đồ án công nghệ chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

I: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển là một quá trình vật lý gióp cho quá trình tách các cấu tử cần thiết cho các sản phẩm mong muốn như xăng, kerosen, diezen, dầu nhờn được diễn ra thuận lơi, chính vì vậy việc hiểu rõ bản chất của quá trình để điều khiển và kiểm soát quá trình diễn ra thuận lợi, gióp thu được nhiều sản phẩm, quá trình diễn ra an toàn hơn. Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue). Chưng cất dầu và sản phẩm dầu với mục đích tách dầu thô thành các phân đoạn, được thực hiện bằng phương pháp sôi dần hoặc sôi nhiều lần. Chưng cất bay hơi nhiều lần gồm hai hay nhiều quá trình bay hơi một lần. I.1. Mục đích của quá trình Ngày nay dầu mỏ và khí đốt được coi là “Vàng đen” , chúng đóng vai trò quan trọng trong đời sống kinh tế toàn cầu. Đây còng là một nguyên liệu quan trọng nhất của xã hội hiện đại để sản xuất điện và còng là nhiên liệu của tất cả phương tiện giao thông vân tải. Hơn nữa dầu mỏ còng được sử dụng trong công nghiệp hóa dầu để sản xuất chất dẻo và nhiều sản phẩm khác.Dầu mỏ mang lại lợi nhuận siêu ngạch cho các quốc gia và dân tộc đang sở hữu và tham gia trưc tiếp kinh doanh nguồn nguyên liệu trời cho này.Hiện nay trong cán cân năng lượng thì dầu mỏ vẫn giữ vai trò quan trọng nhất so với các dạng năng lượng khác. Cùng với than đá, dầu mỏ và nhiều loại khí đốt khác chiếm tới 90% tổng tiêu thụ năng lượng toàn cầu. Đã có không ít các cuộc chiến tranh, các cuộc khủng hoảng kinh tế và chính trị có nguyên nhân sâu xa từ các hoạt động cạnh tranh sản xuất và kinh doanh trong lĩnh vực dầu mỏ. Đối với nước ta hiện nay, vai trò và ý nghĩa của dầu khí nói chung trong đó có dầu mỏ càng trở nên quan trọng trong thời kì đẩy nhanh công nghiệp hóa và [Type text] Trang 1 hiện đại hóa. Không chỉ là vấn đề thu nhập kinh tế đơn thuần, trong những năm qua dầu mỏ đã góp phần đáng kể trong ngân sách quốc gia, làm cân đối hơn cán cân thương mại xuất nhập khẩu quốc tế, góp phần tạo nên sự ổn định nước nhà trong những năm đổi mới đất nước. Chính vì vậy chúng ta cần phải sử dụng có hiệu quả nguồn nguyên liệu quí này bằng việc thực hiện quá trình chế biến dầu thô ở áp suất khí quyển để mang lại nhiều nguồn lợi về kinh tế hơn nữa cho nước ta. I.2. Nguyên lý của quá trình chưng cất Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue).Như vậy, phép chưng cất có thể thu được Distillat có thành phần mong muốn bằng cách chưng cất nhiều lần. Nhưng chưng cất nhiều lần như vậy rất phiền phức, tốn thời gian mà không kinh tế. Để khắc phục nhược điểm này ta dùng hệ thống chưng cất có cột chưng cất. Cột chưng cất có số đĩa lý thuyết càng lớn, thì có khả năng cho một distillat có thành phần khác càng nhiều so với dung dịch trong bình đun, tức là distillat rất giàu chất dễ bay hơi. Dùng cột chưng cất có nhiều đĩa lý thuyết có thể thu được distillat là chất dễ bay hơi gần như tinh khiết. I.2.1. Chưng cất đơn giản Chưng cất bay hơi dần dần: Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác định đường cong chưng cất Enghen. Chưng cất bay hơi một lần: Cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi một lần. [Type text] Trang 2 Hình I.1. Chưng cất bay hơi dần dần Chưng cất bay hơi nhiều lần: Cho phép quá trình tách các phân đoạn theo mong muốn. Hình I.2. Chưng cất bay hơi nhiều lần I.2.2 Chưng cất phức tạp Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm mộy lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn. [Type text] Trang 3 Chưng cất có tinh luyện: Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm. Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kết hợp với hồi lưu Hình I.3. Sự tiếp xúc giữa dòng lỏng và hơi trong tháp chưng cất Chưng cất chân không & chưng cất với hơi nước: Độ bền nhiệt các cấu tử trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu. Đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân huỷ chúng (giảm độ nhớt, độ bền oxy hoá…) bằng cách hạn chế nhiệt độ (320o- 420oC) chưng cất. Nếu nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân huỷ 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. I.2.3 Đĩa chưng cất (Tray) Trong công nghệ dầu khí, để chưng cất những lượng khổng lồ (hàng triệu tấn/năm). Người ta dùng những thiết bị chưng cất khổng lồ, hoạt động liên tục. [Type text] Trang 4 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 còng 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 rất giàu cấu tử nhẹ, còn dòng lỏng đi xuống đáy lại giàu cấu tử nặng hơn. Có rất nhiều dạng đĩa khác nhau 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) [Type text] Trang 5 Hình I.4. Mâm kiểu van Sự phân bố dòng chảy qua van ảnh hưởng rất lớn đến sự tiếp xúc pha và chất lượng các phân đoạn. I.2.4 Sự Stripping Đối với chưng cất dầu thô, dòng trích ngang luôn có lẫn sản phẩm đỉnh. Để loại bỏ các cấu tử nhẹ này, người ta thực hiện quá trình tái hoá hơi riêng phần các phần nhẹ. Quá trình này gọi là quá trình stripping. Quá trình này được thực hiện trong những cột nhỏ từ 4-10 đĩa, đặt bên cạnh tháp chưng cất khí quyển và thường dùng hơi nước trực tiếp. Ngoài ra có thể stripping bằng nhiệt (phân đoạn Kerozen). I.2.5 Sự hồi lưu (Relux) 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 trao đổi chất tách phân đoạn được triệt để và thu được chất lượng distillat mong muốn. Tỉ lệ dòng hoàn lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố kinh tế là bài toán quyết định. Khi tỉ lệ hoàn lưu tăng, số mâm giảm nhưng đường kính tháp tăng lên. Chủ yếu có 3 dạng sau: − Hồi lưu nóng: Sử dụng dòng hồi lưu ở trạng thái lỏng sôi. − Hồi lưu lạnh: Nhiệt độ dòng hồi lưu ở dưới điểm lỏng-sôi. − Hồi lưu vòng: Lấy các sản phẩm ở các mâm dưới hồi lưu lên các mâm trên sau khi đã làm lạnh. [Type text] Trang 6 I.3. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình chưng cất I.3.1. Nguyên liệu Thành phần nguyên liệu đưa vào quá trình chưng cất phải được xác định xem chúng thuộc loại nào: dầu nặng hay dầu nhẹ, dầu chứa nhiều hydrocacbon parafinic, naphtenic hay aromatic,dầu có chứa nhiều lưu huỳnh hay không? Trước khi đưa vào quá trình chế biến vì chúng có quyết định quan trọng đến việc lựa chọn công nghệ cho quá trình chế biến. Thành phần của dầu thô là hỗn hợp các chất hữu cơ rất phức tạp với các chất lỏng chiếm ưu thế, trong đó còn có các hợp chất hữu cơ rắn hòa tan và các khí hydrocacbon. Chúng gồm có:  Nhóm Hydrocacbon: Các hydrocacbon parafin, Hydrocacbon không no, Naphten, Hydrocacbon thơm lựa chọn công nghệ chưng cất phù hợp tùy thuộc vào thành phần nhiều hay ít của các nhóm này gióp thu được sản phẩm có tính chuyên hóa nhiều hơn, tránh tiêu hao năng lượng cho nhiều quá trình không cần thiết  Nhóm phi hydrocacbon: Hợp chất lưu huỳnh,Nitơ và hợp chất Nitơ,các hợp chất chứa oxy Chúng chiếm thành phần nhỏ trong dầu mỏ nhưng lại ảnh hưởng rất lớn và có tính quyết định đến việc lựa chọn công nghệ phù hợp cho quá trình chưng cất gióp cho quá trình vận hành được diễn ra an to toàn, sản phẩm thu được đạt chất lượng tốt, đạt hiệu quả kinh tế cao nhất I.3.2. Sản phẩm dầu mỏ của quá trình chưng cất Dầu mỏ, khi muốn chế biến thành các sản phẩm phải được tiến hành chia nhỏ thành từng phân đoạn hẹp với các khoảng nhiệt độ sôi nhất định. Những phân đoạn này nói chung tương ứng với các sản phẩm cuối cùng của quá trình [Type text] Trang 7 chế biến, nên chúng được mang tên các sản phẩm đó. Thông thường, dầu mỏ được chia thành các phân đoạn chính sau đây: - Phân đoạn xăng, với khoảng nhiệt độ sôi dưới 180 o C. - Phân đoạn kerosen, với khoảng nhiệt độ sôi từ 180-250 o C. - Phân đoạn gasoil, với khoảng nhiệt độ sôi từ 250-350 o C. - Phân đoạn dầu nhờn (hay còn gọi là phân đoạn gasoil nặng), với khoảng nhiệt độ sôi từ 350 - 500 o C. - Phân đoạn cặn gudron có nhiệt độ sôi trên 500 o C. Trong các phân đoạn trên đây, sự phân bố các hợp chất hydrocacbon và không hydrocacbon của dầu mỏ nói chung không đồng nhất chúng thay đổi rất nhiều khi đi từ phân đoạn nhẹ sang phân đoạn nặng hơn. Vì vậy tính chất của từng phân đoạn đều khác nhau. Hơn nữa, các loại dầu mỏ ban đầu đều có tính chất và sự phân bố các hợp chất hữu cơ trong đó còng khác nhau, cho nên tính chất của từng phân đoạn dầu mỏ còn phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính hoá học của loaị dầu ban đầu. +Sản phẩm khí Hydrocacbon Khí thu được trong quá trình chưng cất dầu bao gồm các hydrocacbon C1-C4 và một lượng ít C5-C6 , hydrocacbon thu được chủ yếu là C3 và C4. Đây là nguồn nguyên liệu lớn cho quá trình tổng hợp hoá dầu còng như sử dụng dân dụng bằng cách hoá lỏng (LPG). Từ C3 có thể chế tạo dung môi, C4 dùng để sản xuất dung môi, sản xuất cao su, dùng trong cracking hơi, sản xuất phụ gia MTBE chống kích nổ cho xăng. +Phân đoạn xăng Phân đoạn xăng được sử dụng 3 mục đích sau: [Type text] Trang 8  Sản xuất nhiên liệu dùng cho động cơ xăng.  Sản xuất nguyên liệu cho công nghiệp hoá dầu.  Sản xuất dung môi trong công nghiệp sơn, cao su, keo dán, ngoài ra được sử dụng để trích ly chất bộo, trong công nghiệp hương liệu, dược liệu. Trong phân đoạn xăng có nhiệt độ sôi từ 30-35oC tới nhiệt độ 180oC; được tinh cất tiếp để nhận các phân đoạn hẹp như 30-62oC ; 62-85oC ; 85-105oC ; 105-140oC hay phân đoạn rộng như 85-140oC dùng làm nguyên liệu cho quá trình izome hoá, reforming xúc tác với mục đích nhận xăng hay nhận hydrocacbon thơm loại benzen (B), tuluen (T), xylen (X), hoặc làm nguyên liệu cho cracking nhằm sản xuất các olefin thấp như etylen, propylen, butylen, butadien. Ngoài ra phân đoạn xăng còn được làm dung môi như dung môi parafinic (etepetrol) cho công nghiệp trích ly tinh dầu, pha chế mỹ phẩm. + Phân đoạn Kerosen Phân đoạn này được sử dụng cho 2 mục đích:  Làm nhiên liệu phản lực (ứng dụng chính).  Dầu hoả dân dụng. Nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực được chế tạo từ phân đoạn kerosen hoặc từ hỗn hợp phân đoạn kerosen với phân đoạn xăng. Do đặc điểm cơ bản chất của nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực là làm sao có tốc độ cháy lớn, dễ dàng tự bốc cháy ở bất kỳ nhiệt độ và áp suất nào, cháy điều hoà và không bị tắt trong dòng không khí có tốc độ xoáy lớn, nghĩa là quá trình cháy phải có ngọn lửa ổn định. Để đáp ứng yêu cầu trên, người ta thấy trong thành phần các hydrocacbon của phân đoạn kerosene, các hydro naphten và parafin thích hợp nhất với những đặc điểm của quá trình cháy trong động cơ phản lực. Vì vậy phân đoạn kerosen và phân đoạn xăng của dầu mỏ họ naphten-paraffin hoặc parafino-naphten là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất nhiên liệu cho động cơ phản lực. Trong khi đó sự có mặt của hydrocacbon thơm không thuận tiện cho [Type text] Trang 9 quá trình cháy, do đó nếu hàm lượng của chúng quá lớn, cần phải loại bớt chúng ra để giữa trong giới hạn 20-25%. Chú ý hàm lượng của hydrocacbon paraffin trong nhiên liệu phản lực trong khoảng 30-60%, nếu cao hơn cần phải tiến hành loại bỏ nhằm đảm bảo tính linh động tốt của nhiên liệu ở nhiệt độ thấp. Phân đoạn kerosene của họ dầu mỏ paraffin còn được dùng để sản xuất dầu hoả dân dụng (thắp sáng hoặc đun nấu) mà không đòi hỏi một quá trình biến đổi thành phần bằng các phương pháp hóa học phức tạp, đáp ứng được yêu cầu của dầu hoả là ngọn lửa cháy xanh, không có màu vàng đỏ, không tạo nhiều khói đen, không tạo nhiều tàn đọng ở đầu bấc và dầu phải dễ dàng bốc hơi theo lên phía trên để cháy. +Phân đoạn Diezel Phân đoạn gasoil nhẹ của dầu mỏ chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu cho động diesel. Do động cơ diesel đòi hỏi nhiên liệu phải có trị số xetan cao (có tính chất rất dễ oxy hoá để tự bốc cháy tốt) do phân đoạn gasoil (của dầu mỏ họ paraffin) lấy trực tiếp từ quá trình chưng cất sơ khởi thường có trị số xetan rất cao. Vì vậy chúng thường được sử dụng trực tiếp làm nhiên liệu diesel thích hợp nhất mà không phải qua một quá trình biến đổi hoá học nào. Tuy nhiên cần làm tăng trị số xetan của nhiên liệu diesel, người ta còng có thể cho thêm vào một số chất phụ gia thúc đẩy quá trình oxy hoá. Với số lượng khoảng 1,5% ta có thể tăng chỉ số xetan lên đến 15-20 đơn vị so với trị số ban đầu của nó là 40 đơn vị. + Phân đoạn dầu nhờn Với phân đoạn 350 – 500 o C; 350 - 540 o C (580 o C) được gọi là gasoil chân không. Được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác hay hydrocracking. Còn các phân đoạn dầu nhờn hẹp 320 - 400 o C; 300 - 420 o C; [Type text] Trang 10 [...]... quay về đáy tháp chưng II.2.2 Yếu tố áp suất của tháp chưng cất Khi chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển, áp suất tuyệt đối trong tháp thường cao hơn so với áp suất khí quyển và ở mỗi phần lấy sản phẩm ra áp [Type text] Trang 22 suất cũng có khác nhau, phụ thuộc vào việc tăng hay giảm nhiệt độ của tháp khi lấy sản phẩm ra Áp suất trong tháp được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh áp suất đặt ở thiết bị... và mục đích chế biến Có hai loại sơ đồ chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển chủ yếu đó là: Sơ đồ công nghệ chưng cất AD với bay hơi một lần và Sơ đồ công nghệ chưng cất AD với bay hơi hai lần Với [Type text] Trang 24 thành phần nguyên liệu đã cho ta chọn dây chuyền công nghệ chưng cất loại hai tháp với một tháp bay hơi sơ bộ và một tháp chưng cất chính Ưu điểm: Với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng... hiệu suất sử dụng của dầu mỏ [Type text] Trang 11 II CÔNG NGHÊ CHƯNG CẤT DẦU THÔ Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN 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 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. .. 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... trình chưng cất có kết quả cao thì ta nên chọn sơ đồ công nghệ chưng cất AD với bay hơi hai lần, lần 1 bay hơi sơ bộ phần nhẹ và tinh cất chúng ở tháp sơ bộ còn lần hai chưng cất phần dầu còn lại Nhờ áp dụng chưng hai lần ta có thể giảm được áp suất trong tháp thứ hai đến áp suất 0,14-0,16 MPa và nhận được từ dầu thô lượng sản phẩm trắng nhiều hơn Nhờ các cấu tử nhẹ nước được tách sơ bộ ở tháp thứ... cấu tử Áp suất hơi nước được đưa vào cũng ảnh hưởng đến áp suất chung của tháp Lượng hơi nước tiêu hao dùng cho tháp chưng ở áp suất khí quyển khoảng 1,2-1,5% trọng lượng so với nguyên liệu II.2.3 Những điều cần chú ý khi điều chỉnh, khống chế chế độ làm việc của tháp chưng cất Để duy trì sự làm việc ổn định của tháp chưng cất chúng ta cần nắm vững các nguyên tắc sau: + Điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ... hưởng đến quá trình chưng cất 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 đích và yêu cầu của quá trình, vào chưng loại sản phẩm cần thu và phải có dây chuyền công nghệ hợp lý Vì vậy khi thiết kế quá trình chưng cất chúng ta phải xét kỹ... yếu tố để quá trình chưng cất đạt hiệu quả kinh tế cao nhất Các yếu tố công nghệ chưng cất dầu chính là các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm việc của tháp chưng cất II.2.1 Nhiệt độ của tháp chưng luyện Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất của tháp chưng cất bằng cách thay đổi chế độ nhiệt của tháp chưng cất, dễ điều chỉnh được chất lượng và hiệu xuất của sản phẩm Chế độ nhiệt của tháp gồm: Nhiệt độ... khống chế chặt chẽ, nếu dầu là loại dầu nhẹ, mức độ phân chia lấy sản phẩm ít, thì nhiệt độ phần nguyên liệu vào không cần cao Trong thực tế sản xuất khi chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ nguyên liệu vào tháp chưng luyện giới hạn 320-360oC ở áp suất p = 1 at, còn nhiệt độ nguyên liệu vào tháp chưng cất chân không là 400-440oC Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần... của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp [Type text] Trang 17 Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) vào tháp chưng khống chế tuỳ theo bản chất của dầu thô, mức độ cần phân tách, sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp, nhưng chủ yếu là phải tránh được sự phân huỷ nhiệt của nguyên liệu ở nhiệt độ cao Do vậy nhiệt ở lò ống phải được khống . CÔNG NGHÊ CHƯNG CẤT DẦU THÔ Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN 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 trình chưng. 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. 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,