Hệ thống điều khiển tháp chưng luyện nhà máy lọc dầu Dung Quất

Hệ thống điều khiển tháp chưng luyện nhà máy lọc dầu Dung Quất Hệ thống điều khiển tháp chưng luyện nhà máy lọc dầu Dung Quất Hệ thống điều khiển tháp chưng luyện nhà máy lọc dầu Dung Quất luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

VÕ QUỐC THUẦN

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG LUYỆN NHÀ MÁY

LỌC DẦU DUNG QUẤT

CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS HOÀNG MINH SƠN

VÕ QUỐC THUẦN

THÁP CHƯNG LUYỆN NHÀ MÁY

LỌC DẦU DUNG QUẤT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 7

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 7

ĐẶT VẤN ĐỀ 8

1 Giới thiệu đề tài 8

2 Tên đề tài 9

3 Mục tiêu của đề tài 9

4 Nhiệm vụ của đề tài 9

5 Phương pháp thực hiện 9

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT DẦU THÔ TRONG NHÀ MÁY L ỌC DẦU DUNG QUẤT 10

1.1 Giới thiệu chung 10

1.2 Các sản phẩm của quá trình chưng cất 12

1.2.1 Phân đoạn Overhead Naphtha 12

1.2.2 Phân đoạn Kerosene 12

1.2.3 Phân đoạn LGO & HGO 12

1.2.4 Phân đoạn cặn 13

1.3 Cơ sở thiết kế 13

1.3.1 Tầm quan trọng của phân xưởng chưng cất dầu thô 13

1.3.2 Đặc tính nguyên liệu 13

1.3.3 Đặc tính sản phẩm 14

1.4 Mô tả sơ đồ công nghệ 15

1.5 Các phân đoạn dầu mỏ 18

1.5.1 Phân đoạn khí 19

1.5.2 Phân đoạn xăng 20

1.5.3 Phân đoạn kerosene 21

1.5.4 Phân đoạn gasoil nhẹ 21

1.5.5 Phân đoạn gasoil nặng 22

1.5.6 Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gudron) 23

1.6 Các quá trình chế biến dầu thô 24

1.6.1 Quá trình chưng cất dầu thô 24

1.6.2 Quá trình cracking 25

1.6.3 Quá trình Reforming 26

1.6.4 Quá trình Izome hóa 27

1.6.5 Quá trình Hydrotreating 28

Chương 2 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT DẦU THÔ 30

2.1 Giới thiệu chung 30

2.1.1 Nguồn gốc dầu mỏ và khí 30

2.1.2 Nguyên liệu chưng cất 31

2.1.3 Thiết bị chưng cất 32

2.1.4 Tháp chưng cất 33

2.2 Mô tả sơ đồ công nghệ 35

2.2.1 Ổn định dầu nguyên khai 35

2.2.2 Tách tạp chất, nước, muối 36

2.2.3 Chưng cất 38

2.3 Mô hình toán học của tháp chưng cất 43

2.3.1 Đặt vấn đề 43

2.3.2 Mô hình đối tượng điều khiển 44

2.3.3 Phân tích các cấu hình điều khiển 44

2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất 49

2.4.1 Nhiệt độ 49

2.4.2 Áp suất 50

2.4.3 Thay đổi chế độ làm việc của tháp chưng cất 50

Chương 3 GIỚI THIỆU CÁC SÁCH LƯỢC ĐIỀU KHIỂN CƠ BẢN 52

3.1 Cơ sở chung về điều khiển quá trình 52

3.1.1 Quá trình và các biến quá trình 52

3.1.2 Phân loại quá trình 54

3.1.3 Mục đích và chức năng của hệ thống 55

3.1.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống 55

3.2 Sách lược điều khiển phản hồi 57

3.2.1 Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi 58

3.2.2 Vai trò của điều khiển phản hồi 59

3.2.3 Các vấn đề của điều khiển phản hồi 60

3.3 Sách lược điều khiển truyền thẳng 61

3.3.1 Cấu trúc cơ bản của điều khiển truyền thẳng 61

3.3.2 Các tính chất của điều khiển truyền thẳng 62

3.3.3 Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng 64

3.4 Điều khiển tỉ lệ 64

3.4.1 Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ 64

3.4.2 Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ 66

3.4.3 Điều khiển tỉ lệ kết hợp điều khiển phản hồi 66

3.5 Điều khiển tầng 67

3.5.1 Cấu trúc cơ bản của điều khiển tầng 67

3.5.2 Ứng dụng của điều khiển tầng 69

Chương 4 PHÂN TÍCH HÊ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO THÁP CHƯNG CẤT DẦU THÔ 71

4.1 Hệ thống điều khiển quá trình nhiệt dòng sản phẩm Kerosene 72

4.1.1 Mô tả bài toán điều khiển 72

4.1.2 Sách lược điều khiển 74

4.2 Hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp 78

4.2.1 Mô tả bài toán điều khiển 78

4.2.2 Sách lược điều khiển 79

4.3 Hệ thống điều khiển quá trình mức đáy tháp 84

4.3.1 Mô tả bài toán điều khiển 84

4.3.2 Sách lược điều khiển 85

4.4 Đánh giá cấu trúc và các sách lược điều khiển được áp dụng 89

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 91

1 Kết luận 91

2 Hướng phát triển của đề tài 91

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1-1Toàn cảnh các phân xưởng công nghệ nhà máy lọc dầu Dung Quất 10

Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý quá trình tách muối 16

Hình 1-3 Sơ đồ dòng công nghệ của nhà máy lọc dầu Dung Quất 16

Hình 2-1 Sơ đồ một tháp chưng cất đơn giản 38

Hình 2-2 Mô hình của một tháp chưng cất 45

Hình 3-1 Quá trình kĩ thuật nhìn từ quan điểm hệ thống 53

Hình 3-2 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 56

Hình 3-3 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển quá trình 56

Hình 3-4 Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi 58

Hình 3-5 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 61

Hình 3-6 Cấu hình song song của điều khiển truyền thẳng 62

Hình 3-7 Hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ 65

Hình 3-8 Hai cấu trúc điều khiển tầng 68

Hình 4-1 Sơ đồ P&ID hệ thống điều khiển tháp chưng cất 71

Hình 4-2 Mô hình đơn giản hóa cho quá trình nhiệt ở dòng Kerosene 74

Hình 4-3 Sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển nhiệt dòng Kerosene 74

Hình 4-4 Sơ đồ khối cho hệ thống điều khiển quá trình nhiệt dòng Kerosene76 Hình 4-5 Mô hình đơn giản hóa cho quá trình nhiệt ở dòng sản phẩm đỉnh 79 Hình 4-6 Sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp 80

Hình 4-7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ và lưu lượng hồi lưu dòng sản phẩm đỉnh 82

Hình 4-8 Mô hình đơn giản hóa cho quá trình mức đáy tháp 85

Hình 4-9 Sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển mức đáy tháp 86

Hình 4-10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mức đáy tháp 87

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Đặc tính nguyên liệu dầu thô Bạch Hổ và dầu thô Dubai 14

Bảng 1.2 Đặc tính sản phẩm của nhà máy lọc dầu Dung Quất 15

ĐẶT VẤN ĐỀ

1 Giới thiệu đề tài

Nước ta là một trong những nước có trữ lượng dầu mỏ khá lớn trong khu vực thể hiện qua các mỏ Bạch Hổ, Rạng Đông, Rồng, Sử Tử Trắng,… Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa có một nhà máy lọc dầu nào để chế biến dầu thô thành các sản phẩm có giá trị thương mại cao hơn mà chủ yếu là khai thác

để xuất khẩu, trong khi lại nhập khẩu hầu hết các sản phẩm từ dầu mỏ để phục cho công nghiệp và trong cuộc sống sinh hoạt hằng ngày, điều này đã gây ra một lãng phí khá lớn cho nền kinh tế của nước ta

Những năm gần đây, cùng với sự tăng tốc của khoa học kỹ thuật, công nghệ chế biến dầu mỏ ngày càng phát triển, trở thành một trong những nghành công nghiệp mũi nhọn trên thế giới Nằm trong trào lưu chung đó, công nghiệp dầu khí nước ta cũng có những bước khởi sắc với những công trình đã được đưa vào vận hành với hiệu quả kinh tế cao như: nhà máy chế biến khí Dinh Cố, nhà máy Đạm Phú Mỹ, tổ hợp khí-điện-đạm Cà Mau, bên cạnh đó còn có những công trình đang được xây dựng hoặc đang lập dự án kêu gọi đầu tư nước ngoài như: nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà máy lọc dầu Nghi Sơn, nhà máy lọc dầu Long Sơn,…

Nhà máy lọc dầu Dung Quất đang trong giai đoạn chạy thử để đưa vào vận hành thương mại theo như kế hoạch đã đề ra Do đó là một cán bộ kĩ thuật đang được đào tạo để thực hiện công tác chạy thử và vận hành nhà máy sau này, tác giả đã trực tìm hiểu nhiều công nghệ mới có trong nhà máy cũng như các hệ thống điều khiển cho các hệ thống công nghệ này Qua đó, tác giả nhận thấy rằng, tháp chưng cất dầu thô là một trong những thiết bị chính của nhà máy với hệ thống điều khiển tương đối phức tạp nên việc nhanh chóng tìm hiểu, nghiên cứu và phân tích các cấu trúc điều khiển cho tháp chưng cất

là một nhiệm vụ quan trọng phục vụ công tác vận hành an toàn, ổn định và nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo các sản phẩm của nhà máy theo đúng các chỉ tiêu về bảo vệ môi trường cũng như thu được lợi nhuận cao nhất Đây

là những lí do mà tác giả chọn đề tài này làm luận văn tốt nghiệp Cao học cho mình

2 Tên đề tài

Đề tài có tên là “Hệ thống điều khiển tháp chưng luyện nhà máy lọc dầu Dung Quất”

3 Mục tiêu của đề tài

- Làm rõ các bài toán điều khiển, các cấu trúc và sách lược điều khiển tháp chưng luyện dầu thô tại nhà máy lọc dầu Dung Quất, tạo cơ sở cho việc vận hành, chỉnh định và nâng cao chất lượng sau này

4 Nhiệm vụ của đề tài

- Phân tích các yêu cầu công nghệ, các bài toán điều khiển đối với tháp chưng luyện dầu thô của nhà máy lọc dầu Dung Quất

- Nghiên cứu và phân tích cấu trúc các vòng điều khiển

- Đánh giá tính hợp lý của cấu trúc điều khiển

5 Phương pháp thực hiện

- Nghiên cứu các tài liệu của nhà máy (“Crude Distillation Unit và các bản vẽ liên quan), nghiên cứu các tài liệu khác về tháp chưng luyện và điều khiển tháp chưng luyện

- Xây dựng lại các lưu đồ P&ID đơn giản hóa và các sơ đồ khối chức năng, trên cở sở đó phân tích các bài toán điều khiển và các sách lược điều khiển được áp dụng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ THÁP CHƯNG CẤT DẦU THÔ

1 1 Giới thiệu chung

Nhà máy lọc dầu Dung Quất có công suất 6,5 triệu tấn/năm, được đặt tại hai xã Bình Thuận và Bình Trị, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi Nguyên liệu dầu thô của nhà máy là dầu Bạch Hổ và dầu Dubai với tỉ lệ 5,5:1 Sản phẩm của nhà máy gồm có các sản phẩm: xăng A95, A92, A90, JetA1, Kerosene, Diesel, Fuel Oil, LPG và Propylene

Toàn bộ nhà máy được chia làm 10 phân xưởng chính và 14 phân xưởng phụ trợ, ngoài ra còn có các phân xưởng bên ngoài hàng rào nhà máy như phân xưởng bể chứa dầu thô, bể chứa sản phẩm, phân xưởng trộn sản phẩm, hệ thống xuất sản phẩm ra tàu và xe bồn, hệ thống tiếp nhận dầu thô,…

Hình 1- 1 Toàn cảnh các phân xưởng công nghệ nhà máy lọc dầu Dung Quất

Dầu thô được bơm từ tàu chở dầu vào cảng tiếp nhận dầu không bến một điểm neo (SPM) nằm ở Vịnh Việt Thanh cách bờ khoảng 3300m Sau đó được dẫn vào hai ống dẫn dầu đặt dưới đáy biển Tính chất của ống như sau:

- Đường kính ống 30 inchs

- Dầu trong ống được bảo ôn ở nhiệt độ 50 oC, độ nhớt 50 cP

- Áp suất trong ống tối đa 7 kg/cm2g

Hai ống trên dẫn dầu thô vào hệ thống bể chứa nằm trong bờ Hệ thống này gồm bốn nhóm, mỗi nhóm gồm hai bể và mỗi bể có dung tích 74.348m3 Tất cả đều được bảo ôn ở nhiệt độ T= 50 oC

Trước khi vào tháp chưng cất, dầu thô cần phải được làm sạch để:

- Tách muối, tránh ăn mòn Bởi vì trong quá trình chế biến ion Cl- rất

dễ kết hợp với các ion khác tạo ra các hợp chất mang tính acid gây

Sau khi dầu đã được làm sạch (hàm lượng nước < 0,5%), dầu thô được gia nhiệt đến 360oC và đi vào tháp chưng cất Tháp gồm 48 đĩa, cao 41,56 m, rộng 6,7m, hoạt động ở áp suất P = 1,5 atm Đối với dầu Bạch Hổ, công suất của tháp là 147.510 BPSD

Sản phẩm của tháp chưng cất gồm 5 phân đoạn chính (kể cả Atmosphere Residue):

- Overhead Naphtha

- Kerosene

- Light Gas Oil (LGO)

- Heavy Gas Oil (HGO)

- Atmosphere Residue

Các phân đoạn này hoặc được chế biến ở các khâu tiếp theo hoặc là cấu

tử pha trộn trực tiếp

1 2 Các sản phẩm của quá trình chưng cất

1 2.1 Phân đoạn Overhead Naphtha

Phân đoạn này được lấy ra ở đỉnh tháp chưng cất có Tcắt là 128oC Overhead Naphtha được đưa về tháp tách (dạng thùng) Sản phẩm là:

- Offgas được dẫn về WCC ở phân xưởng Cracking

- Naphtha được tách tiếp thành Light Naphtha (LN) và Heavy Naphtha (HN) Phân đoạn LN sẽ được sử dụng trực tiếp làm cấu tử xăng trộn Phân đoạn HN sẽ được Hydrotreating sau đó đi vào phân xưởng CCR

1 2.2 Phân đoạn Kerosene

Ra khỏi tháp chưng cất, 51.188 kg/hr, Tcắt =194oC (128oC - 194oC), Kerosene đi vào phân xưởng xử lý Kerosene nhằm mục đích:

- Tách nước sinh ra trong quá trình chưng cất, stripping (tiền xử lý Kerosene)

- Giảm thiểu hàm lượng Mercaptane và các acid Naphthanic sinh rra trong quá trình chưng cất

Loại bỏ Mercaptane là rất cần thiết, vì phần lớn Mercaptane nằm trong phân đoạn này, hơn nữa đây là nguyên liệu cho Jet Fuel nên Kerosene cần

phải khá sạch

1 2.3 Phân đoạn LGO & HGO

Hai phân đoạn này không cần thiết phải xử lý, nhất là dầu Bạch Hổ là loại dầu ngọt, có hàm lượng S không lớn lắm (dầu thô có %S =0,03) Do vậy

chúng có thể sử dụng trực tiếp làm nguyên liệu cho việc pha trộn diesel dân dụng và diesel công nghiệp

1 2.4 Phân đoạn cặn

Đối với dầu Bạch Hổ, phần Residue rất lớn (407.062 kg/hr) Toàn bộ phần này được đưa vào cracking (RFCC) Sản phẩm của phân xưởng Cracking bao gồm:

- Khí cracking

- Naphtha crackling

- Light Gas oil (LGO)

- Decant Cycle Oil (DCO)

Như vậy, ta có thể nhìn thấy tổng thể của nhà máy bao gồm các phân xưởng chính sau:

- Phân xưởng CDU

- Phân xưởng NHT & CCR

- Phân xưởng RFCC

- Các phân xưởng xử lý và các phân xưởng pha trộn sản phẩm

1 3 Cơ sở thiết kế

1 3.1 Tầm quan trọng của phân xưởng CDU

Phân xưởng CDU là phân xưởng chính, quan trọng nhất và không thể thiếu ở bất kỳ nhà máy lọc dầu nào

Có nhiệm vụ phân tách dầu thô thành các phân đoạn, một số phân đoạn trực tiếp làm cấu tử trộn để tạo ra các sản phẩm mong muốn, một số phân đoạn khác làm nguyên liệu cho các quá trình chế biến sâu tiếp theo.Mục đích

cuối cùng là làm thoả mãn yêu cầu của người sử dụng

1 3.2 Đặc tính nguyên liệu

Nhà máy lọc dầu số Dung Quất với công suất 6,5 triệu tấn/ năm được thiết kế sao cho phân xưởng CDU của nhà máy vừa có khả năng phân tách nguyên liệu 100% dầu Bạch Hổ vừa có khả năng phân tách 100% dầu Dubai hoặc nguyên liệu là dầu trộn giữa dầu Bạch Hổ và dầu Dubai với hàm lượng nước nhỏ hơn 0,5% Việc thiết kế này cũng được tính toán để cho ra phần cất

có sản phẩm xăng tối đa và nhiên liệu đốt tối thiểu

Đặc tính của nguyên liệu dầu thô Bạch Hổ và dầu thô Dubai như ở bảng thống kê sau:

Bảng 1.1 Đặc tính nguyên liệu dầu thô Bạch Hổ và dầu thô Dubai

Tính chất Dầu Bạch Hổ Dầu Dubai

Khối lượng riêng, 60/60 oF 0,828 0,869

Hàm lượng Lưu huỳnh, %kl 0,03 2,1

Cặn Carbon, %kl 0,62 4,1

Điểm đông đặc, oF 91,4 10,0

Chỉ số đặc trưng Kuop 12,3 11,78

Hàm lượng muối 60/350 14/350

Hàm lượng nước và cặn, % 0,5 max -

Hàm lượng kim loại nặng,

ppm

Dầu Bạch Hổ là loại dầu ngọt, nhẹ, có nhiều paraffin Nhiệt độ đông đặc đến 91,4 oF Trái lại, dầu thô Dubai là loại dầu chua có hàm lượng S lên tới 2,1%

1 3.3 Đặc tính sản phẩm

Để thỏa mãn được nhu cầu của thị trường, cũng như để đảm bảo các tiêu cầu về bảo vệ môi trường theo TCVN, các sản phẩm của nhà máy lọc dầu Dung Quất phải thỏa mãn các yêu cầu theo bảng sau:

Bảng 1.2 Đặc tính sản phẩm của nhà máy lọc dầu Dung Quất

Đặc tính sản phẩm Yêu cầu

C5+ trong LPG 1,5 mol% max

C4- trong Light Naphtha 1,0 wt% max

RVP của Light Naphtha 12 psi max

5%Thể tích Heavy Naphtha 90oC

Kerosene flash point 40oC min

LGO plash point 65oC min

HGO plast point 65oC min

Khoảng cách giữa 5% Heavy

Naphtha và 95% Light Naphtha

Cặn bay hơi dưới 360oC 10 vol% max

1.4 Mô tả sơ đồ công nghệ

Với cơ sở thiết kế như trên (công suất phân xưởng, nguyên liệu đầu vào, yêu cầu sản phẩm), tháp chưng cất chính của nhà máy được thiết kế với tính chất như sau:

+ Tháp gồm 48 đĩa, cao 41,56 m

+ Đường kính 6,7 m

+ Áp suất đỉnh 1,5 atm, áp suất đáy 2,0 atm

Dầu thô ở nhiệt độ 50oC từ storage được bơm thêm chất phá nhũ, phá các chất cặn bẩn nằm ở trạng thái lơ lửng rồi qua thiết bị trao đổi nhiệt Tiếp

đó được vào các thiết bị tách muối D 1101, D1102 Điều kiện làm việc của các thiết bị tách muối lần lượt là P1 = 12,5 atm, T1= 138oC, P2=11,5 atm,

T2=136oC ở các thiết bị này, phương pháp tách nước sử dụng lực điện trường được thực hiện nhờ sự phân cực của các phân tử nước do có lẫn muối là chất phân cực, nước sạch cũng được bơm thêm vào nhằm làm tăng tách nước của các thiết bị trên Sơ đồ và nguyên lý của quá trình tách muối được mô tả ở Hình 1-2

Hình 1-2 Sơ đồ nguyên lý quá trình tách muối

Dầu đã được tách nước tiếp tục qua các thiết bị trao đổi nhiệt và được cấp nhiệt lên đến 360oC ở áp suất 2,3 atm đi vào tháp chưng cất Sơ đồ dòng như Hình 1-3

Hình 1-3 Sơ đồ dòng công nghệ của nhà máy lọc dầu Dung Quất

Các tính chất và điều kiện làm việc của các thiết bị dùng trong phân xưởng CDU như sau:

 Tháp tách T1108 cao 24,8 m, rộng 2,35 m, làm việc ở Tđỉnh =870C, Pđỉnh=1,5 atm; Tđáy= 1590C, Pđáy =1,9 atm

 Tháp striper T1102 làm việc ở Tđỉnh =2120C, Pđỉnh=1,6 atm; Tđáy= 2300C, Pđáy =1,7 atm

 Tháp striper T1103 làm việc ở Tđỉnh =2490C, Pđỉnh=1,67 atm; Tđáy= 2410C, Pđáy =1,8 atm

 Tháp striper T1104 làm việc ở Tđỉnh =3300C, Pđỉnh=1,9 atm; Tđáy=3230C, Pđáy =2,0 atm

 Các tháp ổn định dạng thùng D1104 và D1105 làm việc ở các nhiệt

độ và áp suất tương ứng là: 520C, 6.2 atm; 500C, 1,2 atm

 Các tháp Driers T1005, T1006 làm việc ở các nhiệt độ và áp suất tương ứng là: 1400C, -0,9 atm; 1600C, -0,9 atm

Nguyên lý làm việc của tháp chưng cất chính T1101 được mô tả như sau:

Dựa trên nguyên lý cân bằng lỏng ↔ hơi Nghĩa là có bao nhiêu cấu tử hơi sinh ra thì cũng có bấy nhiêu cấu tử lỏng được tạo thành

Giả sử ta có các đĩa thứ n, thứ n-1, n+1 Hơi từ đĩa thứ n+1 di chuyển lên đĩa thứ n, hơi này bị đĩa chóp ở đĩa thứ n chặn lại, do vậy nó phải sục qua lỏng ở đĩa thứ n, quá trình tiếp xúc pha xảy ra Phần lớn các cấu tử được giữ lại ở đây, nghĩa là chúng chuyển từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng Một số cấu tử nhẹ hơn không bị lỏng hấp thụ tiếp tục đi lên phía trên Đi cùng với hơi này còn có những cấu tử nhẹ từ đĩa thứ n cũng đã được chuyển hoá từ trạng thái lỏng xang trạng thái hơi Hơi này lại bị lỏng ở đĩa thứ n-1 hấp thụ Cứ như vậy, những cấu tử nhẹ nhất sẽ được di chuyển lên phía trên tháp và những cấu tử nặng hơn ở phần đáy tháp Tại một số vùng của tháp, cụ thể là ở các đĩa thứ 15, 26, 38, một phần lỏng được lấy ra, để tạo ra các sản phẩm tinh khiết mong muốn (có nhiệt độ sôi trong khoảng hẹp), hơi nước được sục vào nhằm lôi cuốn các cấu tử nhẹ trong pha lỏng chuyển pha thành pha hơi và tách ra khỏi lỏng Hơi này lại được ngưng tụ và hồi lưu trở lại tháp chưng cất

Nó cũng nhằm mục đích tạo sự cân bằng giữa lỏng và hơi trong tháp cũng như trong đoạn lấy sản phẩm

Một vấn đề được đặt ra là làm sao ta có thể điều chỉnh được nhiệt độ trong tháp cũng như chất lượng sản phẩm đầu ra Để giải quyết vấn đề này ta phải điều chỉnh lượng hồi lưu cũng như lượng hơi nước sử dụng trong các tháp stripping ở các tháp lấy sản phẩm và hơi nước stripping ở đáy tháp Lượng hồi lưu kể trên bao gồm cả hồi lưu trung gian và hồi lưu toàn phần ở đỉnh Nói tóm lại, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất mà ta sẽ tìm hiểu trong chương sau

1.5 Các phân đoạn của dầu mỏ

Dầu mỏ muốn được sử dụng thương phẩm thì phải được phân chia thành các phân đoạn nhỏ nhờ vào quá trình chưng cất Vì nhiệt độ sôi của các phân đoạn trong dầu mỏ là khác nhau, nhờ đó mà quá trình chưng cất được

thực hiện để thu được các sản phẩm là khí, xăng, kerosene, gasoil nhẹ, gasoil nặng và cặn gudron

1.5.1 Phân đoạn khí

Phân đoạn khí bao gồm các hydrocacbon từ C1 ÷C4 và một lượng ít

C5 ÷C6 Khí này có thể được khai thác từ mỏ khí hoặc được tách ra khi khoan dầu

1.5.1.1 Phân loại khí

Khí được chia làm 3 loại:

 Khí thiên nhiên: Đây là khí tồn tại trong các mỏ riêng biệt có thành phần chủ yếu là CH4 (80% ÷ 90%), còn lại la các khí khác như etan, propan và rất ít butan

 Khí đồng hành: Đây là khí nằm lẫn trong các mỏ dầu, được hình thành và khai thác lên cùng với dầu mỏ, thu được ngay ở thiết bị tách khí tại miệng giếng khai thác dầu Thành phần chính của nó là các khí nặng như propan, butan, pentan,…

 Khí ngưng tụ (condensat): là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí Bao gồm các hydrocacbon như propan, butan và một số hydrocacbon lỏng như pentan, hexan,… Condensat lấy từ mỏ khí ngưng tụ thường có màu vàng sáng, tỷ khối 0,70 ÷ 0,79

1.5.1.2 Những tính chất hoá lý của khí hydrocacbon

Các khí hydrocacbon không màu, không mùi, không vị nên rất dễ gây nguy hiểm trong quá trình sử dụng Để kiểm tra độ rò rỉ của khí hydrocacbon, trong quá trình chế biến người ta thêm vào chất tạo mùi tuỳ theo yêu cầu và mức độ an toàn Mercaptan là chất tạo mùi được sử dụng phổ biến trong quy trình kiểm tra độ rò rỉ của khí hydrocacbon

Các khí hydrocacbon có tính tan khác nhau, không trộn lẫn được chúng với nước nhưng có thể hoà tan chúng trong dung môi hữu cơ

Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon no mạch thẳng tăng dần theo số nguyên tử cacbon no trong mạch

1.5.1.3 Ứng dụng của phân đoạn khí

Khí khô thương phẩm (CH4, C2H6) được sử dụng làm nhiên liệu trong các nhà máy điện, các khu công nghiệp Ngoài mục đích sử dụng như một loại nhiên liệu, khí khô còn được sử dụng như một nguồn nguyên liệu cho công nghiệp hoá dầu (để tổng hợp các polyme phục vụ cho công nghiệp nhựa, cao

su tổng hợp, chất tẩy rửa) Đặc biệt là ứng dụng của khí cho việc sản suất phân đạm phục vụ cho nông, lâm nghiệp

LPG (C3H8, C4H10) là nhiên liệu có nhiều ưu điểm so với các loại nhiên liệu truyền thống khác như than đá, củi, Đó là, nhiệt lượng toả ra khi cháy cao, không gây ô nhiễm môi trường, và việc tàng trữ ,vận chuyển LPG thuận tiện hơn, tiết kiệm thời gian cho người sử dụng Do đó, LPG được ứng dụng rộng rãi cho các ngành công nghiệp như hóa chất, điện, xi măng, chế biến thực phẩm, Đặc biệt trong công nghiệp hóa dầu, LPG được dùng để sản xuất etylen, propylen, butadien cho ngành nhựa, đặc biệt là sản xuất MTBE (Metyl tecbutyl ete) là chất làm tăng chỉ số octan của xăng thay thế cho Pb(Et)4

1.5.2 Phân đoạn xăng

1.5.2.1 Thành phần hóa học

Với khoảng nhiệt độ sôi dưới 1800C, phân đoạn xăng bao gồm các hydrocacbon từ C5 ÷ C10, C11 đó là các parafinic, naphtenic và aromatic Tuy nhiên thành phần và số lượng giữa chúng thì khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô ban đầu

Ngoài hydrocacbon, trong phân đoạn xăng còn có các hợp chất của lưu huỳnh, nitơ, oxy,…

1.5.2.2 Ứng dụng của phân đoạn xăng

Xăng được sử dụng làm nhiên liệu cho các loại động cơ xăng Ngoài ra, xăng còn làm dùng môi trong các ngành công nghiệp như sơn, cao su, keo dán, hương liệu, dược liệu,…

Đặc biệt, xăng sử dụng làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu hay còn gọi là phân đoạn naphtha Từ phân đoạn này người ta sản xuất được các hydrocacbon thơm khác như benzen, toluen,…

1.5.3 Phân đoạn kerosene

Phân đoạn này còn gọi là dầu lửa, có nhiệt độ sôi từ 180 ÷ 2500C, bao gồm các hydrocacbon có số cacbon từ C11 ÷ C15, C16

1.5.3.1 Thành phần hóa học

Thành phần chủ yếu là các n-parafin và rất ít izo-parafin Các hydrocacbon naphtenic và thơm, ngoài loại có cấu trúc một vòng và nhiều nhánh phụ, còn có mặt các hợp chất hai hoặc ba vòng Trong kerosene bắt đầu

có sự hiện diện của hydrocacbon có cấu trúc hỗn hợp giữa vòng thơm và vòng naphten như tetralin và đồng đẳng của nó Các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng dần

1.5.3.2 Ứng dụng của phân đoạn kerosene

Phân đoạn kerosene được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho động cơ phản lực và dầu hỏa dân dụng trong đó làm nhiên liệu cho phản lực là ứng dụng chính

1.5.4 Phân đoạn gasoil nhẹ

Phân đoạn gasoil nhẹ còn gọi là phân đoạn dầu diesel, có khoảng nhiệt

độ sôi từ 250 ÷ 3500C và chứa các hydrocacbon có số cacbon từ C16 ÷ C20,

C21

1.5.4.1 Thành phần hóa học

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

1.5.4.2 Ứng dụng của phân đoạn gasoil

Phân đoạn gasoil của dầu mỏ được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho động cơ diesel, đây là một loại nhiên liệu hiện nay được sử dụng khá phổ biến trên thế giới

1.5.5 Phân đoạn gasoil nặng

Với khoảng sôi từ 350÷5000C, phân đoạn gasoil nặng bao gồm các hydrocacbon từ C21 ÷ C35 hoặc có thể lên tới C40

1.5.5.1 Thành phần hóa học

Do có phân tử lượng lớn nên thành phần hóa học của phân đoạn này khá phức tạp, bao gồm một ít các n- và izo-parafin, lượng naphten và thơm nhiều Ở phân đoạn gasoil nặng, hàm lượng của lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng mạnh, hơn 50% lượng lưu huỳnh có trong dầu mỏ tâph trung ở phân đoạn này, gồm các dạng như disunfua, thiophen, sunfua vòng,… Các chất nitơ thường ở dạng đồng đẳng của pyridin, pyron và cacbazol Các hợp chất của oxy ở dạng các axit Các kim loại nặng như V, Ni, Cu, Pb,…, các chất nhựa, asphanten cũng có mặt trong phân đoạn này

1.5.5.2 Ứng dụng của phân đoạn gasoil nặng

Ứng dụng chủ yếu của phân đoạn gasoil nặng là sản xuất dầu nhờn Ngoài ra, nó còn được dùng để sản xuất các sản phẩm trắng, đây là tên gọi của ba loại nhiên liệu, đó là: xăng, kerosene, diesel Để làm tăng số lượng các nhiên liệu này, người ta tiến hành phân hủy gasoil nặng bằng phương pháp cracking hoặc hydrocracking Với cách này, có thể biến các cấu tử nặng từ

C21 ÷ C40 thành xăng (C5 ÷C11), kerosene (C11 ÷C16), diesel (C16 ÷C20) Nhờ vậy mà nâng cao được hiệu quả sử dụng dầu mỏ

1.5.6 Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gudron)

1.5.6.1 Thành phần hóa học

Gudron là phần còn lại sau khi đã tách các phân đoạn ở trên, có nhiệt

độ sôi lớn hơn 5000C, gồm các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon lớn hơn

C41 và có thể lên đến C80 Thành phần hóa học của phân đoạn này khá phức tạp và có thể phân thành ba nhóm sau:

Nhóm chất dầu (chiếm khoảng 45-46%): bao gồm các hydrocacbon có phân tử lượng lớn, tập trung nhiều các hợp chất thơm có độ ngưng tụ cao, cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng giữa thơm và naphten, đây là nhóm hợp chất nhẹ nhất, có tỷ trọng gần bằng 1, hòa tan trong xăng, n-pentan,… nhưng không hòa tan trong cồn

Nhóm chất nhựa (chiếm khoảng 11-16%): ở dạng keo quánh, gồm thành phần trung tính và thành phần axit Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt độ hóa mềm nhỏ hơn 1000C, tỉ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong xăng và naphtha Các chất axit là chất có nhóm –COOH, có màu nâu sẫm, tỉ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong cloroform và rượu etylic

Nhóm asphanten: là nhóm chất rắn, có màu đen, cấu tạo tinh thể, tỉ trọng lớn hơn 1, chứa phần lớn các hợp chất dị vòng và có khả năng hòa tan mạnh trong cacbon disunfua Khi đun ở nhiệt độ 3000C không bị nóng chảy

mà cháy thành tro

Ngoài những nhóm này, trong cặn gudron còn có các hợp chất của kim loại nặng

1.5.6.2 Ứng dụng của phân đoạn cặn gudron

Được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như sản xuất bitum, than cốc, bồ hóng, nhiên liệu đốt lò, trong đó sản xuất bitum là chủ yếu

1.6 Các quá trình chế biến dầu thô

1.6.1 Quá trình chưng cất dầu thô

1.6.1.1 Mục đích của quá trình chưng cất

Quá trình chưng cất dầu thô là một quá trình vật lý phân chia dầu thô thành nhiều hỗn hợp khác nhau dựa trên nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử

có trong thành phần của dầu thô Mỗi hỗn hợp, được gọi là một phân đoạn dầu mỏ, được đặc trưng bởi một “khoảng nhiệt độ sôi” hay nói cách khác là được đặc trưng bởi điểm sôi đầu và điểm sôi cuối

Dầu thô khai thác được từ các mỏ dầu là một hỗn hợp rất phức tạp của hydrocacbon và các dẫn xuất của nó, vì vậy giá trị sử dụng trực tiếp của dầu thô là rất thấp Để tăng giá trị sử dụng của dầu thô, người ta tiến hành quá trình chưng cất dầu thô nhằm tách dầu thô thành nhiều phân đoạn dầu mỏ có khoảng nhiệt độ sôi xấp xỉ khoảng nhiệt độ sôi của các sản phẩm thương mại hoặc chuẩn bị nguyên liệu cho các phân xưởng hạ nguồn

1.6.1.2 Cơ sở của quá trình chưng cất

Trong bất kì tháp chưng cất nào thì tổng lượng vật chất đi vào tháp phải bằng tổng lượng vật chất đi ra khỏi tháp Vật chất đi vào tháp là nguyên liệu

và vật chất đi ra khỏi tháp là các sản phẩm

Toàn bộ nhiệt lượng đi vào tháp chưng cất bằng tổng lượng nhiệt đi ra khỏi tháp Nếu ta thay đổi lượng nhiệt đi vào tháp hay lượng nhiệt đi ra khỏi

tháp thì thành phần và chất lượng sản phẩm của quá trình chưng cất sẽ thay đổi

Trong tháp chưng cất xảy ra quá trình tiếp xúc giữa hai pha lỏng – hơi Pha hơi Vn bay từ đĩa thứ n lên đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1

chảy từ đĩa n-1 xuống, còn pha lỏng Ln từ đĩa n chảy xuống đĩa phía dưới n+1 lại tiếp xúc với pha hơi Vn+1 bay từ dưới lên Nhờ quá trình tiếp xúc này, các cấu tử nhẹ có trong pha lỏng sẽ đi vào pha hơi và các cấu tử nặng có trong pha hơi sẽ ngưng tụ vào pha lỏng

Chu trình bay hơi – ngưng tụ này xảy ra liên tục trên các đĩa và tạo ra

sự khác nhau về nồng độ sản phẩm trên từng đĩa Kết quả là, pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều cấu tử nặng Số lần tiếp xúc càng nhiều, quá trình trao đổi chất càng được tăng cường và kết quả phân tách của tháp càng tốt Trong tháp người ta thiết kế các vòng hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn tháp cho qua trao đổi nhiệt làm lạnh rồi đưa lại về tháp

1.6.2 Quá trình cracking

1.6.2.1 Mục đích của quá trình cracking

Mục đích của quá trình cracking xúc tác là bẻ gãy mạch của các phân

tử hydrocacbon có khối lượng phân tử lớn trong các phân đoạn nặng của dầu thô thành các hydrocacbon có khối lượng phân tử bé hơn có giá trị hơn mà phần lớn là các cấu tử của phân đoạn xăng để đáp ứng nhu cầu thương mại Quá trình bẻ gãy mạch hydrocacbon này được tiến hành với sự có mặt của xúc tác mang tính axit trong điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp Ngoài quá trình cracking xúc tác, người ta có thể tiến hành quá trình cracking nhiệt

1.6.2.2 Cở sở lý thuyết của quá trình

Các phản ứng xảy ra trong thiết bị phản ứng của quá trình cracking xúc tác rất phức tạp, bao gồm các phản ứng cracking nhiệt và các phản ứng cracking xúc tác

Phản ứng cracking nhiệt: đây là những phản ứng không thể tránh khỏi ở nhiệt độ cao và là những phản ứng không mong muốn Các phản ứng này tạo

ra một lượng lớn các sản phẩm rất nhẹ như mêtan, ethan,… và mức độ tạo cốc lớn Điều này làm giảm hiệu suất thu hồi xăng Đồng thời xăng thu được có chỉ số octan và độ ổn định oxy hóa thấp

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

1.6.3 Quá trình reforming

1.6.3.1 Mục đích của quá trình reforming

Trong công nghiệp chế biến dầu mỏ, có rất nhiều quá trình làm tăng hiệu quả kinh tế và chất lượng của sản phẩm song quá trình reforming xúc tác vẫn là một trong những quá trình quan trọng hơn cả Vai trò của quá trình này không ngừng được tăng lên do nhu cầu về xăng chất lượng cao và nguyên liệu cho quá trình hóa dầu ngày một nhiều

Quá trình này cho phép chuyển hóa các hydrocacbon parafine và naphtene có trong phân đoạn xăng thành các cấu tử hydrocacbon aromatique

có trị số octan cao cho xăng, các hợp chất hydrocacbon thơm cho tổng hợp hóa dầu Ngoài ra, quá trình còn cho phép nhận được khí hydro kĩ thuật cho các quá trình chuẩn bị nguyên liệu và xử lý hydro các phân đoạn sản phẩm trong nhà máy lọc dầu

1.6.3.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình

Hầu hết các phản ứng xảy ra trong quá trình reforming xúc tác là các phản ứng chuyển hóa các naphtene thành các aromatique Đây là phản ứng xảy ra hoàn toàn và chọn lựa nhất trong điều kiện vận hành Tiêu biểu nhất của phản ứng dạng này là phản ứng chuyển hóa metylcyclohexan thành toluen

1.6.4 Quá trình izome hóa

1.6.4.1 Mục đích của quá trình izome hóa

Reforming xúc tác và cracking xúc tác là hai quá trình chủ đạo để sản xuất xăng trong nhà máy lọc dầu Tuy nhiên cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu xăng ngày càng tăng cả về số lượng lẫn chất lượng trong khi ràng buộc của môi trường về hàm lượng chì cũng như hàm lượng các hợp chất thơm nói chung và benzen nói riêng trong xăng ngày càng giảm Vì vậy bên cạnh hai quá trình trên, quá trình izome hóa cũng được đưa vào áp dụng trong nhà máy lọc dầu

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

1.6.4.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình

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

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

nhiên cũng có thể sử dụng phân đoạn C5/C6 thu được từ quá trình reforming xúc tác

Điểm sôi cuối của nguyên liệu được duy trì khoảng 70-800C để tránh sự

có mặt của một lượng lớn benzen, cyclohexan và các hydrocacbon C7+ Sư có mặt của các hợp chất này là nguyên nhân dẫn đến giảm hiệu suất và trị số octan của izomerat

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

có nhiệm vụ thúc đẩy các phản ứng xảy ra theo cơ chế ion cacboni mà cụ thể trong quá trình này là các phản ứng izome hóa

1.6.5 Quá trình hydrotreating

1.6.5.1 Mục đích của quá trình hydrotreating

Hydrotreating là quá trình được sử dụng nhiều nhất trong nhà máy lọc dầu và trong những năm gần đây nó đóng vai trò ngày càng quan trọng trong công nghiệp dầu mỏ và công nghiệp hóa dầu nhằm mục đích:

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

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

1.6.5.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình

Các tạp chất trong các hợp chất dị nguyên tử khác nhau có mặt trong các phân đoạn dầu mỏ được tách ra bằng các phản ứng với hydro trên bề mặt của xúc tác Các phản ứng này dẫn đến việc tạo thành các hydrocacbon bão hòa hoặc chưa bão hòa và loại bỏ các tạp chất lưu huỳnh, nitơ, oxy dưới dạng

H2S, NH3, H2O

Các phản ứng chính xảy ra trong quá trình hydrotreating là: khử lưu huỳnh, khử nitơ, hydro hóa Trong trường hợp nguyên liệu xử lý có mặt các hợp chất chứa oxy, kim loại thì trong quá trình hydrotreating còn xảy ra phản ứng khử oxy và khử kim loại

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

Quá trình hydrotreating được sử dụng để xử lý cho tất cả các phân đoạn dầu mở trong nhà máy lọc dầu, từ phân đoạn xăng nhẹ đến phân đoạn cặn Bên cạnh sản phẩm chính là phân đoạn tương ứng với phân đoạn nguyên liệu chứa hàm lượng tạp chất thấp, trong quá trình còn có một lượng nhất định các sản phẩm nhẹ hơn nguyên liệu do các phản ứng hydrocracking

Xúc tác cho quá trình hydrotreating gồm có hai phần: chất mang oxit và pha hoạt tính Chất mang oxit thường được sử dụng là γ oxit nhôm (γ Al2O3)

và pha hoạt tính là các sulfua của các kim loại Mo, W được tăng cường hoạt tính bởi Ni, Co

Chương 2 TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT DẦU THÔ

2.1 Giới thiệu chung

cơ và nguồn gốc hữu cơ của dầu mỏ

2.1.1.1 Nguồn gốc vô cơ:

Theo giả thuyết này, trong lòng Trái Đất có chứa các cacbua kim loại như Al4C3, CaC2 Các chất này bị phân hủy bởi nước để tạo ra CH4 và C2H2 Đây là các chất mà qua quá trình biến đổi dưới tác dụng của nhiệt độ, áp suất cao trong lòng đất và xúc tác là các khoáng sét sẽ tạo thành những loại hydrocacbon có trong thành phần của dầu mỏ và khí

Al4C3 + 12H2O → 4Al(OH)3 + 3CH4

CaC2 + 2H2O → Ca(OH)2 + C2H2

Tuy nhiên, giả thuyết này chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian và sau khi trình độ khoa học kĩ thuật phát triển thì người ta đã chứng minh được rằng trong nguồn gốc của dầu thô có chứa các porphyrin có nguồn gốc từ động vật và trong vỏ quả đất, hàm lượng cacbua kim loại không đáng kể Ngoài ra các hydrocacbon thường gặp ở các lớp trầm tích, tại đó nhiệt độ ít khi vượt qua 150 – 2000C, nên không đủ nhiệt độ cho các phản ứng xảy ra

2.1.1.2 Nguồn gốc hữu cơ

Đây là giả thuyết về sự hình thành dầu mỏ từ các vật liệu hữu cơ Những vật liệu này là xác của động thực vật biển hoặc trên cạn nhưng bị các dòng sông cuốn trôi ra biển, qua thời gian hàng triệu năm được lắng đọng

xuống đáy biển Ở dưới đáy biển các vật liệu này sẽ bị các vi khuẩn hiếu khí

và hiếm khí phân hủy Những phần không bị phân hủy như các protein, chất béo, rượu cao, sáp, dầu, nhựa sẽ dần lắng đọng tạo nên các lớp trầm tích dưới đáy biển, đây chính là các vật liệu hữu cơ ban đầu của dầu khí

RCOOR’ + H2O RCOOH + R’OH RCOOH → RH + CO2

RCH2OH → R’–CH=CH2 + H2O R’–CH=CH2 + H2 → R’–CH2–CH3

Thuyết dầu mỏ có nguồn gốc hữu cơ cho phép giải thích nhiều hiện tượng trong thực tế Chẳng hạn như dầu mỏ ở các nơi khác nhau thì có thành phần khác nhau, sự khác nhau này là do sự khác nhau về vật liệu hữu cơ ban đầu Dầu được sinh ra rải rác trong các lớp trầm tích, được gọi là “đá mẹ” Do

áp suất ở đây cao nên chúng bị đẩy ra ngoài đến nơi ở mới qua các tầng “đá chứa” thường có cấu trúc rỗng xốp Sự di chuyển này liên tục xảy ra cho đến khi gặp điều kiện thuận lợi và tích tụ thành mỏ dầu Khi dầu tích tụ và nằm trong các mỏ dầu, quá trình biến đổi hầu như ít xảy ra Trong trường hợp có khe hở thì ôxi và nước có thể lọt vào sẽ xảy ra các phản ứng hóa học làm ảnh hưởng không tốt cho dầu mỏ

Các hydrocacbon ban đầu của dầu mỏ thường có phân tử lượng rất lớn (C30 ÷C40) hoặc cao hơn Các chất hữu cơ này sẽ bị biến đổi hóa học dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, xúc tác trong lòng đất Phần lớn các biến đổi hóa học này là quá trình phân hủy thành các hydrocacbon có phân tử lượng nhỏ hơn và cấu trúc cũng đơn giản hơn

2.1.2 Nguyên liệu chưng cất

Trong thiên nhiên, dầu mỏ nằm dưới dạng chất lỏng nhờn, dễ bắt cháy Khi khai thác, ở nhiệt độ thường nó có thể ở dạng lỏng hoặc đông đặc có màu

từ vàng đến đen; còn khí hydrocacbon thường ở dạng hoà tan trong dầu (khí

đồng hành) hay ở dạng bị nén ép trong các mỏ khí (khí thiên nhiên) Dầu khí không phải là một đơn chất mà là một hỗn hợp rất phức tạp của nhiều chất (có tới hàng trăm chất) Các nguyên tố cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là C

và H Ngoài các Hydrocacbon, trong dầu khí còn có mặt các chất như S, N, O,

Cl, I

Dầu mỏ là một hỗn hợp phức tạp của nhiều chất nên không có độ sôi cố định Tại nhiệt độ nào đó cũng có hợp chất có độ sôi tương ứng thoát ra khi tiến hành chưng cất Cho nên chúng có thể được phân tách ra thành các thành phần ít phức tạp hơn gọi là chưng cất phân đoạn

Trong dầu thô có nhiều phân đoạn khác nhau Dựa vào tên sản phẩm sau chế biến có thể chia dầu thô thành các phân đoạn như: phân đoạn khí gồm các Hydrocacbon từ C1 đến C4, phân đoạn xăng gồm các hợp chất có nhiệt

độ sôi vào khoảng 28÷180°C, phân đoạn kerosen gồm các hợp chất có nhiệt

độ sôi từ 180÷250°C, phân đoạn gasoil gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi từ

250÷350°C, cặn chưng cất ở áp suất thường hay còn gọi là mazut có nhiệt độ sôi trên 350°C Ngoài ra còn có các phân đoạn với nhiệt độ sôi từ

350÷500°C hoặc trên 500°C là dầu nhờn, gudron, bitum

Các phân đoạn xăng, kerosen, gasoil là các sản phẩm có màu sáng nên còn gọi là các sản phẩm trắng và được chưng cất ở áp suất khí quyển Còn các phân đoạn dầu nhờn phải chưng cất ở chân không

2.1.3 Thiết bị chưng cất

Hệ thống chưng cất bao gồm các phần tử cơ bản sau:

1 Tháp: Tháp có nhiều đĩa nhằm đảm bảo sự tiếp xúc hoàn thiện

giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau Nguyên liệu ban đầu được đưa vào tháp tại đĩa (khay) tiếp liệu (feed tray) Phần trên khay tiếp liệu gọi là phần luyện (enriching

section), phần dưới khay tiếp liệu là phần chưng (stripping section)

2 Nồi hơi (Reboiler): Là thiết bị gia nhiệt cho nguyên liệu Thông

thường hơi dùng để gia nhiệt là hơi nước

3 Bình ngưng (Condenser): Thiết bị ngưng tụ có nhiệm vụ ngưng

tụ hơi đi lên từ đỉnh tháp Chất làm lạnh thường là nước lạnh

4 Thùng chứa đệm (Reflux Drum): Chứa sản phẩm hơi ngưng tụ

2.1.4 Tháp chưng cất

Tháp là phần tử cơ bản của hệ thống chưng cất Hiện nay có rất nhiều loại tháp khác nhau Mỗi loại được thiết kế theo các mục đích chuyên biệt Muốn có hiệu quả phân tách tốt, quá trình tiếp xúc pha trong tháp phải được xảy ra đồng đều, triệt để Do vậy, người ta phải trang bị các cơ cấu bên trong nhằm đạt mục đích này Trong thực tế thường chế tạo tháp với các loại đĩa khác nhau Tuỳ theo cấu tạo của từng loại đĩa mà người ta chia tháp ra các

loại khác nhau

Phần phía trên đĩa nạp liệu của tháp thực hiện quá trình làm tăng nồng

độ của các cấu tử nhẹ trong pha hơi nên được gọi là phần tinh luyện Còn phần phía dưới đĩa nạp liệu thực hiện quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng và làm tăng nồng độ cấu tử năng trong cặn chưng nên được gọi là phần chưng

Do vậy, đáy tháp phải cung cấp thêm nhiệt hay phải đưa thêm tác nhân bay hơi vào Mức độ phân tách tốt hay không tốt phụ thuộc vào số đĩa được bố trí trong tháp và lượng hồi lưu Nếu số đĩa lý thuyết quá ít thì tách không rõ ràng, nhưng nếu số đĩa quá lớn thì dẫn đến chiều cao tháp quá lớn, gây khó khăn cho chế tạo lắp ráp, tăng vốn đầu tư, trong khi chỉ cần đạt đủ độ phân tách để nhận các phân đoạn dầu

Trong thực tế, tháp có thể được chia ra làm hai loại: Tháp đĩa có ống chảy chuyền và tháp đĩa không có ống chảy chuyền

2.1.4.1 Tháp đĩa có ống chảy chuyền

Trong tháp đĩa có ống chảy chuyền, khí và lỏng chuyển động riêng biệt đối với nhau từ đĩa này qua đĩa khác Các loại tháp đĩa có ống chảy chuyền

mà ta hay gặp là tháp chóp, tháp lưới Gần đây trong sản xuất xuất hiện thêm nhiều loại mới như tháp đĩa súp páp, tháp đĩa chữ S Ta sẽ lần lượt nghiên cứu các loại tháp đó:

• Tháp đĩa chóp: Gồm nhiều đĩa lắp trong một thân hình trụ, trên

đĩa có lắp chóp Số ống chảy chuyền trên mỗi đĩa phụ thuộc kích thước chóp và lưu lượng lỏng Chóp có thể tròn hay dạng khác

Ở chóp có rãnh chữ nhật hay tam giác để khí đi qua Quá trình chuyển động của khí và chất lỏng như sau: Khí đi từ dưới lên qua ống khí rồi xuyên qua các rãnh của chóp và sục vào lớp chất lỏng

trên đĩa

• Tháp đĩa lưới: Thân gồm nhiều đoạn hình trụ nối lại với nhau

bằng cách hàn hay bằng mặt bích, đĩa có nhiều lỗ hay rãnh Tháp đĩa lưới chỉ sử dụng klhi kích thước tháp không lớn quá vì sẽ làm chất lỏng phân phối trên đĩa không đều Ở trong tháp lưới, khí bay hơi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa và phân tán vào lớp chất lỏng chuyển động từ trên xuống theo các ống chảy chuyền

• Tháp đĩa súp páp: Đây là loại trung gian giữa tháp chóp và tháp

lưới Súp páp có thể là tròn hay là bản hình chữ nhật Khi dòng khí đi từ dưới lên thì tuỳ theo vận tốc lớn hay nhỏ mà súp páp được nâng lên nhiều hay ít (đối với loại tròn) Đối với loại súp páp bản thì khi vận tốc không lớn lắm chỉ có đầu nhẹ được nâng lên Tháp súp páp có thể làm việc đều hay không đều tuỳ theo

vận tốc của khí và lỏng Nếu súp páp càng nặng thì vận tốc cần thiết để tháp bắt đầu làm việc đều đặn càng phải lớn

• Tháp đĩa hình chữ S: Đây là một loại đĩa mới được ứng dụng

rộng rãi trong mấy năm gần đây Đĩa gồm nhiều bản uốn hình chữ S ghép lại với nhau, tạo thành các chóp và rãnh

2.1.4.2 Tháp đĩa không có ống chảy chuyền

Tháp đĩa không có ống chảy chuyền là loại tháp mà trong đó khí và lỏng chuyển động từ đĩa này qua đĩa khác theo cùng một lỗ hay rãnh Đây là loại tháp được ứng dụng phổ biến trong những năm gần đây do tất cả bề mặt của đĩa đều làm việc nên hiệu quả của đĩa cao hơn Cấu tạo tháp này cũng có nhiều loại:

• Tháp đĩa lỗ: đĩa là các bản phẳng có nhiều lỗ đường kính tuỳ

theo chất lỏng bẩn hay sạch

• Tháp đĩa rãnh: Đĩa gồm nhiều thanh ghép lại với nhau Người ta

còn dùng ống để làm đĩa rãnh.Trong trường hợp này, người ta lắp ống sao cho hơi gia nhiệt và nước làm lạnh có thể vào trong ống để làm nguội hoặc đun nóng dung dịch lên khi cần thiết

• Tháp đĩa hình sóng: Đây cũng là một dạng khác của tháp đĩa

không có ống chảy chuyền Sóng của các đĩa gần nhau hợp với nhau một góc 90° Hơi đi qua các lỗ sóng lồi và lỏng đi qua các

lỗ sóng lõm Đường kính lỗ ở sóng lồi hay lõm đều như nhau

2.2 Mô tả công nghệ chưng cất dầu thô

2.2.1 Ổn định dầu nguyên khai

Ổn định dầu nguyên khai thực chất là việc tách bớt phần nhẹ Dầu nguyên khai còn chứa các khí đồng hành và các khí phi Hydrocacbon Đại bộ

phận chúng được tách do áp suất giảm khi phun ra khỏi giếng khoan Tuy nhiên vẫn còn một phần nhỏ lẫn vào trong dầu và phải tách chúng ra

2.2.2 Tách tạp chất, nước, muối

Dầu thô vừa khai thác còn lẫn nhiều tạp chất cơ học, đất đá, nước và cả muối khoáng Chúng lẫn vào dầu khí và chủ yếu ở dạng nhũ tương nên khó tách ở điều kiện bình thường Trước khi đưa vào chưng cất, người ta thường tiến hành tách các tạp chất cơ học, nước, muối theo các phương pháp sau:

2.2.2.1 Phương pháp cơ học

• Lắng: Bản chất của phương pháp lắng là dựa vào sự khác nhau

về tỷ trọng của dầu và các tạp chất như đất đá, nước và muối Khi để lắng lâu ngày, các tạp chất này sẽ tách ra và lắng xuống tạo thành hai lớp và có thể tách ra dễ dàng Nếu kích thước tạp chất càng bé, sự chênh lệch về tỷ trọng càng ít, độ nhớt của hỗn hợp càng lớn thì tốc độ lắng càng nhỏ và như vậy, để phân chia thành các lớp riêng biệt đòi hỏi thời gian càng lớn Để tăng tốc

độ lắng trong bể, người ta thường dùng biện pháp gia nhiệt để giảm độ nhớt Nhiệt độ thường được duy trì trong khoảng 50-60°C để tránh mất mát dầu do bay hơi Nếu duy trì quá trình ở áp suất cao, ta có thể nâng cao nhiệt độ để tăng tốc độ lắng mà không sợ mất mát

• Ly tâm: Ly tâm là phương pháp hay được dùng để tách nước và

các tạp chất đất đá Lực ly tâm càng lớn, càng có khả năng phân chia các hạt có tỷ trọng khác nhau của dầu Lực ly tâm tỷ lệ với bình phương số vòng quay ly tâm của Roto nên số vòng quay càng lớn thì hiệu quả phân tách càng cao Trong công nghiệp thường dùng máy ly tâm có số vòng quay 3500÷50000

vòng/phút Tuy nhiên, nếu số vòng quay càng lớn thì việc chế tạo thiết bị càng khó khăn Do vậy, lĩnh vực áp dụng của phương pháp này cũng bị hạn chế

• Lọc: Để tách nước và tạp chất đất đá ra khỏi dầu, ta có thể dùng

phương pháp lọc khi chúng ta cho thêm vào dầu một chất dễ thấm nước, dễ giữ nước và tách chúng ra Các chất này thuộc loại “chất trợ lọc” Ví dụ trong thực tế, người ta dùng bông thuỷ tinh để lọc nước khỏi dầu Phương pháp tuy đơn giản, đạt hiệu quả cao nhưng rất tốn kém, phức tạp do thường xuyên phải thay thế màng lọc

2.2.2.2 Phương pháp hoá học

Bản chất của phương pháp là cho thêm một chất hoạt động bề mặt để phá nhũ tương Khi các điều kiện thao tác như nhiệt độ, áp suất , rung động được chọn ở chế độ thích hợp thì hiệu quả của phương pháp cũng rất cao Song khó khăn gặp phải là phải chọn được chất hoạt động bề mặt thích hợp, không gây hậu quả khó khăn cho chế biến sau này, không phân huỷ hay tạo môi trường ăn mòn thiết bị

2.2.2.3 Phương pháp dùng điện trường

Dùng điện trường để phá nhũ, tách muối khỏi dầu là một phương pháp pháp hiện đại, công suất lớn, quy mô công nghiệp và dễ tự động hoá Vì bản thân các tạp chất đã là các hạt dễ nhiễm điện tích, do đó dùng điện trường xoay chiều mạnh sẽ làm các hạt nước và muối nhỏ sẽ tích điện và chuyển động về phía các cực Sự chuyển động này cũng là xoay chiều và phụ thuộc vào tần số của dòng điện Khi chuyển động, các hạt đó sẽ va chạm nhau và tạo thành các hạt to dễ lắng tụ xuống đáy thiết bị

2.2.3 Chưng cất

2.2.3.1 Nguyên lý chưng cất

Sau khi tách nước và muối, dầu thô được đưa vào chưng cất Chưng cất chính là quá trình thực hiện việc phân tách các chất lỏng và khí bị trộn lẫn thành các thành phần riêng biệt nhờ vào các ứng dụng của nhiệt năng mà không làm phân huỷ chúng

Về nguyên lý, sự chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi nhất định của từng cấu

tử trong hỗn hợp Sau đó thực hiện thu hồi lại trạng thái ban đầu của chất thông qua bình ngưng

2.2.3.2 Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất

Hình 2-1 là hệ thống một tháp thông dụng đơn giản nhất gồm một

nguồn cấp và hai sản phẩm ra

Hình 2.1 S ơ đồ một tháp chưng cất đơn giản

Nguyên liệu cần phân tách (FEED) được đưa vào khay tiếp liệu và được tích tụ tại nồi hơi Reboiler cung cấp nhiệt năng biến nguyên liệu ban đầu thành hơi Hơi đi từ dưới lên qua các lỗ của đĩa, chất lỏng chảy từ trên xuống theo các cạnh của đĩa hay theo ống chảy chuyền tuỳ thuộc vào loại đĩa Nồng độ các cấu tử thay đổi theo chiều cao của tháp, nhiệt độ sôi cũng thay đổi theo sự thay đổi của nồng độ Trên mỗi đĩa diễn ra quá trình chuyển khối giữa pha lỏng và pha hơi Do đó, một phần cấu tử dễ bay hơi chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và một phần ít hơn chuyển từ pha hơi vào pha lỏng Cuối cùng, ở trên đỉnh tháp, ta thu được cấu tử dễ bay hơi gần như ở dạng nguyên chất Phần hơi này được làm lạnh và ngưng tụ qua trao đổi nhiệt với chất làm lạnh trong Condenser Chất lỏng thu được được đưa vào trong thùng chứa đệm Sản phẩm lấy ra từ thùng chứa đệm gọi là Distillate Sản phẩm lấy ra từ đáy tháp gọi là Bottom

• Hoạt động chất tại các khay

Về cơ bản, hoạt động của khay giống như một tháp thu nhỏ Nó có nhiệm vụ hoàn thành từng phần nhỏ của quá trình phân chia Các khay được thiết kế sao cho sự tiếp xúc giữa pha lỏng và hơi có được là lớn nhất Do đó, mỗi khay đều được cấu tạo như sau: có một cạnh cho phép chất lỏng chảy tràn qua Trên khay tồn tại một gờ để đảm bảo luôn có một lượng chất lỏng tồn tại trên bề mặt Hơi đi từ dưới lên qua các lỗ Bề mặt xảy ra quá trình tiếp xúc giữa hai pha lỏng-hơi gọi là bề mặt hoạt động của khay

2.2.3.3 Một số phương pháp chưng cất thông dụng

Trong sản xuất, tuỳ theo bản chất của nguyên liêu và mục đích của quá

trình mà có thể áp dụng phương pháp chưng cất sau:

 Chưng cất đơn giản

Chưng cất đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi dần dần, một lần hay nhiều lần không có hồi lưu Phương pháp này áp

dụng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau, tách sơ

bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

• Chưng cất bay hơi một lần: Còn được gọi là bay hơi cân bằng

Nguyên liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ và áp suất nhất định Pha lỏng-hơi được tạo thành và đạt đến trạng thái cân bằng thì cho vào tháp Pha hơi qua thiết bị ngưng tụ sau đó lấy sản phẩm hơi đem ngưng tụ ta thu được chất có nhiệt độ sôi thấp nhất

• 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 lên (hay áp suất thấp hơn) Sản phẩm đáy của chưng lần một là nguyên liệu cho chưng lần hai

 Chưng cất phức tạp

• 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 nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi

hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có hồi lưu, nhờ vậy có độ phân chia cao hơn

• Chưng cất có tinh luyện: Đây là phương pháp phổ biến nhất dùng

để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hoà tan, một phần và hoà tan hoàn toàn với nhau Chưng cất có tinh luyện được thực hiện trong tháp tinh luyện Ngoài đỉnh và đáy, nếu cần ta còn có thể thiết kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn của tháp cho trao đổi nhiệt làm lạnh rồi cho quay lại tưới vào tháp Ta cũng có thể lấy sản phẩm cạnh sườn của tháp, trang bị thêm các bộ phận tách trung gian Mỗi bộ