Giới thiệu
Khí nitơ có vai trò quan trọng trong công nghiệp chế biến dầu khí, đặc biệt là đối với các nhà máy lọc hóa dầu nói chung và trong nhà máy sản xuất PP nói riêng.
Khí nitơ là một dạng khí trơ thích hợp để cách ly các môi trường hoạt động có khả năng gây cháy nổ (nếu các môi trường này tiếp xúc với nhau), cách ly các sản phẩm dễ bị oxy hóa với môi trường không khí.
Ngoài ra, khí mitơ cũng được sử dụng rộng rải trong giai đoạn chuẩn bị khởi động nhà máy, sửa chữa và bảo dưỡng máy móc, đường ống như dùng để đuổi không khí ra khỏi thiết bị. Khí nitơ trong nhà máy được cung cấp thành mạng lưới đường ống tới các hộ tiêu thụ dưới dạng khí có áp suất trong khoảng 7 – 11 Kg/cm2
Các phương pháp sản xuất khí nitơ
Hiện nay, sản xuất nitơ về cơ bản vẫn đi từ không khí trong tự nhiên. Quá trình sản xuất nitơ đi từ không khí cho đến nay có các phương pháp chính sau đây:
- Phương pháp hóa lỏng không khí rồi chưng luyện truyền thống;
- Phương pháp hấp phụ phân tử;
- Phương pháp màng lọc phân tử (hấp phụ) kết hợp kỹ thuật siêu lạnh;
Phương pháp hóa lỏng không khí
Theo phương pháp sản xuất nitơ truyền thống, không khí được nén tới áp suất rất cao và làm mát để thu hồi không khí ở dạng lỏng rồi sau đó tiến hành chưng cất tách riêng biệt các thành phần nitơ, oxy và cacbonic ở dạng lỏng.
Phương pháp này có ưu điểm là cho phép sản xuất được đồng thời nhiều loại khí có độ tinh khiết cao, phù hợp công suất lớn. Tuy nhiên, sản xuất nitơ theo phương pháp này đầu tư lớn do các thiết bị làm việc ở áp suất cao, giá thành sản phẩm cao nếu như mục đích chỉ thu hồi nitơ.
Phương pháp hấp phụ phân tử
Phương pháp hấp phụ phân tử dựa vào khả năng hấp phụ chọn lọc dưới áp suất của một số chất để tách nitơ ra khỏi không khí. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, hệ thống hoạt động ở áp suất không cao.
Tuy nhiên, phương pháp này chỉ sản xuất được nitơ ở trạng thái khí mà không sản xuất được nitơ ở trạng thải lỏng. Vì vậy, không phù hợp với yêu cầu của nhà máy chế biến dầu khí (có nhu cầu cả nitơ lỏng và khí để điều tiết cung cầu).
Phương pháp lọc phân tử kết hợp kỹ thuật siêu lạnh
Theo phương pháp này, không khí được nén tới áp suất thích hợp (khoảng 7-14 Kg/cm2) rồi đưa qua một sàng lọc phân tử (hấp phụ) để tách khí CO2 và hơi nước ra khỏi khí nén.
Khí nén sau đó được làm lạnh tới nhiệt độ rất sâu nhờ kỹ thuật siêu lạnh để tách nitơ có độ tinh khiết cao ra khỏi hỗn hợp.
Hiện nay, phương pháp sản xuất nitơ này được sử dụng phổ biến trong nhà máy lọc dầu nhờ những tính năng ưu việt:
- Sản xuất được cả nitơ lỏng và khí phù hợp yêu cầu sử dụng;
- Hệ thống hoạt động ở áp suât thấp;
Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của hệ thống cung cấp nitơ
Nguyên lý hoạt động
Không khí được nén tới áp suất thích hợp sau đó được làm mát tới nhiệt độ của không khí môi trường nhờ hệ thống làm mát của máy nén. Không khí nén sau khi làm mát được đưa tới tháp hấp phụ phân tử. Tại đây, khí cacbonic và hơi ẩm được tách ra khỏi không khí nhờ các màng lọc phân tử.
Các tháp hấp phụ này làm việc theo nguyên tắc gián đoạn, một hoạt động và một ở trạng thái tái sinh. Không khí sạch sau đó tiếp tục được đưa đến tới thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm lạnh đi ra từ tháp phân tách lạnh. Không khí nén lạnh được đưa vào tháp siêu lạnh, tại đây nitơ và oxy được phân tách ra riêng biệt do có nhiệt độ ngưng tụ khác nhau.
Phần khí nitơ không ngưng tụ được đưa tới hệ thống phân phối. Phần khí nitơ ngưng tụ được đưa tới bể chứa nitơ lỏng để dự phòng cho những giai đoạn cao điểm sử dụng nitơ vượt quá công suất tức thời của hệ thống. Điều này rất quan trọng đối với các hộ tiêu thụ đặc biệt mà cần phải được cung cấp ổn định và có độ dự phòng cao.
Cấu tạo
Hệ thống cung cấp Nitơ bao gồm các bộ phận chính sau:
- Bộ phận sản xuất khí nitơ tinh khiết;
- Bộ phận tàng trữ;
- Bộ phận phân phối.
Bộ phận sản xuất Nitơ bao gồm các thiết bị chính sau:
- Máy nén khí với hệ thống làm mát;
- Tháp hấp phụ phân tử;
- Thiết bị trao đổi nhiệt và tháp siêu lạnh.
Dạng máy nén sử dụng cho hệ thống nitơ do nhà thiết kế và nhà cung cấp thiết bị trọn gói quyết định để phù hợp với dải công suất và áp suất yêu cầu. Các máy nén này thường kèm theo các dàn ngưng tụ để làm mát khí nén xuống nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ không khí môi trường.
Tháp hấp phụ phân tử được bố trí làm việc gián đoạn. Vì vậy, trong hệ thống thường bố trí hai tháp hoạt động luân phiên.
Tháp này có chức năng giữ phân tử khí cacbonic và hơi nước không cho đi qua lớp màng lọc hoặc lớp hấp phụ lắp đặt bên trong tháp. Sau một thời gian hoạt động, lượng
khí cacbonic và hơi nước giữ lại tương đối nhiều làm bão hoà lớp đệm, tháp sẽ được tái sinh bằng cách thổi ngược bằng khí oxy đi ra từ tháp siêu lạnh.
Các thiết bị trao đổi nhiệt được lắp đặt giữa tháp hấp phụ phân tử và tháp phân tách siêu lạnh nhằm làm lạnh không khí nén (tách khí cacbonic và hơi nước) bằng khí oxy lỏng có nhiệt độ thấp đi ra từ đáy tháp siêu lạnh.
Các thiết bị trao đổi nhiệt này làm việc theo nguyên tắc trao đổi nhiệt gián tiếp, dòng chảy ngược chiều. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bo mạch in hoặc dạng tấm bản hàn kín sẽ được sử dụng cho mục đích sử dụng này.
Tháp siêu lạnh là một trong hai thiết bị trung tâm của bộ phận sản xuất Nitơ. Về nguyên tắc, tháp phân tách siêu lạnh hoạt động gần như một tháp chưng cất bình thường để phân tách nitơ và oxy lỏng ra ở đáy tháp và đỉnh tháp.
Điểm đặc biệt của tháp này là hệ thống "siêu lạnh" để chuyển hỗn hợp khí nitơ và oxy từ trạng thái khí sang trạng thái lỏng. Oxy có nhiệt độ ngưng tụ thấp sẽ ngưng tụ và thu về đáy tháp cũng nitơ sẽ thoát ra ở đỉnh tháp và ngưng tụ một phần thành trạng thỏi lỏng.
Bộ phận tàng trữ và bay hơi
Các dòng khí hóa lỏng thu được từ tháp phân tách siêu lạnh chỉ có nitơ được thu làm sản phẩm, cũng oxy lỏng sẽ đem đi trao đổi nhiệt (làm lạnh không khí trước khi đưa vào tháp siêu lạnh và ngưng tụ khí nitơ) sau đó bị thải ra môi trường.
Phần khí nitơ không ngưng tụ sẽ được đưa tới hệ thống phân phối. Nitơ lỏng ngưng tụ ở đỉnh tháp siêu lạnh một phần được chuyển về bình chứa phần cũng lại cho hồi lưu lại tháp.
Việc dự trữ nitơ hóa lỏng là yêu cầu bắt buộc vì lý do an toàn vận hành và lý do kinh tế đối với Nhà máy lọc hóa dầu. Nhu cầu sử dụng khí nitơ không giống nhau tại mỗi thời điểm, nếu xây dựng hệ thống thiết bị với công suất đủ để đáp ứng được nhu cầu sử dụng lớn nhất của nhà máy thì không cần phải đầu tư hệ thống dự trữ khí.
Tuy nhiên, công suất dư của hệ thống rất lớn dẫn đến lãng phí công suất dư thừa ở thời điểm hoạt động bình thường. Giải pháp kỹ thuật hợp lý hay được sử dụng trong các nhà máy lọc hóa dầu là xây dựng một hệ thống sản xuất khí nitơ với công suất hợp lý đáp ứng được nhu cầu sử dụng bình thường và cộng thêm một công suất dư làm dự phòng cho các nhu cầu bất thường khác.
Nitơ được dự trữ dưới dạng lỏng, khi nhu cầu tiêu thụ tăng đột biến sẽ được đưa tới thiết bị bay hơi để cấp nitơ ở dạng khí bổ sung cho hệ thống phân phối. Thiết bị bay hơi có nhiệm vụ chuyển nitơ từ trạng thỏi lỏng sang trạng thái khí nhờ thiết bị bay hơi ở điều kiện nhiệt độ môi trường.
Để đảm bảo an toàn vận hành, hệ thống tàng trữ và bay hơi nitơ được chia thành hai hệ thống riêng biệt:
- Hệ thống cung cấp cho các nhu cầu bình thường (như đuổi khí, cách ly các chất
dễ oxy hóa);
- Hệ thống cung cấp cho các nhu cầu đặc biệt (các hệ thống cách ly môi trường
dễ cháy nổ…) đòi hỏi khả năng cung cấp khí liên tục đúng chất lượng yêu cầu.
Hệ thống phân phối
Khí nitơ từ thiết bị bay hơi và tháp phân tách siêu lạnh sẽ được đưa tới mạng lưới phân phối nitơ trong nhà máy. Khi nhà máy hoạt động ở chế độ bình thường, nitơ cấp cho các hộ tiêu thụ là nitơ trạng thỏi khí thu từ tháp siêu lạnh.
Khi áp suất hệ thống giảm (nhu cầu tiêu thụ vượt quá lượng khí cung cấp) thì hệ thống bay hơi sẽ cấp nitơ bổ sung từ các bình dự trữ nitơ lỏng vào hệ thống để bù đắp phần thiếu hụt. Nitơ được cấp tới các bộ phận tiêu thụ bằng mạng lưới đường ống.
Chất lượng khí nitơ yêu cầu
Nitơ sử dụng trong các nhà máy chế biến dầu khí với tư cách là khí trơ, vì vậy chất lượng của nó phải đạt được tiêu chuẩn nhất định để tránh ảnh hưởng đến hoạt động chung của nhà máy.
Thông thường, thành phần khí nitơ cung cấp trong nhà máy lọc hóa dầu phải đạt được tiêu chuẩn như sau:
Bảng 2.2 Thành phần khí Nitơ
Thành phần Số lượng
Nitrogen 99,700
Cacbon monoxide (CO) 0,020
Oxy 0,010 Cacbonic 0,020 Chlorine 0,001 Hydrocacbons 0,005 Nước 0,005 Hydrogen 0,020 Khí trơ khác 0,219
Hệ thống sàng lọc, định dạng kích thước hạt PP
Trong nhựa PP khô từ thiết bị sấy khô có thể lẫn một lượng nhỏ các hạt PP lớn, hay cặn polyme sinh ra trên thành bình phản ứng hoặc các hạt keo sinh ra ở trục quay của bơm hoặc của máy khuấy trộn.
Vì những hạt cặn lớn này sẽ gây ra hiện tượng mắt cá trong sản phẩm cuối cùng cho nên chúng phải được loại bỏ. Để loại bỏ những hạt cặn lớn có hại này người ta lắp một thiết bị sàng ngay sau thiết bị sấy.
Trong quá trình sấy tĩnh điện sinh ra do ma sát giữa các hạt PP và mạng lưới lọc. Các hạt PP có lực tĩnh điện sẽ kết tụ lại thành những viên lớn, không thể đi qua lưới lọc và mắc lại trên đó. Để tránh phát sinh lực tĩnh điện, độ ẩm trong thiết bị sàng phải được đảm bảo ở mức độ thấp.
Trong thiết bị tạo hạt polymer, chất ổn định và bột viên đồng nhất và ép đùn qua một dao cắt trong thiết bị cắt dưới nước trong đó polymer được cắt thành hạt.
Hạt PP tạo thành sau khi được sấy sẽ được lưu trữ và đồng nhất trong các cyclone.
h. Những hệ thống an toàn cho hệ thống propylene
Hệ thống chữa cháy khẩn cấp
- Đây là hệ thống quan trọng, có thể tự động hoặc được điều khiển từ phòng vận
hành.
- Phun nước làm ướt bên ngoài thiết bị phản ứng, ngừng các bơm cấp liệu, đóng
các van để cô lập hệ thống Propylene.
Các van hỗ trợ
- Các van có tác dụng làm giảm nguy cơ cháy cho 2 thiết bị phản ứng.
- Các van giảm nhiệt, vì các bộ phận chứa Propylene lỏng bị cô lập có thể gây áp
suất rất cao, làm nhiệt độ tăng nhẹ nên các van này có thể mở ra để dẫn propylene vào thùng chứa trung gian.
i. Hệ thống xử lí khí thải và nước thải
Lượng khí thải trước khi xả ra môi trường được xử lý với yêu cầu lượng Propylene lẫn trong khí thải nhỏ hơn 25g/giờ nhằm mục đích:
- Thu hồi tối đa lượng Propylene;
- Đảm bảo an toàn môi trường. Do sự độc hại của Propylene khi có mặt trong khí
Nước thải từ quy trình sản xuất được dẫn vào hệ thống xử lý nước thải bao gồm các thiết bị trung hoà, thiết bị đông tụ, thiết bị keo tụ và thiết bị làm trong. Sau khi nước thải được xử lý bằng hệ thống này, nước đã được xử lý sẽ chảy vào bồn chứa nước thải. Hỗn hợp nước thải đã xử lý được xác định phẩm chất theo những tiêu chuẩn độ sạch cần có.
2.4. Thiết kế quy trình công nghệ [5, 6, 7]
Từ những phân tích ta có được quy trình công nghệ sản xuất PP
2.4.2. Thuyết trình tóm tắt sơ đồ công nghệ Nhà máy bao gồm những phần sau Nhà máy bao gồm những phần sau
- Chuẩn bị xúc tác và nuyên liệu;
- Tiền trùng hợp và trùng hợp;
- Khử khí và thu hồi monomer;
- Hoàn thiện polymer;
- Tạo hạt và lưu trữ .
Giai đoạn 1: Chuẩn bị xúc tác và nguyên liệu
Xúc tác, chất rắn kết tinh có kích thước hạt kiểm soát, được phân tán trong một hỗn hợp dầu khoáng và dầu mỡ để nó có thể được bơm lên thiết bị xử lý xơ bộ.
Hỗn hợp dầu/mỡ là 70/30 tính theo trọng lượng, và được trộn với chất xúc tác trong một tỷ lệ 25/75 tính theo trọng lượng chất xúc tác với hỗn hợp dầu/mỡ. Tại đây tâm hoạt động của xúc được kích hoạt để kết nối với các monomer.
Bể chứa nhỏ, liên tục khuấy với thể tích khoảng 3 lít, với nước làm mát lưu thông trên vỏ áo để duy trì một nhiệt độ ổn định 10°C.
Nguồn nguyên liệu đầu vào là propylene có độ tinh khiết cao được bơm từ các bể chứa trung gian vào khu vực chuẩn bị nguyên liệu. Trong khu vực này, propylene được làm khô và tách CO qua lớp rây phân tử trong tháp hấp phụ rây phân tử.
Việc xử lý này là cần thiết đo xúc tác polymer hóa rất nhạy cảm với tạp chất trong nguyên liệu.
Giai đoạn 2: Tiền trùng hợp và trùng hợp
- Các chất xúc tác phức tạp được hình thành trong thiết bị sử lí xơ bộ và quá trình tiền polymer hóa trong lò tiền phản ứng.
- Dòng propylene được bơm (trong đó sẽ xác định thời gian lưu chất xúc tác trong tiết bị tiền phản ứng) phải được giữ ổn định ở 1.700kg/h để ngăn chặn sự nút kín của quá trình nhập liệu thiết bị tiền phản ứng và tháo thành dòng.
- Ngoài ra propylene liên tục được cung cấp vào trong lò tiền phản ứng (400kg/h)
để ngăn chặn polymer đạt bề mặt kín.
- Hỗn hợp này sẽ được đưa đến các thiết bị phản ứng trong đó bao gồm hai lò
phản ứng vòng lặp R1 và R2 nối tiếp nhau.
- Cả hai lò phản ứng được cung cấp nguyên liệu propylene (duy trì nồng độ bùn
tục được cung cấp vào trong lò mỗi phản ứng (800 kg/h) để ngăn chặn polymer đạt bề mặt kín.
- Nhiệt của phản ứng được lấy ra bởi nước lưu thông trong lớp áo lò phản ứng.
Tổng thời gian lưu của xúc tác trong lò phản ứng là khoảng 1,5 giờ.
- Điều kiện trùng hợp điển hình là như sau:
Nhiệt độ : 70°C;
Áp lực : 42 bar.
Giai đoạn 3: Khử khí thu hồi monomer
- Bùn xả từ lò phản ứng vòng thứ 2 (R-202) bao gồm khoảng 55% trọng lượng
của polymer và 45% trọng lượng propylene và propane. Một số lượng lớn các hydrocarbon có liên quan, chúng phải được thu hồi.
- Hỗn polymer liên tục xả ra thùng bốc hơi nhanh qua máy sấy đường truyền nơi
mà các monomer bị bay hơi. Khí thoát ra sẽ được đưa đến ngưng tụ tại thiết bị ngưng tụ propylene.
- Các khí được ngưng tụ tại bình ngưng propylene sau đó đi qua thiết bị làm sạch
propylene .
- Sau đó propylene ngưng tụ được đưa đến thiết bị chứa nguyên liệu propylene.