Thiết kế phân xưởng chưng cất dầu thô với nguyên liệu là dầu thô Trung Đông.pdf

Thiết kế phân xưởng chưng cất dầu thô với nguyên liệu là dầu thô Trung Đông

Đồ án tốt nghiệp http://www.ebook.edu.vn Chưng cất dầu thô MỞ ĐẦU Dầu mỏ khoáng vật phong phú tự nhiên, nguyên liệu thô quan trọng mà lồi người có nguồn cung cấp hydrocacbon phong phú có tự nhiên Dầu mỏ người biết đến từ thời cổ xưa, đến kỷ XVIII dầu mỏ sử dụng làm nhiên liệu để đốt thắp sáng Sang kỷ XIX, dầu coi nguồn nhiên liệu cho phương tiện giao thông cho kinh tế Hiện nay, dầu mỏ trở thành nguồn lượng quan trọng quốc gia giới Khoảng 65 ÷ 70% lượng sử dụng từ dầu mỏ, 20 ÷ 22% từ than, ÷ 6% từ lượng nước ÷ 12% từ lượng hạt nhân Bên cạnh việc sử dụng dầu mỏ để chế biến thành dạng nhiên liệu hướng sử dụng mạnh mẽ hiệu dầu mỏ làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hữu – hóa dầu như: sản xuất cao su, chất dẻo, tơ sợi tổng hợp, chất hoạt động bề mặt, phân bón… Ngành khai thác chế biến dầu khí ngành công nghiệp mũi nhọn, tương lai dài chiếm vị trí quan trọng lĩnh vực lượng ngun liệu hố học mà khơng có tài nguyên thiên nhiên thay Hiệu sử dụng dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng trình chế biến Theo chuyên gia hóa dầu Châu Âu, việc đưa dầu mỏ qua trình chế biến nâng cao hiệu sử dụng dầu mỏ lên lần, tiết kiệm nguồn tài nguyên quý giá Dầu mỏ hỗn hợp phức tạp gồm hydrocacbon, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hợp chất khác CO2, N2, H2, H2S, He, Ar, Ne… Dầu mỏ muốn sử dụng phải phân chia thành phân đoạn nhỏ Sự phân chia dựa vào phương pháp chưng cất để thu sản phẩm có nhiệt độ sơi khác Trong nhà máy lọc dầu, phân xưởng chưng cất dầu thô phân xưởng quan trọng, cho phép ta thu phân đoạn dầu mỏ để chế biến Đồ án đưa vấn đề lý thuyết liên quan thiết kế phân xưởng chưng cất dầu thô với nguyên liệu dầu thô Trung Đông Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thô http://www.ebook.edu.vn PHẦN I TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT I NGUN LIỆU DẦU THƠ I.1 Thành phần hóa học dầu thô: I.1.1 Thành phần nguyên tố Dầu mỏ hỗn hợp phức tạp, dầu có chứa tới hàng trăm chất khác nhau, nguyên tố chứa dầu cacbon hydro Trong C chiếm 83 ÷ 87 %, H chiếm 11,5 ÷ 14% [3] Ngồi ngun tố trên, dầu cịn có ngun tố khác lưu huỳnh S chiếm 0,1 ÷ 7%, nitơ N chiếm 0,001 ÷ 1,8%, oxy O chiếm 0,05 ÷ 1,0% lượng nhỏ nguyên tố khác halogen (clo, iod) kim loại như: niken, vanadi, volfram… Dầu mỏ chứa nhiều hydrocacbon, thành phần dị nguyên tố, chất lượng tốt loại dầu mỏ có giá trị kinh tế cao I.1.2 Thành phần hydrocacbon Hydrocacbon thành phần dầu, tất loại hydrocacbon (trừ olefin) có mặt dầu mỏ Chúng chiếm tới 90% trọng lượng dầu [1] Số ngun tử có mạch từ ÷ 60 cao Chúng chia thành nhóm parafin, naphaten, aromat, lai hợp naphaten – aromat Bằng phương pháp hoá lý xác định 400 loại hydrocacbon khác [2] a Hydrocacbon Parafin Parafin cịn gọi alkan, có cơng thức tổng qt CnH2n+2 (với n ≥ 1), loại hydrocacbon phổ biến Về mặt cấu trúc, hydrocacbon parafin có hai loại Loại cấu trúc mạch thẳng gọi n-parafin loại cấu trúc mạch nhánh gọi iso-parafin Trong đó, n-parafin chiếm đa số (25 ÷ 30% thể tích) chúng có số nguyên tử cácbon từ C1 ÷ C45 [2] Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thô http://www.ebook.edu.vn Trong dầu mỏ chúng tồn ba dạng rắn, lỏng, khí điều kiện thường (nhiệt độ 25oC, áp suất khí quyển) Các parafin mạch thẳng chứa đến nguyên tử cacbon nằm thể khí Các n-parafin mà phân tử chứa ÷ 17 nguyên tử cacbon nằm thể lỏng, n-parafin chứa 18 nguyên tử cacbon trở lên nằm dạng tinh thể Hydrocacbon parafin từ C5 ÷ C10 nằm phần nhẹ dầu, có nhánh (iso-parafin) cấu tử tốt xăng, làm cho xăng có khả chống cháy kích nổ tốt Trong n-parafin lại có tác dụng xấu cho khả chống kích nổ (n-C7 có trị số octan 0) Những hydrocacbon parafin có số nguyên tử từ C10 ÷ C16 nằm nhiên liệu phản lực, diesel, có cấu trúc thẳng lại cấu tử có ích cho nhiên liệu chúng có khả tự bốc cháy cao trộn với khơng khí bị nén động Trong chế biến hoá dầu, hydrocacbon parafin chứa phần nhẹ đầu hay khí đồng hành lại nguyên liệu tốt cho trình sản xuất olefin thấp etylen, propylen, butylen, butadien nguyên liệu sở cho tổng hợp hoá học để sản xuất chất dẻo, vải, sợi hố học, tơ nhân tạo Những n-parafin có số ngun tử cao từ C18 trở lên, nhiệt độ thường có dạng tinh thể rắn dầu Chúng hoà tan tạo thành tinh thể lơ lửng dầu Nếu hàm lượng parafin cao, chúng làm cho tồn dầu thơ bị đơng đặc, hẳn tính linh động, gây khó khăn cho trình khai thác, vận chuyển bảo quản Người ta phải áp dụng biện pháp kỹ thuật chuyên biệt công nghệ phức tạp để xử lý nhằm mục đích loại parafin rắn đến mức độ cần thiết, cho sản phẩm có độ linh động điều kiện sử dụng Nếu bơm vận chuyển loại dầu ta phải áp dụng biện pháp như: gia nhiệt đường ống, cho thêm phụ gia, tách bớt parafin rắn nơi khai thác để hạ điểm đông đặc Các biện pháp gây tốn kém, làm giảm giá thành dầu thô Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thô Tuy nhiên parafin rắn tách từ dầu thơ lại ngun liệu q http://www.ebook.edu.vn q trình chế biến, sản xuất sản phẩm tiêu dùng nến, giấy sáp, diêm hay vật liệu chống thấm hay để điều chế chất tẩy rửa tổng hợp, tơ sợi, phân bón, chất dẻo… Mặt khác đem oxy hố chúng người ta nhận axit béo, alcol cao, nguyên liệu quý để tổng hợp chất hoạt động bề mặt loại chất có nhiều ứng dụng kinh tế Còn iso-parafin thường nằm phần nhẹ phần có nhiệt độ sơi cao chúng Về vị trí nhánh phụ có hai đặc điểm sau: isoparafin dầu mỏ có cấu trúc đơn giản mạch dài mạch phụ ngắn Các nhánh phụ thường gốc metyl Đối với iso-parafin có nhánh phụ thường đính vào vị trí cacbon số số 3, cịn vị trí sâu Đối với loại hyđrocacbon có 2, nhánh phụ xu hướng tạo nên mạch cacbon bậc 4, nghĩa nhánh phụ đính vào cacbon mạch Các iso-parafin so với n-parafin chúng có độ linh động cao Chúng làm tăng trị số octan xăng b Các hydrocacbon naphtenic: Naphtenic hay gọi cyclo parafin, có cơng thức tổng qt CnH2n Hàm lượng thay đổi 30 ÷ 60% trọng lượng [2] Những hydrocacbon thường gặp loại vịng, chiếm chủ yếu loại vịng cạnh Loại vịng naphten cạnh lớn gặp dầu Những naphten có từ hay vịng ngưng tụ gặp, loại naphten có vịng ngưng tụ với hydrocacbon thơm hay có mạch nhánh dài lại hay gặp dầu mỏ Hydrocacbon bị ảnh hưởng vòng hay nhánh dài nên tính chất naphten khơng cịn ngun mà mang tính chất lai hợp mạch vịng mạch thẳng nên gọi hydrocacbon lai hợp Hydrocacbon lai hợp có số lượng lớn nhiệt độ sơi cao dầu mỏ Những loại naphten hai vòng thấy có dầu mỏ định loại naphten hai vịng có số ngun tử cacbon đến C20 ÷ C25 Vũ Quang Chỉnh Hố dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thô http://www.ebook.edu.vn Hiện nay, phân tích hóa học xác định 25 hợp chất naphten hai vòng, hợp chất naphten ba vòng, hợp chất naphten bốn năm vịng Cũng chưa có chứng phân tích cho biết xác cấu trúc hợp chất naphten có số vịng lớn Tuy nhiên, dựa kết phân tích phổ khối phân đoạn dầu nặng, tìm thấy có mặt hydrocacbon naphten đa vòng với số vòng lên tới cấu trúc [3] Những naphten vòng thường gặp dạng alkylperhydrophenantren như: Còn naphten vòng phát thấy phần có nhiệt độ sơi khoảng 475oC (của dầu mỏ Nigiêria số nước khác Kuwait, Iran, Libi…) Loại naphten vòng thường đồng đẳng đồng phân cyclopentanperhydrophenantren (C27 ÷ C30), Ví dụ: Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thơ http://www.ebook.edu.vn Loại naphten vịng quan trọng gopan, lupan phridelan: Nói chung naphten nhiều vịng có số lượng khơng nhiều, dầu mỏ hydrocacbon naphten vòng thành phần quan trọng nhiên liệu động cơ, làm cho xăng có chất lượng cao, hydrocacbon naphtenic vòng hay hai vòng có mạch nhánh dài cấu tử tốt dầu nhờn chúng có độ nhớt cao độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ Đặc biệt, chúng cấu tử quý cho nhiên liệu phản lực chúng có nhiệt cháy cao, đồng thời giữ tính linh động nhiệt độ thấp, điều phù hợp động phải làm việc nhiệt độ âm Ngoài ra, naphtenic nằm dầu mỏ cịn ngun liệu q từ điều chế hydrocacbon thơm: Bezen, Toluen, Xylen (BTX) chất khởi đầu để sản xuất tơ sợi tổng hợp chất dẻo Như vậy, dầu mỏ nhiều naphten có giá trị kinh tế cao, sản xuất sản phẩm nhiên liệu phi nhiên liệu có chất lượng tốt Chúng lại có nhiệt độ đơng đặc thấp nên giữ tính linh động khơng gây khó khăn tốn cho q trình bơm, vận chuyển, phun nhiên liệu c Hydrocacbon thơm (aromatic): Hydrocacbon thơm hay cịn gọi hydrocacbon aromatic Có cơng thức tổng qt CnH2n-6, có cấu trúc vịng cạnh đặc trưng Benzen dẫn Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thơ http://www.ebook.edu.vn xuất có mạch nhánh alkyl đính bên (Toluen, Xylen…) Trong dầu mỏ thường gặp loại vịng nhiều vịng thơm có cấu trúc ngưng tụ Loại hydrocacbon thơm vòng đồng đẳng chúng loại phổ biến nhất, đồng đẳng benzen nói chung tách xác định nhiều loại dầu, loại alkyl benzen với 1, 2, 3, nhánh phụ 1,2,4 trimetyl benzen Tuy nhiên loại nhánh tetra-metyl benzen thường ta thấy với tỷ lệ nhiều Trong dầu mỏ aclan (Liên Xơ) ta thấy số hydrocacbon thơm vịng với 2,3,4 nhóm metyl loại 1,3; 1,3,5 chiếm phần chủ yếu Trong dầu hàm lượng tối đa toluen khoảng 25%, Xylen benzen khoảng 1,6% Loại hydrocacbon thơm vịng có cấu trúc ngưng tụ naphten đồng đẳng cấu trúc cầu nối diphenyl nói chung có dầu mỏ Trong dầu mỏ Grossny, Bacu, Pocacity… có mặt đồng đẳng nhóm metyl naphten dimetyl naphtalen chiếm khoảng 40% Loại cấu trúc đơn giản kiểu diphenyl so với cấu trúc vòng ngưng tụ kiểu naphten Những hydrocacbon nhiều vòng pyren, benzanthracen tìm thấy dầu Califonia, dầu Kuwait, nói chung số lượng ít, đồng đẳng chủ yếu nhóm metyl, nhóm 2, ngun tử cacbon trở lên nói chung khơng gặp dầu mỏ Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thô http://www.ebook.edu.vn Một số ví dụ hydrocacbon thơm có dầu mỏ: Hydrocacbon thơm cấu tử có trị số octan cao nên chúng cấu tử quý cho xăng, làm tăng khả chống kích nổ xăng Nhưng chúng có mặt nhiên liệu phản lực hay nhiên liệu diesel lại làm giảm chất lượng loại nhiên liệu Do tính khó tự bốc cháy tạo cốc, tạo tàn động Nhưng hydrocacbon thơm vịng hay vịng có mạch nhánh alkyl dài có cấu trúc nhánh cấu tử tốt để sản xuất dầu nhờn có số nhớt cao (độ nhớt biến đổi theo nhiệt độ) cịn hydrocacbon thơm đa vịng ngưng tụ cao khơng có mạch parafin dài lại cấu tử có hại sản xuất dầu nhờn, trình chế biến xúc tác chúng nhanh chóng gây ngộ độc xúc tác d Hydrocacbon loại lai hợp naphten-thơm: Hydrocacbon loại lai hợp naphten-thơm (trong phân tử vừa có vịng thơm, vừa có vịng naphten) loại phổ biến dầu mỏ, chúng thường nằm phần có nhiệt độ sôi cao Cấu trúc hydrocacbon loại lai hợp gần với cấu trúc vật liệu hữu ban đầu, nên dầu có độ biến chất thấp nhiều hydrocacbon lai hợp Những hydrocacbon lai hợp phức tạp (1 vòng thơm ngưng tụ với naphten trở lên) so với loại đơn giản chúng dầu có hơn, cấu trúc loại tetralin indan xem cấu trúc chủ yếu Trong cấu Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thô http://www.ebook.edu.vn trúc nhánh phụ đính vào vịng thơm nhóm metyl, cịn nhánh đính vào vịng naphten thường mạch thẳng dài Đối với hydrocacbon có vịng thơm vịng naphten hỗn hợp, ngồi dạng ngưng tụ, có mặt dạng cầu nối giống diphenyl Nói chung tổng số vịng tối đa loại cấu trúc hỗn hợp đến Nhưng nhánh phụ đính xung quanh vịng mang đặc tính trên, nghĩa xung quanh vịng thơm, thường có số nhánh phụ ngắn chủ yếu metyl Rất có nhánh phụ etyl trong vịng naphten thường có hai nhánh phụ dài Số nhánh phụ nói chung từ ÷ nhánh I.1.3 Thành phần phi hydrocacbon Là chất hữu mà thành phần chúng có chứa nguyên tố O, N, S đồng thời chứa O, N, S (các hợp chất chất nhựa asphanten) Hàm lượng hợp chất chứa dầu mỏ tuỳ thuộc vào chất liệu hữu ban đầu tạo thành dầu Mỗi loại dầu có hàm lượng tỷ lệ hợp chất phi hydrocacbon khác Nếu dầu thô khai thác lên mà thuộc loại có độ biến chất thấp chứa nhiều hợp chất phi hydrocacbon loại có độ biến chất cao Một số loại hợp chất phi hydrocacbon: a Các hợp chất chứa S: Các hợp chất chứa S loại hợp chất phổ biến Các hợp chất làm xấu chất lượng dầu thô Đã xác định 250 loại hợp chất lưu huỳnh có mặt dầu mỏ [2] Các loại dầu chứa 0,5% lưu huỳnh loại dầu tốt, cịn chứa từ ÷ 2% lưu huỳnh trở lên loại dầu xấu Các hợp chất chứa lưu huỳnh thường dạng sau: + Mercaptan (R-S-H) + Sunfua R-S-R' + Disunfua R-S-S-R' Vũ Quang Chỉnh Hoá dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thơ http://www.ebook.edu.vn + Thiophen (lưu huỳnh mạch vịng) +Lưu huỳnh tự S, H2S ¾ Lưu huỳnh dạng mercaptan: Là hợp chất có nhóm SH liên kết trực tiếp với gốc hydrocacbon, không bền, dễ bị phần huỷ nhiệt độ cao 2RSH R - S - R + H2S RSH R - CH = CH2 + H2S Các chất mercaptan thường có mặt phần nhiệt độ sôi thấp (ở phân đoạn xăng, với nhiệt độ sôi 200oC), mercaptan có gốc hydrocacbon với cấu trúc thẳng, nhánh vòng (thiophenol) Các gốc hydrocacbon thường từ C1 ÷ C8 Các nhánh mercaptan gốc nhỏ (hầu hết gốc metyl) nhánh Mặt khác, chất mercaptan lại dễ bị oxy hố với khơng khí tạo thành disunfua, với chất oxy hố mạnh tạo thành sunfuarit RSH + O2 ⎯ ⎯→ R - S - S - R' + H2O ¾ Lưu huỳnh dạng sunfua dạng disunfua: Các chất thường có phân đoạn có nhiệt độ sơi trung bình cao Gốc hydrocacbon mạch thẳng, vịng no vịng thơm Vũ Quang Chỉnh 10 Hố dầu 1_K48 ... đường cong chưng cất có chưng luyện Đường cong chưng cất nhận chưng cất mẫu dầu thô thiết bị chưng cất có trang bị phần tinh luyện hồi lưu, có khả phân chia tương ứng số đĩa lý thuyết 10 với tỷ số... Các biện pháp gây tốn kém, làm giảm giá thành dầu thơ Vũ Quang Chỉnh Hố dầu 1_K48 Đồ án tốt nghiệp Chưng cất dầu thô Tuy nhiên parafin rắn tách từ dầu thô lại nguyên liệu quý http://www.ebook.edu.vn... giá đường cong chưng cất, nghĩa đường cong biểu diễn phân bố lượng sản phẩm chưng cất theo nhiệt độ sôi Những điều kiện chưng cất khác cho đường cong chưng cất khác Đường cong chưng cất đường cong