Báo cáo dự án môn học công nghệ lọc dầu 1 đề tài quá trình giảm nhớt trong công nghệ lọc dầu

Mục đích và vai trò1.1 Mục đíchQuá trình giảm nhớt là quá trình biến đổi bằng nhiệt nhiệt độ không quácao và không có mặt xúc tác các nguyên liệu nặng thành phần cặn nhằm làmgiảm độ nh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA HÓA – BỘ MÔN CÔNG NGHỆ DẦU KHÍ & KHAI THÁC DẦU



BÁO CÁO DỰ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ LỌC DẦU 1

Đề tài:

QUÁ TRÌNH GIẢM NHỚT TRONG CÔNG NGHỆ LỌC DẦU

Lớp học phần: 20N52

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Thị Thanh Xuân

Nhóm thưc hiện: Nhóm 3

1 Nguyễn Cảnh Nghị

2 Lê Tiến Linh

3 Nguyễn Thị Tuyết Trinh

4 Võ Văn Thuyết

5 Phạm Xuân Trung

6 Trần Nguyễn Trường Giang

7 Lê Việt Dũng

Đà Nẵng, tháng 4 năm 2023

LỜI NÓI ĐẦU

1

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung dự án do chính chúng tôi tìm kiếm tài liệu và tham khảo trình bày tài liệu như trình bày bên dưới là đúng sự thật Không có sao chép từ bất cứ đồ án nào khác, tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ Chúng tôi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

LỜI CAM ĐOAN 2

I GIỚI THIỆU 5

1 Mục đích và vai trò 5

1.1 Mục đích 5

1.2 Vai trò 5

2 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu 5

II NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM 6

1 Nguyên liệu và đặc trưng của nguyên liệu 6

1.1 Nguyên liệu 6

1.2 Đặc trưng của nguyên liệu 6

2 Hiệu suất, độ chuyển hóa và đặc tính của sản phẩm 7

2.1 Hiệu suất 7

2.2 Độ chuyển hóa 7

2.3 Đặc tính của sản phẩm 8

III CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH 9

1 Cơ sở lý thuyết của quá trình 9

2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH GIẢM NHỚT 10

2.1 Sơ đồ công nghệ 10

2.1.1 Phân xưởng không trang bị buồng làm lạnh 10

2.1.2 Phân xưởng trang bị buồng làm lạnh 11

2.2 Ưu điểm khi phân xưởng trang bị buồng làm lạnh 12

2.3 Sơ đồ điển hình của một phân xưởng giảm nhớt 13

2.4 Các thiết bị chính 14

2.4.1 Lò đốt 14

3 Các thông số vận hành 15

3.1 Nhiệt độ khi ra khỏi lò 15

3.2 Lưu lượng nguyên liệu 15

3.3 Áp suất 15

3

3.4 Phun hơi nước vào trong ống cấp nhiệt 16

IV KẾT LUẬN 17

I GIỚI THIỆU

1 Mục đích và vai trò

1.1 Mục đích

Quá trình giảm nhớt là quá trình biến đổi bằng nhiệt (nhiệt độ không quá cao) và không có mặt xúc tác các nguyên liệu nặng (thành phần cặn) nhằm làm giảm độ nhớt của các phân đoạn cặn này Là tách các hợp chất có độ nhớt cao khỏi dầu thô Làm giảm độ nhớt của dầu thô bằng cách loại bỏ các hợp chất có

độ nhớt cao như các hydrocacbon dài và phân tử béo.

Nhiệm vụ chính của phân xưởng giảm nhớt là tạo ra một nguồn phối liệu sản xuất dầu đốt nặng có độ nhớt và điểm chảy thấp hơn phân đoạn cặn Một phần S cũng được loại ra khỏi nguyên liệu nhờ quá trình này Loại bỏ các tạp chất độc hại và hạt có kích thước lớn ra khỏi dầu nhờn Các hạt độc hại như tro hoặc kim loại lần trong dầu nhờn có thể tạo ra mài mòn và hao mòn các bộ phận trong động cơ, dẫn đến giảm độ bền và hiệu suất động cơ.

Phân xưởng còn sản xuất một lượng lớn xăng và gasoil, ngoài ra còn có gas

→ mang lại cho các nhà máy lọc dầu một lượng sản trắng đáng kể, góp phần nâng cao hiệu suất thu các sản phẩm có giá trị kinh tế cao và là công đoạn xử lý nguyên liệu cho các quá trình sau đó như quá trình cốc hoá, quá trình sản xuất dầu nhờn

1.2 Vai trò

Việc loại bỏ các hợp chất có độ nhớt cao như vậy sẽ cải thiện khả năng chảy của dầu và tăng hiệu quả của các bước lọc dầu sau đó, bao gồm quá trình trích

ly và quá trình tinh chế.

Trong quá trình giảm nhớt, các chất hóa học được sử dụng để phá vỡ các liên kết giữa các phân tử trong dầu thô và loại bỏ các hợp chất có độ nhớt cao Các chất hóa học này bao gồm axit sulfuric, axit sunfuric, axit hydrofluoric và chất xút Các chất hóa học này thường được sử dụng trong quá trình giảm nhớt trong các thiết bị lọc dầu đặc biệt được thiết kế để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Có vai trò quan trọng trong bảo vệ động cơ và tăng tuổi thọ của dầu nhờn Ngoài ra còn giúp cải thiện khả năng chống oxy hóa của dầu nhờn, giúp kéo dài thời gian thay dầu và tối ưu hóa hiệu suất cho động cơ.

2 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu

 Sau CDU nếu dùng cặn nguyên liệu của quá trình chưng cất khí quyển

5

 Sau VDU nếu dùng cặn nguyên liệu của quá trình chưng cất chân không

1 Nguyên liệu và đặc trưng của nguyên liệu

1.1 Nguyên liệu

 Cặn của quá trình chưng cất khí quyển vận hành ở chế độ sản xuất tối đa xăng và gazole, nhưng vẫn đảm bảo các đặc tính về độ nhớt và độ ổn định của cặn

 Cặn của quá trình chưng cất chân không vận hành với mục đích giảm đến mức tối đa của độ nhớt để sản xuất dầu đốt công nghiệp

1.2 Đặc trưng của nguyên liệu

 Một cách đơn giản có thể xem cặn là một hệ keo được tạo thành từ một pha phân tán

là các mixen chứa các asphaltène và các maltène đa nhân thơm có khối lượng phân tử lớn và một pha liên tục là các meltène khác

 Các asphaltène là các phân tử phức tạp có khối lượng phân tử lớn hơn 1000, có nhiều phân thơm, có chứa nhiều nhánh mạch thẳng, các dị nguyên tố (S,N,O) và các kim loại nặng (Ni, V)

 Các maltène có khối lượng phân tử thấp hơn asphaltène; được tạo thành từ các phân

tử hydrocacbon (HC) parafin, naphten và thơm Chúng cũng chứa các dị nguyên tố và các kim loại nặng nhưng với hàm lượng thấp hơn

2 Hiệu suất, độ chuyển hóa và đặc tính của sản phẩm

2.1 Hiệu suất

Hiệu suất và đặc tính của sản phẩm phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu và độ chuyển hoá thu được trong các điều kiện vận hành thích hợp

2.2 Độ chuyển hóa

 Độ chuyển hóa được định nghĩa bằng tổng lượng sản phẩm mong muốn thu được so với lượng nguyên liệu của quá trình

 Giá trị của độ chuyển hóa được xem xét qua 3 yếu tố :

- Bản chất và đặc tính của nguyên liệu

- Các đặc trưng của quá trình

- Các sản phẩm mong muốn nhận được

 Các yếu tố này liên kết chặt chẽ với nhau Từ những loại nguyên liệu khác nhau đã cho, người ta phải vận hành với những điều kiện khác nhau để sản phẩm mong muốn đạt tối ưu nhất (lượng cốc tạo thành trong lò thấp, thời gian dừng để bảo dưỡng phải ngắn, cặn giảm nhớt phải có độ ổn định cao,

…)

 Trong thực tế, trong các phân xưởng giảm nhớt, độ chuyển hóa (phụ thuộc theo nguồn gốc nguyên liệu) thay đổi từ 6 đến 7% Trong trường hợp muốn sản xuất lượng gazole cực đại, độ chuyển hóa có thể đạt đến 10 – 12%

7

Quan hệ giữa độ chuyển hóa và độ ổn định của sản phẩm

2.3 Đặc tính của sản phẩm

 Phân đoạn khí (C4-) chứa các khí trơ (CO, CO2, N2), H2S tạo thành từ quá trình chuyển hóa nguyên liệu và các hydrocacbon từ C1 đến C4 Hàm lượng S trong phân đoạn này cao hơn trong nguyên liệu từ 2-5 lần H2S phải được loại bỏ bằng quá trình xử lý bằng amine trước khi đưa đi sử dụng như LPG hay khí đốt

 Xăng (C5 – 165°C) là loại nhiên liệu có chất lượng thấp : chỉ số octane thấp, hàm lượng olefin cao (~ 45%), hàm lượng S lớn (0,2 – 0,5 lần hàm lượng S trong nguyên liệu), chứa các hợp chất của nitơ; chứa các diolefin Khi sử dụng xăng này làm nguyên liệu cho FCC cần phải xử lý bằng Hydro

 Gasoil (165–350°C): có IC thấp (<=50), chứa từ 2–3% S (gấp 0,4 – 0,8 lần lượng S trong nguyên liệu) Màu của nó (xác định theo ASTM) thay đổi rất nhanh do sự oxy hóa bằng không khí Hàm lượng olefin trong gasoil này rất cao Khi hàm lượng S của gasoil này thấp thì nó có thể được sử dụng như là chất pha loãng cho dầu nặng để làm giảm độ nhớt Khi hàm lượng S cao thì nó phải được xử lý trong phân xưởng HDS để cải thiện IC, độ ổn định và màu và có thể được sử dụng như là một thành phần phối trộn gasoil thương phẩm

 Cặn (350°C+) là một loại dầu đốt có độ nhớt đã được cải thiện so với nguyên liệu Tuy nhiên để đạt đến tiêu chuẩn của sản phẩm thương phẩm cần phải bổ sung một lượng gasoil pha loãng Tiêu chuẩn chất lượng chủ yếu của loại dầu này là độ ổn định của nó, bởi vì nó chứa một lượng asphaltene ở trạng thái huyền phù Như vậy gasoil pha loãng phải có hàm

lượng HC thơm cao (LCO, phân đoạn chiết HC) có khả năng phân tán các asphaltene

1 Cơ sở lý thuyết của quá trình

Các quá trình nhiệt là sự biến đổi hóa học của hydrocacbon nguyên chất hoặc các phân đoạn dầu mỏ dưới tác dụng của nhiệt độ cao theo cơ chế gốc

GIẢM NHỚT -VISBREAKING: dùng để sản xuất dầu FO từ phân đoạn cặn Quá trình này đặc trưng bởi nhiệt độ trưng đối thấp (khoảng 500oC)

và áp suất 15–20 bar Hiện nay các quá trình giảm nhớt vận hành ở áp suất khí quyển được nghiên cứu và phát triển

Các phản ứng cracking:

Trong quá trình giảm nhớt, các maltène bị bẻ gãy mạch tạo thành các phân tử nhỏ hơn, trong khi lượng asphaltène tăng lên do phản ứng vòng hoá và ngưng tụ các nhân thơm

Các phản ứng cracking và cơ chế của chúng đối với các HC nhẹ và các phân đoạn nhẹ (cracking hơi để sản xuất ethylène, propylène, butadiène, benzene,…) đã được nghiên cứu rất nhiều Tuy nhiên trong trường hợp các cấu tử của dầu nặng, ảnh hưởng của nhiệt độ lên phản ứng bẻ gãy mạch phân tử chưa được biết rõ Người ta có thể nhận dạng một vài phản ứng sau :

Bẻ gãy liên kết C-C của các HC mạch thẳng trong các paraffine (tạo thành oléfine) và trong các alkylaromatique (phản ứng đề alkyl hoá) Đây là các phản ứng sơ cấp Oligome hoá

và vòng hoá tạo thành các naphtène từ các hợp chất oléfine tạo thành từphản ứng sơ cấp Ngưng tụ các phân tử mạch vòng tạo thành polyaromatique Ngoài ra còn có các phản ứng xảy ra với các dị nguyên tố trong asphaltène: tạo H2S, thiophène, mercaptan, tạo phenol

Động học và cơ chế phản ứng cracking

Cơ chế: phản ứng dây chuyền xảy ra theo cơ chế gốc

Động học: vận tốc phản ứng biểu diễn theo phương trình bậc một

V=d x

d t =k(1−x)exp ⁡(−E

RT) hay k ' t=ln 1

1−x

Với x là phần khối lượng nguyên tử đã bị chuyển hóa

Năng lượng hoạt hóa (E) thay đổi theo bản chất và thành phần của nguyên liệu

9

Long residue 315

Các phản ứng tạo thành asphaltene và tạo cốc có năng lượng hoạt hóa từ 250 – 380 kJ/mol Năng lượng hoạt hóa này càng lớn khi nhiệt độ tăng lên

2 SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH GIẢM NHỚT

2.1 Sơ đồ công nghệ

2.1.1 Phân xưởng không trang bị buồng làm lạnh

Trong phân xưởng không trang bị buồng làm lạnh (coil visbreaking) các phản ứng cracking chỉ xảy ra trong lò Độ chuyển hóa mong muốn đạt được bằng cách duy trì

nguyên liệu trong vùng phản ứng của lò khoảng 1–2 phút Áp suất trong lò khoảng

15 bars và nhiệt độ ra khỏi lò khoảng 480–490oC Ngay khi ra khỏi lò các phản ứng được dừng lại nhờ sự giảm nhiệt độ đột ngột (đến khoảng 350oC) hiệu quả nhờ một van giảm

áp và nhờ làm lạnh bởi dòng gazole hay cặn có nhiệt độ thấp

Hình 1: Sơ đồ phân xưởng không trang bị buồng làm lạnh

2.1.2 Phân xưởng trang bị buồng làm lạnh

Trong phân xưởng có buồng làm lạnh (soaker visbreaker), phần lớn phản ứng xảy ra trong buồng này Độ chuyển hóa khi ra khỏi lò chỉ đạt khoảng 20–25% và nhiệt độ

khoảng 440–460oC Mục đích của buồng này là để kéo dài thời gian lưu (thời gian phản ứng) và cho phép vận hành lò ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 30°C với cùng một nguyên

liệu Trong buồng làm lạnh vì các phản ứng xảy ra đoạn nhiệt nên nhiệt độ giảm khoảng 15–25oC, đến 420–430oC Sau buồng làm lạnh, sự giảm áp nhờ van và sự làm lạnh sẽ

làm giảm nhiệt độ xuống đến 350oC

11

Hình 2: Sơ đồ phân xưởng có trang bị buồng làm lạnh

2.2 Ưu điểm khi phân xưởng trang bị buồng làm lạnh

 Nhiệt độ ra khỏi lò thấp hơn nên tiết kiệm được chi phí năng lượng ít nhất 15–20%

 Khuynh hướng tạo cốc giảm và do đó chu kỳ tái sinh cốc sẽ tăng từ khoảng 3 tháng đến 12 tháng

 Hiệu suất thu gasoil đạt cực đại nhờ vào hai yếu tố:

 Năng lượng hoạt hóa của sự hình thành gasoil từ cặn sẽ nhỏ hơn năng lượng hoạt hóa cho các phản ứng hình thành xăng, khí (khoảng 170 kJ/mole so với 210 kJ/mole) Do vậy một giá trị nhiệt độ thấp trong vùng phản ứng (trong soaker) sẽ làm tăng hiệu suất thu hồi các sản phẩm trung gian – gasoil

 Trong cả hai sơ đồ, có và không có soaker, dòng sản phẩm đi ra từ vùng phản ứng là hỗn hợp hai pha lỏng- hơi Thực tế, nguyên liệu và cặn cuối tồn tại ở pha lỏng trong khi xăng và khí thì hầu hết trong pha hơi, phân đoạn gasoil sẽ được phân bố giữa hai pha với gasoil nhẹ chủ yếu trong pha hơi Thời gian lưu của cả hai pha trong vùng phản ứng không được xác định Người ta chỉ ước lượng tỷ số giữa thời gian lưu trong pha hơi và lỏng giữa ½ và 1/5 trong lò và chỉ 1/10 trong soaker Sự khác nhau này dẫn đến một thời gian phản ứng ngắn đối với gasoil nhẹ trong soaker (so với trong lò) và do vậy sẽ làm giảm sự phân hủy chúng để tạo xăng và khí

 Độ ổn định của cặn, một thông số quan trọng, dường như tốt hơn đối với sơ đồ cótrang bị soaker

 Phân xưởng giảm nhớt rất nhạy với sự nhiễu của các thông số vận hành Trong phân xưởng có trang bị soaker các thông số vận hành không chế dễ dàng hơn

 Giảm giá thành của lò và thiết bị gia nhiệt, giảm đầu tư ban đầu 10 – 15%

2.3 Sơ đồ điển hình của một phân xưởng giảm nhớt

Hình 3: Sơ đồ quá của phân xưởng giảm nhớt

Nguyên liệu sau khi được gia nóng sơ bộ sẽ được đưa qua lò đốt để nâng lên nhiệt độ cracking Sau đó được đưa qua buồng làm lạnh (soker drum), các phản ứng chủ yếu xảy ra ở đây Độ chuyển hóa khi ra khỏi lò chỉ đạt khoảng 20–25% và nhiệt độ khoảng 440–460oC Mục đích của buồng này là để kéo dài thời gian lưu (thời gian phản ứng) và cho phép vận hành lò ở nhiệt độ thấp hơn khoảng 30°C với cùng một nguyên liệu Trong buồng làm lạnh

vì các phản ứng xảy ra đoạn nhiệt nên nhiệt độ giảm khoảng 15–25oC, đến 420–430oC Sau buồng làm lạnh, sự giảm áp nhờ van và sự làm lạnh sẽ làm giảm nhiệt độ xuống đến 350oC Sau đó, nguyên liệu tiếp tục đi qua tháp chưng cất để tách thành các sản phẩn khác khau như

13

Gas, LPG, xăng, Gasolin và cặn đã giảm nhớt Nếu chúng ta muốn thu lượng gasolin cực đại, chúng ta có thể thêm thiết bị cracking nhiệt phần cất nặng của tháp chưng cất

2.4 Các thiết bị chính

2.4.1 Lò đốt

Vai trò của nó là nâng nhiệt độ của nguyên liệu đến nhiệt độ phản ứng và duy trì nhiệt độ nhiệt độ này thời gian khá dài để thu được độ chuyển hóa mong muốn Phương thức truyền nhiệt là đối lưu hoặc bức xạ hoặc kết hợp cả hai

Để hoạt động tốt thì các loại lò này cần tuân thủ một số yêu cầu:

- Dòng nhiệt trung bình phải từ 22-30 KW/m2, trong mọi trường hợp thì dòng nhiệt cục bộ không được vượt quá 60-70 KW/m2, hậu quả sẽ gây sự gia tăng đọng cốc gây hại cho sự vận hành của lò (tăng trở lực, tăng nhiệt thành ống)

- Các ống phải chịu được nhiệt độ 650oC Thông thường người ta chọn vật liệu thép hợp kim (9Cr-0.5Mo)

- Các thiết bị phun hơi nước hoặc condensate phải được lắp đặt trong vùng nơi mà sự bay hơi của các HC là thấp nhất để tăng sự chảy xoáy của dòng lưu thể nhằm giảm sự động cốc Tỷ lệ phun nước với nguyên liệu là khoảng 0.5%

- Các thiết bị tách cốc là không thể thiếu Chúng bao gồm một thiết bị phun hỗn hợp không khí/hơi nước cho phép tách cốc trong lò ở nhiệt độ khoảng 550oC

Hình 4: Lò đốt

2.4.2 Buồng làm lạnh (Soaker drum)

Đó là một bình đặt sau lò đốt cho phép tăng thời gian lưu của nguyên liệu và vận hành ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ lò đốt Trong thiết bị này các phản ứng cracking xảy ra khoảng 40-60% Các phản ứng này là các phản ứng thu nhiệt, nhiệt độ ra tháp hơn nhiệt độ vào là 10-20oC Buồng làm lạnh là một thiết bị phản ứng với dòng lưu thể chảy từ dưới lên