Hiện nay, sản xuất Ni-tơ về cơ bản vẫn đi từ khụng khớ trong tự nhiờn. Quỏ trỡnh sản xuất Ni-tơ đi từ khụng khớ cho đến nay cú cỏc phƣơng phỏp chớnh sau đõy:
- Phƣơng phỏp húa lỏng khụng khớ rồi chƣng luyện truyền thống;
- Phƣơng phỏp hấp phụ phõn tử (Pressure Swing Adsorption - PSA);
- Phƣơng phỏp màng lọc phõn tử (hấp phụ) kết hợp kỹ thuật siờu lạnh
(molecular sieve adsorption and Cryogenic air separation).
3.4.2.1. Phƣơng phỏp húa lỏng khụng khớ
Theo phƣơng phỏp sản xuất Ni-tơ truyền thống, khụng khớ đƣợc nộn tới ỏp suất rất cao và làm mỏt để thu hồi khụng khớ ở dạng lỏng rồi sau đú tiến hành chƣng cất tỏch riờng biệt cỏc thành phần Ni-tơ, ễ-xy và Cacbonic ở dạng lỏng. Phƣơng phỏp này cú ƣu điểm là cho phộp sản xuất đƣợc đồng thời nhiều loại khớ cú độ tinh khiết cao, phự hợp cụng suất lớn. Tuy nhiờn, sản xuất Ni-tơ theo phƣơng phỏp này đầu tƣ lớn do cỏc thiết bị làm việc ở ỏp suất cao, giỏ thành sản phẩm cao nếu nhƣ mục đớch chỉ thu hồi Ni-tơ.
3.4.2.2. Phƣơng phỏp hấp phụ phõn tử
Phƣơng phỏp hấp phụ phõn tử dựa vào khả năng hấp phụ chọn lọc dƣới ỏp suất của một số chất để tỏch Ni-tơ ra khỏi khụng khớ. Phƣơng phỏp này cú ƣu điểm là đơn giản, hệ thống hoạt động ở ỏp suất khụng cao. Tuy nhiờn, phƣơng phỏp này chỉ sản xuất đƣợc Ni-tơ ở trạng thỏi khớ mà khụng sản xuất đƣợc Ni-tơ ở trạng thải lỏng, vỡ vậy, khụng phự hợp với yờu cầu của nhà mỏy chế biến dầu khớ (cú nhu cầu cả ni–tơ lỏng và khớ để điều tiết cung cầu).
3.4.2.3. Phƣơng phỏp lọc phõn tử kết hợp kỹ thuật siờu lạnh
Theo phƣơng phỏp này, khụng khớ đƣợc nộn tới ỏp suất thớch hợp (khoảng 7-14 Kg/cm2) rồi đƣa qua một sàng lọc phõn tử (hấp phụ) để tỏch khớ CO2 và hơi nƣớc ra khỏi khớ nộn. Khớ nộn sau đú đƣợc làm lạnh tới nhiệt độ rất sõu nhờ kỹ thuật siờu lạnh để tỏch Ni-tơ cú độ tinh khiết cao ra khỏi hỗn hợp. Hiện nay, phƣơng phỏp sản xuất Ni-tơ này đƣợc sử dụng phổ biến trong nhà mỏy lọc dầu nhờ những tớnh năng ƣu việt:
- Sản xuất đƣợc cả Ni-tơ lỏng và khớ phự hợp yờu cầu sử dụng;
- Giỏ thành sản phẩm thấp hơn.
Sơ đồ nguyờn lý hoạt động của hệ thống sản xuất ni-tơ bằng phƣơng phỏp màng lọc phõn tử kết hợp kỹ thuật siờu lạnh đƣợc trỡnh bày trong mục dƣới của bài học này.
3.4.3. Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động 3.4.3.1. Nguyờn lý hoạt động 3.4.3.1. Nguyờn lý hoạt động
Sơ đồ nguyờn lý hoạt động của hệ thống sản xuất Ni-tơ đƣợc mụ tả trong hỡnh H-18. Theo sơ đồ cụng nghệ này, khụng khớ đƣợc nộn tới ỏp suất thớch hợp sau đú đƣợc làm mỏt tới nhiệt độ của khụng khớ mụi trƣờng nhờ hệ thống làm mỏt của mỏy nộn. Khụng khớ nộn sau khi làm mỏt tiếp tục đƣợc hạ nhiệt độ xuống khoảng 200 0C rồi đƣa tới thỏp hấp phụ phõn tử. Tại đõy, khớ cỏc
cacbonic và hơi ẩm đƣợc tỏch ra khỏi khụng khớ nhờ cỏc màng lọc phõn tử.
Cỏc thỏp hấp phụ này làm việc theo nguyờn tắc giỏn đoạn, một hoạt động và một ở trạng thỏi tỏi sinh. Khụng khớ sạch sau đú tiếp tục đƣợc đƣa đến tới thiết bị trao đổi nhiệt với dũng sản phẩm lạnh đi ra từ thỏp phõn tỏch lạnh. Khụng khớ nộn sau thiết bị trao đổi nhiệt ở vào trạng thỏi gần ngƣng tụ. Khụng khớ nộn lạnh đƣợc đƣa vào thỏp siờu lạnh, tại đõy Ni-tơ và ễ-xy đƣợc phõn tỏch ra riờng biệt do cú nhiệt độ ngƣng tụ khỏc nhau. Khớ ễ-xy lỏng đƣợc tỏch ra ở đỏy thỏp, cũng khớ Ni-tơ ngƣng tụ một phần ở đỉnh thỏp và cho hồi lƣu lại thỏp siờu lạnh. ễ-xy lỏng cú nhiệt độ thấp ở đỏy thỏp đƣợc đem trao đổi nhiệt với khớ Ni-tơ đi ra ở đỉnh thỏp siờu lạnh để thu hồi Ni-tơ lỏng.Phần khớ Ni-tơ khụng ngƣng tụ đƣợc đƣa tới hệ thống phõn phối. Một phần khớ Ni-tơ ngƣng tụ đƣợc đƣa tới bể chứa ni-tơ lỏng để dự phũng cho những giai đoạn cao điểm sử dụng ni-tơ vƣợt quỏ cụng suất tức thời của hệ thống sản xuất. Điều này rất quan trọng đối với cỏc hộ tiờu thụ đặc biệt mà cần phải đƣợc cung cấp ổn định và cú độ dự phũng cao (nhƣ nhu cầu cấp cho phõn xƣởng Reforming tỏi sinh xỳc tỏc liờn tục).
3.4.3.2. Cấu tạo
Hệ thống cung cấp Ni-tơ bao gồm cỏc bộ phận chớnh sau: - Bộ phận sản xuất khớ Ni- tơ tinh khiết;
- Bộ phận tàng trữ;
- Bộ phận phõn phối.
a. Bộ phận sản xuất Ni-tơ
Bộ phận sản xuất Ni-tơ bao gồm cỏc thiết bị chớnh: Mỏy nộn khớ với hệ thống làm mỏt, thỏp hấp phụ phõn tử, thiết bị trao đổi nhiệt và thỏp siờu lạnh. Dạng mỏy nộn sử dụng cho hệ thống Ni-tơ do nhà thiết kế và nhà cung cấp thiết bị trọn gúi quyết định để phự hợp với dải cụng suất và ỏp suất yờu cầu. Tuy nhiờn, mỏy nộn thƣờng đƣợc sử dụng là dạng mỏy nộn kiểu ly tõm hoặc trục vớt. Cỏc mỏy nộn này thƣờng kốm theo cỏc dàn ngƣng tụ để làm mỏt khớ nộn xuống nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ khụng khớ mụi trƣờng.
Thỏp hấp phụ phõn tử đƣợc bố trớ làm việc giỏn đoạn, vỡ vậy, trong hệ thống thƣờng bố trớ hai thỏp hoạt động theo nguyờn tắc một thỏp hoạt động và một
thỏp tỏi sinh. Thỏp này cú chức năng giữ phõn tử khớ cacbonic và hơi nƣớc khụng cho đi qua lớp màng lọc hoặc lớp hấp phụ lắp đặt bờn trong thỏp. Sau một thời gian hoạt động, lƣợng khớ cacbonic và hơi nƣớc giữ lại tƣơng đối nhiều làm bóo hoà lớp đệm, thỏp sẽ đƣợc tỏi sinh bằng cỏch thổi ngƣợc bằng khớ ễ-xy đi ra từ thỏp siờu lạnh.
Cỏc thiết bị trao đổi nhiệt đƣợc lắp đặt giữa thỏp hấp phụ phõn tử và thỏp phõn tỏch siờu lạnh nhằm làm lạnh khụng khớ nộn (đú tỏch khớ cacbonic và hơi nƣớc) bằng khớ ễ-xy lỏng cú nhiệt độ thấp đi ra từ đỏy thỏp siờu lạnh. Cỏc thiết bị trao đổi nhiệt này làm việc theo nguyờn tắc trao đổi nhiệt giỏn tiếp, dũng chảy ngƣợc chiều. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bo mạch in hoặc dạng tấm bản hàn kớn sẽ đƣợc sử dụng cho mục đớch sử dụng này.
Thỏp siờu lạnh là một trong hai thiết bị trung tõm của bộ phận sản xuất Ni- tơ. Về nguyờn tắc, thỏp phõn tỏch siờu lạnh hoạt động gần nhƣ một thỏp chƣng cất bỡnh thƣờng để phõn tỏch Ni-tơ và ễ-xy lỏng ra ở đỏy thỏp và đỉnh thỏp. Điểm đặc biệt của thỏp này là hệ thống "siờu lạnh" để chuyển hỗn hợp khớ Ni-tơ và ễ-xy từ trạng thỏi khớ sang trạng thỏi lỏng. ễ-xy cú nhiệt độ ngƣng tụ thấp sẽ ngƣng tụ và thu về đỏy thỏp cũng Ni-tơ sẽ thúat ra ở đỉnh thỏp và ngƣng tụ một phần thành trạng thỏi lỏng.
b. Bộ phận tàng trữ và bay hơi
Cỏc dũng khớ húa lỏng thu đƣợc từ thỏp phõn tỏch siờu lạnh chỉ cú Ni-tơ đƣợc thu làm sản phẩm, cũng ễ-xy lỏng sẽ đem đi trao đổi nhiệt (làm lạnh khụng khớ trƣớc khi đƣa vào thỏp siờu lạnh và ngƣng tụ khớ Ni-tơ) sau đú bị thải ra mụi trƣờng. Phần khớ Ni-tơ khụng ngƣng tụ sẽ đƣợc đƣa tới hệ thống phõn phối. Ni-tơ lỏng ngƣng tụ ở đỉnh thỏp siờu lạnh một phần đƣợc chuyển về bỡnh chứa phần cũng lại cho hồi lƣu lại thỏp.
Việc dự trữ Ni-tơ húa lỏng là yờu cầu bắt buộc vỡ lý do an toàn vận hành và lý do kinh tế đối với Nhà mỏy lọc húa dầu. Nhu cầu sử dụng khớ Ni-tơ khụng giống nhau tại mỗi thời điểm, nếu xõy dựng hệ thống thiết bị với cụng suất đủ để đỏp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng lớn nhất của nhà mỏy thỡ khụng cần phải đầu tƣ hệ thống dự trữ khớ. Tuy nhiờn, cụng suất dƣ của hệ thống rất lớn dẫn đến lúng phớ về cụng suất dƣ thừa ở thời điểm hoạt động bỡnh thƣờng. Giải phỏp kỹ thuật hợp lý hay đƣợc sử dụng trong cỏc nhà mỏy lọc húa dầu là xõy dựng một hệ thống sản xuất khớ Ni-tơ với cụng suất hợp lý đỏp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng bỡnh thƣờng và cộng thờm một cụng suất dƣ làm dự phũng cho cỏc nhu cầu bất thƣờng khỏc. Ni-tơ đƣợc dự trữ dƣới dạng lỏng, khi nhu cầu tiờu thụ tăng đột biến sẽ đƣợc đƣa tới thiết bị bay hơi để cấp Ni-tơ ở dạng khớ
bổ sung cho hệ thống phõn phối. Thiết bị bay hơi cú nhiệm vụ chuyển Ni-tơ từ trạng thỏi lỏng sang trạng thỏi khớ nhờ thiết bị bay hơi ở điều kiện nhiệt độ mụi trƣờng. Để đảm bảo an toàn vận hành, hệ thống tàng trữ và bay hơi Ni-tơ đƣợc chia thành hai hệ thống riờng biệt. Một hệ thống cung cấp cho cỏc nhu cầu bỡnh thƣờng (nhƣ đuổi khớ, cỏch ly cỏc chất dễ ụ xy húa,...) và mụt hệ thống cung cấp cho cỏc nhu cầu đặc biệt đũi hỏi khả năng cung cấp khớ liờn tục đỳng chất lƣợng yờu cầu (cỏc hệ thống cỏch ly mụi trƣờng dễ chỏy nổ nhƣ hệ thống tỏi sinh xỳc tỏc của phõn xƣởng Reforming)
c. Hệ thống phõn phối
Khớ Ni-tơ từ thiết bị bay hơi và thỏp phõn tỏch siờu lạnh sẽ đƣợc đƣa tới mạng lƣới phõn phối Ni-tơ trong nhà mỏy. Với cỏc hộ tiờu thụ quan trọng nhƣ phõn xƣởng Reforming, hệ thống cấp Ni-tơ đƣợc thiết kế tỏch biệt với mạng lƣới cung cấp chung toàn nhà mỏy. Khi nhà mỏy hoạt động ở chế độ bỡnh thƣờng, Ni-tơ cấp cho cỏc hộ tiờu thụ là Ni-tơ trạng thỏi khớ thu từ thỏp siờu lạnh. Khi ỏp suất hệ thống giảm (nhu cầu tiờu thụ vƣợt quỏ lƣợng khớ cung cấp) thỡ hệ thống bay hơi sẽ cấp Ni-tơ bổ sung từ cỏc bỡnh dự trữ Ni-tơ lỏng vào hệ thống để bự đắp phần thiếu hụt. Ni-tơ đƣợc cấp tới cỏc hộ tiờu thụ bằng mạng lƣới đƣờng ống.
d. Nhu cầu Ni-tơ trong Nhà mỏy lọc húa dầu
Khớ Ni-tơ đƣợc tiờu thụ chủ yếu cho cỏc mục đớch cỏch ly mụi trƣờng nhƣ trong bộ phận tỏi sinh xỳc tỏc phõn xƣởng reforming, cỏc khu bể chứa sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối dễ bị ụ-xy húa. Trong giai đoạn chạy thử nhà mỏy, một lƣợng lớn Ni-tơ đƣợc sử dụng với mục đớch đuối khớ ra khỏi thiết bị, phỏ mụi trƣờng chõn khụng (với cỏc Nhà mỏy chế biến dầu khớ, cỏc thiết bị chế biến dầu tuyệt đối khụng để cú mặt của ụ-xy bờn trong thiết bị nhằm trỏnh những thảm hoạ chỏy nổ xảy ra). Vỡ vậy, trong quỏ trỡnh xừy dựng và vận hành cỏc Nhà mỏy lọc húa dầu, cỏc phõn xƣởng phụ trợ núi chung và phõn xƣởng sản xuất Ni-tơ nỳi riờng thƣờng phải đƣợc hoàn thành trƣớc để phục vụ cho cỏc mục đớch trờn. Cỏc bể chứa cỏc chất dễ bị ụ-xy húa ở phớa trờn bề mặt đƣợc phủ một lớp khớ Ni-tơ nhằm ngăn cản sự tiếp xỳc của ụ-xy với cỏc sản phẩm này, đặc biệt là cỏc sản phẩm cracking.
3.4.3.3. Chất lƣợng khớ Ni-tơ yờu cầu
Ni-tơ sử dụng trong cỏc nhà mỏy chế biến dầu khớ với tƣ cỏch là khớ trơ, vỡ vậy, chất lƣợng của nú phải đạt đƣợc tiờu chuẩn nhất định để trỏnh ảnh hƣởng đến hoạt động chung của nhà mỏy. Thụng thƣờng, thành phần khớ Ni-tơ cung cấp trong nhà mỏy lọc húa dầu phải đạt đƣợc tiờu chuẩn nhƣ sau:
Bảng 3-1 - Thành phần khớ Ni-tơ
Thành phần Đơn vị đo Số lƣợng
Nitrogen (% vol min) 99.7
Carbon Monoxide (CO) ppm vol max 20 ễ-xy - 10 Carbonic (CO2) - 20 Chlorine - 1 Hydrocarbons - 5 Nƣớc - 5 Hydrogen - 20 Khớ trơ khỏc ppm phần cũng lại 3.5. HỆ THỐNG NHIấN LIỆU
Nhiờn liệu trong Nhà mỏy lọc húa dầu thƣờng sử dụng cả dầu và khớ nhiờn liệu. Nguồn khớ nhiờn liệu giữ vai trũ quan trọng trong Nhà mỏy lọc dầu do trong quỏ trỡnh chế biến một lƣợng lớn khớ nhiờn liệu đƣợc tạo ra nếu khụng đƣợc tận dụng sẽ phải đƣa ra cột đuốc đốt khụng chỉ giảm hiệu suất thu hồi và hiệu quả kinh tế mà cũn ảnh hƣởng tới mụi trƣờng. Việc sử dụng nhiờn liệu trong Nhà mỏy thƣờng dựa trờn nguyờn tắc ƣu tiờn sử dụng nguồn khớ nhiờn liệu trƣớc, phần thiếu hụt sẽ đƣợc bự đắp bằng dầu. Để cung cấp nhiờn liệu cho cỏc hộ tiờu thụ, thụng thƣờng trong Nhà mỏy lọc húa dầu ngƣời ta kế lắp đặt hệ thống cung cấp khớ và dầu nhiờn liệu trung tõm.
3.5.1. Hệ thống khớ nhiờn liệu
Hệ thống khớ nhiờn liệu trong nhà mỏy cú chức năng thu gom nguồn khớ nhiờn liệu trong nhà mỏy để cung cấp cho cỏc hộ tiờu thụ. Trong Nhà mỏy lọc húa dầu, nguồn khớ nhiờn liệu thu chủ yếu từ cỏc phõn xƣởng cracking, reforming, phõn xƣởng chƣng cất dầu thụ ở ỏp suất khớ quyển, chƣng cất chõn khụng, cỏc phõn xƣởng xử lý bằng hydro (nhƣ xử lý Naphtha, xử lý GO,...). Cỏc hộ tiờu thụ khớ nhiờn liệu chớnh trong Nhà mỏy là cỏc lũ đốt trong cỏc phõn xƣởng cụng nghệ nhƣ: phõn xƣởng chƣng cất ỏp suất thƣờng, phõn xƣởng phỏt điện, phõn xƣởng reforming, cỏc phõn xƣởng xử lý bằng hydro,... Việc thu gom khớ từ cỏc phõn xƣởng nhiều khi khụng ổn định, đặc biệt, khi một số phõn xƣởng hoạt động khụng bỡnh thƣờng. Để khắc phục tỡnh trạng này, một thiết bị
bay hơi khớ húa lỏng để cung cấp khớ bổ sung hệ thống khớ nhiờn liệu. Thiết bị bay hơi hoạt động khi ỏp suất khớ nhiờn liệu trong hệ thống giảm xuống.
3.5.1.1. Nguyờn lý hoạt động
Hệ thống khớ nhiờn liệu trong Nhà mỏy lọc húa dầu hoạt động theo nguyờn tắc của hệ thống trung tõm. Khớ nhiờn liệu từ cỏc phõn xƣởng cụng nghệ sẽ đƣợc thu gom và phõn phối trong một hệ thống duy nhất trong nhà mỏy mà khụng cú cỏc hệ thống khớ nhiờn liệu cục bộ. Khớ nhiờn liệu sản sinh trong cỏc phõn xƣởng cụng nghệ sau khớ đó xử lý đạt tiờu chuẩn (tạp chất, ỏp suất thu gom) sẽ đƣợc đƣa tới bỡnh hoà trộn. Bỡnh hoà trộn khớ cú chức năng điều hoà ỏp suất và làm ổn định thành phần khớ cung cấp tới cỏc hộ tiờu thụ. Khớ từ bỡnh hoà trộn đƣợc phõn phối bằng đƣờng ống tới cỏc hộ tiờu thụ. Nhu cầu tiờu thụ và lƣợng khớ thu gom khụng ổn định, vỡ vậy, hệ thống đƣợc lắp đặt thờm một thiết bị bay hơi LPG để cung cấp LPG cho khớ nhiờn liệu trong trƣờng hợp ỏp suất hệ thống phõn phối sụt giảm dƣới ỏp suất thiết kế. Việc diều tiết ỏp suất hệ thống thực hiện nhờ hệ thống điều khiển tự động. Sơ đồ cụng nghệ hệ thống khớ nhiờn liệu điển hỡnh đƣợc trỡnh bày trong hỡnh H-19.
3.5.1.2. Cấu tạo và chức năng hệ cỏc thiết bị trong hệ thống
Hệ thống khớ nhiờn liệu bao gồm cỏc thành phần chớnh sau: Hệ thống thu gom, bỡnh trộn khớ nhiờn liệu, thiết bị bay hơi LPG và hệ thống đƣờng ống phõn phối (xem hỡnh H-19). Khớ nhiờn liệu đƣợc thu gom bằng hệ thống đƣờng ống. Để đảm bảo hệ thống thu gom hoạt động ổn định và hiệu quả trong quỏ trỡnh thiết kế và vận hành, ỏp suất đầu ra khớ nhiờn liệu tại cỏc phõn xƣởng cụng nghệ phải đƣợc xỏc định thống nhất. Khớ nhiờn liệu từ cỏc phõn xƣởng cụng nghệ đƣợc thu về bỡnh phối trộn.
Bỡnh phối trộn khớ nhiờn liệu cú chức năng chống sung ỏp suất cho cỏc hộ tiờu thụ, tỏch hydrocacbon kộo theo và làm đồng đều thành phần khớ nhiờn liệu cung cấp. Thụng thƣờng ngƣời ta thiết kế hệ thống với hai bỡnh phối trộn hoạt động song song, mỗi bỡnh cú cụng suất 100% yờu cầu. Nguyờn tắc thiết kế này cho phộp sửa chữa bảo dƣỡng, thanh tra một bỡnh phối trộn mà khụng ảnh hƣởng đến hoạt động của Nhà mỏy. Bỡnh phối trộn thƣờng đƣợc đặt tại vị trớ trung tõm của cỏc hộ tiờu thụ để trỏnh tổn thất ỏp suất giữa hệ thống thu gom và cỏc đầu phõn phối.
P/X CRACKING P/X XỬ Lớ NAPHTHA REFORMING P/X CDU P/X ISOMER P/X XỬ Lớ GASOIL P/X THU HỒI PROPYLENE P/X XỬ Lớ XĂNG RFCC