* Nguyên tắc trích ly
Để khảo sát nguyên tắc của quá trình trích ly ta giả thiết dung môi đầu và dung môi thứ hoà tan hạn chế vào nhau. Khi đó thành phần mỗi pha trích ly gồm 3 cấu tử. Do đó để đơn giản ta chọn biểu đồ pha trên toạ độ tam giác đều. Trên đỉnh của tam giác biểu diễn cấu tử phân bố (M), dung môi đầu (L) dung môi thứ (G) tinh khiết 100%.
Mỗi điểm nằm trên các cạnh của tam giác đều biểu diễn thành phần của dung dịch hai cấu tử. Mỗi điểm nằm trong tam giác đều biểu diễn thành phần của dung dịch gồm ba cấu tử.
Hình 13: Biểu đồ pha hệ ba cấu tử
Hỗn hợp hai cấu tử M và L hoàn toàn tan lẫn vào nhau, dùng dung môi thứ G có khả năng hoà tan chọn lọc Mđể tách chúng ra gọi là trích ly.
Hỗn hợp đầu giả sử gồm hai cấu tử L và M hoà tan hoàn toàn vào nhau, có thành phần đợc biểu diễn ở F0 trên cạnh ML. Nếu ta thêm dung môi thứ G vào hỗn hợp F0, ta thu đợc hỗn hợp 3 cấu tử mà thành phần của hỗn hợp này đợc biểu diễn ở điểm N nằm trên đờng thẳng F0G, vị trí của điểm N tuỳ thuộc vào tỷ lợng G/F0.
Giả sử ở điểm N, hỗn hợp N là hỗn hợp dị thể, không hoà tan vào nhau phân thành 2 pha. Pha rafinat gồm hầu hết là L, một phần dung môi thứ G và cấu tử phân bố M. Pha trích gồm hầu hết là G, một phần là M và L. Trong đó nồng độ của cấu tử phân bố trong pha trích EE' lớn hơn trong rafinat RR'.
Sv : Quỏch Văn Hũa. 60 Lớp Húa Dầu I – K48 ĐHBKHN
G M L R F0 F1 Fm F R1 E E1 E'
Tách dung dịch rafinat ra khỏi dung dịch trích (thờng bằng phơng pháp gạn) rồi thêm dung môi thứ G vào rafinat, ta đợc một hệ 3 cấu tử mới có thành phần đợc biểu diễn ở N1. Hỗn hợp N1 là hỗn hợp không đồng nhất sẽ phân thành hai pha rafinat R1 và pha trích E1.
Rõ ràng thành phần của dung môi đầu trong R1 sẽ lớn hơn trong R, tiếp tục quá trình nh trên ta tìm cách tách dung môi thử ra khỏi rafinat thì cuối cùng ta thu đợc rafinat gồm hầu hết là dung môi đầu.
Cấu tử cần tách M có độ tinh khiết tối đa sau khi đã tách hết dung môi G chỉ đạt đến điểm Fm. Tuy nhiên để đạt đợc hiệu quả tách cao hơn ta có thể thay đổi điều kiện của quá trình nh giảm nhiệt độ (tăng kích thớc của vùng dị thể), chọn dung môi có kích thớc vùng dị thể lớn hơn, có độ dốc đờng liên hợp lớn hơn.
III.3. Dung môi furfurol
Dung môi furfurol có công thức phân tử là :C4H3CHO, furfurol là một hợp chất tinh khiết, là một chất lỏng không màu hoà tan rất tốt trong dung môi hữu cơ ít tan trong nớc dung môi này là dung môi rất quan trọng ,dùng để sản xuất nhựa, tinh chế dầu nhờn...
Ngày nay ngời ta đang sử dụng phổ biến 3 loại dung môi có cực để tách các hợp chất nhựa và thơm đa vòng ra khỏi nguyên liệu dầu nhờn là phenol, furfurol và N metylpyrolidon (NMP).
Các nhà máy ở Liên Bang Nga, dung môi chủ yếu dùng cho quá trình làm sạch chọn lọc là phenol. Phenol có khả năng hoà tan cao, tạo điều kiện thuận lợi cho làm sạch nguyên liệu dầu nhờn, nhất là loài có chứa nhiều cặn và có độ nhờn cao, đồng thời dung môi này cũng rẻ tiền và dễ kiếm.
Nhng ở các nhà máy khác trên thế giới lại hay dùng quá trình làm sạch bằng dung môi chon lọc furfurol do ít độc hại hơn so với phenol. Và tuy có khả năng hoà tan kém hơn phenol, nhng dung môi này có độ chon lọc cao hơn. Điều này sẽ cho hiệu quả lớn hơn khi dùng furfurol để làm sạch phần cất chứa nhiều hidrocacbon thơm.Tính ôxy hoá mạnh và dễ tạo nhựa khi có mặt không khí và nớc là nhợc điểm chính của dung môi furfurol. Để tránh quá trình oxy hoá, trong công nghiệp ngời ta hay dùng các biện pháp sau:
Bảo quản furfurol trong môi trờng khí trơ. Kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ trong hệ thông đun nóng và tái sinh dung môi hay khử khí sơ bộ của nguyên liệu trớc khi tiến hành trích ly, hoặc có thể thêm các chất chống oxy hoá đặc biệt vào furfurol.
Do khả năng hoà tan các chất nhựa của furfurol kém nên các dung môi này chỉ áp dụng đối với nguyên liệu dầu nhơn có chất lợng cao, nghĩ là nguyên liệu chứa ít nhựa và các hợp chất đa vòng. Nhng ngày nay ngời ta có thể thay thế băng dung môi NMP có khả năng hoà tan tốt hơn, có độ chọn lọc cao hơn và nhất là có độ độc hại nhỏ hơn.
III.4. Lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ của quá trình III.4.1. Lựa chọn sơ đồ công nghệ
Furfurol có tính chọn lọc nên tách triệt để các cấu tử dầu nhờn ra khỏi phần thải vì vậy làm tăng hiệu suất sản phẩm rafinat có khả năng giữ chênh lệch nhiệt độ cao theo chiều cao của tháp trích ly , nhờ vậy, mà làm tăng nhiệt độ hoà tan tới hạn của nguyên liệu .
Furfurol sử dụng có hiệu quả cao đối với nguyên liệu là các phân đoạn dầu nhờn thu đợc từ dầu mỏ lu huỳnh.
Khi dùng làm sạch nguyên liệu dầu nhờn cặn nặng thu đợc từ quá trình khử asphan trong gudron bằng furfurol và phenol (với tỷ lệ nh nhau ) thì ta thấy hiệu suất sản phâm rafinat khi dùng dung môi furfurol cao hơn phenol .Từ đó ta thấy rằng việc
lựa chọn sơ đồ công nghệ sản xuất dầu nhờn gốc bằng dung môi chọn lọc furfurol và chọn các nguyên liệu từ phân đoạn dầu nhờn cất của quá trình chng cất từ mazut .
III.4.2. Sơ đồ cụng nghệ trích ly bằng dung môi furfurol ( hỡnh 14 )[1]
III.4.3. Thuyết minh sơ đồ
1. Bể chứa nguyờn liệu I . Nguyờn liệu 2(a…l) . Bơm II . Furfurol 3(a…d) . Thiết bị trao đổi nhiệt III . Rafinat 4. Thiết bị tỏch khụng khớ IV . Extract 5(a…f) . Thiết bị làm lạnh V . Hơi furfurol 6. Thỏp đĩa quay VI . Hơi nước 7(a…c) . Lũ gia nhiệt VII . Nước ngưng 8. Thỏp bay hơi dung mụi VIII . Cặn
9. Thỏp tỏi sinh rafinat lần 1 IX . Khụng khớ và hơi nước 10. Thỏp tỏi sinh extract lần 1 X . Đi hỳt chõn khụng 11. Thỏp tỏi sinh extract lần 2
12. Thỏp tỏi sinh extract lần3 13. Thỏp bay hơi dung mụi
14. Thỏp tỏi sinh rafinat lần 2 15. Thỏp tỏi sinh extract lần 4 16. Thiết bị thu chõn khụng
17. Thiết bị lắng
18. Thỏp tỏch dung mụi nước 19. Thiết bị thu chõn khụng
20. Bể lắng giả rafinat 21. Bể chứa sản phẩm 22. Bể chứa extract 23. Bể chứa nước ngưng 24. Bể chứa cặn và dung mụi 25. Bể chứa furfurol
Nguyên liệu (dầu nhờm cất hay cặn). Bơm (2a) bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt (3a) ở đây nó đợc đốt nóng đến nhiệt độ 130 đến 1400C rồi đi vào phần trên của tháp tách không khí (4) . Thiết bị này là hình trụ thẳng đứng có bố trí các đĩa bên trong . Thiết bị tách không khí (4) làm việc ở áp suất chân không (áp suất d khoảng 9,5 – 10 kPa) . Nhiệt độ khử khí là 120-1300C . Không khí đợc tách cùng với hơi n- ớc đi ra khỏi đỉnh tháp . Sau đó nguyên liệu đã khử khí đợc bơm (2b) bơm vào thiết bị làm lạnh (3a) đợc đốt nóng rồi đi vào phần dới của tháp trích ly (6) tại đây dung môi đầu và dung môi hồi lu xuống từ phía trên của tháp trích ly vào thiết bị trích ly , khi đó ở trong tháp trích ly phân ra hai lớp là một lớp là extract và lớp kia là rafinat . Phần rafinat sau khi trích ly ra đỉnh tháp qua thiết bị trao đổi nhiệt (3b) rồi đi vào lò ống (7a) hỗn hợp đợc đun nóng đến nhiệt độ 260-2900C rồi sau đó đợc dẫn ra khỏi lò đốt rồi đi vào phần giữa của tháp bay hơi (8) ở tháp này phần lớn furfurol tách ra ở dạng hơi . Hơi đi ra ở đỉnh tháp đợc làm lạnh nhờ thiết bị làm lạnh (5d) rồi dẫn qua
thiờt bị thu chõn khụng (19) . Còn phần rafinat có lẫn ít extract đi ra ở đáy tháp (8) rồi đi vào phần trên của tháp (9) . Tháp có nhiệm vụ tách nốt phần extract còn lại trong rafinat . Sau khi tách xong phần rafinat ra ở đáy tháp dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt (3b). Còn phần extract và ít hơi nớc ra ở phần trên của tháp (9) đợc đa sang thiết bị làm lạnh (5e) chảy vào thiết bị thu chõn khụng (16). Còn ở phần đáy của tháp trích ly extract ra ở đáy tháp đi vào thiết bị làm lạnh (5b) sản phẩn sau khi làm lạnh tiếp tục đợc đa vào thiết bị lắng (20) tại đây phần giả rafinat đựơc hồi lu trở lại tháp trích ly . Còn ít extract nhờ bơm (2c) bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (3c) trao đổi
nhiệt độ tại đây rồi đi qua thiết bị đun nóng (7b) tại đây nhiệt độ đun nóng đến 250- 2800C sau đó hợp chất này đi vào tháp tỏi sinh extract(10). Sau khi chng song extract ra ở đỉnh tháp đi qua thiết bị trao đổi nhiệt độ (3c) rồi đi vào phần giữa của tháp tỏi
sinh (11) tại đây dung môi lắng ở đây và đi ra, đợc hồi lu trở lại tháp trớch ly. Còn phần đáy của tháp (10) dẫn qua lò đốt (7c) tại đây nhiệt độ đợc đun nóng đến 250-2800C sau khi đợc đun nóng song đợc đa qua thiết bị tỏi sinh (12) .Tại đây dung môi ra ở đỉnh dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt (3d) . Kết hợp với phần dung môi ra ở đáy tháp tỏi sinh thứ hai rồi dẫn qua thiết bị làm lạnh (5c) tiếp tục đợc làm lạnh và hồi lu trở lại tháp trích ly . Còn phần extract ra ở đáy tháp tỏi sinh thứ ba dẫn vào phần trên của tháp bay hơi (13) tách dung môi ở đây dung môi ra ở đỉnh tháp ở dạng hơi, kết hợp với dung môi ra ở (8) rồi đợc tuần hoàn trở lại tháp trích ly. Còn phần sản phẩm đáy ra ở thiết bị (13) rồi đi vào phần trên của tháp (15) phần trích lắng ở đáy tháp này đợc tháo chảy vào bể chứa . Còn extract còn lại ra ở phần trên của thiết bị (14) kết hợp với phần extract ra ở (9) để đi xử lý tiếp . Còn phần extract ra ở đỉnh của tháp tỏi sinh (11) đợc đa vào thiết bị làm lạnh (5f) rồi chảy vào thiết bị phân ly (17) .Tại đây hỗn hợp đợc dẫn vào thỏp (18) chứa sản phẩm sau khi tỏi sinh phần trích đợc dẫn vào thiết bị tỏi sinh cuối sản phẩm trích ra ở đáy tháp này . Rồi dẫn qua bể chứa còn extract ra ở tháp chng cuối kết hợp với extract ra ở đỉnh tháp (11) tiếp tục quá trình cho đến khi đặt đợc yêu cầu sử dụng và an toàn cho môi trờng .
III.4.4. L a ch n nguyự ọ ờn li u [1,3,4,5,6] ệ
Việc lựa chọn nguyên liệu cho quá trình trích ly có ý nghĩa hết sức quan trọng. Nguyên liệu quyết định đến chất lợng sản phẩm và giá thành sản xuất. Nguyên liệu tốt sẽ cho sản phẩm tốt, giá thành cao. Ngợc lại, nguyên liệu xấu sẽ cho sản phẩm xấu, giá thành thấp. Tốt hay xấu nghĩa là hàm lợng cấu tử có lợi hay có hại nhiều hay ít trong dầu nhờn. Mặt khác nguyên liệu còn ảnh hởng đến công nghệ sản xuất. Nguyên liệu có độ nhớt cao chọn dây chuyền công nghệ trích ly dầu nhờn bằng dung
môi phenol. Nguyên liệu có độ nhớt thấp thì lựa chọn công nghệ sản xuất bằng dung môi furfurol. Nguyên liệu còn phụ thuộc vào sản phẩm và yêu cầu của các phân xởng sản xuất khác nhau.
Nh vậy, việc lựa chọn nguyên liệu làm cho chi phí sản xuất thấp nhất chất lợng thấp nhất, lợi nhuận thu đợc nhiều nhất. Đối với dây chuyền công nghệ trích ly sản xuất dầu nhờn bằng dung môi furfurol thì nguyên liệu cần dùng là dầu cất từ dầu mỏ Bankinski.
* Đặc điểm của loại dầu này
- Dung dịch pha rafinat chứa cấu tử có lợi cao, ít cấu tử có hại, chất lợng dầu nhờn tốt .
- Khả năng tách dung môi rất tốt .
Tuy nhiên, tỷ lệ dung môi trên nguyên liệu cao. Để khắc phục hiện tợng này ngời ta tách dung môi cho tuần hoàn trở lại tháo trích ly, nên việc bổ sung dung môi sẽ ít hơn.
Sản phẩm phụ thuộc phần lớn vào nguyên liệu, công nghệ, chế độ công nghệ điều kiện làm việc cũng nh trình độ của công nhân.
Sản phẩm dầu nhờn sau khi trích ly có chất lợng cao, nghĩa là dầu gốc có chất lợng cao, phụ gia dùng để pha trộn ít.
III.4.5.Chế độ công nghệ [1]
Khi tiến hành làm sạch bằng dung môi furfurol, ngoài thành phần hoá học của nguyên liệu và dung môi, cần phải xác định các điều kiện công nghệ của quá trình nh tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu, chế độ nhiệt và các chất pha thêm vào dung môi. Nhiệt độ tiến hành quá trình, trớc hết đợc chọn dựa vào đaị lợng nhiệt độ tan lẫn hoàn toàn nguyên liệu và dung môi và nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ hoà tan tới hạn của
dung môi (KTS). Nhiệt độ trích ly cần phải nhỏ hơn nhiệt độ KTS. Nhiệt độ hoà tan tới hạn của dung môi đối với các phân đoạn dầu nguyên liệu phụ thuộc vào thành phần phân đoạn và vào tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu
Hình 15: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc giữa KTS và nồng độ dung môi
Đồ thị biểu diễn KTS và nồng độ dung môi
khi biết KTS vùng lắng rafinat cần chọn thấp hơn nhiệt độ này từ 5-150C (nhiệt độ đỉnh tháp trích ly).để tạo động lực trích ly cần có sự chênh lệch nhiệt độ đỉnh tháp trích ly trong khoảng từ 5-300C.nhiệt độ này đợc điều chỉnh bằng nhiêt độ cấp nguyên liệu và dung môi vào tháp trích ly cũng nh nhiệt độ của dòng tuần hoàn.
Tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu .
Tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu cũng là một thông số cơ bản của quá trình trích ly, vì cùng với chế độ nhiệt nó xác định hiệu suất và chất lợng rafinat .
H iệ u su ất raf in at C hỉ s ố nh ớt 1 2 2 1 KTS T0 2 1 H iệ u xu ất rafi n at
Hình 16: Đồ thị biểu diễn ảnh hởng giữa tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu đến chất l- ợng rafinat
sự phụ thuộc của hiệu suất rafinat vào tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu và nhiệt độ trích ly . Có thể biểu diễn bằng phơng trình thực nghiệm sau:
lg(100 - R )=(a+bT)lgS+cT+d Trong đó:
R : hiệu suất rafinat . T : nhiệt độ trích ly .
S : tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu . a,b,c,d : các hằng số thực nghiệm .
Tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu phụ thuộc vào chất lợng nguyên liệu, vào yêu cầu chất lợng sản phẩm dầu nhờn cần thu . Tỷ lệ này thay đổi trong một thời gian tơng đối rộng. Khi làm sạch nguyên liệu là các phân đoạn dầu nhờn cất và mục đích là nhận dầu nhờn có chất lợng tốt, chỉ số độ nhớt cao ta lấy tỷ lệ furfurol trên nguyên liệu từ 2-4/1. Dung môi furfurol là một dung môi có độ chọn lọc cao cho nên việc đòi hỏi chế độ công nghệ là hết hết sức khắt khe.
III.4.6. Các thiết bị chính
a) Thiết bị trích ly
Có rất nhiều loại thiết bị dùng để trích ly: tháp phun, tháp có tấm ngăn, tháp đệm, tháp đĩa lới có ống chảy chuyền, tháp đĩa vành khăn có cánh khuấy (đĩa quay tiếp
xúc), tháp có gây chấn động ngoài. Tuy nhiên với điều kiện làm việc là dầu nhờn thì tháp đĩa quay tiếp xúc có u thế nhất:
- Có đĩa quay nên khả năng phân tán của dung môi vào trong dầu nhờn cất rất tốt, mặc dù chúng có độ nhớt cao.
- Năng suất làm việc lớn. - Hiệu suất của quá trình cao. - Dễ tự động hóa.
* Nguyên lý làm việc:
Dầu cất nguyên liệu bơm từ đĩa cuối cùng của tháp lên, có nhiệt độ nhất định, dung môi đợc bơm từ trên xuống, xảy ra quá trình tiếp xúc và phân tán dung môi vào nguyên liệu nhờ đĩa quay. Nhiệt độ đỉnh tháp cao hơn nhiệt độ đáy tháp, nên tỷ trọng ở đỉnh tháp thấp hơn đáy tháp. Quá trình trích ly xảy ra phân
thành hai pha. Pha rafinat nhẹ hơn nằm ở trên, pha trích nặng hơn nằm ở dới đáy