Tài liệu ứng dụng chân không trong chưng cất dầu khí

A. TỔNG QUAN: I. DẦU MỎ: Dầu mỏ thô là chất lỏng sánh, thường dễ chảy và đôi khi là chất lỏng không linh động. Thỉnh thoảng người ta cũng gặp dầu rắn. Dầu thô có màu từ vàng sang (đôi khi dầu “trắng”) đến nâu sẫm và màu đen. 1. Thành phần của dầu thô: a. Thành phần nhóm hydrocarbon: Là thành phần chính của dầu thô, chủ yếu là bốn nhóm sau : paraffin, olefin, naphten và aromat. -Parafin: có cấu trúc tinh thể dạng phẳng hoặc dạng sợi, nhiệt độ nóng chảy từ 40:70oC, số nguyên tử C trong phân tử từ 21: 32, phân tử lượng từ 300 : 450, paraffin rắn tồn tại chủ yếu trong phân đoạn dầu bôi trơn có nhiệt độ sôi từ 350 : 500oC. Các iso paraffin cho xăng chất lượng tốt hơn, trong khi đó các paraffin mạch thẳng có tác dụng tiêu cực lên tính chất của nhiên liệu động cơ đốt trong. Tuy nhiên parafin mạch thẳng với hàm lượng carbon không vượt quá giá trị xác định là thành phần mong muốn cho nhiên liệu phàn lực, diesel và dầu nhờn. -Hydrocarbon không no: Trong dầu thô hiếm gặp olefin và các hydrocarbon không no khác, mà nó là kết quả của quá trình chế biến phá huỷ cấu trúc. Chúng có hoạt tính cao nên dễ polymer hoá, tạo nhựa làm giảm thời gian tồn trữ và sử dụng sản phẩm dầu, là thành phần không mong muốn cho nhiên liêu động cơ và dầu bôi trơn. -Naphten: là thành phần quan trọng của nhiên liệu động cơ và dầu nhờn, tạo tính sử dụng cao đối với xăng ô tô, tạo cho dầu nhờn có độ nhớt ít thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. -Aromat: có tỷ trọng cao nhất, là thành phần mong muốn của xăng nhưng lại làm giảm chất lượng của nhiên liệu phản lực và diesel vì làm xấu đặc tính cháy của chúng, có khả năng hoà tan cao đối với các chất hữu cơ, nhưng vì lý do độc hại nên cũng cần hạn chế hàm lượng. b.Thành phần phi hydrocarbon: -Hợp chất lưu huỳnh: thường có mặt trong tất cả các dầu thô, thong thường hàm lượng lưu huỳnh tăng từ phân đoạn nhiệt độ sôi thấp đến cao và đạt cực đại trong cặn chưng cất chân không, làm giảm độ bền hoá học và khả năng cháy hoàn toàn của nhiên liệu động cơ, làm cho chúng có mùi hôi, gây ăn mòn động cơ. -Nitơ và hợp chất nitơ:phần lớn nằm trong cặn chưng cất, được ứng dụng làm chất ức chế ăn mòn, phụ gia cho dầu bôi trơn và bitum,…tuy nhiên chúng làm giảm hoạt độ xúc tác trong chế biến dầu, tạo nhựa và làm sẫm màu sản phẩm, hàm lượng cao sẽ dẫn đến tạo khí và cốc hoá mạnh trong quá trinh reforming đối với xăng. -Hợp chất chứa oxy: chủ yếu ở dạng các acid hữu cơ, phổ biến là acid naphtenic, phenol, keton và ete, thường tập trung ở phần có nhiệt độ sôi trung bình và cao của dầu thô. 2. Các phân đoạn của dầu mỏ: Dầu mỏ, khi muốn chế biến thành các sản phẩm đều phải được chia nhỏ thành từng phân đoạn hẹp với các khoảng nhiệt độ sôi nhất định. Những phân đoạn này được sử dụng để sản xuất một hoặc một vài loại sản phẩm nhất định nên chúng được mang tên các sản phẩm đó. Thông thường, dầu mỏ được chia thành các phân đoạn chính sau đây: - Phân đoạn xăng, với khoảng nhiệt độ sôi dưới 180oC - Phân đoạn Kerosen, với khoảng nhiệt độ sôi từ : 180-250oC - Phân đoạn Gas-oil, với khoảng nhiệt độ sôi từ : 250-350oC - Phân đoạn dầu nhờn (hay còn gọi phân đoạn Gasoil nặng), với khoảng nhiệt độ sôi từ 350500oC - Phân đoạn cặn (Gudron), với khoảng nhiệt độ sôi > 500oC. Chú ý: Các giá trị nhiệt độ trên đây không hoàn toàn cố định, chúng có thể thay đôi tuỳ theo mục đích thu nhận các sản phẩm khác nhau. Trong các phân đoạn trên, sự phân bố các hợp chất hydrocacbon và phi hydrocacbon của dầu mỏ nói chung không đồng nhất, chúng thay đổi rất nhiều khi đi từ phân đoạn nhẹ sang phân đoạn nặng hơn, vì vậy tính chất của từng phân đoạn đều khác nhau. 3. Dầu nhờn_cặn mazút_cặn gudron: a. Phân đoạn dầu nhờn (hay phân đoạn gasoil nặng) là sản phẩm chưng cất trong chân không của phần cặn dầu mỏ, sau khi tách các phân đoạn xăng, kerosene và gasoil. Ba phân đoạn này thường không màu, hoặc màu nhạt nên được gọi là phân đoạn các sản phẩm trắng. Phần cặn còn lại có màu sẩm đến nâu đen, gọi là cặn mazut. Mazut được sử dụng, hoặc trực tiếp làm nhiên liệu lỏng cho các lò công nghiệp (hiện nay thì ứng dụng này rất ít), hoặc được chưng cất tiếp tục trong chân không (để tránh phân hủy do nhiệt) để thu gasoil nặng và cặn goudron. Phân đoạn gasoil nặng được sử dụng vào các mục đích sau: - Dùng làm nguyên kiệu để sản xuất dầu nhờn. - Dùng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm “trắng”. Khi phân đoạn này được sử dụng để làm nguyên kiệu để sản xuất dầu nhờn, thì phân đoạn được gọi là phân đoạn dầu nhờn. Khi phân đoạn được sử dụng làm nguyên liệu để sản xuất các sản phẩm “trắng” phân đoạn được gọi là phân đoạn gasoil nặng (hay gasoil chân không). b. Cặn mazút: Mazut là phần cặn của quá trình chưng cất khí quyển có nhiệt độ sôi cao hơn 350°C. Phần cặn này có thể đem đi đốt hoặc làm nguyên liệu để sản xuất dầu nhờn gốc. Với mục đích sản xuất dầu nhờn gốc thì ta đi đem chưng cất chân không, ta thu được phân đoạn có nhiệt độ sôi khác nhau: -Phân đoạn dầu nhờn nhẹ ( LVGO: Light Vacuum Gas Oil ) có nhiệt độ sôi từ 300°C - 350°C. -Phân đoạn dầu nhờn trung bình ( MVGO: Medium Vacuum Gas Oil ) có nhiệt độ từ 350°C 420°C. -Phân đoạn dầu nhờn nặng ( HVGO: Heavy Vacuum Gas Oil ) có nhiệt độ từ 420°C - 500°C. Thành phần của các phân đoạn này gồm những nguyên tử hydrocacbon có số cacbon trong phân tử từ C21-40, những hydrocacbon trong phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn ( 1000 – 10000), cấu trúc phức tạp. c. Cặn gudron: Cặn gudron là phần cặn còn lại của quá trình chưng cất chân không, có nhiệt độ sôi trên 500°C. Trong phần này tập trung các cấu tử có số nguyên tử cacbon từ C41 trở lên, thậm chí có cả C80, có trọng lượng phân tử lớn, có cấu trúc phức tạp. Do đó người ta không chia thành phần của phân đoạn này theo từng hợp chất riêng biệt mà người ta phân làm ba nhóm như sau: Nhóm chất dầu: chiếm khoảng 45 – 46%. Nhóm chất nhựa: chiếm 1% trong cặn dầu mỏ. Nhóm asphanten: phần còn lại II. CHẾ BIẾN DẦU MỎ: Một số quá trình tiêu biểu: 1. Các quá trình vật lý: - Tách muối và nước khỏi dầu thô - Ổn định dầu thô - Chưng cất ở áp suất khí quyển - Chưng cất chân không 2. Các quá trình hóa học: - Cracking nhiệt dầu thô - Nhiệt phân dầu thô - Cốc hoá dầu nặng - Reforming xúc tác - Cracking xúc tác - Xử lý bằng hydro - Ankyl hóa - Polymer hóa - Đồng phân hoá các phân đoạn xăng… Sản phẩm dầu mỏ: B. LÝ THUYẾT CHƯNG CẤT: I. Sự sôi của dung dịch: Sự sôi của chất nguyên chất: Một chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ mà tại đó áp suất hơi bão hoà của nó bằng áp suất môi trường đè lên mặt thoáng. Ví dụ như nước sẽ sôi ở 1000C tại P = 1 atm (760mmHg). Nhiệt độ sôi của Butan Áp suất, atm Nhiệt độ,oC 10 3.41 36 4.80 50 Ta gọi chất có áp suất hơi bão hoà lớn, có nhịêt độ sôi thấp là chất dễ sôi. Chất khó sôi có áp suất hơi bão hoà bé, có nhiệt độ sôi cao. Thành phần pha hơi sinh ra khi đun sôi một dung dịch: Pha hơi sinh ra khi chất lỏng nguyên chất sôi là pha hơi đơn chất. Pha hơi sinh ra khi một dung dịch sôi là một hỗn hợp của tất cả các hợp phần của dung dịch và có thành phần phụ thuộc vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật Konovalov. Định luật Konovalov: Khi sôi một dung dịch lỏng cho ra một pha hơi giàu chất dễ sôi hơn so với dung dịch lỏng. II. Nguyên lý của quá trình chưng cất Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp, chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue). Như vậy, phép chưng cất có thể thu được Distillat có thành phần mong muốn bằng cách chưng cất nhiều lần. Nhưng chưng cất nhiều lần như vậy rất phiền phức, tốn thời gian mà không kinh tế. Để khắc phục nhược điểm này ta dùng hệ thống chưng cất có cột chưng cất. Cột chưng cất có số đĩa lý thuyết càng lớn, thì có khả năng cho một distillat có thành phần khác càng nhiều so với dung dịch trong bình đun, tức là distillat rất giàu chất dễ bay hơi. Dùng cột chưng cất có nhiều đĩa lý thuyết có thể thu được distillat là chất dễ bay hơi gần như tinh khiết. III. Cơ sở lý thuyết chưng cất dầu mỏ Nhằm phân tách dầu thô thành các phân đoạn thích hợp dựa vào nhịêt độ sôi của các cấu tử và không làm phân huỷ chúng. 1. Chưng cất đơn giản a. Chưng cất bay hơi dần dần: Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác định đường cong chưng cất Enghen. Chưng cất bay hơi một lần: Cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi một lần. Chưng cất bay hơi nhiều lần: Cho phép quá trình tách các phân đoạn theo mong muốn. 2. Chưng cất phức tạp a. Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm mộy lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn. b. Chưng cất có tinh luyện: Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm. Chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kết hợp với hồi lưu Sơ đồ tiếp xúc giữa dòng lỏng và hơi trong tháp chưng cất c. Chưng cất chân không & chưng cất với hơi nước: Độ bền nhiệt các cấu tử trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu. Đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân huỷ chúng (giảm độ nhớt, độ bền oxy hoá…) bằng cách hạn chế nhiệt độ (320o- 420oC) chưng cất. Nếu nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân huỷ chúng ta dùng chưng cất chân không hay chưng cất hơi nước. Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng phần làm chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn. IV. Đĩa chưng cất (Tray) Trong công nghệ dầu khí, để chưng cất những lượng khổng lồ (hàng triệu tấn/năm). Người ta dùng những thiết bị chưng cất khổng lồ, hoạt động liên tục. Hơi nguyên liệu sẽ bay lên đỉnh tháp và phần lỏng sẽ chảy xuống phần dưới tháp. Sự tiếp xúc giữa hai dòng này được thực hiện một cách đặc biệt nhờ các đĩa. Tại các đĩa xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và dòng lỏng. Đồng thời tại đây cũng xảy ra quá trình trao đổi chất, phần nhẹ trong pha lỏng bay hơi theo pha hơi, phần nặng trong pha hơi ngưng tụ theo dòng lỏng. Như vậy, khi dòng hơi lên đến đỉnh thì rất giàu cấu tử nhẹ, còn dòng lỏng đi xuống đáy lại giàu cấu tử nặng hơn. Có rất nhiều dạng đĩa khác nhau được sử dụng tuỳ vào loại nguyên liệu. Nhưng mục đích chung nhằm đảm bảo sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi phải lớn để quá trình phân tách hiệu quả. Hiện nay, sử dụng chủ yếu các dạng đĩa sau: − Đĩa nhiều lỗ (Sieve Trays) − Đĩa chụp (Bubble–Cap Trays) − Đĩa ống khói (Chimmey Trays) − Đĩa Van (Valve Trays) V. Sự Stripping Đối với chưng cất dầu thô, dòng trích ngang luôn có lẫn sản phẩm đỉnh. Để loại bỏ các cấu tử nhẹ này, người ta thực hiện quá trình tái hoá hơi riêng phần các phần nhẹ. Quá trình này gọi là quá trình stripping. Quá trình này được thực hiện trong những cột nhỏ từ 4-10 đĩa, đặt bên cạnh tháp chưng cất khí quyển và thường dùng hơi nước trực tiếp. Ngoài ra có thể stripping bằng nhiệt (phân đoạn Kerozen). VI. Sự hồi lưu (Relux) Nhằm tạo ra dòng lỏng có nhiệt độ thấp đi từ đỉnh tháp xuống đáy tháp để trao đổi nhiệt với dòng hơi. Từ đó làm cho quá trình trao đổi chất tách phân đoạn được triệt để và thu được chất lượng distillat mong muốn. Tỉ lệ dòng hoàn lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố kinh tế là bài toán quyết định. Khi tỉ lệ hoàn lưu tăng, số mâm giảm nhưng đường kính tháp tăng lên. Chủ yếu có 3 dạng sau: − Hồi lưu nóng: Sử dụng dòng hồi lưu ở trạng thái lỏng sôi. − Hồi lưu lạnh: Nhiệt độ dòng hồi lưu ở dưới điểm lỏng-sôi. − Hồi lưu vòng: Lấy các sản phẩm ở các mâm dưới hồi lưu lên các mâm trên sau khi đã làm lạnh. C. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG TRONG CHƯNG CẤT DẦU MỎ: I. CHÂN KHÔNG VÀ KỸ THUẬT CHÂN KHÔNG: 1. Chân không: Chân không, theo lý thuyết cổ điển là trạng thái không gian không chứa vật chất. Vì vậy, vùng không gian này có thể tích khác không nhưng khối lượng và năng lượng đều bằng không. Điều đó có nghĩa là áp suất tuyệt đối trong vùng không gian này cũng bằng không. Chân không như thế được gọi là chân không tuyệt đối. Tuy nhiên, trong thực tế không thể tồn tại vùng chân không tuyệt đối như vậy được. Khoa học vật lý lý thuyết cũng đã chứng minh rằng không tồn tại vùng chân không này do vi phạm các nguyên lý của vật lý vi mô về thăng giáng lượng tử. Còn về mặt kỹ thuật, người ta định nghĩa chân không là vùng không gian có mật độ vật chất thấp hơn so với mật độ vật chất trong không khí, hay nói cách khác, đó là vùng không gian có áp suất tuyệt đối thấp hơn áp suất khí quyển tiêu chuẩn (p 100 Pa) - Chân không trung bình (100 Pa > p > 0,1 Pa) - Chân không sâu (0,1 Pa > p > 10-5 Pa) - Chân không rất sâu ( p < 10-5 Pa). 2.Kỹ thuật chân không: Trong một số quy trình công nghệ, ta không thể sử dụng quy trình dưới áp suất thường được mà phải sử dụng áp suất chân không trong hệ thống. Ví dụ như một số thiết bị cô đặc các dung dịch dễ biến tính vì nhiệt ( như nước đường, nước ép trái cây…), thiết bị chưng cất chân không trong chưng cất phân đoạn dầu mỏ…. Đặc điểm chung của các quy trình này là do ta không thể cho hoạt động dưới áp suất khí quyển được là vì chất tan sẽ bị phân huỷ, bị biến tính, hoặc bị biến đổi thành các dạng hợp chất hoá học không mong muốn dưới tác dụng của nhiệt. Do đó, sử dụng áp suất chân không trong hệ thống sẽ giúp ta giảm nhiệt độ, cho phép ta thu được sản phẩm mong muốn. III. ỨNG DỤNG CHÂN KHÔNG TRONG CHƯNG CẤT DẦU THÔ: Sau khi chưng cất dầu dưới áp suất khí quyển ở nhiệt độ 350 ÷ 370oC, để chưng cất tiếp cặn còn lại cần chọn điều kiện để loại trừ khả năng cracking và tạo điều kiện thu được nhiều phần cất nhất. Phụ thuộc vào nguyên liệu từ cặn chưng cất khí quyển (mazut) có thể thu được distilat dầu nhờn cho cụm sản xuất dầu nhờn, hoặc gasoil chân không - là nguyên liệu cho cracking xúc tác. Phương pháp phổ biến nhất để tách các phân đoạn ra khỏi mazut là chưng cất trong chân không. Chân không hạ nhiệt độ sôi của hydrocarbon và cho phép lấy được distilat có nhiệt độ sôi 500oC ở nhiệt độ 410 ÷ 420oC. Tất nhiên khi gia nhiệt cặn dầu đến 420oC thì sẽ diễn ra cracking một số hydrocarbon, nhưng nếu distilat nhận được sau đó được chế biến thứ cấp thì sự hiện diện của các hydrocarbon không no không có ảnh hưởng đáng kể. Để điều chế distilat dầu nhờn thì phân hủy cặn phải ít nhất bằng cách tăng hơi nước, giảm chênh lệch áp suất trong tháp chân không. Nhiệt độ sôi của hydrocarbon giảm mạnh nhất khi áp suất dư thấp hơn 50 mmHg. Do đó cần ứng dụng chân không sâu nhất mà phương pháp cho phép. Ngoài ra, để tăng hiệu suất distilat từ mazut đưa vào tháp chân không hơi nước quá nhiệt hoặc chưng cất cặn chân không (gudron) với tác nhân bay hơi (phân đoạn ligroin- kerosen). Chân không tạo thành nhờ thiết bị ngưng tụ khí áp hoặc máy bơm chân không (bơm piston, bơm rotary, bơm phun hoặc bơm tia) mắc nối tiếp với nhau. 1. Thiết bị tạo chân không: Chân không trong thiết bị được tạo thành bằng cách ngưng tụ khí trong không gian kín và hút khí và hơi không ngưng tụ ra bằng thiết bị tương ứng. Trong phần này giới thiệu các thiết bị ngưng tụ bề mặt, máy bơm chân không, thiết bị ngưng tụ khí áp và máy bơm phun (ejector). Máy bơm chân không dùng để bơm khí, nén và xả. a) Thiết bị ngưng tụ bề mặt: Trong sơ dồ chưng cất chân không công suất cao chân không trong tháp K-10( H.6.3) được tạo ra bằng thiết bị ngưng tụ bề mặt và bơm phun với thiết bị ngưng tụ bề mặt trung gian. Hỗn hợp hơi nước, hydrosunfua và khí phân hủy đi ra từ tháp K-10 trước tiên đi vào không gian giữa các ống thiết bị ngưng tụ bề mặt dạng cố định, kết cấu của chúng được trình bày trong hình 6.9. Trong ống của thiết bị ngưng tụ bề mặt theo hệ thống 8 dòng nước lạnh chảy từ dưới lên trên. Nhờ làm lạnh và ngưng tụ hơi trong không gian giữa các ống của thiết bị ngưng tụ bề mặt thể tích pha hơi giảm mạnh và tạo thành chân không trong tháp. b) Máy bơm chân không: Có máy bơm chân không khô và ướt, piston và quay. Máy bơm khô chỉ dùng để bơm khí khô, còn bơm ướt-để bơm khí chứa chất lỏng. Máy bơm chân không piston khô có năng suất 160-200 m3/phút và tạo chân không đến 30mmHg. Máy bơm chân không quay được trang bị bánh hoạt động gắn các gàu bất động đặt lệch tâm trong thân máy bơm. Máy bơm được rót đầy nước hoặc chất lỏng không cháy và không ăn mòn các chi tiết máy khác đến một mức, sao cho phần cuối của các gàu khi quay luôn nằm trong chất lỏng. Khi bánh xe quay nhanh nước (chất lỏng) văng vào thành, tạo thành vòng nước cân bằng. Giữa các gàu và vòng này dưới tác dụng của lực tâm sai của bánh xe tạo thành các ô có thể tích không đồng đều-ở dưới là ô lớn, ở trên - ô nhỏ. Khi piston hoạt động nước được lấp đầy. Ở nửa vòng quay đầu của van các ô to lên và các khe này khí được hút. Trong nửa vòng quay thứ 2 các ô xẹp xuống, bị nén lại và xả khí qua lỗ chuyên dụng. Chiều sâu chân không phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng làm việc. Do đó, nước được nạp với nhiệt độ càng thấp càng tốt, chất lỏng được làm lạnh trong máy lạnh chuyên dụng. Máy bơm chân không quay nên được dùng khi khí nén không chứa hydrosunfua. Ưu điểm của máy bơm này là có thể nối chúng trực tiếp với động cơ điện, khiến cho chúng gọn và chặt chẽ. Máy bơm chân không quay hiệu RMK năng suất 720-1800 m3/h tạo thành chân không khoảng 720mmHg. c) Thiết bị ngưng tụ khí áp Thiết bị ngưng tụ khí áp gồm ống 3 có chiều cao 12m, trong đó các dòng khí và nước chuyển động gặp nhau; hơi nước ngưng tụ và cùng với nước qua cửa van thủy lực chảy vào bể chứa hoặc thải vào kênh. Van thuỷ lực được tạo thành như sau: đuôi của ống 3 ngập trong lớp nước trong bể 4. Không khí và khí không ngưng tụ được hút bằng máy bơm chân không hoặc bơm tia nước. d) Bơm phun tia Hơi hoạt đông phun ra từ vòi phun 1 với tốc độ siêu âm. Nhờ sự trộn rối của tia hơi chuyển động xoấy với các hạt không khí \, trong buồng hút 2 diễn ra sự hút khí kôhng ngưng tự và cuốn chúng vào ống thắtt – buồng trộn 3 để trộn hoàn tàon hơi với khí. Buồng trộn 3 kết thúc bằng họng hình trụ. Trừ hong dòng hơi trộn với khí được hút đi vào buồng khuếch tán 4 để chuyển động năng của dòng thành công khi hỗn hợp rời khỏi thiết bị e) Hệ thiết bị ngưng tụ khí áp - bơm phun. Trong hệ này hơi thoát ra từ đỉnh tháp chân không, ngưng tụ ngay lập tức trong thiết bị ngưng tụ khí áp và sau đó được hút bằng máy bơm chân không (thường bơm phun hơi). Áp suất dư trong thiết bị ngưng tụ khí áp phụ thuộc vào nhiệt độ nước thải, nhưng không thấp hơn áp suất hơi nước bão hòa ở nhiệt độ nào đó. Nước từ thiết bị ngưng tụ khí áp bị nhiễm sản phẩm dầu và hợp chất lưu huỳnh (thường 5,5% so với mazut). Vì vậy để giảm dòng nước nhiễm bẩn trong nhà máy nước thải được sử dụng lại. Tuy nhiên, khi đó nhiệt độ nước đổ vào thiết bị ngưng tụ khí áp sẽ tăng đôi chút và phải trang bị thêm phụ kiện cho hệ cấp nước. Trong sơ đồ tạo chân không bằng hệ thiết bị ngưng tụ khí áp - bơm phun. Sản phẩm dầu ngưng tụ trong thiết bị ngưng tụ không hòa loãng bằng nước lạnh, nhờ đó nó dễ dàng tách ra khỏi condensat, được thu gom vào bể lắng và giếng khí áp. f) Hệ bơm phun - thiết bị ngưng tụ khí áp. Trong sơ đồ này hơi từ trên tháp chân không đưa trực tiếp vào bơm phun, còn độ sâu của chân không không phụ thuộc vào nhiệt độ của nước thoát ra từ thiết bị ngưng tụ khí áp. Nhờ đó có thể tạo chân không sâu hơn (áp suất dư đạt 5 ÷ 10 mmHg). Độ sâu chân không phụ thuộc vào đối áp tại cửa ra của bơm phun, vì vậy để tạo chân không sâu cần mắc nối tiếp vài bơm phun. 2. Đặc điểm chưng cất trong tháp chân không Đặc điểm chưng cất trong tháp chân không tương tự như trong tháp chưng cất khí quyển. Tuy nhiên nó cũng có một số đặc điểm riêng liên quan với áp suất dư trong tháp thấp, điều kiện nung nóng nhiên liệu có thành phần phân đoạn nặng. Trong tháp chân không cần tạo điều kiện để cất được nhiều nhất và phân hủy ít nhất. Để làm được điều này cần sử dụng thiết bị tạo chân không để có được áp suất chân không thấp nhất trong hệ. Để giảm thời gian lưu của mazut trong lò nung và giảm trở lực nên sử dụng lò nung hai chiều, đưa hơi nước vào ống xoắn của lò, giảm thiểu khoảng cách giữa cửa nhập liệu vào tháp và cửa ra khỏi lò nung, tăng đường kính ống dẫn nguyên liệu, giảm thiểu các chỗ uốn góc, dạng chữ S. Cấu tạo của tháp chân không khác với tháp chưng cất khí quyển nhằm giảm thời gian lưu của cặn trong tháp để tránh phân hủy nó dưới tác dụng của nhiệt độ cao. Do lưu lượng các dòng hơi trong tháp chân không lớn, nên đường kính của các tháp này lớn hơn nhiều so với tháp cất khí quyển (8 ÷ 12 m). Do sự phân bố của chất lỏng và bọt sủi không đồng nhất nên hiệu quả của mâm không cao. Để phân bố chất lỏng đồng đều trên các mâm nên sử dụng cấu trúc mâm đặc biệt (mâm lưới, van (xupap) và sàng). 3. Sơ đồ công nghệ cụm chưng cất chân không Sơ đồ nguyên tắc cụm chưng cất chân không trình bày trong hình 16. Mazut từ dưới tháp K2 được máy bơm H-21 (không vẽ trong sơ đồ) bơm vào ống xoắn của lò nung L-3 và sau khi nung nóng đến 400 ÷ 410oC được dẫn vào tháp chưng cất chân không K-10. Để giảm sự phân hủy của mazut khi nung nóng ở nhiệt độ cao và tạo cốc trong các ống lò nung và tăng phần cất, thêm hơi nước quá nhiệt vào từng dòng chảy qua lò nung tại cửa vào tháp K-1. Ở đỉnh tháp chưng cất chân không K-10 giữ áp suất không quá 50 mmHg. Khí sinh ra khi phân hủy mazut cùng hơi nước được dẫn sang thiết bị ngưng tụ T-35, trong đó hơi nước ngưng tụ, còn khí được hút bằng máy bơm chân không - phun ba cấp H-1. Phần ngưng tụ từ T-35 được đưa vào bể chứa E-22, từ đó vào bể chứa B, nước từ đó được thải ra còn sản phẩn dầu tích tụ trong bể lắng được máy bơm H-40 bơm vào cửa nạp của máy bơm nguyên liệu. Từ mâm 15 của tháp chân không K-10 dòng hồi lưu trên được máy bơm H-24 hút ra và bơm qua các thiết bị trao đổi nhiệt T-25, thiết bị ngưng tụ bằng không khí T-25a, máy lạnh T-28 và với nhiệt độ 50oC được đưa trở lại mâm 18 của tháp K-10. Phân đoạn có nhiệt độ sôi dưới 350oC dư được máy bơm H-24 bơm vào tháp K-2 hoặc vào đường ống nhiên liệu diesel. Cũng có thể đưa dòng hồi lưu nóng vào mâm 14 nhờ máy bơm H-24. Từ mâm 9 trích phân đoạn 350 ÷ 500oC ra dưới dạng sản phẩm trung gian, sau đó nó được máy bơm H-25 bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt T-16 (dòng nóng), sau đó lượng phân đoạn 350 ÷ 500oC cần thiết quay trở lại tháp như dòng hồi lưu sau khi đã qua máy làm lạnh T30, phần dư qua thiết bị trao đổi nhiệt T-1 và lấy ra ngoài. Từ mâm thứ 9 của tháp K-10 dòng hồi lưu dưới được máy bơm H-26 bơm vào thiết bị trao đổi nhiệt T-18 và thiết bị làm lạnh T-31, trong đó nó được làm lạnh đến 170oC và trở về mâm số 6, còn phần dư quay trở lại tháp chưng cất khí quyển K-2. Từ bơm H-25 và H-26 hai dòng nóng trở lại tương ứng tại mâm thứ 8 và thứ 4. Từ đáy tháp K-10 gudron (nhựa đường) được máy bơm H-27 bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt T-4, T-3, T-34, máy lạnh T-24 và với nhiệt độ không quá 100oC được đưa vào bể chứa. 4. Chế độ công nghệ Sơ đồ công nghệ cụm chưng cất chân không được thiết kế với mục đích nhận được phân đoạn 350÷500oC (nguyên liệu cho cracking xúc tác) và nhựa đường (gudron). Tháp chân không được trang bị mâm van. Tất cả các mâm đều dạng hai dòng. Tổng số mâm là 18.Trên mâm nạp liệu và dưới mâm suất dòng hồi lưu giữa có lắp đặt lưới chặn. 5. Các sản phẩm thu được khi chưng cất dầu thô trong chân không: Chế biến mazut trong chân không thu được các distilat dầu nhờn có nhiệt độ sôi, độ nhớt và các tính chất khác khác nhau, cặn của quá trình này là semigudron hoặc gudron. Các sơ đồ chưng cất chân không được chia thành nhóm nhiên liệu và dầu nhờn. Trong nhóm sơ đồ nhiên liệu từ mazut thu phân đoạn rộng có nhiệt độ sôi đến 5500C gọi là gasoil chân không, là nguyên liệu cho cracking xúc tác hoặc hydrocracking.Trong nhóm công nghệ thứ 2 thu được phân đoạn dầu nhờn, sau khi chế biến ( xử lý bằng hydro, làm sạch lựa chọn, loại parafin bằng xúc tác hoặc loại parafin ở nhiệt độ thấp trong dung môi, làm sạch tiếp xúc…) có thể thu được các dầu nhờn gốc khác nhau. Trong các nhà máy chưng cất chân không nguyên liệu mazut hiện đại có 2 loại sơ đồ công nghệ: chưng cất bay hơi 1 bậc tất cả các phân đoạn và phân tách nó trong 1 tháp chân không và chưng cất mazut bay hơi hai bậc và phân tách phân đoạn chưng cất trong 2 tháp chân không. Để thu được gasoil chân không với khoảng sôi 350-5000C làm nguyên liệu cho cracking xúc tác hoặc hydrocracking thì chưng cất 1 bâc đạt yêu cầu. Nếu cần phải thu được nguyên liệu để sản xuất dầu nhờn thì tốt hơn nên chọn hệ thống chưng cất chân không 2 tháp. Trong tháp thứ nhất tách được phân đoạn dầu nhờn rộng, trong tháp thứ hai - chưng cất tiếp nó thành các phân đoạn dầu nhờn hẹp. Trong hình vẽ 6.8 dẫn ra sơ đồ nguyên tắc chưng cất chân không mazut hai bậc để nhận phân đoạn dầu nhờn. Mazut nóng với nhiệt độ 310-3150C từ tháp chưng cất khí quyển được máy bơm bơm vào lò nung để gia nhiệt đến 410-4200C và đưa vào tháp chưng cất chân không thứ nhất K-4. Trong tháp K-4 diễn ra phân tách phân đoạn chân không rộng ra khỏi cặn nặng là gudron. Để cất phân đoạn chân không tốt hơn và giảm nhiệt độ bay hơi, đưa vào tháp K-4 hơi nước quá nhiệt với khối lượng 1-1.5% so với nguyên liệu. Nếu phân đoạn chân không rộng được sử dụng làm nguyên liệu cho cụm cracking xúc tác hoặc hydrocracking, thì nó được lấy ra từ mâm thứ 6 và thứ 7 của tháp thứ nhất, cho nhiệt trong trao đổi nhiệt và đưa vào sơ đồ để chế biến tiếp. Tùy thuộc vào khả năng của sơ đồ, phân đoạn chân không rộng có nhiệt độ sôi trong khoảng 350-5200C. Khi chế biến phân đoạn chân không rộng với mục đích thu các dầu nhờn khác nhau nó được gia nhiệt bổ sung bằng nhiệt của gudron trong trao đổi nhiệt với gudron và đi vào tháp chân không thứ hai để tinh cất thành những phân đoạn hẹp hơn. Nhiệt lượng thiếu được lấy từ dưới tháp K-5 dưới dạng tia nóng nhờ tuần hoàn distilat dầu nhờn nặng được lấy ra có nhiệt độ sôi 420-490 hoặc 420-5000C qua một phần ống của lò nung. Đưa vào tháp K-5 hơi quá nhiệt. Chất lượng sản phẩm dầu thu được trong tháp chưng cất chân không thứ nhất như sau: Phân đoạn 350 đến 5000C: Hàm lượng nhựa, % k.l, không quá 12 Bay hơi, % t.t. Đến 4800C, không thấp hơn 96 Đến 3500C, không cao hơn 20 Nhựa đường (phân đoạn > 5000C): Nhiệt độ chớp cháy, 0C, không thấp hơn 200 Độ nhớt tương đối ở 800C 80-150 Bay hơi đến 5000C, % t.t, không quá 96 Từ tháp thứ hai thu các phân đoạn 350-4200C và 420-5000C. Hồi lưu cho tháp thực hiện bằng cách lấy một phần cất trích ngang trên từ tháp K-4 và K-5, làm lạnh chúng trong trao đổi nhiệt và thiết bị làm lạnh, tiếp theo đưa phần cất lạnh lên mâm trên, Nhiệt lượng dư được lấy ra bằng dòng hồi lưu tuần hoàn. Hơi và khí phân hủy không ngưng tụ lấy ra từ tháp K-4 và K-5 hút vào thiết bị tạo chân không. Với mục đích không tạo khói, muội trong khu vực nhà máy, khí phân hủy và hydrosulfua sau bậc cuối cùng của bơm tia hơi đưa vào lò nung để đốt. D. MỘT SỐ CÔNG THỨC TÍNH TOÁN: I. Tính thiết bị ngưng tụ khí áp ( thiết bị ngưng tụ baromet) 1. Chi phí nước làm lạnh cho thiết bị ngưng tụ: Trong đó: Gn ¬( kg/giờ): lưu lượng nước làm lạnh Ghn (kg/giờ): lưu lượng hơi nước I (kcal/kg): entanpy của hơi nước đi vào thiết bị ngưng tụ khí áp C = 1kcal/(kg.độ): nhiệt dung riêng của nước t1 (0C) : nhiệt độ vào của nước t2 (0C) : nhiệt độ ra của nước. t3 (0C) : nhiệt độ vào của hơi và khí t4 (0C) : nhiệt độ của khí hút ở đỉnh thiết bị ngưng tụ, t4 ≈ t1 Gg¬ (kg/giờ): lượng khí phân huỷ ( có thể chọn bằng 0,1% so với nguyên liệu) Gkk (kg/giờ): lượng không khí bị hút vào Ckk (kcal /(kg.K)): nhiệt dung của không khí. Lượng không khí bị hút vào xác định bởi: Với: = 1,293 kg/m3 V (m3): thể tích tháp (mmHg): giảm chân không cho phép trong thiết bị ( từ 10 đến 12 mmHg) t: nhiệt độ trong tháp sau khi thử độ kín (có thể chọn khoảng 250C). Nhiệt độ không khí và hơi phân huỷ hút vào t4 có thể xác định theo biểu thức sau: t4 = t1 + 0,1(t2 – t1) + 4 2. Đường kính ống khí áp: xác định từ tiết diện ống cần thiết khi biết thể tích tổng của nước và chất ngưng tụ rời khỏi thiết bị ngưng tụ, với tốc độ dòng ( có thể chọn từ thực tế trong khoảng 0,5 đến 2m/s). 3. Chiều cao ống khí áp: Được xác định theo công thức: H = H0 + h1 + h H0 (m): chiều cao cột nước trong ống khí áp ở trạng thái cân bằng tĩnh với chênh lệch giữa áp suất khí quyển với áp suất trong thiết bị ngưng tụ, được tính bởi công thức: h1 (m): chiều cao dự trữ ( thông thường hay chọn là 0,5m) h (m) : chiều cao ứng với tổn thất áp suất. 4. Đường kính thiết bị ngưng tụ khí áp: xác định từ vận tốc khí và hơi, lưu lượng. Tuy nhiên, khi tính ta chọn công suất cao gấp 1,5 lần thực tế vì các ngăn chiếm 70% tiết diện của thiết bị ngưng tụ. II. Tính thiết bị ngưng tụ bề mặt: 1. Lượng nhiệt tải được Q (kcal/giờ): - Cho thiết bị ngưng tụ - làm lạnh - Cho thiết bị làm lạnh: Trong đó: Gd, Ghn, Gn (kg/giờ): lưu lượng dầu thô, hơi nước và nước (kcal/kg): entanpy của hơi sản phẩm dầu ở nhiệt độ vào t1 (kcal/kg): entanpy của sản phẩm dầu lỏng ở nhiệt độ ra t2 Chn: nhiệt dung riêng của hơi nước, khoảng 0,48 kcal/(kg.K) t3(0C) : nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước t4, t5 (0C): nhiệt độ đầu và cuối của hơi nước rhn (kcal/kg): nhiệt ngưng tụ của hơi nước Cn (kcal/(kg.K)): nhiệt dung riêng của nước. Chú ý: lượng nhiệt Q tính cho thiết bị làm lạnh-ngưng tụ khác với thiết bị làm lạnh ở chỗ tính cả lượng nhiệt ngưng tụ do hơi nước toả ra. 2. Lượng nước cần thiết cho làm lạnh: 3. Bề mặt làm lạnh: , m2 Đối với loại thiết bị này, hệ số truyền nhiệt trong khoảng 70-100 kcal/(m3.h.K). III. Tính thiết bị bơm phun hơi ( bơm ejector dòng hơi) Ta lựa chọn máy bơm ejector phù hợp với khối lượng khí phân hủy và không khí hút qua thiết bị không kín và do hơi nước làm lạnh sinh ra.