Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển của nhà máy lọc dầu nghi sơn bằng phần mềm PROII (2)

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 hợp củapropane C3 và Butan C4 có tỷ lệ C3/C4 là 7:3 hoặc 5:5 tùy th

MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN 5

1.1 Giới thiệu 5

1.2 Công suất thiết kế và nhu cầu sản phẩm thương mại của nhà máy 5

1.3 Nguồn nguyên liệu được sử dụng cho nhà máy lọc dầu Nghi sơn 6

1.3.1 Lí do chọn dầu Kuwait làm nguyên liệu cho nhà máy 6

1.3.2 Các đặc tính của dầu thô từ Kuwait 6

1.4 Các sản phẩm thương mại của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn 8

1.4.1 Các sản phẩm năng lượng 8

1.4.2 Sản phẩm phi năng lượng 13

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ PHÂN XƯỞNG CDU CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN ………15

2.1 Phân xưởng CDU của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn và cơ sở thiết kế 15

2.1.1 Mục đích của quá trình 15

2.1.2 Mô tả quá trình 15

2.2 Cơ sở thiết kế 16

2.2.1 Mục đích thiết kế 16

2.2.2 Các nguồn nguyên liệu thiết kế 17

2.2.3 Các trường hợp thiết kế 17

2.2.4 Các trường hợp kiểm tra 19

Chương 3 CHƯNG CẤT DẦU THÔ 21

3.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất 21

3.1.1 Chưng đơn giản 21

3.1.2 Chưng cất phức tạp 24

3.1.3 Chưng cất trong chân không và chưng cất bằng hơi nước 28

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất 30

3.2.1 Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện 30

3.2.2 Áp suất của tháp chưng 33

3.2.3 Những điểm cần chú ý khi điều chỉnh, khống chế chế độ làm việc của tháp chưng cất 34 3.2.4 Các điều kiện cần thiết để đảm bảo cho việc chưng cất 35

3.3 Các tính chất vật lý quan trọng của dầu thô 36

3.3.1 Tỷ trọng 36

3.3.2 Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu 37

3.3.3 Thành phần cất 37

3.3.4 Nhiệt độ sôi trung bình 38

3.3.5 Hệ số đặc trưng K 38

Chương 4 MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT KHÍ QUYỂN CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN BẰNG PHẦN MỀM PRO II 39

4.1 Giới thiệu phần mềm Pro/II 39

4.1.1 Các bước tiến hành mô phỏng: 39

4.2 Nguyên liệu 41

4.3 Xây dựng sơ đồ mô phỏng 44

4.4 Lựa chọn mô hình nhiệt động 44

4.5 Xây dựng mô hình và các thông số mô phỏng cần thiết: 45

4.5.1 Lưu lượng dòng nguyên liệu và các dòng sản phẩm chính: 45

4.5.2 Các điều kiện dòng vào trước tháp: 46

4.5.3 Thông số các dòng hơi nước quá nhiệt: 46

4.5.4 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp chính 010-C-001: 46

4.5.5 Các thông số thiết kế và vận hành của tháp stripping: 48

4.5.6 Tiêu chuẩn kỹ thuật: 49

4.5.7 Mô hình tháp 010-C-001 trong mô phỏng bằng phần mềm Pro/II: 50

4.6 Tiến hành mô phỏng: 51

4.6.1 Thiết kế cho tháp chính 010-C-001: 51

4.6.2 Nhập các thông số cho các stripper: 57

4.6.3 Nhập các thông số cho bình tách: 58

Chương 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 59

5.1 Phân tích kết quả mô phỏng tháp chính 59

5.1.1 Lưu lượng các dòng sản phẩm 59

5.1.2 Chất lượng sản phẩm 59

KẾT LUẬN 63

LỜI MỞ ĐẦU

Mô hình hóa và mô phỏng là một phương pháp nghiên cứu khoa học được ứng dụng rấtrộng rãi; từ nghiên cứu, thiết kế chế tạo đến vận hành các hệ thống Do đó, nó được sử dụngtrong nhiều lĩnh vực sản xuất và xã hội Ngày nay, khó có thể tìm thấy lĩnh vực nào mà conngười không sử dụng phương pháp mô hình hóa ở những mức độ khác nhau Điều này đặc biệtquan trọng với lĩnh vực điều khiển các hệ thống kỹ thuật Và lĩnh vực chế biến dầu mỏ cũngkhông là một ngoại lệ

Làm thế nào để thiết kế được các thiết bị, phải vận hành hệ thống ra sao để có được hiệuquả cao nhất đó là một bài toán khó luôn đặt ra cho các nhà nghiên cứu, các nhà kỹ thuật…Môhình hóa và mô phỏng là một công cụ mạnh trong việc giải các bài toán trên Ngày nay, với sựtrợ giúp của máy tính kết hợp với các phần mềm chuyên dụng như ProII, Hysys, Dymsim…làm cho tối ưu hóa và mô phỏng dễ dàng và thuận tiện hơn

Từ những phân tích trên, em quyết định chọn đề tài: "Mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn bằng phần mềm PRO/II".

Đồ án này trình bày những nội dung sau:

1 Tổng quan nhà máy lọc dầu Nghi Sơn

2 Tổng quan về phân xưởng CDU

3 Cơ sở của quá trình chưng cất

4 Giới thiệu phần mềm ProII

5 Xây dựng sơ đồ mô phỏng phân xưởng CDU bằng phần mềm ProII

6 Mô phỏng và phân tích kết quả

7 Kết luận

Mục tiêu cụ thể của việc xây dựng nhà máy lọc dầu Nghi Sơn do chính phủ đề xuất 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 sự phát triển đồngđều 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 9.66 triệu tấn dầu thô/nămtrong giai đoạn đầu Chủ đầu tư này là một một công ty liên doanh gồm: Tập đoàn Dầu khí ViệtNam (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 danh nhà thầuEPC 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), 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 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 dầu tương đối sạch vớihàm lượng lưu huỳnh thấp (0.07%wt) rất tốt để làm nguyên liệu cho nhà máy lọc dầu Tuynhiên, chúng ta khai thác mỏ Bạch Hổ từ những năm 1988 khi đó đất nước chưa có nhà máylọc dầu nên nguồn dầu thô khai thác được chủ yếu bán cho nước ngoài Đến năm 2009 nhà máylọc dầu Dung Quất đi vào hoạt động thì nguồn nguyên liệu chủ yếu cho nhà máy là dầu Bạch

Hổ Vì vậy, để đảm bảo hoạt động lâu dài và liên tục của phức hợp nhà máy lọc dầu Nghi Sơn,nhà máy hợp tác và nhập khẩu dầu thô từ Trung Đông Hỗn hợp dầu thô từ Kuwait, Murban vàBlack 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 thô Kuwait đượclựa chọn là nguồn nguyên liệu chính để thiết kế nhà máy lọc dầu Nghi Sơn Ngoài ra, để đảmbảo trữ lượng của nhà máy, nguồn nguyên liệu Murban cũng được sử dụng

1.3.2 Các đặc tính của 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 đáp ứng đượccác yêu cầu của thị trường

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 như vậy, nó sẽ có hại cho quátrình sản xuất bởi vì sự hiện diện của các kim loại này gây 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 chất xúc 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

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 vào vận hành thương 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 càng nghiêm ngặt, do sự quan tâm ngày càngcao đối với bảo vệ môi trường Do đó, các tiêu chuẩn chất lượng của Việt Nam chưa phù hợpvới thực tế Thay vào đó phải xây dựng các tiêu chí của tiêu chuẩn chất lượng sản phẩm dựatrên các tiêu chuẩn Euro 3, Euro 4 để thực hiện các dự án trong khi vẫn đảm bảo 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 lưu huỳnh

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 hợp củapropane (C3) và Butan (C4) có tỷ lệ C3/C4 là 7:3 hoặc 5:5 tùy thuộc vào điều kiện sử dụng.Ngoài ra, hỗn hợp có thể chứa lên đến 0,5% các hydrocarbon nhẹ khác như butadien

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

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

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của LPG

Tỷ trọng (ở 15.6oC) 0,53÷0.56 ASTM D1657

Áp suât hơi Reid (RVP) , kPa 710÷1160 ASTM D1267

Hàm lượng lưu huỳnh, ppm 140 ASTM D2784

Propan, %vol, max 43÷63 ASTM D2163Xăng

Thành phần chủ yếu là hydrocarbon từ C4 đến C12 , tương ứng với nhiệt độ sôi thấp hơn

180oC Tùy thuộc vào nguồn gốc của dầu thô mà thành phần họ hydrocarbon (paraffin,naphtene, aromatic) trong xăng là khác nhau Ngoài ra, còn tồn tại tạp chất như nitơ, lưu huỳnh

và oxy Nhà máy lọc dầu luôn luôn quan tâm đến các hợp chất lưu huỳnh, đặc biệt là mercaptan(RSH)

Chỉ số octan là chỉ tiêu quan trọng nhất đối xăng Hiện nay, xăng RON95 chiếm lĩnh mộtphần không đáng kể trong thị trường Việt Nam, tuy nhiên, nhu cầu đối với loại xăng này sẽtăng đáng kể trong tương lai và sau năm 2015 sẽ thống trị thị trường xăng dầu Do đó, các nhàmáy lọc dầu Nghi Sơn được quy hoạch để sản xuất ba loại xăng: 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 D3237Hàm lượng lưu huỳnh, ppm, max 500 TCVN 6701:2000

ASTM D5453Hàm lượng Benzene,% V 2.5 TCVN 6703:2000ASTM D4420

ASTM D4953

Tỷ trọng (ở 15oC), kg/l 0,72-0,76 TCVN 6594:2000ASTM D1298Hàm lượng olefin,% thể tích, max 38 TCVN 7330:2003ASTM D1319Hydrocacbon thơm, %thể tích, max 40 TCVN 7330:2003ASTM D1319Nhiên liệu phản lực Jet A1

Động cơ phản lực làm việc ở điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ và áp suất thấp ở độ cao rấtcao) Vì vậy, thông số kỹ thuật của nhiên liệu chặt chẽ hơn tất cả các loại nhiên liệu khác

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

Hàm lượng lưu huỳnh, %kl,

max <0,3 TCVN 2708:2002, ASTM D1266-98Mercaptan, %kl, max <0,002 ASTM D3227

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

Diesel

Bảng 1.5 Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu Diesel

Lưu huỳnh wt ppm 0.05%S,0.25%

S

TCVN 6701:2000ASTM D2622/ D5453

Phần cất

90% V, oC max

360-

-TCVN 2698:2002ASTM D86Điểm chớp cháy cốc min 55 TCVN 6608:2000

ASTM D 482Nước

Nước và tạp chất

Tạp chất

mg/kg,maxvol%

mg/l

200-10

ASTM E 203ASTM D2709ASTM D 2276Khối lượng riêng

(15 oC) kg/m

3 820÷860 TCVN 2694:2000

ASTM D 1298/ D4052

Dầu FO (Fuel Oil)

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

FO có hai ứng 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 1.6 Tiêu chuẩn chất lượng của FO

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) Lưuhuỳnh có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong một số lĩnh vực của ngành công nghiệp như

- Khoảng 90% lưu huỳnh cho sản xuất H2SO4

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

SƠN2.1 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 phân tách dầu thô thành các phân đoạn để sản xuất nguồn phốitrộn trực tiếp cho các sản phẩm cất (sau khi đã qua các quá trình xử lý hạ nguồn thích hợp) vànguyên liệu cho phân xưởng hạ nguồn

2.1.2 Mô tả quá trình

Quá trình phân tách thực hiện trong tháp chưng cất khí quyển, có thiết bị ngưng tụ đỉnhnhưng không có thiết bị đun sôi lại ở đáy tháp, hoạt động dưới áp suất từ 1÷ 3 (barg) Các dòngsản phẩm được trích ra từ các tháp tách cạnh sườn (strippers), các tháp strippers gồm:

- Strippers KEROSENE, AGO: dùng hơi nước quá nhiệt để bay hơi các cấu tử nhẹ của cácdòng 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

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 hệ thống làm nguội bằng quạt rồi vào bình hồi lưu.Tại đây dòng naphtha lấy ra sẽ được đưa qua tháp ổn định xăng trong phân xưởng thu hồi LPGnhằm loại bỏ các thành phần nhẹ và nước Các dòng sản phẩm tách cạnh sườn sẽ qua các thiết

bị strippers để loại bỏ các thành phần nhẹ (dùng hơi nước hoặc thiết bị đun sôi lại) Phần nhẹtách ra sẽ quay về thân tháp (đây được coi là dòng hồi lưu trung gian), còn phần nặng đượcxem là sản phẩm của phân xưởng Các sản phẩm sau đó được làm lạnh bằng cách trao đổi nhiệtvới 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

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 là tối đa cácphần cất và tối thiểu cặn Thiết kế phải linh động trong sản xuất sản phẩm, cho phép sự thay đổinhỏ trong chất lượng nguyên liệu

Có hai trường hợp thiết kế và sản xuất kerosene được thiết kế để đảm bảo tiêu chuẩn của cảkerosene dùng trong nhiên liệu phản lực và kerosene dùng trong mục đích khác Tuy nhiên,điểm chớp cháy của sản phẩm kerosene và tiêu chuẩn ASTM-D86 IBP sẽ đạt được tại phânxưởng xử lý lưu huỳnh cho kerosene(KHDS)

Thiết kế kết hợp các đặc điểm về sử dụng năng lượng tối ưu và thu hồi nhiệt phù 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 cho các quátrình tiếp theo

- Dòng Kerosene được đưa đến phân xưởng KHDS hoặc to Slops trong trường hợpKHDS ngừng hoạt động

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

- Dòng cặn khí quyển được đưa nóng đến phân xưởng RHDS cho quá trình xử lý tiếptheo 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 tách đỉnh củatháp 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 xuất khẩu

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 lỏng dầu thôMurban là 200000 BPSD

Bảng 2.8 Tiêu chuẩn của sản phẩm

Các sản phẩm

Tiêu chuẩn sản phẩm

(chú ý 3)

Max Kero

ASTM D86 Naphtha trừ nguyên liệu 5

oC min

5% vol ASTM D86 Atm Gas Oil và 95%

oC min

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 phân xưởngKHDS

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 đa lợinhuận trong Aromatic Complex Trường hợp này overflash được giảm từ 5 xuống 2.3%

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 hợp với thayđổi thị trường Sự thay đổi tương ứng với 17% lớn hơn lượng sản xuất kerosene trong trườnghợp 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 lưutuần hoàn đỉnh nóng) Phương pháp bao gồm dòng naphtha thô từ bình tách đỉnh đưa đến dòngquay lại của hồi lưu tuần hoàn đỉnh

CDU sẽ vận hành theo cách này trong suốt quá trình khởi động, rửa, off-design Các điểmcắt 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

3.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất

Quá trình chưng cất dầu là một quá trình vật lý phân chia dầu thô thành các thành phầngọi là các phân đoạn Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm táchcác phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong dầu mà không làm phân huỷ chúng Hơinhẹ bay lên, ngưng tụ thành phần lỏng Tuỳ theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người taphân chia quá trình chưng cất thành chưng cất đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất nhờ cấu tửbay hơi hay chưng cất trong chân không

3.1.1 Chưng đơn giản

Chưng đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi dần dần, mộtlần hay nhiều lần, một hỗn hợp chất lỏng cần chưng

a Chưng bay hơi dần dần:

Thiết bị (2) đốt nóng liên tục hỗn hợp chất lỏng trong bình chưng (1) từ nhiệt độ thấp tớinhiệt độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sản phẩm và ngưng tụ hơi bay ra trong thiết bị ngưng tụ(3) và thu được sản phẩm lỏng trong bể chứa (4)

Phương pháp này thường áp dụng trong phòng thí nghiệm

b Chưng cất bằng cách bay hơi một lần:

Phương pháp này còn được gọi là bay hơi cân bằng

Hỗn hợp chất lỏng được cho liên tục vào thiết bị đun sôi (2), ở đây hỗn hợp được đunnóng đến nhiệt độ xác định và áp suất P cho trước Pha lỏng – hơi được tạo thành và đạt đếntrạng thái cân bằng, ở điều kiện đó lại được cho vào thiết bị phân chia một lần trong thiết bịđoạn nhiệt (1) Pha hơi qua thiết bị ngưng tụ (3) rồi vào bể chứa (4), từ đó ta nhận được phầncất Phía dưới thiết bị (1) là pha lỏng được tách ra liên tục và ta nhận được phần cặn

Tỷ lệ giữa lượng hơi được tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏng nguyên liệuchưng ban đầu được gọi là phần chưng cất

Chưng cất một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bayhơi dần dần ở cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất

Ưu điểm: Quá trình chưng cất này cho phép áp dụng trong thực tế để chưng cất dầu Tuy

với nhiệt độ chưng bị giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng phần cất lớn hơn

c Chưng cất bay hơi nhiều lần:

Là quá trình gồm nhiều quá trình bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng cao dần(hay ở áp suất thấp hơn) đối với phần cặn

1

3 I

3 I

5 4

2 Tháp chưng nhiệt độ cao

3 Thiết bị gia nhiệt

4 Thiết bị ngưng tụ

5 Bình chứa sản phẩm

I Nhiên liệu

II Phần cất nhẹIII Cặn chưng cất ở nhiệt độ thấp

IV Phần cất nặng

V Cặn chưng cất ở nhiệt độ caoNhiên liệu (I) được cho qua thiết bị gia nhiệt (3) và được làm nóng đến nhiệt độ cầnthiết, sau đó cho vào tháp chưng đoạn nhiệt (1)

Ở đây phần nhẹ được bay hơi trên đỉnh và qua thiết bị làm lạnh (4) Sau đó vào bể chứa(5) Phần nặng ở đáy tháp (1) được gia nhiệt ở (3) và dẫn vào tháp chưng đoạn nhiệt (2) Tháp

chưng này có áp suất thấp hơn so vơi áp suất tháp chưng (1) và phần nhẹ bay hơi lên đỉnh, quathiết bị ngưng tụ (4) và sau đó vào bể (5) Ta thu được phần sản phẩm nặng (IV) Ở đáy tháp (2)

ta thu được phần cặn của quá trình chưng (V)

Phương pháp chưng cất dầu bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiều lần có ý nghĩa rất lớntrong thực tế công nghiệp chế biến dầu ở các dây chuyền hoạt động liên tục Quá trình bay hơimột lần được áp dụng khi đốt nóng dầu trong các thiết bị trao đổi nhiệt, trong lò ống và tiếptheo quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận cung cấp, phân phối của tháp tinh luyện

Chưng đơn giản, nhất là với loại bay hơi một lần, không đạt được độ phân chia cao khicần phân chia rõ ràng các cầu tử của hỗn hợp chất lỏng

3.1.2 Chưng cất phức tạp

Để nâng cao khả năng phân chia một hỗn hợp chất lỏng phải tiến hành chưng cất có hồilưu hay chưng cất có tinh luyện – đó là chưng cất phức tạp

a Chưng cất có hồi lưu:

Chưng cất có hồi lưu là quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách

ra cho quay lại tưới vào dòng hơi bay lên Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữagiữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tửnhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có hồi lưu, nhờ vậy mà có độ phân chia caohơn Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế bằng bộ phận đặc biệt và được bố trí phía trênthiết bị chưng cất

Nguyên liệu (I) qua thiết bị đun nóng (2) rồi đưa vào tháp chưng (1) phần hơi đi lênđỉnh tháp sau đó qua thiết bị làm lạnh và thu được sản phẩm (II) Phần đáy được tháo ra là cặn(III) một phần được gia nhiệt hồi lưu trở lại đỏy thỏp thực hiện tiếp quá trình chưng cất thuđược sản phẩm

1

Nguyên lý làm việc của các tầng đĩa trong tháp tinh luyện

Chưng cất có tinh luyện cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu Cơ sở quátrình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyểnđộng ngược chiều nhau Quá trình này thực hiện trong tháp tinh luyện Để đảm bảo sự tiếp xúchoàn thiện hơn giữa pha lỏng và hơi, trong tháp được trang bị các đĩa hay đệm Độ phân chiamột hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha (số đĩa lý thuyết),vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp

Các quá trình chưng cất sơ khởi dầu thô dựa vào quá trình chưng cất một lần và nhiềulần có tinh luyện

Quá trình tinh luyện xảy ra trong tháp chưng cất phân đoạn có bố trí các đĩa Hoạt độngcủa tháp được mô tả như hình vẽ ở trên

Pha hơi Vn bay lên từ đĩa thứ n lên từ đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1 chảy từđĩa n-1 xuống, còn pha lỏng từ đĩa Ln từ đĩa n chảy xuống đĩa phía dưới n+1 lại tiếp xúc vớipha hơi Vn+1 bay từ dưới lên Nhờ quá trình tiếp xúc như vậy mà quá trình trao đổi chất xảy ratốt hơn Pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy xuốngphía dưới ngày càng chứa nhiều các cấu tử nặng Số lần tiếp xúc càng nhiều, quá trình trao đổichất càng tăng cường và sự phân tách của tháp càng tốt, hay nói cách khác, tháp có độ phânchia cao Đĩa trên cùng có hồi lưu đỉnh, còn đĩa dưới cùng có hồi lưu đáy, nhờ đó làm cho tháphoạt động liên tục, ổn định có khả năng phân chia cao Ngoài đỉnh và đáy, nếu cần người ta cònthiết kế hồi lưu trung gian, bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn tháp cho qua trao đổinhiệt làm lạnh rồi quay lại tưới vào tháp Cũng khi lấy sản phẩm cạnh sườn tháp, người ta trang

bị thêm các bộ phận tách trung gian cạnh sườn tháp Như vậy theo chiều cao của tháp tinhluyện, ta sẽ nhận được các phân đoạn có giới hạn sôi khác nhau tuỳ thuộc vào chế độ côngnghệ chưng và nguyên liệu dầu thô ban đầu

3.1.3 Chưng cất trong chân không và chưng cất bằng hơi nước

Hỗn hợp các cấu trúc trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi tăng nhiệt độ.Trong số các hợp chất dễ bị phân huỷ nhiệt nhất là các hợp chất chứa lưu huỳnh, các chất caophân tử như nhựa… Các hợp chất parafinic kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphtenic và cácnaphtenic lại kém bền nhiệt hơn các hợp chất thơm Độ bền của các cấu tử tạo thành dầu khôngchỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả vào thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó Trongthực tế chưng cất, đối với các phân đoạn có nhiệt độ cao, người ta cần tránh sự phân huỷ nhiệtcủa chúng khi đốt nóng Tuỳ theo loại dầu thô, trong thực tế không nên đốt nóng quá 400 ÷

420oC với dầu không có hay có chứa rất ít lưu huỳnh và không quá 320 ÷ 340oC với dầu cónhiều lưu huỳnh

Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất làm việc của sản phẩm, như làmgiảm độ nhớt và nhiệt độ bắt cháy cốc kín của chúng, giảm độ bền oxy hóa Nhưng quan trọnghơn là chúng gây nguy hiểm cho quá trình chưng cất vì chúng tạo ra các hợp chất ăn mòn vàlàm tăng áp suất tháp

Để giảm mức độ phân huỷ, thời gian lưu của nguyên liệu ở nhiệt độ cao cũng cần phảihạn chế Ví dụ trong thực tế chưng cất thời gian lưu của nguyên liệu dầu (phân đoạn cặn chưngcất khí quyển) ở đáy của tháp AD không lớn hơn 5 phút và phân đoạn gudron khi chưng chânkhông VD chỉ khoảng 2 đến 5 phút

Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt củachúng, người ta phải dùng chưng trong chân không VD hay chưng cất với hơi nước để tránh sựphân huỷ nhiệt Chân không làm giảm nhiệt độ sôi, còn hơi nước cũng có tác dụng tương tựnhư dùng chân không: giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp làm cho chúng sôi ở nhiệt

độ thấp hơn Hơi nước được dùng ngay cả trong chưng cất khí quyển Khi tinh luyện, nó đượcdùng để tái bay hơi phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp còn chứa trong mazut hay gudron, trongnhiên liệu và dầu nhờn Kết hợp dùng chân không và hơi nước khi chưng cất phần cặn sẽ chophép đảm bảo hiệu quả tách sâu hơn phân đoạn dầu nhờn (có thể đến 550 ÷ 600oC)

Tuy nhiên tác dụng của hơi nước làm tác nhân bay hơi còn bị hạn chế, vì nhiệt độ bayhơi khác xa so với nhiệt độ đốt nóng chất lỏng Vì thế nếu tăng lượng hơi nước thì nhiệt độ và

áp suất hơi bão hoà của dầu giảm xuống và sự tách hơi cũng giảm theo Do vậy lượng hơi nước

có hiệu quả nhất chỉ trong khoảng 2 ÷ 3% so với nguyên liệu đem chưng cất khi số cấp tiếp xúc

lý thuyết là 3 hoặc 4 Trong điều kiện như vậy, lượng hơi dầu tách ra từ phân đoạn mazut đạttới 14 ÷ 23% Khi chưng cất với hơi nước, số lượng phân đoạn tách ra được có thể tính theophương trình sau:

G =

Trong đó:

G và z - số lượng hơi dầu tách được và lượng hơi nước

Mf - phân tử lượng của hơi dầu

18 - phân tử lượng của nước

P - áp suất tổng cộng của hệ

Pf - áp suất riêng phần của dầu ở nhiệt độ chưng

Nhiệt độ của hơi nước cần phải không thấp hơn nhiệt độ của hơi dầu tránh sản phẩm dầungậm nước Do vậy người ta thường dùng hơi nước nhiệt độ trong khoảng 380 ÷ 450oC, áp suấthơi từ 0,2 ÷ 0,5 Mpa

Công nghệ chưng cất dầu với hơi nước có nhiều ưu điểm Ngoài việc giảm áp suất riêngphần của dầu, nó cũng tăng cường khuấy trộn chất lỏng tránh tích nhiệt cục bộ, tăng diện tích

bề mặt bay hơi do tạo thành những tia và các bong bóng hơi Người ta cũng dùng hơi nước đểtăng cường đốt nóng cặn dầu trong lò ống khi chưng cất trong chân không Khi đó đạt đượcmức độ bay hơi lớn cho nguyên liệu dầu, tránh và ngăn ngừa tạo cốc trong các lò đốt nóng.Tiêu hao hơi nước trong trường hợp này khoảng 0,3 ÷0,5% so với nguyên liệu

Trong một vài trường hợp chẳng hạn như khi nâng cao nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệuphản lực hay diesel, người ta không dùng chưng cất với hơi nước mà dùng quá trình bay hơimột lần để tránh tạo thành nhũ tương nước bền trong nhiên liệu

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất

Các yếu tố công nghiệp có ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất và chất lượng của quá trìnhchưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất

Chế độ công nghệ chưng cất phụ thuộc nhiều vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mụcđích và yêu cầu của quá trình, vào chủng loại và sản phẩm cần thu và phải có dây chuyền côngnghệ hợp lý

Vì vậy khi thiết kế quỏ trình chưng cất, ta phải xét kỹ và kết hợp đầy đủ tất cả các yếu tố

để quá trình chưng cất đạt hiệu quả cao nhất Các yếu tố công nghệ chưng cất dầu chính là cácyếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm việc của tháp chưng cất

3.2.1 Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện

Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất của tháp chưng cất Bằng cách thay đổi nhiệt độcủa tháp sẽ điều chỉnh được nhiệt độ và hiệu suất của sản phẩm Chế độ nhiệt của tháp gồmnhiệt độ của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp

Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) vào tháp chưng phụ thuộc vào bản chất của loại dầuthô, mức độ phân tách của sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp,nhưng chủ yếu phải tránh sự phân huỷ nhiệt ở nhiệt độ cao Nếu dầu thô thuộc loại dầu nặngmức độ phân chia lấy sản phẩm ít thì nhiệt độ vào tháp chưng luyện sẽ không cần cao Trongthực tế sản phẩm khi chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ nguyên liệu vào tháp chưng luyệnthường trong giới hạn 320 ÷ 3600C còn nhiệt độ nguyên liệu mazut vào tháp chưng ở áp suấtchân không thường khoảng 400 ÷ 4400C

Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và hồi lưu đáy Nếubay hơi phần hồi lưu đáy bằng thiết bị đốt nóng riêng biệt thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt

độ bốc hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp, nếu bốc hơi bằng cách dùng hơi nước quá nhiệt thìnhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn vùng nạp liệu Nhiệt độ đáy tháp phải chọn tối ưu, tránh sự phânhuỷ các cấu tử nặng, nhưng lại phải đủ để tách hết hơi nhẹ khỏi phần nặng

Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi

Nhiệt độ đỉnh tháp chưng luyện ở áp suất thường để tách xăng ra khỏi dầu thô thường là

110 ÷ 1300C, còn đối với tháp chưng chân không, khi áp suất chưng là 10 ÷ 70 mmHg thườngnhiệt độ không quá 1200C Với mục đích để giảm bớt mất mát Gasoil chân không hay mất mátcác cấu tử trong phân đoạn dầu nhờn

Để bảm bảo chế độ nhiệt của tháp, cũng như đã phân tích ở trên là để phân chia các quátrình hoàn thiện thì phải có hồi lưu

Các dạng hồi lưu: Ở đỉnh tháp có hai dạng hồi lưu: Hồi lưu nóng và hồi lưu nguội.

 Hồi lưu nóng: Quá trình hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách ngưng tụ một

phần hơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó Khi tưới trở lại tháp, chúng chỉcần thu nhiệt để bốc hơi Tác nhân lạnh có thể dùng là nước hay chính sảnphẩm lạnh

Xác định lượng hồi lưu nóng theo công thức:

Rn

Trong đó:

 Rn - lượng hồi lưu nóng, kg/h

 Q - Nhiệt hồi lưu cần lấy để bốc hơi, Kcal/h

 i - Nhiệt ngưng tụ của sản phẩm lỏng, Kcal/h

Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và khó cho việc vệ sinh, đặc biệt khi công suất của tháplớn, nên ít phổ biến và bị hạn chế

 Hồi lưu nguội: Được thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ sản phẩm

đỉnh rồi tưới trở lại tháp chưng Khi đó lượng hồi lưu cần thu lại một lượngnhiệt cần thiết để đun nóng nó đến nhiệt độ sôi cần thiết để đun nóng nó đếnnhiệt độ sôi và nhiệt độ cần để hoá hơi

Xác định hồi lưu nguội theo công thức:

Rn

Trong đó:

 Rng: Nhiệt hồi lưu nguội, kg/h

 Q: Nhiệt lượng hồi lưu lấy đi, Kcal/h

 qh t1: Hàm nhiệt của hơi phần tinh cất với nhiệt độ t1 đi ra khỏi đỉnh tháp chưng,Kcal/h

 ql t2: Hàm nhiệt của pha lỏng lượng hồi lưu nguội với nhiệt độ t2 vào tháp chưng,Kcal/h

 i: Nhiệt lượng phần hơi

 c: Nhiệt dung riêng của sản phẩm hồi lưu

 t1, t2: Nhiệt độ của hơi và lỏng tương ứng

Từ công thức trên ta thấy lượng hồi lưu nguội càng nhỏ thì nhiệt độ hồi lưu vào tháp (t1)càng thấp Thường nhiệt độ hồi lưu t1 tưới vào tháp chưng khoảng 30÷400C

Hồi lưu nguội sử dụng rộng rãi vì lượng hồi lưu thường ít, làm tăng rõ ràng chấtlượng mà không giảm nhiều năng suất của tháp chưng

 Hồi lưu trung gian: Quá trình hồi lưu trung gian thực hiện bằng cách lấy một

phần sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ là t1, đưa ra ngoài làm lạnhđến t0 rồi tưới trở lại tháp, khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt đểđun nóng từ nhiệt độ t0÷t2

Xác định hồi lưu trung gian qua công thức:

Rtg

Trong đó:

 Q: Lượng hồi lưu lấy đi, Kcal/h