ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ LỌC DẦU

Để phục vụ cho công nghiệp hoá hiện đại hoá của đất nước nhằm thúc đẩy nền kinh tế phát triển theo hướng chuyển dần cơ cấu kinh tế từ nông nghiệp là chính sang công nghiệp và dịch vụ thì ngành năng lượng đóng một vai trò quan trọng và phải đảm bảo được một nguồn năng lượng ổn định và ngày càng tăng nhanh cả về lượng lẫn chất. Hiện nay bên cạnh các nguồn cung cấp năng lượng chính từ than đá, thuỷ điện, nhiệt điện thì chúng ta còn có một nguồn tài nguyên vô cùng quí giá được xem như là “vàng đen” của tổ quốc đó là dầu mỏ. Nguồn tài nguyên này bước đầu được phát hiện tại các mỏ có trữ lượng lớn như: Đại Hùng, Bạch Hổ, Rạng Đông... và cũng được xem là chưa đánh giá hết tiền năng của nguồn dầu mỏ tại vùng biển Đông rộng lớn của đất nước ta. Nhưng một điều đáng tiếc của ngành năng lượng nước nhà đó là chúng ta chỉ mới dừng lại ở giai đoạn khai thác và xuất khẩu dầu thô trong khi đó vẫn phải nhập một lượng ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ thương phẩm từ nước ngoài gây thất thu một nguồn lợi ngoại tệ lớn. Theo các chuyên gia về hóa dầu Châu Âu, việc đưa dầu mỏ qua các quá trình chế biến sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng của dầu mỏ lên 5 lần, và như vậy tiết kiệm được nguồn tài nguyên quý giá này

Bộ môn: Lọc Hóa - Dầu

ĐỒ ÁN

MÔN HỌC CÔNG NGHỆ LỌC DẦU

Sinh viên thực hiện Giáo viên hướng dẫn

Lê Văn Bắc TS Nguyễn Anh Dũng

Lớp: LHD K54TH

MSSV: 0964040006

Hà Nội - 2013

Mục Lục

Mục Lục 2

Phần 1: Tổng quan 4

1.1 Nhà máy lọc dầu 5

1.1.1 Mục đích nhà máy lọc dầu 5

1.2 Các thông số đặc trưng hóa lý của dầu thô 7

1.2.1 Tỷ trọng 7

1.2.2 Đường cong điểm sôi thực 7

1.2.3 Khối lượng phân tử 8

1.2.4 Độ nhớt 8

1.2.5 Chỉ số khúc xạ: 8

1.3 Những công nghệ chế biến hóa học cơ bản: 9

1.3.1 Chưng cất dầu thô (CDU) 10

1.3.1.1.Hoạt động của phân xưởng chưng cất( CDU) 10

1.3.1.1.1 Nguyên liệu và sản phẩm 10

1.3.1.1.2 Tháp chưng cất dầu thô 10

1.3.1.1.3 Cân bằng vật liệu 11

1.3.2 Phân xưởng hydrotreating 12

1.3.2.1 Hoạt động của phân xưởng hydrotreating 12

1.3.2.1.1 Nguyên liệu và sản phẩm 12

1.3.2.1.2 Xúc tác cho quá trình hydrotreating 13

1.3.2.1.3 Một số quá trình hydroprocessing tiêu biểu 13

1.3.2.1.3.1 Naphtha hydrotreating 13

1.3.2.1.3.1 Distillate hydrotreating 14

1.3.2.1.3.3 Gas Oil Hydrotreating 14

1.3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hydrotreating 15

1.3.2.2 Cân bằng vật chất cho công nghệ hydrotreating 15

1.3.2.3 Xác định lượng H2 cần thiết cho quá trình desunfua hóa: 15

1.3.3 Công nghệ cracking xúc tác 16

1.3.3.1 Hoạt động của phân xưởng FCC 16

1.3.3.1.1 Nguyên liệu và sản phẩm 16

1.3.3.1.2 Xúc tác cho quá trình cracking xúc tác 17

1.3.3.1.3 Công nghệ cracking xúc tác 17

1.3.3.1.4 Các yếu tố ảnh hướng đến quá trình 19

1.3.3.2 Độ chuyển hóa 19

1.3.3.3 Cân bằng vật chất cho công nghệ FCC 20

1.3.4 Công nghệ reforming 20

1.3.4.1 Hoạt động của phân xưởng reforming 20

1.3.4.1.1 Nguyên liệu và sản phẩm 20

1.3.4.1.2 Xúc tác sử dụng cho quá trình Reforming 21

1.3.4.1.3 Công nghệ tiêu biểu của reforming 21

1.3.4.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình reforming 22

1.3.4.2 Cân bằng vật chất cho công nghệ reforming 23

Phần 2 Tính toán 23

2.1 Phân đoạn có nhiệt độ sôi 190 – 3800F 27

2.1.1 xác định khối lượng và độ API của phân đoạn 27

2.1.2 Xác định lượng lưu huỳnh trong phân đoạn: 27

2.2 Nguyên liệu cho phân xưởng hydrotreating 28

2.2.1 Lượng hydro cần thiết cho quá trình desunfua hóa: 28

2.2.2 Độ API sản phẩm: 29

2.3 Phân xưởng reformer 29

2.4 Phân đoạn 580- 6500 F 30

2.4.1 Xác định khối lượng và độ API phân đoạn: 30

2.4.2 Xác định lượng lưu huỳnh trong phân đoạn: 31

2.5 Xét phân xưởng hydrotreating gas oil 32

2.5.1 Lượng H2 cần thiết cho phân đoạn: 32

2.6 Tính cân bằng vật liệu cho phân xưởng FCC: 32

Phần 3:Tổng kết 34

3.1 Kết luận 34

3.2 Đề xuất 34

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

LỜI MỞ ĐẦU

nền kinh tế phát triển theo hướng chuyển dần cơ cấu kinh tế từ nông nghiệp là chính sang công nghiệp và dịch vụ thì ngành năng lượng đóng một vai trò quan trọng và phải đảm bảo được một nguồn năng lượng ổn định và ngày càng tăng nhanh cả về lượng lẫn chất Hiện nay bên cạnh các nguồn cung cấp năng lượng chính từ than đá, thuỷ điện, nhiệt điện thì chúng ta còn có một nguồn tài nguyên vô cùng quí giá được xem như là “vàng đen” của tổ quốc đó là dầu mỏ Nguồn tài nguyên này bước đầu được phát hiện tại các mỏ có trữ lượng lớn như: Đại Hùng, Bạch Hổ, Rạng Đông và cũng được xem là chưa đánh giá hết tiền năng của nguồn dầu mỏ tại vùng biển Đông rộng lớn của đất nước ta Nhưng một điều đáng tiếc của ngành năng lượng nước nhà

đó là chúng ta chỉ mới dừng lại ở giai đoạn khai thác và xuất khẩu dầu thô trong khi

đó vẫn phải nhập một lượng ngày càng lớn các sản phẩm dầu mỏ thương phẩm từ nước ngoài gây thất thu một nguồn lợi ngoại tệ lớn Theo các chuyên gia về hóa dầu Châu Âu, việc đưa dầu mỏ qua các quá trình chế biến sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng của dầu mỏ lên 5 lần, và như vậy tiết kiệm được nguồn tài nguyên quý giá này

Để chế biến thì nhiệm vụ của một kỹ sư lọc hoá dầu là không chỉ nắm được các kiến thức cơ bản, quan trọng về tính chất hoá học, tính chất vật lý của dầu mỏ, cũng như các phân đoạn dầu mỏ, các quá trình chế biến, các quá trình thuỷ lực, cân bằng vật chất, truyền nhiệt, chuyển khối… mà còn phải áp dụng các kiến thức này vào tính toán, thiết kế, điều khiển các quá trình công nghệ sao cho chúng hoạt động hiệu quả

và an toàn

Do đó mục đích của đồ án này sẽ giúp sinh viên có cái nhìn chung về những công nghệ chế biến hóa học cơ bản trong nhà máy lọc dầu và quan trọng là đi sâu về phần tính toán trong chưng cất dầu thô, từ đó nâng cao kiến thức chuyên môn phục vụ cho công việc học tập, làm việc và nghiên cứu sau này

Để thực hiện được đồ án này, em xin được cảm ơn sự giảng dạy và hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo TS.Nguyễn Anh Dũng công tác tại Bộ môn Lọc Hoá Dầu - Khoa Dầu Khí - Đại học Mỏ Địa Chất Hà Nội trong suốt quá trình em thực hiện đồ án

Sv: Lê Văn Bắc

Ngoài ra, công nghệ lọc dầu cũng liên quan đến công nghiệp hóa dầu vì các phân đoạn khí thu đươc ở nhà máy lọc dầu có thể được sử dụng để sản xuất những chất đầu cho công nghiệp hóa dầu để sản xuất ra các sản phẩm như: dung môi, sợi nhân tạo, nhựa, hóa chất cơ bản, phân bón

Tùy vào nguyên liệu dầu thô và mục đích của nhà máy lọc dầu mà qui trình công nghệ chế biến rất khác nhau Đây là hình ảnh tổng quan về nhà máy lọc dầu trên thế giới

Việt nam hiện nay có nhà máy Lọc Dầu Dung Quất, sử dụng nguyên liệu là dầu thô bạch hổ Với đặc thù của dầu bạch hổ là dầu siêu sạch, siêu ngọt nên sơ đồ nhà máy lọc dầu dung quất có nhiều sự thay đổi

Nhưng trong giới hạn bài đồ án này em chỉ giới thiệu một số phân xưởng của nhà máy lọc dầu liên quan đến tính toán theo yêu cầu của bài như: Phân xưởng chưng cất, phân xưởng Hydrotreating, phân xưởng Reforming, phân xưởng FCC





Trong đó: oil là khối lượng riêng của dầu thô

waterlà khối lượng riêng của nước

Ngoài ra tỷ trọng của dầu thô còn được xác định theo công thức

141.5 131 5

SG API

Dầu thô nặng có API thấp và dầu thô nhẹ API cao

1.2.2 Đường cong điểm sôi thực

Phép chưng cất được thực hiện trong thiết bị chưng cất có nhiều đĩa lý thuyết

Số đĩa lý thuyết khoảng 15-18 đĩa với độ hồi lưu là 5 đường cong thu được có độ phân chia lớn nên đây là đường cong điểm sôi thực

Đường cong điểm sôi thực cho phép đánh giá được thành phần của các phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau Vì vây đường cong điểm sôi thực là một đường cong quan trọng nhất của dầu mỏ

Việc chuyển đổi từ đường cong ASTM sang TBP được xác định:

TBP=a.(ASTM D86)b (3.3)

Trong đó: a và b là các hằng số thay đổi theo phần trăm của chất lỏng cất như đã cho trong bảng 3.2

Bảng 3.2: Hằng số a và b cho phương trình (3.3)

1.2.3 Khối lượng phân tử

Một số tính toán cân bằng vật chất và năng lượng đều yêu cầu xác định khối lượng phân tử của phân đoạn dầu Khối lượng phân tử trung bình có thể xác định bằng nhiều phương pháp như giảm nhiệt độ đông đặc, hoặc gel thấm sắc kí Hầu hết phân đoạn dầu có khối lượng phân tử khoảng 100-700 Phương pháp phù hợp nhất cho việc xác định khối lượng phân tử trong khoảng cơ sở giảm nhiệt độ đông đặc

Khối lượng phân tử được tính bởi công thức:

M=42,965[exp (2,097.10-4Tb -7,78712SG + 2,08476.10-3TbSG)]Tb1,26007SG4,98308 (3.11)

Trong đó:

- M là khối lượng phân tử của phân đoạn

- Tb điểm sôi trung bình của phân đoạn, K

API API

K

API K API

API

6296 , 2 786 , 26

2 ) ( 197680 , 0 ) ( 24899 , 1 2 10

0325

,

8

) ( 3 10 48995 , 8 2 ) ( 4 10 13447 , 5 ) ( 166532

0 463634 ,

) ( 860218 ,

0 2 ) ( 2 10 50663 , 9 ) ( 9943 , 10 2

17161

,

0

) ( 2 10 18246 , 1 2 ) ( 4 10 2629 , 3 2 127690 , 0 94733 , 1 39371

API K

API K API

K K

21

f SG

e b T SG b dT cSG b

bT a

Trong đó các hệ số a,b,c,d,e,f được xác định theo bảng sau:

1.3 Những công nghệ chế biến hóa học cơ bản:

Nhìn chung, quá trình chế biến tổng thể của nhà máy lọc dầu có thể mô tả sau:

Dầu thô sau khi được loại muối, loại nước và loại các tạp chất, được gia nhiệt

và sẽ được đưa vào phân xưởng chưng cất (CDU) để phân tách thành các phân đoạn khác nhau

1.3.1 Chưng cất dầu thô (CDU)

Nếu như phân xưởng Cracking được ví như trái tim của nhà máy lọc dầu thì phân xưởng chưng cất dầu thô ở áp suất được xem như cửa vào chính của ngôi nhà

Chưng cất ở áp suất khí quyển AD với nguyên liệu là dầu thô đôi khi còn gọi là quá trình CDU, còn chưng cất VD dùng nguyên liệu là cặn của quá trình chưng cất

AD, trong thực tế đôi khi còn gọi là cặn chưng cất Tùy theo bản chất của nguyên liệu

và mục đích của quá trình mà chúng ta sẽ áp dung chưng cất AD, VD hay kết hợp cả 2

AD - VD ( gọi tắt là A-V-D ) Các nhà máy hiện đại luôn luôn dùng loại hình công nghệ A – V – D

Hiện nay nhà máy lọc dầu Dung Quất của nước ta đang sử dụng dầu thô Bạch

Hổ, dầu thô Bạch Hổ là dầu nhẹ trung bình, siêu ngọt và siêu sạch nên nhà máy lọc dầu Dung Quất không sử dụng tháp chưng cất chân không

1.3.1.1.Hoạt động của phân xưởng chưng cất( CDU).

1.3.1.1.2 Tháp chưng cất dầu thô

Nguyên tắc của quá trình chưng cất dầu thô là dựa vào nhiệt độ sôi của các phân đoạn Các chất có nhiệt độ sôi gần nhau sẽ nằm trong một phân đoạn

Tháp chưng cất là thiết bị chủ yếu của một phân xưởng chưng cất Hầu hết các tháp chưng cất được sử dụng đều là tháp đĩa Bên trong tháp pha hơi bay lên và pha lỏng đi xuống tiếp xúc với nhau một cách tốt và đủ lâu để diễn ra sự trao đổi chất giữa

2 pha một cách tốt nhất

1.3.1.1.3 Cân bằng vật liệu

Cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất dầu thô nhằm xác định lưu lượng, tính chất dòng sản phẩm tại các phân đoạn khác nhau, làm nguyên liệu cho các quá trình tiếp theo

Ta có phương trình cân bằng vật liệu: giả sử không có sự mất mát

Qin = Qout  QFeed + QSteam = QGas + Qxăng + QKerosen + QGo + QResidue

Trong đó:

- QFeed là lượng nguyên liệu - QSteam là lượng hơi nước steam

- QGas là lượng sản phẩm khí - Qxăng là lượng sản phẩm xăng

- QKerosen là lượng sản phẩm Kerosen - QGO là lượng sản phẩm GO

 Nếu M < 200

SG m

i R S

wt% 177.448170.946 0.2258 4.054 (4.6)

 Nếu M > 200

wt%S58.0238.463R i0.023m22.4SG (4.7)

Trong đó : M là khối lượng phân tử trung bình phân đoạn

SG là tỷ khối của phân đoạn

Ri là điểm khúc xạ

2

d n i

1.3.2 Phân xưởng hydrotreating

Công nghệ Hydrotreating có ứng dụng ngày càng rộng rãi trong các nhà máy lọc dầu Hydrotreating không những để loại bỏ các hợp chất dị nguyên tố mà còn nhằm bền hóa các hydrocacbon, hoàn thiện chất lượng sản phẩm sau chế biến

1.3.2.1 Hoạt động của phân xưởng hydrotreating

- Xăng nhẹ chứa hàm lượng lưu huỳnh thấp được làm nguyên liệu cho quá trình đồng phân hóa

- Xăng nặng chứa hàm lượng lưu huỳnh ≤ 0.5ppm được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trinh reforming

- Nhiên liệu phản lực: 0,002 ÷ 0,005 %

- Nhiên liệu diesel: 0,02 ÷ 0,2%

1.3.2.1.2 Xúc tác cho quá trình hydrotreating

Chất xúc tác sử dụng cho quá trình hydrotreating chủ yếu là xúc tác kim loại, tùy theo nguyên liệu mà chúng ta chọn loại xúc tác thích hợp

− Nguyên liệu có chưa các hợp chất của Lưu huỳnh người ta dùng hệ xúc tác Mo/Al2O3

Co-− Nguyên liệu có chưa các hợp chất của Nitơ người ta dùng hệ xúc tác

1.3.2.1.3 Một số quá trình hydroprocessing tiêu biểu

Một số quá trình hydrotreating tiêu biểu trong nhà máy lọc dầu bao gồm:

1.3.2.1.3.1 Naphtha hydrotreating

Điều kiện thực hiện phản ứng hydrotreating naphta là khoảng 7000

F và 200psig, điều kiện này có thể thay đổi tùy thuộc vào hoạt tính của chất xúc tác và tính nghiêm ngặt của quá trình xử lý Lượng hydro tuần hoàn khoảng 2000scf/bbl Quá

trình stripping có tác dụng tách và tuần hoàn hydro, ngoài ra nó còn giúp loại trừ

H2S

1.3.2.1.3.1 Distillate hydrotreating

Hầu hết các phân đoạn distillate đếu chứa lưu huỳnh, vì thế cấn phải loại chúng

ra để đảm bảo yêu cầu về chất lượng sản phẩm Ngoài ra quá trình này còn giúp ổn định các hợp chất olefin để nâng cao chỉ số cetan của diesel

Điều kiện thực hiện các phản ứng này khoảng 600-8000F, 300 psig hoặc cao hơn Lượng hydro tuần hoàn khoảng 2000 scf/bbl và tiêu thụ khoảng 100- 400 scf/bbl Điều kiện phản ứng phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của nhập liệu và tính nghiêm ngặt của công nghệ

1.3.2.1.3.3 Gas Oil Hydrotreating

Nhập liệu cho quá trình cracking xúc tác (gas oil khí quyển, gas oil nhẹ chân không, gas oil thu từ quá trình deasphalt) thì yêu cầu phải xử lý rất nghiêm ngặt nhằm mục đích loại lưu huỳnh, mở vòng thơm, tách các kim loại

Bình phản ứng thường có hai lớp, do trong quá trình phản ứng các phản ứng hydro hóa tỏa nhiệt rất lớn và cần phải được bổ sung hydro và làm nguội trung gian Bình tách áp suất cao có nhiệm vụ tách và tuần hoàn hydro, còn bình tách áp suất thầp có nhiệm vụ phân tách phần nhẹ Nhiệt độ lúc ban đầu khoảng 6500F, ở nhiệt độ này áp suất hydro riêng phần sẽ giúp ổn định và thực hiện quá trình tách lưu huỳnh ra khỏi các hợp chất dưới dạng H2S

1.3.2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hydrotreating

 Nhiệt độ và áp suất

Nếu nhiệt độ của phản ứng tăng thì cũng làm tăng phản ứng hydro hóa nhưng đồng thời làm giảm số tâm hoạt động của chất xúc tác, do đó việc điều khiển nhiệt độ phản ứng dựa vào sự bù đắp lại sự giảm hoạt tính của chất xúc tác Nhiệt độ phản ứng thích hợp là 320 ÷ 400 0C

Còn khi tăng áp suất riêng phần của hydro thì đồng nghĩa với việc tăng tính nghiêm ngặt của quá trình hydro hóa Áp suất thích hợp là 30 ÷ 40 atm

Lượng hydro nhập liệu phải nhiều hơn lượng hydro nhu cầu cho phản ứng, vì thế phải tuần hoàn hydro sau cho đảm bảo được áp suất hydro tại đầu ra của bình phản ứng đủ khả năng ngăn chặn quá trình cốc hóa và đầu độc xúc tác Lượng hydro tuần hòan này có ý nghĩa quan trọng đối với các nguyên liệu distillat nặng chứa nhiều resin và asphalten

Làm sạch hydro cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình, vì nó giúp duy trì nồng

độ cao của hydro bằng cách tách loại các khí nhẹ

1.3.2.2 Cân bằng vật chất cho công nghệ hydrotreating

Bằng việc thiết lập được cân bằng vật liệu cho phân xưởng hydrotreating , ta có thể xác định được lượng H2 cần thiết bổ sung vào , từ đó tính được đặc trưng dòng sản phẩm

Phương trình cân bằng vật liệu như sau:

QH2 make- up = QH2 Feed – QH2 requirement chemical –QH2 purged – QH2 dissolved

Trong đó:

QH2 make-up là lượng H2 bổ sung

QH2 Feed là lượng H2 cần thiết cho quá trình

QH2 requirement chemical là lượng H2 cần thiết theo phản ứng

QH2 purged là lượng H2 mất mát

QH2 dissolved là lượng H2 hòa tan vào sản phẩm

1.3.2.3 Xác định lượng H 2 cần thiết cho quá trình desunfua hóa:

 Với phân đoạn nhẹ Naphtha hoặc Gas oil

Lượng H2 cần thiết để loại bỏ lưu huỳnh trong 1 thùng nguyên liệu

SCFB H2 = 191.Sf – 30,7 Trong đó Sf là phần trăm S trong nguyên liệu, %wt

Độ API của nguyên liệu được xác định theo công thức 7.22 Fundamentals of Petroleum Refining

( ) 0,01( 2)0,036( ) 2,69

f API SCFBH

P API

Phần trăm hợp phần các sản phẩm:

4,52193

,89424,38

%

7,99936

,17762

5,78

%

13305

,25928,12

K Aromatics

Vol

f K f

K Naphthene

Vol

f K f

K Paraffins

Vol

 Với phân đoạn trung bình

Lượng H2 cần thiết xác định theo công thức:

0,659

%)(

2,10)(8,110/

SCFH

Độ API được xác định:

54190,5)(11205,0)/2(

00297,0)



f API bbl

SCFH P

− Phần cất từ quá trình Coking của dầu thô

− DAO (cặn chân không deasphaltene) (5500C)

− Cặn chưng cất khí quyển ( > 3800C) của vài loại dầu thô

 Sản phẩm

- Sản phẩm khí (LPG, H2S…), các phân đoạn xăng, dầu hỏa, các phân đoạn gasoil nhẹ và nặng, phân đọan cặn dùng làm nhiên liệu đốt lò

1.3.3.1.2 Xúc tác cho quá trình cracking xúc tác

Ngày nay chất xúc tác chủ yếu sử dụng là zeolite Y, tồn tại ở dạng REY, USY, REUSY, có thành phần khá phức tạp như sau:

+ “Bắt giữ từ xa” các tác nhân ngộ độc zeolit (V,Ni, các hợp chất nitơ …)

+ Liên kết giữa các hợp phần xúc tác tạo độ bền cơ học cho chất xúc tác

3 Chất phụ trợ: Là những hợp chất phụ trợ để làm cho chất xúc tác FCC đạt được những mục tiêu cụ thể nào đó của nhà máy lọc hoá dầu (Pt, ZSM-5, ZSM-11)

1.3.3.1.3 Công nghệ cracking xúc tác

Công nghệ Cracking xúc tác phổ biến nhất hiện nay là công nghệ Cracking lớp xúc tác sôi