Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như hỗn hợp khí đã hóa lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp.
Tuỳ theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình thành chưng cất đơn giản, chưng cất phức tạp, chưng cất nhờ cấu tử bay hơi, hay chưng cất chân không.
Chưng cất đơn giản:
Chưng cất bay hơi dần dần: phương pháp này thường áp dụng trong các phòng thí nghiệm, dùng để xác định đường cong chưng cất dầu.
Chưng cất bằng cách bay hơi một lần: phương pháp này còn gọi là bay hơi cân bằng.
Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần: gồm nhiều quá trình chưng cất bay hơi một lần nối tiếp nhau.
Chưng cất phức tạp:
Chưng cất có hồi lưu: là quá trình chưng cất khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay trở lại tưới vào dòng bay hơi, nhờ sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm các cấu tử nhẹ so với khi không có hồi lưu. Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế chặt chẽ về nhiệt độ và lượng hồi lưu.
Chưng cất có tinh luyện: chưng cất có tinh luyện còn có độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu. Trong quá trình chưng cất có tinh luyện có 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 nhờ các đĩa được bố trí bên trong.
Luận văn Cao học
Chưng cất trong chân không và chưng cất với hơi nước: hỗn hợp các cấu tử trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ của chúng thì ta phải tiến hành chưng cất ở chân không vì chân không làm giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp hoặc chưng cất với hơi nước vì hơi nước làm giảm áp suất riêng của các cấu tử làm cho nó có nhiệt độ sôi thấp hơn, khi chưng cất với hơi nước thì phải lựa chọn lượng hơi nước đem chưng cất cùng với nhiệt độ và áp suất của nó.
2.2. Quá trình chưng cất dầu thô
Chưng cất dầu thuộc nhóm các phương pháp chế biến vật lý trong công nghệ hóa dầu, quá trình này chia dầu thô thành các phần gọi là các phân đoạn, thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử mà không làm phân hủy chúng.
Có hai phương pháp chưng cất là chưng cất trong khí quyển AD (Atmospheric Distillation) và chưng cất trong chân không VD (Vacuum Distillation). Chưng cất trong khí quyển AD với nguyên liệu là dầu thô hay còn gọi là quá trình CDU (Crude oil Distillation Unit), nguyên liệu của quá trình chưng cất VD là cặn của quá trình chưng cất AD (cặn chưng cất hay mazut). Tuỳ theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà người ta sử dụng quá trình AD, quá trình VD hay kết hợp cả hai (A-V-D). Trên thực tế, phương pháp A-V-D đang được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy lọc dầu hiện đại trên thế giới.
Khi áp dụng công nghệ AD, ta chưng cất dầu thô với mục đích nhận được các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng), phân đoạn kerosen, phân đoạn diesel (nhẹ, nặng) và các phần cặn của quá trình chưng cất. Nếu muốn chưng cất sâu thêm phần cặn thô nhằm mục đích nhận thêm các phân đoạn gasoil chân không hay các phân đoạn dầu nhờn thì ta phải chưng cất tiếp phần cặn thô bằng công nghệ VD.
Nguyên liệu
Thiết bị đun sôi Hồi lưu Sản phẩm H2O H2O Bể chứa Cặn đáy
Hình 2.1. Cấu tạo của một tháp chưng cất đơn giản
2.3. Chế độ công nghệ và sơ đồ công nghệ chưng cất dầu khí 2.3.1. Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất
Các yếu tố và thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến năng 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 vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục đích và
yêu cầu của quá trình, chủng loại sản phẩm, từ đó xây dựng dây chuyền công nghệ hợp lý để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.
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 sẽ hiệu chỉnh được chất lượng và hiệu suất của sản phẩm. Chế độ nhiệt của tháp gồm nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp.
- Nhiệt độ nguyên liệu: được khống chế tuỳ thuộc vào bản chất của từng loại dầu thô, mức độ phân tách sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp. Chủ yếu là phải tránh được sự phân huỷ nhiệt của các cấu tử ở nhiệt độ cao, nhiệt độ của nguyên liệu vào được điều khiển thông qua nhiệt độ của lò ống.
- Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần hồi lưu đáy. Nếu bay hơi phần hồi lưu đáy bằng một thiết bị đốt nóng riêng biệt (reboiller) thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt độ bốc hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp. Nếu bốc hơi bằng phương pháp dùng hơi nước quá nhiệt nhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn nhiệt độ vùng nạp nguyên liệu. Nhiệt độ tại đáy tháp phải chọn tối ưu, tránh phân huỷ các cấu tử nặng nhưng cũng phải đủ để bay hơi hết phần nhẹ.
- Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi hoàn toàn của sản phẩm đỉnh mà không bị cuốn theo các sản phẩm nặng. Để tách các sản phẩm nặng ra khỏi sản phẩm đỉnh, làm tinh khiết hơn sản phẩm đỉnh thì phải dùng hồi lưu đỉnh tháp, nhiệt độ đỉnh tháp khi chưng cất khí quyển thường từ 100-2000C, khi chưng cất chân không với áp suất là từ 10 đến 70 mmHg thì nhiệt độ không được quá 1200C.
Áp suất của tháp chưng
Khi chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển thì áp suất tuyệt đối trong tháp thường cao hơn một chút so với áp suất khí quyển, ở mỗi phần sản phẩm lấy ra cũng có áp suất khác nhau. Áp suất trong tháp chưng được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh áp suất đặt ở thiết bị ngưng tụ.
Khi chưng cất ở áp suất chân không thì áp suất thường được khống chế từ 10 đến 70 mmHg, độ chân không càng sâu thì cho phép chưng cất sâu hơn nhưng sẽ dẫn đến sự khó khăn cho việc chế tạo thiết bị.
Chỉ số hồi lưu
Là tỷ lệ của lượng dầu hồi lưu so với lượng dầu sản phẩm, chỉ số hồi lưu càng cao thì sản phẩm ra càng tinh khiết nhưng lượng sản phẩm lấy ra càng ít, do đó phải tính toán chỉ số hồi lưu phù hợp để sản phẩm ra có độ tinh khiết cần thiết nhưng vẫn phải đảm bảo năng suất. Chỉ số hồi lưu cũng có thể dựa trên lượng dầu hồi lưu và lượng dầu nguyên liệu vào. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Để duy trì sự làm việc ổn định của tháp chưng cất, cần phải nắm vững các nguyên tắc sau:
- Điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng. - Nếu áp suất tăng lên thì chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn và do đó lượng chất lỏng càng nhiều, có thể dẫn đến hiện tượng sặc tháp, làm giảm hiệu quả phân tách.
- Nếu các điều kiện khác trong tháp là cố định thì sản phẩm đỉnh, sản phẩm cạnh sườn và cả sản phẩm đáy sẽ nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên.
- Nhiệt độ đáy tháp quá thấp thì sản phẩm đáy sẽ chứa nhiều phần nhẹ. - Nếu nhiệt độ cấp vào đáy tháp quá thấp, lượng hơi trên các khay chứa đĩa sẽ nhỏ hơn, phần lỏng chảy xuống bộ phận chưng càng nhiều.
- Với sơ đồ chưng cất có sử dụng thiết bị reboiler, nhiệt độ của reboiler quá thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và do đó làm tăng lượng cặn.
- Nếu nhiệt độ đỉnh quá cao, sản phẩm sẽ quá nặng và có nhiều sản phẩm hơn so với thiết kế và ngược lại.
- Nhiệt độ cần thiết để tách phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn khi tách các phân đoạn nhẹ.
- Cần chú ý đến lượng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh, vì nếu lượng nước không đủ thì nhiệt độ tháp quá cao, dẫn đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.
2.3.2. Lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ của quá trình chưng cất
Việc chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ chưng cất trước hết phụ thuộc vào các đặc tính của nguyên liệu và mục đích của quá trình chế biến. Có thể lựa chọn sơ đồ công nghệ theo đặc tính của nguyên liệu như sau:
Đối với dầu mỏ có chứa khí hoà tan thấp (0,5 đến 1,2%), trữ lượng xăng thấp (12 đến 15% phân đoạn có nhiệt độ sôi đến 1800C) và hiệu suất các phân đoạn có nhiệt độ sôi tới 3500C không lớn hơn 45% thì sơ đồ chưng cất AD với bay hơi một lần và tháp chưng cất là phù hợp hơn cả.
Đối với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng sản phẩm trắng cao (50 đến 60%), chứa nhiều khí hoà tan (>1,2%), chứa nhiều phân đoạn xăng (20 đến 30%) thì nên chọn sơ đồ chưng cất AD với bay hơi hai lần. Lần thứ nhất tiến hành bay hơi sơ bộ phần nhẹ và tinh cất chúng ở tháp sơ bộ, lần thứ hai tiến hành chưng cất phần dầu còn lại. Sơ đồ công nghệ chưng cất với tháp bay hơi sơ bộ được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy của Liên bang Nga và Tây Âu hiện nay, sơ đồ này cho phép đặt được độ sâu chưng cất cần thiết và linh hoạt hơn khi liên kết các khối AD và VD với các loại nguyên liệu dầu thô khác nhau.
Trên thực tế trong công nghệ chế biến dầu mỏ có rất nhiều loại sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô, để có cái nhìn tổng quát về công nghệ chưng cất dầu ta tìm hiểu sơ đồ công nghệ chưng cất A-V-D có kết hợp quá trình khử nước, muối bằng điện, có nhận nguyên liệu cho sản xuất BTX (Bezen, Toluen, Xylen – các hydrocacbon mạch vòng cho tổng hợp hữu cơ) sau đây:
Hình 2.2. Chưng cất AVD có nhận nguyên liệu cho sản xuất BTX
1.Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Khử muối, nước bằng điện; 3. Tháp chưng sơ bộ; 4. Làm lạnh ngưng tụ;
5. Bể chứa; 6,9,13. Lò ống; 7. Cột phân đoạn chính ở áp suất khí quyển;
8. Cột tách phụ; 10. Tháp chưng chân không; 12. Thiết bị tách khí; 13. Bể lắng;
14. Tháp khử butan; 16,17,18,19. Tháp phân chia xăng; 20. Thiết bị đốt nóng.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ:
Ban đầu, nguyên liệu dầu thô và các chất khử nhũ tương được đưa vào đốt nóng trong các thiết bị trao đổi nhiệt 1, sau đó được đưa vào thiết bị khử nước và muối bằng điện 2. Thiết bị khử này sẽ tách nước và muối rồi lại đưa sản phẩm quay trở về 1 và cho vào tháp tách sơ bộ 3. Dầu sẽ được tách toàn bộ các cấu tử nhẹ của xăng và khí dầu tại tháp này. Các khí hyđrocacbon và xăng nhẹ sẽ nằm trên đỉnh
tháp và được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh ngưng tụ bằng không khí và nước 4 và vào thùng chứa 5, một phần chất lỏng được tưới hồi lưu lại đỉnh tháp 3. Khí và xăng từ thùng chứa 5 được đưa vào tháp khử Butan 14. Tại đáy tháp 3, dầu sau khi đã được tách bớt xăng sẽ được cho đi qua lò đốt nóng 6. Qua đây, dầu có nhiệt độ cao được tách thành hai dòng, dòng nhỏ sẽ được đưa quay trở lại đáy tháp để điều chỉnh nhiệt độ đáy tháp, dòng chính sẽ dẫn vào tháp tách AD 7. Hơi bốc lên từ đỉnh tháp 7 sẽ qua các thiết bị ngưng tụ và làm lạnh rồi cho quay trở về thùng chứa 5 cùng với sản phẩm đỉnh tháp 3 và tháp khử Butan 14. Tháp chưng cất AD 7 sẽ được tách ra 3 phân đoạn cạnh xườn: 1800C-2200C; 2200C -2800C; 2800C -3500C. Mỗi phân đoạn được qua tách hơi phụ riêng biệt 8. Hơi nước quá nhiệt được đưa vào đáy của tháp chưng cất để tách hết các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp. Từ tháp 7, phần cặn rộng (cặn thô hay mazut) được qua lò ống gia nhiệt để làm nguyên liệu cho tháp chưng cất chân không VD số 10. Tháp này sẽ tách ra gasoil chân không, phần đầu tiên sẽ được làm lạnh và một phần quay lại để tưới hồi lưu đỉnh, sản phẩm tiếp theo là phân đoạn tối màu hơn. Sản phẩm đáy là cặn gurdon, sau khi tách ra được làm lạnh và cho hồi lưu đáy tháp để chỉnh nhiệt độ của cặn trong khoảng 320 – 3300C. Để tránh sự phân huỷ ở đáy tháp VD số 10 và lò ống 9 cũng như các thiết bị bốc hơi hydrocacbon và hơi nước tách ra từ đỉnh tháp chưng VD 10 được qua hệ thống tạo chân không sau khi đã được ngưng tụ trong thiết bị 4 rồi vào thiết bị tách hơi 12. Pha hơi được bơm chân 11 hút theo, còn pha lỏng cho qua thùng chứa 13 để phân tách riêng dầu và nước.
Xăng chưa ổn định từ thiết bị 5 cho qua trao đổi nhiệt 1 và đi vào ổn định trong tháp khử butan. Phần C1 – C4 tách ra ở đỉnh tháp, qua làm lạnh và được chia thành 2 phần, một phần cho hồi lưu và một phần được phân chia trong thiết bị phân chia khí thành khí ngưng tụ (LPG) và khí khô (C1 – C2).
Xăng đã khử butan được cho qua chưng cất tiếp trong các tháp 16, 17, 18, 19 thành các phân đoạn hẹp: <620C, 620C - 850C, 850C - 1050C, 1050C -1400C, 1400C - 1800C và 85 – 1800C, dùng làm nguyên liệu cho các quá trình sản xuất benzen,
2.3.3. Chế độ công nghệ của dây chuyền
Ta vẫn lấy sơ đồ công nghệ trình bày như hình 2.2 để nghiên cứu, chế độ công nghệ dây chuyền như sau:
Thiết bị khử nước, muối
Nhiệt độ dầu (0C) Áp suất (MPa) Tiêu hao hơi (% so với dầu)
Cấp 1 135 1,2 5
Cấp 2 125 1,1 3
Cột tách sơ bộ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cấp liệu Đỉnh cột Đáy cột Tưới hồi lưu Nhiệt độ (0C) 205 155 240 70 Áp suất (MPa) 0,5 Chỉ số hồi lưu (kg/kg) 0,6/1 Cột chưng AD Nhiệt độ cấp liệu (0C) 365 Nhiệt độ đỉnh cột (0C) 146
Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 180-230 (0C) 196
Nhiệt độ cửa ra tưới hồi lưu 1 (0C) 216
Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 230-280 (0C) 246
Nhiệt độ tưới hồi lưu 2 (0C) 260
Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 280-360 (0C) 312
Nhiệt độ đáy tháp (0C) 342
Nhiệt độ tại thiết bị chứa (0C) 60
Áp suất tại đỉnh tháp (MPa) 0,25
Áp suất tại thiết bị chứa (MPa) 0,20
Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 180-230 (0C) 2 Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 230-280 (0C) 1 Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 280-360 (0C) 0,5
Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) > 3600C 2,5
Chỉ số hồi lưu (kg/kg) 1,4/1
Tháp chưng chân không VD
Nhiệt độ cấp liệu (0C) 395
Nhiệt độ đỉnh cột (0C) 125
Nhiệt độ tại cửa ra của gasoil nhẹ (0C) 195
Nhiệt độ tại cửa ra của phân đoạn dầu nhờn rộng (0C) 260 Nhiệt độ tại cửa ra của phân đoạn dầu tối màu (0C) 300
Nhiệt độ tại đáy tháp (0C) 352
Áp suất chân không ở đỉnh tháp (kPa) 8
Tháp khử butan Nhiệt độ cấp liệu (0C) 145 Nhiệt độ đỉnh tháp (0C) 75 Nhiệt độ đáy tháp (0C) 190 Nhiệt độ thùng chứa (0C) 55 Áp suất đỉnh cột (MPa) 1,1
Áp suất thùng chứa (MPa) 1,05
Chỉ số hồi lưu (kg/kg) 3,5/1
Các cột phân chia xăng
Cột 16 17 18 19 Nhiệt độ cấp liệu (0C) 154 150 117 111 Nhiệt độ đỉnh tháp (0C) 134 132 82 96 Nhiệt độ đáy tháp (0C) 202 173 135 127 Chỉ số hồi lưu (kg/kg) 1,3/1 2,4/1 4/1 2,2/1 Áp suất đỉnh tháp (MPa) 0,45 0,13 0,35 0,20
Quá trình chưng cất dầu khí là một quá trình đòi hỏi rất gắt gao về chế độ