2. Kiến thức chuyên môn
3.1.4. Hệ thống tháp chưng cất
3.1.4.1. Tháp tách Ethane C-01
Trang 28
Tháp C-01 đóng vai trò rất quan trọng trong nhà máy, có chức năng thực hiện quá trình phân tách giữa ethane và propane. Tại đây nguồn condensate nặng sẽ được xử lý để tách các thành phần nhẹ có nhiệt độ sôi dưới 4000C và các thành phần nặng có nhiệt độ sôi trên 2100C. Hydrocacbon nhẹ hơn ethane và một phần nhỏ propane sẽ ra khỏi đỉnh tháp ở pha khí, phần lớn hydrocacbon nặng (C3+) và một phần nhỏ ethane ra khỏi đáy C-01 ở dạng lỏng sẽ được đưa tới tháp C-02 để phân tách tiếp để sản xuất ra LPG và condensate. Tháp được thiết kế để chế biến condensate ổn định với đặc tính phù hợp để có thể trộn với reformate tạo ra xăng có chỉ số RON-83 theo TCVN5690-98.
b. Cấu tạo
Tháp tách ethane C-01 gồm có 32 đĩa van, 13 đĩa ở phần luyện của tháp có đường kính 2,6m. Phần chưng của tháp có 19 đĩa có đường kính 3,05m. Bộ kiểm soát chênh áp qua tháp PDIA-1321 có nhiệm vụ kiểm soát chênh áp qua tháp nhằm kịp thời phát hiện các hiện tượng bất thường như ngập tháp, tạo bọt. Hai thiết bị gia nhiệt dạng Kettle Reboiler được lắp tại đáy của tháp, với công suất hoạt động của mỗi thiết bị là 50% để cung cấp nhiệt cho đáy tháp.
c. Nguyên lý làm việc
Nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa đáy và đỉnh tháp nên các cấu tử nhẹ C1, C2 sẽ bốc hơi lên đỉnh tháp, các cấu tử nặng C3+ sẽ được giữ lại ở đáy tháp để đưa về tháp C-02 chưng cất thành LPG và condensate. Sau khi trao đổi nhiệt, condensat chảy xuống nhờ trọng lực đến bình chứa V-15 với thời gian lưu là 3 phút để ổn định mực chất lỏng. Dòng lỏng có nhiệt độ thấp từ tháp C-05 chứa 95% mol chất lỏng sẽ đóng vai trò dùng phun tưới, làm dòng hồi lưu lạnh cho đỉnh tháp. Nhiệt độ của đáy tháp được duy trì nhờ 2 reboiler gia nhiệt đáy tháp E-01A/B.
d. Thông số vận hành
Áp suất tháp C-01 trong chế độ GPP chuyển đổi là 27 bar, được duy trì bằng cách điều chỉnh độ đóng mở của van PV-1403A/B và tốc độ quay
Trang 29
của máy nén K-01. Trong trường hợp áp suất vượt giới hạn thiết kế, van PV-1305B sẽ mở để xả khí ra đốt tại flare để tránh gây quá áp cho tháp. Nhiệt độ ở đỉnh và đáy tương ứng là 140C và 1090C, được duy trì nhờ
vào việc điều chỉnh lượng dầu nóng cung cấp vào thiết bị gia nhiệt đáy tháp.
Nhiệt độ của tháp cần được điều chỉnh sao cho hàm lượng C2 trong LPG đạt giá trị mong muốn. Nếu muốn sản phẩm LPG có hàm lượng C2 cao thì tháp C-01 sẽ được tăng nhiệt độ và ngược lại giảm nhiệt độ khi C2 thấp. Hàm lượng C2- cần kiểm soát phụ thuộc vào yêu cầu chất lượng của công ty và theo thỏa thuận với khách hàng. Hiện nay hàm lượng này là từ 2 – 2,5%.
Trong quá trình vận hành, nếu nhận thấy lưu lượng sản phẩm từ đỉnh tháp C-01 vượt quá giá trị bình thường thì máy nén K-01 sẽ được tăng tốc độ, đồng thời giảm nhiệt độ của tháp C-01 xuống nhằm giảm lưu lượng khí đi ra từ đỉnh tháp. Nếu mức lỏng ở đáy C-01 quá cao thì nên mở van FV-1301 lớn hơn nhằm tránh ngập đáy C-01, E-01A/B, V-15 làm giảm hiệu quả làm việc của tháp.
3.1.4.2. Tháp ổn định C-02
a. Chức năng
Tháp ổn định C-02 có chức năng phân tách các cấu tử C4 và C5 của dòng lỏng từ V-15 tới để tạo ra hai loại sản phẩm riêng biệt: LPG và condensate.
b. Cấu tạo
Tháp C-02 có cấu tạo gồm 30 đĩa van, đường kính 2,14m. Đĩa nạp liệu cho tháp là đĩa số 10. Tháp được thiết kế một thiết bị ngưng tụ ở đỉnh và một thiết bị đun sôi lại ở đáy. Thiết bị reboiler của tháp thuộc loại Kettle (E-03) được sử dụng để cung cấp nhiệt cho đáy tháp. Nhiệt độ đáy tháp được khống chế nhờ việc điều chỉnh lượng dầu nóng cung cấp cho Reboiler qua van TV- 1523. Hơi LPG từ đỉnh tháp sẽ ngưng tụ ở 430C trong thiết bị ngưng tụ bằng không khí E-02 sau đó đến bình hồi lưu nằm ngang V-02 có đường kính 2,2m, dài 7m. LPG được qua bơm hồi lưu P-01A/B. Bơm có công suất là 180 m3/h,
Trang 30
công suất động cơ là 75 kW, chiều cao cột áp 133,7m. Ngoài ra, C-02 còn có thiết bị kiểm soát chênh áp qua tháp PDIA-1521 để tránh sự chênh áp trong cột quá cao nhằm kịp thời phát hiện các hiện tượng bất thường như ngập lỏng, tạo bọt.
c. Nguyên lý làm việc
Tháp C-02 hoạt động dựa vào sự chênh lệch nhiệt độ sôi của cấu tử nhẹ C3, C4 và condensate. LPG ra khỏi đỉnh tháp được làm lạnh bằng không khí bởi giàn quạt E-02 để ngưng tụ thành lỏng tại V-02. Sau đó, một phần LPG sẽ được bơm P-01A/B hồi lưu lại tháp nhằm tăng độ tinh cất của tháp, một phần khác được bơm tới bình chứaV-21A/B, kho cảng Thị Vải hay tới tháp C-03 để tách riêng propane và butane. Condensate ở đáy tháp được dẫn tới E-03 để gia nhiệt nhằm bốc hơi một phần các cấu tử nhẹ quay trở lại đáy tháp. Phần lỏng ra khỏi đáy E-03 sẽ là condensate thành phẩm. Nhiệt độ tháp C-02 được điều khiển bởi van dầu nóng TV-1523 sao cho hàm lượng C5 trong LPG < 2% và áp suất hơi bão hòa của condensate không vượt quá 11,2 psia.
d. Thông số vận hành
Áp suất làm việc của tháp C-02 theo thiết kế là 12,5 bar và theo chế độ
MGPP là 10 bar, được điều chỉnh nhờ việc điều chỉnh công suất quạt làm mát và các van PV-1501A/B. Ta có thể khống chế hiệu suất của thiết bị trao đổi nhiệt E-02 bằng cách mở hoặc đóng một dòng khí bypass nóng qua van TV-1501A, công suất thiết kế là 30% dòng khí tổng, khí sẽ được đốt qua van PV-1501B.
Nhiệt độ ở đỉnh và đáy tháp tương ứng là 400C và 1410C, được duy trì
ổn định nhờ vào việc điều chỉnh tỷ lệ hồi lưu lạnh đỉnh tháp và lượng nhiệt dầu nóng cung cấp vào Reboiler đáy tháp.
Mức độ phân tách của tháp C-02 phụ thuộc vào chỉ số hồi lưu của tháp. Nếu tỷ lệ giữa phần hồi lưu và phần sản phẩm đỉnh tháp càng cao thì chỉ số hồi lưu càng lớn, nhưng tổn thất năng lượng để gia nhiệt đáy tháp và làm lạnh đỉnh
Trang 31
tháp càng lớn hơn. Ngoài ra, mục đích của tháp C-02 là thu tối đa lượng LPG nên mức độ phân tách cao không cần thiết, vì vậy khi vận hành cần tính toán thiết bị sao cho chỉ số hồi lưu tối ưu nhất.
Trong quá trình vận hành tháp, nếu mức lỏng đáy E-03 tăng lên quá mức vận hành bình thường (50 – 60%) thì lượng lỏng đó sẽ chiếm toàn bộ phần shell side của E-03 và bắt đầu ngập lên trên tháp. Lúc này công suất của E-03 không đủ để gia nhiệt cho đáy C-02 dẫn đến nhiệt độ đáy C-02 giảm và làm condensate không đạt chất lượng. Ngoài ra, còn có thể xảy ra hiện tượng ngập tháp C-02 trong các trường hợp: Khi lượng lỏng từ C-01 vào C-02 tăng lên nhiều nhưng dòng condensate ra khỏi E-03 không kịp điều chỉnh hợp lý kịp thời; khi khởi động lại tháp C-02 sau khi bị shutdown đột ngột hay khi nhiệt độ tại đáy tháp C-02 quá thấp, dòng nạp liệu và hồi lưu lớn. Tùy vào từng sự cố vận hành trên mà các vận hành viên nhà máy sẽ có những biện pháp xử lý tùy theo các mức độ khác nhau.
3.1.4.3. Tháp tách C-03 (C3/C4, Splitter)
a. Chức năng
Tháp tách C-03 có chức năng phân tách sản phẩm lỏng là hỗn hợp C3, C4. Thiết bị C-03 được lắp đặt ở chế độ GPP nhưng cũng có thể hoạt động ở chế độ MF và AMF dự phòng .
b. Cấu tạo
Tháp tách C-03 được cấu tạo có 30 đĩa van với đường kính 1,7m. Nguyên liệu được nạp vào tháp tại đĩa thứ 14 kể từ đỉnh xuống. Có một thiết bị ngưng tụ và một thiết bị đun sôi lại được lắp đặt ở đỉnh và đáy tháp.
c. Nguyên lý làm việc
Hơi propane đi ra từ đỉnh tháp C-03 sẽ được ngưng tụ bằng không khí nhờ thiết bị E-11, nhiệt độ giảm đến 400C. Sau đó được đưa đến bình chứa nằm ngang V-05 có chiều dài 6m, đường kính 2,2m. Propane lỏng tại đáy tháp được bơm P-03A/B có công suất 175m3/h, công suất môtơ 30 kW, chiều cao cột áp
Trang 32
70,5m bơm đến đường ống dẫn propane hoặc bồn chứa propane V-21A với lưu lượng 49 m3/h thông qua thiết bị điều khiển mức LICA-2201. Propane có lưu lượng 89 m3/h được hồi lưu lại tháp C-03. Thiết bị đun sôi lại loại kettle E-10 ở đáy C-03 được sử dụng để đun nóng nhờ dòng nóng 970C. Nhiệt độ được khống chế bởi van TV-2123 lắp trên đường dầu nóng này. Sản phẩm đáy butane sau khi được làm lạnh ở thiết bị trao đổi nhiệt E-17, E-12 đến 450C và được đưa đến ống dẫn hoặc bình chứa butane V-21B thông qua thiết bị điều khiển mức LICA-2101.
Một thiết bị điều khiển áp suất vi phân PDIA-2121 được lắp đặt để phát hiện sự biến đổi áp suất trong cột, chống sự gây ra tạo bọt. Ngoài ra còn có 3 thiết bị đo nhiệt độ được lắp đặt tại các đĩa 13, 14, 30 để theo dõi nhiệt độ làm việc của tháp.
d. Thông số vận hành
Áp suất : Áp suất tháp được khống chế ở 16 bar bằng cách điều khiển công suất của thiết bị E-19 nhờ việc đóng hoặc mở dòng khí nóng ở van bypass PV-2101A.
Nhiệt độ : 950C ở đáy tháp trong chế độ MGPP.
3.1.4.4. Tháp C-04, Gas Stripper
Tháp C-04 dùng để tách lượng condensate còn lẫn trong dòng khí từ đỉnh tháp C-01. Tháp được vận hành ở điều kiện áp suất 47 bar, duy trì nhờ khí đem đi đốt thông qua van PV-1801 lắp trên đường ống ra. Nhiệt độ tại đỉnh và đáy tương ứng là 440C và 400C. Tháp C-04 gồm 6 đĩa van với đường kính là 2,6m. Tháp có một thiết bị đo chênh áp để tránh hiện tượng tạo bọt, thiết bị đo nhiệt độ được đặt đo ở đĩa thứ 6 của tháp.
Tháp C-04 hoạt động như một thiết bị bốc hơi bằng hơi nước nên không cần thiết bị đun sôi lại và thiết bị ngưng tụ. Condensat được tách ra bởi khí khô sẽ được lấy ra theo sự điều khiển bởi van FV-1701 (điều khiển thông qua thiết bị điều khiển mức LICA-1821), đến đĩa thứ 14 hoặc đĩa thứ 20 trong tháp tách
Trang 33
ethane, sau khi qua thiết bi trao đổi nhiệt E-04 để nâng nhiệt độ từ 400C lên 860C với dòng nóng 1400C từ đáy của thiết bị stabilizer. Mục đích của thiết bị trao đổi nhiệt này là để tận dụng và thu hồi nhiệt.
Trong trường hợp tháp C-04 không được vận hành thì chế độ vận hành đơn giản hơn. Áp suất hoạt động được tự động giữ ở 47 bar nhờ khí đem đi đốt thông qua van PV-1801 lắp trên đường ống ra. Nếu khi lưu thể đi qua van FV- 1802 xảy ra việc hình thành hydrat, người ta sẽ phun methanol vào ngay trước van đó vì không có dòng nóng trong E-08 và trường hợp này phù hợp với chế độ có thời gian vận hành ngắn như chế độ AMF.
3.1.4.5. Tháp chưng cất nhiệt độ thấp C-05
a. Chức năng
Tháp chưng cất nhiệt độ thấp C-05 có chức năng tách hỗn hợp khí - lỏng sau cụm thiết bị làm lạnh E-14/CC-01 thành khí khô (thành phần chủ yếu là methane và ethane) ra khỏi hỗn hợp C3+.
b. Cấu tạo
Tháp C-05 có cấu tạo gồm 2 phần: Phần trên đỉnh tháp lắp đặt 1 đĩa (Chimney tray) và hệ thống tách sương (Mist eliminator) đóng vai trò như bộ tách khí - lỏng để tách lượng lỏng cuốn theo khí ra đỉnh tháp. Phần đáy có cấu tạo như một tháp chưng nhưng chỉ có phần cất. Một vài thông số chính của tháp C-05 như sau:
Số mâm thực : 12 mâm (7 mâm lý thuyết). Khoảng cách giữa các mâm : 610 m. Chiều cao tổng thể : 21m.
Đường kính : 2,1m.
Tháp không có dòng tuần hoàn và nồi sôi lại.
Áp suất : 35 - 37 bar tùy thuộc vào lưu lượng khí đầu vào và áp suất khí khô đầu ra.
Trang 34
c. Nguyên lý hoạt động
Tháp C-05 hoạt động do sự chênh lệch nhiệt độ giữa dòng nguyên liệu đỉnh và đáy. Dòng khí đi ra từ tháp hấp phụ V-06 : 1/3 đi qua thiết bị trao đổi nhiệt E-14 rồi qua van giảm áp làm cho nhiệt độ giảm xuống khoảng -620C đi vào đĩa số 1 của tháp, 2/3 dòng khí còn lại đi qua thiết bị giản nở CC-01 làm cho nhiệt độ giảm xuống khoảng -200C và đi vào đáy tháp. Nhờ sự chênh lệch nhiệt độ giữa dòng đỉnh và dòng đáy nên các cấu tử nhẹ (C1, C2) sẽ được tách ra và bay lên đỉnh tháp còn các cấu tử nặng sẽ rơi xuống đáy tháp. Ở đây, lượng lỏng được tạo ra do quá trình làm lạnh dòng khí tại E-14 đóng vai trò là dòng hồi lưu lạnh cho đỉnh tháp, dòng khí sau khi giảm áp qua Turbo-Expander đóng vai trò là dòng hồi lưu nóng cho đáy tháp.
Trong quá trình vận hành tháp, hàm lượng C3 cần phải được liên tục theo dõi để điều chỉnh tỷ lệ dòng qua E-14/CC-01 sao cho lượng C3 mất ra salegas là thấp nhất có thể. Khi áp suất salegas thấp cần theo dõi tốc độ CC-01 và đảm bảo CC-01 không bị quá tốc độ. Trong trường hợp khí đầu vào có sự thay đổi nhập liệu đầu vào (lưu lượng, thành phần, lượng condensate trắng bơm vào) thì cần tính toán lại các thông số vận hành tối ưu hóa vận hành tháp C-05 nhằm tăng cường hiệu quả thu hồi lỏng.
Khi lưu lượng đầu vào tăng, tháp C-05 thường có hiện tượng bị ngập lỏng, có thể dẫn đến nguy cơ lượng lỏng bị cuốn theo và gây ảnh hưởng đến CC-01. Nhà máy đã tiến hành việc cải tạo hệ thống nguyên liệu đầu vào tháp nhưng không hiệu quả. Vì vậy, để ngăn ngừa việc ngập tháp xảy ra, nhà máy luôn duy trì một luồng khí nóng bypass thông qua van PV-0805 với độ mở của van khoảng 15 – 20%. Tuy nhiên, điều này đã dẫn đến việc giảm hiệu quả thu hồi lỏng. Do đó, nếu giải quyết được vấn đề ngập lỏng tháp C-05 thì sẽ cho phép tăng tối đa hiệu quả thu hồi lỏng từ nguồn nguyên liệu ban đầu.
Trang 35
Để tách nước ra khỏi dòng khí nguyên liệu nhằm đảm bảo nhiệt độ điểm sương của khí thương phẩm đầu ra khí trước khi đưa vào cụm làm lạnh, đồng thời tránh hiện tượng tạo thành hydrate, khí nguyên liệu sau khi tách lỏng tại V-08 được đưa vào hệ thống hấp phụ V-06A/B.
Phương pháp hấp phụ sử dụng những chất hấp phụ rắn như silicagel, zeolit, oxit nhôm mang lại hiệu quả sấy khí cao, có độ tin cậy cao và điểm sương thấp. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và vận hành cho phương pháp này khá lớn, khả năng hấp phụ giảm dần theo thời gian nên cần phải tái sinh hoặc thay lớp chất hấp phụ để đảm bảo hiệu quả làm khô khí.
3.1.5.1. Cấu tạo
Hình 3.3. Cấu tạo thiết bị hấp phụ V-06 với lớp hấp phụ tĩnh
Có 2 kiểu thiết bị hấp phụ cơ bản: Thiết bị hấp phụ với lớp hấp phụ tĩnh.