CHƯNG CẤT DẦU THÔ Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

Chương 1. Cơ sở của quá trình chưng cất dầu thô 1.1. Khái niệm và phân loại 1.1.1. Chưng cất đơn giản 1.1.1.1. Chưng cất bay hơi dần dần 2 1.1.1.2. Chưng cất bay hơi một lần 1.1.1.3. Chưng cất bay hơi nhiều lần 1.1.2. Chưng cất phức tạp 1.1.2.1. Chưng cất có hồi lưu 1.1.2.2. Chưng cất có tinh luyện 1.1.3. Chưng cất chân không và có hơi nước 1.2. Mục đích và ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô 1.2.1. Mục đích 1.2.2. Ý nghĩa 1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất dầu thô 1.3.1. Nguyên liệu và sản phẩm 1.3.1.1. Nguyên liệu 1.3.1.2. Sản Phẩm 1.3.2. Điều kiện công nghệ 1.3.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 1.3.2.2. Ảnh hưởng của áp suất 1.4. Một số tháp chưng cất cơ bản 1.4.1. Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ 1.4.2. Tháp chóp 1.4.3. Tháp đệm Chương 2. Sơ đồ công nghệ 2.1. Sơ đồ công nghệ chưng cất AD bay hơi một lần 2.2. Sơ đồ công nghệ chưng cất AD hai lần 2.2.1. Sơ đồ chưng cất dầu thô bay hơi hai bậc có sử dụng thiết bị bay hơi (tháp rỗng) 2.2.2. Sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô AD bay hơi hai bậc có sử dụng tháp loại xăng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA - VŨNG TÀU

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM

Chương 1 Cơ sở của quá trình chưng cất dầu thô

1.1 Khái niệm và phân loại

1.1.1 Chưng cất đơn giản 1.1.1.1 Chưng cất bay hơi dần dần

1.1.1.2 Chưng cất bay hơi một lần 1.1.1.3 Chưng cất bay hơi nhiều lần 1.1.2 Chưng cất phức tạp

1.1.2.1 Chưng cất có hồi lưu 1.1.2.2 Chưng cất có tinh luyện 1.1.3 Chưng cất chân không và có hơi nước 1.2 Mục đích và ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô

1.2.1 Mục đích 1.2.2 Ý nghĩa 1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất dầu thô

1.3.1 Nguyên liệu và sản phẩm

1.3.1.1 Nguyên liệu 1.3.1.2 Sản Phẩm 1.3.2 Điều kiện công nghệ

1.3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ 1.3.2.2 Ảnh hưởng của áp suất 1.4 Một số tháp chưng cất cơ bản

1.4.1 Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ 1.4.2 Tháp chóp

1.4.3 Tháp đệm Chương 2 Sơ đồ công nghệ

2.1 Sơ đồ công nghệ chưng cất AD bay hơi một lần

2.2 Sơ đồ công nghệ chưng cất AD hai lần

2.2.1 Sơ đồ chưng cất dầu thô bay hơi hai bậc có sử dụng thiết bị bay hơi (tháp rỗng)

2.2.2 Sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô AD bay hơi hai bậc có sử dụng tháp loại xăng

Chương 1 CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT DẦU THÔ

1.1 Khái niệm và phân loại

1.1.1 Khái niệm:

Chưng cất dầu thô là một quá trình vật lí phân chia dầu thô thành các phân đoạn quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách phân dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong dầu mà không làm phân hủy chúng, có thể kể tới quá trình chưng cất đơn giản, phức tạp, chưng cất chân không

1.1.2 Phân loại:

 Chưng cất đơn giản

 Chưng cất bay hơi dần dần

 Chưng cất bay hơi một lần

 Chưng cất bay hơi nhiều lần

 Chưng cất phức tạp

 Chưng cất có hồi lưu

 Chưng cất có chưng luyện

 Chưng cất trong chân không

a Chưng cất đơn giản

Chưng cất đơn giản dùng để tách các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau Quás trình chưng cất đơn

giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng

cách bay hơi dần dần, một lần hay nhiều lần một

hỗn hợp chất lỏng cần chưng

 Chưng cất bay hơi dần dần

1 Bình chưng 3 Thiết bị ngưng

2 Thiết bị đun4 Bể chứa sản phẩm

Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày trên hình 1, gồm thiết bị đốt nóng liên tục (2) hỗn hợp chất lỏng trong bình chưng (1) từ nhiệt độ thấp tới nhiệt độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sản phẩm và ngưng

tụ hơi bay ra trong thiết bị ngưng tụ (3), cuối cùng ta thu sản phẩm lỏng trong bể chứa (4)

Đối với phương pháp chưng này thì thường được áp dụng trong phòng thí nghiệm Vì phương pháp này quá đơn giản không làm bay hơi thành phần cất

Nhược điểm: của phương pháp này là không phân chia thành phân đoạn

nên trong công nghiệp hầu như không sử dụng phương pháp này

 Chưng cất bằng cách bay hơi một lần

Phương pháp chưng này được gọi là phương pháp bay hơi cân bằng

Hình 2

Chưng cất bay hơi một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với phương pháp bay hơi dần dần ở cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất

Tỷ lệ giữa lượng hơi nước tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏng nguyên liệu chưng ban đầu được gọi là phần chưng cất (phần chưng)

So với phương pháp bay hơi dần dần hay cùng một loại hình như sau:

Độ phân chia các cấu tử rất thấp, do vậy phương pháp này thường được dùng trong thực tiễn các nhà máy chế biến dầu, để điều chỉnh nhiệt độ bắt cháy của sản phẩm hoặc cấp nhiệt cho dầu thô hoặc sản phẩm trong các lò đốt

Ưu điểm nổi bật của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế chưng cất dầu Tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng phần cất lớn hơn

 Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần

Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng dần (hay ở áp suất thấp hơn) đối vối phần cặn Trên hình vẽ trình bày chưng cất hai lần, phần cặn của quá trình chưng lần một

là nguyên liệu của quá trình chưng lần hai sau khi được đốt nóng đến nhiệt

độ cao hơn Từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được sản phẩm đỉnh, còn ở đáy của thiết bị chưng lần hai ta nhận được phần cặn

là nguyên liệu của quá trình chưng lần hai sau khi được đốt nóng đến nhiệt

độ cao hơn Từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được sản phẩm đỉnh, còn ở đáy của thiết bị chưng lần hai ta nhận được phần cặn

Phương pháp chưng cất dầu bằng cách bay hơi một lần và bay hơi nhiều lần có ý nghĩa rất quan trọng trong thực tế công nghiệp chế biến dầu từ các dây chuyền hoạt động liên tục Quá trình bay hơi một lần được áp dụng khi đốt nóng dầu trong thiết bị trao đổi nhiệt, trong lò ống và tiếp theo là quá

trình tách pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận cung cấp, phân phối của tháp tinh luyện

Chưng cất đơn giản, nhất là đối với loại bay hơi một lần không đạt được

độ phân chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần của hỗn hợp chất lỏng

b Chưng cất phức tạp

Để nâng cao khả năng phân chia một hỗn hợp chất lỏng phải tiến hành chưng cất có hồi lưu hay chưng cất có tinh luyện - đó là chưng cất phức tạp

 Chưng cất có hồi lưu

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 giữa pha hơi và pha lỏng một lần nữa 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 mà có độ phân chia cao hơn Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế bằng bộ phận đặc biệt và được bố trí phía trên thiết bị chưng

 Chưng cất có tinh luyện

Chưng cất có tinh luyện còn cho bộ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu Cơ sở của quá trình chưng luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau Quá trình này được thực hiện trong tháp tinh luyện Để đảm bảo độ tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha hơi và pha lỏng, trong tháp được trang bị các đĩa hay đệm Độ phân chia một hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha, vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp Công nghệ chưng cất sơ khỏi dầu thô dựa vào quá trình chưng cất một lần và nhiều lần có tinh luyện Qúa trình tinh luyện xảy ra trong tháp chưng

cất phân đoạn có bố trí các đĩa Cấu trúc chính của tháp chưng là các đĩa có nhiều loại khác nhau Ví dụ: tháp đệm, tháp chốp, tháp chưng cất thường là hình trụ thẳng đứng, bên trong có nhiều tầng đĩa Người ta bố trí các ngăn

để khống chế mức chất lỏng trong các tầng đĩa làm tăng quá trình tiếp xúc giữa pha hơi và pha láng trong tháp

Hoạt động của tháp tinh luyện

Pha hơi Vn bay lên từ đĩa thứ n lên đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1 chảy từ đĩa n, chảy xuống đĩa dưới n=1 lại tiếp xúc với pha hơi

Vn=1 bay từ dưới lên Nhờ quá trình tiếp xúc như vậy mà quá trình trao đổi chất xảy ra tốt hơn Pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm cấu tử nhẹ, còn pha hơi lỏng chảy xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều cấu tử nặng Số lần tiếp xúc càng nhiều quá trình trao đổi chất càng được tăng cường và kết quả phân tách của tháp càng tốt, hay nói cách khác, tháp có

độ phân tách cao Ngoài đỉnh và đáy, nếu cần người ta còn thiết kế hồi lưu trung gian, bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn tháp cho qua trao đổi nhiệt làm lạnh rồi quay lại tưới vào tháp Khi lấy sản phẩm cạnh sườn của tháp người ta trang bị thêm các bộ phận tách trung gian cạnh sườn tháp Như vậy theo chiều cao của tháp tinh luyện, ta sẽ nhận được các phân đoạn

có giới hạn sôi khác nhau tùy thuộc vào chế độ công nghệ chưng và dầu thô nguyên liệu ban đầu Khi chưng cất có tinh luyện quá trình tiếp xúc tốt, quá trình trao đổi chất xảy ra mạnh làm cho độ phân chia tăng Chưng cất áp suất khí quyển thường được áp dụng để tách các sản phẩm có nhiệt độ sôi nhỏ hơn 320 -420oC Nếu chưng ở áp suất khí quyển với nhiệt độ cao hơn thì sản phẩm dầu sẽ bị phá huỷ

c Chưng cất trong chân không và chưng cất với hơi nước

Hỗn hợp các cấu tử có trong dầu thô, thường không bền dễ bị phân huỷ khi tăng nhiệt độ

Trong các trường hợp chất dễ bị phân huỷ nhiệt, nhất là các hợp chất chứa lưu huỳnh và các hợp chất cao phân tử như nhựa… các hợp chất parafin kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphten và các naphten lại kém bền nhiệt hơn các hợp chất thơm Độ bền nhiệt của các cấu tử tạo thành không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào cả thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó Trong thực tế chưng cất, đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân huỷ nhiệt chúng khi đốt nóng Tuỳ theo loại dầu thô, trong thực tế không nên đốt nóng quá 400-420oC với dầu không có hay có chứa rất ít lưu huỳnh, và không đốt nóng quá 320-340oC đối với dầu

có nhiều lưu huỳnh

Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ của chúng, người ta dùng chưng cất chân không Ví dụ: chưng cất với hơi nước để tránh sự phân huỷ nhiệt giảm áp suất riêng phần của cấu tử trong hỗn hợp, làm cho chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn Hơi nước được dùng ngay trong chưng cất khí quyển

Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi tính chất của sản phẩm như làm giảm độ bền oxy hoá, nhưng quan trọng hơn là chúng gây nguy hiểm cho quá trình chưng cất và chúng tạo thành các hợp chất ăn mòn và làm tăng áp suất của tháp Để giảm mức độ phân huỷ, thời gian lưu của nguyên liệu ở nhiệt độ cao cũng cần phải hạn chế

Ví dụ: Trong thực tế chưng cất, thời gian lưu của nguyên liệu dầu (phân đoạn cặn chưng cất khí quyển) ở đáy tháp AD không lớn hơn 5 phút và phân đoạn gudron khi chưng cất chân không VD chỉ vào khoảng từ 2- 5

phút Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt của chúng, người ta phải dùng chưng cất trong chân không hay chưng cất với hơi nước để tránh phân huỷ nhiệt, chân không làm giảm nhiệt độ sôi của hơi nước cũng có tác dụng tương tự như dùng chân không: giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp làm cho chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn Hơi nước được dùng ngay cả trong chưng cất khí quyển Khi tinh luyện hơi nước được dùng để tái bay hơi phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp còn chứa trong mazut hay trong gudron, trong nhiên liệu và dầu nhờn Chưng cất có tác nhân hơi nước còn làm hiệu quả của quá trình chưng cất cao hơn, trong thực tế thường sử dụng tác nhân bay hơi và hơi nước quá nhiệt, hơi nước làm tác nhân tái bay hơi còn bị hạn chế vì nhiệt lượng bay hơi khác xa với nhiệt độ đốt nóng chất lỏng trong chưng cất

Nhược điểm: phương pháp chưng cất với hơi nước thì tổn thất nhiệt

năng tăng và có thể tạo nhũ tương bên trong dầu Do vậy lượng hơi nước

có hiệu quả tốt nhất chỉ trong khoảng 2- 3% so với nguyên liệu đem chưng cất Khi mà số cấp tiếp xúc là 3- 4% trong điều kiện như vậy lượng hơi dầu tách ra từ phân đoạn mazut đạt tới 14- 23%

Để tránh sản phẩm dầu ngậm nước ngoài việc giảm áp suất hơi riêng và tăng cương khấy trộn chất lỏng, tăng cường tốc độ đốt nóng cặn dầu trong

lò ống khi chưng cất, tránh và ngăn ngừa quá trình tạo cốc trong các ống đốt nóng

Kết hợp dùng chân không và hơi nước khi chưng cất phần cặn sẽ cho phép đảm bảo hiệu quả tách sâu hơn phân đoạn dầu nhờn có thể đến 500 -

600oC

Nếu tăng lượng hơi nước thì nhiệt độ và áp suất hơi bão hoà của dầu giảm xuống, và sự tách hơi cũng giảm theo

Khi chưng với hơi nước số lượng phân đoạn tách ra khá triệt để Ta có thể tính theo công thức:

G

Với G và z : sè lượng hơi dầu tách được và lượng hơi nước

Mf: phân tử lượng của hơi dầu

18 : phân tử lượng của nước

Pf : áp suất riêng phần của dầu ở nhiệt độ chưng

P : áp suất tổng cộng của hệ

Nhiệt độ của hơi nước không được thấp hơn nhiệt độ hơi dầu để tránh sản phẩm dầu ngậm nước Do vậy người ta thường dùng hơi nước có nhiệt

độ trong khoảng 380 - 450o

C, áp suất hơi từ 0,2 - 0,5 MPa

Trong một vài trường hợp khi cần nâng cao nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu diezel, hay nhiên liệu phản lực, người ta không dùng chưng cất với hơi nước mà dùng quá trình bay hơi một lần để tránh tạo thành nhò tương nước bền trong nhiên liệu

1.2 Mục đích và ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô

1.2.1 Mục đích

Khi áp dụng loại hình công nghệ AD, chúng ta chỉ chưng cất dầu thô với mục đích nhận các phân đoạn nhẹ (naphta), phân đoạn kerosen: phân đoạn diezel và cặn chưng cất

1.2.2 Ý nghĩa

Trong công nghiệp chế biến dầu, dầu thô sau khi đã được xử lý qua các quá trình tách nước, muối và các tạp chất cơ học được đưa vào quá

z r

trình chưng cất nhằm thu được các loại sản phẩm theo yêu cầu Các quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển AD (Atmospheric Distillation)

và quá trình chưng cất trong chân không VD (Vacuum Distillation) thuộc

về nhóm các quá trình chế biến vật lý Đối với quá trình chưng cất dầu thô

ở áp suất khí quyển AD thì nguyên liệu đưa vào quá trình chưng cất là dầu thô, đôi khi còn gọi là quá trình CDU (Crude oil Distillation Unit), còn đối với quá trình chưng cất trong chân không VD thì nguyên liệu của quá trình chính là phần cặn của quá trình chưng cất ở áp suất khí quyển AD, trong thực tế đôi khi còn gọi là cặn chưng cất (cặn thô hay mazut) Tuỳ theo mục đích và quá trình chưng cất mà chúng ta sẽ áp dụng quá trình chưng cất

AD, VD hay kết hợp cả hai quá trình AD – VD (gọi tắt là quá trình A- V – D) Trong công nghiệp chế biến hiện nay thỡ cỏc nhà máy hiện đại luụn dựng loại hình công nghệ A – V – D

b Phân đoạn xăng

Với khoảng nhiệt độ sôi < 180oC, phân đoạn xăng sẽ bao gồm các Hydrocacbon từ C5-C10, C11 Cả 3 loại hydrocacbon: parafinic, naphtenic,

và hydrocacbon thơm đều có mặt trong phân đoạn xăng Hầu như tất cả các chất đại diện và một số đồng phân của các parafin, cycloparafin (cyclopentan và cyclohexan) và hydrocacbon thơm có nhiệt độ sôi đến

180oC đều tìm thấy trong phân đoạn này

c Phân đoạn kerosen

Phân đoạn này còn gọi là dầu lửa, có nhiệt độ sôi từ 180-250o

C, bao gồm các hydrocacbon có số cacbon C11-C15, C16

Trong phân đoạn kerosen, hầu hết là các naphten-parafin, rất ít parafin

iso-d Phân đoạn Diezel

Phân đoạn diesel hay còn gọi là phân đoạn gasoil nhẹ, có khoảng nhiệt độ 250-350oC, chứa các hydrocacbon có số cacbon C16-C20, C21

Phần lớn các n-parafin, iso-parafin và hydrocacbon thơm rất ít

e Cặn gudron (cặn dầu mỏ)

Cặn gudron là phần còn lại có nhiệt độ sụi trờn 500oC Ở đây tập trung những hydrocacbon có số nguyên tử cacbon trong phân tử từ C41 trở lên, có thể đến C50 – C60 còng có thể có giới hạn cuối cùng là C80

1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chưng cất dầu thô

Các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất và chất lượng của quá trình chưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất Chế độ công nghệ chưng cất phụ thuộc nhiều vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục