 triệu tấn dầu diesel, 400.000 tấn polypropylene

- 600.000 tấn nhiên liệu phản lực JET A1

- 1 triệu tấn khác hóa dầu và 0,5 triệu tấn LPG

1.3 Nguồn nguyên liệu được sử dụng cho nhà máy lọc dầu Nghi Sơn

1.3.1 Các đặc tính dầu thô từ Kuwait

Là dầu thô trung bình (d = 0,876 và oAPI = 29,9) và có hàm lượng lưu huỳnh cao(2,65%wt) Do đó, trong quá trình xử lý, dầu thô cần được xử lý để tạo sản phẩm cóchất lượng tốt

Hàm lượng kim loại nặng trong dầu là tương đối cao Ví dụ, hàm lượng Nikel là10,1 ppm, Vanadium là 31,1 ppm và sắt 0,7 ppm Với nồng độ kim loại như vậy, nó sẽ

có hại cho quá trình sản xuất bởi vì sự hiện diện của các kim loại này gây ngộ độc chấtxúc tác, hư hỏng thiết bị và giảm chất lượng sản phẩm

Hàm lượng nitơ trong khoảng 372 ppm, đó là có khả năng gây ngộ độc chất xúctác và giảm độ ổn định của dầu trong quá trình bảo quản

Một số đặc tính của dầu thô Kuwait được cho trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Tóm tắt một số đặc tính của dầu thô Kuwait [1]

1.4 Các sản phẩm thương mại của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn

Theo dự kiến, trong năm 2017, nhà máy lọc dầu Nghi Sơn sẽ đi vào vận hànhthương mại Không giống như các sản phẩm khác, các sản phẩm nhiên liệu (LPG,xăng, Jet A1, diesel, FO, ) thường thay đổi theo thời gian và ngày càng nghiêm ngặt,

do sự quan tâm ngày càng cao đối với môi trường và y tế cộng đồng Do đó, các tiêuchuẩn chất lượng của Việt Nam không thể áp dụng cho dự án Thay vào đó phải xâydựng các tiêu chí tiêu chuẩn chất lượng của sản phẩm dựa trên các tiêu chuẩn Euro 3,

Các sản phẩm thương mại của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn là:

- Các sản phẩm năng lượng: LPG, xăng dầu, Kerosene, Jet A1, diesel, FO

- Các sản phẩm phi năng lượng: benzen, paraxylene, polypropylene và lưuhuỳnh

1.4.1 Các sản phẩm năng lượng

• Khí hóa lỏng ( LPG)

Khí hóa lỏng (LPG) được tách ra từ phần nhẹ của chưng cất dầu thô, là hỗn hợpcủa propane (C3) và Butan (C4) có tỷ lệ C3/C4 là 7:3 hoặc 5:5 tùy thuộc vào điềukiện sử dụng Ngoài ra, hỗn hợp có thể chứa lên đến 0,5% các hydrocarbon nhẹ khácnhư butadien

Tỷ lệ C3/C4 là một yếu tố quan trọng để đánh giá sự an toàn của LPG khi nó được

sử dụng như nhiên liệu hoặc nhiên liệu

Một số tiêu chí cơ bản để đánh giá chất lượng của LPG nhà máy lọc dầu Nghi Sơnđưa ra trong Bảng 1.2

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của LPG

Chỉ số octan là các đặc điểm kỹ thuật quan trọng nhất đối xăng Hiện nay, xăngRON95 chiếm lĩnh một phần không đáng kể trong thị trường Việt Nam, tuy nhiên, nhucầu đối với loại xăng này sẽ tăng đáng kể trong tương lai và sau năm 2015 sẽ thống trịthị trường xăng dầu Tiết kiệm nhiên liệu RON98 sẽ được giới thiệu do việc sử dụngcác siêu xe Do đó, các nhà máy lọc dầu Nghi Sơn được quy hoạch để sản xuất ba loạixăng: RON92, RON95 và RON98

Bảng 1.3 Các tiêu chuẩn chất lượng của xăng không Chì

Chỉ số Octane, min

- Research Octane Number (RON)

- Motor Octane Number (MON) 92

82 9585 9888

TCVN 2703:2002ASTM D2699ASTM D2700Hàm lượng Chì, g/l, max 0 TCVN 7143:2002ASTM D3237

ASTM D5453Hàm lượng Benzene 1 TCVN 6703:2000ASTM D4420

Tỷ trọng (ở 15oC), kg/l 0,72-0,76 TCVN 6594:2000ASTM D1298

• Nhiên liệu phản lực (JA1)

Động cơ phản lực làm việc ở điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ và áp suất thấp ở

độ cao rất cao Vì vậy, thông số kỹ thuật của nhiên liệu chặt chẽ hơn tất cả các loạinhiên liệu khác

Bảng 1.4 Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu phản lực JET A1

Hàm lượng lưu huỳnh, %kl, max 0,1 TCVN 2708:2002, ASTM D1266-98

Tỷ trọng (ở 15oC), kg/l 0,775-0,84 TCVN 6594:2002, ASTM D1298Điểm chớp cháy, oC 38 TCVN 6608:2002, ASTM D3828Điểm đóng băng, oC -47 TCVN 7170:2002, ASTM D2386

• Gazole

Bảng 1.5 Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu Diesel

Lưu huỳnh wt ppm 50>/350> ASTM D2622/ D5433TCVN 6701:2000Chỉ số Cetane 48</ 46<50</ 47< ASTM D976/ D613

Nước và tạp chất

Tạp chất

mg/kgvol%

mg/l

100>

10

-ASTM E 203ASTM D2709ASTM D 2276

Tỷ trọng (15 oC) kg/l 1> ASTM D 1298/ D4052TCVN 2694:2000

• Dầu FO( Fuel oil)

FO là một sản phẩm nặng của nhà máy lọc dầu có điểm sôi cao hơn 350oC.Phân loại FO dựa vào hai tiêu chí là độ nhớt và hàm lượng lưu huỳnh

Bảng 1.6 Tiêu chuẩn chất lượng của FO

TCVN 6701:2000(ASTM D2622)/ D129/

D4294/

TCVN2708:2002(ASTM D 1266-98)

Điểm chớp cháy oC 66< ASTM D3828/ D93TCVN 6608:2000

1.4.2 Sản phẩm phi năng lượng

• Benzene

Benzene được sử dụng làm nguyên liệu thô cho việc xử lý các sợi polyamide vàcapron, nylon, cao su tổng hợp và nhựa dựa trên phenol, thuốc nhuộm, dược phẩm,

Bảng 1.7 Các tiêu chuẩn chất lượng của Benzene

Tỷ trọng (15oC), kg/l 0,882-0,886 ASTM D4052

• PolyPropylene

Đây là nguyên liệu chính cho công nghiệp sản xuất các loại vật liệu tổng hợp.Vật liệu xây dựng Polypropylene dần dần thay thế các vật liệu truyền thống như gỗ,kim loại, gốm sứ,

Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn về chất lượng của các sản phẩmnhựa như polypropylene (PP) Ở nhà máy lọc dầu Nghi Sơn, polypropylene đặc điểm

kỹ thuật chủ yếu là độ tinh khiết của sản phẩm đạt 99,5%

• Lưu huỳnh

Lưu huỳnh được thu hồi từ khí acid có chứa hàm lượng lưu huỳnh (H2S, COS,CS2) Lưu huỳnh có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong một số lĩnh vực của ngànhcông nghiệp như:

Dưới 10% của lưu huỳnh được sử dụng để sản xuất cao su lưu hóa, dược phẩm,thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu,

Ch ươ ng 2 TỔNG QUAN VỀ PHÂN XƯỞNG CDU CỦA

NH MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN

2.1 Phân xưởng CDU của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn và cơ sở thiết kế

2.1.1 Mục đích của quá trình

Mục đích chính của CDU là phân tách sơ bộ dầu thô thành các phân đoạn riêngbiệt ở áp suất khí quyển thành các phân đoạn có nhiệt độ sôi bé hơn Có thể sử dụnglàm sản phẩm hoặc bán sản phẩm, làm nguyên liệu cho các phân xưởng chuyển quátiếp theo

2.1.2 Mô tả quá trình

Quá trình phân tách thực hiện trong tháp chưng cất khí quyển, có thiết bị ngưng

tụ đỉnh nhưng không có thiết bị đun sôi lại ở đáy tháp, hoạt động dưới áp suất từ 1÷ 3(barg) Các dòng sản phẩm được trích ra từ các tháp tách cạnh sườn (strippers), cáctháp strippers gồm:

Strippers KEROSENE, AGO: dùng hơi nước quá nhiệt để bay hơi các cấu tử nhẹcủa các dòng sản phẩm KEROSENE, AGO

Các phần nhẹ bay hơi từ các Strippers được đưa lại tháp chính tại vị trí phía trên

đĩa lấy sản phẩm (Draw-off tray).

Dầu thô lạnh được nâng nhiệt sơ bộ thông qua các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụngnhiệt thu hồi từ các sản phẩm và từ các dòng hồi lưu tuần hoàn đến nhiệt độ tách muối(nhiệt độ này phụ thuộc vào tỉ trọng API của dầu thô, nằm trong khoảng 110oC-140oC),tại nhiệt độ này dầu thô được khử muối Công đoạn này được thực hiện ở áp suất đủlớn (khoảng 12 bar) nhằm mục đích giữ cho hỗn hợp dầu thô và nước tồn tại ở trạngthái lỏng tại nhiệt độ mong muốn Dầu thô sau khi tách muối sẽ tiếp tục được nângnhiệt thông qua các thiết bị trao đổi nhiệt khác nhằm thu hồi tối đa lượng nhiệt từ cácdòng sản phẩm có nhiệt độ sôi cao hơn đến nhiệt độ khoảng 200°C thì được đưa vàotháp tiền bốc hơi (Flash) để tách phần hơi trong dầu thô, giảm một phần chi phí vàkích thước lò đốt Sau đó đưa vào lò đốt nhằm tăng nhiệt độ của dầu thô lên đến nhiệt

độ mong muốn (khoảng 340-360oC) và đưa vào tháp phân tách chính Hơi tại đỉnhtháp được ngưng tụ thông qua hệ thống làm nguội bằng quạt rồi vào bình hồi lưu Tạiđây dòng naphtha lấy ra sẽ được đưa qua tháp ổn định xăng trong phân xưởng thu hồiLPG nhằm loại bỏ các thành phần nhẹ và nước Các dòng sản phẩm tách cạnh sườn sẽqua các thiết bị strippers để loại bỏ các thành phần nhẹ (dùng hơi nước hoặc thiết bịđun sôi lại) Phần nhẹ tách ra sẽ quay về thân tháp (đây được coi là dòng hồi lưu trunggian), còn phần nặng được xem là sản phẩm của phân xưởng Các sản phẩm sau đóđược làm lạnh bằng cách trao đổi nhiệt với dầu thô ban đầu và được đưa đi phối trộn,lưu trữ trung gian hoặc được xử lý tiếp.

2.2 Cơ sở thiết kế [1]

2.2.1 Mục đích thiết kế

Thiết kế của CDU phải phù hợp với mục tiêu của toàn bộ nhà máy lọc dầu, đó làtối đa các phần cất và tối thiểu cặn Thiết kế phải linh động trong sản xuất sản phẩm,cho phép sự thay đổi nhỏ trong chất lượng nguyên liệu

Có hai trường hợp thiết kế và sản xuất kerosene được thiết kế để đảm bảo tiêuchuẩn của cả kerosene dùng trong nhiên liệu phản lực và kerosene dùng trong mụcđích khác Tuy nhiên, điểm chớp cháy của sản phẩm kerosene và tiêu chuẩn ASTM-D86 IBP sẽ đạt được tại phân xưởng KHDS

Thiết kế kết hợp các đặc điểm về sử dụng năng lượng tối ưu và thu hồi nhiệt phùhợp với sự phân tách sản phẩm

Phân xưởng sản xuất ra các dòng sau:

- Dòng khí đỉnh được đưa đến phân xưởng thu hồi LPG

- Dòng Naphtha chưa ổn định được đưa đến phân xưởng thu hồi LPG chocác quá trình tiếp theo

- Dòng Kerosene được đưa đến phân xưởng KHDS hoặc to Slops trongtrường hợp KHDS ngừng hoạt động

- Dòng gas oil được đưa đến phân xưởng GOHDS hoặc bể chứa trung gianGOHDS

- Dòng cặn khí quyển được đưa nóng đến phân xưởng RHDS cho quá trình

xử lý tiếp theo hoặc được chứa trung gian

Phân xưởng có thể nhận các dòng sau

- Dòng naphtha kết hợp từ phân xưởng KHDS và GOHDS vào bình táchđỉnh của tháp chưng chưng cất dầu thô.

2.2.2 Các nguồn nguyên liệu thiết kế

Nguồn nguyên liệu cho thiết kế cơ bản của CDU là 100% dầu thô Kuwait xuấtkhẩu

Lượng nước tối đa có trong dầu thô là 0.5% thể tích

Năng suất của CDU cho 85% thể tích lỏng dầu thô Kuwait và 15% thể tích lỏngdầu thô Murban là 200000 BPSD

2.2.3 Các trường hợp thiết kế

2.2.3.1 Trường hợp thiết kế cơ bản

CDU được thiết kế cho các điểm cắt cho TBP và các tiêu chuẩn sản phẩm nhưbảng sau

Overflash được xác định là 5%

Bảng 2.8 Các điểm cắt của sản phẩm của CDU

Bảng 2.9 Tiêu chuẩn của sản phẩm

Các sản phẩm

Tiêu chuẩn sản phẩm

(chú ý 3)

Max Kero

(chú ý 3)

Murban

(chú ý 3)

Full Range Naphtha

ASTM D86 90% vol (oC) (chú ý 5)155 max 144 154 142 144

Kerosene

ASTM D86 IBP (oC) (chú ý 4)144 min 143 148 143 144

ASTM D86 Naphtha trừ nguyên liệu 5oC min

5% vol ASTM D86 Atm Gas Oil và 95%

Chú ý:

1 Tham khảo tiêu chuẩn sản phẩm Doc 3550-8110-PD-0004

2 Hiệu suất của CDU chỉ đảm bảo cho trường hợp cơ bản

3 Dữ liệu đầu ra của mô phỏng CDU

4 ASTM D86 (IBP) và điểm chớp cháy của Kerosene được đảm bảo trong phânxưởng KHDS

5 Tiêu chuẩn cần đạt được cho Naphtha và Aromatic Complex

2.2.3.2 Trường hợp tối thiểu Kerosene

CDU có thể tăng lượng sản xuất Naphtha để bù lại phần cất của kerosene để tối đalợi nhuận trong Aromatic Complex Trường hợp này overflash được giảm từ 5 xuống2.3%

2.2.4 Các trường hợp kiểm tra

2.2.4.1 Trường hợp tối đa Kerosene

CDU có thể tăng lượng kerosene rút ra với chất lượng chấp nhận được để phù hợpvới thay đổi thị trường Sự thay đổi tương ứng với 17% lớn hơn lượng sản xuấtkerosene trong trường hợp cơ bản

2.2.4.2 Trường hợp hồi lưu lạnh

CDU có độ linh hoạt đề vận hành với 5% wt tỉ số hồi lưu lạnh (naphtha lạnh/lượng hồi lưu tuần hoàn đỉnh nóng) Phương pháp bao gồm dòng naphtha thô từ bìnhtách đỉnh đưa đến dòng quay lại của hồi lưu tuần hoàn đỉnh

CDU sẽ vận hành theo cách này trong suốt quá trình khởi động, rửa, off-design.Các điểm cắt TBP như trong trường hợp cơ bản

2.2.4.3 Trường hợp Murban

Thiết kế của CDU sẽ được kiểm tra cho nguyên liệu thay thế gồm 85% thể tích lỏng dầu thô Kuwait xuất khẩu/ 15% thể tích lỏng dầu Murban Các điểm cắt TBP như

ở trường hợp cơ bản

Ch ươ ng 3 MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG CHƯNG

CẤT KHÍ QUYỂN CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN BẰNG PHẦN MỀM HYSYS

3.1 Cơ sở dữ liệu

3.1.1 Nguyên liệu

- Nguyên liệu của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn là dầu thô Kuwait và dầu thôMurban, tuy nhiên trong thiết kế cơ bản ta sử dụng 100% dầu thô Kuwait

- Công suất: 200000 thùng/ngày = 9.66 triệu tấn/năm

- Tổng số giờ làm việc trong năm: 8320 h/năm

Các tính chất hóa lý của dầu thô Kuwait lấy theo kết quả phân tích của PetroTech

Intel năm 2004trong tập 3550-8110-PD-0003 Rev D3 (CRUDE OIL ASSAY) của

hãng Foster Wheeler Energy LTD

Bảng 3.1 Một số tính chất của dầu thô Kuwait

Bảng 3.3 Số liệu các thành phần nhẹ của dầu thô Kuwait

3.1.2 Các sản phẩm của phân xưởng CDU

Các sản phẩm chính: Naphtha tổng, Kerosene, Gasoil và cặn chưng cất khíquyển

Điểm cắt các sản phẩm

Base Case/ Cold Reflux / Murban Case

• Yêu cầu về chỉ tiêu sản phẩm [1]

Các sản phẩm

Tiêu chuẩn sản phẩm

(chú ý 3)

Max Kero

(chú ý 3)

Murban

(chú ý 3)

Full Range Naphtha

ASTM D86 90% vol (oC) (chú ý 5)155 max 144 154 142 144

Kerosene

ASTM D86 IBP (oC) (chú ý 4)144 min 143 148 143 144

5% vol ASTM D86 Kerosene và 95% vol

ASTM D86 Naphtha trừ nguyên liệu 5oC min

5% vol ASTM D86 Atm Gas Oil và 95%

3.2 Mô phỏng bằng phần mềm Aspen Hysys V7.2

Dựa vào bảng vẽ PFD của Foster Wheeler trong bộ FEED, tôi tiến hành xâydựng sơ đồ mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển CDU

Dưới đây là thứ tự mô phỏng CDU sử dụng nguyên liệu là dầu thô Kuwait từ lúcdầu thô bắt đầu vào nhà máy, tiền gia nhiệt, tách muối vào tháp chính Tuy nhiên, vớicác dòng lỏng lấy ra ở Pumparound, thực tế được tận dụng nhiệt để sử dụng vào việckhác như đun nóng dầu thô Nhưng trong quá trình mô phỏng để tô trọng cân bằng vậtchất và chỉ tiêu về độ phân tách như theo thiết kế ở Base Case buộc phải thay đổi cáccông suất nhiệt của PA2, PA3, PA4 thấp hơn trong Base Case nhưng vẫn còn nằmtrong phạm vi cho phép

3.2.1 Chọn mô hình nhiệt động

Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp là một bước rất quan trọng trong quátrình mô phỏng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của quá trình tính toán

Mỗi mô hình cho phép tính toán các thông số:

- Hằng số cân bằng pha K: thể hiện sự phân bố các cấu tử giữa các pha ở điềukiện cân bằng

- Enthalpy của các pha lỏng và hơi: là năng lượng cần thiết để chuyển một hệ

từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái nhiệt động khác, nhằm phục vụtính toán chính xác các quá trình nén, giản nỡ và năng lượng tự do tối thiểu

ở các thiết bị phản ứng

- Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi: để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực

và xác định kích thước tháp chưng cất

Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa cào các yếu tố:

- Thành phần của hỗn hợp

- Phạm vi nhiệt độ và áp suất

- Tính sẵn có của các thông số vận hành thiết bị

Đối với các hệ dầu khí có thể chọn các hệ nhiệt động như như SRK, Robinson hay GS

Peng-Từ những yếu tố trên, kết hợp với sử dụng sơ đồ J4 ta chọn mô hình nhiệt độngPeng-Robinson, ở đây có xét đến quá trình ngưng tụ hơi nước cho hệ thống ngưng tụsản phẩm đỉnh và tách pha lỏng hơi

3.2.2 Khai thác số liệu từ các bản vẽ

Để mô phỏng quá trình chúng ta cần xây dựng một mô hình lí thuyết căn cứ vàocác số liệu của mô hình thực tế Những số liệu trong các bản vẽ PFD trong tài liệu củaFoster Wheeler Energy LTD về cấu trúc của tháp: số đĩa, vị trí lấy ra và đưa vào củacác side column và tháp Stripping… đều là số liệu thực tế Chẳng hạn về số đĩa củatháp, Hysys sẽ mô phỏng dựa trên số đĩa lí thuyết Vì vậy nếu chúng ta muốn có một

mô hình chính xác và có độ tin cậy thì cần phải xác định được hiệu suất đĩa của tháp

và từ đó đưa ra số đĩa lí thuyết phù hợp cho tháp Giả sử ta xem hiệu suất đĩa là 100%thì số đĩa lí thuyết trong mô hình Hysys chính bằng số đĩa thực tế của tháp Tuy nhiên,hiệu suất đĩa trong thực tế sản xuất rất khó đạt được 100% Do đó số đĩa lí thuyết

thì kết quả tính của Pro/II cũng sẽ không chính xác Chất lượng các dòng sản phẩm sẽxấu hơn hoặc tốt hơn Bởi vậy, khi chạy Pro/II cần phải so sánh với các chỉ tiêu trongcác tài liệu như Basic of Design, mass balance…

3.2.2.1 Lưu lượng nguyên liệu và các dòng sản phẩm chính

- Nguyên liệu: Dầu thô Kuwait, lưu lượng 1160700 (kg/h)

3.2.2.2 Các điều kiện vào trước tháp của dầu thô

Theo tài liệu PFD, dòng dầu thô ban đầu được bơm từ bể chứa có nhiệt độ

30oC và áp suất 1kPag đi vào hệ thống tiền gia nhiệt và đi tới thiết bị tiền bốc hơi (Pre Flash Drum), sau đó mới đi vào tháp tách chính 010-C-001 với 2 dòng nhập liệu Do

đó ta sẽ nhập số liệu cho dòng dầu thô với áp suất và nhiệt độ trước khi đi vào thiết bị tiền bốc hơi (200oC và 695kPag) Sau đó dòng hơi đi qua một vavle giảm áp đạt áp suất 117 kPag, dòng lỏng qua lò đốt đạt nhiệt độ 358 oC và áp suất 155kPag trước khi

đi vào tháp chính

3.2.2.3 Thông số các dòng hơi nước quá nhiệt

Bảng 3.5 Thông số của hơi nước Stripping

Lưu lượngkg/h Nhiệt độoC Áp suấtkPag Ghi chúSteam

Stripping đáy thápchính

Steam

Steam

3.2.2.4 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp chính 010-C-001

Bảng 3.6 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp chính 010-C-001

Bảng 3.8 Các thông số thiết kế và vận hành của Pumparound Kerosene

Bảng 3.9 Các thông số thiết kế và vận hành của Pumparound LAGO

Bảng 3.10 Các thông số thiết kế và vận hành của Pumparound HAGO

- Dầu thô vào tháp ở đĩa: 39

- Các dòng hơi từ tháp stripping vào lại tháp chính ở các đĩa:

• KER_VAP: 14

• AGO_VAP: 23

- Dòng hơi stripping vào tháp ở đĩa cuối cùng

- Các dòng sản phẩm lỏng lấy ra ở các đĩa:

• NAPHTHA_DRAW: 1

• KER_DRAW: 16

• AGO_DRAW: 25

• RES: 44

3.2.2.5 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp stripping

Dưới đây là những thông số thiết kế và thông số ước lượng dựa trên số liệu vậnhành ở 100% năng suất:

Bảng 3.11 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp 010-C-002

Bảng 3.12 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp 010-C-003

Yêu cầu về độ phân tách sản phẩm:

•Phân đoạn KER – NAP : GAP = 50C min

•Phân đoạn AGO – KER : GAP = 00C min

•Overflash : 0.05 max

3.2.2.7 Chuyển số đĩa thực tế sang số đĩa lý thuyết [2]

Quá trình mô phỏng dựa trên số đĩa lý thuyết của tháp Vì vậy nếu chúng ta muốn

có một mô hình chính xác và có độ tin cậy thì cần phải xác định được hiệu suất đĩa củatháp và từ đó đưa ra số đĩa lí thuyết phù hợp cho tháp Hiệu suất đĩa phụ thuộc vàonhiều yếu tố Nó thường được tính toán và cân nhắc kĩ trong quá trình thiết kế để saocho vừa đảm bảo được chỉ tiêu về kĩ thuật vừa có hiệu quả về kinh tế Có khá nhiều tàiliệu nói về khoảng dao động của hiệu suất đĩa

Trong đồ án này chúng tôi sử dụng tài liệu Refinery Process Modeling của tác giả

Gerald L.Kaes để mô phỏng tháp CDU của Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn

Ta chia tháp chưng cất thành các vùng như sau:

• Vùng stripping đáy tháp: Vùng này thường có 5÷7 đĩa, hiệu suất vùng này thấp

do đó 2 đĩa lý thuyết là phù hợp Lỏng ở đĩa trên cùng của stripping đáy thápnhận lỏng từ vùng nạp liệu

• Vùng nạp liệu: Ở vùng này không có đĩa thực tế nào cả tuy nhiên do mô hìnhhóa để cho phép thêm nguồn nhiệt trong vùng nạp liệu để biến thiên lượngoverflash Ở đây dùng một đĩa lý thuyết cho vùng này

• Vùng rửa: Vùng này bao gồm các đĩa giữa vùng nạp liệu cho đến đĩa rútHAGO Các thiết kế cũ có 2÷4 đĩa thực tế do đó đòi hỏi lượng overflash lớn đểđảm bảo chất lượng của HAGO Các thiết kế mới có 6÷8 đĩa, các đĩa trongvùng này có hiệu suất thấp do lượng lỏng hồi lưu bé Sử dụng 3 đĩa lý thuyết làphù hợp cho vùng này

• Vùng Pumparound: Sử dụng 2 đĩa cho vùng này, một đĩa rút PA và một đĩa trởvề

• Vùng phân tách các sản phẩm thân tháp: Tháp chưng cất khí quyển thường có8÷10 đĩa thực tế giữa các vùng rút sản phẩm ra, một đĩa phân tách được sửdụng cho vùng PA (nếu có) Đối với vùng phân tách gần đáy tháp chọn 2 đĩa lýthuyết là phù hợp, đối với vùng phân tách ở trên ta dùng 3÷4 đĩa lý thuyết

• Vùng đỉnh: Vùng tính từ đĩa rút sản phẩm KER cho đến đỉnh của tháp, hiệu suấtvùng này cao 65÷70%

Đối với tháp stripper thân tháp:

• Stripper sử dụng hơi nước có 6÷10 đĩa thực tế tương ứng với 2÷3 đĩa lý thuyết

• Stripper sử dụng Reboiler có 6÷12 đĩa thực tế, reboiler tương ứng với một đĩa

lý thuyết trong mô phỏng do đó tháp có 3÷4 đĩa lý thuyết

Như vậy theo cách tính như trên ta sẽ có được mô hình đĩa lý thyết như sau:

3.3 Các bước tiền mô phỏng

3.3.1 Khai báo dữ liệu về dầu thô

3.3.1.1 Thiết lập đơn vị sử dụng

Từ Menu Bar chọn Tools\Preferences để hiện ra cửa sổ Session Preferences và sau

đó lựa chọn Variable Tab Lựa chọn lại đơn vị áp suất mặc định là kg/cm2_g

3.3.1.2 Chọn hệ nhiệt động

Sử dụng hệ nhiệt động Peng-Robinson cho tháp chưng cất khí quyển Để chọn hệnhiệt động, ta thực hiện như sau: File → New → Case → Pluid Pkgs→ Add → Peng-Robison → Xong

3.3.1.3 Define Assay dầu thô

Với mỗi loại dầu thô thì đều có những đặc điểm khác nhau và được biểu diễnbằng bảng Assay riêng Do đó, việc Define Assay dầu thô là một bước quan trọngkhông thể thiếu trong mô phỏng Define Assay được thực hiện qua các bước sau :

Để chọn các cấu tử ta thực hiên như sau: Trong Simulation Basis Manager chọn

Components → Add → Nhập các cấu tử vào → Xong

• Nhập các thông số đặc trưng của dầu thô

Các thông số đặc trưng cho dầu thô như: Tỷ trọng, thành phần các cấu tử nhẹ, TBPcủa dầu thô

Để nhập các thông số ta thực hiện như sau: Trong Simulation Basis Manager chọnOil Manager → Enter Oil Environment → Assay → Add → Nhập các thông số →

Calculate Nếu sau khi bấm Calculate trên bảng xuất hiện Assay Was Calculated (màuxanh) thế là xong

Sau khi tính xong được, ta chọn Working Cruves phầm mền sẽ cho ta biết gần nhưđầy đủ các tính chất của dầu thô.

3.3.1.4 Vào môi trường môi phỏng

Sau khi tiến hành chọn hệ nhiệt động và Define Assay dầu thô ta bước vào môitrường mô phỏng Đây được coi là phần mô phỏng quan trọng nhất, ta có thể thiết lậpđiều kiện nạp liệu, điều kiện làm việc của tháp chưng cất

Để vào môi trường mô phỏng ta thực hiện như: Trong Simulation BasisManager → Return Simulation Environment → Xong

3.3.2 Mô phỏng tháp chưng cất khí quyển

Nhập dòng dầu thô trước khi qua thiết bị tiền bốc hơi:

Để mô phỏng lò đốt H-1101 ta sử dụng một Heat Exchanger, nhiệt độ ra lò đốt là

3580C, đồng thời cài đặt tổn thất áp suất tại thiết bị này là 540kPag để dòng HeatedCrude có áp suất trước khi vào tháp là 155kPag

Nhập các thông số cho tháp

• Áp suất làm việc: tháp làm việc ở áp suất đỉnh 71kPag, áp suất tại đĩa nạp liệu117kPag và áp suất đáy 166kPag

• Nhập các dòng Pumparound: Ở đây ta có 4 dòng Pumparound, mỗi PA ta sẽ có

2 tiêu chuẩn là Duty và lưu lượng, Duty của PA1 ta không nhập phụ thuộc vàonhiệt độ đỉnh mà có được công suất của PA1 Để lấy các dòng PA đi gia nhiệt

thì ta Kích Chọn export thì sẽ xuất hiện các dòng PA ở ngoài PFD.

• Nhập các thông số cho Stripper:

Các dòng trích ngang thân tháp 010-C-001 chưa đáp ứng được yêu cầu chất lượngsản phẩm, sẽ qua các cột tách phụ (Sidecolumn) bố trí dọc theo tháp chính nhằm tăng

cường quá trình tách loại các cấu tử nhẹ trong từng phân đoạn sản phẩm KER vàAGO Dòng hơi sản phẩm đỉnh chứa các cấu tử nhẹ sẽ hồi lưu về tháp chính Việcnhập các thông số cho stripper tương tự như tháp chính, tuy nhiên ở đây tiêu chuẩn củacác stripper đã được tích hợp trong tiêu chuẩn của tháp chính nên không cần nhập lại.

SS1

Xác định các ràng buộc cho tháp chưng cất 010-C-001

Các ràng buộc của tháp chính được xác định dựa trên các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng của tháp

 Phương trình cân bằng vật chất của tháp được mô tả như sau:

Feed = Overhead + Ker + AGO+ ResLưu lượng nguyên liệu dầu thô đi vào tháp đã biết, cho nên để giải được phương trình trên cần phải cố định 3 giá trị Cụ thể là:

• Lưu lượng dòng Overhead, thông qua cố định nhiệt độ đỉnh tháp

• Lưu lượng dòng Ker rút ra khỏi đáy tháp C-002

• Lưu lượng dòng AGO rút ra khỏi đáy tháp C-003

• Phương trình cân bằng năng lượng của tháp:

Q1 = Q2Trong đó: Q1 là tổng nhiệt lượng do các dòng Pumparound mang ra khỏi tháp

Q2 là công suất các thiết bị thu hồi nhiệt sử dụng dòng Pumparound đó làm tác nhân nóng

Một cách đơn giản có thể tính nhiệt lượng theo công thức: Q=m.C.ΔT

Trong đó: Q là lượng nhiệt tỏa ra hay thu vào

m là lưu lượng khối lượng của dòng lưu chất

ΔT là chênh lệch nhiệt độ đầu cuối của lưu chất

C là nhiệt dung riêng của lưu chấtNhư vậy:

1 Đối với 3 bơm hồi lưu tuần hoàn PA2, PA3 và PA4 thì công suất nhiệt Q củacác thiết bị trao đổi nhiệt là các hằng số cố định, nên nhiệt lượng 3 dòng Ker,LAGO và HAGO đã cố định Lưu lượng dòng rút ra của các bơm hồi lưu tuầnhoàn cũng cố định Nhiệt dung riêng C là hằng số tại một nhiệt độ xác định

Từ đó có thể tính được chênh lệch nhiệt độ ΔT và nhiệt độ dòng lưu chất quaylại tháp, cũng như các tính chất nhiệt khác của các dòng Ker, LGO và HGO.Cho nên mỗi bơm hồi lưu tuần hoàn PA2, PA3 và PA4 sẽ có 2 tiêu chuẩn vềDuty và Rate

2 Riêng bơm hồi lưu tuần hoàn đỉnh PA1 sẽ có 1 tiêu chuẩn về lưu lượng dònglưu chất rút ra Đồng thời, do nhiệt độ đỉnh được cố định nhằm cố định giá trịlưu lượng dòng overhead nên không cần thêm tiêu chuẩn về Duty

Sau khi tiến hành mô phỏng xong tháp theo các thông số thiết kế, tiến hành kiểm tra các tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm:

• Gap KER - NAP

• Gap AGO - KER

Đánh giá kết quả mô phỏng:

Sau khi tiến hành mô phỏng xong tháp theo các thông số thiết kế, tiến hành kiểm tra các tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm:

 Dòng Overflash:

Giá trị mô phỏng Khoảng cho phép Kết luận

ĐạtLưu lượng (kg/h) 40010 ≤58367

 Độ phân tách:

Giá trị mô phỏng(oC) Khoảng cho phép

• So sánh tiêu chuẩn của Kerosene và Atmospheric Gasoil