Thiết kế phân xưởng chưng cất dầu mazut

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  LỜI MỞ ĐẦU Dầu mỏ được con người biết đến và sử dụng vào thế kỷ 18 với mục  đích thắp sáng. Năm 1853 tại Mỹ  xuất hiện giếng khoan đầu tiên đây là   bước chuyển mình và đi lên của ngành khai thác và chế biến dầu mỏ Đến năm 1992, thế  giới đã có tới 100 loại dầu mỏ  khác nhau thuộc  sở hữu của 48 quốc gia trong đó có Việt Nam. Quốc gia có sản lượng dầu   mỏ lớn nhất là Arập xêút chiếm 26% tổng sản lượng dầu mỏ trên thế giới Cho đến nay khi chưa có sự  thống nhất nhưng đa số  dư  luận khoa   học cho rằng: Dầu mỏ có nguồn gốc hữu cơ. Tuỳ thuộc vào tuổi của dầu,  độ  sâu và tính chất địa lý mà dầu mỏ  có thể  khác nhau. Nhưng đặc điểm  chung của dầu đều tồn tại ở thể lỏng sánh và dính. Dầu thô có màu tối hay   gặp là màu nâu và đen, có mùi đặc trưng khó ngửi. Dầu mỏ không tan trong   nước nhẹ  hơn nước. Thành phần của dầu mỏ  là một hỗn hợp phức tạp  chứa chủ yếu là hydrrocacbon (80 – 85%C, 10 – 14%H) Công nghiệp dầu khí là một ngành công nghiệp có những bước thay  đổi và phát triển không ngừng, đặc biệt là những năm cuối thể kỷ 20. Công   nghiệp dầu khí đã và đang trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn, bên cạnh   đó là sự  phát triển không ngừng của một số nguyên liệu trong ngành công  nghiệp hoá dầu, song không thể không nhắc đến nguyên liệu mazut, là một  trong những nguyên liệu có đặc tính quan trọng để sản xuất ra dầu nhờn Mazut có tên gọi là dầu cặn, được sử dụng phổ biến cho ngành tổng  hợp hoá dầu và các ngành công nghiệp khác. Nguyên liệu Mazut đã góp  phần tạo ra sự  thay đổi lớn về  cơ  cấu phát triển các chủng loại và chất   lượng sản phẩm của ngành công nghiệp hoá dầu Ngày nay nguyên liệu Mazut được sử dụng với mục đích chủ yếu là   giải     nhu   cầu   nguyên   liệu   cho   động       nguyên   liệu   cho   công  Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  nghiệp. Do có nhiều tính năng  ưu việt trong khi sử  dụng, mà các dạng  nguyên liệu cổ truyền không có được, đó là: Dễ bảo quản và vận chuyển,  dễ  sử  dụng   quy mô công nghiệp hiện đại, nên nhu cầu sử  dụng nguyên  liệu Mazut ngày càng tăng nhanh Cùng với sự  phát triển đất nước nói chung, cũng như  sự  phát triển   không ngừng của ngành công nghiệp dầu khí nói riêng, thì nguyên liệu   mazut đã được  ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, công nghiệp sản   xuất khác nhau và là nguyên liệu không thể  thiếu của: Lò nung xi măng,  gốm, sứ, các lò sấy lương thực, thực phẩm, các lò hơi nhà máy điện… Chính vì vậy mà chưng cất dầu mazut  ở áp suất chân không để  sản   xuất ra dầu nhờn gốc là rất quan trọng trong nền kinh tế  đất nước hiện   Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT DẦU NHỜN GỐC Bôi trơn là phương pháp làm giảm ma sát và mài mòn đến mức thấp   nhất bằng cách tạo ra giữa bề  mặt ma sát một lớp chất được gọi là chất  bôi trơn. Hầu hết chất bôi trơn là chất lỏng. Do vậy các chất bôi trơn lỏng  (dầu bôi trơn) được biết đến nhiều nhất trong ứng dụng kỹ thuật. Đó là do   chúng tạo ra sự  ngăn cách bề  mặt một cách nhanh chóng một khi được sử  dụng hợp lý và chúng có khả năng làm mát tốt Nguyên   liệu   để   sản   xuất     dầu   bôi   trơn   (dầu   gốc)     các  hydrocacbon tự  nhiên và tổng hợp khác nhau. Tuy nhiên do giá thành sản   xuất các hỗn hợp hydrocacbon từ  dầu mỏ  thấp nên chúng được sử  dụng   phổ  biến hơn cả  để  sản xuất dầu gốc. Bản chất của dầu thô và của quá   trình lọc dầu sẽ  quyết định tính chất vật lý và hoá học của dầu gốc tạo  thành. Trong dầu mỏ ở phân đoạn cặn mazut có cả những cấu tử có ích và  cả những cấu tử không có lợi cho việc bôi trơn. Vì vậy, việc tách các thành   phần không mong muốn trong sản xuất dầu gốc là không thể  thiếu. Quá   trình này được thực hiện nhờ các quá trình lọc dầu cho phép thu được dầu  gốc có chất lượng cao Đối với  việc sản xuất các sản phẩm dầu nhờn từ  dầu mỏ  dạng   nhiều lưu huỳnh và nhiều parafin thì phải lựa chọn sơ  đồ  hệ  thống sản   xuất dầu nhờn phức tạp hơn và sử dụng dung môi chọn lọc, phải thêm quá   trình khử  parafin, rồi đến quá trình hấp thụ  lần cuối trên đất sét hay thay   thế cho quá trình này bằng quá trình làm sạch bằng hydro Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Như chúng ta đã biết, quá trình chưng cất chân không là quá trình đầu  tiên của hệ  thống sản xuất dầu nhờn. Việc phân chia các phân đoạn có   triệt để  hay không đều  ảnh hưởng đến các chỉ  tiêu của quá trình cơ  bản  sản xuất dầu nhờn. Tất cả  các phân đoạn dầu nhờn được phân chia qua  quá trình chưng cất ở áp suất chân không bao gồm: Phân đoạn dầu nhờn nhẹ: 300   4000C Phân đoạn dầu nhờn trung bình: 350   4200C Phân đoạn dầu nhờn nặng: 320   5000C Phân đoạn dầu nhờn cặn: > 5000C Các phân đoạn này đều trải qua quá trình trích ly (hay làm sạch) bằng   dung môi chọn lọc (có thể  dùng phenol hay fufurol…). Sau đó tiếp tục tới  quá trình kết tinh (hay khử) parafin nhẹ  để  giảm nhiệt độ  đông đặc của  dầu nhờn và cuối cùng làm sạch lần cuối bằng các chất dung môi có lẫn từ  các quá trình trên và tách hết các chất axit. Kết thúc hệ  thống là giai đoạn   pha trộn các cấu tử dầu nhờn với các tỷ  lệ  khác nhau và pha trộn với các  phụ gia với các chức năng khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng Loại sơ  đồ  công nghệ  sản xuất dầu nhờn đơn giản nhất là loại để  nhận dầu nhờn đi từ dầu mỏ thuộc loại ít lưu huỳnh, ít parafin và ít nhựa   Ở Liên Xô người ta sử dụng sơ đồ công nghệ như hình 1a để sản xuất dầu   nhờn Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  MAZUT Chưng cất ở áp suất  chân không Phân đoạn  300 ÷ 400 0C Phân đoạn  350 ÷ 4200C Gudron khử  asphanten Phân đoạn  420 ÷ 5000C Phân đoạn dầu  nhờn cặn  >5000C Làm sạch bằng axit hay axit  ­ kiềm Làm sạch lần cuối bằng hấp thụ trên đất sét Phụ gia Pha trộn dầu nhờn DẦU NHỜN THƯƠNG PHẨM Hình 1a. Sơ đồ công nghệ sản xuất dầu iítparafin và ít lưu huỳnh Để  nhận dầu nhờn có chỉ  số  độ  nhớt cao dùng đặc biệt cho một số  máy móc, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng quá trình làm sạch dầu nhờn   bằng hydrocraking và hydro hoá. Quá trình hydrocracking để  sản xuất dầu  nhờn với nguyên liệu là các phân đoạn dầu nhờn cất có độ  nhớt cao và   phân đoạn dầu nhờn cặn lấy từ quá trình khử  asphanten trong gudron thay    cho quá trình làm sạch bằng dung môi chọn lọc cho ta sản phẩm dầu  Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  nhờn có chỉ  số  độ  nhớt cao (từ  100 đến 135). Tuy nhiên chi phí cho quá   trình này cao hơn so với làm sạch bằng dung môi chọn lọc Công nghệ  chế  biến dầu nhờn gốc được thể  hiện theo trình tự  của  sơ đồ sau: MAZUT Chưng cất ở áp suất  chân không Dầu cất nhẹ  (Gazoil nhẹ) Phần chiết Dầu cất nặng  (Dầu tối màu ) Dầu cất trung Cặn nặng  (cặn gudron ) Tách asphan  bằng propan Chiết bằng dung môi Tách sáp Sáp Asphan  (hỗn hợp của  asphan  + nhựa) Làm sạch bằng H DẦU GỐC Hình 1b. Sơ đồ công nghệ  sản xuất dầu gốc Việc tách các thành phần không mong muốn trong sản xuất dầu gốc   được thực hiện nhờ các quá trình chọn lọc dầu sẽ  cho phép sản xuất dầu  Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  gốc chất  lượng cao, ngay cả  với phân đoạn dầu nhờn của dầu thô chưa  thích hợp cho sản xuất dầu nhờn. Sơ đồ công nghệ chung để sản xuất dầu   nhờn gốc từ dầu mỏ thường bao gồm các công đoạn như hình 1b, gồm các   quá trình sau: ­ Chưng chân không nguyên liệu cặn mazut ­ Chiết tách, trích ly bằng dung môi ­ Tách hydrocacbon rắn (sáp) ­ Làm sạch lần cuối bằng quá trình hydro hoá Quá trình tách asphan bằng dung môi propan thường được áp dụng   để sản xuất dầu nhờn có độ nhớt cao từ nguyên liệu cặn gudron cũng được  xếp vào quá trình chiết, trích ly bằng dung môi I.1. Quá trình chưng cất chân không [2] Qúa trình chưng cất chân không cho phép ta nhận được các phân   đoạn riêng biệt dựa vào khoảng nhiệt độ sôi hay độ nhớt. Do mục đích của   công đoạn này là điều chỉnh độ nhớt và nhiệt độ  chớp cháy của phân đoạn  dầu gốc Sơ đồ chưng cất chân không được trình bày trên hình 2 Qúa trình chưng cất chân không cho phép nhận được các phân đoạn  dầu bôi trơn có độ  nhớt khác nhau. Phần dầu nhẹ  nhất, có độ  nhớt nhỏ  nhất thu được   đinh tháp và phần nặng nhất thu được   đáy tháp có độ  nhớt lớn nhất. Trong các phân đoạn thu được sẽ  có mặt tất cả  các cấu tử  có mặt trong nguyên liệu của loại dầu đem chưng cất.  Như chúng ta đã biết, các loại dầu mỏ khác nhau thì chúng đều khác   nhau về thành phần hoá học nên không phải tất các dầu mỏ đều cho ta dầu   bôi trơn có chất lượng tốt. Nhưng nhờ công nghiệp chế biến dầu hiện đại,  Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  người ta có thể  thu được dầu gốc chất lượng tốt từ  bất kỳ  dầu thô nào,  song giá thành sản phẩm sẽ rất khác nhau và sẽ  càng cao nếu nguyên liệu   không thuận lợi. Loại dầu thô tốt nhất cho việc sản xuất dầu gốc là các  phân   đoạn   dầu   nhờn   có   chứa   nhiều   hydrocacbon   naphten       hydrocacbon thơm một vòng có nhánh, parafin dài phân nhánh và các izo­ parafin. Còn dầu thô xấu nhất là loại dầu chứa nhiều hydrocacbon đa vòng  và các hydrocacbon thơm ngưng tụ cao.  Khi chưng cất chân không, độ  nhớt là hàm số  của khoảng nhiệt độ  sôi và cũng là làm số  của trọng lượng phân tử. Độ  nhớt là một tham số  quan trọng bởi vì khi chưng cất chân không khó có thể điều chỉnh chính xác  nhiệt độ cất như trong chưng cất khí quyển. Do vậy nhiều khi không đảm  bảo tuyệt đối chính xác nhiệt độ  chớp cháy của phân đoạn dầu nhờn nào  đó. Để điều chỉnh thông số này, người ta phải tiến hành tách các cấu tử có  nhiệt độ  sôi thấp bằng cách chưng cất lôi cuốn theo hơi nước trong các  tháp bay hơi phụ Phần cặn từ  quá trình chưng cất khí quyển (gọi là phần cặn rộng)  được đưa thẳng tới tháp chân không, tại cây phần cặn nào được tách thành  các phần cất dầu bôi trơn khác nhau và phần cặn cất chân không (phần cặn  hẹp) Trong vài thập kỷ gần đây, công nghệ chưng cất chân không đã được   phát triển một cách đáng kể. Mục tiêu chủ yếu là tận dụng tối đa các phần   cất có giá trị và giảm mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị [11 ]  Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Gazoil nhẹ Phân đoạn dầu nhờn I Tháp  chưng cất  chân  không Mazut Lò nung  nguyên liệu Phân đoạn dầu nhờn II Phân đoạn dầu nhờn III Phân đoạn dầu nhờn IV  (dầu nhờn nặng ) Cặn gudron Hình 2. Sơ đồ hệ thống chưng cất chân không có thu  các phân đoạn dầu nhờn gốc I.2. Quá trình chiết bằng dung môi Việc tách bằng chưng cất được dựa trên sự  khác biệt về  khoảng  nhiệt độ  sôi mà không cho phép phân chia về  mặt hoá học như  parafin,  aromat và naphten. Tuy nhiên tính chất của sản phẩm phụ  thuộc vào bản   chất hoá học  của các cấu tử cũng như các tính chất vật lý của chúng. Do   quá trình chưng cất phân đoạn chưa loại bỏ  hết được các cấu tử  không   mong muốn, thường làm cho dầu nhờn sau một thời gian sử  dụng bị  đổi  màu, tăng độ nhớt, xuất hiện các hợp chất có tính axit không tan trong dầu   được gọi là cặn bùn. Việc chiết tách các cấu tử  không mong muốn bằng  dung môi cho phép sản xuất ra được dầu gốc chất lượng cao từ bất kỳ loại   dầu thô nào, kể cả từ loại có hàm lượng hydrocacbon đa vòng thơm và cặn  nhựa khá cao. Chính vì thế mà quá trình tách bằng dung môi rất quan trọng   và không thể thiếu trong công nghệ sản xuất dầu nhờn có chất lượng cao Nguyên lý của quá trình chiết bằng dung môi dựa trên việc sử  dụng  dung môi. Việc lựa chọn dung môi phụ thuộc vào tính chọn lọc của nó, tức   Trần Viết Chánh Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  là dựa vào khả năng phân tách hai nhóm cấi tử khác nhau về  mặt hoá học.  Khi trộn dung môi với nguyên liệu ở điều kiện thích hợp, các cấu tử trong   nguyên liệu sẽ được phân chia thành hai nhóm:  Nhóm cấu tử hoà tan tốt vào dung môi tạo thành pha riêng gọi là pha  chiết (extract) Nhóm cấu tử  không hoà tan hoặc hoà tan rất ít vào dung môi gọi là  rafinat Sản phẩm có ích có thể nằm trong extract hoặc trong pha rafinat tuỳ  dung môi sử dụng. Dựa vào bản chất của dung môi mà người ta chia thành  dung môi có cực và dung môi không cực, hay dung môi hỗn hợp, nhưng dù  loại dung môi nào được chọn cũng phải thoả mãn các yêu cầu sau : + Phải có tính hoà tan chọn lọc, tức là phải có khả  năng phân tách  thành hai nhóm cấu tử: nhóm có lợi và nhóm không có lợi cho dầu gốc   Tính chất này còn được gọi là độ chọn lọc của dung môi + Phải bền về  mặt hoá lọc, không phản  ứng với các cấu tử  của  nguyên liệu, không gây ăn mòn và dễ sử dụng.  + Có giá thành rẻ, dễ kiếm.  + Có nhiệt độ sôi khác xa so với cấu tử cần tách để dễ  dàng thu hồi  dung môi, tiết kiệm được năng lượng Ba loại dung môi được sử dụng để  chiết tách các phần hydrocacbon  thơm và cặn nhựa ra khỏi phân đoạn dầu nhờn hiện nay  đó là phenol,  fufurol     N­metylpirolydon   (NMP)   Còn   để   tách     hợp   chất   nhựa     ­   asphan trong phân đoạn gudron phổ biến là dùng propan lỏng I.2.1. Quá trình khử asphan [2, 11] Do trong cặn gudron có chứa nhiều các cấu tử không có lợi cho dầu  gốc nên nếu đưa trực tiếp vào trích ly sẽ không cho phép đạt chất lượng và  Trần Viết Chánh 10 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  hiệu quả mong muốn. Chính vì thế  người ta thường tiến hành khử  asphan  trước. Trong sản xuất dầu nhờn, phổ biến dùng propan lỏng để  khử  chất   nhựa, asphanten trong phân đoạn gudron Mục đích của quá trình này là ngoài việc tách các hợp chất nhựa ­   asphan, còn cho phép tách cả  các hợp chất thơm đa vòng vì các hợp chất   này đã làm giảm độ  nhớt, chỉ  số  khúc xạ, độ  cốc hoá và nhận được dầu   nhờn nặng có độ nhớt cao cho dầu gốc.  Cơ  sở  lý thuyết của quá trình là các hợp chất nhựa, asphan chiếm   phần chủ yếu trong cặn gudron, chúng là các hợp chất có khả năng hoà tan   kém trong dung môi không cực. Nhờ tính chất này, người ta chọn dung môi   parafin để tách chúng Dung môi tạo điều kiện cho quá trình đông tụ các chất nhựa – asphan   và hoà tan chọn lọc hydrocacbon. Trong dung môi parafin, khả năng hoà tan  các hợp chất hydrocacbon có thể sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau: Naphten, parafìn > hydrocacbon thơm một vòng > hydrocacbon đa vòng Do vậy trong quá trình khử, đồng thời xảy ra hai quá trình: đông tụ,   lắng các chất nhựa ­ asphan và trích ly các hợp chất hyđrocacbon. Nếu tăng  dần trọng lượng phân tử  của dung môi không cực, sẽ  làm tăng khả  năng  hoà tan của dung môi và như  vậy sẽ  làm giảm độ  chọn lọc. Chính vì thế  trong thực tế propan lỏng là dung môi thích hợp nhất cho quá trình này Propan lỏng là một chất lỏng không màu, không mùi nhưng độc với  thần kinh trung ương của người và động vật. Propan lỏng có một tính chất   đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ từ 40 đến 600C nó hoà tan parafin rất tốt,  nhưng khả năng này giảm khi nhiệt độ  tăng cho đến khi đạt đến nhiệt độ  hoà tan tới hạn của prôpan (96,80C) tất cả  các hydrocacbon đều không tan  trong propan. Trong khoảng 40     96,80C các hợp chất nhựa. ­ asphan có  Trần Viết Chánh 11 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  phân tử lượng cao hầu như không tan trong propan, vì thế tính chất này sẽ  quyết định chế độ công nghệ khử asphan bằng propan. Quá trình tách bằng  chưng cất các phân đoạn chủ  yếu dựa vào trọng lượng phân tử, còn chiết  tách bằng dung môi thì đưa vào chủng loại phân tử. Quá trình tách asphan  nằm ở vị trí trung gian giữa hai quá trình này, vì tách asphan phụ thuộc vào  cả trọng lượng phân tử và chủng loại cấu trúc phân tử Cặn hẹp Propan lỏng Dung dịch dầu  tách asphan Lắng  Trộn  Dung dịch  asphan Hình 3. Sơ đồ đơn giản của quá trình tách asphan bằng propan Sơ đồ công nghệ quá trình tách asphan được trình bày trên hình 4 Propan Nguyên liệu (gudron) Tháp  chiết Tháp  tách  asphan Tháp  tách dầu Dầu đã tách asphan Asphan Asphan + propan Propan Trần Viết Chánh 12 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Hình 4. Sơ đồ nguyên lý chung của quá trình tách asphan Nguyên liệu tiếp xúc với lượng propan lỏng lớn gấp 5   8 lần theo  thể  tích   nhiệt độ  thích hợp đã chọn trước. Dầu càng nặng thì lượng  propan dùng càng phải lớn, pha chiết chứa từ  30   50% propan (theo thể  tích, còn lại là khối lượng asphan. Đó không hẳn là dung dịch mà là một  dạng nhũ tương của các hợp chất asphan trong propan. Từ sơ đồ hình 4 cho   thấy propan được đưa vào đáy tháp chiết, còn nguyên liệu (phần cặn chưng   cất chân không) được đưa vào đỉnh tháp. Vì propan chuyển động ngược lên  đỉnh tháp, nó hoà tan dầu từ  nguyên liệu rồi moang chúng theo lên đỉnh  tháp. Các loại hợp chất nhựa, asphan đi ra từ đáy tháp, còn hỗn hợp dầu –  propan đi ra từ đỉnh là phần rafinat (rafinat gồm dung môi và 15   20% khối  lượng dầu). Propan tách ra được cho quay trở lại tuần hoàn trong hệ thống  để sử dụng tiếp và còn lại là dầu gốc có độ nhờn thích hợp I.2.2. Quá trình chiết bằng dung môi chọn lọc [2] Quá trình này có nhiệm vụ  tách các hợp chất hydrocacbon thơm đa  vòng các hợp chất nhựa asphan bằng các dung môi có cực nhằm cải thiện   thành phần hóa lọc của dầu nhờn . Các quá trình này được xem như  là các   quá trình làm sạch chọn lọc dầu gốc * Cơ sở lý thuyết của quá trình Các hợp chất nhựa, aromat đa vòng là những cấu tử  có hại, không  mong muốn có mặt trong dầu nhờn. Sự có mặt của chúng không những làm  cho chất lượng kém đi, chỉ số nhớt thấp mà chúng còn làm cho màu dầu rất   xấu. Các hợp chất này bằng phương pháp chưng cất không thể  loại bỏ  được. Làm sạch dựa vào tính chất hòa tan chọn lọc của dung môi có cực  cho phép sản xuất ra được dầu gốc chất lượng cao từ bất kỳ dầu thô nào.  Trần Viết Chánh 13 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Vai trò quan trọng trong quá trình làm sạch chọn lọc là tính chất của dung   môi đó là tác dụng của lực Van der Waals (lực định hướng, cảm ứng, phân  tán) xảy ra giữa dung môi và các hợp chất phân cực cần phải tách đi trong   dầu nhờn. Yếu tố  quan trọng của quá trình làm sạch chọn lọc là độ  chọn  lọc và khả năng hòa tan của dung môi .  Độ chọn lọc là khả năng phân tách rõ ràng các cấu tử nguyên liệu và  rafinat,   bao   gồm     hợp   chất   có   ích     iso­parafin,   naphten,   lai   hợp  parafin   ­   naphten       hợp   chất   thơm     vòng   Còn   phần   trích   ly  (extract) chỉ  chứa các cấu tử  có hại như  là các hợp chất đa vòng, nhựa   asphan và một lượng rất nhỏ các hợp chất có lợi Khả  năng hòa tan của dung môi là đại lượng được thể  hiện bằng  dung  môi cần thiết để  hòa tan một lượng xác định các cấu tử  của nguyên  liệu, hay nói cách khác là trong điều kiện để nhận rafinat có chất lượng xác  định, lượng dung môi cần thiết càng ít để nhận được cùng một rafinat chất  lượng tương  đương, thì khả năng hòa tan của dung môi càng lớn Về nguyên lý, độ chọn lọc và khả năng hòa tan là hai đại lượng ngược  nhau, tăng chỉ tiêu này sẽ  dẫn tới làm giảm chỉ tiêu kia. Độ  chọn lọc là khả  năng hoà tan của mỗi một dung môi không phải là đại lượng cố  định mà  chúng phụ  thuộc vào thành phẩn hoá học của nguyên liệu. Độ  hòa tan của  hydrocacbon trong dung môi có cực không chỉ  phụ  thuộc vào cấu trúc của  hydrocacbon mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ và thường tuân theo một  số quy  luật sau: Khi tăng số vòng trong phân tử hydrocacbon thì độ hòa tan tăng.  Khi tăng chiều dài mạch alkyl, độ hòa tan giảm xuống.  Độ hòa tan giảm khi tăng số nguyên tử cacbon trong naphten Trần Viết Chánh 14 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Độ hòa tan của hydrocacbon thơm sẽ lớn hơn naphten khi có cùng số  nguyên tử cacbon trong vòng.  Hydrocacbon lai hợp naphten ­ thơm có độ  hòa tan cao hơn so với   naphten có cấu trúc tương tự Hyđrocacbon parafin có độ hòa tan nhỏ nhất Như  trên đã nói, ngày nay người ta đâng sử  dụng phổ  biến ba loại   dung môi có cực để tách các hợp chất nhựa và thơm đa vòng ra khỏi nguyên  liệu dầu nhờn là phenol, furfurol là N­metylpyrolidon (NMP) Bảng 1. Một số tính chất của các dung môi Chỉ tiêu Phenol Fufurol NMP Khối lượng riêng ở 20 C, kg/cm 1060 1159 1033 Nhiệt độ sôi,  C 181 162 204 Nhiệt độ nóng chảy,  C +41 ­39 ­24 Nhiệt độ bắt cháy cốc hở,  C 79 59 ­ Nhiệt độ tới hạn,  C 419 396 ­ Áp suất tới hạn, Mpa 6,07 5,3 1,04 Độ nhớt động học ở 50 C, Pa.s 32,4 11,5 10,4 Nhiệt bay hơi, kJ/kg 445,9 450,0 493,1 Nhiệt nóng chảy, kJ/kg 121,4 ­ ­ Nói chung, mục đích của việc chiết tách bằng dung môi là cải thiện  độ  chống lão hoá và đặc tính nhiệt nhớt của dầu gốc. Nếu đem dung môi  hoà trộn kỹ  với phân đoạn dầu sau khi để  yên cho hỗn hợp này lắng tách  thì hai pha hoặc hai lớp sẽ được tạo thành. Pha chiết chứa hầu như toàn bộ  dung môi cùng với các cấu tử tan trong đó, mà chủ  yếu là hydrocacbon no   và một ít dung môi. Còn rafinal gồm các cấu tử không tan. Sau khi tách dung  môi, phần chiết và phần còn lại đều không biến đổi gì về mặt hoá học Trần Viết Chánh 15 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Dung môi tuần hoàn Dung môi Tháp chiết Rafinat và  dung môi Nguyên liệu Dung môi Cột cất dung  môi trong  rafinat Cột cất dung  môi trong  extract Rafinat Phần chiết Dung môi tuần hoàn Hình 5. Sơ đồ nguyên lý chung của quá trình chiết tách bằng dung môi Trong ba loại dung môi, các nhà máy của Nga, dung môi chủ  yếu  dùng cho quá trình làm sạch chọn lọc là phenol. Phenol có khá năng hoà tan  cao, tạo điều kiện thuận lợi cho làm sạch nguyên liệu dầu nhờn, nhất là  loại có chứa nhiều cặn và độ nhớt cao đồng thời dung môi này cũng rẻ tiền  và dễ kiếm. Tuy nhiên, phenol lại rất độc hại đối với người, do đó đặt vấn   đề bảo vệ môi trường và bảo hộ lao động.  Ở  nhà máy khác trên thế  giới lại hay dùng quá trình làm sạch bằng   fufurol do ít độc hại hơn so với phenol. Và tuy có khả năng hoà tan kém hơn   phenol, nhưng dung môi này lại có độ  chọn lọc cao hơn. Điều này sẽ  cho   hiệu     lớn       dùng   fufurol   để   làm     phần   cất   chứa   nhiều   hydrocacbon hơn. Dung môi này được sử dụng rộng rãi để nâng cao chỉ số  độ  nhớt và tính năng, chống oxy hoá của các phân đoạn dầu chưng cất và   dầu cặn. Tính oxy hoá mạnh và dễ tạo nhựa khi có mặt không khí và nước  là nhược điểm chính của dung môi fufurol. Để  tránh quá trình oxy hoá nó,  trong công nghiệp người ta hay áp dụng các biện pháp sau : Bảo quản fufurol trong môi trường khí trơ Trần Viết Chánh 16 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ trong hệ thống đun nóng và tái sinh dung  môi Khử khí sơ bộ khỏi nguyên liệu trước khi tiến hành trích ly  Có thể thêm chất chống oxy hoá đặc biệt và fufurol Bảng 2. Một số tính chất của rafinat được chiết tách bằng fufurol so   với phân đoạn dầu chưng cất  Tính chất Độ nhớt, mm2/s Ở 400C Ở 1000C Chỉ số độ nhớt Khối lượng riêng g/cm3 ở 150C Nhiệt độ đông đặc, 0C Cặn cacbon, % khối lượng Dầu chưng cất gốc naphten Rafinat 93 8,2 26 0,9229 ­32 0,17 77 8,1 61 0,906 ­32 0,07 Bảng 2  này so sánh một số  tính chất của rafinat được tách chiết  bằng fufurol với phân đoạn dầu chưng cất.  Tuy nhiên do khả  năng hoà tan các chất nhựa của fufurol kém nên  dung môi này chỉ áp dụng đối với nguyên liệu dầu nhờn có chất lượng cao.  Nghĩa là nguyên liệu chứa ít nhựa và hợp chất đa vòng. Do vậy, ngày nay  các quá trình này đã được thay thế bằng dung môi NMP có khả năng hoà tan  tốt hơn có độ chọn lọc cao hơn và đặc biệt là có độ độc hại nhỏ hơn Trong quá trình làm sạch bằng phenol và NMP người ta phải giảm  khả  năng hoà tan của các dung môi này để  tăng độ  chọn lọc của chúng  bằng cách cho thêm chất giảm khả  năng hoà tan. Điều này làm cho quá  trình trích ly hoàn thiện hơn và mở  rộng thêm khả  năng chọn điều kiện  công nghệ tối ưu cho quá trình làm sạch Trần Viết Chánh 17 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  Fururol Fururol Lò nung Tháp thu  Phần chiết  hồi  và dung môi fufurol Lò nung Thiết bị đĩa  quay tiếp  xúc Rafinat và  fufurol Rafinat (cần phải tách sáp ) Phần chiết Hình 6. Sơ đồ công nghệ đơn giản của quá trình chiết tách bằng fufurol I.3. Qúa trình tách sáp I.3.1. Khái niệm chung Sáp là một hỗn hợp mà chủ  yếu là các parafin phân tử  lớn và một  lượng nhỏ  các hydrocacbon khác có nhiệt độ  nóng chảy cao (chúng dễ  bị  kết tinh ở nhiệt độ thấp) và kém toà tan vào dầu nhờn ở nhiệt độ  thấp. Vì   chúng cần phải được tách ra khỏi dầu nhờn. Trong thực tế, đa phần  dầu gốc chế tạo từ dầu mỏ đều phải qua khâu tách sáp, xử lý tách parafin   trừ khi hàm lượng parapin thấp không ảnh hưởng tới độ linh động của dầu Tách paraffin là một khâu quan trọng và khó khăn trong quá trình sản   xuất dầu nhờn gốc. Có hai loại quy trình công nghệ  hiện đang được sử  dụng trong công nghiệp sản xuất dầu nhờn, đó là: ­ Làm lạnh để  kết tinh sáp và dùng dung môi để  hoà tan phần dầu đủ  cho phép lọc nhanh tách sáp khỏi dầu nhờn ­ Cracking chọn lọc để  bẻ  gãy parafin tạo sản phẩm hay qúa trình này  còn gọi là quá trình tách parafin dùng xúc tác Tùy theo mức độ  khử  parafin mà người ta có thể  phân thành quá trình   khử parafin bình thường hay quá trình khử parafin triệt để. Trong qúa trình  Trần Viết Chánh 18 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  khử parafin bình thường, người ta nh ận được sản phẩm có nhiệt độ đông  đặc từ  ­10 đến ­150C (­180C). Còn ở quá trình tách triệt để  (tách sâu), sản   phẩm dầu nhờn gốc thường có nhiệt độ  đông đặc từ  ­300C và thấp hơn.  Nhiệt độ đông đặc của dầu sau khi tách sáp phụ thuộc vào chế độ tách sáp    là  nhiệt   độ  và  loại  dung  môi   sử   dụng. Tuy nhiên  việc tách   parafin để  đạt được nhiệt độ  đông đặc cực thấp là không cần thiết vì các   sản xuất này gây ra sự hao hụt dầu rất lớn, hơn nữa chi phí để tách triệt để  parafin rất tốn kém. Mặt khác, parafin lại là thành phần có chỉ  số  độ  nhớt  rất cao I.3.2. Tách sáp bằng phương pháp kết tinh Sáp là hỗn hợp có nhiệt độ  kết tinh thấp, do vậy khi tiến hành làm  lạnh phân đoạn dầu nhờn thì sáp được tách ra do chúng bị  kết tinh. Với   phương pháp kết tinh có thể  xử  lý dầu nhờn chứa sáp thành dầu nhờn  không chứa sáp Quá trình này dựa vào nguyên lý làm lạnh dầu để  kết tinh parafin  rắn, sau đó lọc hoặc ly tâm tách riêng phần rắn khỏi pha lỏng.  Ở các nhà   máy kiểu cũ dầu được làm lạnh trong những giàn lạnh, trong đó hỗn hợp   đặc chứa dầu và sáp được đưa qua giàn lạnh bằng băng chuyền xoắn sau   đó được bơm qua bộ phận lọc áp suất . Tại dây những tinh thể sáp sẽ được  giữ lại để cho dầu không chứa sáp đi qua. Khi lớp sáp đã đủ  dày thì xả  áp   và tháo các bánh sáp thô ra. Tuy nhiên phương pháp này có các nhược điểm  sau: ­ Không liên tục và rất nhiều khâu phải dung tới áp suất  ­ Độ nhớt cao của dầu làm cho quá trình lọc rất khó khăn nhất là với   những có độ nhớt lớn Trần Viết Chánh 19 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  ­ Không áp dụng được cho nguyên liệu là dầu cặn vì sự  có mặt của   các loại sáp vi tinh thể (có kích thước vô cùng nhỏ) được tạo ra trong quá  trình không thể tách ra bằng lọc I.3.3. Tách sáp bằng dung môi chọn lọc [2] Để  khắc phục các nhược điểm trên, người ta sử  dụng dung môi để  tăng độ  linh động của dầu nhờn. Tuy nhiên sáp cũng có thể  hòa tan vào   dung môi, nên phải tiến hành ở nhiệt độ thấp và phải chọn dung môi thích  hợp. Với dung môi có độ  chọn lọc cao, có thể  thu được phần lọc có độ  nhớt thấp ngay   nhiệt độ  làm lạnh và kết tinh. Nhờ  vậy có thể  kết tinh  được mọi thể loại sáp và lại dễ tách ra bằng lọc. Một dung môi tách sáp tốt  phải thỏa mãn các yêu cầu sau: ­ Ít (hay không) hòa tan sáp ­ Hòa tan tốt dầu nhờn ở tại nhiệt độ kết tinh sáp ­ Sáp ở đang tinh thể lớn để dễ tách bằng lọc.  ­ Có nhiệt độ sôi thấp để dễ tách khỏi dầu, tiết kiệm năng lượng ­ Dung môi phải sẵn, rẻ tiền, không độc hại và không gây ăn mòn ­ Tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu dầu thấp để giảm chi phí vận hành Một số loại dung môi hay được sử dụng trong phương pháp này gồm   dung môi chính là các xeton, hydrocacbon thơm và các dẫn xuất clo của   hydrocacbon. Dùng hỗn hợp hai loại dung môi cho hiệu quả  tốt hơn. Vì  vậy phổ biến nhất là dùng dung môi xeton ­ hydrocacbon thơm Sơ  đồ  còng nghệ  tách sáp dùng dung môi được trình bày trên hình 7  bao gồm ba công đoạn sau:  ­ Pha trộn dầu nhờn cần tách sáp với dung môi rồi làm lạnh ­ Lọc hỗn hợp đã làm lạnh để tách sáp ­ Thu hồi dung môi và tái sử dụng chúng Trần Viết Chánh 20 Trường ĐHBK Hà Nội [...]... Trần Viết Chánh 11 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT phân tử lượng cao hầu như không tan trong propan, vì thế tính chất này sẽ  quyết định chế độ công nghệ khử asphan bằng propan. Quá trình tách bằng  chưng cất các phân đoạn chủ  yếu dựa vào trọng lượng phân tử, còn chiết  tách bằng dung môi thì đưa vào chủng loại phân tử. Quá trình tách asphan  nằm ở vị trí trung gian giữa hai quá trình này, vì tách asphan phụ thuộc vào ... Trần Viết Chánh 16 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ trong hệ thống đun nóng và tái sinh dung  môi Khử khí sơ bộ khỏi nguyên liệu trước khi tiến hành trích ly  Có thể thêm chất chống oxy hoá đặc biệt và fufurol Bảng 2. Một số tính chất của rafinat được chiết tách bằng fufurol so   với phân đoạn dầu chưng cất Tính chất Độ nhớt, mm2/s Ở 400C Ở 1000C... môi, phần chiết và phần còn lại đều không biến đổi gì về mặt hoá học Trần Viết Chánh 15 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Dung môi tuần hoàn Dung môi Tháp chiết Rafinat và  dung môi Nguyên liệu Dung môi Cột cất dung  môi trong  rafinat Cột cất dung  môi trong  extract Rafinat Phần chiết Dung môi tuần hoàn Hình 5. Sơ đồ nguyên lý chung của quá trình chiết tách bằng dung môi...ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT hiệu quả mong muốn. Chính vì thế  người ta thường tiến hành khử  asphan  trước. Trong sản xuất dầu nhờn, phổ biến dùng propan lỏng để  khử  chất   nhựa, asphanten trong phân đoạn gudron Mục đích của quá trình này là ngoài việc tách các hợp chất nhựa ­   asphan, còn cho phép tách cả... ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Fururol Fururol Lò nung Tháp thu  Phần chiết  hồi  và dung môi fufurol Lò nung Thiết bị đĩa  quay tiếp  xúc Rafinat và  fufurol Rafinat (cần phải tách sáp ) Phần chiết Hình 6. Sơ đồ công nghệ đơn giản của quá trình chiết tách bằng fufurol I.3. Qúa trình tách sáp I.3.1. Khái niệm chung Sáp là một hỗn hợp mà chủ  yếu là các parafin phân tử  lớn và một ... khử parafin bình thường hay quá trình khử parafin triệt để. Trong qúa trình  Trần Viết Chánh 18 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT khử parafin bình thường, người ta nh ận được sản phẩm có nhiệt độ đông  đặc từ  ­10 đến ­150C (­180C). Còn ở quá trình tách triệt để  (tách sâu), sản   phẩm dầu nhờn gốc thường có nhiệt độ  đông đặc từ  ­300C và thấp hơn.  Nhiệt độ đông đặc của dầu sau khi tách sáp phụ thuộc vào chế độ tách sáp   nhất... giữ lại để cho dầu không chứa sáp đi qua. Khi lớp sáp đã đủ  dày thì xả  áp   và tháo các bánh sáp thô ra. Tuy nhiên phương pháp này có các nhược điểm  sau: ­ Không liên tục và rất nhiều khâu phải dung tới áp suất  ­ Độ nhớt cao của dầu làm cho quá trình lọc rất khó khăn nhất là với   những có độ nhớt lớn Trần Viết Chánh 19 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT ­ Không áp dụng được cho nguyên liệu là dầu cặn vì sự... mong muốn có mặt trong dầu nhờn. Sự có mặt của chúng không những làm  cho chất lượng kém đi, chỉ số nhớt thấp mà chúng còn làm cho màu dầu rất   xấu. Các hợp chất này bằng phương pháp chưng cất không thể  loại bỏ  được. Làm sạch dựa vào tính chất hòa tan chọn lọc của dung môi có cực  cho phép sản xuất ra được dầu gốc chất lượng cao từ bất kỳ dầu thô nào.  Trần Viết Chánh 13 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT ... THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Vai trò quan trọng trong quá trình làm sạch chọn lọc là tính chất của dung   môi đó là tác dụng của lực Van der Waals (lực định hướng, cảm ứng, phân tán) xảy ra giữa dung môi và các hợp chất phân cực cần phải tách đi trong   dầu nhờn. Yếu tố  quan trọng của quá trình làm sạch chọn lọc là độ  chọn  lọc và khả năng hòa tan của dung môi .  Độ chọn lọc là khả năng phân tách rõ ràng các cấu tử nguyên liệu và ... hydrocacbon mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ và thường tuân theo một  số quy  luật sau: Khi tăng số vòng trong phân tử hydrocacbon thì độ hòa tan tăng.  Khi tăng chiều dài mạch alkyl, độ hòa tan giảm xuống.  Độ hòa tan giảm khi tăng số nguyên tử cacbon trong naphten Trần Viết Chánh 14 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Độ hòa tan của hydrocacbon thơm sẽ lớn hơn naphten khi có cùng số  nguyên tử cacbon trong vòng.