Tự động hóa quá trình điều khiển cụm tháp chưng cất khí quyển nhà máy lọc dầu dung quất

Tự động hóa quá trình điều khiển cụm tháp chưng cất khí quyển nhà máy lọc dầu dung quất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

********************

TIỂU LUẬN MÔN HỌC

“TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CỤM THÁP CHƯNG CẤT KHÍ QUYỂN NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT”

Họ và tên: Dương Viết Cường Đơn vị công tác: Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Điện thoại: 0983.072.103

Hà Nội, 6 - 2008

1 Đặt vấn đề

Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản nhất, đôi khi gần như là phương pháp duy nhất được sử dụng trong một nhà máy để phân chia dầu mỏ và khí tự nhiên cũng như các phân đoạn của chúng thành các phân đoạn và tiểu phân đoạn Người ta cần chưng cất không những dầu thô, khí đồng hành, khí tự nhiên mà cả hỗn hợp sản phẩm ra khỏi các lò phản ứng hóa học dùng trong các quá trình chế biến sâu dầu mỏ cũng như các lĩnh vực hóa dầu Vì vậy, cụm tháp chưng cất dầu thô luôn luôn được xem như là thiết bị chính yếu và gần như không thể thiếu trong công nghệ chế biến dầu mỏ

Sự chưng cất được thực hiện trong các thiết bị chưng cất Thiết bị chưng cất gồm tháp chưng cất và bình tách cùng các thiết bị phụ trợ như: thiết bị gia nhiệt, thiết

bị làm lạnh ngưng tụ, lò gia nhiệt… và một điều không thể thiếu nếu không kể đến các thiết bị điều khiển tự động hóa như: thiết bị điều khiển, thiết bị đo lưu lượng, nhiệt độ,

áp suất…

Bản chất của quá trình chưng cất là phân tách các phân đoạn hydrocacbon dựa vào nhiệt độ sôi của chúng Đối với một cụm tháp chưng cất dầu thô nói chung người

ta thường lấy ra các phân đoạn sản phẩm sau:

- Phân đoạn khí – xăng nhẹ (C7-) là phân đoạn chủ yếu gồm các Hydrocacbon khí (C1 – C4) và xăng nhẹ (C5 – C6) có nhiệt độ sôi trong khoảng từ 70 – 1100C

- Phân đoạn xăng nặng: Là phân đoạn có các HC từ C7 – C10 với nhiệt độ chưng cất từ 100 – 2000C

- Phân đoạn Kerosen: Là phân đoạn có các HC từ C11 – C14 với nhiệt độ chưng cất từ 200 – 2500C

- Phân đoạn Gas oil: Là phân đoạn có các HC từ C14 – C20 với nhiệt độ chưng cất từ 250 – 3500C

- Phân đoạn cặn khí quyển: Là phân đoạn có các HC lớn hơn C20 với nhiệt độ sôi cao hơn 3500C

Cần chú ý là các thông số nhiệt độ đưa ra ở trên chỉ có tính chất tham khảo, không cố định, chẳng hạn có thể lấy phân đoạn Kerosen không phải từ 200 – 2500C mà

có thể lấy từ 160 – 2500C…

Trên cơ sở những hiểu biết về kiến thức chuyên ngành, kiến thức cơ sở tự động hóa các quá trình và để hoàn thành môn học, em đã tiến hành lựa chọn và áp dụng để hoàn thành tiểu luận với đề tài: “Tự động hóa quá trình điều khiển cụm tháp chưng cất nhà máy lọc dầu Dung Quất” làm đối tượng nghiên cứu

2 Tổng quan về quy trình công nghệ cụm tháp chưng cất nhà máy lọc dầu Dung Quất

2.1 Sơ đồ công nghệ tổng quan một tháp chưng cất dầu thô

Sơ đồ tổng quan một tháp chưng cất dầu thô được minh họa như hình 1

Hình 1: Sơ đồ công nghệ tổng quan một cụm tháp chưng cất dầu thô

Theo đó phân xưởng gồm 4 tháp chưng cất C – 101; C – 102; C – 103 C - 104 Quá trình chưng cất dầu thô được mô tả như sau:

Dầu thô sau khi loại muối, cặn bẩn… được trao đổi nhiệt với các dòng sản phẩm từ các thiết bị trao đổi nhiệt từ E 103 đến E 118 và thiết bị ra nhiệt được đưa vào tháp chưng cất C – 101 tại 3 điểm: đỉnh, giữa và đáy tháp chưng cất Tại tháp C – 101 dòng lỏng đi từ trên xuống, dòng hơi đi từ dưới lên và các phân đoạn sản phẩm được lấy ra tại các phân đoạn:

- Phân đoạn đỉnh tháp: Chủ yếu là các HC có số cacbon C6- được làm lạnh ngưng tụ, khí khô C1; C2 được tách ra có thể được đốt hoạch thu gom lại, dòng lỏng ngưng tụ được đưa qua thiết bị tách ba pha nhằm tách nước, khí Bu – Pro, xăng nhẹ và một phần được hồi lưu trở lại tháp

- Phân đoạn sườn: Được lấy ra từ phân đoạn sườn bao gồm Kerosen; LGO; và HGO được đưa qua các tháp stripping C – 102; C – 103; C - 104 Phần nhẹ của các tháp stripping này được hồi lưu trở lại tháp, phần nặng được đem đi chế biến tiếp hoặc đưa ra bồn chứa

- Phân đoạn đáy Residue: Là phân đoạn có nhiệt độ sôi cao hơn 3500C được đưa sang tháp chưng cất chân không để thu hồi các sản phẩm khác hoặc đưa ra bồ chứa của nhà máy

Quá trình vận chuyển các dòng nguyên liệu và sản phẩm trên được thực hiện bởi các bơm P103A/B; P104A/B; P105A/B; P106A/B; P107; P108; P109 hay các máy nén K101…

2.2 Cơ chế hoạt động của tháp chưng cất

Để hiểu rõ hơn về quá trình chưng cất cũng như việc bố trí các thiết bị đo lường, điều khiển tự động hóa, ở đây tôi sẽ mô tả sự hình thành và hướng chuyển động

của các dòng hơi và lỏng trong tháp chưng cất (xem hình 2) Trong hình 2 chỉ có 2

phân đoạn được lấy ra khỏi tháp chưng cất Nếu cần lấy một phân đoạn sườn nào đó thì ta trích dòng lỏng đang chảy xuống bằng cách cho nó

chảy ra ngoài tại một đĩa nào đó có nhiệt độ thích hợp Dòng nguyên liệu có thể được dẫn vào tháp chưng cất ở một đĩa nào đó thích hợp Đó là đĩa nạp liệu Đĩa nạp liệu ở cao hay ở thấp là phụ thuộc vào nhiệt độ nguyên liệu Trong chưng cất dầu thô đĩa nạp liệu của tháp chưng cất khí quyển thường là một trong những đĩa dưới cùng

Do sự trao đổi nhiệt tốt ở các đĩa mà dòng hơi và dòng lỏng không ngừng mất bớt

đi, sinh thêm ra, biến thành nhau tại mỗi đĩa và liên tục đi từ đĩa này sang đĩa khác Dòng hơi từ phía dưới lên, chui qua lớp lỏng chảy tràn ngang trên mặt đĩa như ở hình 3

Người ta thường phân biệt dòng hồi lưu ngoài và dòng hồi lưu trong Dòng hồi lưu ngoài là dòng lỏng chảy trở về đỉnh tháp từ thiết bị ngưng tụ ở đỉnh tháp, nó có nhiệt độ thấp hơn nhiều nhiệt độ đỉnh tháp nên còn được gọi là dòng hồi' lưu lạnh Dòng hồi lưu ngoài bay hơi ngay ở đỉnh tháp Dòng hồi lưu ngoài dễ khống chế, dễ đo Dòng hồi lưu trong là dòng lỏng chảy trong tháp chưng cất, có nhiệt độ thay đổi theo từng đĩa ở trong tháp chưng cất và luôn luôn ở trạng thai đang sôi Chính vì vậy nó còn

có tên là dòng hồi lưu nóng Trong một số trường hợp người ta tạo dòng hồi lưu nóng bằng cách dẫn một dòng nguyên liệu lạnh nhờ ống dẫn kín vào đỉnh tháp chưng cất như ở hình 4a

Trong phương pháp hồi lưu vòng người ta trích một phần dòng lỏng tại một đĩa nào đó, đem ra ngoài, làm lạnh rồi bơm trở về tháp chưng cất ở vị trí cao hơn đĩa đó vài ba đĩa như ở hình 4.b

Hồi lưu có tác dụng làm tăng độ phân tách của phép chưng cất nhưng gây hao phí năng lượng Hồi lưu vòng chủ yếu được dùng để giảm lưu lượng hơi đi qua một vùng có liên quan, đặc biệt là trong những trường hợp dòng hơi quá lớn, vì dòng hồi lưu có nhiệt độ thấp hơn đó tạo ra sự ngưng tụ một phần hơi đang bay lên Hồi lưu vòng làm giảm khả năng phân tách, các đĩa nằm trong vùng đó làm việc chủ yếu như

thiết bị trao đổi nhiệt, do đó nó làm tăng số đĩa cần có của tháp chưng cất lên một vài đơn vị

Hình 2: Sự chuyển động và hướng chuyển động các dòng

trong tháp chưng cất

Hình 3: Sự chuyển động của lỏng và hơi từ đã này đến đã kia

Hình 4: a) Hồi lưu nóng; b) Hồi lưu vòng

Dòng hơi tạo ra bởi thiết bị tái đun nóng (Reboiler) ở đáy tháp chưng cất đóng vai trò hồi lưu hơi, có tác dụng tương đương dòng hồi lưu lạnh, nghĩa là làm tăng khả năng phân tách

Về lí thuyết, độ hồi lưu (Reflex Ratio) là tỉ số giữa dòng hồi lưu trong và distillat, nhưng vì dòng hồi lưu trong thường chỉ biết được nhờ tính toán, khó đo trực tiếp, vả lại nó thay đổi theo từng đĩa, chính vì vậy người ta thường coi tỉ số giữa dòng hồi lưu ngoài và distillat là độ hồi lưu (còn gọi là chỉ số hồi lưu)

Trong thực tế chưng cất dầu thô người ta luôn kết hợp các phương pháp hồi lưu một cách hợp lí và linh động Sự kết hợp đó được thực hiện một cách khá đa dạng

Hình 2 cho thấy là ở đĩa nạp liệu có sự thay đổi đột ngột hơn về lưu lượng hơi

và lưu lượng lỏng, vì tại đó ngoài dòng hơi từ dưới đi lên như ở các đĩa dưới lân cận còn có dòng hơi vốn có sẵn trong nguyên liệu đã được đun nóng Tình hình cũng như vậy đối với dòng lỏng Nguyên liệu vào tháp chưng cất luôn luôn là dầu thô ở dạng hỗn hợp cân bằng lỏng hơi

Ở hình này ta thấy rõ hơn hình ảnh chuyển động của pha hơi và pha lỏng ở trong tháp tại các đĩa dạng một bước (Single - Pass Tray) ở chế độ ôn hòa nhất, tức là

ở điều kiện các bóng hơi đi lên chui qua lớp lỏng đang chảy ngang trên mặt đĩa mà không làm bắn tung tóe, làm bắn quá nhiều lớp lỏng lên phía trên Khi dòng hơi phụt lên quá mạnh, lớp chất lỏng trên đĩa bị phun lên, "sôi" và dâng cao lên, các giọt lỏng

có thể theo dòng hơi, bị cuốn lên qua các lỗ hơi mà không tập hợp thành dòng chảy xuống đĩa dưới theo ống chảy chuyền Khi đó tác dụng của đĩa bị giảm sút hoặc thậm chí không còn

2.3 Cụm phân xưởng chưng cất nhà máy Lọc dầu Dung Quất

Nhà máy được thiết kế để sản xuất ra các sản phẩm sau:

- Khí hóa lỏng LPG (cho thị trường nội địa)

- Propylen

- Xăng Mogas 90/92/95

- Dầu hỏa

- Nhiên liệu phản lực Jet A1

- Diezel ô tô

- Dầu đốt (FO)

Từ hai loại nguyên liệu:

- 6.5 triệu tấn dầu Bạch Hổ/năm (Trường hợp dầu ngọt)

- 5.5 triệu tấn dầu dầu Bạch Hổvà 1triệu tấn dầu Dubai/năm (Trường hợp dầu chua)

Phân xưởng chưng cất dầu thô

- Công suất thiết kế: 6.5 triệu tấn/năm (tương đương 148.000 thùng/ngày trường hợp dầu ngọt và 141.000 thùng/ngày trường hợp dầu chua)

- Mô tả chung

Dầu thô được đưa vào phân xưởng chưng cất dầu thô và được ra nhiệt sơ bộ bằng các dòng sản phẩm và dòng bơm tuần hoàn trước khi vào lò gia nhiệt Dầu thô được phân đoạn thành một số sản phẩm trong tháp chưng cất chính và các cột tách bằng hơi nước bên cạnh sườn tháp chính Sản phẩm Naphta ở đỉnh được xử lý thêm trong một tháp ổn định và một thiết bị tách

Các sản phẩm của phân xưởng chưng cất dầu thô gồm có:

Toàn bộ phân đoạn Naphta Phân xưởng xử lý Naphta bằng Hydro

Dầu nhẹ (LGO) Bể chứa (qua hệ thống pha trộn)

Cặn chưng cất khí quyển Phân xưởng RFCC

Sản phẩm nhẹ từ đỉnh tháp chưng cất CDU được đưa qua cụm xử lý khí của phân xưởng RFCC và sau đó qua phân xưởng xử lý khí hóa lỏng LPG

Dòng Naphta được đưa tới phân xưởng xử lý Naphta bằng Hydro và sau đó tới tháp tách Naphta, tại đây dòng Naphta được tách thành dòng Naphta nhẹ và dòng Naphta nặng

Dòng Naphta nhẹ từ tháp tách được đưa đến phân xưởng Isome hóa

Dòng Naphta nặng từ tháp tách được đưa đến phân xưởng Reforming xúc tác liên tục

Dòng Kerosen từ phân xưởng chưng cất khí quyển được đưa trực tiếp tới bể chứa Kerosen hoặc được sử dụng làm nguyên liệu trộn để sản xuất diezel và dầu đốt, hoặc nó được đưa tới phân xưởng xử lý Kerosen Tại phân xưởng KTU hàm lượng của mercaptan (RSH), Hydrosulphit (H2S) và axít Naphtenic (RCOOH) được giảm xuống,

và nước bị loại bỏ Kerosen đã xử lý sau đó được đưa tới bể chứa tại đây nó được sử dùng làm nhiên liệu phản lực JetA1

Dòng dầu nhẹ từ phân xưởng chưng cất khí quyển được bơm trực tiếp tới các hệ thống pha trộn Diezel và cuối cùng tới bể chứa tại khu vực bể chứa sản phẩm

Dòng dầu nặng được bơm tới bể chứa tại nhà máy, từ đó nó được bơm tới hệ thống pha trộn diezel/dầu đốt

Phần cặn từ CDU được chuyển qua phân xưởng RFCC để nâng cấp lên thành các sản phẩm trung gian có giá trị thương phẩm cao hơn

3 Tháp chưng luyện với tư cách là đối tượng tự động hóa

Tháp chưng luyện là đối tượng điều khiển phức tạp với số lượng lớn các đại lượng vào và ra, điều đó gây ra rất nhiều khó khăn cho việc nghiên cứu Mối liên hệ trong tháp được mô tả qua sơ đồ thông số (hình 1)

Các tác động điều chỉnh chủ yếu của tháp chưng thường được chọn là lưu lượng hơi V và lưu lượng hồi lưu N Các tác động nhiễu có thể thuộc nhóm kiểm tra được như lưu lượng vào đĩa tiếp liệu F, nồng độ cấu tử dễ bay hơi trong dịch vào Xf, entanpi riêng phần của hơi cấp nhiệt IV, lưu lượng nước làm lạnh cấp vào thiết bị ngưng tụ Gh

và nhiệt độ nước làm lạnh cấp vào thiết bị ngưng tụ h2 hoặc nhóm các tác động nhiễu không kiểm tra được Nhóm này gồm có nhiệt tổn thất vào môi trường xung quanh, sự thay đổi hiệu suất của các đĩa, của thiết bị truyền nhiệt và của các thiết bị khác Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp các tác động nhiễu này xuất hiện trong khoảng thời gian dài, chính vì vậy mà khi nghiên cứu các chế độ không ổn định người ta thường bỏ qua

Các tác động nhiễu thuộc nhóm kiểm tra được, tuỳ thuộc vào đối tượng cụ thể được thể hiện bằng các kiểu khác nhau Đặc trưng hơn cả, trong số các tác động nhiễu này là lưu lượng,nồng độ và nhiệt độ dung dịch vào đĩa tiếp liệu và vận tốc dòng hơi trong tháp

Các thông số điều khiển có thể chọn là nhiệt độ 0, nồng độ pha hơi Yi và nồng

độ pha lỏng Xi trong vùng kiểm tra, áp suất P, nồng độ sản phẩm đỉnh Xd và đáy Xo, lưu lượng sản phẩm đỉnh D và sản phẩm đáy W, nhiệt độ sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy, nhiệt độ nước làm lạnh sau thiết bị ngưng tụ h2, mức chất lỏng trong tháp H Nghiên cứu mối liên hệ của các thông số trong tháp được tiến hành trên cơ sơ phân tích các tính chất tĩnh học và động học của chúng

Mục đích nghiên cứu các đặc tính tĩnh học thể hiện trong việc tìm các mối liên hệ giữa các thông số của quá trình ở các chế độ khác nhau và xác định miền biến đổi cho phép của các thông số đảm bảo nhận được sản phẩm với chất lượng cho trưóc Hiện nay, phương pháp cơ bản để tính toán các đặc tính tĩnh học quá trình chưng luyện là phương pháp giản đồ Phương pháp này không hoàn thiện ở chỗ không có khả năng sử dụng kỹ thuật tính

Điều đó thúc đẩy các nhà nghiên cứu khởi thảo các phương pháp tính toán giải tích, dựa trên sự ứng dụng rộng rãi của máy tính điện tử Sự phức tạp trong việc thiết lập các mô hình giải tích của quá trình chưng luyện được giải thích bởi số lượng lớn các mối liên hệ qua lại giữa các thông số, sự đồng thời xảy ra của các quá trình - nhiệt, thuỷ động lực và chuyển khối

4 Sơ đồ chức năng đo và điều khiển quá trình hoạt động cụm tháp chưng cất.

Sơ đồ bố trí các thiết bị đo và điều khiển quá trình cụm tháp chưng cất nhà máy Lọc dầu Dung Quất được bố trí như hình 5

- Dòng thứ nhất: Được lấy ra ở phần đỉnh của tháp chưng cất, phần này chủ yếu

là khí và xăng nhẹ Sau khi ra khỏi đỉnh dòng 1 được điều chỉnh nhiệt độ bằng khí cụ điều chỉnh nhiệt độ tại bảng điều khiển CT-1 và trộn lẫn với một phần lỏng từ tháp tách D - 102 hồi lưu lại tháp Lưu lượng dòng hồi lưu được điều chỉnh bởi FC-1

- Dòng thứ hai được lấy ra từ tháp chưng cất bằng bơm No.1 từ đĩa thứ 4 No 1- PA được bơm bằng bơm P – 106 A-B, dòng này được điều khiển bằng khí cụ FC-2,

nó được đưa đến thiết bị trao đổi nhiệt E - 101 Tại đây nó cung cấp nhiệt cho dòng nguyên liệu vào, sau đó dòng này được đưa quay trở lại tháp chính tại đĩa thứ nhất

- Dòng sản phẩm thứ ba là dòng kerosen được lấy ra từ đĩa thứ 13 Dòng này đưa đến C - 102 Tại đây nó được tách các cấu tử nhẹ ra Dòng kerosen này được điều khiển bằng LC - 3 Hơi nước và các cấu tử nhẹ được đưa quay trở lại tháp tại đĩa thứ 12 của tháp chính Các cấu tử kerosen từ dưới đáy của thiết bị tách được bơm ra ngoài bằng bơm P - 109 và được chuyển đến kho chứa của nhà máy sau khi dòng này được làm lạnh tại thiết bị trao đổi nhiệt E - 102 và E – 119

- Dòng thứ tư của tháp chưng cất là No.2 được lấy ra từ đĩa thứ 18 bởi bơm P – 105-A,B Dòng này được diều khiển mức bởi thiết bị FC-41, dòng này quay trở lại tháp tại đĩa thứ 14 sau khi nó trao đổi nhiệt với nguyên liệu trong thiết bị trao đổi nhiệt

- Dòng thứ năm được lấy ra từ tháp chưng cất là dòng LGO, và lấy từ đĩa thứ

22 dòng này được đưa đến C-103, được điều khiển lưu lượng bởi LC- 5 Dòng LGO gồm các cấu tử nhẹ đã được tách cùng hơi nước được đưa quay trở lại tháp chưng cất tại đĩa thứ 21 Dòng LGO sau khi được tách nằm ở bên dưới thiết bị tách được bơm ra ngoài bằng bơm P - 110 và được đưa đến kho chứa của nhà máy sau khi dòng này cung cấp nhiệt trong thiết bị trao đổi nhiệt E-120 Cuối cùng nó được làm lạnh bằng nước tại thiết bị E – 118

- Dòng thứ sáu từ tháp chính là dòng No.3-PA Dòng này được lấy từ đĩa 26 và được bơm bởi bơm P – 104 - A,B Nó được lấy ra và được điều chỉnh lưu lượng bởi thiết

bị FC6 và quay trở lại tháp tại đĩa thứ 23 sau khi cung cấp nhiệt cho dầu tại thiết bị E

-112 và E - 104 Dòng này được kiểm soát nhiệt độ bằng thiết bị TC – 6

- Dòng thứ bảy được lấy từ tháp chính ra tại đĩa thứ 37 là dòng HGO , nó được đưa đến C - 104 và được điều chỉnh mức LC-7 HGO được stripped Hơi nước và các cấu tử nhẹ từ đỉnh tháp tách được đưa quay trở lại tháp tại đĩa thứ 36 HGO tại đáy của tháp tách được lấy ra bằng bơm P - 111 và được đưa đến nơi chứa của nhà máy sau khi dòng này cung cấp nhiệt cho dầu tại thiết bị trao đổi nhiệt E- 109, E - 107 Cuối cùng

nó được làm lạnh bằng nước tại thiết bị E - 117 Dòng này được điều chỉnh lưu lượng bởi FC- 7

- Dòng thứ tám được lấy ra từ tháp chính tại đĩa thứ 43 và nó quay trở lại tháp tại đĩa thứ 44 FI-8 được dùng để điều chỉnh tỷ lệ dòng này

- Dòng thứ chín và dòng cuối cùng được lấy ra từ tháp chưng cất là dòng được cất phần nhẹ bằng hơi nước và dòng residue Hai dòng này được hai bơm P -103 - A,B bơm

ra từ đáy tháp chưng cất chính và nó được đưa đến kho chứa sản phẩm của nhà máy sau khi cung cấp nhiệt cho dầu tại các thiết bị trao đổi nhiệt E - 113, E - 105, E - 108, E - 103 Cuối cùng nó được làm lạnh bằng không khí tại thiết bị E - 116 Residue được lấy ra và được điều chỉnh lưu lượng bằng LC-9