2.3.1 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu
Phân xưởng này dùng để phân tách phân đoạn naphta tổng (hay xăng tổng) đến từ phân xưởng chưng cất khí quyển thành các sản phẩm sau:
- Khí nhiên liệu hay khí đốt
- Khí hóa lỏng (propane hay butane: nhiên liệu đốt hay động cơ) - Xăng nhẹ dùng cho hóa dầu hoặc đồng phân hóa
- Xăng nặng dùng cho phân xưởng reforming xúc tác Phân xưởng này cũng có thể cho phép thu được các cấu tử sau:
- Iso-butane dùng cho quá trình alkyl hóa - Iso-pentane dùng cho nguyên liệu hóa dầu
Phân xưởng này cũng được xử lý trước bằng quá trình xử lý hydro, nhằm để loại bỏ các hợp chất lưu huỳnh có trong xăng tổng. Phân xưởng này phân đoạn các hỗn hợp khí của phân xưởng chưng cất khí quyển (mà nó có một lượng rất nhỏ: 1-2% dầu thô), nhưng đồng thời nó cũng có thể được sử dụng để xử lý các khí và xăng đến từ các phân xưởng khác như các phân xưởng xử lý bằng hydro, phân xưởng hydrocracking và phân xưởng reforming xúc tác. Thông thường, các phân xưởng này đều có khu vực ổn định phân đoạn khí và xăng riêng khi năng suất phân xưởng đủ lớn. Còn về phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi (FCC), sau khi thực hiện FCC xong, nó luôn có một công đoạn hoàn chỉnh chưng cất xăng và phân đoạn khí vì số lượng các chất này là khá nhiều.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 49
2.3.2 Mô tả phân xưởng chưng cất xăng và phân đoạn khí
2.3.2.1. Sơ đồ công nghệ thông dụng
Sơ đồ (hình 2.29) thường được chọn lựa trong trường hợp phân xưởng này chỉ xử lý xăng tổng của phân xưởng chưng cất khí quyển dầu thô. Phân xưởng này bao gồm một dãy các tháp hoạt động ở các áp suất khác nhau. Các áp suất này được chọn lựa theo cách sao đó để quá trình ngưng tụ có thể được thực hiện nhờ thiết bị làm lạnh bằng không khí hay làm lạnh bằng nước. Sơ đồ này bao gồm 4 tháp như sau:
- Tháp đầu tiên của phân xưởng là tháp ổn định hóa hay là tháp tách butane. Tháp này thu được phân đoạn đỉnh bao gồm tất cả các hợp chất nhẹ hơn butane, kể cả butane, còn phân đoạn đáy gọi là xăng tổng đã được ổn định. Phân đoạn đáy này có áp suất hơi vừa đủ thấp để có thể lưu trữ được. - Phân đoạn đỉnh sau khi được rửa bằng amine, sẽ đến tháp thứ hai gọi là tháp tách ethane, tháp này sẽ tách các khí hóa lỏng (GPL: propan và butan) thu được ở đáy ra khỏi các thành phần dễ bay hơi nhất (methane, ethane, H2S, v.v.).
- Khí hóa lỏng được phân đoạn trong thiết bị tách propane, để tách propane thu được ở đỉnh ra khỏi butane thu được ở đáy tháp. Với khí hóa lỏng của phân xưởng réformage xúc tác, do nó có nhiều C2+ nên nó thường được hòa trộn với nguyên liệu của thiết bị tách ethane.
- Cuối cùng, xăng tổng đã được ổn định thường được phân đoạn thành 2 phân đoạn xăng nhẹ và xăng nặng trong thiết bị phân đoạn xăng.
a.Các điều kiện làm việc chủ yếu
Tháp Nhiệt độ sôi ở áp
suất khí quyển, oC Số đĩa
Chỉ số hồi lưu
Áp suất
đỉnh, bar Nhiệt độ, oC đỉnh/đáy
Tách butan -0.5 30-40 3-6 14 75/200
Tách propan -42.1 30-50 4-5 15 45/95
Tách ethan -88.5 10-20 0.2-0.5 25 50/100
Phân đoạn xăng 36.1 (C5) 20-30 1-4 0.2 80/140
b. Tiêu chuẩn tách của các tháp
Tháp tách butane
- Hàm lượng C5 trong butane: 0,5 % khối lượng hay 1% thể tích (tối đa) - Hàm lượng C4 trong xăng nhẹ: 1% thể tích (tối đa)
Tháp tách propane và tháp tách ethane:
- Việc điều khiển các tháp này phải tuân theo các tiêu chuẩn thương mại của sản phẩm
- Hàm lượng propane trong sản phẩm butane được ràng buộc theo áp suất hơi bão hòa của butane (không được quá 6 bar ở 50°C)
- Hàm lượng ethane trong sản phẩm propane được ràng buộc theo áp suất hơi bão hòa của propane (không được quá 14 bar ở 37,8°C)
Tháp tách xăng nhẹ và xăng nặng (splitteur):
- Gap (điểm 95% ASTM của phân đoạn xăng nhẹ và điểm 5% ASTM của phân đoạn xăng nặng) : 20°C
- Các tiêu chuẩn khác của tháp này tuy thuộc vào phân xưởng hạ nguồn của phân đoạn xăng nhẹ
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 50
Hình 2.29 Sơ đồ cổ điển của phân xưởng tách phân đoạn xăng và khí
2.3.2.2. Sơ đồ có thiết bị hấp thụ và thiết bị tách hơi
Sơ đồ công nghệ cổ điển (hình 2.29)mà chúng không có các phân xưởng chuyển hóa, thường hay gặp nhất trong các nhà máy lọc dầu đơn giản là kiểu hydroskimming (quá trình chưng cất trực tiếp đơn giản). Đối với các nhà máy lọc dầu phức tạp hơn, cần phải quan tâm đến việc thu hồi propane và butane (trong đó propan chiếm rất ít, chủ yếu là butane) có trong các dòng khí thải của các phân xưởng chuyển hóa hay phân xưởng xử lý bằng hydro của nhà máy lọc dầu. Sơ đồ công nghệ loại này rất đa dạng. Một trong những sơ đồ đó được mô tả ở hình 2.30, bổ sung tháp hấp thụ và tháp stripping.
Nguyên lý vận hành là hấp thụ propane và butane có trong các hỗn hợp khí khác nhau nhờ vào xăng làm dung môi. Các khí thải đến từ các phân xưởng của nhà máy như là phân xưởng xử lý hydro, phân xưởng hydrocracking, phân ưởng đồng phân hóa, reforming xúc tác chứa một phần đáng kế propane và butane được nén đến 15 bar sau đó làm lạnh và vào đáy tháp hấp thụ hồi lưu, tiếp xúc với dòng phân đoạn xăng đi từ đỉnh tháp xuống. Các propane và butane có trong dòng khí này được hấp phụ bởi dòng xăng và đi ra khỏi đáy tháp, được trộn lẫn với các phân đoạn xăng không ổn định khác của nhà máy (bao gồm phân đoạn xăng của tháp chưng cất khí quyển, của phân xưởng xử lý bằng hydro và kể cả LPG của reforming xúc tác) được nạp liệu vào đỉnh tháp stripping có thiết bị đun sôi lại. Hơi đỉnh tháp stripping này quay trở laị tháp hấp thụ; dòng sản phẩm đáy tháp là phân đoạn xăng giàu cấu tử propane và butane (không chứa các cấu tử nhẹ hơn) làm nguyên liệu cho chuỗi các tháp tách butane, propane và phân chia phân đoạn xăng, để thu hồi các sản phẩm khác nhau, tương tự trong sơ đồ cổ điển.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 51
Hình 2.30 Sơ đồ phân xưởng tách khí và xăng có tháp hấp thụ và tháp stripping
2.3.2.3. Các sơ đồ công nghệ khác
Các kiểu sơ đồ dưới đây có thể có thêm một vài tháp có chức năng chuyên biệt đôi khi cũng được sử dụng:
- Sơ đồ công nghệ có làm lạnh để thu hồi các olefin có trong dòng khí đến từ các phân xưởng chuyển hóa
- Sơ đồ công nghệ có thiết bị tách iso-butane (thu hồi iso-butane cho phân xưởng alkyl hóa), tách iso-pentane, tách iso-hexane…
Các tháp tách trích ly các hợp chất vòng thơm và các dẫn xuất thơm (được chuyển hóa thành các hợp chất thơm trong phân xưởng reforming xúc tác) đôi khi cũng được lắp đặt để thỏa mãn yêu cầu về hàm lượng hợp chất thơm có trong xăng ở một số nước.Cần lưu ý là các hợp chất thơm có chỉ số octane rất cao, vì vậy công thức pha xăng sẽ khó khăn hơn (ngược lại việc giảm hàm lượng các hợp chất thơm sẽ cải thiện chỉ số cetane đối với gasoil.
Cuối cùng, phân xưởng xử lý khí có thể được trang bị thêm các công đoạn phụ như rửa khí bằng dung môi diethanolamine (DEA), làm mềm khí LPG, bẫy loại lưu huỳnh và sấy (tách ẩm) để đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật thương mại
2.4 Cấu tạo bên trong của tháp chưng cất, hấp thụ và stripping
Các quá trình chưng cất thực hiện trong nhà máy lọc dầu trong thực tế sử dụng tất cả các kiểu thết bị có thể có, do các điều kiện làm việc rất đa dạng:
- Áp suất trải dài trong khoảng từ áp suất chân không khoảng 1,33 kPa (10 mmHg hay 0,013 atm) trong các tháp sản xuất asphalt (chưng chân không bán ướt sản xuất bitum) cho đến vài chục bar trong phân xưởng xử lý khí.
- Nhiệt độ thay đổi rõ nét từ dưới 0°C trong phân xưởng có thu hồi có làm lạnh khí hóa lỏng và vượt quá 500°C ở đầu vào các tháp phân đoạn của quá trình cracking xúc tác (FCC).
- Các đòi hỏi của quá trình phân đoạn đôi khi không nhiều, chỉ cần vài đĩa lý thuyết trong các thiết bị strippeur trong phân xưởng chưng cất khí quyển, nhưng cũng có thể đạt đến hàng trăm đĩa lý thuyết trong các công đoạn thu hồi propylen trong các hỗn hợp khí bị cracking.
Cho dù các sản phẩm tất cả hầu như đều là hydrocarbon, nhưng sự có mặt của 1 số tạp chất như H2S, axít cặn đến từ quá trình alkyl hóa hay điều kiện vận hành khắt khe dẫn đến việc cần thiết phải sử dụng các hợp kim đặc biệt để chống lại sự ăn mòn. Việc chọn lựa các vật liệu chế tạo có vai trò
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 52 rất quan trọng, đặc biệt với các kết cấu bên trong tháp như là các loại đệm cấu trúc có bề dày nhỏ khoảng chừng 1/10-2/10 mm. Các loại vật liệu thường được dùng là thép thông thường, thép hợp kim có 11-13 % Cr, các loại thép không bị oxy hóa có Ni, Cr (304, 316 316 Ti…); Hợp kim monel cũng được dùng trong vài trường hợp đặc biệt, khi có mặt các ion Clorua trong môi trường a xít thì không được phép dùng các hợp kim không bị oxi hóa cổ điển.
2.4.1 Các khái niệm về hiệu suất, công suất và độ uyển chuyển của các bộ phận cấu tạo bên trong tháp trong tháp
2.4.1.1 Hiệu suất
Đối với tháp đĩa, quá trình truyền khối xảy ra trong vùng được xác định rõ ràng. Ở đây, người ta có thể như là hiệu suất đĩa, khi so sánh với quá trình truyền khối xảy ra trên đĩa thực tế và trên đĩa lý thuyết, cho phép tạo thành các pha ở trạng thái cân bằng. Hiệu suất này thường phụ thuộc vào cấu trúc hình học của đĩa, đối với các tháp đã được thiết kế, nó còn phụ thuộc vào loại nguyên liệu xử lý và các thông số vận hành.
Các tháp có cấu tạo đệm bên trong không cho phép đa dạng hóa vùng phân tách như đối với loại đĩa. Thông thường, lớp đệm giống như một lớp tiếp xúc liên tục đặt giữa 2 điểm nạp liệu, hay 2 dòng trích ngang trong tháp. Như vậy, chỉ có thể biết được số bậc lý thuyết dựa vào chiều cao của tầng tiếp xúc đã cho. Việc xác định hiệu suất trong trường hợp này dựa vào tí số giữa số đĩa lý thuyết và chiều cao của tầng đệm, được gọi là ‘chiều cao tương đương với một đĩa lý thuyết’ (HETP).
Trong tất cả các trường hợp, đặc biết đối với đệm, cần phải tính đến chiều cao lý thuyết trong vùng phân tách, khoảng cách cần thiết để lắp đặt các thiết bị nạp liệu (ống, vách chảy chuyền, vùng phun sương hay đĩa phân phối…) và các bộ phận phụ như đĩa góp, bệ đỡ…
2.4.1.2 Công suất
Công suất của một thiết bị phân tách thể hiện bởi lưu lượng lớn nhất có thể xử lý được mà không giảm đảng kể hiệu suất, không gây hiện tượng ngập và không tăng tổn thất áp suất. Ngoài ra, cần lưu ý đến khả năng cuốn theo lỏng trong dòng khí ở đinh tháp.
Việc đánh giá công suất của thiết bị thường dựa vào việc tính toán tỉ số ngập lụt lý thuyết có sử dụng hệ số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào các nhà thiết kế hay nhà sản xuất thiết bị đó.Theo kinh nghiệm, độ ngập lụt thường nằm trong khoảng giới hạn từ 50 đến 100%
2.4.1.3 Độ uyển chuyển
Độ uyển chuyển hay độ mềm dẻo thể hiện sự vận hành tối thiểu có thể mà không làm giảm hiệu suất, không tạo ra sự vận hành mất ổn định. Đây là tiêu chí rất quan trọng trong việc xác định các thiết bị mà không hoạt động thường xuyên ở công suất tối đa. Giai đoạn khởi động thường ở chế độ giảm nguyên liệu. Chất lượng dầu thô xử lý không cố định, từ đó ảnh hưởng đến việc vận hành tháp chưng cất khí quyển, dẫn đến việc thay đổi điều kiện vận hành của các phân xưởng khác. Độ uyển chuyển được biễu diễn bằng % công suất tối đa (50%, 40%) hay dưới dạng tỉ số ( 1-2, 1-3)
2.4.2 Các bộ phận cấu tạo bên trong tháp
Hai loại cấu tạo quan trọng bên trong tháp phân đoạn là đệm và đĩa. 2.4.2.1 Đĩa
Trong suốt một thời gian dài xuất phát từ khởi điểm của ngành công nghiệp lọc dầu cho đến cuối những năm 1970, đĩa là cấu tạo bên trong duy nhất được thiết kế cho tháp chưng cất. Hoạt động của đĩa dựa trên nguyên tắc thực hiện tiếp xúc giữa dòng hơi đi lên phía đỉnh tháp với pha lỏng nằm ở bề mặt khu vực hoạt động của đĩa.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 53
a.Các loại đĩa
Tùy theo sự lưu thông của các pha, ta phân biệt 3 nhóm đĩa chính: • đĩa loại chảy ngược dòng
• đĩa vách ngăn hay đĩa loại chảy màng
• đĩa loại chảy chéo dòng có ống chảy chuyền, được sử dụng rộng rãi nhất.
Đĩa loại chảy ngược dòng
Các đĩa loại này không có ống chảy chuyền, trong đó sự lưu thông của các dòng được thực hiện ngược dòng, tương đối ít được dùng. Nguyên lý hoạt động của chúng là: lỏng và hơi lần lượt xen kẽ đi qua các lỗ đục trong khu vực hoạt động của đĩa. Các loại đĩa lỗ đục như vậy có thể có hiệu suất rất tốt khi hoạt động ở năng suất thiết kế nhưng có độ linh động rất nhỏ (khi hoạt động không đúng với năng suất thiết kế)
- Ở chế độ nguyên liệu ít (lưu lượng hơi nhỏ), tất cả lỏng có xu hướng chảy trực tiếp qua lỗ đục mà không lưu lại trên bề mặt của đĩa, điều này làm giảm thời gian tiếp xúc giữa các pha và do đó tác hại đến hiệu suất đĩa.
- Ở chế độ nguyên liệu nhiều (lưu lượng hơi lớn), lỏng có mặt ở bề mặt đĩa bị thổi đi và không thể chảy qua lỗ đục được nữa, điều này được thể hiện bởi hiện tượng ngập lụt tháp.
Các đĩa loại chảy ngược dòng bị chỉ được trang bị cho các tháp có đường kính tương đối nhỏ (<1,8m) do các nguy cơ bất ổn định liên quan đến sự phân bố lỏng trên bề mặt đĩa kém.
Đĩa vách ngăn hay đĩa loại chảy màng
Các đĩa vách ngăn cực kỳ đơn giản, được dành cho các trường hợp nguyên liệu rất bẩn, dễ đóng cặn và cho phép làm việc với lưu lượng lớn.
Quá trình tiếp xúc pha là nhờ sự đi lên của pha hơi qua giữa một màng chất lỏng chảy xuống từ vách ngăn góp. Tùy theo hình dạng của vách ngăn, màng lỏng có thể là mặt phẳng thẳng đứng hoặc là hình trụ.
Hiệu suất của các đĩa loại này rất kém (khoảng 15%-50% hiệu suất của đĩa có ống chảy chuyền cổ điển) vì tác dụng tương hỗ giữa pha lỏng và hơi giảm.
Đĩa có ống chảy chuyền
Trong các đĩa kiểu cổ điển có trang bị ống chảy chuyền, sự tiếp xúc được thực hiện chéo dòng giữa lỏng chuyển động ngang qua bề mặt khu vực hoạt động và hơi đi từ dưới lên xuyên qua các lỗ đĩa. Lỏng sau khi được tiếp xúc với hơi sẽ chảy xuống ống chảy chuyền, ống này có hai chức năng:
- Bảo đảm sự giải phóng pha hơi tiếp tục di chuyển lên đĩa phía trên,
- Hướng pha lỏng xuống đĩa phía dưới và bảo đảm nhập liệu đều đặn cho đĩa tiếp sau.
Ống chảy chuyền cắm xuống gần sát đĩa phía dưới, sao cho ngăn cản hơi đi vào trong ống sẽ dẫn đến sự tạo nhũ tương gây tắc nghẽn ống chảy chuyền. Các ống chảy chuyền được lắp đặt để giảm chiều cao chất lỏng và bảo đảm công suất tối đa. Trong trường hợp tháp làm việc ở áp suất cao và các tháp hấp thụ, các ống chảy chuyền có kích thước lớn vì lưu lượng lỏng lớn. Độ cao của đầu vào của ống chảy chuyền bảo đảm mực chất lỏng trên đĩa, nhờ vậy cho phép sự tiếp xúc tốt giữa pha lỏng và pha khí trên đĩa.
Có 3 loại đĩa có ống chảy chuyền: