QÚA TRÌNH TÁCH LỌC VẬT LÝ TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU

giới thiệu đầy đủ các quá trình tách vật lý trong nhà máy như: chưng cất, trích ly, kết tinh, hấp thụ, hấp phụ ... Tài liệu sẽ cung cấp đầy đủ các quá trình vật lý trong nhà máy về mục đích, điều kiện, cách vận hành, sản phẩm .... Đây là tài liệu rất bổ ích cho các bạn chuyên ngành hóa dầu....

Trang 1

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA HÓA

GIÁO TRÌNH

CÁC QUÁ TRÌNH LỌC TÁCH VẬT LÝ TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ

Trang 2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH LỌC TÁCH 5

1.1 Vai trò của quá trình lọc tách trong công nghệ lọc dầu 5

1.2 Nguyên lý của quá trình lọc tách 7

1.3 Thực hiện quá trình phân tách 9

1.3.1 Nhiệt động học và hệ số động học 9

1.3.2 Tiếp xúc giữa các pha 10

1.3.3 Sự hấp phụ trên tầng cố định 11

1.3.4 Sự phân tách qua màng 12

CHƯƠNG 2 QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, HẤP THỤ TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 13

2.1 Quá trình chưng cất khí quyển dầu thô 13

2.1.1 Mô tả quá trình 13

2.1.2 Chất lượng của phân tách sản phẩm 14

2.1.3 Các bước tiến hành khi mô phỏng tháp chưng cất khí quyển 17

2.1.4 Công nghệ chưng cất khí quyển 18

2.1.5 Các quá trình chưng cất khí quyển 19

2.1.6 Sự tách muối trong dầu thô 21

2.1.7 Sự ăn mòn và mài mòn 31

2.1.8 Tiêu thụ năng lượng 34

2.1.9 Khống chế và điều khiển quá trình – Bảo trì - Bản chất chất thải 38

2.2 Quá trình chưng cất chân không của cặn chưng cất khí quyển 39

2.2.1 Các phân đoạn sản phẩm 40

2.2.2 Ví dụ về tiêu chuẩn của phân cất chân không làm nguyên liệu cho cracking xúc tác 40

2.2.3 Các khái niệm liên quan đến chưng cất chân không 41

2.2.4 Mô tả quá trình chưng cất chân không cặn chưng cất khí quyển 41

2.2.5 Mô tả tháp chưng cất chưng không 43

2.2.6 Tính toán và mô phỏng tháp chưng cất chân không 45

2.2.7 Cấu tạo một số bộ phận quan trọng của tháp chưng cất chân không 45

2.2.8 Các điểm lưu ý đặc biệt đối với chưng cất chân không 47

2.2.9 Quá trình chưng cất khí quyển và chưng cất chân không kết hợp 48

2.3 Quá trình chưng cất phân đoạn xăng và phân tách khí 48

2.3.1 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu 48

2.3.2 Mô tả phân xưởng chưng cất xăng và phân đoạn khí 49

Trang 3

2.4 Cấu tạo bên trong của tháp chưng cất, hấp thụ và stripping 51

2.4.1 Các khái niệm về hiệu suất, công suất và độ uyển chuyển của các bộ phận cấu tạo bên trong tháp 52 2.4.2 Các bộ phận cấu tạo bên trong tháp 52

2.4.3 Ứng dụng quá trình chưng cất trong công nghiệp lọc dầu 61

CHƯƠNG 3 CÁC QUÁ TRÌNH TRÍCH LY TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 74

3.1 Tóm tắt về nguyên tắc trích ly 74

3.2 Quá trình tách loại các hợp chất thơm có trong dầu cơ sở nhằm sản xuất các loại dầu nhờn 74

3.2.1 Trích ly bằng dung môi furfural 77

3.2.2 Sơ đồ quá trình trích ly bằng dung môi furfural 83

3.2.3 Sơ đồ công nghệ phân xưởng trích ly bằng N-methylpyrrolidon (NMP) 86

3.3 Quá trình khử asphalt 87

3.3.1 Cấu trúc nguyên liệu, mục đích, nguyên lý quá trình 87

3.3.2 Ưu điểm của trích ly khử asphalt so với chưng cất chân không 90

3.3.3 Các thông số ảnh hưởng đến quá trình khử asphalt 92

3.3.4 Sơ đồ công nghệ phân xưởng khử asphalt 96

3.4 Quá trình trích ly khử aromatic từ các phân đoạn dầu mỏ nhẹ 97

3.4.1 Mục đích 97

3.4.2 Các nguồn nguyên liệu chứa nhiều BTX 98

3.4.3 Tính chất của dung môi 99

3.4.4 Sơ đồ tổng quát của quá trình trích ly 102

3.4.5 Các quá trình trích ly hợp chất thơm trong công nghiệp lọc dầu 103

3.4.6 Tỷ lệ thu hồi và độ tinh khiết của các hợp chất aromatic 107

3.4.7 Các dữ liệu kinh tế 107

3.5 Thiết bị trích ly lỏng lỏng 108

3.5.1 Tổng quan 108

3.5.2 Hệ thống thiết bị trích ly 109

3.5.3 Kết luận 116

CHƯƠNG 4 CÁC QUÁ TRÌNH KẾT TINH TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 117

4.1 Tổng quan 117

4.1.1 Mục đích của quá trình khử parafin 117

4.1.2 Nguyên liệu và sản phẩm 117

4.2 Quá trình khử parafin bằng dung môi 119

4.2.1 Quá trình khử parafin bằng dung môi MEK-Toluen 120

Trang 4

4.2.2 Ảnh hưởng của bản chất nguyên liệu 121

4.2.3 Ảnh hưởng của thành phần dung môi MEK-Toluen 121

4.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ cuối của quá trình khử parafin (hay là nhiệt độ lọc) 122

4.2.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi-nguyên liệu 123

4.2.6 Ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh 123

4.3 Sơ đồ công nghệ kết tinh khử parafin 124

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý phân xưởng tách parafin không có giai đoạn khử dầu mềm 124

4.3.2 Sơ đồ nguyên lý phân xưởng tách parafin có giai đoạn khử dầu mềm 124

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 126

5.1 Tổng quan 126

5.2 Quá trình tách nước 128

5.3 Quá trình tách lưu huỳnh 129

5.4 Quá trình tách CO 2 của khí hóa lỏng, khí tự nhiên 130

5.5 Quá trình tách các hợp chất chứa oxy 131

5.6 Quá trình làm tinh khiết H2 131

5.7 Quá trình tách iso/n-parafin 132

5.7.1 Sản xuất n-Parafin làm dung môi 132

5.7.2 Cải thiện chỉ số octan cho nhiên liệu cơ sở 132

5.7.3 Sản xuất n-parafin trong phân đoạn C10-C17 134

5.8 Quá trình tách olefin ra khỏi parafin 134

5.9 Quá trình tách các hợp chất aromatic ra khỏi xăng, kerosene 135

5.10 Quá trình thu hồi hơi hydrocacbon 135

5.11 Khử màu bằng đất sét 135

Trang 5

CHƯƠNG 1 CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH LỌC TÁCH

1.1 Vai trò của quá trình lọc tách trong công nghệ lọc dầu

Dầu thô được tạo thành từ hỗn hợp phức tạp gồm rất nhiều các hợp chất, phần lớn là hydrocarbon Để thu được các sản phẩm dầu mỏ đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật thương mại, đầu tiên cần phải thực hiện một quá trình phân riêng dầu mỏ nguyên khai thành nhiều phân đoạn khác nhau Các phân đoạn này, tiếp sau đó phải được tinh luyện làm sạch, hay phải trải qua các quá trình chuyển hóa hóa học, đặc biệt là nhằm phục vụ cho các nhu cầu của ngành hóa dầu sau này Nguyên lý cơ sở của một công đoạn phân tách được minh họa trong hình 1.1

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của môt quá trình phân tách

Hỗn hợp ban đầu (dầu thô hoặc hỗn hợp khác, A, B, C ) được phân riêng ra thành các cấu

tử khác nhau hay các phân đoạn khác nhau nhờ những tính chất đặc trưng, ví dụ bằng khoảng nhiệt

độ sôi Một công đoạn như vậy thông thường đòi hỏi sự tiêu tốn năng lượng (đun sôi trong chưng luyện hay làm lạnh trong kết tinh) hay đòi hỏi sự trợ giúp của một tác nhân phân riêng chọn lọc (dung môi trích ly, hấp thụ, chất hấp phụ)

Trong các trường hợp nói riêng của lọc dầu thô, các quá trình lọc tách vật lý bảo đảm được 3 chức năng chính sau:

 Phân tách

Quá trình chưng cất khí quyển cho phép phân đoạn dầu thô thành các phân đoạn khác nhau:

khí dầu hóa lỏng LPG, xăng, kerosen, gazol, fuel được cho ví dụ trên hình 1.2 Với các quá trình

chuyển hoá hoá học, trong hầu hết các trường hợp, sau khi thực hiện quá trình, dòng sản phẩm thường phải trải qua một công đoạn phân đoạn nhằm mục đích thu được các sản phẩm có chất lượng đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiên cứu

Trang 6

Hình 1.2 Sơ đồ phân tách dầu thô bằng quá trình chưng cất khí quyển

 Tuần hoàn lại

Hầu hết các công đoạn chuyển hóa hóa học đều được đặc trưng bởi sự chuyển hóa từng chặng không hoàn toàn, tiếp đó lại là một công đoạn phân riêng để tách riêng và tuần hoàn lại các cấu tử chưa được chuyển hóa, vì hệ số chuyển hoá tuỳ thuộc quá trình thường nằm trong khoảng 10-90% (Hình 1.3)

Hình 1.3 Sơ đồ tuần hoàn lại các cấu tử chưa chuyển hóa sau thiết bị phản ứng

Chẳng hạn, sự cần thiết gia tăng chỉ số octan IO của các nguồn xăng cơ sở nhằm sản xuất ra các loại xăng không chì, dẫn đến việc phải tiến hành các quá trình đồng phân hóa các n-parafin thành các iso-C5 và C6 Các n-parafin không được chuyển hóa khi đi ra khỏi quá trình đồng phân hóa sẽ được tách ra bởi các rây phân tử có kích thước 5 A° và được tái tuần hoàn, nhằm đạt kết quả đồng phân hóa hoàn toàn các parafin này

 Làm sạch

- Làm sạch cho nguyên liệu trước khi phản ứng tách các loại tạp chất (như H2S, mercaptan có

Trang 7

trong hỗn hợp khí trên rây phân tử 13X) mà chúng có phản ứng phụ với xúc tác trong nguyên liệu đầu là rất cần thiết cho các công đoạn hạ lưu, vì trong các công đoạn có sử dụng xúc tác, chất xúc tác rất nhạy phản ứng với các tạp chất có trong nguyên liệu

- Làm sạch để hoàn thiện chất lượng tạo sản phẩm (tách aromatic, parafin để sản xuất dầu nhờn, tách aromatic cho nhiên liệu)

- Làm sạch để đáp ứng yêu cầu là một vài sản phẩm thu được phải có độ tinh khiết cao để ứng dụng cho các nhu cầu của hóa dầu (ví dụ sản xuất H2, i/n-parafin, BTX tinh khiết)

- Làm sạch nhằm tách triệt để các tạp chất độc hại có trong các chất thải là khí, nước từ nhà máy ra môi trường (như hấp thụ H2S bằng dung môi amin)

1.2 Nguyên lý của quá trình lọc tách

Thông thường, một hỗn hợp có thể ở dạng đồng thể (một pha ) hay dị thể (2 hay nhiều pha)

Sự phân tách hỗn hợp dị thể thường thực hiện trong một thiết bị lắng Tài liệu này đề cập chủ yếu đến quá trình phân riêng các hỗn hợp đồng nhất Các hỗn hợp này cần được tách thành các nhóm cấu tử hay thậm chí thành các cấu tử tinh khiết nhờ các quá trình lọc tách vật lý (hay quá trình truyền chất) khá phức tạp Các quá trình này, tùy từng trường hợp, sẽ đòi hỏi từ một hay một tập hợp các công đoạn tinh chế lại một cách chọn lọc một vài cấu tử trong phân đoạn ban đầu Độ chọn lọc được nghiên cứu có tính nhiệt động học hay động học, trong đó độ chọn lọc nhiệt động học thường xuyên được sử dụng trong tính toán

Để minh họa cho 1 quá trình phân tách dựa trên độ chọn lọc nhiệt động học, trong trường hợp hỗn hợp 2 cấu tử A và B, người ta cần phải đưa vào hỗn hợp một tác nhân mới, có thể là một pha chọn loc ngoài (dung môi, chất hấp thụ) hay tác nhân nhiệt (đun nóng, làm lạnh, nén, giãn nở…)

Hệ số phân tách được định nghĩa như sau:

(King, 1980) Trong đó, xA1, xB1, xA2, xB2 là hệ số mol của cấu tử A và B trong pha 1 và pha 2 Khi cấu tử A tập trung chủ yếu trong pha 1, hệ số αAB lớn hơn 1 và sự phân tách xảy ra hoàn toàn khi hệ số phân tách lớn Nếu trên tầng tiếp xúc được minh họa ở hình 1.4, khi 2 pha trộn lẫn tốt với nhau, người ta thường quan sát thấy hệ số phân tách αAB nhỏ hơn giá trị của nó ở trạng thái cân bằng α*AB Giá trị giới hạn này đạt được trong trường hợp ‘tầng lý thuyết’, nhưng trong trường hợp ‘tầng thực tế’, giá trị αAB phụ thuộc vào động học quá trình truyền khối và khi giá trị này càng nhỏ, đồng nghĩa với động học của quá trình này chậm

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý phân tách dựa theo cân bằng pha

Tùy thuộc vào tác nhân tách (dạng vật chất hay năng lượng) và bản chất của các pha, các hoạt động quá trình phân tách dựa trên độ chọn lọc cân bằng được phân loại như sau:

- Chưng cất: quá trình cơ bản, thường dùng nhất Nguyên liệu thường ở dạng lỏng,nhưng đối với chưng cất làm lạnh có thể dùng để phân tách hỗn hợp khí Pha thứ hai được tạo ra ở đáy tháp nhờ đun nóng (hồi lưu hơi) và ở đỉnh tháp nhờ làm lạnh (hồi lưu lỏng) Trong trường

Trang 8

hợp chênh lệch độ bay hơi của các cấu tử cần phân tách không đủ lớn để thực hiện sự phân tách bằng chưng cất, người ta mới sử dụng các tác động khác

- Làm lạnh: tạo ra một pha rắn trong đó tập trung chủ yếu cấu tử cần tách

- Thêm dung môi: cho phép tách các cấu tử có độ bay hơi gần bằng nhau, nhưng thuộc các nhóm hóa học khác nhau

- Chưng cất trích ly: kết hợp hiệu quả giữa thay đổi pha bởi cung cấp năng lượng và việc sử dụng dung môi, để tách các cấu tử có độ bốc hơi gần nhau và có bản chất hóa học tương tự nhau

- Sử dụng chất hấp phụ để thực hiện các quá trình phân tách khó như: tách hỗn hợp đồng phân (paraxylene/metaxylene hay n-/iso parafine)

Quá trình phân tách có thể dựa trên độ chọn lọc động học, có nghĩa là chênh lệnh vận tốc khuếch của các cấu tử qua màng Nguyên lý này là cơ sở cho quá trình phân tách bằng màng chọn lọc, được minh họa bằng sơ đồ sau:

Quá trình phân tách qua màng không có sự thay đổi pha và cả hai pha có thể đồng thời ớ dạng khí hoặc dạng lỏng

Bảng 1.1 dưới đây thể hiện các quá trình phân tách khác nhau, phụ thuộc vào các tác nhân tách, bản chất của các pha và độ chọn lọc

Bảng 1.1 Nguyên lý của quá trình phân tách

Trong công nghệ lọc dầu, chưng cất là quá trình phân tách được sử dụng nhiều nhất và chưng cất khí quyển là quá trình phân tách cơ bản của lọc dầu Ngoài ra, các quá trình phân tách khác cũng được sử dụng:

- Quá trình kết tinh để tách các paraffin có trong dầu Trong lĩnh vực hóa dầu, quá trình kết tinh còn dùng để thu hồi paraxylene

- Hấp thụ khí lỏng: dùng để xử lý khí nhằm tách loại các khí axit

Trang 9

- Trích ly lỏng lỏng: chủ yếu để tách các hợp chất vòng thơm

- Tách qua màng: ít được dùng trong nhà máy lọc dầu

1.3 Thực hiện quá trình phân tách

1.3.1 Nhiệt động học và hệ số động học

Bảng 1.1 cho thấy hầu hết các quá trình lọc tách phổ biến thường dựa trên độ chọn lọc cân bằng hay còn được gọi là độ chọn lọc nhiệt động học

Độ chọn lọc này được xác định dựa trên cân bằng nhiệt động hoc, sự phân bố giữa các cấu

tử cần tách khác nhau trong các pha Sự khác nhau này liên quan đến các tính chất nhiệt động học của các cấu tử tinh khiết (nhiệt độ sôi hay nhiệt độ kết tinh) hoặc sự khác nhau về ái lực của các cấu

tử cần phân tách đối với tác nhân phân tách chon lọc, có thể là dung môi hay chất hấp phụ được đưa vào hệ Chẳng hạn, dung môi phân cực cho phép tách các hợp chất thơm ra khỏi các hợp chất paraffin

Trên đồ thị quan hệ của nồng độ C trong pha 1 và nồng độ C’ trong pha 2, mối quan hệ cân bằng được thể hiện bởi đường cong đi qua gốc tọa độ (hình 1.6) Nồng độ có thể đơn vị là kg/m3

, mol/m3 hay kmol/m3, hay dưới dạng phần mol hay phần khối lượng Thông thường, các mô hình nhiệt động sẽ có tác động khi mối quan hệ được biễu diễn ở dạng phần mol Ngược lại, khi muốn thay đổi nồng độ, cần phải chú ý đến các hệ số động học (như khuếch tán phân tử) và thủy động học như là hỗn hợp hướng trục Khi biết nồng độ của các pha, đặc biệt thành phần và thể tích mol của các cấu tử, thì có thể biết được nồng độ dưới dạng thành phần mol và ngược lại

Hình 1.6 Sự quan hệ cân bằng giữa các pha

Khi nồng độ thấp, đường cong cân bằng có thể tiếp tuyến với gốc tọa độ và cân bằng nhiệt động học được xác định bởi hệ số phân bố, là tỉ số nồng độ ở trạng thái cân bằng

Khi ở giá trị nồng độ C và C’lớn hơn, đường cân bằng thường không tuyến tính Trong khoảng nồng độ thay đổi ít C và C’, có thể coi như đường tiếp tuyến và mối quan hệ cân bằng được thể hiện dưới dạng tuyến tính gần đúng:

C* = mC+ q

Trong đó C*

là nồng độ của pha 2 cân bằng nhiệt động học với pha 1

Việc dự đoán mối quan hệ giữa các thành phần tương ứng của các pha ở trạng thái cân bằng nhiệt động học có nhiều tiến triển trong 20 năm gần đây và có thể xác định dựa vào các mô hình được tính sẵn trên máy tính Để các cấu tử cần tách có thể chuyển từ pha 1 sang pha 2, nồng độ C trong pha 1 phải cao hơn nông độ C*

cân bằng với pha 2 Nồng độ C* là nồng độ của pha 1 cân bằng với nồng độ C’ trong pha 2 (hình 1.7) Chênh lệch nồng độ (C – C*

) thể hiện động lực của sự truyền

Trang 10

khối Lượng lưu chất đi qua bề mặt phân chia có quan hệ trực tiếp với lực này và đưa ra phương trình:

N = K (C-C*)

Trong đó, N là lượng chất được chuyển trên đơn vị diện tích bề mặt phân chia và K là hệ số truyền khối tổng tương ứng ở pha 1

Các kiến thức về động học của quá trình truyền khối cho phép thiết kế thiết bị tiếp xúc pha

Hình 1.7 Động lực của quá trình truyền khối

1.3.2 Tiếp xúc giữa các pha

Sự tiếp xúc giữa các pha cho phép thực hiện quá trình phân tách thường xảy ra trong tháp thẳng đứng, trong đó pha nặng hơn chảy theo lực trong trường ngược dòng với pha nhẹ

Có 2 kiểu tiếp xúc khác nhau (hình 1.8)

- Sự tiếp xúc xảy ra trên các tầng nối tiếp: chẳng hạn như tại các tháp đĩa được sử dụng rộng rãi trong chưng cất Nếu sự tiếp xúc được thực hiện trên n bậc, mỗi bậc được kí hiệu i, chạy

từ 1 đến n Trên hình 1.8A, thể hiện bậc tiếp xúc i cũng như các bậc lân cận i-1 và i+1

- Sự tiếp xúc cũng có thể liên tục, tương ứng với trường hợp tháp đệm trong đó 1 trong các pha chảy dọc theo tầng đệm, ngược dòng với pha khác Để phân tích sự thay đổi nồng độ trong mỗi pha, người ta đưa ra mối quan hệ cân bằng trên 1 đơn vị tiếp xúc với chiều dài dz

Có các kiểu tiếp xúc khác nhau: ngược dòng, xuôi dòng và chéo dòng (hình 1.9)

Trên hình 1.9A là sơ đồ của trường hợp tiếp xúc xuôi dòng liên tục Tương tự trong trường hợp tiếp xúc ngược dòng liên tục, diện tích vùng tiếp xúc bất kỳ được xác đinh theo phương z theo hướng vào của 2 pha và sự thay đổi nồng độ mỗi pha được phân tích bằng cách đưa ra quan hệ cân bằng trên một đơn vị tiếp xúc với chiều dài dz

Trong trường hợp tiếp xúc chéo dòng liên tục (hình 1.9B), cần phải xem xét theo 2 hướng u và v trong đó các pha di chuyển theo các hướng vuông góc nhau

Trang 11

Hình 1.8 Kiểu tiếp xúc ngược dòng giữa các pha A: tiếp xúc trên các bậc, B: tiếp xúc liên tục

Hình 1.9 Kiểu tiếp xúc xuôi dòng (A) và chéo dòng (B)

Sự tiếp xúc trên đĩa gần như là tiếp xúc chéo dòng, vì một trong các pha di chuyển ngang dọc theo đĩa và pha còn lại di chuyển thẳng đứng Trong trường hợp như vậy, nồng độ 2 pha thay đổi theo hai hướng u và v và sự biến thiên nồng độ theo 2 trục này được phân tích dựa trên đơn vị diện tích

du dv

Kiểu tiếp xúc xuôi dòng hay chéo dòng được sử dụng trong trường hợp chỉ có 1 tầng tiếp xúc Tuy nhiên, chúng không cho phép thực hiện sự phân tách hoàn toàn của 2 cấu tử nên cần phải thực hiện

sự tiếp xúc ngược dòng

Quả thực, như trong trường hợp tiếp xúc xuôi dòng, tại đầu ra của thiết bị, nồng độ đầu ra của cấu

tử trong pha 1 chuyển từ pha 1 đến pha 2 phải lớn hơn nồng độ cân bằng tương ứng với nồng độ của cấu tử đó trong pha 2 Chênh lệch giữa hai nồng độ này càng nhỏ, sự tiếp xúc giữa hai pha càng hiệu quả

1.3.3 Sự hấp phụ trên tầng cố định

Trong trường hợp hấp phụ, việc di chuyển pha rắn sẽ gây ra nhiều vấn đề phức tạp (như thiết bị kéo theo, độ bền cơ học của chất hấp phụ…), vì vậy, chất hấp phụ sẽ được đặt trong trên tầng cố định Hoạt động hấp phụ -giải hấp diễn ra không liên tục, được thể hiện trên hình 1.11

Việc lắp đặt bao gồm ít nhất 2 thiết bị, trong đó 1 trong 2 thiết bị hoạt động ở trạng thái hấp phụ, thì thiết bị còn lại ở trạng thái giải hấp và sự chuyển hoán được thực hiện bằng cách tác động đến các van Chẳng hạn, khi tầng hấp phụ C1 hoạt động ở chế độ hấp phụ thì các van V11 và V13 mở trong khi đó các van V12 và V14 đóng

Trang 12

Hình 1.10 Quá trình tách bằng hấp phụ tầng cố định

Trường hợp hỗn hợp gồm 2 cấu tử A và B, trong đó cấu tử B được giữ lại chọn lọc trên tầng hấp phụ, thì trong quá trình hấp phụ, cấu tử A tinh khiết đi ra khỏi thiết bị C1 và cấu tử B bị giữu lại trên tầng hấp phụ Trong quá trình giải hấp được xảy ra song song trên thiết bị C2, tác nhân giải hấp

D được đưa đến, khí đó các van V24 và V22 mở trong khi đó van V14 và V12 đóng Người ta thu được cấu tử B trộn với tác nhân giải hấp D tại đầu ra của thiết bị C2 khi ở trạng thái giải hấp

Trong thực tế, cách thức vận hành thường phức tạp hơn và có thể có giai đoạn xả để tránh làm ô nhiễm các chất trong giai đoạn giải hấp do 1 lượng đáng kể pha bị hấp phụ vẫn còn giữ lại trên tầng

cố định trong quá trình hấp phụ Vì vậy, quá trình này có thể có 3 hay 4 tầng hấp phụ hoạt động song song Kiểu công nghệ này chỉ thích hợp khi tầng hấp phụ có độ chọn lọc cao đối với cấu tử cần tách Sự hấp phụ trên tầng cố định đặc biệt được sử dụng để tách nước của phân đoạn khí khô trong lọc dầu và để tách các n paraffin ra khỏi các iso paraffin trong phân đoạn xăng nhẹ nhằm cải thiển chỉ số octane của các n paraffin Khi độ chọn lọc thấp thì tầng hấp phụ cố định không thích hợp và nên tiến gần đến điều kiện ngược dòng Trong trường hợp này, người ta có thể xem như tiếp xúc ngược dòng mà không dịch chuyển tầng hấp phụ bằng cách thay đổi vị trí nạp liệu và rút nguyên liệu, tác nhân dịch chuyển và các chất thải Trường hợp này hay dùng để tách các parraxylène bằng zeolithe X hoặc Y Việc áp dụng quá trình phân tách bằng hấp thụ trong lọc dầu cũng được sử dụng rộng rãi

1.3.4 Sự phân tách qua màng

Các quá trình phân tách qua màng vẫn còn ít được sử dụng trong lọc dầu Phương pháp này dùng để tách hỗn hợp mà thành phần của chúng có thể khác xa với cân bằng nhiệt động học Khi có màng có tính thấm và độ chọn lọc đủ lớn sẽ cho phép thực hiện quá trình tách mong muốn Thực tế, trong kỹ thuật hiên tai, việc sử dụng màng không thích hợp để thực hiện các quá trình tinh lọc hay quá trình tách cưỡng bức Đối với trường hợp hỗn hợp đồng nhất, dựa trên các nguyên tắc áp dụng hiện tại, nên dùng kết hợp các kỹ thuật tách cổ điển hơn dựa trên sự tiếp xúc giữa các pha

Trang 13

CHƯƠNG 2 QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, HẤP THỤ TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ

2.1 Quá trình chưng cất khí quyển dầu thô

Chưng cất khí quyển là 1 công đoạn căn bản của quy trình công nghệ lọc dầu, công đoạn này

ra đời từ cuối thế kỷ XIX Vì nó là công đoạn đầu tiên trong quy trình công nghệ lọc dầu, nên chưng cất khí quyển luôn phải xử lý lượng lớn nhất nguyên liệu và nó đóng vai trò quyết định trong vận hành nhà máy lọc dầu Năng suất của phân xưởng này thay đổi từ 300.000 đến hơn 10 triệu tấn dầu thô/năm Giá thành của 1 phân xưởng chưng cất khí quyển năng suất 10 triệu tấn dầu thô/năm vào thời điểm năm 1994 là khoảng 120-150 triệu USD Thông thường, từ nguyên liệu là dầu thô, qua phân xưởng chưng cất khí quyển, ta sẽ thu được các phân đoạn sản phẩm dầu thô như sau:

- phân đoạn hỗn hợp khí-xăng này, thông thường sau khi được xử lý hydro, sẽ là nguyên liệu cho các công đoạn phân tách khí và xăng

- phân đoạn naphta thường dùng làm nguyên liệu hóa dầu

- phân đoạn kerosene, dùng để sản xuất nhiên liệu máy bay Phân đoạn này cũng có thể dùng

để sản xuất dung môi, dầu đốt dân dụng hay dầu động cơ (dầu diesel)

- một hay hai phân đoạn gasoil dùng để sản xuất dầu đốt dân dụng hay dầu diesel

- phân đoạn cặn khí quyển làm nguyên liệu cho phân xưởng chân cất chân không

Ngoài ra, đôi khi còn có một phân đoạn, gọi la phân đoạn cất, nằm giữa phân đoạn gasoil nặng và vùng nạp liệu; tùy theo chất lượng của phân đoạn này, có thể trộn với phân đoạn cặn chưng cất khí quyển hoặc dùng để pha loãng nhiên liệu nặng

Các phân đoạn kerosene và gasoil hầu như luôn phải trải qua một giai đoạn xử lý hoàn thiện trước khi phối trộn sản phẩm thương phẩm Các phân đoạn này thu được bằng chưng cất dầu thô, do vây, tuy vào bản chất của dầu thô, có thể chứa một số các tạp chất không mong muốn, thường là lưu huỳnh và các hợp chất vòng thơm

Và cũng có thể thu được một phân đoạn xăng nhẹ từ quá trình chưng cất Vì vậy, phân đoạn naphta được phân tách thành phân đoạn xăng nhẹ (có chứa hỗn hợp khí) lấy ra ở đỉnh tháp và phân đoạn xăng nặng lấy ra ở thân tháp thông qua một thiết bị strippeur Quá trình tách như thế này sẽ kém hiệu quả so với sự phân tách trong một tháp riêng biệt Hơn nữa, nguy cơ ngưng tụ nước trên đỉnh tháp sẽ làm hạn chể các ứng dụng của xăng nhẹ do có nhiệt độ điểm cuổi khá cao

Một phân xưởng chưng cất khí quyển thường được thiết kế sao cho nó có khả năng xử lý được nhiều loại dầu thô có tính chất khác nhau như:

- nguồn nguyên liệu dầu thô thường xuyên của nhà máy;

- nguồn dầu thô nhẹ hơn, liên quan đến việc thiết kế các vùng đỉnh tháp và lò cấp nhiệt

- nguồn dầu thô nặng hơn, liên quan đến thiết kế đáy tháp và bộ phận trao đổi nhiệt

Trong cả 3 trường hợp, năng suất xử lý chế biến thực tế cho mỗi trường hợp sẽ không như nhau nhằm giảm thiểu thiết kế dư Cùng một loại lò, năng suất xử lý đối với dầu nặng sẽ lớn hơn và với dầu nhẹ sẽ nhỏ hơn

Tháp chưng cất khí quyển cũng được thiết kế để cho phép sự thay đổi điểm cắt giữa các phân đoạn khoảng 20°C theo đường cong chưng cất TBP ( ví du như nhiên liệu mùa đông, mùa hè) và cuối cùng, phân xưởng chưng cất khí quyển cần được thiết kế sao cho trong trường hợp cần thiết vẫn có thể hoạt động một cách hoàn hảo ở năng suất bằng khoảng 60% năng suất thiết kế danh nghĩa

2.1.1 Mô tả quá trình

Sơ đồ của phân xưởng chưng cất khí quyển được mô tả như hình vẽ 2.1

Trang 14

Hình 2.1 Sơ đồ phân xưởng chưng cất khí quyển dầu thô

Quá trình phân tách thường diễn ra ở 1 tháp duy nhất, hoạt động dưới áp suất từ 1-3 bar, thường ở áp suất làm việc thấp nhất có thể Việc trích dòng sản phẩm được thực hiện nhờ thiết bị strippeur Các tháp strippeur có thiết bị đun sôi lại (khi muốn thu sản phẩm khô không chứa nước) hay thông thường hơn, được bốc hơi bằng hơi nước trực tiếp, các phần nhẹ bốc hơi được quay trở lại tháp chính tại vị trí phía trên đĩa trích dòng lỏng vào strippeur

Tháp chưng cất khí quyển, trong thực tế hoạt động như một tháp hấp thụ có hồi lưu, nó có từ 1-3 dòng hồi lưu tuần hoàn cho phép ta thu hồi được 1 lượng nhiệt khá cao

Dòng quá bốc hơi, hay còn gọi là ‘overflash’ là dòng hồi lưu nội tại đĩa phía trên đĩa nạp liệu Dòng này có khi được trích ra (ít khi) hoặc đưa về đáy tháp Dòng này để xác định độ quá bốc hơi của nguyên liệu và bảo đảm chất lượng của phân đoạn gasoil nặng

Sự ngưng tụ ở đỉnh là hoàn toàn hay một phần tuỳ vào nhiệt độ lưu chất làm lạnh và bản chất dầu thô Trong trường hợp ngưng tụ một phần, dòng khí còn lại thường đưa qua máy nén và đi vào

hệ thống khí nhiên liệu của nhà máy lọc dầu

Tháp chưng cất chính, có độ cao khoảng 50m, thường được trang bị 30 đến 50 đĩa van, và các tháp strippeur bên thân tháp thường có 4 đến 10 đĩa

Dầu thô được đun nóng sơ bộ trong chuỗi thiết bị trao đổi nhiệt thứ nhất nhờ sử dụng nhiệt thu hồi từ các sản phẩm và từ dòng hồi lưu tuần hoàn đến nhiệt độ khoảng 120-160°C, tại nhiệt độ này dầu thô sẽ được khử muối Công đoạn này được thực hiện ở áp suất khá lớn (khoảng 12 bar) nhằm

để hỗn hợp dầu thô và nước vẫn còn ở trạng thái lỏng tại nhiệt độ mong muốn Dầu thô đã tách muối được gia nhiệt trong chuỗi thiết bị trao đổi nhiệt thứ hai rồi được đưa vào lò đốt để đạt được nhiệt độ khoảng 330-390°C để cấp liệu vào tháp chính ở trạng thái hóa hơi một phần

Các phân đoạn thu được đôi khi được sấy khô ở nhiệt độ 150°C trong các thiết bị sấy chân không nối liền với các thiết bị strippeur thân tháp

2.1.2 Chất lượng của phân tách sản phẩm

Chất lượng của việc phân tách thường được tính dựa vào khái niệm ‘gap’ hay ‘overlap’ của các sản phẩm Nếu việc phân tách lý tưởng, sẽ không có hiện tượng một cấu tử phân bố trong 2

Trang 15

phân đoạn liền nhau Điểm cuối TBP của phân đoạn nhẹ trùng với điểm đầu TBP của phân đoạn nặng Khi đó, chênh lệch giữa hai giá trị này (điểm cuối của phân đoạn nhẹ và điểm đầu của phân đoạn nhẹ) trên đường cong chưng cất ASTM lớn hơn không và được goi là ‘gap’ Trong trường hợp ngược lại, giá trị này < 0, được gọi là ‘overlap (Hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ thể hiện khái niệm ‘gap’ và ‘overlap’

Tuy nhiên, việc xác định điểm đầu và điểm cuối của đường cong chưng cất thường không chính xác, do đó, các điểm ở 5% (hay 10%) và 95% (hay 90% thể tích) thường dùng để xác định chất lượng của quá trình tách các sản phẩm

Bảng 2.1 Các giá trị gap và overlap của các phân đoạn chưng cất dầu thô

Ngoài ra, chất lượng của quá trình chưng cất dầu thô còn được kiểm soát bởi các tính chất của các phân đoạn dưới đây:

- điểm chớp cháy của phân đoạn kerosene và gasoil

- điểm cuối của đường cong chưng cất ASTM D86 của phân đoạn xặng nặng, thường thấp hơn 185°C, để bảo đảm điểm cuối của đường cong chưng cất của xăng tái tạo đáp ứng tiêu chuan thương mại

- điểm vẩn đục của gasoil nặng

- điểm chớp cháy của cặn chưng cất khí quyển

Quá trình vận hành phân xưởng cho phép điều chỉnh điểm cắt của các phân đoạn và chất lượng của quá trình tách

Trang 16

2.1.2.1 Thay đổi điểm cắt

Việc điều chỉnh điểm cắt giữa các phân đoạn được thực hiện bởi (xem hình 2.1):

- Thiết bị điều khiển nhiệt độ ở đỉnh tháp: nhằm điều chỉnh gián tiếp lưu lượng phân đoạn napha rút ra

- Và các thiết bị điều khiển lưu lượng ( FRC) được đặt trên đầu ra của bơm ở đáy các thiết bị strippeur của sản phẩm trích ngang: kerosene, gasoil nhẹ và gasoil nặng

- Lưu lượng cặn chưng cất khí quyển được điều chỉnh thông qua thiết bị điều khiển mức chất lỏng ở đáy tháp bảo đảm cân bằng vật chất của tháp

Thiết bị điều khiển nhiệt độ đỉnh được đặt ở đỉnh tháp trong trường hợp một thiết bị ngưng tụ và trên bình hồi lưu đầu tiên trong trường hợp hai thiết bị ngưng tụ Nhiệt độ ở đỉnh được điều khiển chính là nhiệt độ điểm sương của phân đoạn naphta ở áp suất riêng phần của phân đoạn này tại vùng đỉnh Các giá trị cài đặt của 4 thiết bị điều khiển kể ở trên liên quan đến cân bằng vật chất của tháp Việc thay đổi giá trị cài đặt của một trong các thiết bị điều khiển này làm thay đổi tất cả các điểm cắt của sản phẩm nặng hơn kể từ sản phẩm trực tiếp tác động Chẳng hạn, khi giảm giá trị cài đặt lưu lượng của thiết bị điều khiển lưu lượng của kerosene sẽ làm thay đổi điểm cuổi của kerosene ( trên đường cong TBP, điểm cuối sẽ thấp hơn), và làm thay đổi điểm đầu và điểm cuối của gasoil, điểm đầu của cặn chưng cất; điểm cắt của naphta vẫn không đổi Lưu lượng của naphta, gasoil không đổi nhưng lưu lượng sản phẩn cặn khí quyển, lưu lượng hồi lưu nội, và lưu lượng

‘overflash’ tăng Chất lượng của naphta không đổi nhưng của các sản phẩm khác thay đổi: các sản phẩm này nhẹ hơn, và nhiệt độ rút sản phẩm cũng thấp hơn;và điều này sẽ làm giảm lượng nhiệt rút ra bởi hồi lưu tuần hòa, vì vậy sẽ có tác động đến chất lượng của sự phân tách sản phẩm

Trong trường hợp thay đổi ngược lại, các sản phẩm kerosene, gasoil và cặn sẽ nặng hơn tương ứng với nhiệt độ rút sản phẩm sẽ cao hơn Lưu lượng của naphta và các sản phẩm trích ngang không đổi, ngoại trừ kerosene tăng lên và cặn giảm xuống Lưu lượng overflash và hồi lưu nội cũng sẽ tăng

Việc thay đổi điểm cắt giữa 2 sản phẩm liên tiếp được thực hiện bởi tác động đồng thời đến 2 thiết bị điều khiển lưu lượng của 2 sản phẩm đó Chẳng hạn, để giảm điểm cắt của phân đoạn KER/GO nhẹ, cần phải giảm giá trị cài đặt của thiết bị điều khiển lưu lượng kerosene và tăng tương ứng giá trị cài đặt của thiết bị điều khiển lưu lượng gasoil nhẹ Trong trường hợp này, điểm cắt của phân đoạn khác không đổi

2.1.2.2 Thay đổi chất lượng tách

Chất lượng tách giữa hai sản phẩm liên tiếp, trên vùng có số đĩa cố định, tùy thuộc vào lưu lượng lỏng hơi tròng vùng đó Nếu lưu lượng lỏng hơi tăng sẽ tăng chất lượng tách sản phẩm Ở một nhiệt độ nạp liệu vào tháp không đổi, lưu lượng lỏng hơi trong các vùng khác nhau sẽ tùy tùy thuộc vào lượng nhiệt lấy ra bởi các hồi lưu tuần hoàn Để tăng hay giảm chất lượng tách giữa 2 sản phẩm liên tiếp, cần tác động vào hai biến đồng thời, giống như trong trường hợp thay đổi điểm cắt

Ví dụ, để tăng chất lượng tách của 2 phân đoạn gasoil, cần phải giảm lượng nhiệt lấy ra bởi hồi lưu tuần hoàn gasoil nặng (để hơi lên nhiều) và tăng đồng thời lượng nhiệt lấy ra bởi hồi lưu tuần hoàn gasoil nhẹ (để ngưng tụ hơi nhiều) Nếu lượng nhiệt này không được thu hồi ở vị trí của gasoil nhẹ thì sẽ tự động thu hồi tại thiết bị ngưng tụ của tháp, từ đó làm tăng chất lượng của các sản phẩm nhẹ hơn gasoil nặng vì lưu lượng lỏng hơi tăng trong các vùng sản phẩm này Chính vì vậy, trong trường hợp phân tách giữa naphta và kerosene,chỉ cần tác động lên hồi lưu tuần hoàn kerosene là

đủ Cuối cùng, phải chú ý là nhiệt độ nạp liệu vào tháp điều chỉnh lưu lượng overflash, vì vậy, điều chỉnh chất lượng tách giữa gasoil nặng và cặn chưng cất khí quyển.Khi hồi lưu tuần hoàn không đổi, nhiệt độ này cho phép tác động đến toàn bộ các phân đoạn

Tóm lại, việc thay đổi điểm cắt và điều chỉnh chất lượng tách giữa 2 sản phẩm cần phải tác động đồng thời đến 3 hoặc 4 biến, đòi hỏi phải phát triển tinh vi các công cụ điều khiển và hỗ trợ vận hành

Trang 17

2.1.3 Các bước tiến hành khi mô phỏng tháp chưng cất khí quyển

2.1.3.1 Lựa chọn mô hình nhiệt động

Các phần mềm mô phỏng đưa ra các mô hình nhiệt động đối với các phân xưởng lọc dầu cho phép tính toán các hệ số cân bằng lỏng hơi, các hệ số enthalpie, entrophie cũng như khối lượng riêng của các pha lỏng và hơi Sự khác nhau giữa các mô hình có thể liên quan đến việc chọn lựa phương pháp để tính các thông số trên Thông thường, các nhà sản xuất phần mềm đề nghị kết hợp các phương pháp hay dùng Bảng 1.2 dưới đây đưa ra các mô hình hay sử dụng cho phân xưởng chưng cất khí quyển

Bảng 2.2 Các mô hình nhiệt động tham khảo

Các mô hình này sử dụng các công cụ rất đa dạng, như là:

- Các phương trình trạng thái (Peng- Robinson)

- Hiệu chỉnh thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm (Braun/Grayson)

- Định luật trạng thái tương ứng (Lee Kesler)

2.1.3.2 Nhập số liệu và phân tích kết quả

a Nhập các thông số dầu thô

Từ các dữ liệu phân tích dầu thô có sẵn, dầu thô được chia thành các phân đoạn hẹp bằng phương pháp thủ công hoặc hỗ trợ của phần mềm Các phân đoạn được đưa vào mô phỏng dưới dạng các cấu tử giả đặc trưng bởi 2 trong 3 tính chất sau:

- Khối lượng riêng

- Nhiệt độ sôi

- Khối lượng phân tử

Dầu thô được chia thành các phân đoạn hẹp (với bước chia từ 10 đến 20°C) hay lớn hơn để tránh quá tải cho việc tính toán (bước chia từ 30 đến 50°C đối với cặn khí quyển trên 400°C)

Một vài phần mềm hỗ trợ bước nhập các phân đoạn cắt và đưa ra các dữ liệu tự động dựa vào đường cong chưng cất dầu thô TBP

b Lựa chọn số đĩa trong vùng tách

Được thể hiện trong bảng 2.3

Bảng 2.3 Dự đoán số đĩa thực tế trong các vùng của tháp chưng cất khí quyển

Trang 18

Các vùng trao đổi nhiệt thường có 2 đến 4 đĩa thực tế tùy thuộc vào lượng nhiệt trao đổi Số đĩa này không được thể hiện trong bảng trên Tổn thất áp suất giữa đỉnh và vùng giãn nở khoảng 0,4 đến 0,6 bar

c Tính toán áp suất đỉnh

Áp suất đỉnh có thể được đánh giá nhanh dựa vào tính toán áp suất điểm sôi của phân đoạn xăng được cắt theo đường cong chưng cất TBP ở nhiệt độ làm lạnh của thiết bị ngưng tụ đỉnh Áp suất đỉnh tháp bằng áp suất của bình hồi lưu đỉnh cộng với tổn thất áp suất của vùng đỉnh tháp (0,2-0,7 bar) Áp suất của vùng nạp liệu bằng với áp suất đỉnh cộng thêm tổn thất áp suất giữa bình hồi lưu đỉnh và vùng nạp liệu

d Lượng hơi stripping

Tỉ lệ trung bình của hơi stripping sử dụng (ảnh hưởng đến điểm chớp cháy của các sản phẩm) thường là:

- Phân đoạn kerosene và gasoil: 15 đến 30 kg hơi/ 1 m3 sản phẩm

- Phân đoạn cặn: 20 đến 30 kg hơi/ 1 m3 cặn

e Điều chỉnh độ quá bốc hơi (overflash)

Nhiệt độ nạp liệu vào tháp được chọn lựa để đạt được độ quá bốc hơi từ 3 đến 5% so với nguyên liệu, có nghĩa là lượng hơi đến từ vùng nạp liệu cộng với lượng hơi bốc lên từ đáy tháp bằng tổng các sản phẩm cất cộng với giá trị overflash mong muốn

Độ bốc hơi của dầu thô ở các nhiệt độ khác nhau và áp suất của vùng nạp liệu cho phép dự đoạn gần đúng giá trị overflash mong muốn

f Phân tích kết quả

Việc tính toán quá trình phân tách đưa ra các đường cong chưng cất ASTM và TBP của sản phẩm, được tính toán lại từ các hiệu chỉnh Điểm đầu và điểm cuối của đường cong này có độ tin cậy trung bình và để hội tụ tháp không nên xem xét dựa trên các tiêu chuẩn của sản phẩm (gap hay overlap)

mà theo cách cổ điển, dựa trên lưu lượng sản phẩm rút ra và lượng nhiệt thu hồi từ các hồi lưu tuần hoàn bằng cách thay đổi lượng nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ Vì vậy, các tiêu chuẩn của sản phẩm được kiểm soát sau Phương pháp Packie cũng được xem là một phương pháp hiệu quả để kiểm soát tiêu chuẩn sản phẩm

g Khả năng hội tụ

Sau khi bảo đảm rằng lương hơi khi đi ra khỏi vùng giãn nỡ lớn hơn lượng sản phẩm lấy ra, độ hội

tụ của quá trình tính toán tháp có thể đạt được bằng cách tăng nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ, có nghĩa là không thu hồi nhiệt dựa vào các hồi lưu tuần hoàn Tất cả các dòng hồi lưu nội trong tháp

và sản phẩm được ngưng tụ ở đỉnh Vì vậy, các hồi lưu tuần hoàn tăng từ từ, để điều chỉnh nghiêm ngặt trong mỗi vùng lượng hồi lưu nội cần thiết cho sự phân tách

Lượng nhiệt rút ra từ các hồi lưu tuần hoàn là kết quả của việc tối ưu kinh tể, số đĩa tăng cùng với lượng nhiệt rút ra

Tóm lạị, lưu lượng hồi lưu tuần hoàn được hiệu chỉnh và nhiệt độ dòng hồi lưu trở về tháp cố định

để bảo đảm hoạt động tốt trong vùng trao đổi nhiệt

2.1.4 Công nghệ chưng cất khí quyển

Các dụng trong phân xưởng chưng cất khí quyển là khá giống nhau Đa số thiết bị đều được chế tạo từ thép carbone thường, ngoại trừ các vùng bị đốt nóng ở nhiệt độ cao phải chế tạo bằng hợp kim Một phần của tháp thông thường được phủ lớp thép có 12% crom Trong các vùng chịu ăn mòn ở trạng thái lạnh như đỉnh tháp, thiết bị hồi lưu phải chế tạo bằng vật liệu quý (như monel) hoặc phải phủ các hợp kim đặc biệt

Tháp thường được thiết kế với các đĩa cổ điển kiểu chóp Số vách chảy chuyền được xác định tùy theo độ quan trọng của lưu lượng lỏng-hơi trong vùng xem xét: có thể có đến 4 trong vùng trao đổi nhiệt và thường là 2 trong các vùng khác Hiệu suất trao đổi chất của đĩa thường là tốt nhất ở vùng đỉnh tháp và trung bình trong vùng nằm giữa vùng trích gasoil và vùng nhập liệu (sự phân tách tốt nhất nằm ở phía đỉnh tháp) Đĩa thường được chế tạo từ thép hợp kim (12% Crom) Trong các

Trang 19

vùng phân đoạn hoặc vùng rửa ngày nay đôi khi người ta sử dụng đệm có cấu trúc Các đĩa rút sản phẩm được cấp liệu cho các tháp strippeur và các bơm hồi lưu tuần hoàn ngày nay thường rút hết sản phẩm, cho phép điều khiển tốt nhất lưu lượng hồi lưu nội trong mỗi vùng phân tách Kiểu này

đã được dùng thường xuyên trong tháp chưng cất chân không của cặn khí quyển

Dòng nguyên liệu vào tháp theo kiểu tiếp tuyến hoặc kiểu trục cánh nhằm tạo thuận lợi cho việc phân giải pha hơi

Lò đốt thường có kiểu cabine hay hình trụ, với các ống treo thẳng đứng hoặc nằm ngang Các

lò đốt này được trang bị thiết bị tiền gia nhiệt bằng không khí và các chùm ống quá nhiệt hay tái sinh hơi nước để đạt hiệu suất cao

Thiết bị gia nhiệt sơ bộ bằng không khí nóng có thể được thực hiện bằng trao đổi nhiệt với khói lò Khói lò có thể đi ra ở trạng thái tương đối lạnh nếu chất đốt đã được khử lưu huỳnh Một phần gia nhiệt sơ bộ cũng có thể thực hiện được nhờ dòng tác nhân nóng không phải hydrocarbon (nước ngưng, nước muối) Hiệu suất gia nhiệt đạt được từ 80-90% khi sử dụng nhiệt của tháp và từ 90-95% khi sử dụng nhiệt của lò Thiết bị trao đổi nhiệt thường có dạng TEMA, với áp suất làm việc danh nghĩa thường không vượt quá 30 bar

Đường kính của tháp thay đổi tùy theo từng vùng xem xét Vùng đỉnh và đáy tháp có đường kính nhỏ nhất còn các vùng trao đổi nhiệt thưởng có đường kính lớn nhất để đảm bảo có 1 lượng lỏng lớn cho bơm và cho hồi lưu Đường kính trung bình khoảng 9m đối với tháp xử lý 1000 t/h (tương ứng 8 triệu t/n với 11 tháng hoạt động)

2.1.5 Các quá trình chưng cất khí quyển

2.1.5.1 Hai thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp

Vấn đề tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng trong quá trình chưng cất Trước hết cần phải tận dụng hết lượng nhiệt do sản phẩm đỉnh tháp mang ra bằng cách cho nó trao đổi nhiệt với dầu thô lạnh Các thiết bị trao đổi nhiệt ở đỉnh tháp thường được gọi là "Thiết bị trao đổi nhiệt dầu thô/hơi đỉnh tháp" đòi hỏi kỹ thuật và sự giám sát rất đặc biệt bởi vì sự rò rỉ dầu thô trong ống truyền nhiệt

sẽ dẫn đến làm giảm chất lượng sản phẩm naphta

- Quá trình ngưng tụ thứ nhất được thực hiện bằng cách trao đổi nhiệt với dầu thô sao cho chỉ ngưng tụ đúng một lượng sản phẩm (hydrocacbon nhẹ) cần thiết để hồi lưu, chứ không ngưng tụ nước Khi đó lượng hồi lưu là ở trạng thái nóng, không chứa nước (vì nó có nhiệt độ cao hơn nhiệt

độ ngưng tụ hơi nước) nhờ đó vấn đề ăn mòn trong đỉnh tháp được khống chế

- Quá trình ngưng tụ thứ hai được thực hiện với không khí hoặc với nước làm lạnh Nhờ vậy naphta được tạo thành và nước acid được thu hồi riêng biệt sau khi lắng Trong một vài trường hợp, quá trình ngưng tụ thứ hai này được thực hiện bằng cách trao đổi nhiệt với dầu thô lạnh theo phương pháp ngược dòng với toàn bộ lượng hơi cần ngưng tụ

Trang 20

Hình 2.5 Quá trình ngưng tụ kép ở đỉnh tháp

2.1.5.2 Các quy trình công nghệ khác

Mỗi sơ đồ được sử dụng tùy thuộc vào các sản phẩm mong muốn và khả năng cung cấp dầu thô

Ở Pháp, sau chiến tranh thế giới thứ hai, các nhà máy lọc dầu thuờng sử dụng các loại dầu thô

cố định, ít pha trộn (dầu Hassi-Messaoud, dầu Zarzaitine của Algérie) Từ sau năm 1960, nguồn cung cấp dầu thô đa dạng hơn (dầu của Trung Đông), do vậy dầu thô sử dụng bắt đầu được pha trộn Trong những năm 1970-1980, nguồn cung cấp dầu thô được mở rộng thêm từ nguồn dầu thô biển Bắc và dầu thô của các nước Liên Xô cũ Sự biến đổi này dẫn đến sự mềm dẻo, uyển chuyển hơn trong việc thiết kế và khai thác sử dụng các phân xưởng chế biến dầu

Bên cạnh đó, do nhu cầu sản phẩm không ngừng gia tăng ở các nước công nghiệp phát triển, năng suất nhà máy đã thay đổi từ 1-3 triệu t/năm lên đến 5 triệu t/năm rồi đến tận 10 triệu t/năm (điều này tương ứng với tháp chưng cất có đường kính đến 10m) Tuy nhiên trong các nước chậm phát triển thì vẫn còn có các phân xưởng với năng suất thấp, chừng 300.000-500.000 t/năm

Với tất cả những điều đó, dẫn đến việc có xu hướng sáp nhập một cách có hệ thống tháp chưng cất chân không vào cùng công đoạn chưng cất khí quyển dầu thô và sẽ tiến tới việc sát nhập các dây chuyền của hai bộ phận lại với nhau thành một Các công đoạn sản xuất khí, chưng cất xăng

và strippeur hơi nước cũng sẽ được sáp nhập luôn vào trong công đoạn chưng cất khí quyển

Hiện nay, một dạng sơ đồ dây chuyền công nghệ tiên tiến có các tháp chưng cất tiền bốc hơi (kiểu préflash) đã được áp dụng ở một số nhà máy lọc dầu Tháp tiền bốc hơi có mục đích làm bốc hơi trước các phần nhẹ nhất và nhất là làm bốc hơi hơi nước, nguồn gốc gây ăn mòn đỉnh tháp Như vậy tháp tiền bốc hơi đã làm giảm nhẹ nhiệm vụ của lò đốt bằng cách làm bay hơi trước trong tháp tiền bốc hơi 1 lượng xăng, và nhiệm vụ của tháp chính cũng nhẹ nhàng hơn khi không có lượng xăng trên đi qua Sẽ thật là lãng phí nhiệt khi các sản phẩm rất nhẹ như xăng đòi hỏi điều kiện sôi bay hơi chỉ ở nhiệt độ 150°C vậy mà lại gộp tất cả từ cấu tử rất nhẹ đến rất nặng thành 1 hỗn hợp để đun sôi chúng trong lò đến 350°C rồi vào tháp chính, tiếp đó tháp chính lại phải làm việc phân riêng hàng trăm cấu tử ra thành nhiều phân đoạn

Hình 2.6 Sơ đồ tháp chưng cất khí quyển với bình flash được bố trí trước lò đốt

Một số sơ đồ khác đã phát huy lợi ích trên bằng cách lắp đặt đan xen vào trong chuỗi thiết bị trao đổi nhiệt một số tháp tiền bốc hơi, nhờ đó có thể tách loại trước được nhiều phân đoạn xăng (bằng sáng chế của Elf/Technip)

Vấn đề thu hồi năng lượng đã dẫn đến nhiều cải tiến quan trọng, đặc biệt người ta chú ý nhiều

Trang 21

đến việc gia tăng bề mặt trao đổi nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt và thực tế nó đã được tăng gấp

2 kể từ những năm của thập kỷ 70 khi xảy ra các cơn khủng hoảng dầu mỏ trên thế giới

2.1.6 Sự tách muối trong dầu thô

Quá trình tách muối trong dầu thô là một quá trình cần thiết trong lọc dầu, vì nó sẽ ảnh hưởng đến kết quả vận hành của các phân xưởng hạ nguồn Chẳng hạn, nếu tách muối không tốt gây ra những hậu quả trực tiếp đến việc vận hành tháp chưng cất:

- Đóng cặn trên các thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt

- Ăn mòn đỉnh tháp

- Cặn chưng cất khí quyển sẽ chứa nhiều Natri, gây ra các vấn đề sau: tăng tốc độ tạo cặn trên

lò đốt của chưng cất chân không; làm chậm quá trình tuần hoàn của thiết bị giảm nhớt; gây ngộ độc xúc tác của quá trình cracking xúc tác nhất là khi xử lý nguyên liệu nặng); gây hiện tượng tạo cặn và ăn mòn các khu vực quá nhiệt của lò hơi

2.1.6.1 Độ muối của dầu thô – Sự nhiễm mặn từ nước biển

Phần lớn các giếng dầu khi khai thác sẽ cho dầu thô có lẫn muối, chủ yếu là muối NaCl, nhưng chúng cũng có kèm theo các muối kim loại kiềm thổ Độ muối này được mang đến từ nước của vỉa hay từ nước thấm nhiễm; độ muối phụ thuộc vào vị trí cấu trúc của giếng dầu và vào tính chất vật lý của đá chứa Hơn nữa độ muối còn thay đổi theo tuổi của giếng dầu

Mặt khác, việc vận chuyển dầu thô sẽ làm độ muối của dầu thô tăng lên Trong suốt quá trình vận chuyển, sự giàu thêm về muối biển có thể lên đến 10-18 mg/l, do 3 nguyên nhân chính sau:

- Sự nhiễm muối không tránh khỏi

- Sự nhiễm muối do cố ý

- Sự nhiễm muối do sự cố

Bảng 2.4 Thành phần muối trong dầu thô trước và sau vận chuyển

Trang 22

Như vậy, nước biển là nguyên nhân chính gây nên độ muối trong dầu thô Dầu thô sau khi trải qua quá trình xử lý tách muối một phần tại mỏ dầu, rồi lại bị giàu thêm về độ muối trong suốt quá trình vận chuyển trên biển, sẽ được đưa về nhà máy lọc dầu Tại đây nó sẽ trải qua phân đoạn tách muối trước khi đưa vào công đoạn chưng cất khí quyển

2.1.6.2 Bản chất của muối

a Tính chất

Muối trong dầu thô chủ yếu là muối Chlorure mà sự phân bố chúng gần đúng như sau:

NaCl: 70-80% khối lượng

MgCl2: 20-10% khối lượng

CaCl2: 10% khối lượng

Các muối này hiện diện dưới dạng tinh thể hoặc dưới dạng ion hóa trong nước có trong dầu thô (khi đến nhà máy lọc dầu, hàm lượng nước trong dầu thô là <1% khối lượng)

Bằng cách lắng gạn đơn giản ta có thể thải loại được “một cách lý thuyết” tất cả các muối bị ion hóa, nhưng do độ nhớt của một vài loại dầu thô, 1 phần muối sẽ vẫn tồn tại trong dầu sau khi lắng gạn

Đối với muối tinh thể, việc tách chúng có thể tiến hành bằng cách rửa nước: các tinh thể sẽ bị ion hóa sau đó bị hydrat hóa; thuận lợi của các muối bị hydrat hóa là ở chỗ chúng có độ hòa tan cao trong nước Điều này chứng tỏ tầm quan trọng của việc thêm nước khi ta muốn tách muối trong dầu thô

b Những tác hại của muối

Trang 23

- Muối làm đóng cặn các thiết bị trao đổi nhiệt sơ bộ Khi hàm lượng muối vượt quá 40 ppm, sau khi ra khỏi thiết bị tách muối và vào các thiết bị trao đổi nhiệt, ta có thể quan sát thấy sự gia tăng hệ

số tạo cặn trong các chùm ống hay tăng tiêu thụ của các phân xưởng phụ trợ

- Các muối Chlorure của kim loại kiềm thổ (MgCl2, CaCl2) tự thủy phân tạo thành HCl, gây ra hiện tượng ăn mòn trong đường ống phía đỉnh tháp chưng cất khí quyển Người ta thấy rằng nồng độ Cl trong nước ở đỉnh tháp không được vượt quá 10ppm, nếu không thì sẽ bị ăn mòn mạnh Bên cạnh các biện pháp chống ăn mòn thông thường (thêm xút vào trong dầu thô sau khi đã khử muối để tạo môi trường kiềm chống ăn mòn và thêm chất ức chế chống ăn mòn vào đỉnh tháp), quá trình tách muối sẽ là quá trình chính yếu loại trừ sự ăn mòn thiết bị Quá trình tách muối không tốt sẽ làm cặn chưng cất khí quyển có nhiều natri Natri còn có mặt do bơm thêm NaOH vào để trung hoà khi quá trình tách muối không tốt Từ đó sẽ dẫn đến các hậu quả như:

+ Gia tăng vận tốc đóng cặn ở lò đốt của cụm chưng chân không và trong các phân xưởng cracking nhiệt, làm giảm thời gian hoạt động

+ Đầu độc chất xúc tác trong các quá trình xúc tác, đặc biệt khi cracking các nguyên liệu nặng

- Nếu xử lý tách muối không tốt, sẽ làm thất thoát 1 lượng lớn hydrocarbon vào trong nước thải của thiết bị tách muối, gây ra ô nhiễm môi trường

Hình 2.7 Tách muối và tháp chưng cất khí quyển của dầu thô

c Các chất nhiễm bẫn khác

Ngoài ra còn các chất nhiễm khác hiện diện trong dầu thô là cặn khoáng chất, chất han gỉ, sulfur sắt, tác hại chủ yếu của những chất nhiễm bẩn này là chúng có thể gây ra các hệ nhũ tương bền vững rất khó phá hủy

2.1.6.3 Cơ chế của sự tách muối

Để loại bỏ tất cả các tạp chất mà chúng ta vừa nêu trên, người ta rửa dầu thô bằng nước và phân riêng nước rửa này bằng quá trình tách muối tĩnh điện Quá trình tách muối bao gồm 3 giai đoạn như sau:

- Khuyếch tán muối trong dầu thô vào trong nước (quá trình rửa: dùng nước lấy muối ra khỏi dầu);

- Kết tụ các giọt nước (bằng thiết bị kết tụ tĩnh điện);

- Gạn lắng (bằng trọng trường)

Trang 24

a Khuyếch tán muối

Đó là quá trình khuyếch tán các tinh thể muối có trong dầu thô vào trong nước Việc này có thể thực hiện được với tất cả các loại tinh thể muối; yêu cầu là nhũ tương nước- dầu thô phải đủ mịn (Hình 2.8)

Hình 2.8 Nhũ tương nước-dầu thô

Hỗn hợp nước-dầu thô thường được tạo thành khi đi qua vanne trộn đặt ở đầu vào thiết bị tách muối Để tăng cường khuyếch tán các tinh thể muối vào trong nước người ta thường phun một phần nước vào trong vanne phối trộn và một phần nước vào trong ống đẩy của bơm nguyên liệu (hình 2.7)

b Kết tụ

Nhũ tương nước-dầu thô, hỗn hợp của hai chất lỏng không hòa tan vào nhau, được tạo thànhtừ

1 pha liên tục (dầu thô) và một pha phân tán (nước ở dạng giọt có kích thước từ 1đến 10 µm).Asphalt và các hạt rắn rất nhỏ (ví dụ sắt sunfua) bị hấp phụ lên bề mặt tiếp xúc nước dầu tạo thành một lớp màng có thể quan sát được dưới kính hiển vi Chính các tác nhân này làm ổn định nhũ tương

Như vậy, sự khó khăn của quá trình kết tụ nước liên quan đến hàm lượng asphalt của dầu thô

đã được xử lý, và đến sự hiện diện của các chất bẩn và cặn

Quá trình kết tụ xảy ra nhờ trường tĩnh điện Quá trình được thực hiện nhờ lực hấp dẫn giữa các giọt nước với nhau, do có độ phân cực của các phân tử nước và sự khuấy trộn tạo ra bởi điện trường

Lực hấp dẫn F của các hạt có kích thước đồng nhất được tính như sau:

Trang 25

Trong đó

- Vd: vận tốc lắng (m/s);

- r: đường kính giọt nước (m)

- ρ1: khối lượng riêng của pha phân tán, nước, (kg/m3)

- ρ2: khối lượng riêng của pha liên tục, dầu thô, (kg/m3)

- µ2: độ nhớt động lực của pha liên tục (Pa.s);

g: gia tốc trọng trường, m/s2

Thiết bị tách muối thường được tính với độ nhớt động lực khoảng 2 mPa.s và với thời

gian lắng từ 20-30 phút

2.1.6.4 Các công nghệ tách muối

Hình 2.9 Mặt cắt ngang của một thiết bị tách muối tĩnh điện

Hình 2.9 biễu diễn mặt cắt của một thiết bị tách muối với sự phân bố của nhũ tương nước-dầu

thô và sự phân bố điện trường trong thiết bị với:

- Điện trường khoảng 200 V/cm, gọi là điện trường sơ cấp, hoạt động giữa bề mặt tiếp xúc nước-dầu thô và điện cực thứ nhất, E1;

- Điện trường thứ cấp hoạt động giữa điện cực thứ nhất và điện cực thứ hai có cường độ khá cao (khoảng chừng 1000 V/cm), E2

Hình 2.10a mô tả sơ đồ công nghệ đơn giản một thiết bị tách muối bằng phương pháp tĩnh

điện (quá trình, điều khiển, kiểm tra) Tùy theo lượng muối có trong dầu cần xử lý và hiệu năng đạt được của thiết bị, ta có thể kết hợp thêm giai đoạn tách muối thứ hai tạo thành dãy tách muối (hình 2.10b)

Trang 26

Hình 2.10a Thiết bị tách muối tĩnh điện một cấp

Hình 2.10b Thiết bị tách muối tĩnh điện hai cấp

Một dây chuyên công nghệ như vậy có 2 điểm thuận lợi:

- Thiết bị tách muối đòi hỏi thời gian bảo trì đáng kể (phải tiến hành chùi rửa định kỳ do cặn lắng xuống đáy thiết bị), giải pháp hai giai đoạn cho phép vẫn hoạt động ở một giai đoạn trong suốt thời gian làm vệ sinh này

- Lưu lượng nước có thể giảm đáng kể so với quá trình tách một giai đoạn (F=1000 t/h, nước bơm chiếm 3-8% là gần 30-80 t/h nước)

Việc tối ưu kỹ thuật tách muối vẫn đang được tiến hành cho đến ngày nay Một số điểm cần lưu ý

về công nghệ tách muối là:

- Lắp đặt điện trường xoay chiều

- Nạp liệu vào thiết bị tách muối ở trạng thái nhũ tương (hình 2.11)

- Sử dụng nhiều bậc keo tụ bằng cách dùng nhiều cặp điện cực (hình 2.12)

2.1.6.5 Các thông số vận hành thiết bị tách muối

Dưới đây là 7 thông số điều chỉnh chính để thiết bị hoạt động trong điều kiện áp suất trong pha lỏng khoảng 10-12 bar (áp suất cần thiết để vận hành ở pha lỏng): Mức bề mặt tiếp xúc nước/dầu thô; Nhiệt độ tách muối; Tỉ lệ nước rửa; Điểm phun nước rửa; Bản chất nước rửa; Tổn thất áp suất trong vanne trộn; Bản chất và tỉ lệ phá nhũ tương

Trang 27

Hình 2.11 Các kiểu nạp liệu vào thiết bị tách muối ở trạng thái nhũ tương

Hình 2.12 Thiết bị tách muối với 3 cặp điện cực

a Mức bề mặt tiếp xúc nước/dầu thô

Mức nước lắng biểu thị trong thực tế là 1 điện cực có điện thế 0 kết hợp với điện cực thấp nhất của thiết bị trở thành 1 điện trường chính E1 Mọi dao động đáng kể của mức nước sẽ làm thay đổi điện trường sơ cấp và làm rối loạn sự kết tụ điện Vì vậy ta nên giữ mực bề mặt tiếp xúc nước/dầu thô luôn không đổi theo quy định của nhà chế tạo

b Nhiệt độ tách muối

Khả năng lắng sẽ phụ thuộc vào nhiệt độ Bảng 2.6 giới thiệu một vài giá trị nhiệt độ tách

muối của 1 số loại dầu thô mà chúng có cùng 1 giá trị tiêu chuẩn lắng

= không đổi, trong đó ρ1 là khối lượng riêng của nước, ρ2 là khối lượng riêng của dầu thô, µ2 là độ nhớt của dầu thô

Trang 28

Bảng 2.6 Sự thay đổi nhiệt độ tách muối phụ thuộc vào dầu thô ở tiêu chuẩn lắng không đổi

Chẳng hạn dầu nhẹ Saharien có nhiệt độ tách muối chỉ là 50°C còn dầu Arabe nhẹ hoặc dầu Forcados lại phải tiến hành tách muối ở nhiệt độ chừng 140-150°C Sự thay đổi độ dẫn điện của dầu thô theo nhiệt độ có thể ảnh hướng đến nhiệt độ tách muối, như thể hiện ở hình 2.13

Hình 2.13 Độ dẫn điện của dầu thô phụ thuộc vào nhiệt độ

c Tỉ lệ nước rửa

Lực kết tụ điện phụ thuộc vào độ nhớt của dầu tức là phụ thuộc vào tỷ lệ nước rửa Đối với dầu thô nặng có °API<30, để gia tăng lực kết tụ điện ta cần phải tăng lượng nước rửa Tỷ lệ nước rửa thay đổi theo bản chất của dầu thô và nhiệt độ của quá trình tách muối (Bảng 2.7) Trong thực tế người ta chỉ điều chỉnh nhiệt độ tách muối và tỷ lệ nước rửa cho các loại dầu thô rất nhớt và chúng thường xuyên là nguyên liệu chế biến của công đoạn Bảng 2.8 giới thiệu 1 số giá trị nhiệt độ tách muối và tỷ lệ nước rửa ứng với các khoảng khối lượng riêng khác nhau

Trang 29

Bảng 2.7 Sự thay đổi tỉ lệ nước/dầu thô phụ thuộc vào nhiệt độ

Bảng 2.8 Điều kiện tách muối phụ thuộc vào tỉ trọng dầu thô

d Điểm phun nước rửa

Thông thường nước rửa được phun toàn bộ hoặc một phần vào bộ phận đẩy của bơm nguyên liệu, vào trước các thiết bị gia nhiệt sơ bộ đặt ở phía trước thiết bị tách muối, nhằm gia nhiệt trước dầu thô, và vào van trộn (Hình 2.7) Điều này là rất cần thiết khi tiến hành tách muối ở nhiệt độ cao

vì nếu không nó dễ có nguy cơ bị đóng cặn trong thiết bị gia nhiệt sơ bộ dầu thô phía trước của thiết

bị tách muối) Một vài nhà máy lọc dầu đã áp dụng thành công việc phun nước vào ống hút của bơm dầu thô lạnh

e Bản chất của nước rửa

Người ta thường sử dụng nước rửa cho quá trình tách muối là nước ngưng của tháp chưng cất khí quyển và chưng cất chân không, các loại nước ngưng này trước đó đã chịu quá trình stripping hơi nhằm loại các khí NH3 vàH2S trong nước

Nước của quá trình cracking xúc tác đã tách loại hơi cũng có thể được sử dụng Loại nước này thông thường chứa rất nhiều phénol (nồng độ phénol trong nước thay đổi từ 100- 300ppm) Tuy nhiên điều này lại có nhược điểm là phénol sẽ tuần hoàn lại vào dầu thô

Nước mềm có thể được sử dụng bổ sung Nhưng vì nó có nhiều oxy nên chỉ sử dụng tốt sau khi trộn với nước của quá trình Điều này cho phép thải loại oxy nhờ phản ứng với các sulfure có trong nước của quá trình

Lưu ý rằng nước biển không bị bão hòa muối nghĩa là nó cũng có thể rửa được muối trong dầu

và vì vậy theo lý thuyết nó cũng có thể là một loại nước rửa Nhưng do các nguy cơ về ăn mòn của

Trang 30

nó quá lớn nên người ta không sử dụng nó (Nhật vẫn sử dụng nước biển làm tác nhân lạnh cho thiết

bị trao đổi nhiệt)

f Độ giảm áp trong van trộn

Việc điều chỉnh nghiêm ngặt vanne trộn là điều khó Trong thực tế, một sự gia tăng đáng kể áp suất từng phần có thể gây ra nguy cơ tạo các nhũ tương bền rất khó xử lý Nhưng theo lý thuyết, quá trình rửa dầu thô là tốt chừng nào sự phân tán nước càng mịn, nghĩa là độ giảm áp càng nhiều Vì vậy cần phải kết hợp thích ứng giữa: độ giảm áp, nhiệt độ và tỷ lệnước sẵn có Trong thực tế, độ giảm áp tối ưu được xác định theo thực nghiệm từ 1,5 bar đối với dầu thô nhẹ đến <0,5 bar đối với dầu thô nhớt

g Bản chất và tỷ lệ chất phá nhũ tương

Để hoàn thiện công đoạn tách muối tĩnh điện người ta phải sử dụng thêm 1 chất gọi là phụ gia phá nhũ tương Thành phần chất phá nhũ thường là các copolymer dạng oxít ethylene hay oxit proylene, đôi khi trùng ngưng với nhựa phenol-formol, axits hữu cơ 2 chức hay nhóm ethylene diamine

Tỷ lệ sử dụng thường 3-10 ppm tùy thuộc loại dầu thô: tỷ lệ lớn nhất được sử dụng cho dầu thô nhớt hay dầu thô asphalt, nhưng cũng có thể dùng cho một số loại dầu acid (chua) Liên quan đén điểm bơm chất phá nhũ, có thể trước khi bơm dầu thô, hay trong nước rửa, hoặc đồng thời cả hai Cuối cùng, để đề phòng việc xảy ra các rối loạn có thể dự kiến trước (việc thay đổi loại dầu thô,

xứ lý lại dầu thu hồi do bị nhũ tương hóa quá nhiều ), người ta cần phải gia tăng tỷ lệ chất giải nhũ tương nhằm đảm bảo độ an toàn

2.1.6.6 Hiệu quả của quá trình tách muối

Khi các thông số của quá trình tách muối được điều chỉnh, hiệu quả của quá trình tách muối trung bình khoảng 85-95% Hàm lượng nước trong dầu đã tách muối thông thường nhỏ hơn 0,2%V, với dầu nặng có thể lên tới 0,4-0,5%V Hàm lượng hydrocarbon trong nước thải của thiết bị tách muối theo tiêu chuẩn không được vượt quá 200ppm (200g hydrocarbon/tấn)

Trong quá trình thu hồi dầu có thể xảy ra quá trình tạo các nhũ tương bền, hậu quả dẫn đến làm giảm hiệu suất tách muối và giảm chất lượng nước thải Trong trường hợp này, cần tăng cường hàm lượng các chất phụ gia phá nhũ tương để bù lại sự giảm hiệu suất của thiết bị

Chú ý là trong tất cả các trường hợp, người ta bơm NaOH vào trong dầu thô tách muối để giảm hiện tượng ăn mòn trên đỉnh tháp chưng cất khí quyển Sự có mặt của xút cho phép tránh hiện tượng thủy phân của muối CaCl2 và MgCl2 thành axít HCl gây ăn mòn khi hoàn tantrong nước ngưng tụ trên đỉnh tháp Xút sẽ trung hòa các muối này và chuyển sang dạng NaCl Vì vậy, một trong những mục tiêu cần thiết là đạt được hiệu quả tách muối lớn nhất để giảm lượng xút thêm vào,

để giảm lượng natri có mặt trong cặn chưng cất khí quyển, và giảm hiện tượng ăn mòn trên đỉnh tháp

Tóm lại, việc theo dõi và kiểm soát hiệu quả của quá trình được thực hiện thông qua 5 thông

số sau đây:

- Hàm lượng muối trong dầu thô trước và sau khi tách

- Hàm lượng natri trong cặn chưng cất khí quyển

- Hàm lượng clorua có trong nước tại đỉnh tháp chưng cất khí quyển

- Hàm lượng nước có trong dầu đã tách muối

- Hàm lượng các hydrocacbon có trong nước đi ra từ thiết bị tách muôi

2.1.6.7 Trường hợp dầu nặng

a Khái niệm và các tính chất đặc trưng

Bên cạnh các loại dầu thô thông thường, có một loại dầu thô khác được gọi là ‘dầu nặng’ Dầu nặng thường tìm thấy trong các mỏ dầu có độ sâu ít và chịu quá trình phân hủy vi khuẩn do sự thâm nhập của nước trên bề mặt Việc phân hủy này thay đổi trong cùng một mỏ dầu gây ra sự mất mát phân

Trang 31

đoạn nhẹ và các parafine, từ đó làm giảm chất lượng của dầu Việc xử lý các loại dầu này trong lọc dầu thường gặp một vấn đề rắc rối

Các tính chất đặ trưng của dầu nặng như sau và được thể hiện ở bảng 2.9:

- Độ nhớt: thông số cơ bản của dầu thô, cho phép phân biệt giữa nhựa đường và dầu nặng

- Tỉ trọng: dầu được xem là dầu nặng nếu tỉ trọng °API < 20 Theo phân loại của Venezuela, dầu nặng có °API từ 10 đến 20 và dầu cực nặng có °API < 10

- Hàm lượng phân đoạn nhẹ: cặn ở 200°C thường khoảng 95%

- Hàm lượng asphalt: đối với dầu venezuela, khoảng 11%

- Hàm lượng lưu huỳnh: hàm lượng này rất cao và thường ở khoảng > 5% khổi lượng

Bảng 2.9 Tính chất của một vài dầu thô nặng

b Tách muổi trong dầu nặng

Do dầu nặng tỷ trọng xấp xỉ 1 nên quá trình tách muối và khử nước cho dầu nặng đòi hỏi các công đoạn xử lý thích hợp, rất phức tạp và tốn kém

Độ nhớt của dầu nặng khá cao do đó cần phải duy trì ở nhiệt độ rất cao trong suốt quá trình

xử lý, điều này khiến cho chi phí xử lý tăng cao.Hơn nữa, hàm lượng asphalt cao gây hại đến thiết

bị tách muối Thông thường, quá trình tách muối dầu nặng thực hiện bởi hai hay nhiều cấp với nhiệt

độ khoảng từ 130°C đến 150°C

Ngoài ra, cần phải làm cho cho dầu nặng chảy được bằng cách trộn với xăng, hay gasoil với nồng độ tương đối cao, trong một vài trường hợp có thể đạt tới 30% Người ta cũng sử dụng các chất phá nhũ tương bơm vào trong dầu với liều lượng thay đổi nhưng thường có thể đạt tới 100ppm Trong một vài trường hợp, cần thiết phải bơm phụ gia vào bề mặt phân chia dầu/nước khi lượng nhũ tương dầu và nước khá lớn Thời gian lưu của dầu nặng trong thiết bị tách muối khoảng

từ 1-1h30 Nếu quá trình tách muối có các điều kiện nêu trên, có thể tách tốt muối có trong dầu nặng Chẳng hạn, dầu thô Boscan, loại dầu cực nặng (°API xấp xí 10) có thể tách muối đến 5 mg/l (tương ứng NaCl)

2.1.7 Sự ăn mòn và mài mòn

Dầu thô xử lý trong các phân xưởng chưng cất khí quyển có chứa một lượng đáng kể các tác nhân ăn mòn như:

- Các hợp chất clorua (dạng muối khoáng hay hữu cơ)

- Axít hữu cơ (acid naphtenic)

- Các loại muối khoáng

- Các hợp chất lưu huỳnh

Chúng ta sẽ quan tâm lần lượt đến các loại ăn mòn khác nhau xảy ra trong các công đoạn

Trang 32

chưng cất khí quyển dầu thô, đồng thời nêu rõ nguyên nhân, hậu quả và phương pháp xử lý

2.1.7.1 Ăn mòn hoá học do muối

Cần phân biệt hai loại ăn mòn: Ăn mòn do muối tinh thể và ăn mòn do acid HCl hoặc H2S sinh ra do sự thủy phân muối

Từ năm 1975, sự đa dạng của nguồn cung cấp dầu thô dẫn đến việc xử lý dầu thô có hàm lượng muối cao hơn trước Ngày nay, hàm lượng muối trong dầu thô khi nhập về nhà máy thường trong khoảng 100-300 ppm (0,01-0,03%) Sự gia tăng của hàm lượng muối, thường kèm theo hiện tượng làm giảm hiệu quả hoạt động của các công đoạn chưng cất, dẫn đến việc tạo thành các cặn muối trong đường ống và trong thiết bị trao đổi nhiệt đun nóng sơ bộ ở trước thiết bị tách muối Các cặn muối này dẫn đến ăn mòn bên trong Phương pháp xử lý là bơm một phần nước của quá trình tách muối lên phía trước thiết bị gia nhiệt sơ bộ để hòa tan muối

Mặc dù hiệu quả của quá trình tách muối được cải thiện, hàm lượng clorua còn lại sau khi ra khỏi thiết bị tách muối sẽ bị thủy phân ở nhiệt độ cao trong lò đốt sinh ra HCl theo phương trình:

MgCl2 + 2H2O > Mg(OH)2 + 2HCl Lượng HCl sinh ra phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng MgCl2 còn lại Muối này thủy phân đến 95% ở 350°C trong khi CaCl2 chỉ thủy phân 10% ở cùng nhiệt độ Lượng HCl trên 1 tấn dầu thô xử

lý thường từ 15 đến 20 ppm Tuy nhiên, số liệu này có thể thay đổi, ở hiệu quả tách muối không đổi,

từ 3 ppm đối với dầu thô biển Bắc đến 60 ppm đối với dầu thô Ai Cập Phương pháp xử lý HCl này

là trung hòa bằng dung dịch xút pha loãng Xút có thể trung hòa đến 90÷95%, lượng còn lại trung hòa bằng cách bơm dung dịch ammoniac trên đỉnh tháp, hoàn toàn trung hòa hết khi thêm chất ức chế ăn mòn được bơm vào ở nhiệt độ gần với nhiệt độ điểm sương của nước Chất ức chế ăn mòn gồm có hai phần, một phần tạo màng đóng vai trò ngăn chặn sự tiếp xúc cơ học giữa kim loại và nước có tính ăn mòn; một phần trung hòa nhằm hoàn thiện tác động hóa học của dung dịch ammoniac Các chất ức chế hòa tan trong dung dịch hydrocacbon ( được bơm vào dòng hỗn hợp xăng trên đỉnh) được dùng nhiều hơn so với các chất ức chế hòa tan trong nước g lại có khuynh hướng ngược lại là làm tăng sự tiếp xúc nước/ kim loại

Hơn nữa, để tránh làm ngưng tụ H2S, vì khi đó sẽ có sự tạo thành bùn đen (sulfua sắt) Quá trình này đặc biệt hay xảy ra trong môi trường nước có tính kiềm nhẹ (pH=8-9) Cũng cần tránh sự tạo thành pha nước axít (pH= 4-5) Giá trị pH tốt nhất là trong khoảng 6±0,3 (hình 2.14)

Trang 33

Hình 2.14 Độ ăn mòn của nước phụ thuộc vào độ pH

Việc bơm xút vào dòng sau khi ra khỏi thiết bị tách muối phải tiên hành cẩn thận để tránh làm yếu kim loại Do đó, cần phải bảo đảm sự đồng nhất giữa xút- sút và tránh sự tiếp xúc xút-kim loại (duy trì một tốc độ lưu thông vừa phải để tránh sự lắng của xút)

Xút đôi khi được thay thế bởi Na2CO3 hoặc có thể là xút đã sử dụng đến từ các phân xưởng khác của nhà máy lọc dầu Dung dịch ammoniac có thể thay thể bởi hỗn hợp amine có tính trung hóa và tạo màng Các kim loại hay hợp kim kim loại bền có thể sử dụng như là titane, hợp kim monel, hợp kim hastelloy

Nếu có thể kiểm soát được pH và hàm lượng của Fe2+

và Cl- trong nước ngưng là biện pháp tốt để ngăn ngừa sụ ăn mòn Và hiển nhiên, thiết bị tách muối hiệu quả sẽ làm giảm đáng kế sự ăn mòn 2.1.7.2 Ăn mòn do lưu huỳnh (S) ở nhiệt độ cao

Lưu huỳnh tồn tại dưới dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ có trong dầu thô và sinh ra trong quá trình xử lý Sự ăn mòn thép cacbon thông thường do S xảy ra rất mạnh trong vùng nhiệt độ khoảng 300-420°C và tốc độ ăn mòn tương ứng có thể vượt quá 1mm/năm Khi tốc độ ăn mòn đạt đến 0,3mm/năm, sẽ có các nguy cơ về tắc nghẽn do cặn FeS tạo thành, dẫn đến khả năng tự bốc cháy trong khi dừng phân xưởng Phương pháp bảo vệ là dùng các loại thép hợp kim trong vùng nhiệt độ trên với thành phần 5%Cr và 0,5%Mo nhất là đối với các ống truyền nhiệt trong lò đốt Ở vùng có tốc độ chảy cao, sự ăn mòn càng được gia tăng, do đó phải sử dụng thép hợp kim 12% Cr và thậm chí có thể dùng đến 18% Cr

2.1.7.3 Ăn mòn do axít naphtenic (nhóm COOH với vòng C5, C6)

Các axít naphtenic là các hợp chất có khối lượng phân tử thay đổi, có tính ăn mòn mạnh trong khoảng nhiệt độ 220-420°C Từ nhiệt độ 420 trở lên, chúng bị phân hủy và hiện tượng ăn mòn cũng biến mất Các phân tích về dầu thô không xác định thành phần axít naphtenic nên thường phải dựa vào kinh nghiệm để ngăn ngừa sự ăn mòn này Chỉ số a xít của dầu thô cũng có thể có liên hệ đến a xít này Khi chỉ số này vượt quá 0,5 mg eq KOH/g, cần phải yêu cầu các phân tích tỉ mỉ hơn Sự ăn mòn trở nên kém ở nhiệt độ dưới 300°C và trở nên nghiêm trọng kể từ 350°C Vì vậy sự ăn mòn diễn ra trong toàn bộ lò, trong các đường ống trao đổi nhiệt và ở đáy tháp Sự ăn mòn này sẽ rõ hơn khi tốc độ luân chuyển lưu chất tăng cao Để xử lý, nên dùng loại thép hợp kim 18/10/3 (Cr/Ni/Mo) ( tối thiểu dùng cho các ổng trao đổi nhiệt trong lò) hay xem xét việc xử lý dầu này bằng cách trộn với các loại dấu ít axít hơn

2.1.7.4 Sự mài mòn

Sự mài mòn chủ yếu diễn ra trong các đường ống vận chuyển lưu chất và các đường ống phía đỉnh tháp khi tốc độ luân chuyển lưu chất trở nên cao và khi có nhiều khuỷu ống trên đường ống

Trang 34

Hình 2.15 Các biện pháp phòng ngừa để tránh các kiểu ăn mòn

2.1.8 Tiêu thụ năng lượng

Trong thực tế, các nhà máy lọc dầu tiêu thụ rất nhiều năng lượng: 7-9% lượng dầu thô phục vụ cho nhu cầu năng lượng Các công đoạn chưng cất khí quyển và chưng cất chân không chiếm khoảng 20-30% nhu cầu này, trong đó khoảng 2/3 dành cho chưng cất khí quyển và 1/3 dành cho chưng cất chân không Các tháp chưng cất này tiêu hao rất nhiều năng lượng nên cần phải quan tâm đặc biệt trong khi thiết kế và vận hành các tháp này Công nghê của chúng khá đơn giản, nghĩa là cung cấp một lượng nhiệt cho một sản phẩm lạnh(dầu thô) để bốc hơi và thu hồi một phần nhiệt này thông qua các thiết bị ngưng tụ, các hồi lưu tuần hoàn và các thiết bị làm lạnh sản phẩm cần làm lạnh để lưu trữ Toàn bộ hoạt động này là bất thuận nghịch và 1phần nhiệt cần phải cung cấp nhờ vào các lò đốt trong khi đó một phần khác bị tiêu hao trong các thiết bị làm lạnh bằng không khí và làm lạnh bằng nước Vì vậy, cần phải phát triển một công cụ vừa cho phép nhìn rõ toàn bộ hệ thống trao đổi nhiệt và thực hiện các phân tích chi tiết nhằm tăng cường vấn đề thu hồi nhiệt lượng.Công

cụ cơ bản là giãn đồ biễu diễn quan hệ giữa enthalpie và nhiệt đô, thường gọi là giãn đồ TQ

2.1.8.1 Cấu trúc và cách sử dụng giãn đồ TQ

Đối với một tháp chưng cất cho trước, các thông số về nhiệt độ dòng, về enthalpie của dòng đó là xác định được Người ta đề cập đến:

- dòng tổ hợp các nguồn cấp nhiệt, gọi là dòng nóng

- dòng tổ hợp các nguồn thu nhiệt, gọi là dòng lạnh

Giãn đồ enthalpie thể hiện 2 đường cong enthalpie:

- một là enthalpie của các lưu thể nóng phụ thuộc vào nhiệt độ

- hai là enthalpie của các lưu thể lạnh phụ thuộc vào nhiệt độ (Hình 2.16A)

Trang 35

Hình 2.16 Giãn đồ TQ-Xác định lượng nhiệt cần cung cấp và lượng nhiệt thoát ra Q E và Q S

Cách sử dụng đầu tiên của giãn đồ TQ là bằng cách cố định chênh lệch nhiệt tổng thể giữa đường tổ hợp nóng và lạnh (chênh lệch tối thiểu trung bình có thể chấp nhận được) để thiết lập sơ đồ trao đổi nhiệt và lượng nhiệt tối thiểu phải cung cấp cho quá trình (đun nóng lại QE) và thoát ra( làm lạnh

QS) theo hình 2.16B

Giãn đồ cung cấp các thông tin cần thiết dưới đây:

- Điểm ‘pinch’ là điểm mà chênh lệch nhiệt độ của đường tổ hợp nóng và đường tổ hợp lạnh là nhỏ nhất Trong trường hợp mà lượng nhiệt dQ của đường tổ hợp nóng nằm ở trên điểm pinch được dùng để đun nóng lại các dòng lạnh ở dưới điểm pinch, lượng nhiệt này được cung cấp bởi nguồn nhiệt nóng bên ngoài cộng với QE và sẽ thải ra lượng nhiệt tại thiết bị làm lạnh cộng với QS Khi đó

có sự mất mát nhiệt khi đi qua điểm ‘pinch’ (hình 2.17 A và B)

- Trái lại, khi lượng nhiệt có sẵn dưới điểm pinch được truyền cho dòng lạnh trên điểm pinch, điều này sẽ cải thiện việc thu hồi nhiệt bằng cách giảm đồng thời QS và QE Đây là trường hợp sử dụng bơm nhiệt để hấp thụ lượng nhiệt nằm dưới điểm pinch, tiêu thụ công dW và sinh ra một lượng nhiệt dQ+dW ở phía trên điểm pinch ở nhiệt độ cao hơn

Trang 36

Hình 2.17 Giãn đồ TQ-Trường hợp nhiệt nóng lấy ra nằm ở trên vùng pinch để đun nóng các dòng

lạnh nằm phía dưới vùng pinch

Lượng nhiệt cung cấp năm trong khoảng từ QE đến QE –(dQ+dW) và lượng nhiệt lấy ra từ QS đến

QS-dQ Vì vậy, để một bơm nhiệt đạt hiệu quả, cần phải làm việc qua giữa điểm pinch (hình 2.18 A

và B)

Hình 2.18 Giãn đồ TQ- Trường hợp nhiệt nóng lấy ra nằm ở dưới vùng pinch để đun nóng các dòng

lạnh nằm phía trên vùng pinch

- Chênh lệch nhiệt độ có thể thay đổi nhiều dọc theo đường tổ hợp TQ Vì vậy, cần phải định

vị sự tạo thành các dòng phụ trợ (trên đường tổ hợp lạnh) tại vùng mà chênh lệch nhiệt độ lớn hay có sự tiêu thụ các dòng phụ trợ (trên đường tổ hợp nóng) tại vùng mà chênh lệch nhiệt độ thấp để cải thiện hiệu quả làm việc của hệ bằng cách kéo các đường cong tổ hợp lại

Trang 37

gần nhau Hình vẽ 2.19 A và B thể hiện trường hợp này Các dòng phụ trợ thường là hơi nước, lưu chất nóng…Điều này dẫn đến có thể đồng thời cung cấp 1 lượng nhiệt ở mức độ nhiệt thấp hơn so với lò đốt (nên chi phí rẻ hơn) và tạo ra các dòng phụ trợ có mức độ nhiệt thấp hơn có thể sử dụng được so với các dòng từ nơi khác

Hình 2.19 Giãn đồ TQ-Trường hợp có sự tiêu thụ các dòng phụ trợ trên đường tổ hợp nóng

- Các tính toán từ giãn đồ này cho phép xác định các thiết bị trao đổi nhiệt có bề mặt trao đổi nhiệt hiệu quả nhất và để định vị đúng các chỗ phân chia dòng

2.1.8.2 Áp dụng vào tháp chưng cất khí quyển và chân không

Các phân xưởng chưng cất khí quyển và chân không là những phân xưởng có nhiều dòng nhất và dây chuyền trao đổi nhiệt cũng rất quan trọng bởi tính phức tạp và bề mặt trao đổi nhiệt của chúng Giãn đồ tổ hợp TQ được áp dụng lý tưởng cho hai phân xưởng này Việc sử dụng công cụ này cho phép giảm bề mặt trao đổi nhiệt đến hiệu quả không đổi Điều này được cải thiện bằng cách định vị chính xác việc hình thành/tiêu thụ các dòng phu trợ Chẳng hạn, bằng cách dùng lượng nhiệt có sẵn

ở mức thấp để sinh ra hơi nước ở áp suất rất thấp (< 3 bar) Hơi nước này đươc dùng để stripping trong tháp chưng cất chân không hay để stripping dòng nước cặn chứa axít nằm lân cận tháp chưng cất

Giãn đồ TQ còn cho phép thực hiện các tính toán kinh tế, chẳng hạn, tính toán chi phí tương đối giữa bề mặt trao đổi nhiệt lắp đặt (đầu tư) và sự tiêu thụ của lò đốt (chí phí vận hành)

Trang 38

2.1.9 Khống chế và điều khiển quá trình – Bảo trì - Bản chất chất thải

2.1.9.1 Khống chế điều khiển

Việc thiết kế, khai thác và bảo trì các phân xưởng chưng cất khí quyển, chân không, phân riêng khí và xăng có vai trò kinh tế quan trọng trong máy lọc dầu bởi chúng là các phân xưởng thượng nguồn so với các phân xưởng còn lại khác trong nhà máy lọc dầu Chúng cần phải đáp ứng rất nhanh chóng với các thay đổi về loại dầu thô, với các thay đổi về điều kiện vận hành của các phân xưởng nằm sau chúng

Do đó chúng được trang bị các thiết bị khống chế quá trình cho phép thực hiện nhanh chóng

và hiệu quả các thông số điều khiển khác nhau của phân xưởng Điều này thường được thực hiện bởi các phần mềm máy tính Các phần mềm này thường được lắp đặt trong hệ thống kiểm tra trung tâm hay trên các thiết bị tính toán riêng biệt Các hệ thống điều khiển quan trọng nhất cho phép:

- Khống chế chất lượng sản phẩm (điểm cắt) Chất lượng sản phẩm được điều khiển nhờ các thiết bị phân tích liên tục và chúng tác động trực tiếp lên điểm cắt hay lưu lượng của sản phẩm và tỉ

lệ hơi dùng cho stripping

- Khống chế dòng hồi lưu nội bằng dòng hồi lưu tuần hoàn Cho phép thu hồi 1 lượng nhiệt thích hợp đủ cho một quá trình phân đoạn khác, đồng thời tối ưu hóa lượng nhiệt lấy ra với các mức nhiệt khác nhau

- Khống chế quá trình đóng cặn trong thiết bị trao đổi nhiệt Bằng cách đo nhiệt độ vào/ra của các thiết bị Phép khống chế này cho phép ta dò tìm các thiết bị bị đóng cặn và tối ưu hóa quá trình thu hồi nhiệt từ các phân xưởng

2.1.9.2 Bảo trì

Các phân xưởng mới nhất gần đây thường được thiết kế làm việc 2-3 năm liên tục không nghỉ Trong suốt thời gian này, cần phải theo dõi, kiểm tra chặt chẽ sự ăn mòn và sự đóng cặn trong các thiết bị trao đổi nhiệt Các kết cấu rời cho phép ta tiến hành vệ sinh, bảo dưỡng thiết bị trao đổi nhiệt hoặc sửa chữa nó

Đối với các phân xưởng có năng suất lớn hơn 8 triệu t/năm, thiết bị trao đổi nhiệt cũng như thiết bị tách muối đôi khi bị phân chia thành hai cụm giống nhau kèm theo hai lò đốt riêng biệt Các cụm thiết bị như vậy cho phép phân xưởng vẫn hoạt động với năng xuất thấp hơn trong khi vẫn có thể chùi rửa và sửa chữa cụm còn lại

2.1.9.2 Chất thải

Các phân xưởng chưng cất khí quyển tạo ra tương đối ít chất thải và việc xử lý chúng không gặp khó khăn nào đặc biệt

a Dòng lỏng

Chất thải lỏng được tạo thành chủ yếu từ:

- Các loại nước của quá trình tách loại muối (chiếm 3-8%) và nước ngưng tụ đỉnh tháp (~2%)

Để tận dụng lượng nước này và cũng để giảm thiểu lượng nước thải ra môi trường, các loại nước trên sẽ qua công đoạn stripper Nước đã được loại hơi acid sẽ được sử dụng lại cho thiết bị khử muối Còn nước đậm acid hoặc đậm muối sẽ phải xử lý tiếp (bằng quá trình sinh hoá) sau đó mới là các dòng chất thải lỏng thải ra môi trường, tất nhiên chúng cũng phải đảm bảo các quy định nghiêm ngặt về môi trường

b Dòng khí

Các chất khí không ngưng thoát ra ở đỉnh tháp sẽ được đưa về lò đốt làm nhiên liệu và được đốt cháy trong lò nhờ vào 1 thiết bị đốt đặc biệt Dòng khí thải duy nhất là khói lò, được thải ra ngoài khí quyển qua ống khói có chiều cao được tính toán theo các quy định nghiêm ngặt Các qui ước về việc thải khí SO2 ra môi trường sẽ dẫn đến việc cần phải tách H2S ra khỏi khí không ngưng này trước khi đưa chúng vào lò đốt

Trang 39

2.2 Quá trình chưng cất chân không của cặn chưng cất khí quyển

Chưng cất chân không có mục đích phân riêng phần cặn chưng cất khí quyển ở đáy tháp chưng cất khí quyển thành các phân đoạn cất nhằm làm nguyên liệu cho các phân xưởng chuyển hóa để tạo ra các sản phẩm có giá trị cao hơn (như xăng FCC)

Khi không có các quá trình chuyển hóa phía hạ nguồn, các phân đoạn này được dùng làm nhiên liệu nặng, ngoại trừ phần nhẹ nhất được đưa về các kho chứa để phối trộn sản phẩm gasoil, còn phần cặn chưng cất chân không có thể được dùng làm nguyên liệu sản xuất bitum Ngoài ra, trong trường hợp đặc biệt, tháp chưng cất chân không dầu thô cho phép thu được các dầu cơ sở dùng để sản xuất dầu nhờn

Chưng cất chân không được dùng cho quá trình phân tách các nguyên liệu có nhiệt độ sôi quá cao ở

áp suất cao hơn áp suất khí quyển và có thể dẫn tới cracking nguyên liệu Năng suất của quá trình chưng cất chân không giảm 50-70% so với quá trình chưng cất khí quyển Tùy thuộc vào hướng sử dụng tiếp theo của phần cất mà tháp chưng cất chân không có thể có hoặc không có các vùng phân đoạn Có nhiều công nghệ được áp dụng tùy theo việc có sử dụng hơi nước hay không để làm giảm

áp suất hơi riêng phần của hydrocarbon (P=Pa+Pb, nếu có thêm hơi nước (Pvap) thì Pa hoặc Pb sẽ giảm) :

* Chưng cất chân không "khô": là quá trình chưng cất chân không không sử dụng hơi nước

Do đó nó phải hoạt động ở dưới áp suất rất thấp (10-15mmHg ở đỉnh) và cần thiết phải sử dụng bơm phụt (ejecteur) kích thích (booster) đặt trước thiết bị ngưng tụ đầu tiên (do P thấp, khó ngưng

tụ, nhờ hơi nước của ejecteur, P tăng cao.( Hình 2.20)

Hình 2.20 Sơ đồ chưng cất chân không ‘khô’

* Chưng cất chân không "ướt": là quá trình chưng cất chân không có kèm theo bơm hơi nước vào trong nguyên liệu trong lò đun và bơm hơi stripping vào đáy tháp, có tác dụng hạn chế quá trình tạo cốc Áp suất toàn phần đáng kể hơn (40-60 mmHg ở đỉnh, do có hơi nước, P lớn dễ ngưng tụ hơn) Một thiết bị tiền ngưng tụ được đặt trước hệ thống tạo chân không (Hình 2.21)

Trang 40

Hình 2.21 Sơ đồ chưng cất chưng không ‘ướt’

* Chưng cất chân không "bán ướt": là quá trình chưng cất chân không chỉ có sử dụng bơm hơi vào đáy tháp Thường cũng cần sử dụng bơm phụt ejecteur đặt ở trước thiết bị ngưng tụ đầu tiên phía đỉnh, điều này cho phép nâng cao áp suất của quá trình nhờ có thêm hơi nước đến giá trị thích hợp để thực hiện quá trình ngưng tụ Các quá trình điều chế bitum thường sử dụng trường hợp này

2.2.1 Các phân đoạn sản phẩm

Các điểm cắt tiêu biểu đối với cặn chưng cất khí quyển 350+

theo đường cong chưng cất TBP như sau:

- Gasoil chân không (LVGO): 350-390°C

2.2.2 Ví dụ về tiêu chuẩn của phân cất chân không làm nguyên liệu cho cracking xúc tác