7. Cấu trúc của luận văn
3.2. Làm giảm hiệu suất của các thiết bị trao đổi nhiệt
3.2.1. Các thiết bị trao đổi nhiệt tại khu vực nguội của phân xưởng CCR
Thiết bị trao đổi nhiệt tại khu vực nguội của phân xưởng CCR gồm: Thiết bị đun sôi lại bằng hơi nước cao áp E-1307, thiết bị trao đổi nhiệt nguyên liệu đầu vào của tháp E-1306A/B/C/D, thiết bị làm nguội sản phẩm xăng Reformate bằng nước E- 1305A/B và thiết bị làm nguội dịng sản phẩm khí hóa lỏng LPG ở đỉnh E-1310.
3.2.2. Hậu quả của lắng đọng muối NH4Cl đối với các thiết bị trao đổi nhiệt
▪ Làm gia tăng chênh lệch áp suất qua các thiết bị trao đổi nhiêt, tăng trở lực và làm cản trở lưu lượng dịng ngun liệu. Dẫn đến giảm cơng suất chế biến và tăng tiêu thụ năng lượng cho các động cơ.
▪ Làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và nghiêm trọng hơn có thể gây nên tắt nghẽn đường ống, dẫn đến phải dừng phân xưởng để làm sạch.
Để rõ hơn về mối nguy đóng cặn của muối NH4Cl đối với thiết bị trao đổi nhiệt, có thể tham khảo hình 3.2 bên dưới. Hình này thể hiện ảnh chụp sự đóng cặn muối bên trong ống làm tắt nghẽn quá trình vận chuyển lưu chất.
Hình 3.2 - Ảnh chụp sự đóng cặn của muối NH4Cl trên thiết bị trao đổi nhiệt [19]
3.3. Gây tắc nghẽn tại đầu hút của máy nén tuần hồn khí Hydro
Theo thiết kế, tại đầu hút của máy nén tuần hồn khí hydro có lắp đặt một bộ lọc với kích thước các lỗ khá nhỏ nhằm mục đích giữ lại các vật thể lạ có khả năng gây hư hỏng cho các chi tiết bên trong của máy nén. Tuy nhiên với thiết kế kích thước lỗ nhỏ như thế lại là cơ hội để muối NH4Cl ngưng tụ và bám vào. Hình 3.3 thể hiện ảnh chụp sự đóng cặn muối NH4Cl tại bộ lọc ở đầu hút của máy nén khí Hydro tuần hồn.
Bộ lọc bị đóng muối NH4Cl Bộ lọc đã làm sạch
Hình 3.3 - Ảnh chụp sự đóng cặn của muối NH4Cl tại bộ lọc ở đầu hút của máy nén khí Hydro tuần hồn [19]
Với việc muối NH4Cl tích tụ trên bộ lọc như thế sẽ gây cản trở lưu lượng dịng khí hydro tuần hoàn, làm giảm áp suất tại đầu hút máy nén, có thể gây nên hiện tượng xâm thực của máy nén và có thể dẫn đến dừng vận hành máy nén.
3.4. Ăn mòn hệ thống đường ống và thiết bị
3.4.1. Làm tăng quá trình ăn mịn
Muối NH4Cl có tính hút ẩm rất cao, theo tính tốn thì muối này sẽ hấp thụ nước ở điều kiện nhiệt độ của hệ thống cao hơn nhiệt độ điểm sương nước. Vì vậy, việc phun khơng đủ lưu lượng nước rửa hoặc phân bố không đều lượng nước rửa trong suốt quá trình rửa muối NH4Cl bằng nước có thể để lại một lượng muối ẩm trên bề mặt đường ống và thiết bị trao đổi nhiệt. Ngồi ra, trong suốt q trình rửa nước có thể xảy ra hiện tượng ngưng tụ nước cục bộ do dòng nước lạnh trên đỉnh hoặc dòng hồi lưu ở nhiệt độ dưới nhiệt độ điểm sương. Hậu quả là tạo ra một hợp chất gây ăn mịn dưới lớp đóng cặn đối với các bộ phận bên trong tháp, bề mặt của vỏ và ống thiết bị trao đổi nhiệt, cũng như hệ thống đường ống. Hình 3.4 mơ tả ảnh chụp sự ăn mòn đối với đĩa tháp và thiết bị trao đổi nhiệt do muối NH4Cl gây ra.
Hình 3.4 - Ảnh chụp sự ăn mòn đối với đĩa tháp và thiết bị trao đổi nhiệt [17] Các sản phẩm của quá trình ăn mịn này có thể góp phẩn thêm vào vấn đề gây tắc nghẽn hệ thống vì các cặn bẩn của q trình ăn mịn này rất dễ bị bong ra khỏi bề mặt vật liệu bởi sự di chuyển của các dòng lưu chất.
3.4.2. Cơ chế ăn mòn dưới lớp đóng cặn muối (under deposit pitting corrosion)
▪ Q trình ăn mịn hệ thống đường ống, các cơ cấu bên trong tháp, thiết bị trao đổi nhiệt theo cơ chế ăn mịn dưới lớp muối đóng cặn được mơ tả như sơ đồ hình 3.5 bên dưới.
Hình 3.5 - Mơ tả cơ chế ăn mịn điểm do đóng cặn muối NH4Cl [7] ▪ Các phản ứng của q trình ăn mịn này tự xảy ra như sau
NH4Cl NH3 + HCl (6)
HCl H+ + Cl- (7)
Fe2+ + 2Cl- FeCl2 (8)
FeCl2 + (NH4)2S FeS + 2NH3 + 2HCl (9)
hoặc xảy ra phản ứng
FeCl2 + 2H2O Fe(OH)2 + 2HCl (10)
Với tất cả các tác hại do quá trình ngưng tụ và đóng muối NH4Cl được mơ tả ở trên, thì vấn đề hình thành và đóng cặn muối trong hệ thống thiết bị đã gây nên các hậu quả rất nghiêm trọng làm giảm công suất chế biến, gián đoạn vận hành và gây ra nhiều mối nguy tiểm ẩn về ăn mòn dẫn đến nguy cơ rị rỉ và cháy nổ. Vì vậy, trong phần tiếp theo tác giả sẽ nghiên cứu bộ giải pháp nhằm giảm thiểu các ảnh hưởng cũng như ngăn ngừa các vấn đề về muối NH4Cl giúp cho phân xưởng CCR được vận hành an toàn và ổn định hơn.
Chương 4 – GIẢI PHÁP XỬ LÝ MUỐI NH4Cl VÀ CÁC BIỆN PHÁP XỬ LÝ VẤN ĐỀ NITƠ
4.1. Giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng khi NH4Cl đã hình thành trong hệ thống
4.1.1. Kiểm soát các tạp chất Lưu huỳnh, Nitơ, và Clo có trong dầu thơ
Giải pháp này được thực hiện bởi hai phương án như sau:
▪ Lựa chọn chủng loại dầu thơ phù hợp chứa ít thành phần tạp chất. Tuy nhiên việc này khá phức tạp vì hầu hết các chủng loại dầu thơ nhập từ nước ngồi ln có nồng độ các tạp chất này rất cao.
▪ Kiểm soát thành phần các tạp chất này nằm trong giới hạn cho phép trước khi đưa vào chế biến bằng cách sử dụng phần mềm ứng dụng phối trộn. Hiện nay NMLD Dung Quất đang sử dụng phần mềm LP (Linear Programming) để phối trộn tỷ lệ các loại dầu thô trước khi đưa vào chế biến tại phân xưởng chưng cất dầu thơ nhằm tối ưu hóa các phân đoạn của sản phẩm cũng như kiểm soát hàm lượng các thành phần tạp chất như Lưu huỳnh, Nitơ, Clo, hàm lượng kim loại, v.v. mà có thể ảnh hưởng đến vận hành của các phân xưởng hạ nguồn. Tuy nhiên, phần mềm này chủ yếu tập trong vào tối ưu các phân đoạn phân tách của sản phẩm để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Việc kiểm soát hàm lượng các loại tạp chất này hiện nay vẫn gặp rất nhiều khó khăn.
4.1.2. Điều chỉnh thông số công nghệ của hệ thống
Mục tiêu là xác định các điều kiện vận hành mà tại đó muối NH4Cl bắt đầu ngưng tụ và tích tụ trên thiết bị. Từ kết quả có được sẽ điều chỉnh các thông số công nghệ nhằm ngăn chặn hoặc hạn chế sự ngưng tụ của muối này ngay trong hệ thống thiết bị.
Về mặt lý thuyết, rất dễ dàng để ngăn chặn sự ngưng tụ của muối NH4Cl. Bằng việc thay đổi các thông số vận hành như nhiệt độ và áp suất của hệ thống, của tháp tách có thể giúp di chuyển điểm ngưng tụ muối NH4Cl từ một nơi này đến nơi khác ít gây ảnh hưởng đến quá trình vận hành hơn. Cụ thể của việc điều chỉnh thông số công nghệ được thực hiện như sau.
4.1.2.1. Điều chỉnh áp suất của tháp tách Debutanizer
Việc giảm áp suất tổng của hệ thống sẽ giúp giảm áp suất riêng phần của NH3 và HCl, làm dịch chuyển hệ thống từ một nơi nào đó ở vùng trên (bên phải) của đường cong cân bằng hằng số nhiệt độ đến một nơi nào đó vùng bên dưới (bên trái) của đường cong. Kết quả là làm giảm khả năng ngưng tụ muối NH4Cl bên trong hệ thống. Q trình này có thể được thực hiện bởi việc giảm nồng độ của một hoặc cả hai chất trên, điều này sẽ làm cho giá trị hằng áp suất riêng phần Kp nhỏ hơn và di chuyển xuống phía dưới theo giản đồ [5] hình 4.1 bên dưới
Áp suất riêng phần (hoặc nồng độ) của HCl có thể được giảm bằng cách kiểm sốt lưu lượng hợp chất Clo (C2Cl4) phun vào hệ thống trong quá trình tái sinh xúc tác nhằm mục đích duy trì tính acid cho xúc tác.
Hình 4.1 – Giản đồ tính tốn xác định khu vực muối NH4Cl ngưng tụ [5] Trong đó Kp = (PHCl) x (PNH3), và T là nhiệt độ tối thiểu mà tại đó có thể tránh được quá trình ngưng tụ muối NH4Cl [5].
4.1.2.2. Điều chỉnh nhiệt độ của tháp tách Debutanizer
Việc tăng nhiệt độ của hệ thống sẽ giúp di chuyển hằng số áp suất Kp tính tốn sang bên trái trên giãn đồ hình 4.1. Một số NMLD đã tìm cách di chuyển lượng muối trên vùng đỉnh tháp bằng cách tăng tạm thời nhiệt độ ở vùng đỉnh của tháp tách. Mục đích của việc này là tạo ra sự thăng hoa của muối đang ở trạng thái rắn. Về mặt lý thuyết, phương pháp này khá tốt vì nó có thể chuyển muối từ trạng thái rắn sang trạng thái thăng hoa, và tại điều kiện nhiệt độ cao muối NH4Cl sẽ bị phân hủy tạo thành NH3 và HCl tồn tại ở trạng thái khí và theo dịng sản phẩm đi ra ngồi nên khơng gây đóng cặn muối hệ thống thiết bị [5]. Tuy nhiên, nhiệt động lực học chỉ cho chúng ta biết rằng sự thay đổi pha sẽ xảy ra, nhưng khơng cho ta biết khi nào nó sẽ xảy ra, vì trong thực tế muối NH4Cl khi đang ở trạng thái rắn có thể được bao phủ bởi Hydrocacbon hoặc trộn lẫn vào các sản phẩm ăn mòn, v.v., do vậy sự thăng hoa hay phân hủy có thể sẽ xảy ra chậm hơn so với kết quả tính tốn lý thuyết. Phương pháp điều chỉnh này đã được áp dụng vào thực tế và kết quả đạt được cũng tương đối khả quan.
4.1.2.3. Điều chỉnh tỷ lệ hồi lưu đỉnh của tháp Debutanizer
Theo thiết kế, tỷ số dòng hồi lưu đỉnh/dòng nguyên liệu vào tháp là 0,2. Vì vậy, phải điều chỉnh các thơng số công nghệ của tháp, đặc biệt là công suất của thiết bị đun sôi đáy tháp (sử dụng nguồn gia nhiệt hơi cao áp) để đảm bảo duy trì đủ tỷ lệ hồi lưu này cho tháp tách [4].
Theo thiết kế, các giá trị thông số vận hành của tháp Debutanizer gồm áp suất, nhiệt độ và tỷ số hồi lưu đỉnh được duy trì như trong bảng 4.1 sau:
Bảng 4.1 - Thông số vận hành của tháp Debutanizer [4], [20] Thông số vận hành tháp Debutanizer Giá trị thiết kế Giá trị nghiên cứu áp dụng Ghi chú
Áp suất vận hành (kg/cm2g) 9,8 9,75 Điều chỉnh giảm
Tỷ số hồi lưu đỉnh 0,15-0,2 0,22 Điều chỉnh tăng
Nhiệt độ đỉnh tháp (0C) 61 62 Điều chỉnh tăng nhẹ
Nhiệt độ tại đĩa nhạy cảm (0C) 68 69,5 Điều chỉnh tăng
Nhiệt độ đáy tháp (0C) 214 216 Điều chỉnh tăng
Nhiệt độ nguyên liệu vào tháp (0C) 175 178 Điều chỉnh tăng
4.1.2.4. Kết quả đạt được khi áp dụng giải pháp điều chỉnh thông số công nghệ
Khi duy trì các thơng số vận hành của tháp Debutanizer theo giá trị thiết kế ban đầu, trong thời gian 06 tháng sau khi bảo dưỡng tổng thể làm sạch và đưa vào vận hành thì tháp Debutanizer đã bị đóng cặn muối NH4Cl với mức độ rất nặng và nhà máy đã phải thực hiện quá trình rửa muối bằng nước. Điều này làm ảnh hưởng rất lớn đến công suất chế biến của nhà máy, cũng như hiệu quả kinh tế của công ty. Vì vậy việc áp dụng các điều chỉnh thơng số vận hành cho tháp, cụ thể là điều chỉnh giảm áp suất của tháp và tăng nhiệt độ cho toàn bộ tháp, số liệu cụ thể được trình bày trong bảng 4.1 với mục đích là hạn chế sự ngưng tụ của muối NH4Cl. Kết quả đạt được là đã kéo dài thời gian vận hành ổn định của tháp Debutanizer lên đến hơn 1 năm. Với kết quả đạt được này đã góp phần rất lớn vào cơng tác duy trì ổn định và hiệu quả của Cơng Ty.
Tuy nhiên, trong thực tế không cho phép thay đổi nhiều điều kiện vận hành của hệ thống thiết bị. Việc điều chỉnh các thơng số ra ngồi khoảng quy định so với các điều kiện vận hành tối ưu có thể có tác động đáng kể đến lợi nhuận của NMLD. Vì khi tăng nhiệt độ của đỉnh tháp tách sẽ làm tăng thêm chi phí cho nhiên liệu gia nhiệt, hoặc khi giảm áp suất của hệ thống sẽ làm bay hơi các cấu tử nặng trong xăng chuyển vào sản phẩm LPG làm giảm hiệu quả kinh tế. Vì vậy, giải pháp điều chỉnh thơng số cơng nghệ chỉ có thể thực hiện một cách hạn chế và hiệu quả mang lại không cao.
4.1.3. Giải pháp loại bỏ muối NH4Cl ở tháp Debutanizer và các thiết bị trao đổi nhiệt, đường ống khi đã bị đóng muối nhiệt, đường ống khi đã bị đóng muối
Muối NH4Cl có thể được loại bỏ bằng các phương pháp như cơ học, vật lý hoặc sử dụng hóa học. Dưới đây là các phương pháp loại bỏ muối NH4Cl đã được nghiên cứu và đề xuất áp dụng.
4.1.3.1. Loại bỏ muối NH4Cl bằng phương pháp cơ học
Theo thiết kế của NMLD Dung Quất thì phân xưởng CCR là nguồn cung cấp Hydro duy nhất cho tất cả các phân xưởng xử lý bằng hydro trong nhà máy như NHT, ISOM, LCO, SRU, nhà máy nhựa PP, cũng như cung cấp vào nguồn khí đốt của tồn nhà máy. Việc áp dụng phương pháp làm sạch cơ học để loại bỏ muối NH4Cl cho tháp tách Debutanizer và hệ thống đường ống, thiết bị trao đổi nhiệt, v.v, đòi hỏi bắt buộc phải dừng phân xưởng CCR trong khoảng thời gian từ 4 đến 5 ngày. Điều này gây thiệt hại kinh tế rất lớn cho Cơng Ty. Do đó, nếu dừng phân xưởng CCR sẽ kéo theo các phân xưởng công nghệ liên quan phải dùng theo. Vì vậy, giải pháp này gần như không được áp dụng.
4.1.3.2. Loại bỏ muối NH4Cl bằng nước rửa [5]
Giải pháp phổ biến nhất cho các vấn đề đóng cặn muối là sử dụng nước rửa, chỉ cần hòa tan muối NH4Cl trong nước. Khi thực hiện quá trình rửa thiết bị, hệ thống bằng nước thì có hai vấn đề quan trọng cần xem xét là phải duy trì đủ lượng nước rửa và sự phân bố đồng đều của lượng nước rửa này. Mặc dù mới nhìn đây dường như là một giải pháp cực kỳ đơn giản để xử lý vấn đề, nhưng cần phải thực hiện rất cẩn thận để đảm bảo hệ thống sẽ hoạt động như mong muốn.
▪ Nếu lưu lượng nước rửa khơng đủ, tất cả lượng nước này có thể bị chuyển sang pha hơi làm tăng áp suất hệ thống một cách đột ngột, dẫn đến khơng thể hịa tan được cặn muối NH4Cl. Nghiêm trọng hơn muối NH4Cl có thể trở nên ẩm ướt, q trình ăn mịn sẽ tăng lên khi có sự hiện diện của một màng nước dẫn điện vì sẽ hình thành điện cực ăn mịn. Việc tính tốn lượng nước cần thiết phải phun vào để đảm bảo đủ nước ở pha lỏng là khá phức tạp, dẫn đến lượng nước phun vào ở pha lỏng có khi thấp hơn so với lượng nước yêu cầu phải phun vào hệ thống.
▪ Nếu lượng nước rửa không được phân phối đồng đều, sẽ có một số khu vực được rửa rất tốt, những khu vực khác có thể nhận được ít hoặc khơng có nước rửa và vì vậy cặn muối NH4Cl sẽ vẫn còn nguyên và bị ẩm ướt dẫn đến mối nguy ăn mòn trên bề mặt thiết bị.
Ngoài các vấn đề về lưu lượng nước rửa, thì chất lượng của nước rửa phải được kiểm soát tốt, nguồn nước cũng phải được lựa chọn kỹ lưỡng. Các chất rắn hòa tan và lơ lửng trong nước có thể là một nguồn ăn mòn nếu nước rửa bị chuyển thành pha hơi và khơng cịn nước lỏng để hòa tan muối. Oxy hòa tan trong nước sẽ gây ra sự ăn mòn nghiêm trọng. Nước thu gom từ hệ thống chân không (Vacuum accumulator water), nước chua đã được xử lý (stripped sour water), nước cấp nồi hơi (boiler feed water), v.v, là những nguồn nước phổ biến có thể dùng để rửa muối. Nước được sử dụng phải khơng có các chất nhiễm bẩn và Oxy, nguồn nước này lấy từ phân xưởng xử lý nước
để cấp cho các nồi hơi đã loại bỏ các chất nhiễm bẩn và Oxy. Bảng 4.2 bên dưới là các chỉ tiêu yêu cầu đối với nước dùng cho quá trình rửa muối NH4Cl.
Bảng 4.2 - Lựa chọn chất lượng nước cho quá trình rửa muối NH4Cl [5]