THIẾT KẾ CỤM CHƯNG CẤT KHÍ QUYỂN DẦU THÔ VỚI MỤC TIÊU TỐI THIỂU HÓA NĂNG LƯỢNG TIÊU THỤ

Đưa ra thiết kế công nghệ (nhiệt độ dòng nhập liệu, số mâm chưng cất...), bao gồm việctính toán công suất pumparound cần thiết cho một tháp chưng cất khí quyển dầu thô. Mô phỏng tháp chưng cất khí quyển dầu thô trên Hysys, sau đó tìm công suất pumparoundthích hợp nhất cho việc tận dụng nhiệt lượng để gia nhiệt dầu thô nhập liệu thông qua hệthống thiết bị trao đổi nhiệt. Thiết kế mạng lưới trao đổi nhiệt choĐưa ra thiết kế công nghệ (nhiệt độ dòng nhập liệu, số mâm chưng cất...), bao gồm việctính toán công suất pumparound cần thiết cho một tháp chưng cất khí quyển dầu thô. Mô phỏng tháp chưng cất khí quyển dầu thô trên Hysys, sau đó tìm công suất pumparoundthích hợp nhất cho việc tận dụng nhiệt lượng để gia nhiệt dầu thô nhập liệu thông qua hệthống thiết bị trao đổi nhiệt. Thiết kế mạng lưới trao đổi nhiệt choĐưa ra thiết kế công nghệ (nhiệt độ dòng nhập liệu, số mâm chưng cất...), bao gồm việctính toán công suất pumparound cần thiết cho một tháp chưng cất khí quyển dầu thô. Mô phỏng tháp chưng cất khí quyển dầu thô trên Hysys, sau đó tìm công suất pumparoundthích hợp nhất cho việc tận dụng nhiệt lượng để gia nhiệt dầu thô nhập liệu thông qua hệthống thiết bị trao đổi nhiệt. Thiết kế mạng lưới trao đổi nhiệt cho

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHIÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KĨ THUẬT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

2

2 Nhiệm vụ:

- Đưa ra thiết kế công nghệ (nhiệt độ dòng nhập liệu, số mâm chưng cất…), bao gồm việc

tính toán công suất pump-around cần thiết cho một tháp chưng cất khí quyển dầu thô

- Mô phỏng tháp chưng cất khí quyển dầu thô trên Hysys, sau đó tìm công suất pump-around

thích hợp nhất cho việc tận dụng nhiệt lượng để gia nhiệt dầu thô nhập liệu thông qua hệ

thống thiết bị trao đổi nhiệt

- Thiết kế mạng lưới trao đổi nhiệt cho cụm chưng cất khí quyển dầu thô dùng kỹ thuật pinch

Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn

Nơi lưu trữ luận văn: Bộ Môn Chế Biến Dầu Khí

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA

VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN: ĐỖ TIẾN ĐẠT MSSV: 1610623 NGÀNH: KT CHẾ BIẾN DẦU KHÍ LỚP: HC16KSTN

1 Tên luận văn: Thiết kế cụm chưng cất khí quyển dầu thô với mục tiêu tối thiểu hóa lượng

năng lượng tiêu thụ

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 01/ 09 / 2019

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 / 05 / 2020

5 Họ và tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn:

3

LỜI CÁM ƠN

Thành phố Hồ Chí Minh những ngày cuối cùng của một chặng đường ý nghĩa, mãi mãi khắc ghi trong kí ức, dần trôi về sự kết thúc, em viết những dòng chữ trong lời cám ơn này với một tâm trạng đong đầy cảm xúc khó tả Chặng đường học tập đại học của em tại mái nhà B2 – Khoa Kĩ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG

TP HCM nói dài thì không và tất nhiên sẽ không bao giờ là ngắn Bốn năm ở Bách Khoa giúp em nhận biết vốn kiến thức của bản thân còn nhỏ bé, thiếu sót rất nhiều và từng ấy năm ở Bách Khoa đã rèn luyện, trang bị, nâng đỡ cho em phát triển hơn qua mỗi ngày

Em của hôm nay là một phiên bản tốt đẹp hơn, giỏi giang hơn, trưởng thành em của ngày trước rất nhiều, những ngày mới chập chững tốt nghiệp phổ thông, nhờ vào sự dạy dỗ,

hỗ trợ hết mực của quý thầy cô giảng viên, công nhân viên nhà trường và sự giúp đỡ, trân quý, thương yêu từ những người bạn Tuổi trẻ của em thật may mắn và rạng ngời khi có cơ duyên được gặp gỡ những con người quá đỗi tuyệt vời như vậy

Con xin cám ơn ba mẹ đã sinh ra con, nuôi nấng, dạy dỗ con nên người và trao cho con thật nhiều yêu thương mặc cho tất cả những khó khăn, vất vả của cuộc đời, không có ba mẹ thì con đã không được biết đến thế giới tươi đẹp này Con cám ơn Bà Chín, Bà Ngoại, Mẹ Út và Ba Út vì đã luôn bên con, hỗ trợ con cả về mặt tinh thần lẫn vật chất trong suốt thời gian học tập đại học, không có mọi người con sẽ không được hưởng sự giáo dục đủ đầy này Con mãi mang ơn và yêu thương mọi người

Em xin trân trọng cám ơn thầy hướng dẫn, Tiến sĩ Nguyễn Thành Duy Quang đã luôn quan tâm giúp đỡ, tận tình hướng dẫn và hỗ trợ hết mình để em có thể hoàn thành tốt luận văn Trong thời gian khoảng 10 tháng được làm việc với thầy, em đã nỗ lực hết mình, luôn thể hiện ý chí cầu tiến, ham học hỏi, thật sự chăm chỉ, quyết tâm hoàn thành tốt các nhiệm vụ mà đề tài luận văn đưa ra và do đó đã tích lũy, học hỏi được rất nhiều kiến thức, kinh nghiệm quý báu từ thầy Bên cạnh đó là những kỉ niệm khó phai về những lần được trao đổi đề tài ở nhà thầy, khi mà các thầy trò cùng nhau cố gắng vượt lên trở ngại do dịch bệnh gây ra Một lần nữa, em cám ơn thầy thật nhiều và em đã rất may mắn khi được làm học trò của thầy Em mãi là học trò của thầy

4

Mình cũng gửi lời cám ơn đến Cẩm Tú, bạn đồng hành cùng mình trong hành trình gian nan nhưng rất vui và ý nghĩa để hoàn thành luận văn này Không có Cẩm Tú thì mình sẽ không thể tiến xa được như vậy, quả là mình lại rất may mắn khi được quen biết, vui chơi và học tập cùng Tú Đồng thời mình cũng cám ơn tất cả bạn bè đã bên mình, cùng mình đi hết khoảng thời gian đại học rạng rỡ này Mình không thể kể hết tên mọi người trên trang giấy này nhưng đã kịp lưu giữ hết vào tim Mãi yêu mọi người

Kiến thức là trời biển vô tận trong khi khả năng và thời gian của em chỉ hữu hạn

mà thôi nên luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót do đó em mong sẽ được các thầy cô chỉ dạy, góp ý thêm để em có thể cải thiện tốt hơn và tự tin hơn vào con đường sau này Lời cuối cùng em xin được cám ơn chân thành, sâu sắc quý thầy cô của Bộ môn Kĩ thuật Chế biến Dầu khí vì tất cả những kiến thức giá trị và quý báu đã trang bị cho em Em kính chúc quý thầy cô được dồi dào sức khỏe, vui vẻ và hạnh phúc trong cuộc sống, trên con đường sự nghiệp của mình Đối với em các thầy cô đã có một

sự nghiệp vẻ vang ở trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM

Trân trọng

Đỗ Tiến Đạt

5

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN 3

MỤC LỤC 5

DANH MỤC HÌNH 8

DANH MỤC BẢNG 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11

1.1 Đặt vấn đề 11

1.2 Mục tiêu 12

1.3 Cấu trúc luận văn 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Chưng cất khí quyển dầu thô 14

2.1.1 Các tính chất lý hóa của dầu thô 14

i Độ bay hơi 14

ii Tỷ trọng 14

iii Độ nhớt 14

iv Sự ăn mòn và ô nhiễm môi trường 15

v Điểm vẩn đục và điểm chảy 16

vi Điểm chớp cháy 16

vii Chỉ số octane 16

viii Trị số cetane 17

2.1.2 Sản phẩm quá trình chưng cất 17

2.1.3 Các quá trình chưng cất 18

i Chưng cất đơn giản 18

ii Chưng cất phức tạp 18

a Chưng cất hồi lưu 19

b Chưng cất chân không và chưng cất có hơi nước 19

2.2 Quy trình chưng cất khí quyển dầu thô 19

2.3 Phương pháp tối ưu 22

2.3.1 Pumparound 22

6

2.3.2 Kĩ thuật phân tích Pinch 24

i Khái niệm và vai trò 24

ii Trình tự thực hiện 26

a The Composite Curve 26

b Xác định mục tiêu năng lượng 27

c Thiết kế mạng trao đổi nhiệt 29

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 30

3.2 Quy trình cân bằng vật chất 30

3.2.1 Xác định nhiệt độ các phân đoạn sản phẩm 30

3.2.2 Xác định phần trăm thể tích sản phẩm trên đường cong TBP 30

3.2.3 Cân bằng vật chất 30

3.3 Tính toán Flash zone 31

3.3.1 Vẽ đường EFV 31

3.3.2 Các tính toán cho phần Flash zone 33

3.3.3 Tính toán điều kiện nhập liệu tại Flash zone 34

3.4 Quy trình cân bằng năng lượng 34

3.4.1 Cân bằng nhiệt cho tháp (Tower Heat Balances) 34

i Nhiệt độ dòng sản phẩm Residue rời khỏi tháp 34

ii Nhiệt độ các dòng sản phẩm trích ngang 37

a Tower pressure profile 37

b Điểm sôi đầu lí thuyết (theoretical initial boiling points) 39

c Tính toán xấp xỉ áp suất riêng phần và nhiệt độ trích ngang 39

3.4.2 Nhiệt độ đỉnh tháp (Tower Top Temperature) 40

3.4.3 Nhiệt độ rời tháp nhả của các dòng trích ngang (Side Stream Stripper Bottom Temperature) 40

3.4.4 Cân bằng nhiệt lượng cho toàn bộ tháp chưng cất 42

3.5 Đường kính tháp chưng cất 45

3.6 Tổng kết quy trình thiết kế 46

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA CỤM CHƯNG CẤT KHÍ QUYỂN 48

7

4.1 Mô phỏng trên Aspen Hysys 48

4.2 Kiểm tra độ phân tách và chất lượng sản phẩm 51

4.2.1 Độ phân tách 51

4.2.2 Chất lượng sản phẩm 52

4.3 Tối ưu Pumparound 55

4.3.1 Hệ thống Pumparound 55

4.3.2 Cách thức tiến hành 57

4.3.3 Kết quả 58

4.4 Thiết kế mạng trao đổi nhiệt với kĩ thuật Pinch 59

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 71

8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn, Thanh Hóa, Việt Nam 11

Hình 2.1: Cấu hình cụm chưng cất khí quyển dầu thô 20

Hình 2.2: Đánh đổi giữa vốn đầu tư và chi phí năng lượng 25

Hình 2.3: Đường composite curve trên đồ thị T - ∆H 27

Hình 2.4: Heat sink và Heat source 28

Hình 2.5: Đồ thị Cost - ∆Tmin 29

Hình 3.1: Đường cong TBP 31

Hình 3.2: Đường cong EFV ở điều kiện Flash zone 35

Hình 3.3: Giản đồ cân bằng năng lượng tại khu vực nhả đáy 36

Hình 3.4: Cấu hình tháp 38

Hình 3.5: Giản đồ cân bằng năng lượng cho các tháp nhả 41

Hình 3.6: Giản đồ cân bằng năng lượng cho toàn tháp 43

Hình 3.7: Giản đồ cân bằng năng lượng cho đỉnh tháp 44

Hình 4.1: Cấu hình cụm chưng cất khí quyển 48

Hình 4.2: Môi trường bên trong tháp 49

Hình 4.3: Thông số sản phẩm Naphtha 49

Hình 4.4: Thông số sản phẩm Kerosene 50

Hình 4.5: Thông số sản phẩm Diesel 50

Hình 4.6: Thông số sản phẩm AGO 50

Hình 4.7: Thông số phần cặn lỏng Residue 51

Hình 4.8: Thông số Pumparound 51

Hình 4.9: Thông số Stripper 51

Hình 4.10: Vị trí sắp xếp hệ thống Pumparound 56

Hình 4.11: Đường Composite Curve 63

Hình 4.12: Sơ đồ lưới mạng trao đổi nhiệt 65

Hình 4.13: Cấu hình hệ thống gia nhiệt dầu thô 68

9

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các khí thải 15

Bảng 2.2: Đặc trưng chỉ số octane của các hydrocarbon 17

Bảng 2.3: Đặc trưng trị số cetane của các hydrocarbon 17

Bảng 2.4: Các sản phẩm quá trình chưng cất 17

Bảng 3.1: Khoảng nhiệt độ sôi của các phân đoạn sản phẩm 30

Bảng 3.2: Phần trăm thể tích sản phẩm trên TBP 31

Bảng 3.3: Cân bằng vật chất 32

Bảng 3.4: Đường cong EFV ở áp suất khí quyển 32

Bảng 3.5: Tổng nhiệt lượng dầu thô ở điều kiện Flash zone 35

Bảng 3.6: Cân bằng năng lượng tại khu vực nhả đáy 36

Bảng 3.7: Tóm tắt vị trí mâm và áp suất tương ứng 39

Bảng 3.8: Thông số đặc trưng của các dòng trích ngang 40

Bảng 3.9: Cân bằng năng lượng cho tháp nhả AGO 41

Bảng 3.10: Cân bằng năng lượng cho toàn tháp 43

Bảng 3.11: Cân bằng năng lượng cho đỉnh tháp 45

Bảng 3.12: Thông số pumparound 45

Bảng 3.13: Thông số sản phẩm 47

Bảng 3.14: Cấu hình tháp chưng cất 47

Bảng 3.15: Thông số Pumparound 47

Bảng 4.1: Nhiệt độ phân tách các phân đoạn 52

Bảng 4.2: Tiêu chuẩn chất lượng Naphtha 53

Bảng 4.3: Tiêu chuẩn chất lượng Kerosene 53

Bảng 4.4: Tiêu chuẩn chất lượng Diesel 54

Bảng 4.5: Tiêu chuẩn chất lượng AGO 55

Bảng 4.6: Các giá trị tối ưu tỉ số PA 58

Bảng 4.7: Tóm tắt kết quả vận hành khi tăng tỉ lệ PA lên 1,60 & 1,70 58

Bảng 4.8: Tóm tắt kết quả vận hành khi tăng tỉ lệ PA lên 1,65 & 1,82 59

10

Bảng 4.9: Dữ liệu dòng quy trình 60

Bảng 4.10: Problem table cascade 61

Bảng 4.11: Dữ liệu dòng và thiết bị trao đổi nhiệt 66

Bảng 4.12: Hiệu quả hệ thống trao đổi nhiệt 67

Hình 1.1: Nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn, Thanh Hóa, Việt Nam

Chúng ta có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mục đích thiết kế, vận hành và sản xuất cụm chưng cất khí quyển dầu thô như chi phí đầu tư máy móc, thiết bị; chi phí xây dựng

cơ sở vật chất; tính chất đặc trưng của nguồn nguyên liệu dầu thô; chi phí vận hành; chi

12

phí năng lượng phục vụ công tác sản xuất; các chi phí về xử lí chất, khí thải để thân thiện với môi trường,… Trong đó, vấn đề năng lượng là yếu tố cốt lõi, có ảnh hưởng quyết định đến sự hoạt động bền vững và phát triển của nhà máy Vì vậy, đề tài này tập trung

đi sâu vào mặt thiết kế hướng tới sự tiêu thụ năng lượng một cách hiệu quả, tối ưu, không chỉ vì vai trò của chúng trong việc giảm chi phí vận hành, mà còn để giải quyết các vấn

đề nóng lên toàn cầu

1.2 Mục tiêu

Các dự án, giải pháp về việc thiết kế cụm chưng cất khí quyển dầu thô sử dụng năng lượng tiết kiệm và tối ưu đã được phát triển, xây dựng hiệu quả trong những năm gần đây Trong đó, việc tận dụng năng lượng của các dòng hồi lưu (phương pháp Pumparound) và xây dựng mạng lưới trao đổi nhiệt dùng kĩ thuật Pinch để gia nhiệt cho dòng nguyên liệu ở các cụm chưng cất khí quyển dầu thô trong nhà máy lọc hóa dầu là công cụ hiệu quả đã được sử dụng rộng rãi, phổ biến

Từ đó, đề tài này được hình thành để cung cấp một thiết kế công nghệ của cụm chưng cất khí quyển dầu thô với mục tiêu tối thiểu hóa lượng năng lượng tiêu thụ, ứng dụng các giải pháp trên cho nguồn nguyên liệu dầu thô là mỏ dầu khí Bạch Hổ ở Việt Nam Đồng thời thực hiện mô phỏng tháp chưng cất khí quyển dầu thô trên phần mềm

mô phỏng Aspen Hysys để đưa ra công suất pumparound thích hợp nhất cho việc tận dụng nhiệt lượng để gia nhiệt dầu thô nhập liệu thông qua hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt

Nghiên cứu này được hi vọng sẽ đánh giá đầy đủ mức độ tiết kiệm năng lượng của thiết kế đã hoàn thiện trong phạm vi đề tài trên quy mô công nghiệp Bằng cách dựa vào nghiên cứu này, các kĩ sư thiết kế quy trình có thể xây dựng cụm chưng cất khí quyển đạt được hiệu quả cao cả về mặt năng lượng và kinh tế lẫn sự ổn định trong vận hành

1.3 Cấu trúc luận văn

Trong phần đầu, luận văn giới thiệu đề tài nghiên cứu bao gồm phần đặt vấn đề

và mục tiêu của đề tài Ở phần tiếp theo của luận văn, các cơ sở lý thuyết liên quan đến

đề tài được đề cập và tổng hợp để làm nền tảng cho việc thiết kế cụm chưng cất khí quyển dầu thô Quy trình thiết kế sau đó được đưa ra và ứng dụng vào đối tượng là mỏ

13

dầu khí Bạch Hổ để xây dựng cụm chưng cất khí quyển dầu thô ở quy mô công nghiệp Đồng thời, nghiên cứu cũng áp dụng các phương pháp tối ưu để tối thiểu lượng năng lượng tiêu thụ trong quá trình vận hành và sản xuất Ở phần cuối cùng của luận văn, các kết luận về hiệu quả kinh tế và vận hành sẽ được đề cập cũng như những thảo luận về một số hạn chế trong quá trình thực hiện

14

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Chưng cất khí quyển dầu thô

2.1.1 Các tính chất lý hóa của dầu thô

i Độ bay hơi

Độ bay hơi được xác định là khả năng hóa hơi của sản phẩm khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi Đối với chất nguyên chất, ở áp suất xác định sự hóa hơi sẽ xảy ra ở nhiệt độ không đổi – nhiệt độ sôi Khi áp suất tăng, nhiệt độ sôi tăng

Các sản phẩm dầu mỏ là một hỗn hợp nhiều cấu tử nên có khoảng độ bay hơi khác nhau và được đặc trưng bằng một khoảng nhiệt độ sôi

ii Tỷ trọng

Tỷ trọng là tỉ số giữa khối lượng riêng của một chất so với khối lượng riêng của nước nguyên chất ở nhiệt độ xác định Trong thực tế, tỷ trọng được quy về điều kiện tiêu chuẩn tùy theo từng nước

Tỷ trọng đặc trưng cho độ nặng nhẹ của nhiên liệu, thể hiện mối quan hệ giữa thể tích và khối lượng, được sử dụng trong quá trình tồn trữ, vận chuyển, buôn bán Tỷ trọng

là đại lượng quan trọng có thể dùng để đánh giá sơ bộ sản phẩm

Nếu hai nhiên liệu có cùng giới hạn nhiệt độ sôi, nhiên liệu nào có tỷ trọng cao hơn thì thường chứa hàm lượng hydrocarbon thơm và naphthene cao hơn, tỷ trọng thấp thường chứa nhiều paraffin Do đó, nhiệt trị của nhiên liệu có xu hướng giảm khi tỷ trọng tăng

iii Độ nhớt

Độ nhớt là đại lượng đặc trưng cho mức độ cản trở giữa hai lớp lưu chất khi chúng chuyển động tương đối (trượt lên nhau) Đó chính là ma sát nội của lưu chất, gây ra sự cản trở tính chảy Độ nhớt càng cao thì lưu chất càng khó chảy

Độ nhớt phụ thuộc vào bản chất lưu chất, nồng độ của lưu chất và các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất Nó có liên hệ mật thiết tới các quá trình bôi trơn, vận chuyển

15

và phun nhiên liệu trong động cơ

iv Sự ăn mòn và ô nhiễm môi trường

• Đối với khí thải chứa oxide lưu huỳnh

SO2 là khí độc đối với con người, động vật và thực vật Ngưỡng nồng độ gây nguy hiểm đối với con người ở mặt đất là 5 cm3/m3 không khí (5ppm thể tích)

Một phần SO2 hình thành trong quá trình cháy sẽ chuyển thành khí SO3thuận lợi khi có không khí dư Khí này hoà tan nhiều trong nước (do sự ngưng tụ

ẩm trong không khí) ở nhiệt độ thấp tạo thành acid sulfuric ăn mòn rất mạnh

• Đối với sản phẩm dầu mỏ

Các sản phẩm dầu mỏ được tồn trữ trong các bồn chứa và vận chuyển trong các đường ống Sự phá hủy hay ăn mòn có thể xảy ra do sự tiếp xúc trực tiếp của các sản phẩm dầu mỏ với các vật liệu kim loại làm bồn chứa và đường ống

Sự ăn mòn này là do sự có mặt của một số hợp chất có tính acid trong sản phẩm (acid hữu cơ – acid carboxylic, acid lưu huỳnh – H2S, RSH) Do đó để hạn chế các ảnh hưởng này phải giảm hàm lượng lưu huỳnh trong sản phẩm

16

v Điểm vẩn đục và điểm chảy

Điểm vẩn đục là nhiệt độ tại đó sản phẩm dạng trong bắt đầu bị đục, là dấu hiệu của sự hình thành các vi tinh thể trong quá trình làm lạnh sản phẩm Ở nhiệt độ này nhiên liệu bắt đầu gặp trở ngại khi lưu chuyển và làm nghẹt bộ lọc

Nếu tiếp tục hạ nhiệt độ sản phẩm, kích thước các tinh thể sẽ tăng rồi chúng kết

tụ và sản phẩm đông đặc dần Đến một nhiệt độ xác định nào đó, lưu chất sẽ không thể chảy được nữa Theo định nghĩa, điểm chảy là nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trên 3 oC

Để đảm bảo việc tồn trữ, vận chuyển, bơm, lọc và khởi động động cơ được thực hiện dễ dàng, trơn tru khi gặp điều kiện lạnh giá cần phải xác định điểm vẩn đục, điểm chảy

vi Điểm chớp cháy

Điểm chớp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó dưới tác dụng của ngọn lửa thử, lượng hỗn hợp hơi được tạo ra trong quá trình gia nhiệt nhiên liệu đủ để bắt lửa và chớp cháy

Điểm chớp cháy có ý nghĩa về mặt đánh giá độ an toàn khi tồn trữ sản phẩm Ngoài ra còn giúp phát hiện sự nhiễm bẩn, sự hiện diện các cấu tử nhẹ

vii Chỉ số octane

Chỉ số octane là chỉ số bền kích nổ của nhiên liệu, mà giá trị của nó bằng phần trăm thể tích isooctane (có tính chống kích nổ tốt, được gán chỉ số là 100) trong hỗn hợp của nó với n-heptane (rất dễ gây kích nổ, được chọn chỉ số là 0), có tính chống kích nổ tương đương với nhiên liệu được thử nghiệm trên động cơ tiêu chuẩn CFR trong điều kiện chuẩn

Chỉ số octane được đánh giá dựa trên hai tiêu chuẩn:

- RON (Research Octane Number): xác định ở tốc độ quay của động cơ tiêu chuẩn CFR là 600 vòng/phút

- MON (Motor Octane Number): xác định ở tốc độ quay của động cơ tiêu chuẩn CFR là 900 vòng/phút

17

Bảng 2.2 trình bày thứ tự sắp xếp của các hydrocarbon theo giá trị từ thấp đến rất cao về chỉ số octane

Bảng 2.2: Đặc trưng chỉ số octane của các hydrocarbon

Hydrocarbon n-paraffin Naphtene Olefin Isoparaffin Aromatic

ON Thấp Trung bình Cao Cao Rất cao

viii Trị số cetane

Trị số cetane đặc trưng cho thời gian bắt cháy của nhiên liệu, mà giá trị của nó bằng phần trăm thể tích n-cetane (paraffin mạch thẳng, thời gian bắt cháy ngắn, được chọn trị số cetane là 100) trong hỗn hợp của nó với α-metyl naphthalene (aromatic, thời gian bắt cháy cao, được gán trị số cetane là 0), có thời gian bắt cháy tương đương với nhiên liệu được thử nghiệm trên động cơ tiêu chuẩn CFR Diesel trong điều kiện chuẩn

Bảng 2.3 trình bày thứ tự sắp xếp của các hydrocarbon theo giá trị từ cao đến rất thấp về trị số cetane

Bảng 2.3: Đặc trưng trị số cetane của các hydrocarbon

Hydrocarbon n-paraffin Naphtene Olefin Isoparaffin Aromatic

18

Xăng ô tô

(Naphtha)

Các hydrocarbon từ C5 –

C10, đôi khi có butane

0 – 200 oC Nhiên liệu cho động cơ

đốt trong; sinh hoạt, tiêu dùng; dung môi Nhiên liệu phản

oil)

Khoảng hydrocarbon từ

C21 – C52

350 – 650 oC Cung cấp nhiệt năng

cho lò hơi, lò đun; nhiệt điện

Bitume Từ C45 về sau 600 oC trở lên Nhựa đường, chất

chống thấm, dây bọc cáp, chống ăn mòn 2.1.3 Các quá trình chưng cất

i Chưng cất đơn giản

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

ii Chưng cất phức tạp

Các quá trình chưng cất đơn giản không thể phân tách dầu và sản phẩm dầu thành các phân đoạn hẹp vì có các cấu tử nặng có nhiệt sôi cao lẫn vào pha hơi và một phần cấu tử nhẹ có nhiệt độ sôi thấp ở lại trong pha lỏng Do đó các quá trình chưng cất công nghiệp hầu hết phải tiến hành chưng cất phúc tạp để đạt được độ phân tách cao

19

a Chưng cất hồi lưu

Quá trình chưng cất có hồi lưu là một quá trình chưng cất lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng bay hơi lên Trong tháp được trang bị các mâm, đĩa hay đệm để tăng sự tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và nhiều lần giữa chúng mà dòng hơi sản phẩm khi tách khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có hồi lưu, vậy nên có sự phân chia cao hơn Độ phân chia một hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha và lượng hồi lưu

b Chưng cất chân không và chưng cất có hơi nước

Hỗn hợp các cấu tử có trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi

ở nhiệt độ quá cao Trong số các hợp chất dễ bị phân hủy nhất là hợp chất chứa lưu huỳnh và hợp chất cao phân tử như nhựa Các hợp chất parafin kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphten và naphten lại kém bền hơn các hợp chất thơm Độ bền nhiệt của cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc

cả thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó

Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất của sản phẩm như làm giảm độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy của chúng, giảm độ bền oxi hoá Nhưng quan trọng hơn cả là chúng gây nguy hiểm cho quá trình chưng cất vì tạo thành các tạp chất ăn mòn và làm tăng áp suất của tháp Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở

áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt của cấu tử, người ta phải chưng cất chân không hay chưng cất với hơi nước để tránh sự phân huỷ này Chân không làm giảm nhiệt độ sôi, còn hơi nước cũng có tác dụng làm giảm nhiệt độ sôi tức

là giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp làm cho chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn

2.2 Quy trình chưng cất khí quyển dầu thô

Cụm chưng cất khí quyển dầu thô là quy trình đầu tiên trong bất kì nhà máy lọc hóa dầu truyền thống nào Ở phân xưởng này, dầu thô được chưng cất thành các dòng

20

sản phẩm cơ bản (distillate) Các dòng distillate này sau đó phải thông qua quá trình xử

lí để thành phẩm (xăng động cơ, nhiên liệu phản lực, dầu nhờn,…) hoặc trở thành nguyên liệu đầu vào cho các cụm phản ứng chuyển hóa có thể có trong toàn bộ nhà máy

Cấu hình một cụm chưng cất khí quyển dầu thô được đề cập trong đề tài luận văn như hình 2.1 được lấy từ tài liệu tham khảo [1]

Hình 2.1: Cấu hình cụm chưng cất khí quyển dầu thô

Dầu thô được bơm từ bồn chứa và được gia nhiệt thông qua hệ thống trao đổi nhiệt qua hai công đoạn với dòng sản phẩm đỉnh hoặc các dòng sản phẩm trích ngang có nhiệt độ cao Dầu thô được gia nhiệt sơ bộ tới khoảng nhiệt độ 110 - 135 oC và được bơm vào một lượng nước để hòa tan muối có trong thành phần dầu thô Hỗn hợp này đi qua thiết bị tách muối bằng tĩnh điện Phần nước muối được tách khỏi dầu thô sau đó đi qua hệ thống làm sạch bằng phương pháp xử lí bay hơi trước khi thải bỏ vào cống nước dầu

21

Thiết bị tách muối này không thể loại bỏ hoàn toàn các chất hữu cơ có chứa anion

Cl- Các anion này sẽ được xử lí để chống ăn mòn thiết bị ở giai đoạn sau tại khu vực sản phẩm đỉnh tháp chưng cất

Dầu thô đã tách muối đi qua hệ thống trao đổi nhiệt còn lại và vào lò đốt dầu thô với khoảng nhiệt độ 440 – 470 oC Trong lò đốt, dầu thô được gia nhiệt đến nhiệt độ nhất định và đi vào tháp chưng cất khí quyển dầu thô ở vùng chưng

Phần lỏng không bay hơi trong quá trình chưng cất được lấy ra ở đáy tháp thông qua một vùng nhả cấu tử nhẹ bằng hơi nước (steam stripping section) trong khi hơi distillate bay lên tiếp xúc ngược dòng với dòng lỏng hồi lưu Hiện tượng truyền nhiệt và truyền khối được thực hiện ở các mâm phân tách trong vùng cất phía trên vùng chưng Các sản phẩm distillate được lấy ra ở các mâm được chọn dựa vào khoảng nhiệt độ sôi trong vùng cất Những dòng sản phẩm này được xử lí nhả cấu tử nhẹ bằng hơi nước trước khi đến các bồn lưu trữ Dòng hơi naphtha rời tháp ở đỉnh, được làm lạnh và xử lí trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu đỉnh tháp (overhead reflux drum) Ở đây, một phần dòng lỏng hồi lưu về trong khi phần còn lại chuyển đến quy trình xử lí sâu hơn các sản phẩm nhẹ

Các dòng sản phẩm trích ngang trong sơ đồ: Kerosene (sẽ trở thành nhiên liệu phản lực); Diesel; Atmospheric Gas Oil (có nhiệt độ sôi cao nhất)

Vùng Pumparound được hiểu đơn giản như một thiết bị ngưng tụ bên trong dùng

để lấy nhiệt lượng từ khu vực các mâm sản phẩm trích ngang Điều này đảm bảo dòng chất được hồi lưu liên tục phía dưới khu vực đó Các sản phẩm trích ngang được xử lí để tách hết các cấu tử nhẹ trong hệ thống ba tháp bay hơi riêng Các tháp này cũng có các mâm phân tách (thường là 3 đến 10 mâm) và được xếp chồng lên nhau thành một tháp đơn, việc này cho phép các dòng trích ngang chảy tự do từ mâm trích ngang đến tháp bay hơi tương ứng Trong từng tháp bay hơi, dòng chất đi từ trên xuống tiếp xúc với hơi nước từ dưới lên Sau đó dòng hỗn hợp hơi nước và thành phần dầu nhẹ đi ra ở đỉnh tháp hồi lưu trực tiếp về mâm phía trên mâm trích ngang tương ứng trong tháp chưng cất

22

Các dòng distillate trích ngang đã tách cấu tử nhẹ và phần cặn (các cấu tử không bay hơi) có nhiệt độ cao đi qua mạng lưới trao đổi nhiệt với dòng dầu thô trước khi tiếp tục được điều chế ở các quy trình sau

2.3 Phương pháp tối ưu

2.3.1 Pumparound

Pumparound là hệ thống trao đổi nhiệt dùng để tận dụng nguồn nhiệt lượng có sẵn trong tháp chưng cất khí quyển dầu thô nhằm mục đích gia nhiệt sơ bộ cho dòng dầu thô nguyên liệu đến các mức nhiệt độ nhất định trước khi đi vào tháp Pumparound cung cấp các dòng sản phẩm có nhiệt độ cao, được trích ngang từ thân tháp và bơm đến mạng lưới trao đổi nhiệt, để gia nhiệt cho dòng dầu thô có nhiệt độ thấp Dòng lỏng sau khi hoàn thành nhiệm vụ gia nhiệt sơ bộ sẽ cho hồi lưu về tháp chưng cất ở vị trí cao hơn so với khi được trích ra

Ngoài ra, pumparound còn giúp duy trì sự ổn định của dòng hơi lưu chuyển trong tháp cũng như ổn định lưu lượng lỏng nhằm để quá trình phân tách đạt hiệu quả cao Hơn nữa, pumparound cũng điều khiển và điều phối việc phân tách giữa các dòng sản phẩm bởi vì chúng điều chỉnh lượng lỏng và hơi trong phạm vi tháp chưng cất Nếu công suất của pumparound (lượng nhiệt lấy ra bởi pumparound) giảm xuống thì lượng hơi bốc lên đỉnh tháp sẽ tăng lên Lượng hồi lưu đỉnh tháp trở về cũng phải tăng lên để giữ cho nhiệt độ sản phẩm đỉnh là không đổi Nếu không có hệ thống pumparound, lượng lỏng hồi lưu về đỉnh tháp sẽ gia tăng đột biến Thêm vào đó, nhiệt lượng mất mát ra môi trường sẽ cao hơn hay nói cách khác chi phí cho thiết bị ngưng tụ sẽ là đáng kể Bên cạnh đó, việc ngưng tụ dòng hơi đi lên để thu được sản phẩm trích ngang thành dòng lỏng cũng là một công dụng nổi trội của hệ thống pumparound, qua đó tiết kiệm được lượng tiên ích phải tiêu tốn cho thiết bị ngưng tụ ngoài tháp

Với một tháp chưng cất đơn giản không có hệ thống pumparound, lượng pha hơi

di chuyển lên đỉnh tháp là rất lớn Dòng hơi này mang lượng nhiệt lớn nhưng có hệ số truyền nhiệt thấp hơn pha lỏng và có nhiệt độ thấp (khoảng 130 – 160 oC) do đó việc sử dụng dòng sản phẩm đỉnh này để gia nhiệt sơ bộ cho dầu thô là không khả thi Thiết bị

là pumparound

Với một tháp chưng cất đơn giản có trang bị hệ thống pumparound, người ta giảm được số lượng mâm lí thuyết (mâm phân tách) Thay vào đó là những mâm, trong khu vực giữa mâm lấy ra và mâm quay lại của dòng pumparound, có chức năng truyền nhiệt

là chủ yếu và rất hạn chế về hoạt động truyền khối Những mâm dạng này chỉ tương đương với khoảng 0,5 lần số mâm lí thuyết do đó chiều cao tháp cũng được hạ xuống để tối ưu hoá chi phí đầu tư lắp đặt

Mặt khác, việc lắp đặt hệ thống pumparound bao gồm các bơm trích ngang, thiết

bị trao đổi nhiệt và các mâm hồi lưu để tận dụng nhiệt lượng thay vì sử dụng hệ thống phân tách bình thường cũng làm tăng chi phí đầu tư Do đó, việc cân đối chi phí đầu tư, vận hành, chi phí năng lượng cho hệ thống phụ trợ và lợi nhuận giữa các phương án là quan trọng, cần thiết và nên được xem xét kĩ lưỡng

Việc thiết kế tỉ lệ pumparound trong bản thiết kế cơ sở theo phương pháp tham khảo từ [1], trong đó có xem xét đến các yếu tố như cân bằng nhiệt, chế độ thuỷ lực và lưu lượng dòng lỏng – hơi trong tháp chưng cất Tuy nhiên, thiết kế này là chưa được tối

ưu và ta có thể tiếp tục điều chỉnh tỉ lệ pumparound, cụ thể là tăng lên, mà vẫn đảm bảo tháp hoạt động an toàn và chất lượng sản phẩm Theo như tài liệu tham khảo [11], hệ thống pumparound ở khu vực giữa và đáp tháp chưng cất sẽ được tăng lên vì chúng có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ dòng dầu thô đầu vào lò đốt

24

2.3.2 Kĩ thuật phân tích Pinch

i Khái niệm và vai trò

Phân tích Pinch là một phương pháp tập hợp các kỹ thuật có cấu trúc để áp dụng một cách hệ thống những khía cạnh của định luật nhiệt động thứ nhất và một số nội dung

mở rộng của định luật nhiệt động thứ hai Phân tích Pinch là công cụ có tính thực tiễn,

đã được công nhận và đánh giá cao trong các ngành công nghiệp quan trọng như hóa chất, lọc hóa dầu, thực phẩm,… được phát minh ra nhằm mục đích cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình vận hành sản xuất Kĩ thuật Pinch giúp kĩ sư phân tích các dòng năng lượng của quy trình để có cái nhìn cơ bản và sâu sắc về sự tương tác nhiệt giữa các quy trình hóa học và hệ thống tiện ích xung quanh chúng nhằm đề ra các giải pháp hiệu quả nhất, kinh tế nhất để tối đa hóa việc thu hồi nhiệt lượng sẵn có và tối thiểu hóa nhu cầu sử dụng tiện ích bên ngoài

Các nguồn nhiệt sẽ xuất hiện trong quy trình công nghệ gồm có:

- Các dòng quy trình có nhiệt độ cao (hot stream) đóng vai trò dòng nóng, có thể sử dụng để gia nhiệt cho dòng lạnh Tương tự là các dòng quy trình có nhiệt độ thấp (cold stream) đóng vai trò dòng lạnh, có thể dùng làm mát cho dòng nóng

- Các dòng nhiệt nóng tiện ích (hot utility) như hơi nước nhiệt độ cao, dầu nóng, lò đốt trực tiếp,…

- Các dòng nhiệt lạnh tiện ích (cold utility) như không khí, nước làm mát, NH3, propane, N2 lỏng,…

Công việc phân tích Pinch sẽ được thực hiện trong giai đoạn lên kế hoạch các mục tiêu thiết kế sản xuất và quá trình thiết kế, hiệu chỉnh quy trình công nghệ Phần lớn các khoản tính toán đầu tư chính về nguồn vốn xây dựng cơ sở vật chất, mua trang thiết

bị sản xuất và chi phí vận hành đều được xác định trong thời gian này Sự cải thiện tối

đa hiệu quả sử dụng năng lượng cùng với việc giảm chi phí đầu tư có thể đạt được trong một thiết kế mới của nhà máy bằng cách tái tạo và vượt qua nhiều ràng buộc về cấu hình của quy trình thiết kế cũ

25

Một quy trình thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt có áp dụng phương pháp phân tích Pinch hoàn chỉnh bao gồm các bước thực hiện cụ thể sau:

(1) Xác định mục tiêu:

- Mục tiêu năng lượng: thu hồi năng lượng đối đa

- Mục tiêu vốn: tối thiểu thiết bị truyền nhiệt và diện tích truyền nhiệt

(2) Xác định các phương pháp thực hiện cho những mục tiêu đã đề ra

(3) Hoàn thiện các phương án theo điều kiện thực tế

(4) Thiết kế thiết bị và tính toán, dự trù chi phí cho từng phương án

(5) Chọn phương án phù hợp nhất dựa trên các ràng buộc về chi phí, công nghệ, con người,…

Tuy nhiên, trong một dự án nâng cấp để tối ưu hóa nhà máy, cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng thường đòi hỏi thêm chi phí đầu tư phát sinh Do đó, tồn tại một sự đánh đổi để cân bằng giữa nguồn vốn đầu tư và chi phí sử dụng năng lượng trong quá trình vận hành Nhiệm vụ của người kĩ sư là tìm ra được điểm tối ưu phù hợp như trong

đồ thị hình 2.2

Hình 2.2: Đánh đổi giữa vốn đầu tư và chi phí năng lượng

26

Những hiệu quả điển hình có thể đạt được khi áp dụng phương pháp phân tích Pinch vào quy trình công nghiệp hiện nay như:

- Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ: 10% - 35%

- Tiết kiệm lượng nước tiêu thụ: 25% - 40%

ii Trình tự thực hiện

a The Composite Curve

Việc cơ bản nhất và được thực hiện đầu tiên khi phân tích Pinch là xây dựng các đường composite curve Các đường composite curve này được chia thành hai loại: đường hot composite curve (đường cong composite nóng) thể hiện lượng nhiệt sẵn có và đường cold composite curve đại diện cho nhu cầu sử dụng nhiệt của quy trình (đường cong composite lạnh) Để xây dựng thành công các đường composite curve cần hoàn thành chính xác những công đoạn nhỏ đầu tiên

là xác định tất cả dòng nóng, lạnh, tiện ích trong quy trình, đồng thời trích xuất

dữ liệu nhiệt lượng cho các dòng này Cuối cùng, các đường composite curve sẽ được hoàn thiện dựa trên giá trị ∆Tmin (sẽ cung cấp khái niệm sau) đã chọn ban đầu

Các đường composite curve được trình bày bằng công cụ đồ họa là đồ thị

T - ∆H như trên hình 2.3

Đồ thị T - ∆H thể hiện các kết luận quan trọng rút ra được từ quy trình Thứ nhất, khu vực chồng lấp giữa hai đường composite curve cho thấy lượng nhiệt lượng tối đa có thể thu hồi, tận dụng được từ quy trình thông qua sự trao đổi nhiệt giữa các dòng quy trình nóng và lạnh Thứ hai, phần đường composite curve

dư ra ngoài cùng về phía phải và trái là lượng tiêu thụ năng lượng tối thiểu cần cung cấp cho quy trình dưới dạng các nguồn tiện ích nóng và lạnh bên ngoài, lần lượt được kí hiệu là QH, min và QC, min

27

Hình 2.3: Đường composite curve trên đồ thị T - ∆H

b Xác định mục tiêu năng lượng

Trước khi thực hiện bước này cần nắm rõ một số khái niệm cơ bản về ∆Tmin

và điểm Pinch, các giá trị quan trọng trong phương pháp phân tích Pinch ∆Tmin(hay Minimum Temperature Approach) là chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất giữa hai đường composite curve Đây là giới hạn chênh lệch nhiệt độ tối thiểu áp dụng cho tất cả các thiết bị trao đổi nhiệt tồn tại trong quy trình Thế nên ∆Tmin cũng phần nào thể hiện được chất lượng của một thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị càng lớn, tinh

vi và phức tạp thì sở hữu ∆Tmin càng nhỏ Điều đó đồng nghĩa với nếu chi phí đầu

tư thiết bị trao đổi nhiệt càng cao thì sẽ đạt được giới hạn chênh lệch nhiệt độ nhỏ nhất càng thấp Điểm Pinch là một vị trí tại đó thỏa mãn giá trị ∆Tmin trên đồ thị Điểm Pinch chia bài toán mạng trao đổi nhiệt thành hai phần: heat sink – phía trên Pinch, nơi sẽ sử dụng tối thiểu tiện ích nóng QHmin và heat source – phái dưới Pinch, nơi sẽ sử dụng tối thiểu tiện ích lạnh QCmin Hình 2.4 thể hiện heat sink và heat source trên đồ thị T - ∆H

28

Hình 2.4: Heat sink và Heat source

Từ đó, chúng ta có những nguyên tắc khi ứng dụng phương pháp thiết kế Pinch:

- Không truyền nhiệt đi qua điểm Pinch

- Những khu vực trên và dưới Pinch sẽ được thiết kế riêng biệt

- Không dùng tiện ích lạnh phía trên Pinch

- Không dùng tiện ích nóng phía dưới Pinch Quay lại với quy trình tối ưu, từ đồ thị ta nhận thấy khi tăng ∆Tmin (di chuyển đường cold composite curve về phía phải) thì lượng tiện ích tiêu thụ (QHmin+ QCmin) tăng và diện tích truyền nhiệt giảm (LMTD lớn hơn) Như vậy khi ∆Tminđược tăng lên thì chi phí năng lượng để vận hành nhà máy sẽ tăng và chi phí đầu

tư cho thiết bị trao đổi nhiệt sẽ giảm Như đã đề cập ở phần trên, nhiệm vụ của người kĩ sư là tìm được điểm tối ưu phù hợp cho sự đánh đổi giữa vốn đầu tư và chi phí năng lượng, cụ thể là xác định được giá trị ∆Tmin tối ưu để tổng chi phí đầu tư và năng lượng cho quy trình là thấp nhất Hình 2.5 thể hiện công cụ đồ thị giúp xác định giá trị ∆Tmin tối ưu

Ngoài ra, công cụ Problem Table Analysis (PTA) cũng được sử dụng rộng rãi trong việc tìm ra các mục tiêu tiêu thụ tiện ích tối thiểu bên ngoài, góp phần

29

đánh giá tổng quát và có cái nhìn toàn diện về các dòng quy trình sẵn có để lập kế hoạch hợp lí cho việc thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt

Hình 2.5: Đồ thị Cost - ∆T min

c Thiết kế mạng trao đổi nhiệt

Mạng lưới trao đổi nhiệt tối ưu dựa vào dữ liệu đã thu thập, tính toán từ

đồ thị đường composite curve và giá trị ∆Tmin tối ưu được thiết kế hoàn tất tuân theo những nguyên tắc cơ bản của phương pháp phân tích Pinch

30

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THIẾT KẾ

Quy trình tính toán thiết kế cơ sở áp dụng phần lớn hướng dẫn và số liệu tra cứu từ hai nguồn tài liệu tham khảo chính là Handbook of Petroleum Processing [1] do nhóm tác giả Steven A Treese, Peter R Pujadó, David S J Jones biên soạn và Data Book on Hydrocarbons [6] của Maxwell

3.1 Quy trình cân bằng vật chất

3.1.1 Xác định nhiệt độ các phân đoạn sản phẩm

Đề tài thiết kế trình bày nội dung tính toán giới hạn trong phạm vi tháp chưng cất chính khí quyển dầu thô và hệ thống các tháp nhả Nhà máy sử dụng nguồn nguyên liệu thô là mỏ dầu khí Bạch Hổ để hoạt động với năng suất 100000 BPSD (thùng dầu trên ngày)

Khoảng nhiệt độ sôi của các phân đoạn sản phẩm được cung cấp ở bảng 3.1 dựa vào tài liệu tham khảo [1]

Bảng 3.1: Khoảng nhiệt độ sôi của các phân đoạn sản phẩm

3.2.3 Cân bằng vật chất

Bảng 3.3 trình bày kết quả chi tiết quá trình cân bằng vật chất cho tháp chưng cất khí quyển dầu thô

31

3.3 Tính toán Flash zone

3.3.1 Vẽ đường EFV

Dựa vào đường cong TBP ta có độ dốc của toàn bộ đường cong là 11,75 oF/%vol

Từ các đường cong tiêu chuẩn tham khảo trong sổ tay Maxwell suy ra độ dốc của đường flash reference line là 8 oF/%vol Bảng 3.4 thể hiện kết quả tính toán nhiệt độ của đường cong EFV ở áp suất khí quyển

i Tính toán áp suất tổng tại Flash Zone

Ước tính áp suất của reflux drum là khoảng 5 psig Chọn độ giảm áp suất ở thiết

bị ngưng tư đỉnh tháp và độ giảm áp qua thiết bị trao đổi nhiệt hơi đỉnh tháp đều là 5 psi

Bỏ qua độ giảm áp của đường ống và khớp nối (do giá trị là không đáng kể) Suy ra áp suất tổng ở đỉnh tháp là 30 psia

Chọn phần cất với 27 mâm van và độ giảm áp qua mỗi mâm là 0,15 psi Suy ra tổng mất mát áp suất qua phần cất là 4,05 psi

Vậy áp suất tổng ở phần Flash zone là 30 + 4,05 = 34,05 psia Chọn áp suất tổng

để thiết kế là 35 psia

ii Tính toán áp suất hơi riêng phần của hydrocarbon tại Flash Zone

Lưu lượng Residue stripping steam là 7500 lb/h = 417 mol/h

iii Xác định đường cong EFV ở áp suất riêng phần 32,35 psi

Đường cong EFV được tính ở bảng là đường cong tại áp suất khí quyển Để vẽ đường cong này ở áp suất bất kì nào đó, lấy nhiệt độ tại điểm 50% thể tích và sử dụng các đường cong áp suất hơi cho hydrocarbon (phụ lục 1, [1]) để tìm ra nhiệt độ tại áp suất mong muốn (32,35 psi) Vẽ đường cong EFV đi qua điểm nhiệt độ mới và song song với đường cong EFV ở áp suất khí quyển Hình 3.2 là đồ thị đường cong EFV ở điều kiện Flah zone Nhiệt độ Flash zone là nhiệt độ tại điểm phần trăm thể tích đã tách được (59,5 %vol) trên đường cong áp suất riêng phần

Nhiệt độ Flash zone = 700 oF 3.3.3 Tính toán điều kiện nhập liệu tại Flash zone

Dữ liệu enthalpy dùng cho tính toán cân bằng năng lượng được tham khảo trong

sổ tay Maxwell’s Hydrocarbon Data [6] Bảng 3.5 diễn tả thông số nhập liệu tại Flash zone của dầu thô

3.4 Quy trình cân bằng năng lượng

3.4.1 Cân bằng nhiệt cho tháp (Tower Heat Balances)

i Nhiệt độ dòng sản phẩm Residue rời khỏi tháp

Lưu lượng sản phẩm Residue là 77000 GPH Hơi tách ra từ mâm nhả đầu tiên (the top stripping tray) là 9% (từ đồ thị The amount of stripping steam, [1]) là 77000.9%

= 6930 gal/h

Giả sử khối lượng riêng (specific gravity - SG) của cấu tử nhẹ được tách (stripout)

là 7,8 lb/gal (bằng với SG của Overflash)

Chọn nguồn hơi nước là hơi nước ở điều kiện quá nhiệt vào khu vực đáy tháp với nhiệt độ là 375 oF Giản đồ và kết quả cân bằng năng lượng được thể hiện lần lượt tại hình 3.3 và bảng 3.6

35

Hình 3.2: Đường cong EFV ở điều kiện Flash zone

Bảng 3.5: Tổng nhiệt lượng dầu thô ở điều kiện Flash zone

Crude vapor V 700 451600 518 233.900 Crude liquid L 700 830400 616 513.100

Total 1282000 818.260

36

Hình 3.3: Giản đồ cân bằng năng lượng tại khu vực nhả đáy

Bảng 3.6: Cân bằng năng lượng tại khu vực nhả đáy