Tài liệu Thiết kế tháp chưng cất dầu nặng năng suất 3.000.000 tấn một năm

Đồ án môn học Thiết kế tháp chưng cất dầu nặng.. Năng suất 3.000.000 tấn/năm SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 1 Bộ giáo dục và đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà nội ***** Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc --------o O o-------- NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC Họ và tên: MAI XUÂN ĐÔNG Khoá học: Hoá dầu QN _ K-48 Ngành học : Công nghệ hữu cơ - Hoá dầu Khoa: Công nghệ hoá học 1.Đầu đề thiết kế: Thiết kế tháp chưng cất dầu nặng.. Năng suất 3.000.000 tấn/năm 2. Nội dung phần thuyết minh và tính toán: - Tổng quan lý thuyết. - Tính toán công nghệ. 3. Các bản vẽ (Ghi rõ các loại bản vẽ và kích thước các bản vẽ) - Bản vẽ thiết bị phản ứng chính - khổ A1. 4. Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Lê Văn Hiếu. 5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 18_02_2008. 6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế: 05_03_2008. Ngày tháng năm 2008 Chủ nhiệm bộ môn (ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Hữu Trịnh Cán bộ hướng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) Lê Văn Hiếu Kết quả điểm đánh giá - Quá trình thiết kế : - Điểm duyệt : - Bản vẽ thiết kế : SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 2 CHƯƠNG I CÔNG NGHÖ CH¦NG CÊT DÇu th« Chưng cất dầu thô là một quá trình chế biến vật lý trong đó các cấu tử có trong dầu thô không hề bị biến đổi mà chúng chỉ được phân chia đơn thuần thành các nhóm sản phẩm gọi là các phân đoạn. Phương pháp này bao gồm quá trình sôi và bay hơi hỗn hợp chất lỏng sau đó ngưng tụ hơi và làm lạnh bằng nước. Như vậy hơi nhẹ bay lên ngưng tụ thành lỏng, chất lỏng thu được này sẽ tinh khiết hơn nguyên liệu ban đầu mà thành phần chất vẫn không thay đổi. Thực chất của quá trình chưng cất là dựa trên sự khác nhau về nhiệt độ sôi của các cấu tử trong hỗn hợp lỏng. Đây là quá trình quan trọng nhất trong nhà máy tinh chế nhằm tách các sản phẩm đáp ứng nhu cầu thị trường. I. Vai trß, môc ®Ých vµ ý nghÜa cña qu¸ tr×nh ch­ng cÊt: 1.Vai trò: Quá trình chưng cất là quá trình đầu tiên làm cơ sở cho các quá trình chế biến khác. Và phân xưởng chưng cất dầu thô là phân xưởng quan trọng số 1 trong mỗi nhà máy lọc dầu, có nó thì các phân xưởng chế biến tiếp theo mới hoạt động được. 2. Mục đích: Mục đích của quá trình chưng cất dầu thô là chia dầu thô (là nguyên liệu ban đầu) thành những phân đoạn hẹp để tiện lợi cho các quá trình chế biến về sau, chẳng hạn như các quá trình cracking, reforming hay quá trình sản xuất dầu nhờn... Trong đó yêu cầu của quá trình chưng cất là không xảy ra các phản ứng phân hủy và độ phân chia càng cao càng tốt. 3. ý nghĩa: Trong công nghiệp chế biến dầu, dầu thô sau khi đã được xử lý qua các quá trình tách nước, muối và tạp chất cơ học sẽ được đưa vào chưng cất. Tùy theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà chúng ta sẽ áp dụng chưng cất dầu ở áp suất khí quyển AD (Atmospheric Distillation) hay chưng cất trong chân không VD (Vacuum Distillation) hay kết hợp cả 2 công nghệ AD-VD gọi tắt là AVD (hình 1d). SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 3 - Với mục đích nhận các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng), phân đoạn kerosen, phân đoạn diezel (nhẹ, nặng) và phần cặn còn lại sau chưng cất người ta sử dụng công nghệ AD (hình 1a). - Còn khi muốn chưng cất sâu thêm phần cặn thô nhằm nhận các phân đoạn gasoil chân không hay phân đoạn dầu nhờn người ta dùng chưng cất chân không VD (hình 1b, 1c). Phân đoạn gasoil chân không là nguyên liệu cho quá trình Cracking nhằm chế biến xăng có trị số octan cao. Phân đoạn dầu nhờn được dùng để chế tạo các sản phẩm dầu mỡ bôi trơn, còn phân đoạn cặn gudron dùng để chế tạo bitum, nhựa đường hay làm nguyên liệu cho quá trình cốc hóa sản xuất cốc dầu mỏ. Như vậy tùy theo tính chất dầu thô và mục đích chế biến mà người ta áp dụng loại hình công nghệ chưng cất cho thích hợp. Hình 1a: Sơ đồ chưng cất dầu thô loại AD SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 4 Hình 1b: Sơ đồ chưng cất dầu thô loại VD Hình 1c: Sơ đồ chưng cất dầu thô loại VD nhận dầu nhờn Hình 1d: Sơ đồ chưng cất kết hợp AVD Chú thích: 1. Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Lò đốt; 3 Làm lạnh; 4. Tháp chưng cất; 5. Tháp tái sinh hơi; 6. Bể chứa; 7. Tháp chưng cất chân không; I. Dầu thô; II. Xăng; III. Khí; IV. Xăng nặng; V. Hơi nước; VI. Kerosen; VII. Gazoil nhẹ; VIII. Gazoil nặng; IX. Cặn AD; X, XI, XII, XIII, XIV, XV. Các loại dầu nhờn. II. C¬ së lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh ch­ng cÊt: Quá trình chưng cất dầu thô là một quá trình phân đoạn. Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử trong dầu mà không xảy ra sự phân huỷ. Hơi nhẹ bay lên và ngưng tụ thành phần lỏng. Tùy theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 5 quá trình thành chưng đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất trong chân không và chưng cất với hơi nước. 1. Chưng đơn giản : Chưng đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi dần dần, một lần hay nhiều lần, một hỗn hợp chất lỏng cần chưng được mô tả trên hình 2 (a, b, c). 1.1. Chưng cất bằng cách bay hơi dần dần: Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày trên hình 2a gồm: thiết bị đốt nóng lên tục, một hỗn hợp chất lỏng trong bình chưng 1 từ nhiệt độ thấp tới nhiệt độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sản phẩm và ngưng tụ hơi bay lên trong thiết bị ngưng tụ 3 và thu được sản phẩm lỏng trong bể chứa 4. Phương pháp này thường được áp dụng trong phòng thí nghiệm. Hình 2a 1.2. Chưng cất bằng cách bay hơi một lần: Sơ đồ chưng cất bằng cách bay hơi một lần được trình bày trên hình 2b, phương pháp này còn gọi là phưng pháp bay hơi cân bằng. Hỗn hợp chất lỏng I được cho liên tục vào thiết bị đun sôi 2 và được đốt nóng đến một nhiệt độ xác định và ở áp suất p cho trước. Pha hơi thu được cho qua thiết bị ngưng tụ 3 rồi vào bể chứa 4, từ đó nhận được phần cất II; còn pha lỏng được lấy ra liên tục và ta nhận được phần cặn III. - Ưu điểm của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế chưng cất dầu, tuy với nhiệt độ chưng cất bị giới hạn nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng phần cất lớn hơn. - Nhược điểm của phương pháp là độ phân chia chưa cao. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 6 3 4 II 2 1 I II I Hình 2b 1.3. Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần: Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng dần hay áp suất thấp hơn đối với phần cặn (được trình bày ở hình 2c). Phần cặn của chưng cất lần một là nguyên liệu cho chưng cất lần hai sau khi được đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn. Từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được sản phẩm đỉnh, còn đáy chưng cất lần hai ta nhận được sản phẩm cặn. Phương pháp chưng cất dầu bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiều lần có ý nghĩa rất lớn trong thực tế công nghiệp chế biến dầu, ở đây các dây chuyền hoạt động liên tục. Quá trình bay hơi một lần được áp dụng khi đốt nóng dầu trong các thiết bị trao đổi nhiệt, trong lò ống và quá trình tách rời pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận cung cấp, phân phối của tháp tinh luyện . Chưng đơn giản, nhất là với loại bay hơi một lần thì không đạt được độ phận phân chia cao. Do đó khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần của các hợp chất lỏng, người ta phải tiến hành chưng cất có tinh luyện đó là chưng phức tạp. Hình 2c 2. Chưng phức tạp : SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 7 2.1. Chưng cất có hồi lưu: Quá trình chưng cất có hồi lưu là một quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng bay hơi lên. Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có hồi lưu, nhờ vậy có sự phân chia cao hơn. Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế bằng bộ phận phân chia đặc biệt và được bố trí phía trên bộ phận chưng. 2.2. Chưng cất có tinh luyện: Chưng cất có tinh luyện còn cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu. Cơ sở của quá trình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau. Quá trình này được thực hiện bằng phương pháp tinh luyện. Để đảm bảo cho sự tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha hơi và pha lỏng trong tháp được trang bị các đĩa hay đệm. Độ phân chia một hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha (số đĩa lý thuyết) vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp. Công nghệ hiện đại chưng cất sơ khởi dầu thô dựa vào quá trình chưng cất một lần và nhiều lần có tinh luyện xảy ra trong tháp chưng cất phân đoạn có bố trí nhiều đĩa. Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng cất: Pha hơi Vn bay lên từ đĩa n lên đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1 chảy từ đĩa n-1 xuống, còn pha lỏng Ln từ đĩa n, chảy xuống đĩa phía dưới n+1 lại tiếp xúc với pha hơi Vn+1 bay từ dưới lên. Nhờ quá trình tiếp xúc như vậy mà quá trình trao đổi chất xảy ra tốt hơn. Pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm nhiều cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều cấu tử nặng. Số lần tiếp xúc càng nhiều, sự trao đổi chất ngày càng tăng và sự phân chia ngày càng tốt, hay nói cách khác, tháp có độ phân chia càng cao. Đĩa trên có hồi lưu đỉnh, còn đĩa dưới cùng có hồi lưu đáy. Nhờ có hồi lưu đỉnh và đáy mà làm cho tháp hoạt động liên tục, ổn định và có khả năng phân tách cao. Ngoài đỉnh và đáy người ta còn thiết kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn tháp cho qua trao đổi nhiệt làm lạnh rồi quay lại tưới vào tháp. Như vậy theo chiều cao của tháp tinh luyện ta sẽ nhận được các phân đoạn có giới hạn sôi khác nhau tuỳ thuộc vào chế độ công nghệ chưng cất nguyên liệu dầu thô ban đầu. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 8 Thân tháp Hồi lưu trung gian Tới tháp bay hơi phụ Đĩa chụp Ln-1 Vn Ln V n+1 Cửa tháo hồi lưu Hơi Hình 3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp tinh luyện SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 9 3. Chưng cất chân không và chưng cất hơi nước : Hỗn hợp các cấu tử có trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi tăng nhiệt độ. Trong số các hợp chất dễ bị phân huỷ nhiệt nhất là các hợp chất chứa lưu huỳnh và các hợp chất cao phân tử như nhựa. Các hợp chất parafin kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphten và naphten lại kém bền hơn các hợp chất thơm. Độ bền nhiệt của cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó. Trong thực tế chưng cất, đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta còn tránh sự phân huỷ nhiệt khi chúng bị đốt nóng. Đối với dầu không có hay có chứa ít lưu huỳnh không nên đốt nóng quá 400  4200C, còn đối với dầu có và nhiều lưu huỳnh thì nhiệt độ đốt không quá 320  3400C. Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất của sản phẩm, như làm giảm độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy của chúng, giảm độ bền oxi hoá. Nhưng quan trọng hơn cả là chúng gây nên nguy hiểm cho quá trình chưng cất, vì chúng tạo thành các tạp chất ăn mòn và làm tăng áp suất của tháp. Để giảm sự phân huỷ, thời gian lưu của nguyên liệu ở nhiệt độ cao cũng cần được hạn chế. Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt của chúng, người ta phải chưng cất chân không VD hay chưng cất với hơi nước để tránh sự phân huỷ nhiệt. Chân không làm giảm nhiệt độ sôi, còn hơi nước cũng có tác dụng làm giảm nhiệt độ sôi tức là giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp làm cho chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Hơi nước được dùng ngay cả trong chưng cất khí quyển. Khi tinh luyện, hơi nước được dùng để tái bay hơi phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp còn chứa trong mazut hay trong gudron hoặc dầu nhờn. Kết hợp dùng chân không và hơi nước khi chưng cất phần cặn sẽ cho phép tách sâu hơn phân đoạn dầu nhờn. Tuy nhiên, tác dụng của hơi nước làm tác nhân bay hơi còn bị hạn chế, vì nhiệt độ bay hơi khác xa so với nhiệt độ đốt nóng chất lỏng. Vì thế nếu tăng năng lượng hơi nước thì nhiệt độ và áp suất hơi bão hoà của dầu giảm xuống và sự tách hơi cũng giảm theo. Do vậy lượng hơi nước có hiệu quả tốt nhất chỉ trong khoảng từ 2  3% so với nguyên liệu đem chưng cất khi mà số cấp tiếp xúc là 3 hoặc 4. Trong điều kiện như vậy, lượng dầu tách ra từ phân đoạn mazut đạt tới 14 đến 23%. Khi chưng cất với hơi nước số lượng phân đoạn tách ra được có thể tính theo phương trình sau: SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 10 G= Mf P  f Z 18 P  Pf Trong đó : G và Z: số lượng hơi dầu tách được và lượng hơi nước. Mf: phân tử lượng của hơi dầu. 18: phân tử lượng của nước. P : áp suất tổng cộng của hệ. Pf : áp suất riêng phần của dầu ở nhiệt độ chưng. Nhiệt độ của hơi nước cần phải không thấp hơn nhiệt độ của hơi dầu để tránh sản phẩm dầu ngậm nước. Do vậy, người ta thường dùng hơi nước có nhịêt độ từ 380  4500C, áp suất hơi từ 0,2  0,5 MPa. Hơi nước dùng trong công nghệ chưng cất dầu có rất nhiều ưu điểm: làm giảm áp suất hơi riêng phần của dầu, tăng cường khuấy trộn chất lỏng tránh tích nhiệt cục bộ, tăng diện tích bề mặt bay hơi do tạo thành các tia và bong bóng hơi. người ta cũng dùng hơi nước để tăng cường đốt nóng cặn dầu trong lò ống khi chưng cất chân không. Khi đó đạt mức độ bay hơi lớn cho nguyên liệu dầu, tránh sự tạo cốc trong các lò đốt nóng. Tiêu hao hơi nước trong trường hợp này vào khoảng 0,3  0,5% với nguyên liệu. III. C¸c yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh ch­ng cÊt: Các thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất và chất lượng của quá trình chưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất. Trong đó phương pháp chưng cất ra sao sẽ được nói rõ hơn ở mục lựa chọn sơ đồ công nghệ. Còn 2 yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình làm việc của tháp chưng cất đó chính là nhiệt độ và áp suất mà 2 yếu tố này lại liên quan đến lượng dầu thô ban đầu, vào mục đích và yêu cầu của quá trình hay chủng loại sản phẩm cần thu. Cụ thể như sau: 1. Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện: Nhiệt độ là một thông số quan trọng nhất của tháp chưng, bằng cách thay đổi nhiệt của tháp sẽ điều chỉnh được chất lượng và hiệu suất của sản phẩm, chế độ nhiệt của tháp gồm: nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong và đáy tháp. Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) vào tháp chưng được khống chế tuỳ theo bản chất của loại dầu thô, mức độ cần phân chia sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp nhưng phải tránh được sự phân huỷ nhiệt của SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 11 nguyên liệu ở nhiệt độ cao, do vậy nhiệt độ lò ống đốt nóng phải được khống chế chặt chẽ. - Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần hồi lưu đáy. Nếu bay hơi phần hồi lưu đáy bằng một thiết bị đốt nóng riêng thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt độ bay hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp. Nếu bốc hơi bằng cách dùng hơi nước quá nhiệt thì nhiệt độ phần đáy tháp sẽ thấp hơn nhiệt độ vùng nạp liệu. Nhiệt độ đáy tháp phải chọn tối ưu tránh sự phân huỷ các cấu tử nặng nhưng phải đủ để tách hết hơi nhẹ khỏi phần cặn đáy. - Nhiệt độ đỉnh tháp phải được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi hoàn toàn sản phẩm đỉnh mà không gây sự cuốn theo các phần nặng. Muốn vậy người ta phải dùng hồi lưu đỉnh tháp. Để tách xăng khỏi các phân đoạn khác nhiệt độ đỉnh tháp chưng khi chưng cất ở áp suất khí quyển cần giữ trong khoảng 100  1200C. Còn với tháp chưng chân không khi áp suất chưng từ 10 70 mmHg thường không quá 120 0C để tách hết phần gazoil nhẹ còn lẫn trong nguyên liệu. Dùng hồi lưu sẽ tạo điều kiện phân chia tốt. Hồi lưu đỉnh tháp thường có 2 dạng: + Hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách cho ngưng tụ một phần hơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó, sau đó cho tưới lại đỉnh tháp. Như vậy, chỉ cần cung cấp một lượng nhiệt để bốc hơi. Tác nhân làm lạnh có thể dùng nước hay chính sản phẩm lạnh, công thức tính lượng hồi lưu nóng : Rn = Q L Trong đó: Rn : lượng hồi lưu nóng, kg/h Q : nhiệt lượng hồi lưu cần lấy để bốc hơi, kcal/h L : nhiệt ngưng tụ của sản phẩm lỏng, kcal/h Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và có nhiều khó khăn cho việc vệ sinh, đặc biệt công suất thấp nên ngày nay ít được dùng. + Hồi lưu nguội là loại được thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ toàn bộ sản phẩm đỉnh rồi tưới trở lại đỉnh tháp. Khi đó lượng nhiệt cần thiết để cấp cho phần hồi lưu bao gồm nhiệt cần để nung nóng nó đến nhiệt độ sôi và nhiệt cần để hoá hơi, do vậy hồi lưu nguội tính bằng công thức: Q Q Rng = = i  (t 2  t1 )C q ht  q lt 1 2 Trong đó: SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 12 Rng : lượng hồi lưu nguội. Q : lượng nhiệt mà hồi lưu cần. q ht : hàm nhiệt của hơi. 1 q lt : lượng nhiệt của lỏng hồi lưu. 2 i : nhiệt lượng phần hơi cần. C : nhiệt dung của sản phẩm hồi lưu. t2, t1 : nhiệt độ của hơi và của lỏng tương ứng. Hồi lưu nguội được sử dụng tương đối rộng rãi, vì lượng hồi lưu thường ít, làm tăng rõ ràng chất lượng mà không làm giảm nhiều năng suất của tháp chưng. Ngoài hồi lưu đỉnh, đáy người ta còn sử dụng hồi lưu trung gian để tăng cường chất lượng của các sản phẩm cạnh sườn và điều chỉnh nhiệt độ trong tháp. + Hồi lưu trung gian: quá trình hồi lưu trung gian được thực hiện bằng cách lấy một sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ t1 đưa ra ngoài làm nhiệt độ t0 rồi tưới hồi lưu lại tháp. Khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt để đun nóng nhiệt độ từ t0 đến t1. Xác định lượng hồi lưu trung gian theo công thức: Q gtg = l q t1  q l t 0 Trong đó : gtg : lượng nhiệt hồi lưu lấy đi (kcal/h) q l t1 , q l t 0 : hàm lượng nhiệt của hồi lưu ở pha lỏng ứng với nhiệt độ t1 và t0, (kcal/kg) ­u điểm: giảm lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp, tận dụng được một lượng nhiệt thừa rất lớn của tháp chưng để đun nóng nguyên liệu ban đầu, tăng công suất làm việc của tháp. Người ta thường kết hợp hồi lưu trung gian với hồi lưu lạnh cho phép điều chỉnh chính xác nhiệt độ của đỉnh tháp chưng, dẫn đến đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phảm của quá trình. 2. Yếu tố áp suất của tháp chưng luyện: Khi chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển, áp suất tuyệt đối trong tháp thường cao hơn một chút so với áp suất khí quyển, mặt khác áp suất trong toàn tháp và ở mỗi tiết diện cũng khác nhau. ¸p suất trong mỗi tiết diện của tháp chưng SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 13 luyện phụ thuộc vào lực thuỷ tĩnh khi hơi đi qua các đĩa nghĩa là phụ thuộc vào số đĩa và cấu trúc đĩa, lưu lượng riêng của chất lỏng và hơi. Thông thường từ đĩa này sang đĩa khác áp suất giảm đi 5  10 mmHg từ dưới lên, ở áp suất thấp qua mỗi đĩa giảm đi từ 1  3 mmHg. ¸p suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của nguyên liệu và áp suất riêng phần của từng cấu tử. ¸p suất hơi nước đưa vào cũng ảnh hưởng đến áp suất chung của tháp. Nếu tháp chưng luyện dùng hơi nước trực tiếp cho vào đáy tháp thì hơi nước làm giảm áp suất riêng phần của hơi sản phẩm dầu mỏ, cho phần chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn. Lượng hơi nước tiêu hao phụ thuộc vào áp suất chung của tháp và áp suất riêng phần của sản phẩm dầu mỏ. Lượng hơi nước dùng cho tháp chưng ở áp suất khí quyển khoảng 1,2  3,5% trọng lượng. Khi chưng cất ở áp suất chân không thì thường tiến hành ở áp suất 10  70 mmHg. Độ chân không càng sâu càng cho phép chưng sâu hơn, nhưng nếu áp suất quá thấp sẽ khó chế tạo thiết bị với năng suất lớn. 3. Điều khiển, khống chế chế độ làm việc của tháp chưng cất: Để duy trì sự làm việc ổn định của tháp chưng cất chúng ta phải thực hiện các nguyên tắc sau: + Điều chỉnh áp suất trong tháp làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng. + ¸p suất tăng lên thì chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn. Nếu áp suất tăng quá cao, lượng chất lỏng trong tháp sẽ nhiều dẫn đến hiện tượng sặc làm giảm hiệu quả phân chia. + Nếu các điều kiện khác trong tháp là cố định thì sản phẩm đỉnh, sản phẩm sườn và sản phẩm đáy sẽ nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên. + Nếu nhiệt độ cấp liệu vào tháp quá thấp, lượng hơi trên các khay đĩa sẽ nhỏ cho nên phần lỏng nhiều và chảy xuống phía dưới vào bộ phận chưng càng nhiều. + Nếu nhiệt độ của reboiler quá thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và làm tăng lượng cặn. + Nếu nhiệt độ đỉnh tháp quá cao, sản phẩm đỉnh nặng và có nhiều sản phẩm hơn so với thiết kế và ngược lại nếu nhiệt độ đỉnh quá thấp thì sản phẩm đỉnh sẽ quá nhẹ và có ít sản phẩm. + Nhiệt độ cần thiết tách phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn so với dầu thô loại nhẹ. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 14 + Chú ý nhất là nhiệt độ đỉnh tháp, tránh nhiệt độ quá cao mà nguyên nhân có thể là làm lạnh không đủ dẫn đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Tóm lại, khi thiết kế quá trình chưng cất chúng ta cần phải xem xét kỹ và kết hợp đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng trên để quá trình đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. IV. C¸c lo¹i s¬ ®å c«ng nghÖ: Có 2 sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô thường được sử dụng phổ biến trong công nghiệp chế biến dầu, đó là: 1. Sơ đồ công nghệ bay hơi một lần và một tháp tinh cất: Xăng Phân đoạn 1 Dầu thô Phân đoạn 2 Phân đoạn 3 Cặn Mazut Hình 4: Sơ đồ chưng luyện bốc hơi một lần ­u điểm : - Quá trình chưng chất cho phép áp dụng trong điều kiện chưng cất dầu thô. Tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng cất lớn. - Sự bốc hơi đồng thời các phân đoạn sẽ giảm được nhiệt độ bốc hơi và nhiệt lượng đun nóng dầu trong lò. - Thiết bị đơn giản, gọn gàng. Nhược điểm: - Đối với loại dầu có chứa nhiều khí hoà tan (> 1,2 %), cũng như có nhiều phân đoạn nhẹ, nhiều tạp chất lưu huỳnh thì gặp nhiều khó khăn trong quá trình chưng cất, do áp suất trong các thiết bị trong sơ đồ lớn, chịu được áp suất cao. Chính vì vậy, đòi hỏi thiết bị phải có độ bền lớn làm bằng vật liệu đắt tiền, cho nên làm tăng chi phí về chế tạo thiết bị. - Đôi khi có hiện tượng nổ, hỏng thiết bị do áp suất trong tháp tăng đột ngột. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 15 2. Sơ đồ công nghệ bốc hơi hai lần và tinh luyện hai lần trong hai tháp nối tiếp nhau: Loại này có 2 loại sơ đồ: sơ đồ 1 (hình 5), sơ đồ 2 (hình 6).  Thiết bị chưng cất theo sơ đồ 1 gồm hai tháp nối tiếp nhau, quá trình bốc hơi hai lần và tinh luyện hai lần trong tháp nối tiếp nhau. Loại này thường áp dụng để chế biến các loại dầu có chứa nhiều phần nhẹ, nhiều hợp chất chứa lưu huỳnh và nước. Nhờ các cấu tử nhẹ được tách sơ bộ ở tháp thứ nhất và tháp thứ hai không có hiện tượng tăng áp suất đột ngột. Mặt khác, các hợp chất chứa lưu huỳnh gây ăn mòn thiết bị đã được thoát ra ở tháp thứ nhất. Như vậy trong tháp chưng thứ hai không cần dùng vật liệu đắt tiền, có thể sử dụng thép thường. Những hydrocacbon nhẹ được loại ra ở tháp thứ nhất cho phép đun dầu làm việc với hệ số trao đổi nhiệt lớn, giảm đáng kể công suất cần thiết kế của lò đun dầu chính. Nhờ loại này loại bỏ được nước ngay ở tháp thứ nhất nên tháp chính thứ hai làm việc an toàn. Nhược điểm của sơ đồ này là phải đun dầu trong lò với nhiệt độ cao hơn 5 đến 10% so với sơ đồ trên. Có thể hạn chế hay khắc phục hiện tượng này bằng cách cho hơi nước vào những ống cuối cùng của lò để giảm áp suất riêng phần của các hydrocacbon. Khí Dầu nóng Xăng Phân đoạn 1 Phân đoạn 2 Mazut Hình 5  Thiết bị chưng cất theo sơ đồ 2 (hình 6) là hệ thống bốc hơi hai lần và tinh luyện một lần trong tháp chưng luyện. Sơ đồ loại này dùng phổ biến, ở sơ đồ này có sự tinh luyện phần nhẹ và phần nặng xảy ra đồng thời trong cùng một tháp chính thứ hai. Như vậy có phần nào giảm bớt nhiệt độ đun nóng dầu trong lò. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 16 Xăng Dầu thô Phân đoạn 1 Phân đoạn 2 Phân đoạn 3 Mazut Hình 6 V. Lùa chän s¬ ®å c«ng nghÖ vµ chÕ ®é c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh ch­ng cÊt : 1. Phân tích và lựa chọn sơ đồ công nghệ: Việc lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ chưng cất trước hết hoàn toàn phụ thuộc vào các đặc tính của nguyên liệu và mục đích của quá trình chế biến. Trên cơ sở đó chúng ta phải chọn được sơ đồ công nghệ nào phù hợp nhất, đáp ứng được yêu cầu của nhà máy đồng thời đem lại hiệu suất và hiệu quả kinh tế cao nhất. Với dầu mỏ chứa lượng khí hoà tan bé từ 0,5 đến 1,2%, trữ lượng xăng thấp từ (12 đến 15% phân đoạn có nhiệt độ sôi đến 1800C) và hiệu suất các phân đoạn cho tới 3500C không lớn hơn 45% thì thuận tiện nhất và cũng phù hợp hơn cả là nên chọn sơ đồ chưng cất AD với bay hơi một lần và một lần chưng cất. Với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng sản phẩm trắng cao (50 đến 65%), chứa nhiều khí hoà tan > 1,2%, chứa nhiều phân đoạn xăng (20 đến 30%) thì nên chọn sơ đồ chưng cất AD với bay hơi hai lần. Lần một bay hơi sơ bộ phần nhẹ và tinh cất chúng ở tháp sơ bộ. Lần hai tinh cất phần dầu còn lại. Như vậy ở tháp chưng sơ bộ ta tách được phần khí hoà tan và phần xăng có nhiệt độ sôi thấp ra khỏi dầu. Để ngưng tụ hoàn toàn bay hơi lên người ta tiến hành chưng cất ở áp suất cao hơn khoảng P = 0,14 đến 0,16 MPa và nhận được từ dầu thô sản phẩm trắng nhiều hơn. Theo yêu cầu chúng ta phải thiết kế phân xưởng chưng cất dầu thô loại nặng (ít phần nhẹ) với tỷ trọng d415 >0,884 (theo đề tài ta chọn dầu thô Mandji). Đặc điểm của dầu nặng là có chứa nhiều lưu huỳnh, asphanten và ít parafin rắn. Với loại dầu thô này thì chúng ta chọn sơ đồ chưng cất AD loại 1 tháp (bay hơi 1 lần và 1 tháp tinh cất) là tối ưu hơn cả. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 17 Ưu điểm nổi bật của sơ đồ 1 tháp so với 2 tháp là cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và lắp đặt do đó tiết kiệm được vốn đầu tư (giảm chi phí) mà vẫn đảm bảo được độ phân chia. Sau đây là phần thuyết minh sơ đồ chưng cất dầu thô Mandji loại 1 tháp. c2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô loại một tháp: Nguyên liệu sau khi được xử lý lưu huỳnh, được đưa vào bể chứa (1). Sau đó được bơm (9) bơm qua các thiết bị trao đổi nhiệt với các sản phẩm lấy ra từ các bộ phận hồi lưu trung gian, để hâm nóng dầu và tiếp tục trao đổi nhiệt với phần cặn tháp chưng. Dầu được gia nhiệt đến khoảng 130 đến 1500C (nhằm để chuyển muối thành nhũ tương), rồi đưa vào thiết bị tách muối và nước (5). Sau khi dầu được tách muối và nước thì tiếp tục dẫn qua các thiết bị trao đổi nhiệt (11) với các phân đoạn lấy ra từ tháp (4) và được đưa qua lò đốt (2) để đun nóng dầu đến nhiệt độ thích hợp từ 320 đến 3400C, P = 1040 mmHg, rồi được dẫn vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng cất (3), tại đây xảy ra quá trình chuyển khối. Nghĩa là có sự phân tách pha, các cấu tử nhẹ được lấy ra ở đỉnh tháp tại nhiệt độ khoảng từ 100 đến 140 0C, P = 900 mmHg, qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh được ngưng tụ rồi đưa vào bể chứa (6). Khí không ngưng được lấy ra và phần nước ngưng cũng được tách ra khỏi sản phẩm, một phần được hồi lưu quay trở lại tháp (3) để làm giàu thêm các cấu tử nhẹ, phần còn lại tiếp tục được làm lạnh ngưng tụ rồi cho vào bể chứa (6), tại đây chúng ta cũng lấy ra phần khí không ngưng và nước ngưng còn lẫn trong sản phẩm đỉnh, phần sản phẩm ngưng tụ được bơm (9) bơm qua thiết bị trao đổi nhiệt (11), rồi cho vào tháp (7). Sản phẩm đỉnh của tháp (7) được làm lạnh rồi đưa vào bể chứa (6), khí không ngưng và nước lại được lấy ra, còn phần khí ngưng tụ một phần được hồi lưu trở lại tháp (7), một phần sản phẩm thu được là khí LPG. Phần sản phẩm đáy của tháp (7) ta thu được sản phẩm là xăng, được đưa qua trao đổi nhiệt rồi cho vào bể chứa (12), sau đó đem đi chế biến. Tại tháp chưng cất (3), các phân đoạn được lấy ra ở cạnh sườn rồi qua tháp tái bay hơi (4), tại đây ta thu được các phân đoạn như kerosen (210 đến 2700C ), phân đoạn gasoil nhẹ (260 đến 3600C) và phân đoạn gasoil nặng (360 đến 5000C) rồi được làm lạnh và đưa vào các bể chứa (12), rồi đem đi chế biến. Còn phần sản phẩm đáy của tháp (3) ta thu được cặn chưng cất gọi là mazut. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 18 3. Sơ đồ công nghệ 1. Thùng chứa nguyên liệu; 2. Lò ống; 3. Tháp chưng cất 4. Tháp tái bay hơi; 5. Thiết bị tách muối và nước 6. Bể chứa; 7. Tháp ổn định; 8. Thiết bị gia nhiệt; 9. Bơm 10. Thiết bị làm lạnh; 11. Thiết bị trao đổi nhiệt; 12. Thùng chứa sản phẩm. SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 19 VI. ThiÕt bÞ chÝnh trong d©y chuyÒn: Trong quá trình chưng cất để hiệu quả phân tách cao thì sự tiếp xúc pha trong tháp chưng phải xảy ra đồng đều, triệt để. Trong thực tế có rất nhiều loại tháp dùng cho quá trình chưng cất nhưng loại tháp được dùng phổ biến nhất hiện nay là tháp đĩa chóp. ống dẫn sản phẩm đỉnh đĩa chóp ống hồi lưu đỉnh thân tháp ống nạp liệu ống chảy chuyền lưới đỡ ống ống hồi lưu đáy ống dẫn sản phẩm đáy Hình 8: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng cất SVTH:mai xu©n ®«ng Trang 20