3.3.1.1. Cấu trúc nguyên liệu
Nguyên liệu của công đoạn khử asphalt là cặn của tháp chưng cất chân không. Cặn chưng cất chân không được xem như một hệ keo của các hợp chất có khối lượng phân tử lớn mà các hợp chất này được xếp thành 3 họ phân biệt gần như tan lẫn trong nhau:
• Phân đoạn môi trường dầu là pha nhẹ nhất của phần cặn và bao gồm các hợp chất parafin, cycloparafin, và aromatic nhẹ. Khối lượng phân tử trung bình của chúng khoảng 700. Các phân tử này thường gồm chừng 50 nguyên tử C và cả các nguyên tử S và N
• Phân đoạn nhựa có cấu trúc phân tử được tạo thành từ các hợp chất aromatic ngưng tụ có mạch vòng béo (cycloaliphatique) dài bảo đảm được độ hòa tan của chúng trong môi trường dầu. Khối lượng phân tử trung bình của nhựa khoảng 1000. Các phân tử này thường gồm chừng 100 nguyên tử C và cả các nguyên tử S, N, Ni và V. Môi trường dầu và nhựa thường được nhóm lại dưới tên gọi là malten.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 88 • Phân đoạn Asphalt có cấu trúc thơm đa vòng ngưng tụ, có dạng phẳng, chứa khoảng chừng từ 6-20 vòng aromatic. Khối lượng phân tử trung bình của nó khoảng 1000 đến 2000. Phân tử của chúng thường chứa trên 100 nguyên tử C và cả các nguyên tử S, N và kim loại (Ni và V dưới dạng porphyrine). Các mạch nhánh của asphalt rất ngắn để bảo đảm sự giả hòa tan của asphalt trong môi trường dầu qua trung gian của nhựa, sao cho về mặt tổng thể ta có thể nói là asphalt hòa tan trong môi trường dầu, nhưng thực chất trên phương diện vi mô thì asphalt lại tồn tại dưới dạng các hạt nhỏ (có kích thước khoảng vài A°) được bao bọc bởi nhựa và lơ lửng trong môi trường dầu.
Như vậy cặn chưng cất chân không là 1 hỗn hợp gồm 3 chất kể trên và trên phương diện vĩ mô, nó là một hỗn hợp đồng nhất, ổn định vì tất cả các hợp chất asphalt của chúng đều được (giả) hòa tan, không để lại bất kỳ cặn nào qua lọc. Do vậy không thể tách asphalt và cả nhựa ra khỏi môi trường dầu bằng phương pháp lắng lọc mà phải sử dụng phương pháp trích ly.
3.3.1.2. Mục đích của quá trình
Mục đích của công đoạn khử asphalt là tách các hợp chất asphalt và các loại nhựa có trong cặn chưng cất chân không ra khỏi môi trường dầu nhờn.
Quá trình khử asphalt phải luôn luôn được xem như là một công đoạn lọc dầu trung gian, nhất thiết phải có, nó đồng bộ trong sơ đồ công nghệ lọc dầu vì nó làm tăng giá trị cho các sản phẩm của quá trình đó là các phân đoạn asphalt+nhựa và phân đoạn dầu nhờn.
• Làm tăng giá trị các phân đoạn dầu nhờn:
- Sản xuất dầu gốc (Bright stock-dầu sáng), parafin và xi (cire). Hiện thời là ứng dụng quan trọng nhất.
- Điều chế nguyên liệu (các phần cất trung bình có chất lượng cao) cho công đoạn cracking xúc tác, nhằm gia tăng các các sản phẩm nhiên liệu nhẹ.
• Làm tăng giá trị các phân đoạn asphalt: - Sản xuất nhựa đường
- Sử dụng như là thành phần của chất đốt rắn trong công nghiệp
- Làm nguyên liệu cho các công đoạn chuyển hóa như công đoạn giảm nhớt, công đoạn tạo cốc...
a. Quá trình khử asphalt để sản xuất dầu nhờn
Cho dù tổng lượng các loại sản phẩm dầu mỡ chỉ chiếm chừng 2% tổng lượng các sản phẩm tạo ra từ dầu thô, nhưng các tiêu chuẩn kỹ thuật về chất lượng yêu cầu đối với dầu nhờn đòi hỏi kỹ thuật sản xuất rất cao và phức tạp. Để thu được dầu nhờn từ dầu thô, ta phải thực hiện một loạt từ 5-6 công đoạn. Hai công đoạn đầu tiên là các quá trình chưng cất khí quyển và chưng cất chân không. Phần cặn chưng cất chân không sau đó được xử lý bằng công đoạn khử asphalt (bằng dung môi C3), từ đây ta có được dầu đã khử asphalt rất nhớt. Tiếp đó dầu này phải trải qua công đoạn trích ly (dùng dung môi furfural hoặc NMP) để tách loại các hợp chất aromatic để thu được dầu có chỉ số độ nhớt thích hợp. Sau đó dầu phải trải qua quá trình khử parafin (bằng dung môi MEK-toluen) cho phép ta thu được chỉ tiêu yêu cầu về điểm chảy. Giai đoạn cuối cùng là giai đoạn hoàn thiện bằng hydro để chỉnh màu và mùi cho dầu bằng cách tách loại các tạp chất như các hợp chất lưu huỳnh, oxy và nitơ) (hình 3.10)
Nhựa hắc ín, sản phẩm phụ của quá trình khử asphalt có thể dùng để phối trộn bitum (trộn với cặn chưng cất chân không hoặc với phần trích có aromatic). Chất lượng của bitum có thể đạt được bằng quá trình pha lỏng và oxy hóa (thổi không khí).
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 89
Hình 3.10 Vị trí của quá trình khử asphalt trong dây chuyền sản xuất dầu nhờn cơ sở b. Quá trình khử asphalt để cung cấp nguyên liệu cho các công đoạn chuyển hóa
Việc ứng dụng quá trình khử asphalt cho cặn chân không nhằm thu được dầu khử mà dầu khử này sẽ dùng làm nguyên liệu cho các công đoạn chuyển hóa cracking xúc tác FCC hay cho công đoạn cracking bằng hydro đã ngày càng được phát triển.
Hình 3.11 Vị trí của quá trình khử asphalt làm nguyên liệu cho quá trình chuyển hóa
3.3.1.3. Nguyên lý của quá trình khử asphalt
Công đoạn khử asphalt được thực hiện trong thiết bị trích ly. Trong đó dung môi là các khí hydrocarbon nhẹ hóa lỏng (C3,C4,C5), ở nhiệt độ môi trường và áp suất khí quyển, trong khi tiếp xúc trực tiếp với nguyên liệu, nó sẽ hòa tan tốt môi trường dầu và nhờ đó giúp cho sự kết tủa của phân đoạn asphalt trong nguyên liệu được dễ dàng. Nhưng tùy theo các mục đích khác nhau mà dung môi được sử dụng cũng khác nhau:
- Để sản xuất dầu nhờn chất lượng cao: khi không có công đoạn xử lý tạp chất bằng hydro cho dầu đã khử asphalt thì propan là dung môi tốt nhất vì nó cho dầu có chất lượng cao tuy nhiên hiệu suất thu hồi dầu (lượng dầu) không cao. Đó là do propan hòa tan rất chọn lọc chỉ môi trường dầu điều đó còn có nghĩa asphalt và nhựa sẽ tự kết tủa rất thuận lợi.
- Để nâng cao sản lượng dầu nhờn: cần phải có thêm công đoạn bổ trợ xử lý tạp chất bằng hydro cho dầu đã khử asphalt thì sử dụng pentan làm dung môi là tốt nhất (vì do pentane hòa tan không chọn lọc, nó hòa tan toàn bộ dầu và cả nhựa nghĩa là sẽ cho lượng dầu nhiều mặc dù dầu kém chất lượng. Nhưng tiếp đó dầu sẽ còn qua công đoạn xử lý tạp chất để nâng cao chất lượng, nhờ vậy thu được rất nhiều dầu).
- Để điều chế nguyên liệu (là dầu đã khử asphalt) cho công đoạn cracking FCC hay cracking hydro HDC (hydrocraquage), khi không có công đoạn xử lý bằng hydro cho dầu đã khử asphalt, thì sử dụng hỗn hợp propane và butane làm dung môi để khử asphalt là tốt nhất vì ta cần nhiều lượng nguyên liệu đồng thời chỉ cần chất lượng của nguyên liệu là trung bình cũng được.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 90 3.12):
Hình 3.12 Nguyên lý của quá trình trích ly khử asphalt
• Khử asphalt (kết tủa asphalt): vùng giữa • Khử nhựa (kết tủa nhựa): vùng cao • Lắng gạn asphalt: vùng thấp
a. Khử asphalt
Tại khu vực giữa tháp, khi dung môi tiếp xúc với nguyên liệu, dung môi sẽ hòa tan dầu và 1 phần nhựa (tùy độ chọn lọc của dung môi) tạo thành pha dung môi-dầu-nhựa, tách ra khỏi pha asphalt rồi đi lên trên. Như vậy là dung môi đã phá vỡ cân bằng tồn tại bên trong hệ keo giữa môi trường malten (dầu và nhựa) và pha asphalt bằng cách hòa tan malten, còn lại pha asphalt sẽ tự kết tủa lại và lắng xuống dưới.
b. Khử nhựa
Quá trình khử nhựa ra khỏi dầu sản phẩm dựa trên việc tạo ra dòng hồi lưu nội (bằng tạo chênh lệch lớn nhiệt độ giữa vùng đỉnh và vùng giữa tháp: ~20°C, tạo chênh lệch khối lượng riêng, dẫn đến đối lưu của 2 dòng bên tháp) cho phép cải thiện việc tách pha dung môi- dầu ra khỏi các hợp chất nhựa từ pha dung môi-dầu-nhựa đi lên từ vùng khử asphalt.
Hỗn hợp dung môi-dầu-nhựa được đun nóng ở đỉnh thiết bị bằng các ống xoắn ruột gà. Dưới tác dụng của sự gia tăng nhiệt độ, dung môi sẽ hòa tan rất tốt vào dầu rồi đi ra khỏi đỉnh thành sản phẩm dầu gốc. Còn các thành phần nhựa bị kết tủa ở trạng thái lơ lửng trong môi trường dung môi-dầu sẽ lắng xuống.
c. Lắng
Quá trình lắng asphalt gồm quá trình rửa ngược dòng bằng dung môi tinh khiết đi từ dưới lên. Vùng lắng nằm giữa vùng nhập liệu và đáy của tháp trích ly. Quá trình lắng asphalt càng thuận lợi khi dòng hồi lưu nội là nhỏ nhất. Điều này thực hiện được bằng cách giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ vùng nhập liệu và vùng đáy tháp trích ly.