Sơ đồ quy trình tách sáp bằng phƣơng pháp kết tinh sử dụng dung môi.
-Nguyên liệu:Dung dịch lọc ra khỏi công đoạn trích ly aromat.
-Dung môi: sử dụng hổn hợp dung môi MEK-Toluen, với tỷ lệ MEK chiếm 75% thể tích hổn hợp dung môi.
-Trộn: trộn các thành phần nguyên liệu và dung môi với nhau, tạo nên hổn hợp đều, nhằm thu được hổn hợp đồng nhất. Ở đây tỷ lệ dung môi/nguyên liệu là: 3/1 được trộn với nhau.
-Gia nhiệt: hổn hợp sau khi trộn sẽ được gia nhiệt lên 600C để đảm bảo rằng sáp tan hoàn toàn trong dung dịch. Đồng thời để khử hết hơi nước nếu có
Trộn Gia nhiệt Trao đổi nhiệt Nguyên liệu Dung môi Kết tinh Lọc NH3 Dung dịch dầu nhờn Tách sáp & dung môi Sáp Dung môi Tách dầu & dung môi Dung môi Dầu loại sáp
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 24
trong dung dịch vì nếu có nước thì đòi hỏi năng lượng làm lạnh nhiều để loại bỏ nước và năng lượng bổ sung để loại bỏhơi nước trong việc thu hồi dung môi.
-Trao đổi nhiệt: dòng nguyên liệu trao đổi nhiệt với dòng dung dịch dầu nhờn tách sáp nhằm hạ nhiệt độ xuống trước khi vào làm lạnh.
-Kết tinh: Nguyên liệu thực hiên quá trình trao đổi nhiệt qua bề mặt tiếp xúc trong tháp kết tinh. Dung môi lạnh đi vào tháp là tác nhân làm lạnh qua các ống trao đổi nhiệt ruột gà trong tháp. Nhiệt độ yêu cầu cho quá trình trong tháp kết tinh từ -15 đến -25oC. Các phân tử parafin kết tinh thành dạng rắn hoặc các tinh thể kết tinh lại có kích thước to hơn dễ tách lọc.Kết thúc giai đoạn này, hỗn hợp đi ra là 1 hỗn hợp lỏng-rắn (còn gọi là Slurry) bao gồm 2 pha: 1 pha lỏng đồng nhất chứa phần lớn dầu khử (~90% lượng dầu khử) và 1 lượng lớn dung môi. 1 pha rắn dạng tinh thể chứa nhiều parafin và ngậm 1 lượng nhỏ dầu khử (~10%) và lượng nhỏ dung môi còn lại.
-Môi chất NH3 mới và NH3 tuần hoàn lỏng là dung môi cấp nhiệt lạnh để kết tinh parafin. Khi NH3 hóa hơi nhiệt lạnh sinh ra được trao đổi cho dầu nguyên liệu. Phần NH3 bị hóa hơi được chuyển đến hệ thống máy nén để hóa lỏng rồi tiếp tục tuần hoàn cho quá trình làm lạnh.
-Lọc: Hiệu quả của quá trình lọc phụ thuộc trực tiếp vào hình dạng, cấu trúc tinh thể parafin được tạo thành trong giai đoạn kết tinh mà cấu trúc này lại hoàn toàn phụ thuộc vào bản chất (tính chất vật lý) của nguyên liệu. Nguyên liệu càng nhớt bao nhiêu thì tinh thể tạo thành có dạng vi tinh thể bấy nhiêu (kích thước rất nhỏ), điều này làm cho giai đoạn lọc càng khó khăn.Nhờ lọc nhận được dung dịch dầu loại sáp, có chứa 75 ÷ 80% dung môi, và dung dịch hydrocacn rắn với hàm lượng dầu nhờn nhỏ.
-Tách dung môi: Cả hai dung dịch sau khi lọc được đưa vào tháp chưng cất thu hồi dung môi. Nhiệt độ hoạt động của tháp từ 110 – 120oC. Dung môi hoàn nguyên quay trở lại trộn với nguyên liệu.
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 25
2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình 2.2.1.Ảnh hƣởng của bản chất nguyên liệu
Bản chất nguyên liệu có ảnh hưởng rất rõ ràng đến quá trình khử parafin. Cụ thể là hiệu quả của quá trình lọc phụ thuộc trực tiếp vào hình dạng, cấu trúc tinh thể parafin được tạo thành trong giai đoạn kết tinh, mà cấu trúc này lại hoàn toàn phụ thuộc vào bản chất (tính chấtvật lý) của nguyên liệu.
Thật vậy, nguyên liệu càng nhớt bao nhiêu thì tinh thể tạo thành càng có dạng vi tinh thể bấy nhiêu (kích thước rất nhỏ), điều đó sẽ làm cho giai đoạn lọc càng khó khăn. Vì vậy, các phân đoạn cất nặng, nhớt thu được ở tháp chưng chân không khi dùng làm nguyên liệu cho quá trình khử parafin thì hiệu quả kết tinh parafin và năng suất lọc đạt được sẽ thấp hơn so với khi nguyên liệu là phân đoạn nhẹ.
2.2.2. Ảnh hƣởng của thành phần dung môi MEK-Toluen
Không chỉ bản chất của dung môi có ảnh hưởng đến quá trình kết tinh, khi sử dụng dung môi hỗn hợp, thành phần các hợp chất tạo nên dung môi cũng đóng vai trò rất quan trọng. Dung môi MEK có khả năng hoà tan nhỏ đối với dầu nhờn (phần naphten và aromatic) và lại càng không hòa tan parafin nên sẽ kết tủa tốt parafin (và do đó có tính chọn lựa tốt là không hòa tan parafin). Trong khi đó, Toluen lạihoà tan tốt dầu nhờn đồng thời cũng hòa tan thêm cảmột phần parafin. Vì vậy, cần phải tối ưu hoá tỷ lệ hai dung môi này trong hỗn hợp dung môi để đạt được hiệu qủa cao nhất khi sử dụng là: hòa tan tốt nhất dầu nhờn và kết tủa tốt nhất parafin.
Ta nhận thấy khi tăng tỷlệMEK thì:
- Nhiệt độcuối của giai đoạn kết tinh sẽ không quá thấp (-12oC so với -17oC mà vẫn đạt được điểm chảy không đổi là -7oC như trường hợp đầu). Điều này sẽ làm giảm đáng kể tiêu tốn năng lượng trong quá trình kết tinh.
- Tốc độ lọc tăng rất nhiều (từ80 lên đến 172 l/m2.h), nhờ vậy ta có thểgiảm thiểu bề mặt lọc. Đây là điểm hết sức quan trọng vì các thiết bị lọc thùng quay có mức đầu tư và bảo trì rất lớn (20 MF cho 1 thiết bị lọc 120m2).
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 26
- Hàm lượng dầu bịlưu giữtrong parafin nhiều hơn, nghĩa là hiệu suất thu hồi dầu khử parafin càng thấp. Tuy nhiên, trong khoảng tỷlệ MEK thường dùng (50 đến 75%), ảnh hưởng này là không đáng kểlắm.
Ta thấy rằng dường nhưlà có lợi hơn khi tăng tỷ lệ MEK tuy nhiên trong thực tế khi tỷ lệ MEK quá cao sẽ làm xuất hiện thêm một pha thứ ba là pha dầu mới bị kết tủa (gồm chủ yếu là parafin) ngoài hai pha dầu/dung môi và parafin/dung môi đã có. Sự xuất hiện của pha thứ ba sẽgây ra:
- Tụt giảm hiệu suất thu hồi dầu.
- Hạ thấp chỉ số độ nhớt của dầu khử (do mất nhiều parafin trong pha dầu kết tủa).
- Nhanh chóng bít kín lưới lọc do sự có mặt của pha dầu kết tủa. Nên tỷ lệ MEK trong dung môi không nên vượt quá 75-80%.
2.2.3. Ảnh hƣởng của nhiệt độ làm lạnh lúc cuối (hay là nhiệt độ lọc)
Mục đích của quá trình khử parafin là nhằm hạthấp điểm chảy của dầu khử bằng cách hạ thấp nhiệt độ làm lạnh lúc cuối. Cần chú ý rằng việc hạ quá thấp nhiệt độl àm lạnh lúc cuối sẽ có nhược điểm là tiêu tốn năng lượng, đồng thời lại còn làm giảm ít nhiều chỉ số độ nhớt và hiệu suất thu hồi dầu khử.
Như vậy, giá trị nhiệt độ làm lạnh lúc cuối mà quá trình khử parafin cần phải thực hiện hoàn toàn phụ thuộc vào giá trị điểm chảy của sản phẩm dầu khử thu được. Cần lưu ý rằng tiêu chuẩn kỹthuật về điểm chảy của dầu nhờn ở mỗi vùng khí hậu trên thế giới là khác nhau và thông thường ở khu vực khí hậu ôn đới, điểm chảy là thấp và ở khu vực khí hậu nhiệt đới là cao.
2.2.4. Ảnh hƣởng của tỷ lệ dung môi-nguyên liệu
Do tác dụng của hỗn hợp dung môi là hòa tan tốt dầu khử (Toluen) và kết tủa tốt parafin (MEK), điều đó có nghĩa là dung môi sẽ tách tốt parafin ra khỏi dầu khử. Vì vậy tỷlệdung môi-nguyên liệu càng lớn thì hiệu quả quá trình càng cao.
Ta thấy khi tỷ lệ dung môi-nguyên liệu càng lớn thì: hiệu suất thu hồi dầu khử càng tăng (không nhiều lắm); hàm lượng dầu khử bị ngậm bởi parafin giảm rất nhiều; tốc độ lọc tăng khá nhiều lúc ban đầu.
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 27
2.2.5. Ảnh hƣởng của tốc độ làm lạnh
Tốc độ làm lạnh trong giai đoạn làm lạnh có ảnh hưởng đến kích thước của tinh thể và do vậy sẽ ảnh hưởng đến giai đoạn lọc tách dầu khửra khỏi parafin. Thực nghiệm chỉ ra rằng:
-Khi tốc độl àm lạnh là quá chậm sẽ gây nên sự hình thành các tinh thể dạng “hình xoắn ốc nhiều lớp” dễ làm bít tắc không cho dầu khử đi qua lớp tinh thể sắp lớp này.
-Khi tốc độ làm lạnh là quá nhanh sẽ gây nên sự hình thành các tinh thể dạng “hình kim” có kích thước rất nhỏ, chúng dễ làm bít tắc lưới lọc dẫn đến không cho dầu khử đi qua lưới. Như vậy, một khoảng giá trị tốc độ làm lạnh thích hợp cần được xác định và nó thường nằm trong khoảng từ 3-5oC/phút tùy theo bản chất nguyên liệu.
2.3. Thiết kế sơ đồ công nghệ Thuyết minh sơ đồ Thuyết minh sơ đồ
Dòng nguyên liệu (dầu nhờn từ phân xưởng trích ly aromat) và dòng dung môi được trộn lẫn với nhau theo tỷ lệ nguyên liệu : dung môi = 1 : 3 trong thiết bị trộn (4) và được xử lý nhiệt trong thiết bị gia nhiệt bằng hơi đến 60oC. Nếu nhiệt độ nguyên liệu nạp vào cao hơn 60oC thì không cần xử lý nhiệt độ.
Tiếp theo hỗn hợp được làm lạnh trong thiết bị trao đổi nhiệt bằng nước (6) rồi đi vào tháp kết tinh (7). Trong đó chất làm lạnh là dung dịch dầu nhờn tách sáp (filtrat) sau khi lọc ở máy lọc (15). Sau đó qua tháp kết tinh bằng ammoniac (8) với chất làm lạnh được sử dụng là amoniac. Huyền phù lạnh của Hydrocacbon (HC) rắn trong dung dịch dầu nhờn qua bể chứa vào máy lọc chân không thùng quay (15) để tách pha rắn ra khỏi pha lỏng, nhiệt độ lọc là từ -10oC đến -12o
C. Phần cặn HC nặng trên lưới lọc được rửa bằng dung môi lạnh và đi vào vít trong đó có bổ sung một lượng dung môi để tăng khả năng trộn cặn. - Dung dịch dầu đã loại sáp được qua tháp trao đổi nhiệt với dòng nguyên liệu
trước khi đi đến tháp tinh cất (16). Nhiệt độ đáy tháp tinh cất từ 110 – 120o C là điều kiện tốt cho quá trình tinh cất. Sản phẩm của tháp tinh cất:
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 28
Đỉnh tháp: Dung môi được làm lạnh qua bình tách lỏng một phần được hoàn nguyên, phần lớn được đưa về bồn chứa dung môi để trộn với nguyên liệu.
Đáy tháp: Thu được dầu nhờn đã tách sáp.
- Hỗn hợp chứa sáp,dung môi và một hàm lượng dầu nhờn nhỏ được bơm qua tháp tinh cất (16) thứ hai để thu hồi dung môi ở đỉnh và lấy parafin ở đáy tháp.
Cụm kết tinh: Hơi amoniac từ tháp kết tinh (8) qua thùng trữ (9) đi vào tháp tách lỏng (10) sau đó được nén bậc một trong máy nén 2 bậc (14) dưới áp suất 0.25 – 0.3 MPa đưa tiếp đến thùng trung gian (12), trong đó nó được làm lạnh nhờ bay hơi amoniac đến từ bình chứa amoniac. Từ thùng trung gian (12) hơi amoniac được đưa vào bình áp suất cao của máy nén (14), thực hiện nén bậc 2 đến áp suất ngưng tụ 1 -1,2 MPa. Sau đó qua tháp tách dầu (13), hơi vào làm lạnh ở thiết bị làm lạnh. Amoniac ngưng tụ tự chảy vào thùng chứa amoniac từ đó vào thùng trung gian (12) thực hiện hạ nhiệt độ từ 34 – 36o
C xuống đến 0 – 5oC nhờ bay hơi amoniac chứa trong thùng. Amoniac được làm lạnh đi vào bình trữ (9) và sau đó đi vào tháp kết tinh (8) để làm lạnh hỗn hợp nhũ tương HC rắn trong dầu nhờn. Từ thùng trung gian (12) nạp vào thùng trữ (9) qua van điều chỉnh mức. Nhiệt độ hỗn hợp lạnh tại cửa ra khỏi tháp điều chỉnh nhờ van gắn trên đường xả hơi amoniac.
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN
3.1. Số liệu ban đầu
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 29
Dây chuyền hoạt động 24/24 giờ, trong một năm làm việc 8000 giờ còn thời gian còn lại là thời gian bảo dưỡng và sửa chửa thiết bị.
Tỷ trọng của nguyên liệu: d = 920 kg/m3 Tỷ trọng của toluen: d =866,9 kg/m3 Tỷ trọng của MEK: d = 806 kg/m3 Tỷ trọng của nước: d =1000 kg/m3
Tỷ lệ dung môi MEK-toluen: nguyên liệu = 3:1
Tỷ lệ dung môi MEK : toluene : nước = 0,776 : 0,194 : 0,03 Hiệu suất: 75%
Dầu loại sáp chứa 80% dung môi, dung dịch HC rắn chứa 20% dung môi.
3.2. Cân bằng vật chất cho tháp kết tinh 3.2.1. Dòng vào
Theo số liệu ban đầu thì năng suất thiết bị là 4000 tấn/năm hay = 500 (kg/h)
Vì hiệu suất dầu nhờn thu được là 75% trên tổng lượng nguyên liệu dầu nhờn đưa vào nên ta tính được lượng nguyên liệu vào tháp kết tinh là:
G1 = 500× = 666,6667 (kg/h)
Lượng dung môi MEK-Toluen-nước đưa vào là: G2 = 3×G1 = 3×666,6667 = 2 000,0001 (kg/h) Trong đó:
GMEK = G2×0,776 = 2 000,0001×0,776 = 1552,0001 (kg/h) GToluen = G2×0,194 = 2 000,0001×0,194 = 388,0000 (kg/h) GNước = G2×0,03 = 2000,0001×0,03 = 60,0000 (kg/h) Tổng lượng vật chất đưa vào tháp kết tinh:
Gvào = G1 + G2= 666,6667 + 2000,0001 = 2666,6668 (Kg/h)
3.2.2. Dòng ra
Lượng dầu nhờn thu được sau khi lọc: Gdầu = 500 ( kg/h)
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 30
Lượng sáp thu được sau khi lọc:
Gsáp = G1 - Gdầu = 666,6667 – 500 = 166,6667 (kg/h)
Lượng dung môi MEK-Toluen trong dầu nhờn sau khi lọc tách sáp: = G2× = 1600,0001 (kg/h)
Lượng dung môi MEK-Toluen trong sáp sau khi lọc tách dầu nhờn: = G2 - = 2000,0001 – 1600,0001 = 400,0000 (kg/h) Tổng lượng dòng vật chất ra khỏi thiết bị:
Gra = Gdầu + Gsáp + + = 2666,6668 (kg/h)
Bảng 6. Cân bằng vật chất cho tháp kết tinh
Dòng vào Lƣợng (kg/h) Dòng ra Lƣợng (kg/h)
- Nguyên liệu vào -Dung môi MEK- Toluen
G1= 666,6667 G2= 2000,0001
-Dầu nhờn loại sáp -Sáp
-Lượng dung môi trong dầu nhờn -Lượng dung môi trong sáp Gdầu = 500 Gsáp = 166,6667 = 1600,0001 = 400,0000 Tổng cộng Gvào= 2666,6668 Tổng cộng Gra = 2666,6668
3.3. Cân bằng nhiệt lƣợng cho tháp kết tinh
Gọi: Q1: Nhiệtlượng cần thiết để làm lạnh nguyênliệu (Kcal/h) Q2: Nhiệtlượng cần thiết để làm lạnh dung môi (Kcal/h) Q3: Nhiệtlượng cần thiết làm lạnh nước (Kcal/h)
Q4: Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường (Kcal/h)
QNH3: Nhiệt lượng mà dung môi NH3 cần cung cấp cho quá trình làm lạnh (Kcal/h)
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 31
3.3.1.Nhiệt lƣợng cần thiết để làm lạnh nguyên liệu Q1 = G1.∆t.cdầu
Trongđó:
G1: Lượng nguyên liệu vào tháp kết tinh trong 1 giờ
t1: Nhiệt độ nguyên liệu vào tháp 10oC; t2: nhiệt độ sau làm lạnh -18oC ∆t = t1 - t2 = 10 - (-18) = 28
c: Nhiệt dung riêng dầu khoáng (Kcal/kg.độ)
Áp dụng công thức để tính nhiệt dung riêng của một số chất lỏng: ([7], I.46, 152) C = 0,5 ) ( ) 32 . 5 / 9 ( 886 , 1 1625 t t d t Trongđó:
: khối lượng riêng tương đối của chất lỏng ở 15,6oC t: Nhiệt độ của chất lỏng vào tháp
Giới hạ náp dụng cho phương trình này: 0oC < t < 205oC Nhiệt dung riêngcủamộtsốchấtlỏnglà:
Cnước = 1,01 (Kcal/kg.độ) cdầukhoáng = 0,0295 (Kcal/kg.độ) cdầugốc = 0,0281 (Kcal/kg.độ)
Vậy nhiệtlượng cần thiết để làm lạnh nguyênliệu:
Q1 = 666,6667×28×0,0295 = 550,6667 (kcal/h)
3.3.2.Nhiệt lƣợng cần thiết để làm lạnh dung môi MEK-Toluen Q2 = (GMEK+GToluen).∆t.cdm
Trong đó:
G2: Lượngcủa dung môi MEK-Toluenđưavàokếttinh ∆t = t1 - t2 = 10 - (-18) = 28 cdm = 0,5 ) ( ) 32 . 5 / 9 ( 886 , 1 1625 t t d t = 0,4283(Kcal/kg.độ) Vậy nhiệtlượng cần thiết để làm lạnh dung môilà:
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 32
3.3.3.Nhiệt lƣợng cần thiết làm lạnh nƣớc Q3 = G3.∆t.cnƣớc
Trong đó:
G3: Lượng chi phí dung môivàothápkếttinh ∆t = t1 - t2 = 10 - (-18) = 28
cnước: nhiệt dung riêngcủanướclà 1,01 (Kcal/kg.độ) Vậy nhiệtlượng cần thiết làm lạnh nước là:
Q3 = 60,0000×1,01×28 = 1696,8000 (Kcal/h)
3.3.4. Nhiệt lƣợng tổn thất ra môi trƣờng
Chọn tổn thất nhiệt lấy bằng 15% lượng nhiệt thực tế.
Q4 = (Q1+Q2+Q3)×0,15 = (550,6667+23265,2527+1696,8000)×0,15 =3826,9079(Kcal/h)
3.3.5. Nhiệt lƣợng mà dung môi NH3 cần cung cấp cho quá trình làm lạnh
Nhiệt lượng mà dung môi NH3 cần cung cấp cho quá trình làm lạnh chính bằng tổng lượng nhiệt lượng Q1, Q2, Q3, Q4 thu vào khi thực hiện quá trình làm lạnh .
QNH3 = Q1+Q2+Q3+Q4 = 550,6667+23265,2527+1696,8+3826,9079 = 29339,6273 (Kcal/h) Bảng 7.Cânbằng nhiệt lƣợng Quá trình tỏa nhiệt Nhiệt lƣợng
(kcal/h) Quá trình thu nhiệt
Nhiệt lƣợng (kcal/h) Dung môi NH3 lạnh cấp nhiệt QNH3 = 29339,6273 Làm lạnh nguyên liệu Làm lạnh dung môi Làm lạnh nước Tổn thất ra môi trường Q1 = 550,6667 Q2 = 23265,2572 Q3 = 1696,8000 Q4= 3826,9079 Tổng cộng Qtỏa= 29339,6273 Tổng cộng Qthu= 29339,6273 3.4. Tính toán thiết bị chính
Thiết bị cô đặc kết tinh là thiết bị thân hình trụ đứng, dạng vỏ áo, đáy và nắp ellipse tiêu chuẩn.
Khoa Hóa Học & CNTP Trang 33
Vật liệu chế tạo thiết bị :
Thân làm bằng thép không gỉ để không làm ảnh hưởng đến độ tinh khiết của sản phẩm, mã hiệu X18H10T.
Vỏ làm bằng thép thường CT3
Phương pháp gia công : dùng phương pháp hàn hồ quang điện, kiểu hàn giáp mối hai phía.
Các thông số kích thước, chọn : Đường kính trong : DT= 1200 (mm) Chiều cao thân : HT= 1800 (mm) Hệ số chứa đầy : ß= 0,8
Đáy, nắp ellipse tiêu chuẩn : hgờ= 50 (mm); ht= 300 (mm)
F = 1,75 (m2); Vnắp, đáy= 0,283 (m3) Vỏ bọc cách nhiệt, vật liệu : bông thuỷ tinh, bề dày = 0,09 m
Hệ số dẫn nhiệt: λcách nhiệt = 0,035 W/mK. ([9], Bảng 28, tr28) Lớp vỏ cách thân 50 (mm) ,làm bằng thép thường :