Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển bằng phần mềm hysys

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.. Dầu thô lạnh được nâng nhiệt

M c L c ụ ụ

LỜI MỞ ĐẦU

Đồ án tốt nghiệp được xem như là một bản đồ án quan trọng nhất trong hànhtrình của sinh viên ngành Công nghệ chế biến dầu và khí Đây sẽ là cơ hội cuốicùng để mỗi sinh viên hoàn thiện bản thân trước khi tốt nghiệp

Mô hình hóa và mô phỏng là một phương pháp được ứng dụng rất rộng rãi từkhâu thiết kế, chế tạo đến khâu vận hành máy móc - thiết bị, các dây chuyền côngnghệ sản xuất sản phẩm Ngày nay, trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật của con ngườiđều sử dụng phương pháp mô hình hóa ở những mức độ khác nhau Điều này đặc biệtquan trọng đối với lĩnh vực điều khiển các hệ thống kỹ thuật bởi vì điều khiển chính

là quá trình thu nhận thông tin từ hệ thống theo một mô hình nào đó và đưa ra quyếtđịnh để điều khiển hệ thống Lĩnh vực chế biến dầu khí không là một ngoại lệ

Tùy theo nguồn nguyên liệu dầu thô và nhu cầu thị trường đối với từng sảnphẩm mà mỗi nhà máy có một cấu hình riêng Với các số liệu sau bước khảo sát nhucầu thị trường, nhiệm vụ của người kỹ sư là phải thiết kế nhà máy với cấu hình phùhợp, mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất Mô hình hóa và mô phỏng là một công cụmạnh trong việc giải bài toán trên Ngày nay với sự trợ giúp của máy tính tốc độ cao

kết hợp với các thuật toán làm cho việc tối ưu hóa, quy hoạch và mô phỏng thuận lợihơn

Bất kỳ NMLD nào cũng không thể thiếu phân xưởng chưng cất dầu thô ở ápsuất khí quyển (Cruide Distillation Unit - CDU) Đây là phân xưởng đầu tiên của nhàmáy, sản phẩm của phân xưởng này là nguyên liệu cho các phân xưởng khác Việcthiết kế hệ thống thiết bị như nào, vận hành hệ thống ra sao để có được hiệu quả caonhất là một bài toán khó luôn đặt ra cho các kỹ sư Đó cũng là lí do và hướng giải

quyết của đề tài: "Mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển bằng phần mềm Hysys".

Sau 3 tháng nghiên cứu và thực hiện với sự giúp đỡ nhiệt tình của cô giáo Lê Thị Như Ý thì bản đồ án đã hoàn thành Em xin chân thành cảm ơn cô cũng như toàn

thể các thầy cô giáo trong khoa

Sinh viên thực hiện

Đỗ Khương Duy

DANH MỤC VIẾT TẮT

AGO : Atmospheric Gas Oil

API : American Petroleum Institute

ASTM : American Standard Testing Method

BPSD : Barrels Per Standard Day

CCR : Carbon Conradson Residue

CDU : Crude Distillation Unit

DCS : Distributed Control System

DWT : Dead Weight Ton

GOHDS : Gas Oil Hydro Desulphuriser

HGO : Heavy Gas Oil

KEC : Kuwait Export Crude

KHDS : Kerosene Hydro Desulphuriser

LGO : Light Gas Oil

LPG : Liquefied Petroleum Gas

MON : Motor Octane Number

PA : Pump Around

PFD : Process Flow Diagram

PID : Proportional Integral Differential

PLC : Programmable Logic Control

RHDS : Residue Hydro Desulphuriser

RON : Research Octane Number

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN

Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn thuộc khu kinh tế Nghi Sơn, nằm ở phía Nam tỉnhThanh Hóa, cách Hà Nội 200km, có đường bộ và đường sắt Quốc gia chạy qua, cócảng biển nước sâu cho tàu có tải trọng đến 30.000 DWT (Dead Weight Ton) cậpbến 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 an ninh năng lượng

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

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

Dự án này có tổng mức đầu tư lên tới 9 tỷ USD và có công suất 8,4 triệu tấndầu thô/năm giai đoạn đầu và có thể nâng cấp lên 10 triệu tấn dầu thô/năm Chủđầu tư này là một 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(Hàn Quốc), SK Engineering & Construction Co., Ltd (Hàn Quốc), TechnipFrance (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 với 3 loại khác nhau: RON92, RON95 và RON98

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

- 600.000 tấn nhiên liệu phản lực JET A1

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

III NGUỒN NGUYÊN CHO NHÀ MÁY:

Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn sẽ sử dụng nguồn nguyên liệu dầu thô KuwaitExport Crude (KEC)

1 Lí do chọn dầu Kuwait làm nguyên liệu cho nhà máy:

Nước ta khai thác nguồn dầu thô tại mỏ Bạch Hổ - Vũng Tàu là nguồn dầutương đối sạch với hàm lượng lưu huỳnh thấp (0.041%wt) rất tốt để làm nguyênliệu cho nhà máy lọc dầu Tuy nhiên, chúng ta khai thác mỏ Bạch Hổ từ nhữngnăm 1973 khi đó đất nước chưa có nhà máy lọc dầu nên nguồn dầu thô khai thácđược chủ yếu bán cho nước ngoài Đến năm 2009 nhà máy lọc dầu Dung Quất đivào hoạt động thì nguồn nguyên liệu chủ yếu cho nhà máy là dầu Bạch Hổ vàthêm dự trữ dầu thô của Việt Nam khá thấp Vì vậy, để đảm bảo hoạt động lâu dài

và liên tục của phức hợp nhà máy lọc dầu Nghi Sơn nên nhà máy hợp tác và nhậpkhẩu dầu thô từ Trung Đông Hỗn hợp dầu thô từ Kuwait, Murban và Black Tiger(Việt Nam) đã được nghiên cứu và cho thấy sử dụng 100% dầu thô từ Kuwait đãmang lại kết quả tốt nhất với lợi nhuận 1041 triệu USD/năm Kết quả là, dầu thôKuwait đã được lựa chọn là nguồn nguyên liệu chính để thiết kế nhà máy lọc dầuNghi Sơn Ngoài ra, để đảm bảo trữ lượng của nhà máy, nguồn nguyên liệuMurban cũng được sử dụng

2 Các đặc tính của dầu thô Kuwait:

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

Hàm lượng kim loại nặng trong dầu là tương đối cao Ví dụ, hàm lượng Nikel

là 10,1 ppm, Vanadium là 31,1 ppm và sắt 0,7 ppm Với nồng độ kim loại nhưvậy, nó sẽ có hại cho quá trình sản xuất bởi vì sự hiện diện của các kim loại nàygây ngộ độc chất xúc 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 chấtxúc tác 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

Áp suất hơi bão hòa kPa 26,20

3 Đường cong chưng cất của dầu thô Kuwait:

Bảng 1 2 Đường cong chưng cất của dầu thô Kuwait

o C %Vol % Vol Sum o API % Mass %Mass Sum

4 Các cấu tử nhẹ trong dầu thô:

Bảng 1 3 Các cấu tử nhẹ trong dầu thô

Component Cut (%Vol) Crd (%Vol)

IV CÁC SẢN PHẨM THƯƠNG MẠI CỦA NHÀ MÁY:

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 dầu, Jet A1, diesel, FO, ) thường thay đổi theo thời gian và ngày càngnghiêm ngặt, do sự quan tâm ngày càng cao đối với bảo vệ môi trường và y tếcộng đồng Do đó, các tiêu chuẩn chất lượng của Việt Nam không thể áp dụng cho

dự án Thay vào đó phải xây dựng các tiêu chí của tiêu chuẩn chất lượng sản phẩmdựa trên các tiêu chuẩn Euro 3, Euro 4 để thực hiện các dự án trong khi vẫn đảmbảo hiệu quả kinh tế của dự án

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 Các sản phẩm năng lượng:

a Khí hóa lỏng (LPG):

Khí hóa lỏng (LPG) được tách ra từ phần nhẹ của chưng cất dầu thô, là hỗnhợp của propane (C3) và Butane (C4) có tỷ lệ C3/C4 là 7:3 hoặc 5:5 tùy thuộc vàođiều kiện sử dụng Ngoài ra, hỗn hợp có thể chứa lên đến 0,5% các hydrocarbonnhẹ khác như butadien

Tỷ lệ C3/C4 là một yếu tố quan trọng để đánh giá sự an toàn của LPG khi nóđược sử dụng như nhiên liệu hoặc nhiênl iệu

Một số tiêu chí cơ bản để đánh giá chất lượng của LPG sau khi nhà máy lọcdầu Nghi Sơn được đưa ra trong Bảng 1.4

Bảng 1 4 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của LPG

Tiêu chuẩn Giá trị Phương pháp

Chỉ số octan là các chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng nhất đối xăng Hiện nay, xăngRON95 chiếm lĩnh một phần không đáng kể trong thị trường Việt Nam, tuy nhiên,nhu cầu đối với loại xăng này sẽ tăng đáng kể trong tương lai và sau năm 2015 sẽthống trị thị trường xăng dầu Tiết kiệm nhiên liệu RON98 sẽ được giới thiệu do

việc sử dụng các siêu xe Do đó, các nhà máy lọc dầu Nghi Sơn được quy hoạch đểsản xuất ba loại xăng: RON92, RON95 và RON98.

Bảng 1 5 Các tiêu chuẩn chất lượng của xăng không Chì

Tiêu chuẩn 92 Xăng không Chì 95 98 Phương pháp đo

Chỉ số

Octane, min

Research OctaneNumber (RON) 92 95 98 TCVN 2703:2002

ASTM D2699ASTM D2700

Motor Octane

Hàm lượng Chì, g/l ≤ 0 TCVN 7143:2002ASTM D3237Hàm lượng lưu huỳnh, ppm ≤ 50 TCVN 6701:2000ASTM D5453

Hàm lượng Benzene, %vol 1 TCVN 6703:2000ASTM D4420

Áp suất hơi bão hòa, kPa 43-75 TCVN 7023:2002

ASTM D4953

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

c Nhiên liệu phản lực Jet A1:

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

do ở độ cao rất cao) Vì vậy, thông số kỹ thuật của loại nhiên liệu này nghiêm ngặthơn tất cả các loại nhiên liệu khác

Bảng 1 6 Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu phản lực JET A1

Tiêu chuẩn Giá trị Phương pháp đo

Hàm lượng lưu huỳnh, %kl ≤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

d Diesel:

Bảng 1 7 Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu Diesel

Tiêu chuẩn Đơn vị Giá trị Phương pháp đo

Lưu huỳnh Wt ppm ≤ 50/≤ 350 TCVN 6701:2000

ASTM D2622/D5433

Chỉ số Cetane - 48 – 50 /46 - 47 ASTM D976/ D613

Phần cất

-TCVN 2698:2002ASTM D86

ASTM D 482Nước

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

TCVN 2694:2000ASTM D 1298/D4052

e 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 FO có haiứng dụng chính là làm nhiên liệu đốt công nghiệp (nhà máy điện, lò nung ) vànhiên liệu cho các tàu lớn chạy bằng động cơ diesel chậm và tải trọng lớn

Bảng 1 8 Tiêu chuẩn chất lượng của FO

Tiêu chuẩn Đơn vị Giá trị Phương pháp đo

TCVN 6701:2000(ASTM D2622)/ D129/D4294/ TCVN2708:2002(ASTM D 1266-98)

Tỷ trọng

(15oC) Kg/l ≤ 0.991 TCVN 6594:2000ASTM D1298

ASTM D 189/ D4530Điểm chớp

TCVN 6608:2000ASTM D3828/ D93

Benzene được sử dụng làm nguyên liệu thô cho việc xử lý các sợi polyamide

và capron, nylon, cao su tổng hợp và nhựa dựa trên phenol, thuốc nhuộm, dượcphẩm,

Bảng 1 9 Các tiêu chuẩn chất lượng của Benzene

Tiêu chuẩn Giá trị Phương pháp đo

Hàm lượng lưu huỳnh, ppm ≤ 1,0 ASTM D1685

c 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 củangành công nghiệp như sau:

- Dưới 90% lưu huỳnh cho sản xuất H2SO4

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

Bảng 1 10 Các phân xưởng nhà máy

CHƯƠNG II : TỔNG

QUAN VỀ PHÂN XƯỞNG CDU CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN

I PHÂN XƯỞNG CDU CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN:

1 Mục đích:

Mục đích của phân xưởng CDU là tách sơ bộ dầu thô để tạo ra những sảnphẩm làm nguyên liệu cho những phân xưởng chế biến sâu và làm những cấu tửpha trộn trực tiếp

UNIT DESIGNER / LICENSOR

Crude Distillation Unit (CDU) Foster Wheeler

LPG Recovery Unit (LPGRU) Foster Wheeler

Hydrogen Compression & Distribution Foster Wheeler

Sour Water Stripper (SWS) Foster Wheeler

Amine Regeneration Unit (ARU) Foster Wheeler

Naphtha & Aromatics Complex (NAC) UOP

Kerosene Hydrodesulphuriser (KHDS) Axens

Gas Oil Hydrodesulphuriser (GOHDS) Axens

Residue Hydrodesulphuriser (RHDS) Chevron

Residue Fluid Catalytic Cracker

RFCC Light Gasoline Treater UOP

Propylene Recovery Unit (PRU) Axens

Selective Hydrogenation and Indirect

Polypropylene Unit (PPU) Mitsui

Hydrogen Manufacturing Unit (HMU) Foster Wheeler

Sulphur Recovery Unit (SRU) Jacobs

Tail Gas Treating Unit (TGTU) Jacobs

2 Sơ đồ công nghệ:

Quá trình phân tách thực hiện trong tháp chưng cất khí quyển, có thiết bịngưng tụ đỉnh nhưng không có thiết bị đun sôi lại ở đáy tháp, hoạt động dưới ápsuất từ 1÷ 3 (barg) Các dòng sản phẩm được trích ra từ các tháp tách cạnh sườn(strippers), các tháp strippers gồm: Strippers Kerosene, AGO: dùng hơi nước quánhiệt để bay hơi các cấu tử nhẹ của 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).

Chiều cao tổng thể của tháp chưng cất khí quyển khoảng 50m, được trang bịqui ước từ 30÷50 đĩa, còn các tháp tách cạnh sườn (strippers) có từ 2÷10 đĩa cùngloại với tháp chính

Dầu thô lạnh được nâng nhiệt sơ bộ thông qua các thiết bị trao đổi nhiệt sửdụng nhiệt thu hồi từ các sản phẩm và từ các dòng hồi lưu tuần hoàn đến nhiệt độtách muối (nhiệt độ này phụ thuộc vào tỉ trọng API của dầu thô, nằm trongkhoảng 110oC-140oC), tại nhiệt độ này dầu thô được khử muối Công đoạn nàyđược thực hiện ở áp suất đủ lớn (khoảng 12 bar) nhằm mục đích giữ cho hỗn hợpdầu thô và nước tồn tại ở trạng thái lỏng tại nhiệt độ mong muốn Dầu thô sau khitách muối sẽ tiếp tục được nâng nhiệt thông qua các thiết bị trao đổi nhiệt khácnhằm thu hồi tối đa lượng nhiệt từ các dòng sản phẩm có nhiệt độ sôi cao hơn đếnnhiệt độ khoảng 200°C thì được đưa vào tháp tách 2 pha để tách phần hơi trongdầu thô, giảm một phần chi phí và kích thước lò đốt Sau đó đưa vào lò đốt nhằmnhằm tăng nhiệt độ của dầu thô lên đến nhiệt độ mong muốn (khoảng 340-360oC)

và đưa vào tháp phân tách chính Hơi tại đỉnh tháp được ngưng tụ thông qua hệthống làm nguội bằng quạt rồi vào bình hồi lưu Tại đây dòng naphtha lấy ra sẽđược đưa qua tháp ổn định xăng trong phân xưởng thu hồi LPG nhằm loại bỏ cácthành phần nhẹ và nước Các dòng sản phẩm tách cạnh sườn sẽ qua các thiết bịstrippers để loại bỏ các thành phần nhẹ (dùng hơi nước hoặc thiết bị đun sôi lại).Phần nhẹ tách ra sẽ quay về thân tháp (đây được coi là dòng hồi lưu trung gian),còn phần nặng được xem là sản phẩm của phân xưởng Các sản phẩm sau đó đượclàm 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

a Hệ thống tiền gia nhiệt cho dầu thô:

Dầu thô được bơm từ bể chứa đến phân xưởng chưng cất dầu thô bởi bơmnguyên liệu Sau khi đi vào cụm phân xưởng, dầu thô được gia nhiệt tại 2 dãythiết bị trao đổi nhiệt bị phân cách bởi thiết bị tách muối để thu hồi nhiệt nhằmnâng nhiệt độ của dầu thô

Tại dãy trao đổi nhiệt đầu tiên (dãy tiền gia nhiệt nguội), nhiệt độ của dầu thô

từ 30oC được nâng lên 151oC

Sau khi ra khỏi thiết bị tách muối, dầu thô được bơm đến dãy tiền gia nhiệt

nóng (Hot Preheat Crude Train), nhiệt độ của dầu thô được nâng lên từ 151oCđến 200oC

Dầu thô được bơm qua thiết bị Flash để tách những cấu tử nhẹ cho đi trựctiếp vào tháp Phần còn lại được bơm qua hệ thống gia nhiệt nâng nhiệt độ lên

280oC trước khi đi vào lo đốt

Bảng 2 1 Tóm tắt các thiết bị trao đổi nhiệt cũng như các dòng sản phẩm nóng

được sử dụng trong mỗi thiết bị trao đổi nhiệt.

Dãy tiền gia nhiệt nguội E-114: Trao đổi với dòng Top Pump

Around từ tháp T-100

E-100: Trao đổi với dòng Kerosene từ

tháp T-100

E-101: Trao đổi với dòng Kerosene

Pump Aroundđi từ tháp E-104

E-102: Trao đổi với dòng Residue đi từ

E-106

E-103: Trao đổi với dòng AGOđi từ

tháp E-107

Dãy tiền gia nhiệt nóng E-104: Trao đổi với dòng Kerosene

Trong đồ án mô phỏng cụm thiết bị tách muối có thể bỏ qua và không cần môphỏng vào trong phân xưởng CDU

c Lò đốt:

Để nâng nhiệt độ của dầu thô đến nhiệt độ cần thiết cho quá trình chưng cất(340-364oC tương ứng với trường hợp vận hành dầu Bạch Hổ hay dầu Dubai) vàhóa hơi một phần dầu thô, lò đốt E-113 được đặt sau dãy tiền gia nhiệt nóng Lòđốt E-113 được thiết kế với công suất 8200Mcal/h

1 Mục đích thiết kế:

Thiết kế của CDU phải phù hợp với mục tiêu của toàn bộ nhà máy lọc dầu, đó

là tối đa các phần cất và tối thiểu cặn Thiết kế phải linh động trong sản xuất sảnphẩm, 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 chuẩnASTM-D86 IBP sẽ đạt được tại phân xưởng Kerosene Hydrodesulphuriser

Thiết kế kết hợp các đặc điểm về sử dụng năng lượng tối ưu và thu hồi nhiệtphù hợp 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 (Kerosene HydroDesulphuriser) hoặc tới Slops trong trường hợp KHDS ngừng hoạt động

- Dòng Gasoil 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 Các nguồn nguyên liệu thiết kế:

Nguồn nguyên liệu cho thiết kế cơ bản của CDU là 100% dầu thô Kuwait.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 tíchlỏng dầu thô Murban là 200000 BPSD

Bảng 2 3 Tiêu chuẩn của sản phẩm

Các sản phẩm Tiêu Các trường hợp

chuẩn sản phẩm Cơ bản

Min Kero

Max Kero

Murba n Full Naphtha

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

Kerosene

ASTM D86 IBP (oC) 144 min 143 148 143 144ASTM D86 10% vol (oC) 205 max 176 183 174 176ASTM D86 90% vol (oC) 230 max 217 219 219 217ASTM D86 EP (oC) 300 max 234 236 236 234Flash point ASTM D56/

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% vol

b Trường hợp tối thiểu Kerosene:

CDU có thể tăng lượng sản xuất Naphtha để bù lại phần cất của kerosene đểtối đa lợi nhuận Trường hợp này overflash được giảm từ 5 xuống 2.3%

4 Các trường hợp kiểm tra:

a Trường hợp tối đa Kerosene:

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

b 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 từbình tách 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, design Các điểm cắt TBP như trong trường hợp cơ bản

off-c Trường hợp Murban:

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

CHƯƠNG III : PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HYSYS

Dầu và các sản phẩm dầu mỏ đã được biết đến từ xa xưa Mớiđầu con người đã dùng nó để thắp sáng hoặc để chữa bệnh Nhucầu về dầu và sản phẩm chế biến từ dầu gia tăng đột ngột vàođầu thế kỷ XX do sự xuất hiện của động cơ đốt trong cũng như do

sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp Do vậy,dầu mỏ và khí đốt tự nhiên ngày càng đóng vai trò quan trọngtrong cuộc sống con người

Hiện nay, dầu và khí cũng như các sản phẩm của chúng được

sử dụng trong tất cả các nghành kinh tế thế giới Ý nghĩa của dầu

và sản phẩm của dầu đặc biệt tăng nhanh vào những năm gần

đây, nhất là sau cuộc khủng hoảng năng lượng xảy ra tại nhiềunước phát triển.

Dầu và khí tự nhiên ngày càng được sử dụng rộng rãi khôngchỉ như một chất đốt truyền thống mà còn như một dạng nguyênliệu quý giá cho công nghiệp hoá học Nhà bác học Nga vĩ đạiMenđêlêép đã từng nói rằng đem dầu làm chất đốt - đó là tội lỗi,bởi dầu là nguyên liệu quý để điều chế rất nhiều các sản phẩmhoá học

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ cả

về số lượng và chất lượng, chúng ta phải không ngừng cải tiến vềcông nghệ và phương pháp sản xuất Vì vậy, các công trình nghiêncứu khoa học, các dự án thiết kế được tiến hành, và cùng với sựphát triển vượt bậc của ngành công nghệ thông tin, với nhữngmáy tính tốc độ cao, các hệ điều hành siêu việt, các lập trình viên

đã góp phần to lớn cho sự ra đời của các phần mềm mô phỏng.Trước đây để lên kế hoạch cho một dự án đòi hỏi rất nhiều thờigian, và khả năng thực hiện dự án đó là khó có thể không thể biếttrước được Nhưng khi các phần mềm mô phỏng ra đời, thì côngviệc trở nên nhẹ nhàng đi rất nhiều, chúng ta có thể mô phỏnghoạt động của các nhà máy trong các chế độ vận hành khác nhau,thay đổi các thông số làm việc của bất kỳ đơn vị hoạt động nào

mà không ảnh hưởng đến quá trình hoạt động chung của nhà máy.Ngoài ra, với những tính năng của các phầm mềm mô phỏng ta cóthể thiết kế được các dự án khác nhau, tìm được phương án tối ưunhanh, cho kết quả khả quan và đạt hiệu quả kinh tế, quan trọnghơn nữa là áp dụng được cho hầu hết các lĩnh vực của nghành dầukhí và các ngành công nghệ hoá học, đảm bảo được tính khả thicho những kế hoạch lớn sẽ được thực hiện trong tương lai

Một số phần mềm mô phỏng:

- Simsci (PRO//II)

- Hyprotech (HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK)

- Bryan research & engineering (PROSIM, TSWEET)

- Winsim (DESIGN II for Windows).

mô phỏng để giúp cho công việc được tốt hơn

Hysys là phầm mềm chuyên dụng dùng để tính toán và môphỏng công nghệ được dùng cho chế biến dầu và khí, trong đó cácquá trình xử lý và chế biến khí được sử dụng nhiều nhất Hysyschạy trên Windows là phiên bản mới của Hysim, phần mềm nàytrước đây dùng trên hệ điều hành Dos

Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech-Canada thuộc công

ty AEA Technologie Engineering Software - Hyprotech Ltd Là mộtphần mềm có khả năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độchính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều thuật toán sử dụng, trợgiúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông sốtrong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí Ngoài thư viện cósẵn, Hysys cho phép người sử dụng tạo các thư viện riêng rấtthuận tiện cho việc sử dụng Ngoài ra Hysys còn có khả năng tựđộng tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin Đâychính mạnh của Hysys giúp người sử dụng tránh những sai sót vàđồng thời có thể sử dụng những dữ liệu ban đầu khác nhau

 Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng:

• Steady Mode: Trạng thái tỉnh, sử dụng thiết kế công nghệ chomột quátrình

• Dynamic Mode: Trạng thái động, mô phỏng thiết bị hay quytrình ở trạng thái đang vận hành liên tục, khảo sát sự thay đổicác đáp ứng của hệ thống theo sự thay đổi của một vài thông

số.

III ỨNG DỤNG CỦA HYSYS:

4 Hysys.OTS:

Những qui trình hướng dẫn hoạt động giúp người vận hànhnắm bắt về công nghệ, mức độ an toàn trong hoạt động của nhàmáy, làm theo những qui tắc hướng dẫn về an toàn và vận hành

để tăng lợi nhuận

5 Hysys.RTO + :

Tối ưu hiệu quả nhà máy, chuyển đổi mô hình sản xuất, sửdụng công nghệ có sẵn và tăng lợi nhuận trong hoạt động bằngcách cho phép những thay đổi về công nghệ và sản phẩm

6 Economix:

Những dữ liệu thu được từ mô phỏng là công cụ cơ bản để dựavào nó mà có những thông tin xác thực nhằm quyết định về vấn

đề đầu tư và xây dựng một cách có hiệu quả nhất

IV GIỚI THIỆU VỀ CẤU TRÚC CỦA HYSYS:

Cấu trúc cơ bản của Hysys được thể hiện qua ba điểm quantrọng sau:

Unique Concepts (Những khái niệm duy nhất): Mặc định

cách mà người sử dụng xây dựng môi trường mô phỏng trênHysys

Powerful Engineering Tools (Những công cụ thiết kế tối

ưu): Quyết định cách Hysys thực hiện các phép tính toán

Primary Interface Elements (Những yếu tố tương giao cơ

sở): Được dung để giúp người sử dụng làm việc với Hysys

1 Unique Concepts (Những khái niệm duy nhất):

Hysys được xây dựng dựa trên rất nhiều khái niệm quan trọng

để có thể thực hiện hiệu quả nhất quá trình mô phỏng Hai kháiniệm quan trọng nhất quyết định đến cách thức cơ bản để người

sử dụng xây dựng một quá trình mô phỏng trên Hysys là:

• Những khái niệm về Flowsheet và Sub-Flowsheet

• Những khái niệm về Environment (Môi trường)

a Flowsheets và Sub-Flowsheets:

Hysys Flowsheets gồm các thành phần sau:

- Fluid Package có những tính chất về Package như thành

phần và trạng thái…

- Flowsheet Objects gồm những thiết bị và dòng vật chất

hay dòng năng lượng

- PFD là mô phỏng bằng hình vẽ, chỉ ra mối liên kết giữa các

thiết bị và dòng vật chất hay dòng năng lượng

- Workbook là những kết quả mô phỏng được xuất ra dưới

dạng bảng (có một màn hình riêng để biểu diễn các Flowsheets)

Từ flowsheets chính, ta có thể dùng những Sub-Flowsheet đểviệc mô tả được rõ ràng hơn

Cấu trúc có nhiều Flowsheet của Hysys đã chứng tỏ được ưuđiểm của mình:

+ Ta có thể phân chia một quy trình lớn thành những quy trìnhnhỏ chính xác hơn

+ Có thể xây dựng một quá trình làm mẫu và sử dụng chonhững mô hình mô phỏng khác

+ Có thể tạo một Sub-Flowsheet trong một Sub-Flowsheetkhác

Smulation Basis Environment

Main Flowsheet Environment Column Environment Sub-Flowsheet Environment

Oil Characterization Environment

Cấu trúc có nhiều Flowsheet của Hysys gần giống với cấu trúcthư mục, trong đó thư mục chính là Flowsheet, thư mục con làSub-Flowsheet và các file có nội dung là những thông tin về thiết

bị hoặc dòng vật chất hay dòng năng lượng

b Environment:

Khái niệm cho phép ta xuất hay nhập những thay đổi trongmột môi trường này mà các môi trường khác vẫn giữ nguyên nhưkhi ta còn ở trong môi trường đó

Có 5 Environment trong Hysys:

- Basis (cơ bản): Nơi tạo ra, định nghĩa hay thay đổi Fluid

Package Nói chung, một FluidPackage sẽ chứa tối thiểu mộtProperty Package cũng như thành phần của các cấu tử giả định,ngoài ra còn có thể chứa những thông tin về các thông số tươngtác hay phản ứng

- Oil Characterization (đặc trưng về dầu): Cho phép ta

đặc trưng hoá những lưu chất dầu mỏ bằng các định nghĩa nhữngAssay và Blend Đặc trưng dầu cho phép tạo ra các cấu tử giả sửdụng trong Fluid Package Môi trường dầu là duy nhất có thể đến

từ Basic môi trường

- Main Flowsheet (Flowsheet chính): Đây là môi trường

mà phần lớn ta sẽ sử dụng để cài đặt hay định nghĩa các dònghay thiết bị và Sub-Flowsheet

- Sub-Flowsheet: Chức năng tương tự như Main Flowsheet,

nhưng ở mức độ nhỏ hơn

- Column (tháp): Để định nghĩa hay cài đặt những dòng và

thiết bị liên quan đến tháp chưng cất như số đĩa, thiết bị ngưng tu, thiết bị đun sôi lại…

Mối liên hệ giữa các môi trường trong Hysys:

2 Powerful Engineering Tools (Công Cụ thiết kế tối ưu):

Hysys cho phép ta tiết kiệm rất nhiều thời gian khi tiến hànhthao tác mô phỏng và tính toán, điều này được thể hiện rõ qua

ba điểm sau:

- Bất cứ khi nào ta đưa vào một thông tin mới, Hysys sẽ tựđộng tính lại tất cả những ảnh hưởng của thông số này và đưa ranhững thông tin cập nhật nhất ở mọi vị trí

- Khi đưa vào đủ thông tin cần thiết, Hysys sẽ tự động tính rấtnhanh

- Kết quả được truy xuất theo hai chiều (trước và sau)

3 Primary Interface Elements (Những yếu tố tương giao cơ sở):

Có rất nhiều cách truy cập thông tin trong Hysys và các thôngtin đó luôn được cập nhật Ba yếu tố tương giao cơ sở là:

- PFD (Process Flow Diagram): Là sự mô tả quá trình mô

phỏng bằng hình vẽ, biểu diễn những mối liên hệ giữa các dòng

và thiết bị Ta có thể dung PFD để xây dựng hay kiểm tra nhữngtính toán của mình và đưa ra những thôngtin về quá trình bằngcách dùng các bảng cân bằng vật chất (Materiel BalanceTables)

- Workbook: là tập hợp của nhiều trang trình bày những

thông tin về quá trình dưới dạng bảng Mỗi trang sẽ đưa ra nhữngthông tin cụ thể về một dòng hay thiết bị nào đó

- Property View (khung thuộc tính): gồm nhiều khung thuộc

tính của các dòng hay thiết bị

Thông tin giữa những yếu tố trên là giống nhau hoàn toàn,nên ta có thể truy cập ở đâu thuận tiện nhất

Để làm một bài mô phỏng về một công nghệ ta cần phải thực hiện qua cácbước sau :

 Chọn hệ đơn vị : Đối với mỗi bài toán mô phỏng thì vấn đề chọn hệ đơn vị có

một tầm quan trọng vô cùng lớn Chọn đơn vị quyết định đến độ chính xác củamột bài mô phỏng Trong Hysys, không giống như các phầm mền mô phỏngkhác, ta có thể tiến hành chọn một hệ đơn vị mặc định của phần mềm hoặcchọn một hệ đơn vị mới ngoài phần mền mà ta có thể chỉnh sữa được Để chọn

hệ đơn vị ta chọn Tool → Preferences → Variables.

 Nhập các cấu tử: Trong tất cả các phần mềm mô phỏng, nhập các cấu tử là

một phần không thể thiếu để tiến hành mô phỏng Để nhập các cấu tử ta chọn

Add trong Components Ta có thể tìm các cấu tử theo Sim name, Full name

hoặc Formula Ngoài ra, ta có thể tìm theo loại cấu tử bằng cách chọn View

Filters.

 Chọn hệ nhiệt động: Chọn hệ nhiệt động được sử dụng để tính toán dòng và

các tính chất nhiệt động của các cấu tử và hỗn hợp trong quá trình mô phỏng(enthalpy, entropy, tỷ trọng, cân bằng lỏng- hơi,…) Vì vậy, việc chọn một hệnhiệt động phù hợp có một ý nghĩa vô cùng quan trọng, là cơ sở cho việc tính

toán mô phỏng cho kết quả đúng Để chọn hệ nhiệt động ta chọn Add trong

Fluid Pkgs.

 Vào môi trường mô phỏng: Sau khi hoàn thành các bước chuẩn bị cần thiết ta

bắt đầu chương trình mô phỏng trong giao diện Simulation Basis

Managerbằng cách bấm vàoEnter Simulation Envirconment.

CHƯƠNG IV : MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT KHÍ

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

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

a Tính chất:

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

PetroTech Intel năm 2004 trong tập 3550-8110-PD-0003 Rev D3 (Crude Oil

Assay) của hãng Foster Wheeler Energy LTD

Một số tính chất của dầu thô Kuwait (Bảng 1.1)

b Đường cong chưng cất:

Đường cong chưng cất của dầu thô (Bảng 1.2)

c Các cấu tử nhẹ:

Các cấu tử nhẹ của dầu thô Kuwait (Bảng 1.3)

2 Sản phẩm:

Bảng 4 1 Lưu lượng các phân đoạn sản phẩm (Base case)

Sản phẩm TBP cut point (°C) Phần khối lượng Lưu lượng (kg/h)

AGO 360 0.210 244800

 Các tiêu chuẩn kỹ thuật:

Sử dụng các ràng buộc về lưu lượng các dòng sản phẩm cuối cùng làKEROSENE, AGO và nhiệt độ đỉnh tháp T-100 bằng cách khống chế các yếu tốgồm: Tiêu chuẩn các sản phẩm trích ngang (Gap) và Overflash

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

II XÂY DỰNG SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG:

Dầu thô trước khi nạp liệu vào tháp chưng cất khí quyển cần phải đi qua hệthống trao đổi nhiệt để gia nhiệt dầu thô lên một nhiệt độ nhất định Hệ thống gianhiệt gồm hệ thống tiền gia nhiệt nguội và tiền gia nhiệt nóng Hệ thống tách muốinằm giữa hệ thống tiền gia nhiệt nguội và tiền gia nhiệt nóng nhưng quá trình đóảnh hưởng rất ít đến tính chất của dầu thô và cũng không ảnh hưởng đến kết quả

mô phỏng Bởi vậy có thể bỏ qua khâu mô phỏng này Các dòng lỏng lấy ra ởPumparound thực tế được tận dụng nhiệt để sử dụng vào việc khác như đun nóngdầu thô hoặc các dòng sản phẩm trích ngang như Kerossen, AGO cũng tương tựnhư vậy Nhưng vì chỉ quan tâm đến lưu lượng và chất lượng các dòng sản phẩmtrên cơ sở tôn trọng công suất của các Pumpapound, lưu lượng các dòng nóng lấy

ra ở cạnh sườn tháp, chúng em đã rút gọn mô hình mà không làm ảnh hưởng đếnkết quả mô phỏng

Bể chứa dầu thôMain Flowsheet Environment

30

1

3 2

Làm lạnh không khí Thiết bị tách ba pha

Residue From 9

AGO

Kerosene PA From 10

Over Head Liquid

Over Head Gas

Lò đốt

290 200

358

Do đó nên mô hình mô phỏng rút gọn như sau:

Hình 4 1 Sơ đồ rút gọn của phân xưởng chưng cất khí quyển

III LỰA CHỌN MÔ HÌNH NHIỆT ĐỘNG:

Dựa vào giản đồ J4 ta xác định được mô hình nhiệt động là Peng-Robinson

IV XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG:

Để mô phỏng quá trình chúng ta cần xây dựng một mô hình lí thuyết căn cứvào các số liệu của mô hình thực tế Những số liệu trong các bản vẽ PFD trongtài liệu của Foster Wheeler Energy LTD về cấu trúc của tháp: số đĩa, vị trí lấy ra

và đưa vào của các side column và tháp Stripping… đều là số liệu thực tế Chẳnghạn về số đĩa của tháp, Hysys sẽ mô phỏng dựa trên số đĩa lí thuyết Vì vậy nếuchúng ta muốn có một mô hình chính xác và có độ tin cậy thì cần phải xác địnhđược 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 chínhbằng số đĩa thực tế của tháp Tuy nhiên, hiệu suất đĩa trong thực tế sản xuất rấtkhó đạt được 100% Do đó số đĩa lí thuyết thường nhỏ hơn số đĩa thực tế Vì thếnếu ta chọn số đĩa lí thuyết quá ít hoặc quá nhiều thì kết quả tính của Hysys cũng

sẽ không chính xác Chất lượng các dòng sản phẩm sẽ xấu hơn hoặc tốt hơn Bởivậy, khi chạy Hysys cần phải so sánh với các chỉ tiêu trong các tài liệu như Basic

of Design, mass balance…

1 Các điều kiện vào trước tháp của dầu thô:

Theo tài liệu PFD, dòng dầu thô ban đầu được bơm từ bể chứa với lưu lượng

1325 (m3/h) 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 chínhvới 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 (196oC và 213kPag) Sau đó dònghơi đi và dòng lỏng qua lò đốt đạt nhiệt độ 358 oC và áp suất 250kPag trước khi

đi vào tháp chính

2 Thông số các dòng hơi nước quá nhiệt:

Bảng 4 2 Thông số của hơi nước Stripping

Lưu lượng kg/h

Nhiệt độ

o C

Áp suất kPag Ghi chú

Áp suất tại đĩa nạp liệu, kPag 117

Bảng 4 5 Các thông số thiết kế và vận hành của Pumparound 2

Bảng 4 6 Các thông số thiết kế và vận hành của Pumparound 3

PA3 Số liệu thực tế

Bảng 4 7 Các thông số thiết kế và vận hành của Pumparound 4

- Dầu thô vào tháp ở đĩa: 39

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

4 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 liệuvận hành ở 100% năng suất:

Bảng 4 8 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp Stripping Kerosene

Stripping Kerosene Số liệu thực tế