Ứng dụng của dầu thô

Ứng dụng của dầu thô

LỜI MỞ ĐẦU

Mục tiêu của đồ án công nghệ II nhằm trang bị cho sinh viên các kỹ năng cần thiết khi vận dụng những kiến thức đã học để thiết kế sơ đồ công nghệ của một nhà máy lọc dầu với nguồn nguyên liệu cho trước Từ đó, các em tiến hành tính toán tính chất đặc trưng của các sản phẩm đi ra từ các phân xưởng khác nhau để cuối cùng đi phối trộn các sản phẩm cuối cùng theo nhu cầu cho trước và đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật các sản phẩm theo tiêu chuẩn quốc tế

Để có thể thực hiện tốt đồ án này, sinh viên cần phải nắm vững các kiến thức cơ bản của các môn chuyên ngành: Hóa học dầu mỏ, các quá trình chuyển hóa hóa học trong công nghệ lọc dầu, sản phẩm dầu mỏ thương phẩm Đặc biệt, các em cần phải vận dụng nhuần nhuyễn phần mềm Excel để tính tối ưu các bài toán phối liệu, sau đó phải tính lặp nhiều lần để có thể thiết kế một nhà máy lọc dầu với các phân xưởng vận hành theo năng suất và điều kiện tối ưu

Có thể nói, Đồ án công nghệ II sẽ giúp cho sinh viên năm cuối nắm vững và hệ thống lại toàn bộ các kiến thức chuyên ngành đã học, chuẩn bị tốt cho các em thực hiện bước cuối cùng là Đồ án tốt nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Khoa Hóa Kỹ Thuật

Bộ môn Công Nghệ Hóa Học - Dầu & Khí -o-o -

ĐỒ ÁN CÔNG NGHỆ II ỨNG DỤNG DẦU THÔ

Nhóm sinh viên thực hiện :

I- Đề bài:

Tính toán công nghệ cho một nhà máy lọc dầu với nguyên liệu là dầu thô ARABE LÉGER

Số liệu ban đầu

Năng suất nhà máy, 103 t/năm: 8600

Tại tháp chưng cất khí quyển thu được các phân đoạn sau:

Phân đoạn Khoảng nhiệt độ sôi (toC)

GAS: Xăng nhẹ 20 ÷ 85 BZN: Xăng nặng 85 ÷ 190

GO: Gasoil 240 ÷ 370 RDA: Phần cặn khí quyển >370+ RSV: Phần cặn chân không >540+

Sơ đồ công nghệ của nhà máy có thể gồm có:

- Một phân xưởng chưng cất khí quyển (DA) tách khí và các phân đoạn dầu thô - Một phân xưởng chưng cất chân không xử lý phần cặn khí quyển (RA) nhằm thu

2 loại nguyên liệu:

- Phần cất chân không cung cấp cho FCC,

- Phần cặn chưng cất chân không cung cấp cho Visbreaking (VB) và sản xuất bitum

- Một phân xưởng Reforming xúc tác (RC), với nguồn nguyên liệu có thể là: - Phân đoạn xăng nặng (BZN) thu được từ DA,

- Xăng thu được từ quá trình giảm nhớt (VB)

- Một phân xưởng crắcking xúc tác tầng sôi (FCC) xử lý phần cất chân không - Một phân xưởng giảm nhớt (VB) xử lý phần cặn chưng cất chân không - Một phân xưởng HDS để xử lý các loại nguyên liệu nếu cần thiết

II- Yêu cầu và nội dung đồ án

Sử dụng phần mềm Excel lập chương trình tính toán và Word soạn thảo thuyết minh

Nội dung đồ án:

- Đề tài

- Mục lục

- Chương I: MỞ ĐẦU: Giới thiệu chung về dầu thô và các loại sản phẩm, chức năng và nhiệm vụ của nhà máy lọc dầu, nhiệm vụ của đồ án và hướng giải quyết

- Chương II: TÍNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU: Tính cân bằng vật liệu cho mỗi công đoạn, cho mỗi phân xưởng và cho toàn bộ nhà máy (Yêu cầu mô tả rõ ràng các phương pháp tính toán, tra tài liệu, chú thích tài liệu tham khảo, kết thúc mỗi phần phải có bảng tổng hợp cân bằng vật liệu)

- Chương III: TÍNH PHỐI LIỆU SẢN PHẨM để cung cấp những sản phẩm sau theo nhu cầu của thị trường (Yêu cầu sử dụng phần mềm Excel để phối liệu tối ưu bảo đảm được số lượng và chất lượng của sản phẩm, từ đó xác định năng suất của mỗi phân xưởng và sơ đồ công nghệ của nhà máy):

Dầu đốt dân dụng FOD 1300 Nhiên liệu đốt lò N02 FO2 1050

- Chương IV: TÍNH CÂN BẰNG NHIỆT LƯỢNG CHO NHÀ MÁY

- Chương V: KẾT LUẬN: Từ kết quả tính toán được, nhận xét về phương pháp tính toán, tính khả thi khi xem xét các mặt: Tiêu chuẩn kỹ thuật, nhu cầu thị trường, công nghệ, thiết bị, cân bằng nhiên liệu đốt

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục (01 sơ đồ dây chuyền công nghệ của toàn nhà máy khổ A3 gắn kèm theo đồ án và các phụ lục khác nếu có)

Mỗi nhóm nộp 01 bản thuyết minh và 01 đĩa mềm gồm 3 file: Word (thuyết minh), Excel (tính toán) và ACAD (bản vẽ)

Bản vẽ: 01 sơ đồ dây chuyền công nghệ của toàn nhà máy khổ A1,

III- Thời gian tiến hành

1 Tính toán các tính chất của các sản phẩm dầu mỏ 1.1 Tỉ trọng

Để xác định tỉ trọng d415 của các sản phẩm dầu mỏ :

- Trước hết ta dựa vào biểu đồ d415 - % thể tích phần chưng cất được để xác định

d415 của phân đoạn nhẹ đầu tiên ;

- Sau đó, để xác định d415 của các phân đoạn tiếp theo, ta dùng nguyên tắc cộng

tính theo thể tích

Cụ thể, ta có :

- Phân đoạn 1 có thể tích v1 và có tỉ trọng d1 ; - Phân đoạn 2 có thể tích v2 và có tỉ trọng d2 ; - Phân đoạn 3 có thể tích v3 và có tỉ trọng d3 ; - Phân đoạn n có thể tích vn và có tỉ trọng dn

Ta có thể minh họa trên biểu đồ Tỉ trọng - hiệu suất % thể tích thu xăng

C5+ :

Hình 5 : Biểu đồ Tỉ trọng - hiệu suất % thể tích thu xăng C5+

V1 V2 V3 rendement en essence C5+ (%vol) dm3

dm2 là tỉ trọng của phân đoạn hỗn hợp 1 và 2, tương ứng với phần thể tích vm2 = v1 + v2

dm3 là tỉ trọng của phân đoạn hỗn hợp 1, 2 và 3, tương ứng với phần thể tích vm3 = v1 + v2 + v3

Theo nguyín tắc bảo toăn khối lượng, ta có : mΣ = m1 + m2

dm2.Vm2 = d1.V1 + d2.V2

hay : dm2.vm2 = d1.v1 + d2.v2

Suy ra :

Tương tự, ta có :

Cứ như vậy, ta sẽ tính toân được tỉ trọng của tất cả câc phđn đoạn

Đối với KER, GO, để xâc định tỉ trọng, ta sử dụng câc số liệu trong bảng phđn tích dầu thô ARABIAN LIGHT ;

1.2 Nhiệt độ sôi trung bình của phđn đoạn

1.2.1 Nhiệt độ sôi trung bình đê hiệu chỉnh (tv - tempĩrature moyenne pondĩrĩe)

tv được tính toân dựa văo đường cong ASTM hoặc TBP ; •

• Nếu sử dụng đường cong ASTM, tv được tính theo công thức :

Nếu sử dụng đường cong TBP, tv được tính theo công thức : •

t 205080v

1.2.2 Nhiệt độ sôi trung bình tiíu chuẩn tmav (temperature mean average)

- Tính độ dốc s của đường cong chưng cất : (% thể tích/oC)60

tts 70− 10

- Dựa văo (Hình 3), ta suy ra ∆tmav - tmav = tv + ∆tmav

1.3 Hệ số đặc trưng KUOP (K W)

Người ta cĩ thể xác định KUOP của các phân đoạn dầu mỏ theo 2 cách :

- Dùng biểu đồ P2 để tra ra gía trị của KUOP nếu biết tỉ trọng d415 và nhiệt độ sơi trung bình tiêu chuẩn tmav của phân đoạn đĩ ;

- Aïp dụng cơng thức :

×

1.4 Hàm lượng lưu huỳnh

Dựa vào biểu đồ % Lưu huỳnh theo khối lượng - hiệu suất thu xăng C5+ theo % khối lượng (Hình 1), ta tra được hàm lượng lưu huỳnh có trong phân đoạn nhẹ đầu

tiên (xăng nhẹ) ;

Sau đó, dựa vào biểu đồ trên và biểu đồ % Lưu huỳnh theo khối lượng - hiệu

suất thu cặn theo % khối lượng (Hình 2), dùng phương pháp cộng tính theo khối lượng, ta tính được hàm lượng lưu huỳnh có trong các phân đoạn tiếp theo

Nghĩa là :

1.5 Khả năng chống kích nổ của các sản phẩm xăng

Để xác định giá trị của RON có pha 0,15g Tétraéthyl Chì /l :

- Xác định giá trị của RON không pha Chì và RON 0,5o/oo, bằng cách sử dụng biểu

đồ « NO éthylé 0,5o/oo - NO clair - hiệu suất thu xăng » ;

- Sau đó, dùng P4 để xác định giá trị của RON có pha 0,15g TEP/l (0,15g TEP/l ≈

0,54cc TEP/gallon ≈ 0,142 o/oo) bằng cách nối 2 giá trị của RON không pha Chì và RON 0,5o/oo, sau đó từ hàm lượng 0,15g TEP/l gióng lên sẽ cắt đường thẳng trên tại một điểm Từ điểm này gióng ngang qua, ta xác định được giá trị của RON có pha 0,15g TEP/l

Sau khi đã xác định RON của xăng nhẹ, ta sẽ tiến hành xác định RON của

xăng nặng theo phương pháp cộng tính về thể tích

1.6 Hàm lượng hydrocarbure Aromatique

Để xác định hàm lượng Aromatique cho xăng nhẹ, ta tra trên biểu đồ « %

Aromatique - hiệu suất thu xăng theo % thể tích » ;

Hàm lượng Aromatique của xăng nặng và Kérosène sẽ được xác định theo phương pháp cộng tính về thể tích

1.7 Độ nhớt

1.7.1 Độ nhớt động học ν (viscosite cinematique)

Mối liên hệ giữa độ nhớt động lực µ và độ nhớt động học ν :

Với : ρ - khối lượng thể tích

Người ta có thể tính gần đúng giá trị của độ nhớt dựa vào các công thức của Abbott và Al (1971) :

,

log 100

8,0325.10

Với : ν210 - độ nhớt động học ở 210 ÒF, mm2/s hay cSt ; ν100 - độ nhớt động học ở 100 ÒF, mm2/s hay cSt ; • Chú ý :

- Các công thức tính độ nhớt trên không áp dụng được nếu KW < 10 và A <0 - Giới hạn áp dụng các công thức trên :

0,5 < ν100 < 20 cSt và 0,3 < ν210 < 40 cSt - Sai số trung bình khoảng ≤ 20%

Từ các độ nhớt tính toán được ν100 và ν210, muốn chuyển sang các giá trị độ nhớt ν20o

Cách xác định :

- Đối với mỗi phân đoạn , xác định trên biểu đồ 2 điểm có nhiệt độ là 1000F và 2100F tương ứng với các ν100 và ν210 đã biết ;

- Kẻ một đường thẳng đi qua 2 điểm đó ;

- Dựa vào đường thẳng kẻ được để xác định độ nhớt ở những nhiệt độ cần thiết Riêng đối với cặn của quá trình chưng cất khí quyển, độ nhớt được xác định dựa

vào biểu đồ Độ nhớt động học (cSt) - hiệu suất thu cặn (% khối lượng)

1.8 Khối lượng phân tử

• Để xác định khối lượng phân tử cho xăng nhẹ, ta tra trên biểu đồ « Masse

molaire - hiệu suất thu xăng C5+ theo % khối lượng » ;

• Khối lượng phân tử của xăng nặng và Kérosène sẽ được xác định theo phương pháp cộng tính về khối lượng

• Nếu ta gọi :MΣ, M1, M2, …, Mn : khối lượng phân tử của phân đoạn hỗn hợp và của từng phân đoạn thành phần ;

mΣ, m1, m2, …, mn : khối lượng của phân đoạn hỗn hợp và của từng phân đoạn thành phần ;

%mΣ, %m1, %m2, …, %mn : khối lượng của phân đoạn hỗn hợp và của từng phân đoạn thành phần ;

Ta có :

• Còn đối với những phân đoạn có tỉ trọng tiêu chuẩn S < 0,97 và nhiệt độ sôi Tb < 840K , ta có thể xác định khối lượng phân tử của chúng theo công thức của Riazi sau đây :

10

Trong đó : M - khối lượng phân tử, kg/kmol ;

Tb - nhiệt độ sôi trung bình tiêu chuẩn của phân đoạn, K; S - tỉ trọng tiêu chuẩn của phân đoạn

Sai số trung bình khi tính toán theo 2 công thức trên khoảng ≤ 5 %

• Khối lượng phân tử cũng có thể được xác định tương đối chính xác đối với những phân đoạn không xác định được nhiệt độ sôi trung bình tiêu chuẩn mà chỉ xác định được độ nhớt ở 100oF và 210oF theo công thức sau :

M = 223,56 ν100(1,1228S - 1,2435) ν210(3,4758 - 3,038S) S-0,6665Với : M - khối lượng phân tử, kg/kmol ;

ν100 - độ nhớt động lực ở 100oF (37,8 oC) ν210 - độ nhớt động lực ở 210oF (98,9 oC) S - tỉ trọng tiêu chuẩn của phân đoạn

• Sai số trung bình khi tính toán theo công thức trên khoảng ≤ 10 %

1.9 Áp suất hơi bão hòa

• Để xác định áp suất hơi bão hòa Reid (TVR) của Xăng nhẹ ⇒ sử dụng biểu đồ

TVR - % khối lượng của xăng

• TVR của Xăng nặng được xác định theo phương pháp cộng tính về phần mol :

• Chuyển đổi từ áp suất hơi bão hòa Reid (TVR) sang áp suất hơi bão hòa thực (TVV) :

TVRTVVR =

Giá trị của hệ số chuyển đổi được cho trong bảng 4.13 (I - 162)

1.10 Điểm chớp cháy

• Được xác định theo công thức [4.102] được đưa ra bởi API (I - 164) :

Với : T10 - nhiệt độ sôi tương ứng với độ cất 10% thể tích theo đường cong ASTM [K]

Sai số trung bình của công thức trên khoảng ≤ 5 oC

• Để chuyển T10 (TBP) sang T10 (ASTM) ⇒ áp dụng công thức [4.104] của Riazi (I - 165) :

T’ = a Tb

Với : T’ - nhiệt độ xác định theo đường ASTM D86 [K]

a, b - các hệ số, phụ thuộc vào thành phần % chưng cất được, giá trị được tra theo bảng [4.16] (I - 166)

1.11 Chỉ số Cétane (IC)

• Được xác định theo công thức được đưa ra bởi công ty ETHYL theo phương pháp ASTM D 976 (I - 222):

IC = 454,74 - 1641,416 ρ + 774,74 ρ2 - 0,554 (T50) +97,083 (log T50)2Với : ρ - khối lượng riêng của nhiên liệu ở 15 oC [kg/l]

T50 - nhiệt độ sôi tương ứng với 50% độ cất theo phương pháp ASTM D86 [K]

1.12 Điểm chảy

• Đối với các phân đoạn trung gian như GO ⇒ xác định điểm chảy theo biểu đồ

Điểm chảy ( oC) - % khối lượng của phân đoạn ở điểm đầu, % khối lượng của phân đoạn ở điểm cuối

• Đối với RA ⇒ xác định điểm chảy theo biểu đồ Điểm chảy ( oC) - % khối lượng của cặn RA

• Đối với KER, ta áp dụng công thức [4.113] được đưa ra bởi API (I - 174) :

() (0310333S)

100S474061209712EC 13047SM

• Sai số của công thức trên khoảng 5 oC

• Công thức chỉ áp dụng được đối với các phân đoạn có điểm chảy < 60 oC

2 CÂN BẰNG VẬT CHẤT CHO CÁC PHÂN XƯỞNG KHÁC

2.1 Phân xưởng chưng cất chân không

• Theo đề bài, khoảng phân đoạn của RSV là 565 + oC, từ đó ta có bảng sau : Khoảng phân

đoạn, oC Phần khối lượng, % Hiệu suất % khối lượng chung

Hiệu suất % khối lượng đối với RA

DSV RSV

370 - 565 565 +

53,67 ÷ 83,67 83,67 ÷ 100

30,00 16,33

64,75 35,25

• Nguyên liệu là RA với năng suất 3845,39.103 T/n ⇒ sản lượng của DSV thu được là :

DSV : 3845,39.103 x 64,75 % = 2489,89.103 T/n

• Nhưng phân xưởng FCC theo dữ liệu ban đầu chỉ đạt năng suất theo nguyên liệu là 240 T DSV/h, tức là 1920.103 T/n ⇒ không đưa hết RA làm nguyên liệu cho tháp chưng cất chân không, mà chỉ đưa một lượng là :

1920.103 x 100 / 64,75 = 2965,25.103 T/n • Vậy lượng RA còn lại là :

3845,39.103 - 2965,25.103 = 880,13.103 T/n ⇒ sẽ được dùng để phối liệu sản phẩm sau này

• Lượng RSV thu được là :

Sản lượng theo khối lượng x 103T/n

d415 Sản lượng theo thể tích x 103T/n

DSV RSV

64,75 35,25

1920 1045,25

0,922 1,025

2082,43 1019,76 Charge : RA 100 2965,25 0.956 3102,19

2.2 Cracking xúc tác tầng sôi

Để thiết lập bảng cân bằng vật liệu cho quá trình FCC

• Từ nguyên liệu là DSV có : d415 = 0,922 APIo = 21,94 Tmav = 467,5 KUOP = 11,87

• Sử dụng biểu đồ 1 của FCC : Từ giá trị của APIo và KUOP của nguyên liệu, ta suy ra được :Hiệu suất chuyển hóa theo % thể tích của nguyên liệu = 67,8 % thể tích

% khối lượng cốc tạo thành = 6,1 % thể tích gasoil sản phẩm LCO = 13,6

Cặn HCO = 100 - hiệu suất chuyển hóa theo % vol nguyên liệu - % vol gasoil sản phẩm

= 100 - 67,8 - 13,6 = 18,6 % thể tích

• Theo dữ liệu ban đầu, sản phẩm xăng của phân xưởng FCC có RON claire = 92 Như vậy, từ giá trị RON cl và hiệu suất chuyển hóa theo % thể tích của nguyên liệu, ta sử dụng biểu đồ 2 của FCC và suy ra được :

hiệu suất thu xăng 10 RVP = 56,4 % thể tích thành phần khí khô = 6,9 % khối lượng

• Sử dụng biểu đồ 3, từ % khối lượng của khí khô ⇒ thành phần của khí như sau : C2- = 1,65

C3= = 3,90 C3 = 1,40 C4= = 2,84 iC4 + nC4 = 4,34

• Xăng 10 RVP là xăng có áp suất hơi bão hòa ≈ 0,69 bar

• Xác định % S trong các sản phẩm của quá trình FCC ⇒ đi từ hàm lượng lưu huỳnh của nguyên liệu DSV là 2,47 % và suy ra được :

% S của xăng = 0,222 % khối lượng % S của LCO = 3,102 % khối lượng % S của HCO = 4,338 % khối lượng • Xác định chỉ số Octane của xăng sản phẩm :

Theo chỉ tiêu về công nghệ RON CL = 92 Từ công thức trình bày trên biểu đồ 2 của FCC :

RON3cc = RONCL + 7 + 0,5 ( 92 - RONCL) = 92 + 7 + 0,5 ( 92 - 92 )

31383 × 330 × 159 l = 1646,67 106 l/n = 1646,67 103 m3/n

• Theo cân bằng vật liệu của phân xưởng chưng cất khí quyển, lưu lượng thể tích của BZN thu được là : 1646,67 103 m3/n ⇒ đưa toàn bộ BZN thu được từ quá trình chưng cất trực tiếp làm nguyên liệu cho phân xưởng Reforming xúc tác • Đặc trưng của nguyên liệu BZN : d415 = 0,747

Tmav = 130oC ⇒ KUOP = 12,06

• Theo chỉ tiêu về công nghệ, sản phẩm xăng (Reformat C5+) có RONCL = 97,5 Kết hợp với KUOP của nguyên liệu = 12,06, sử dụng biểu đồ 1 của quá trình Reforming xúc tác ⇒ hiệu suất thu Reformat C5+ là : 78,6

• Từ hiệu suất thu Reformat C5+ = 78,6, sử dụng biểu đồ 2 của quá trình Reforming xúc tác, ⇒ hiệu suất thu các loại khí hydrocarbure và H2 :

C1 = 1,45 % khối lượng C2 = 2,7 % khối lượng C3 = 3,8 % khối lượng C4 = 5,5 % khối lượng

Và H2 = 4,90 - 0,2 × KUOP = 4,90 - 0,2 × 12,06 = 2,488 % khối lượng

2.4 Quá trình khử lưu huỳnh (hydrodésulfuration - HDS)

• Điều kiện vận hành của các thiết bị khử lưu huỳnh với các loại nguyên liệu khác nhau :

Khoảng phân Hàm lượng lưu Điều kiện vận hành

Nguyên liệu đoạn, oC huỳnh ppH2, bars VVH, h-1 Nhiệt độ,

oC Xăng

Kérosène GO nhẹ GO nặng

GO chân không RA

RSV

70 - 170 160 - 240 240 - 350 300 - 390 350 - 550 350+550+

0,5 - 1 ppm 50 - 100 ppm 0,05 - 0,2 % 0,1 - 0,3 % 0,1 - 0,3 % 0,5 - 1 % 0,2 - 0,5 %

5 - 8 8 - 12 10 - 20 15 - 25 30 - 40 90 - 110 60 - 70

5 - 8 4 - 6

3 - 6 2 - 4

1,5 - 3 0,3 - 1 0,5 - 1,5

330 - 370 330 - 370 340 - 390 350 - 400 360 - 400 370 - 400 370 - 400

• Xác định lượng H2 tiêu thụ : bao gồm : 1- H2 dùng để khử lưu huỳnh :