Thiết lập cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của thiết bị chưng cất dầu thô với năng suất 6 triệu tấn/năm

Thiết lập cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của thiết bị chưng cất dầu thô với năng suất 6 triệu tấn/năm

BÀI TẬP LỚN CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU

Đề A4: Thiết lập cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của thiết bị chưng

cất dầu thô với năng suất 6 triệu tấn/năm, thời gian làm việc 8000h/năm, dầu thô Việt Nam

The task:

- Nguyên lý của quá trình chưng cất

- Sơ đồ của quá trình chưng cất

- Vị trí và vai trò của thiết bị chưng cất trong dây chuyền

- Tính cân bằng vật chất:

• Dòng vào

• Các phân đoạn và dòng ra

• Các dòng vật chất liên quan (hồi lưu, tuần hoàn…)

•

•

- Tính cân bằng nhiệt lượng:

• Các cấu tử thành phần trong nguyên liệu

• Nhiệt độ sôi, nhiệt dung riêng

• Nhiệt độ và áp suất chưng

•

Quá trình chưng cất dầu thô

1 Ý nghĩ của quá trình chưng cất dầu thô.

Dầu mỏ là hỗn hợp rất phức tạp gồm hydrocacbon, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ,các hợp chất phi hydrocacbon, kim loại, …Do đó dầu mỏ muốn sử dụng được thì phải tiến hành phân chia thành từng phân đoạn nhỏ

Trong các nhà máy lọc dầu, phân xưởng chưng cất dầu thô cho phép ta thu được các phân đoạn dầu mỏ để chế biến tiếp theo

Trong công nghiệp chế biến dầu, dầu thô sau khi đã được xử lý quá các quá trình tách nước, muối, tạp chất cơ học, được đưa vào chưng cất Các quá trình chưng cất dầu ở áp suất khí quyển AD ( Atmospheric Distillation) với nguyên liệu là dầu thô và chưng cất chân không VD (Vacuum Distillation) dùng nguyên liệu là cặn của quá trình chưng cất khí quyển thuộc về nhóm các quá trình chế biến vật lý Tùy theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà chúng ta áp dụng chưng cất AD, VD hay kết hợp cả hai AD và VD Các nhà máy hiện đại ngày nay luôn dùng loại hình công nghệ AVD

Khi áp dụng loại hình công nghệ AD chúng ta chỉ chưng cất dầu thô để nhận các phân đoạn: naphta, kerosene, diesel, và phần cặn sau chưng cất

2 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất dầu mỏ

Quá trình chưng cất dầu là một quá trình vật lý phân chia dầu thô thành các phân đoạn Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm để tách các cấu tử có trong dầu thô theo từng khoảng nhiệt độ sôi khác nhau mà không cần phân hủy chúng

Tùy theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình chưng cất thành :

- chưng đơn giản

- chưng phức tạp

- chưng cất nhờ cấu tử bay hơi hay chưng cất chân không

2.1 Chưng đơn giản

- Chưng cất bay hơi dần dần:

Chủ yếu sử dụng trong phòng thí nghiệm để xác định đường cong chưng cất Engler

- Chưng cất bay hơi 1 lần ( bay hơi cân bằng)

Mục đích: cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi dần dần ở cùng điều kiện nhiệt độ và áp suất

Ưu điểm nổi bật so với chưng bay hơi dần dần là cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế chưng cất dầu

- Chưng cất bay hơi nhiều lần

Quá trình gồm nhiều quá trình bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng dần( hay ở áp suất thấp hơn) đối với phần cặn

Ưu điểm: Cho phép tách các phân đoạn theo mong muốn

Chưng đơn giản không đạt được độ phân chia cao nhất là khi cần phân chia

rõ ràng các cấu tử thành phần của hỗn hợp chất lỏng Do đó, để nâng cao khả năng phân chia một hỗn hợp chất lỏng người ta phải tiến hành chưng cất có hồi lưu hay chưng cất có tinh luyện- đó là chưng cất phức tạp

2.2 Chưng phức tạp

Dầu thô là một hỗn hợp có thành phần vô cùng phức tạp vì vậy dùng chưng cất đơn giản thì không phân tách được các phân đoạn như mong muốn nên phải

sử dụng chưng cất phức tạp

- Chưng cất có hồi lưu:

Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh Nhờ sự tiếp xúc pha đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ so với khi không có hồi lưu

- Chưng cất có tinh lyện:

Cơ sở của quá trình 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 sự tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha hơi và pha lỏng , trong tháp được trang bị các đĩa hay đệm

Chưng cất có tinh luyện sẽ cho độ phân chia cao hơn nếu kết hợp với hồi lưu

- 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 hủy nhiệt khi tăng nhiệt độ làm xấu đi tính chất của sản phẩm, gây nguy hiểm cho quá trình chưng cất do tạo thành các hợp chất ăn mòn và làm tăng áp suất của tháp do

đó cần hạn chế sự phân hủy nhiệt

Độ bền của các cấu tử trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu Đối các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao , tránh sự phân hủy chúng ( giảm độ nhớt, độ bền oxy hóa…) bằng cách hạn chế nhiệt độ ( 320-420oC) chưng cất nếu nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân hủy chúng ta dùng chưng cất chân không hay chưng cất hơi nước Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn

2.3 Đĩa chưng cất

Đĩa chưng cất là nơi xảy ra đồng thời quá trình trao đổi chất và trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và dòng lỏng trong tháp chưng cất

Có rất nhiều loại đĩa khác nhau được sử dụng tùy 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 loại đĩa sau:

- Đĩa lỗ ( Sieve Trays)

- Đĩa chóp ( Bubble- Cap Trays)

- Đĩa Van ( Valve Trays)

2.4 Stripper

Đối với dầu thô dòng trích ngang luôn luôn có lẫn sản phẩm đỉnh và các phần nhẹ hơn phía trên nó Để loại bỏ các cấu tử nhẹ này,người ta thực hiện quá trình tái bay hơi riêng phần các cấu tử nhẹ, đồng thời giảm được chiều cao tháp

Quá trình sử dụng các stripper và được gọi là quá trình stripping

Quá trình này thực hiện trong những cột nhỏ từ 4-10 đĩa, đặt bên cạnh sườn tháp chưng cất khí quyển và thường dùng hơi nước trực tiếp

2.5 Sự hồi lưu ( Refux)

- Hồi lưu đỉnh, đáy : nhằm tạo ra dòng lỏng có nhiệt độ thấp đi từ đỉnh tháp xuống đáy tháp để trao đổi nhiệt với dòng hơi Từ đó làm cho quá trình tách phân đoạn được triệt để hơn và thu được chất lượng sản phẩm như mong muốn

- Hồi lưu trung gian: quá trình hồi lưu trung gian thực hiện bằng cách lấy một phần sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa đưa ra ngoài làm lạnh rồi tưới trở lại

tháp tăng chất lượng của các sản phẩm cạnh sườn và điều chỉnh nhiệt độ trong tháp, tận dụng được một lượng nhiệt thừa rất lớn của tháp chưng để đun nóng nguyên liệu ban đầu tăng công suất là việc của tháp

Sơ lược về nguyên liệu

1 Dầu thô Việt Nam và tính chất

Theo thống kê sản lượng khai thác dầu thô ở Việt Nam hiện đang ở mức 319.500 thùng/ngày ( Nguồn: Factbook 2007) Sản lượng đa số các loại dầu thô Việt Nam hiện nay đang giảm mạnh, nhất là các loại dầu đã khai thác từ trước như Bạch Hổ, Sư Tử Đen, Sư Tử Vàng,…

Bảng sản lượng các loại dầu thô Việt Nam( đơn vị: triệu tấn/năm)[4]

2009 201

0

201 1

201 2

201 3

201 4

201 5 Bạch

Hổ

Sư Tử

Đen

Sư Tử

Vàng

Cá Ngừ

Vàng

Rạng

Đông

Trong các mỏ dầu đang khai thác ở Việt Nam, quan trọng nhất là mỏ dầu Bạch Hổ Dầu thô khai thác từ mỏ này chiếm 80-90% tổng sản lượng dầu thô Việt Nam Vì vậy, dầu thô Bạch Hổ được xem như là loại dầu tiêu biểu nhất của Việt Nam Trong bài tập lớn này chúng em chọn dầu thô Bạch Hổ làm nguyên liệu cho quá trình chưng cất

3 Dầu thô Bạch Hổ

Mỏ Bạch Hổ nằm ở vị trí đông nam, cách bờ biên Vũng tàu khoảng 145 km.Đây là mỏ cung cấp dầu mỏ chủ yếu cho Việt Nam hiện nay Đơn vị khai thác mỏ này là Xí nghiệp liên doanh Dầu khí Việt-Xô thuộc Tập đoàn Dầu khí Quốc gia Việt Nam

Bảng 2 Đặc điểm dầu thô Bạch Hổ [244-2]

STT Tính chất cơ bản Kết quả phân tích

2 Tỷ trọng, d60

3 Hàm lượng lưu huỳnh, %KL 0,03

5 Hằng số đặc trưng K UOP 12,3

12 V/Ni, ppm 2/2

Bảng 3: Đường cong chưng cất và trọng lượng của dầu thô Bạch Hổ

Bảng 2: Thành phần phần nhẹ của dầu Bạch Hổ

Phân đoạn ,oC %, khối lượng % lượng cộng dồn Khối lượng riêng

3-metyl-pentan 0,2099

Nhận xét:

Dầu thô Bạch Hổ có tỷ trọng 0,8319 (39,2 oAPI) là loại dầu nhẹ vừa phải, tiềm năng sản phẩm trắng( xăng, kerosene, diesel) cao, tuy nhiên tổng hiệu suất sản phẩm trắng vẫn < 50% nên ta chọn sơ đồ chưng cất dầu thô loại một tháp Dầu thô Bạch Hổ thuộc loại dầu sạch, chứa rất ít các độc tố và rất ít lưu

huỳnh (0,03%), nitơ, kim loại nặng, nhựa và asphanten nên chúng thuộc loại dầu thô có giá trị cao trên thị trường Cặn AD của nó thể sử dụng trực tiếp làm

nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác( FCC)

Dầu thô Bạch Hổ thuộc họ dầu paraffin cao, lên đến 29% , do đó làm giảm hẳn độ linh động ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn trong việc bốc rót, tồn chứa , vận chuyển và bảo quản

Như vậy: Với dầu thô Bạch Hổ cho năng suất Naphta trung bình, và năng suất cao đối với phần cất trung bình và gasoil chân không Ta chọn loại sơ đồ công nghệ chưng cất AD với bay hơi một lần

Tính toán công nghệ

4 Các số liệu ban đầu

− Công nghệ : chọn loại công nghệ chưng cất 1 tháp

− Năng suất: 7 triệu tấn/năm

− Nguyên liệu : Dầu thô Bạch Hổ 100%:

6 , 15 6 , 15 d = 828 (Kg/m3)

Thiết kế phân xưởng chưng cất dầu thô theo nhiệt độ sôi của phân đoạn như sau :

Bảng1 : TBP cut point [ 3]

Products TBP cut point, oC

Kerosene / Light Gas Oil 205 Light Gas Oil / Heavy Gas Oil 330

Với TBP cut point như trên ta có bảng phân bố sản phẩm của dầu thô Bach Hổ như sau :

Bảng 2 : Phân bố sản phẩm của dầu thô Bạch Hổ [3]

Sản phẩm %, khối lượng

5 Tính cân bằng vật chất

− Thời gian làm việc là: 8000h/năm

− Năng suất 6 triệu tấn/ năm

Do đó năng suất dây chuyền trong 1h là :

= 750.000 kg/h

3.1.1 Tính lưu lượng sản phẩm

Lượng khí thải :

750.000 × = 1 kg/h

Hiệu suất sản phẩm LPG là : 0,27%

Lượng sản phẩm LPG là :

Hiệu suất sản phẩm Naphta là: 13,38%

Lượng sản phẩm Naphta là:

× 750.000 = 100.350(kg/h) Hiệu suất sản phẩm kerosen là: 6,32%

Lượng sản phẩm kerosen:

× 750.000 = 47.400 (kg/h) Hiệu suất sản phẩm LGO là : 21,09%

Lượng sản phẩm LGO là:

× 750.000 = 158.175 (kg/h) Hiệu suất sản phẩm HGO là : 8,62%

Lượng sản phẩm HGO là:

× 750.000 = 64.650 (kg/h) Hiệu suất sản phẩm Mazut là: 50,32%

Lượng sản phẩm Muzut là:

× 750.000 = 377.400 (kg/h

Ta có bảng kết quả sau :

Nguyên liệu Lượng,kg/h Sản phẩm Thành

phần(%)klg

Lượng ,Kg/h

Tổng 750.000 Tổng 100 750.000

3 2.2 Tính cân bằng cho nước

a Lưu lượng hơi nước cần dùng

Hơi nước cho vào đáy tháp:

 chọn 5% trọng lượng so với trọng lượng residue

Hơi nước dùng cho các Stripper:

 chọn2,5% trọng lượng so với sản phẩm

Hơi nước cấp cho đáy tháp chưng:

377.400 × = 18870 kg/h

Hơi nước cấp cho stripper thu LGO:

× 2,5 = 3.954 kg/h

Hơi nước cấp cho Stripper thu HGO:

64.650 × = 1.656 kg/h

Chú ý: Với kerosene thì không sử dụng hơi nước để bay hơi kerosene trong

stripper mà sử dụng thiết bị đun sôi đáy tháp( reboiler) do nước có lẫn trong sản phẩm sẽ làm đục và xấu đi chất lượng của sản phẩm kerosene

Tông lượng nước đã sử dụng là:

18.870+ 3.954 + 1.656 = 24480 kg/h

b Lượng nước lẫn trong sản phẩm:

Lượng nước lẫn trong sản phẩm LGO là 0.15% khối lượng:

mnước(LGO) = 0,15% × 158.175 = 237 kg/h

Lượng nước lẫn trong sản phẩm HGO là 0.1% khối lượng:

mnước(LGO) = 0,1% × 64.650 = 65 kg/h

Lượng nước lẫn trong sản phẩm Muzut là 0.06% khối lượng:

mnước(LGO) = 0,06% × 377.400 = 226 kg/h

Tổng lượng nước được tách ra cùng sản phẩm:

237 + 65 + 226 = 528 kg/h

Lượng nước tách ra ở thiết bị tách nước đỉnh tháp là:

24480 – 528 = 23952 kg/h

4 3

5

Tê

Lưu lượng, kg/h

Lưu lượng hơi, kg/h Tổng, kg/h

774.480

Tài liệu tham khảo

1 Lê Văn Hiếu Công nghệ chế biến dầu mỏ; Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật

Hà Nội; 2000

2 PSG.TS Đinh Thị Ngọ Hóa học dầu mỏ; Nhà xuất bản Trường Đại học Bách

Khoa Hà Nội; 1999

3 Technip, JGC Việt Nam oil and gas corporation (petroVietNam), Dung Quất

refinery, operating manual, unit CDU, April 2007

Một số trang Web: