Thiết kế hệ điều khiển tháp chưng cất

Thiết kế hệ điều khiển tháp chưng cất

Thiết kế hệ điều khiển Tháp chưng cấtChương I : Khái quát công nghệ chưng cất dầu thô

1.1. Ổn định dầu nguyên khai

Ổn định dầu nguyên khai thực chất là việc tách bớt phần nhẹ Dầu nguyên khai còn chứa các khí đồng hành và các khí phi Hydrocacbon Đại bộ phận chúng được tách do áp suất giảm khi phun ra khỏi giếng khoan Tuy nhiên vẫn còn một phần nhỏ lẫn vào trong dầu và phải tách chúngra

1.2. Tách tạp chất, nước, muối

Dầu thô vừa khai thác còn lẫn nhiều tạp chất cơ học, đất đá, nước và cả muối khoáng Chúng

lẫn vào dầu khí và chủ yếu ở dạng nhũ tương nên khó tách ở điều kiện bình thường Trước khi đưa vào chưng cất, người ta thường tiến hành tách các tạp chất cơ học, nước, muối theo các phương pháp sau:

a. Phương pháp cơ học:

- Lắng: Dựa vào sự khác nhau về tỷ trọng của dầu và các tạp chất như đất đá, nước và muối để lắng lâu ngày tạo thành các lớp có thể tách dễ dàng Để tăng tốc độ lắng người ta dung biện phápgia nhiệt để giảm bớt độ nhớt, nhiệt độ thường trong khoảng 50-60oC để tránh mất mát dầu do bay hơi Nếu duy trì quá trình ở áp suất cao, ta có thể nâng cao nhiệt độ để tăng tốc độ lắng mà không sợ mất mát

- Ly tâm: Dùng để tách nước và tạp chất đá.Lực ly tâm càng lớn, càng có khả năng phân chia các hạt có tỷ trọng khác nhau của dầu Lực ly tâm tỉ lệ với bình phương số vòng quay ly tâm của Roto nên số vòng quay càng lớn thì hiệu quả phân tách càng cao Trong công nghiệp thường dung máy ly tâm có vòng quay 3500-5000 vòng/phút

- Lọc: Để tách nước và tạp chất đá ra khỏi dầu, ta có thể dùng phương pháp lọc khi chúng ta cho them vào dầu một chất dễ thấm nước,dễ giữ nước và tách chúng ra,các chất này thuộc loại “ chất trợ lọc”

b. Phương pháp hóa học:

Bản chất của phương pháp này là cho thêm một chất hoạt động bề mặt để phá nhũ tương Khi các điều kiện thao tác như nhiệt độ, áp suất, rung động… được lựa chọn ở chế độ thích hợp thì hiệu quả của phương pháp cũng rất cao Song khó khăn là phải chọn được chất hoạt động bề mặt thích hợp, không ảnh hưởng đến quá trình chế biến sau này

c. Phương pháp dùng điện trường:

Dùng điện trường để phá nhũ, tách muối khỏi dầu là một phương pháp hiện đại, công suấtlớn, quy mô công nghiệp và dễ tự động hóa Vì bản thân các tạp chất đã là các hạt dễ nhiễm điện tích, do đó dùng điện trường xoay chiều mạnh sẽ làm các hạt nước và muối nhỏ sẽ tích điện và chuyển động về phía các bản cực

1.3. Chưng cất:

a. Nguyên lý chưng cất:

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

Về nguyên lý, sự chưng cất dựa trên nhiệt độ sôi nhất định của từng cấu tử trong hỗn hợp.Sau đó thực hiện thu hồi lại trạng thái ban đầu của chất thông qua bình ngưng

b. Nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất:

Hình bên là hệ thống một tháp chưng cất thông dụng đơn giản nhất gồm một nguồn cấp và hai sản phẩm ra

Hoạt động của các khay:

Về cơ bản, hoạt động của khay giống như một tháp thu nhỏ Nó có nhiệm vụ hoàn thành từngphần nhỏ của quá trình phân chia Các khay được thiết kế sao cho sự tiếp xúc giữa pha lỏng và hơi có được là lớn nhất Do đó, mỗi khay đều được cấu tạo như sau : có một cạnh cho phép chất lỏng chảy tràn qua Trên khay tồn tại một gờ để đảm bảo luôn có một lượng chất lỏng tồn tại trên

bề mặt Hơi đi từ dưới lên trên qua các lỗ Bề mặt xảy ra quá trình tiếp xúc giữa hai pha lỏng-hơi gọi là bề mặt hoạt động của khay

c. Một số phương pháp chưng cất thông dụng:

Trong sản xuất, tùy theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà có thể áp dụng các phương pháp chưng cất sau:

- Chưng cất đơn giản:

Chưng cất đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi dần dần, một lầnhay nhiều lần không có hồi lưu Phương pháp này áp dụng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử

có độ bay hơi rất khác nhau, tách sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

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

Chưng cất bay hơi nhiều lần: là quá trình gồm nhiều quá trình bay hơi một lần nối tiếp nhau

ở nhiệt độ tăng cao dần lên ( hay áp suất thấp hơn) Sản phẩm đáy của chưng lần một là nguyên liệu chưng lần 2…

- Chưng cất phức tạp:

Chưng cất có hồi lưu: Là quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng hơi bay lên Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ ( có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có hồi lưu, nhờ vậy có độ phân chia cao hơn

Chưng cất có tinh luyện: Đây là phương pháp phổ biến dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ bay hơi có tính chất hòa tan một phần và hòa tan hoàn toàn với nhau Chưng cất có tinhluyện được thực hiện trong tháp chưng luyện Ngoài đỉnh và đáy, nếu cần ta còn có thể thiết kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn của tháp cho trao đổi nhiệt và làm lạnh rồi quay lại tưới vào tháp Ta cũng có thể lấy sản phẩm cạnh sườn của tháp, trang bị thêm các bộ phận tách trung gian Mỗi bộ phận như vậy thực chất là một tháp riêng mà nguyên liệu đầu vào lấy từ tháp chính Sản phẩm đáy của tháp này được lấy ra còn sản phẩm đỉnh cho quay lại tháp chính.Chưng luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp dễ bị phân hủy ở nhiệt độ cao Chưng luyện ở áp suất cao dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường

1.4 Chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

Trong chưng cất sôi dần hơi tạo thành thoát ra khỏi thiết bị chưng cất ngay lập tức, ngưng

tụ trong thiết bị làm lạnh - ngưng tụ và được thu hồi dưới dạng distillat Ngược lại, trongsôi một lần hơi tạo thành trong quá trình nung nóng không thoát ra khỏi thiết bị cất cho đến khi đạt đến nhiệt độ nào đó, khi đó có một lượng pha hơi tách ra chất lỏng Nhưng cả hai phương pháp chưng cất này đều không thể phân tách dầu và sản phẩm dầu thành các phân đoạn hẹp vì cómột lượng thành phần có nhiệt sôi cao rơi vào ohần cất (distillat) và một phần phân đoạn nhiệt

độ sôi thấp ở lại trong pha lỏng Do đó phải tiến hành ngưng tụ hồi lưu hoặc tinh cất Với quá trình này, dầu và sản phẩm dầu được nung nóng trong bình cầu Hơi tạo thành khi chưng cất hầu như không chứa thành phần sôi cao, được làm lạnh trong thiết bị ngưng tụ hồi lưu và chuyển sang thể lỏng - phần hồi lưu Chất hồi lưu chảy xuống dưới, lại gặp hơi tạo thành Nhờ trao đổi nhiệt thành phần sôi thấp của phần hồi lưu hóa hơi, còn phần có nhiệt độ sôi cao trong hơi sẽ ngưng tụ Trong quá trình tiếp xúc này sự phân tách sẽ tốt hơn

Tinh cất là sự tiếp xúc giữa dòng hơi bay lên và dòng lỏng chảy xuống - phần hồi lưu Để tinh cất tốt phải tạo điều kiện tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng Sự tiếp xúc này thực hiện được nhờ vào thiết bị tiếp xúc phân bố trong tháp (đệm, mâm ) Mức phân tách của các thành phần phụ thuộc nhiều vào số bậc tiếp xúc và lượng hồi lưu chảy xuống gặp hơi

Sơ đồ nguyên tắc chưng cất dầu ở áp suất khí quyển.

1- Lò nung dạng ống, 2- tháp chưng cất, 3- thiết bị làm lạnh, 4- bộ trao đổi nhiệt

I- Dầu thô; II- sản phẩm trên (xăng); III- Kerosel; IV- dầu diesel; V- cặn chưng cất khí quyển (mazut); VI- hồi lưu; VII- chất cấp nhiệt ( hơi nước)

Hình trên là sơ đồ nguyên tắc cụm chưng cất dầu ở áp suất khí quyển Dầu thô được bơm vào bộ trao đổi nhiệt 4, trong đó nó được gia nhiệt, sau đó đưa vào lò nung (1) và dầu được nung nóng đến nhiệt độ cần thiết và được dẫn vào khoang bay hơi (vùng cấp) của tháp chưng cất (2) Trong quá trình nung nóng, một phần dầu chuyển sang pha hơi Dầu ở thể hai pha lỏng - hơi được đưa vào tháp cất, trong đó do giảm áp một phần hơi nước được tạo thành, pha hơi tách ra khỏi pha lỏng và bay lên trên dọc theo tháp, còn pha lỏng chảy xuống dưới Trong tháp chưng cất có các mâm chưng cất, trên đó có sự tiếp xúc giữa pha hơi bay từ dưới lên và pha lỏng chảy

từ trên xuống Để cất phần lỏng của nguyên liệu ở dưới tháp người ta đưa nhiệt vào mâm cuối cùng Nhờ đó phần nhẹ của sản phẩm đáy chuyển sang pha hơi và do đó tạo hồi lưu hơi Hơi hồi lưu này bay lên từ mâm cuối cùng và tiếp xúc với pha lỏng chảy xuống và khiến cho pha lỏng giàu các chất có nhiệt độ sôi cao

1.5 Chưng cất dầu thô ở áp suất chân không

Sau khi chưng cất dầu dưới áp suất khí quyển ở nhiệt độ 350 ÷ 370oC, để chưng cất tiếp cặn còn lại cần chọn điều kiện để loại trừ khả năng cracking và tạo điều kiện thu được nhiều phần cấtnhất Phụ thuộc vào nguyên liệu từ cặn chưng cất khí quyển (mazut) có thể thu được distilat dầu nhờn cho cụm sản xuất dầu nhờn, hoặc gasoil chân không - là nguyên liệu cho cracking xúc tác Phương pháp phổ biến nhất để tách các phân đoạn ra khỏi mazut là chưng cất trong chân không Chân không hạ nhiệt độ sôi của hydrocarbon và cho phép lấy được distilat có nhiệt độ sôi 500oC

ở nhiệt độ 410 ÷ 420oC Tất nhiên khi gia nhiệt cặn dầu đến 420oC thì sẽ diễn ra cracking một số hydrocarbon, nhưng nếu distilat nhận được sau đó được chế biến thứ cấp thì sự hiện diện của các hydrocarbon không no không có ảnh hưởng đáng kể Để điều chế distilat dầu nhờn thì phân hủy cặn phải ít nhất bằng cách tăng hơi nước, giảm chênh lệch áp suất trong tháp chân không Nhiệt độ sôi của hydrocarbon giảm mạnh nhất khi áp suất dư thấp hơn 50 mmHg Do đó cần ứng dụng chân không sâu nhất mà phương pháp cho phép Ngoài ra, để tăng hiệu suất distilat từ mazut đưa vào tháp chân không hơi nước quá nhiệt hoặc chưng cất cặn chân không (gudron) với tác nhân bay hơi (phân đoạn ligroin- kerosen) Chân không tạo thành nhờ thiết bị ngưng tụ khí áp hoặc máy bơm chân không (bơm piston, bơm rotary, bơm phun hoặcbơm tia) mắc nối tiếp với nhau.

Chương II : Thiết bị công nghệ

2.1 Đĩa chưng cất (Tray)

Trong công nghệ dầu khí, để chưng cất những lượng khổng lồ (hàng triệu tấn/năm) Người tadùng những thiết bị chưng cất khổng lồ, hoạt động liên tục Hơi nguyên liệu sẽ bay lên đỉnh tháp

và phần lỏng sẽ chảy xuống phần dưới tháp Sự tiếp xúc giữa hai dòng này được thực hiện một cách đặc biệt nhờ các đĩa.Tại các đĩa xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và dòng lỏng Đồng thời tại đây cũng xảy ra quá trình trao đổi chất, phần nhẹ trong pha lỏng bay hơi theo pha hơi, phần nặng trong pha hơi ngưng tụ theo dòng lỏng Như vậy, khi dòng hơi lên đến đỉnh thì rấtgiàu cấu tử nhẹ, còn dòng lỏng đi xuống đáy lại giàu cấu tử nặng hơn Có rất nhiều dạng đĩa khácnhau được sử dụng tuỳ vào loại nguyên liệu Nhưng mục đích chung nhằm đảm bảo sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi phải lớn để quá trình phân tách hiệu quả

Hiện nay, sử dụng chủ yếu các dạng đĩa sau:

− Đĩa nhiều lỗ (Sieve Trays)

− Đĩa chụp (Bubble–Cap Trays)

− Đĩa ống khói (Chimmey Trays)

− Đĩa Van (Valve Trays)

2.2 Hệ thiết bị ngưng tụ khí áp - bơm phun

Trong hệ này hơi thoát ra từ đỉnh tháp chân không, ngưng tụ ngay lập tức trong thiết bị ngưng tụ khí áp và sau đó được hút bằng máy bơm chân không (thường bơm phun hơi) Áp suất

dư trong thiết bị ngưng tụ khí áp phụ thuộc vào nhiệt độ nước thải, nhưng không thấp hơn áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ nào đó Nước từ thiết bị ngưng tụ khí áp bị nhiễm sản phẩm dầu

và hợp chất lưu huỳnh (thường 5,5% so với mazut) Vì vậy để giảm dòng nước nhiễm bẩn trong nhà máy nước thải được sử dụng lại Tuy nhiên, khi đó nhiệt độ nước đổ vào thiết bị ngưng tụ khí áp sẽ tăng đôi chút và phải trang bị thêm phụ kiện cho hệ cấp nước

Trong sơ đồ tạo chân không bằng hệ thiết bị ngưng tụ khí áp - bơm phun Sản phẩm dầu ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ không hòa loãng bằng nước lạnh, nhờ đó nó dễ dàng tách ra khỏi condensat, được thu gom vào bể lắng và giếng khí áp

2.3 Hệ bơm phun - thiết bị ngưng tụ khí áp

Trong sơ đồ này hơi từ trên tháp chân không đưa trực tiếp vào bơm phun, còn độ sâu của chân không không phụ thuộc vào nhiệt độ của nước thoát ra từ thiết bị ngưng tụ khí áp Nhờ đó

có thể tạo chân không sâu hơn (áp suất dư đạt 5 ÷ 10 mmHg) Độ sâu chân không phụ thuộc vào đối áp tại cửa ra của bơm phun, vì vậy để tạo chân không sâu cần mắc nối tiếp vài bơm phun

2.4 Các loại tháp chưng cất sử dụng trong công nghiệp.

Ưu điểm : chế tạo đơn giản , trở lực thấp

Nhược điểm : hiệu suất thấp , kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện tháp không đều , sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng mâm một cách rõ ràng , tháp chêm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công nghiệp

Chương III : Phân tích về điều khiển

Xét mô hình tháp chưng cất như sau:

Trong đó :

L condens : Lưu lượng ngưng tụ

D : Lưu lượng sản phẩm đỉnh

R* = : hệ số hồi lưu

B : Lưu lượng sản phẩm đáy

M : Khối lượng mol

X : Nồng độ mol của dung dịch

T : Nhiệt độ

Các biến điều khiển quan trọng nhất là năng lượng thiết bị đun sôi Qheating , năng lượng thiết bịngưng tụ Qcooling , và hệ số hồi lưu R (ảnh hưởng đến áp suất làm việc của tháp), tuy nhiên ta sẽ thay bằng hệ số hồi lưu R* Xét các đầu ra của hệ thống có thể phân biệt được 2 loại là biến số

có điều khiển và biến số không điều khiển - ở đây ta quan tâm đên biến điều khiển Ở mỗi khay của tháp, ta đo nhiệt độ lien tục để xác định được điều kiện, trạng thái làm việc của tháp

Một số giả thiết đơn giản hóa mô hình động học mà không ảnh hưởng đến khả năng khảo sát thực tế tháp chưng cất :

- Các thuộc tính vật lý, các mối quan hệ được xác định thông qua thực nghiệm

- Từng pha hơi và pha lỏng trong các khay là đồng nhất, tồn tại ở cùng nhiệt độ, áp suất và có tương tác với nhau trong hỗn hợp

- Khối lượng chất hơi coi là rất nhỏ so với khối lượng chất lỏng và có thể bỏ qua

- Năng lượng của khối chất khí trong một khay có thể bỏ qua

- Nhiệt độ của khay thay đổi theo nhiệt độ cân bằng tức thời Nhiệt độ cân bằng tức thời được giả thiết là biến phụ thuộc và được quyết định bởi nồng độ và áp suất của khay

- Tỷ lệ hơi và lỏng trong khay không bị ảnh hưởng bởi sự truyền nhiệt ra môi trường

- Bỏ qua động học khâu Reboiler và Condenser

- Thành phần của dòng nước hồi lưu (refux consist) từ thiết bị ngưng tụ coi xấp xỉ tại điểm sôi

Từ các giả thiết trên ta có các phương trình cân bằng thành phần và cân bằng khối lượng như sau:

3.1 Phương trình cân bằng thành phần và khối lượng trong khay.

Các phương trình cân bằng được biểu diễn tới đơn vị là Mol/s Phương trình cân bằng khối lượng tổng quát :

= L i+1 – Li + Vi+1 – Vi

Trong đó L là lưu lượng chất lỏng, V là lưu lượng chất khí, M là lượng chất lỏng trong khay.Phương trình cân bằng khối lượng khối lượng khi xét đến thành phần mol của cấu tử:

= L i+1.xi+1 - Li.xi+ Vi+1yy-1 – Viyi

Trong đó : x là phần mol của chất lỏng, y là phần mol của chất hơi

Khai triển phương trình cân bằng khối lượng ta có:

= L i+1(xi+1 -xi ) + Vi+1(y-1 – yi) – Vi(yi + xi)

3.2 Phương trình cân bằng khối lượng và thành phần đối với khay cấp, khay đỉnh, và khay đáy

Ln+1 = R * Lcondens ~R * Lcondens

Trong đó m(yn) là khối lượng mol riêng của chất lỏng ở nồng độ mol yn (mol/m3), R* là hệ số

tỷ lệ hồi lưu

3.3 Phương trình cân bằng pha.

Ở trạng thái cân bằng, nhiệt độ của chất lỏng, thành phần và áp suất có mối lien hệ với nhau, tức là có thể biểu diễn một hàm lien hệ của một biến bất kỳ với hai biến còn lại Trong phần miêu tả tháp chưng cất, để xây dựng các mối quan hệ ở trạng thái cân bằng và phương trình cân bằng năng lượng thì ta coi thành phần và áp suất là hao biến độc lập, nhiệt độ sẽ là biến phụ thuộc

Nồng độ của chất lỏng và áp suất được coi là các biến trạng thái nhiệt động học độc lập của khay i Dựa vào phương trình Daiton, Raoult và Antoine ta sẽ xác định được nhiệt độ và thành phần hơi Đối với hỗn hợp không lý tưởng có thể sự dụng phương trình Raoult thích nghi để tính toán áp suất từng phần của thành phần thứ j (Pj) từ áp suất thành phần hơi chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ ( Pj0) Hệ số tỷ lệ hơi ở trạng thái cân bằng yje là tỉ số giữa áp suất từng phần và áp suất tổng Như đã đề cập trước đó, áp suất và nhiệt độ của pha lỏng và pha hơi được giả thiết là bằng nhau:

Pj = xjβjPjo, yje = , j = A,B

Tổng tỷ lệ hơi các thành phần sẽ bằng một:

Hệ số tương tác AB và BA giữa hai thành phần A và B trong hỗn hợp hai cấu tử có thể suy ra

từ công thức với hai biến số là thể tích mol tự do và nhiệt độ tuyệt đối Nếu nồng độ chất lỏng x

và áp suất P được biết, thì nông độ hơi ye ở trạng thái cân bằng và nhiệt độ T có thể được tính theo công thức :

yj =

Trong đó hệ số là hệ số bay hơi, là hàm của biến áp suất thành phần Pi, khi áp suất từng phần

hạ xuống thấp hơn rất nhiều so với áp suất tuyệt đối, ta có thể coi như hệ số bằng hằng số