2.4.3.1 Tháp chưng cất khí quyển
Từ khá lâu nay các nhà máy lọc dầu đã xử lý ngày càng nhiều các loại dầu thô khác nhau như: dầu thô nặng, dầu thô thu hồi, dầu thô nhẹ và hỗn hợp lỏng ngưng ... Chất lượng và giá cả khác nhau dẫn đến việc phải chọn lựa và nhập nhiều loại khác nhau. Và đôi khi do các vấn đề về ăn mòn hoặc do sự đóng cáu khi xử lý cặn dẫn đến việc cần phải phối trộn nhiều nguồn dầu thô khác nhau. Do vậy việc thiết kế, chế tạo và vận hành của nhà máy đòi hỏi các thiết bị phải có độ linh động cao.
Các loại tháp chưng cất khí quyển thông thường có từ 30 đến 50 tầng đĩa và cấu tạo thân của chúng thường bao gồm 5 vùng (Hình 2.32).
a. Vùng tách hơi đáy tháp (vùng stripping)
Vùng stripping ở đáy tháp có chức năng loại bỏ triệt để các thành phần nhẹ có trong phần cặn chưng cất khí quyển. Dòng lỏng vào vùng stripping được tạo thành chủ yếu từ phần không hóa hơi của nguyên liệu, thêm vào đó là phần dầu cặn (slop cut hay overflash) đi xuống từ vùng rửa. Hiệu suất của vùng stripping là rất quan trọng để vận hành tốt quá trình chưng cất chân không. Trong thực tế, có trường hợp tháp chưng cất chân không bị nhập liệu quá nhiều phần nhẹ làm giảm năng suất của tháp do tháp chưng khí quyển không tách triệt để phân đoạn nhẹ..
Trong mọi trường hợp, cần dùng hơi quá nhiệt (stripping khô chứa ít hơi nước), nhằm tránh sự hóa hơi quá dữ dội của hơi nước nếu là hơi nước bão hòa, do nhiệt độ hơi stripping luôn nhỏ hơn nhiệt độ đáy 370°C (làm hại đến các kết cấu bên trong tháp). Vùng này hoạt động theo nguyên tắc giảm áp suất riêng phần của hydrocarbon bằng cách bơm phụt hơi nước quá nhiệt vào tháp (bình thường chỉ có hơi hydrocarbon nhẹ, gây nên áp suất riêng phần lớn nên hydrocarbon dễ bị tan trong cặn RDA, làm thất thoát hydrocarbon nhẹ.) Khi bơm hơi nước quá nhiệt có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đáy, hơi nước sẽ nhận thêm nhiệt của cặn đáy và trở nên quá nhiệt thêm nữa (hơi quá nhiệt là hơi khô, chứa ít hơi nước nên dễ kéo hơi hydrocarbon nhẹ theo), đồng thời do nó tạo thành hỗn hợp chất lỏng không tan lẫn với hydrocarbon, hơi nước quá quá nhiệt này sẽ kéo phần lớn hơi hydrocarbon nhẹ bay lên đĩa trên, làm giảm lượng hydrocarbon có mặt trên tầng đĩa đó, vì vậy sẽ làm giảm áp suất riêng phần của hơi hydrocarbon, từ đó lượng hydrocarbon bị tan trong cặn đáy giảm đi, dẫn tới giảm hẳn lượng sản phẩm nhẹ thất thoát theo cặn đáy.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 62
Hình 2.32 Cấu tạo bên trong của tháp chưng cất khí quyển
Lưu lượng pha hơi biến thiên rất lớn giữa phần đáy vùng (nơi chỉ có ít hơi: chủ yếu là hơi nước quá nhiệt khô) và phần đỉnh vùng (nơi có nhiều hơi: hơi hydrocarbon bị tách ra khỏi cặn đáy và toàn bộ lượng hơi nước có trong vùng).
Vùng stripping thường được trang bị 3-6 đĩa. Các đĩa đục lỗ không được dùng do nó có nhược điểm thiếu độ linh động, nên nó không thích hợp với sự biến đổi mạnh của dòng hơi. Các đĩa chóp ngày nay được thay thế bởi các đĩa van. Các đệm cấu trúc có thể sử dụng để bù lại hiệu suât đĩa khi không thê lắp đặt đủ số đĩa cần thiết, khi nguy cơ tạo cặn không nhiều,ngoại trừ trong trường hợp vận hành ở điều kiện khắc nghiệt. Trong tất cả trường hợp, cần lưu ý sử dụng hơi nước stripping khô, để tránh sự bốc hơi đột ngột có thể làm hỏng cấu trúc bên trong tháp.
b. Vùng nhập liệu
Nhập liệu cho tháp chưng cất được thực hiện trong vùng này dưới dạng hai pha. Vùng này được thiết kế sao cho quá trình phân tách riêng 2 pha là tốt nhất với sự giảm áp suất là ít nhất (nguyên liệu vào do bơm nên có áp suất lớn, trong tháp lại có áp suất thấp, sẽ làm hoá hơi dữ dội 1 phần lỏng, làm mất cân bằng của tháp). Các vùng nhập liệu khai thác, tận dụng năng lượng động học của chính dòng nguyên liệu (nhờ vận tốc lớn) bằng cách tạo dòng xoáy cho dòng nguyên liệu. Có hai kiểu nhập liệu:
- Kiểu cổ điển nhất là nạp liệu theo phương tiếp tuyến với thân tháp
- Giải pháp khác là sử dụng các bộ phận phân phối có cánh dẫn nguyên liệu đi vào tháp theo phương hướng trục, sẽ cho kết quả rât tốt.
Trong mọi trường hợp, cần phải sử dụng các kết cấu vững chắc, bền với sự va đập, chống được hiện tượng rung và chống bị mài mòn.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 63 Vùng này nhằm mục đích thu hồi lại vào pha lỏng chứa các hydrocacbon nặng bị kéo theo pha hơi khi nạp liệu vào vùng nhập liệu. Nhiệm vụ này được thực hiện bởi sự tiếp xúc giữa dầu rửa là phần cất khí quyển (phân đoạn gasoil nặng) trích từ đĩa phía trên vùng nạp liệu với pha hơi đi lên từ vùng nhập liệu. Mục tiêu đặt ra là sử dụng ít nhất lưu lượng lỏng để rửa đồng thời đạt hiệu quả tách lỏng bị kéo theo tốt nhất. Vì vậy, yêu cầu của thiết bị vùng này là phải hoạt động tốt với lưu lượng lỏng ít và chịu được sự tạo cặn. Loại đệm vrac trước kia thường được sử dụng nhưng ngày nay, đệm cấu trúc kiểu lưới lại là sự chọn lựa tốt nhất vì nó đảm bảo số đĩa lý thuyết lớn với chiều cao thấp, lượng lỏng lưu thấp. Phải lưu ý đến chất lượng dầu thô, nếu có chứa nhiều axít naphtenic thì các đệm này phải làm từ vật liệu tối thiểu là hợp kim chống oxi hóa loại 316.
d. Vùng phân tách
Tính năng của tháp phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc của các vùng phân tách. Trước kia, cấu trúc kiểu đĩa thường được dùng hơn vì giá cả của chúng khá hợp lý. Việc sử dụng đệm trong thực tế bị hạn chế vì chi phí cho các bộ phận phụ như bộ phân bố và thu góp phần lỏng là khá lớn (nhiều tầng đệm). Tuy nhiên ngày nay người ta sử dụng đệm cấu trúc nhiều hơn vì hiệu năng trao đổi pha của đệm rất tốt. Khi tân trang lại 1 tháp chưng cất khí quyển bằng cách sử dụng đệm, năng suất của 1 số vùng phân đoạn có thể tăng lên tới 20-50%.
e. Vùng hồi lưu tuần hoàn
Trong vùng này cần phải chú ý chọn điểm trích dòng hồi lưu tuần hoàn trung gian giữa một vài dòng trích sản phẩm tại khu vực có nhiệt độ cao để thu hồi nhiệt lượng có hiệu quả nhất. Các vùng hồi lưu tuần hoàn được đặc trưng bởi các lượng lỏng rất lớn và sự biến đổi lớn về dòng hơi: giảm mạnh từ vị trí thấp lên cao. Vùng này có thể gọi là vùng ngưng tụ. Các vùng này thông thường có số lượng đĩa lý thuyết nhỏ (2 đến 3) và có khoảng cách giữa các đĩa rất lớn (0,65-0,90m). Số đĩa trong vùng này thường không lớn hơn vì sự thay đổi năng suất thường thực hiện bằng cách tác động lên lưu lượng và nhiệt độ dòng hồi lưu. Việc lắp đặt đệm trong vùng này không dễ dàng để đáp ứng số đĩa lý thuyết nhỏ và lưu lượng lỏng lớn. Vùng này là khu vực lý tưởng để sử dụng các đĩa có năng suất lớn. Thật ra, lưu lượng lỏng trong vùng này thường ít dao động nên không có ràng buộc về độ linh động. Khi sử dụng các loại đệm trong vùng này, cần lưu ý là nên sử dụng kết hợp loại đệm có năng suất và hiệu suất khác nhau tùy thuộc vào vị trí lắp đặt. Điều này cho phép tối ưu việc sử dụng khoảng không gian lắp đặt:
- đệm có năng suất cao nhất và hiệu suất thấp nhất dùng cho vùng dưới là vùng có lưu lượng lớn nhất
- đệm có hiệu suất cao hơn có thể bố trí trên vùng cao hơn vì lưu lượng hơi tại đó thấp
f. Vật liệu chế tạo
Đầu ra đỉnh của tháp chưng cất khí quyển thường có vùng mà tại đó có sự ngưng tụ của nước, kèm theo rút 1 phần dòng nước. Do đó, khi lắp đặt đệm tại vùng này, cần phải tính đến sự phân tách của lớp đệm để bảo toàn khả năng trích dòng này. Ngược lại, nếu sự phân tách không tốt, nguy cơ ngập lụt đĩa có thể xảy ra, là do tích tụ nước giữa vùng mà nó ngưng tụ và 1 vùng mà nó bốc hơi. Khi sử dụng đĩa, thường là dùng đĩa van nên phải lựa chọn các hợp kim chịu được ăn mòn bởi môi trường chứa các a xít clorua. Vì thế, không dùng thép chống oxi hóa cổ điển mà phải dùng hợp kim monel. Các đĩa van co hộp được ưa dùng hơn để hạn chế sự mài mòn do ma sát giữa các chân van với nhau.
Ngoại trừ vùng đỉnh, các đĩa thường làm bằng thép cacbon hoặc bằng 410S. Đệm và các bộ phận phụ trợ cũng làm bằng thép 410, ngoại trừ vùng rửa phải làm bằng thép hợp kim 316 để tránh nguy cơ ăn mòn do axít naphtenic.
g. Thiết bị tách hơi trích dòng
Các thiết bị strippeur thường là các tháp có kích thước nhỏ có 4-6 đĩa. Chức năng của chúng là hiệu chỉnh điểm chớp cháy của sản phẩm trích dòng (khi sản phẩm trích dòng mang theo nhiều cấu tử nhẹ, điểm chớp cháy sẽ thấp và trong quá trình bảo quản, cấu tử nhẹ sẽ dễ bay hơi làm mất chất lượng sản phẩm. Do vậy nếu loại triệt để được các cấu tử quá nhẹ thì điểm chớp cháy thực tế sẽ luôn cao hơn, đúng hơn và ít bị thay đổi hơn khi bảo quản. Hơn nữa nó sẽ nâng cao hiệu suất thu
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 64 hồi sản phẩm nhẹ trong tháp chưng cất khí quyển).
Ngoại trừ thiết bị strippeur kerosen, được tái đun sôi bằng hơi nước gián tiếp do sản phẩm dễ bị nhiễm nước nếu đun trực tiếp (vì nhiệt độ sôi của chúng là gần nhau hơn so với các sản phẩm nặng khác). Các thiết bị strippeur khác thường được cấp nhiệt trực tiếp bằng hơi sống, điều đó làm cho hiệu suất tách chỉ tương đối trung bình do có thể lẫn nước trong sản phẩm.
2.4.3.2 Tháp chưng cất chân không để sản xuất nguyên liệu cho quá trình FCC
Tháp chưng cất chân không có thể nhận biết dễ dàng trong nhà máy lọc dầu, đó là các tháp có đường kính lớn nhất, thường từ 6-11m ở giữa thân tháp và nhỏ đi ở đỉnh và đáy (hình 2.33).
Ngoại trừ các phân xưởng sản xuất dầu nhờn cơ sở, mục đích của tháp chưng cất chân không thông thường là thu được tối đa các phần cất trung từ phần cặn chưng cất khí quyển để làm nguyên liệu cho các phân xưởng cracking xúc tác. Do vậy, việc tăng giá trị của chưng cất chân không là tối đa phần cất chân không, chất lượng tách phải bảo đảm các tính chất của phân đoạn cặn như độ nhớt, độ xuyên kim cùng với sự mất mát ít nhất phần cất, khi đó phân đoạn cặn chưng không sẽ là sản phẩm được tinh lọc tối đa.
Đối với một chất lượng nguyên liệu đã cho, phần bị hóa hơi phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất trong vùng hoá hơi:
- Nhiệt độ trong tháp bị hạn chế bởi các hiện tượng cracking nhiệt do có thể tạo ra cốc trong các ống của lò đốt và còn sinh ra các hỗn hợp khí quá nhẹ không ngưng tụ được. Vì vậy người ta tìm cách tối thiểu hóa áp suất trong vùng hoá hơi để hạ thấp nhiệt độ làm việc.
- Tuy nhiên áp suất ở đỉnh cũng phải được cố định bởi hệ thống tạo chân không đỉnh tháp; do vậy để giảm đến tối thiểu áp suất trong vùng hoá hơi, phương án còn lại là phải giảm thiểu phần tổn thất áp suất của các cấu trúc bên trong tháp.
Các tháp chân không thường có nhiều bộ phận trích dòng. Các bộ phận này trước hết là nhằm tối ưu hóa việc thu hồi nhiệt năng của các dòng hồi lưu tuần hoàn hơn là nhằm thu được các sản phẩm riêng biệt. Chất lượng phân đoạn các sản phẩm trong tháp này không đòi hỏi nghiêm ngặt hơn so với trong chưng cất khí quyển và trong chưng cất chân không sản xuất dầu nhờn. Các công đoạn chưng cất chân không loại này thường gồm có một vùng stripping đáy tháp, một vùng hoá hơi, một vùng rửa và 2 hoặc 3 vùng hồi lưu tuần hoàn tùy thuộc vào số lượng phần cất định lấy (LVGO, MVGO, HVGO).
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 65
Hình 2.33 Cấu tạo bên trong tháp chưng cất chưng không a. Vật liệu chế tạo
Các loại đĩa, đệm lưới hay đệm vòng thường làm bằng thép hợp kim loại 410. Khi có mặt của a xít naphtenic, các bộ phận bên trong nằm dười đĩa rút phần cất nặng ( gasoil chân không nặng HVGO) được làm bằng thép chống oxi hóa loại 316. Tuy nhiên do bề dày của chúng nhỏ dẫn đến khả năng chịu ăn mòn kém, các đệm có cấu trúc cần phải:
- làm băng thép chống oxi hóa loại 304 khi nằm trên vùng hồi lưu tuần hoàn của HVGO - làm bằng thép inox 316 khi nằm dưới kể từ vùng hồi lưu tuần hoàn của HVGO
- khi có mặt của a xít naphtenic, vùng rửa được chế tạo bằng thép inox 317L
b. Vùng tách hơi đáy tháp
Vùng này khá giống như trong tháp chưng cất khí quyển. Chất lượng của hơi stripping (hơi nước quá nhiệt) phải đặc biệt được lưu ý bởi vì áp suất nhỏ trong vùng hoá hơi sẽ làm tăng hiện tượng hóa hơi đột ngột nếu có nhiều nước trong hơi stripping. Chỉ cần vài chục lít nước cũng đã đủ làm tổn hại nghiêm trọng các cấu trúc bên trong của vùng này. Nhằm giảm thiểu các sự cố như vậy, cần phải sử dụng loại đĩa van có trang bị các bẫy nổi lật, bập bênh cho phép đi qua 1 lượng hơi lớn bất thường.
Nguy cơ về đóng cáu trong vùng này là rất cao do nhiệt độ đáy rất cao, do vậy vùng stripping đôi khi cũng được trang bị một bơm tuần hoàn bơm trực tiếp cặn đáy tháp vào vùng này nhằm giữ nhiệt độ ở chừng 340°C để hạn chế hiện tượng cracking nhiệt. Ngoài ra thời gian lưu ở đáy tháp phải được hạn chế. Lưu lượng hơi stripping thường trong khoảng 0,15 đến 0,20 kg hơi cho 1kg cặn chưng cất chân không
c. Vùng nhập liệu hay vùng flash
Cũng như các tháp chưng cất khí quyển, ta cần phải dự kiến một bộ phận tăng cường quá trình phân tách pha lỏng và hơi. Tuy nhiên tổn thất áp suất gây nên bởi bộ phận này phải càng nhỏ càng tốt nhằm tránh tăng cao áp suất dẫn đến tăng nhiệt độ trong vùng này tạo nguy cơ thúc đẩy quá trình cốc hóa trong tháp.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 66
d. Vùng rửa
Mục đích cũng giống như trong tháp chưng cất khí quyển. Điều kiện vận hành của vùng này là khá nghiêm ngặt vì nguy cơ tạo cốc là rất dễ xảy ra. Đây là vùng có tổn thất áp suât thấp nhất đối với các tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu. Chất lượng của phần cất chân không sẽ phụ thuộc vào tính năng của vùng này, đặc biệt hàm lượng kim loại (Ni, V), nếu bị kéo theo phần cất chân không sẽ ảnh hưởng đến sự lão hóa của xúc tác của công đoạn FCC.
Việc sử dụng loại đệm cấu trúc kiểu lưới rất được quan tâm cho vùng này nhờ vào khả năng lưu giữ chất lỏng kém của chúng (lượng dầu rửa luôn phải đảm bảo làm ướt đều đệm nhưng nó phải chảy nhanh), để thời gian lưu của chất lỏng trên đệm là thấp nhất, điều đó sẽ hạn chế được quá trình tạo cốc (cốc tạo thành chủ yếu là do sự có mặt của các hydrocarbon nặng có trong pha lỏng bị cháy).
Mặc dù lưu lượng lỏng ít, các thiết bị phân bố lỏng theo kiểu trọng trường được sử dụng để bảo đảm thực hiện sự phân bố đều đặn nhất và từ đó hạn chế được sự đóng cặn hay sự cốc hóa trên tầng tiếp xúc. Tuy nhiên, còn có dòng nạp liệu đều đặn là dầu rửa được khống chế dựa trên lưu lượng dầu cặn