Đề tài Bảo dưỡng thiết bị hóa dầu

: - Gia nhiệt; 361 - Làm mát (bao gồm cả trong công nghệ siêu lạnh); - Tận dụng nhiệt thải; - Quá trình bay hơi và ngƣng tụ. Khoảng hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt kết hợp tấm bản và ống chùm rất rộng và trong điều kiện công nghệ tƣơng đối khắc nghiệt. Thiết bị này có thể hoạt động trong điều kiện nhiệt độ đến 9000C và ở áp suất tới 100Kg/cm2. 27. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bo mạch in hoạt động trên nguyên lý trao đổi nhiệt gián tiếp giữa hai lƣu thể chuyển động trong các ống dẫn nhỏ. Thiết bị này đƣợc cấu tạo từ các bản hợp kim phẳng với đƣờng đi của các dòng lƣu thể đƣợc khắc bằng máy quang hóa trên các tấm kim loại này. Quá trình chế tạo này tƣơng tự nhƣ công nghệ chế tạo bo mạch điện tử. Từ các tấm kim loại đƣợc khắc này sẽ hình thành nên các đƣờng đi của các lƣu thể trao đổi nhiệt. 28. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bo mạch in thể hiện đƣợc những ƣu điểm khi sử dụng ở điều kiện nhiệt độ, áp suất và môi trƣờng ăn mòn cao nơi mà không cho phép sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt tấm bản truyền thống khác. Nhờ thiết kế và kết cấu đặc biệt mà thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bo mạch in đƣợc ứng dụng rất đa dạng: có thể dùng cho nhiều dạng lƣu thể khác nhau từ pha lỏng đến pha khí hoặc hỗn hợp hai pha, cấu hình bố trí dòng chảy từ một ngăn cho đến nhiều ngăn, chiều dòng chảy các lƣu thể từ kiểu ngƣợc chiều cho đến cùng chiều, chéo dòng hoặc phối hợp các kiểu dòng chảy này với nhau. Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bo mạch in đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp. Trong ngành công nghiệp chế biến dầu khí, thiết bị này đƣợc sử dụng làm thiết bị trao đổi nhiệt kiểu nguyên liệu/dòng sản phẩm nóng (để tận dụng nhiệt), các quá tổng hợp nhiên liệu, quá trình khử nƣớc, các quá trình thu hồi hơi nhiên liệu và làm mát các máy nén chế trong công nghệ chế biến khí. Thiết bị có thể làm việc ở điều kiện áp suất tiêu chuẩn là 200Kg/cm2 và hoàn toàn có thể hoạt động trong khoảng áp suất từ 300÷500Kg/cm2. Thiết bị này cũng có thể hoạt động trong dải nhiệt độ rất rộng, từ chế độ nhiệt siêu lạnh (-2000C) cho đến +9000C. 29. Các nguyên tắc cơ bản tiết kiệm năng lƣợng tiêu thụ trong nhà máy lọc hóa dầu bao gồm: Cải thiện chế độ hoạt động của máy móc thiết bị Chế độ hoạt động của máy móc, thiết bị ảnh hƣởng đến năng lƣợng tiêu thụ của toàn bộ nhà máy. Để giảm năng lƣợng tiêu thụ, một số nguyên tắc chính đƣợc xem xét, áp dụng: - Giảm tỷ lệ dòng hồi lƣu trong các tháp chƣng cất; 362 - Giảm lƣợng hơi sục; - Giảm áp suất vận hành thiết bị; - Giảm tỷ lệ H2/hydrocacbon; - Điều chỉnh chế độ hoạt động của các tua bin, máy nén; - Điều chỉnh tỷ lệ hỗn hợp khí đốt phù hợp; Cải thiện thiết bị và xúc tác Kết cấu của thiết bị, xúc tác có ảnh hƣởng tƣơng đối nhiều tới năng lƣợng tiêu thụ, vì vậy, để tiết kiệm năng lƣợng thì cần phải cải thiện thiết bị và xúc tác sử dụng. Các biện pháp chính là: - Thay đổi xúc tác để hiệu suất quá trình cao hơn, tiêu hao năng lƣợng phụ trợ thấp hơn; - Thay các hệ thống bơm, hệ thống chân không; - Thay đổi cách bố trí hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt để tận dụng nhiệt một cách hiệu quả hơn; - Cải thiện lớp cách nhiệt, bảo ôn để giảm nhiệt mất mát. 30. Tận nhiệt từ các dòng công nghệ có nhiệt độ cao mang lại các lợi ích cơ bản: Giảm đƣợc năng lƣợng tiêu thụ cho quá trình gia nhiệt (cho nguyên liệu, dòng công nghệ khác) và năng lƣợng cho làm mát dòng công nghệ có nhiệt độ cao này. Việc giảm tiêu hao năng lƣợng không chỉ giảm đƣợc chi phí vận hành mà còn có ý nghĩa bảo vệ môi trƣờng to lớn do giảm đƣợc lƣợng khí thải vào môi trƣờng. 31. Đặc điểm của dòng khí có nhiệt độ cao và chứa cấu tử có nhiệt trị cao là ngoài nhiệt năng còn chứa nguồn năng lƣợng có thể cung cấp nếu đốt cháy hỗn hợp này. Cấu tử chứa trong hỗn hợp này thƣòng là các chất độc hại đối với con ngƣời và môi trƣờng (CO, hydrocacbon,..) Chính vì vậy, tận dụng đƣợc nguồn năng lƣợng này không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trƣờng. Để tận dụng nguồn năng lƣợng này, ngƣời ta thƣờng dùng các tua bin tận dụng nhiệt kết hợp với việc đốt hỗn hợp để thu nguồn nhiệt từ các cấu tử trong dòng thải. Nhờ quá trình này mà các chất độc hại đƣợc xử lý, nhiệt độ dòng thải giảm xuống. 32. Việc tận dụng nhiệt độ của dòng khí thải lò đốt có nhiệt độ cao có ý nghĩa tƣơng tự nhƣ tận dụng dòng công nghệ có nhiệt độ cao là giảm chi phí vận hành và góp phần bảo vệ môi trƣờng. Ngoài ra, việc tận dụng nguồn nhiệt này tránh việc thải một nguồn nhiệt cao vào môi trƣờng gây ra các ảnh hƣởng tiêu cực. 363 33. Có nhiều tiêu chí để lựa chọn dạng thiết bị trao đổi nhiệt, tuy nhiên về cơ bản các tiêu chí chính đƣợc xem xét bao gồm: - Yêu cầu về nhiệt và thủy lực; - Tính tƣơng thích của vật liệu chế tạo; - Độ tin cậy vận hành; - Vấn đề bảo dƣỡng; - Đáp ứng những quy định về an toàn, sức khỏe và môi trƣờng; - Giá thành thiết bị. Bất kỳ một thiết bị trao đổi nhiệt nào đƣợc lựa chọn phải có khả truyền đƣợc lƣợng nhiệt với công suất xác định với khoảng nhiệt độ vào/ra của các lƣu thể tham gia trao đổi nhiệt dao động trong một giới hạn cho phép, đồng thời tổn thất áp suất trong thiết bị trong giới hạn cho phép đƣợc xác định bởi điều kiện công nghệ hay yếu tố kinh tế. Thiết bị đƣợc lựa chọn phải có khả năng chịu đƣợc ứng suất sinh ra do chênh lệch áp suất và nhiệt độ giữa các lƣu thể và giữa các vùng khác nhau. Vật liệu lựa chọn chế tạo thiết bị phải chịu đƣợc tính ăn mòn. Thiết bị trao đổi nhiệt đƣợc lựa chọn phải đáp ứng đƣợc đầy đủ yêu cầu của các tiêu chuẩn an toàn. Các tiêu chí cơ bản để lựa chọn sơ bộ kiểu, dạng thiết bị trao đổi nhiệt mà ngƣời thiết kế cần phải xem xét bao gồm: giới hạn nhiệt độ, áp suất hoạt động của các dạng thiết bị trao đổi nhiệt, tốc độ chảy của các lƣu thể, giới hạn lƣu thể sử dụng và dải bề mặt trao đổi nhiệt của các thiết bị này thƣờng sẵn có trên thị trƣờng của các nhà chế tạo và cung cấp thiết bị. Tuy nhiên, cũng cần lƣu ý rằng bề mặt trao đổi nhiệt không phải là điều kiện tiên quyết cho việc lựa chọn vì có thể bố trí các thiết bị hoạt động song song nhau để đáp ứng yêu cầu về bề mặt trao đổi nhiệt. Tóm tắt các tiêu chí chính để lựa chọn sơ bộ dạng thiết bị trao đổi nhiệt trình bày nhƣ bảng 2.1 của giáo trình này. BÀI 3 1. Hệ thống khí nén có vai trò quan trọng trong hoạt động của của nhà máy chế biến dầu khí. Khí nén cung cấp cho hệ thống điều khiển tự động nhà máy (chủ yếu là các van điều khiển bằng khí nén), động lực cho một số dụng cụ sửa chữa. Các cụm khí nén cục bộ còn cung cấp dòng công nghệ quan trọng cho một số quá trình (đốt coke,...). 2. Sơ đồ công nghệ trình bày nhƣ hình vẽ H-3.1. Theo sơ đồ này, không khí đƣợc các máy nén nén tới áp suất thích hợp (thông thƣờng từ 7-11Kg/cm2), đƣợc làm mát rồi đƣa tới bình chứa khí ƣớt. Một phần hơi nƣớc trong không khí đƣợc ngƣng tụ và tách ra. Lƣợng hơi nƣớc trong không khí nén yêu cầu rất 364 thấp, vì vậy, cần phải tiếp tục tách hơi ẩm ra khỏi khí nén cho tới khi đạt yêu cầu về độ ẩm cho phép. Không khí đƣợc đƣa tới bình sấy khô, tại đây hơi nƣớc tiếp tục đƣợc tách ra khỏi không khí nén tới giới hạn yêu cầu. Các hạt rắn lẫn trong không khí cũng đƣợc tách ra ở đây trong thiết bị sấy. Không khí sau khi ra khỏi thiết bị sấy khô đƣợc đƣa tới bình chứa khí nén. Bình chứa khí nén có chức năng bình ổn áp suất cung cấp cho các hộ tiêu thụ và là nguồn dự trữ khí nén trong trƣờng hợp các máy nén gặp sự cố hoặc hệ thống phải ngừng hoạt đồng hoàn toàn do mất điện. 3. Hệ thống khí nén trong nhà máy chế biến dầu khí thƣờng sử dụng hai loại máy nén là: máy nén ly tâm và máy nén kiểu trục vít. Thông thƣờng máy nén kiểu trục vít đƣợc sử dụng cho hệ thống khí nén nếu công suất yêu cầu nằm trong dải công suất các máy nén trục vít thông dụng của các nhà sản xuất. So với các máy nén khác nhƣ máy nén pít-tông và máy nén ly tâm máy nén trục vít có nhiều ƣu điểm: So với máy nén kiểu pít-tông: - Không có bộ phận chịu tác dụng của ứng suất mỏi do phải hoạt động liên tục (xéc măng pít-tông, van), do vậy ít phải bảo dƣỡng. - Không có bộ phận giao động lệch tâm, vì vậy máy ít rung động hơn nhờ đó chi phí cho nền móng cũng ít hơn. - Khả năng phục vụ cao đạt tới 99%. So với máy nén kiểu ly tâm: - Khí nén có thể chứa bụi (cho phép tới 300 mg/m3) hoặc giọt lỏng (điều mà máy nén khác dƣờng nhƣ không cho phép); - Vận tốc đầu ra thấp vì vậy cho phép đƣa chất lỏng vào dòng với mục đích làm mát hoặc rửa sạch; - Lƣu lƣợng thể tích cửa hút máy dƣờng nhƣ không đổi khi tỷ số nén thay đổi do vậy không gây ra hiện tƣợng sung; - Có đáp ứng rất tốt giữa mức tải và năng suất tiêu thụ: 50% lƣu lƣợng tƣơng ứng 50% vận tốc và tiêu thụ năng lƣợng bằng 50%; - Hoạt động ở dƣới vận tốc độ cộng hƣởng thứ nhất của trục quay, vì vậy, không gây ra hiện tƣợng rung động nguy hiểm khi máy vƣợt qua vận tốc cộng hƣởng này. Tuy nhiên, máy nén trục vít có nhƣợc điểm là giá thành chế tạo thƣờng cao hơn so các loại máy nén ly tâm, pít-tông và dải công suất của máy nén trục vít thƣờng thấp hơn so máy nén ly tâm. 365 4. Hệ thống khí nén thông dụng trong nhà máy lọc hóa dầu bao gồm các bộ phận chính sau: - Các máy nén khí; - Bình chứa nén ƣớt; - Bình sấy; - Bình chứa khí nén khô; - Hệ thống phân phối. Máy nén khí Để việc cung cấp khí nén đƣợc liên tục với độ tin cậy cao, trong thực tế, số máy nén thƣờng đƣợc bố trí là ba (3) với công suất mỗi máy đáp ứng 100% công suất khí nén theo thiết kế, các máy nén hoạt động theo nguyên tắc: 1 máy hoạt động, một máy dự phòng và một máy đang trong giai đoạn bảo dƣỡng. Bình chứa khí nén ướt Bình chứa khí ƣớt có chức năng chứa khí nén đã đƣợc làm mát từ máy nén khí đƣa tới. Thông thƣờng, hai bình chứa khí nén ƣớt mỗi bình có sức chứa bằng 100% công suất của hệ thống. Hai bình chứa này hoạt động theo nguyên tắc một bình hoạt động một bình ở trạng thái nghỉ. Thiết kế theo nguyên tắc này đảm bảo thƣờng xuyên bảo dƣỡng/sửa chữa đƣợc bình chứa cũng nhƣ đảm bảo công tác thanh tra định kỳ bắt buộc mà không ảnh hƣởng đến hoạt động liên tục của hệ thống. Bình sấy Quá trình sấy khí nén để tách hơi nƣớc hoạt động theo nguyên lý sấy lạnh. Không khí nén sẽ đƣợc làm lạnh tới nhiệt độ nhất định (tùy thuộc vào yêu cầu tách ẩm ra khỏi khí nén). Mục đích tách hơi nƣớc ra khỏi khí nén là tránh hiện tƣợng ngƣng tụ hơi nƣớc trên đƣờng ống gây ăn mòn đƣờng ống. Vì vậy, một trong những chỉ tiêu quan trọng của khí nén điều khiển là nhiệt độ điểm sƣơng (Dew point), nhiệt độ này tùy thuộc vào điều kiện khí hậu nơi đặt nhà máy. Với các vùng ôn đới nhiệt độ điểm sƣơng của khí nén yêu cầu tới-400C, với vùng xích đạo và nhiệt đới, nhiệt độ điểm sƣơng có thể đƣợc quy định cao hơn (trong khoảng- 150C-+50C). Về nguyên tắc, nhiệt độ điểm sƣơng của khí nén càng thấp thì càng tốt, tuy nhiên, chi phí đầu tƣ cho thiết bị sấy và chí phí vận hành càng cao. Để tách nƣớc đƣợc hiệu quả, trƣớc mỗi bình sấy ngƣời ta lắp đặt một bộ lọc tách dầu kéo theo nhằm tránh hiện tƣợng tạo nhũ tƣơng trong bộ phận bẫy nƣớc. Sau mỗi bình sây, một thiết bị lọc hạt rắn đƣợc lắp đặt để tách các hạt rắn và các cặn bẩn dạng rắn kéo theo khác. Các hạt rắn có kích thƣớc lớn hơn 3 366 μm sẽ bị loại ra khỏi khí nén. Tổng lƣợng các chất rắn trong khí nén sau khi ra khỏi bình sấy không đƣợc phép vƣợt quá 0.1 g/m3. Thông thƣờng trong một hệ thống sản xuất khí nén trong nhà máy lọc hóa dầu có hai bình sấy mỗi bình đƣợc thiết kế 100% công suất. Bình chứa khí nén khô Bình chứa khí khô có nhiệm vụ bình ổn áp suất cung cấp cho các hộ tiêu thụ và dự trữ khí nén điều khiển trong trƣờng hợp khẩn cấp. Tùy theo quan điểm về đảm bảo an toàn hoạt động mà thể tích bình chứa khí nén đƣợc xác định với công suất chứa đảm bảo duy trì hoạt động các thiết bị trong vòng 10 tới 20 phút. Thông thƣờng trong hệ thống khí nén có hai bình chứa, mỗi bình chứa có dung tích đảm bảo 100% công suất ở điều kiện hoạt động bình thƣờng. Hệ thống phân phối Khí nén từ bình chứa khí nén khô sẽ đƣợc phân phối tới các hộ tiêu thụ qua mạng lƣới đƣờng ống trong hàng rào Nhà máy. Khí nén có hai mục đích sử dụng: cho dụng thiết bị điều khiển và khí nén công nghệ. Trong hai mục đích sử dụng này, khí nén điều khiển sẽ đƣợc ƣu tiên hơn so khí nén công nghệ . Trong trƣờng hợp tổng nhu cầu các loại khí nén trong nhà máy tại một thời điểm nào đó vƣợt quá khả năng đáp ứng của hệ thống khí nén thì hệ thống điều khiển sẽ tự động đóng van cấp khí cho mạng lƣới khí công nghệ. Hệ thống đƣờng ống phân phối khí nén trong toàn nhà máy đƣợc thiết kế sao cho tổn thất áp suất tới vị trí xa nhất của hệ thống không vƣợt quá 10% áp suất đầu đẩy của máy nén. 5. Các yêu cầu cơ bản của khí nén điều khiển bao gồm: - Nhiệt độ điểm sƣơng; - Lƣợng các hạt rắn; - Áp suất cấp; - Nhiệt độ khí nén. 6. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của van nhƣ trong hình H-3.7. Nguyên lý hoạt động của van điều khiển khí nén rất đơn giản: Khí nén đƣa vào một bên của màng áp suất tạo ra áp lực, tùy theo cân bằng giữa áp lực của khí nén và lực căng của lò so trong van mà trục van sẽ chuyển động tịnh tiến theo hƣớng đóng hay mở van thực hiện quá trình điều khiển. Mỗi một áp suất khí nén cấp vào van sẽ tƣơng ứng với một vị trí của cuống van và nhờ đó điều tiết đƣợc dòng chảy theo ý muốn. 7. Trong nhà máy chế biến dầu khí, ngoài nhu cầu khí nén cho hệ thống điều khiển, nhiều quá trình công nghệ khác cần khí nén với công suất lớn và không 367 yêu cầu chất lƣợng khí nén cao, vì vậy cần phải tách một số hệ thống khí nén có yêu cầu riêng thành hệ thống cục bộ. Việc tách riêng các hệ thống khí nén cho phép giảm đƣợc vốn dầu tƣ và chi phí vận hành. 8. Sơ đồ công nghệ hệ thống cấp khí nén cục bộ trong phân xƣởng cracking xúc tác cặn tầng sôi cần trình bày nhƣ trong hình H-3.9 của giáo trình. Khí nén đƣợc nén tới áp suất thích hợp rồi đƣa qua thiết bị gia nhiệt trƣớc khi đƣa vào buồng đốt tái sinh xúc tác. Các máy nén thƣờng sử dụng là máy nén hƣớng trục với yêu cầu áp suất không cao lắm. Máy nén khí đƣợc dẫn động bằng tua bin hơi . 9. Cấu tạo máy nén khí hƣớng trục đƣợc mô tả trong hình H-3.11 và H-3.12A. Máy nén hƣớng trục gồm các bộ phận chính: - Phần Rô-to; - Phần Stato; - Vỏ máy và các chi tiết phụ. Máy nén kiểu hƣớng trục là máy nén nhiều cấp. Để cải thiện chế độ hoạt động của máy nén, giai đoạn nén cuối ngƣời ta lắp thêm một vành nén ly tâm để tăng áp suất đầu nén. Giai đoạn nén hƣớng trục khí nén tăng áp nhờ hệ thống cánh nén tĩnh lắp trên Stato và cánh nén động lắp trên Rô-to. Độ nghiêng của cánh nén tĩnh có thể điều chỉnh đƣợc nhờ tang trống lắp cánh nén tĩnh của Stato. 10. Máy nén hƣớng trục bình thƣờng không có vành nén ly tâm nên áp suất đầu cửa nén thấp hay xảy ra hiện tƣỡng nghẽn cửa nén ảnh hƣớng đến hoạt động chung của hệ thống. Để khắc phục hiện tƣợng này, giai đoạn nén cuối ngƣời ta lắp thêm một vành nén ly tâm để tăng áp suất đầu ra của khí nén. 11. Khí ni-tơ có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo vận hành an toàn nhà máy chế biến dầu khí. Ni-tơ đƣợc sử dụng với tƣ cách là một khí trơ để cách ly các môi trƣờng mà khi tiếp xúc với nhau sẽ gây ra nguy cơ cháy nổ. Ni-tơ còn có tách dụng bảo vệ các chất dễ bị ô-xy hoá bằng cách tạo ra một môi trƣờng ngăn cách (trong các bể chứa nhiên liệu và các sản phẩm trung gian dễ bị ô-xy hoá). Ngoài ra ni-tơ còn đƣợc sử dụng để đuổi không khí ra khỏi thiết bị trong giai đoạn chuẩn bị chạy thử và trong quá trình bảo dƣỡng máy móc, thiết bị. 12. Hiện nay có ba phƣơng pháp chính để sản xuất khí ni-tơ đi từ không khí: - Phƣơng pháp hoá lỏng không khí rồi chƣng luyện truyền thống; - Phƣơng pháp hấp phụ phân tử (Pressure Swing Adsorption-PSA) - Phƣơng pháp màng lọc phân tử (hấp phụ phân tử) kết hợp kỹ thuật siêu lạnh (molecular sieve adsorption and Cryogenic air separation). 368 Phƣơng pháp nén khí hoá lỏng rồi chƣng luyện có ƣu điểm là công suất hệ thống lớn, cho phép sản xuất đƣợc ni-tơ có chất lƣợng cao. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là đầu tƣ thiết bị lớn, áp suất hệ thống cao vì vậy việc đảm bảo an toàn thiết bị yêu cầu rất cao. Phƣơng pháp hấp phụ phân tử (Pressure Swing Adsorption-PSA): Hệ thống đơn giản, hoạt động ở áp suất thấp, tuy nhiên, hệ thống này chỉ sản xuất đƣợc ni-tơ ở trạng thái khí, vì vậy không phù hợp nhu cầu đa dạng trong các nhà máy chế biến dầu khí (đặc biệt là nhà máy lọc dầu). Phƣơng pháp màng lọc phân tử kết hợp kỹ thuật siêu lạnh (molecular sieve adsorption and Cryogenic air separation): Phƣơng pháp này có ƣu điểm là cho phép sản xuất đƣợc cả ni-tơ ở cả dạng khí và dạng lỏng phù hợp nhu cầu sử dụng trong nhà máy chế biến dầu khí. Tuy nhiên, công nghệ sản xuất tƣơng đối phức tạp. 13. Sơ đồ công nghệ quá trình sản xuất ni-tơ bằng phƣơng pháp màng lọc phân tử và kỹ thuật siêu lạnh cần đƣợc trình bày nhƣ trong hình H-3.19 của giáo trình này. Quá trình sản xuất ni-tơ bằng phƣơng pháp này đƣợc mô tả nhƣ sau: Không khí đƣợc nén tới áp suất thích hợp sau đó đƣợc làm mát nhờ hệ thống làm mát của máy nén. Không khí nén sau khi làm mát tiếp tục đƣợc làm lạnh xuống khoảng 200C rồi đƣa tới tháp hấp thụ phân tử. Tại đây, khí cacbonic và hơi ẩm đƣợc tách ra nhờ các lớp đệm hấp phụ phân tử chọn lọc. Các tháp hấp phụ này làm việc theo nguyên tắc gián đoạn, một hoạt động và một ở trạng thái tái sinh. Sau đó, không khí sạch tiếp tục đƣợc đƣa đến tới thiết bị trao đổi nhiệt với dòng sản phẩm lạnh đi ra từ tháp siêu lạnh. Khí nén sau khi ra khỏi các thiết bị trao đổi nhiệt này ở trạng thái gần ngƣng tụ. Không khí có nhiệt độ thấp đƣợc đƣa vào tháp siêu lạnh. Ở đây, ni-tơ và ô-xy đƣợc phân tách ra riêng biệt do có nhiệt độ ngƣng tụ khác nhau. Khí ô-xy lỏng đƣợc tách ra ở đáy tháp, khí ni-tơ ngƣng tụ một phần ở đỉnh tháp và cho hồi lƣu lại tháp siêu lạnh. Phần khí ni-tơ không ngƣng tụ đƣợc đƣa tới hệ thống phân phối, một phần khí ni-tơ ngƣng tụ đƣợc đƣa tới bể chứa ni-tơ lỏng. 14. Hệ thống cung cấp ni-tơ bao gồm các bộ phận chính sau: - Bộ phận sản xuất khí ni-tơ tinh khiết; - Bộ phận tàng trữ; - Bộ phận phân phối. Bộ phận sản xuất Ni-tơ bao gồm các thiết bị chính: Máy nén khí với hệ thống làm mát, tháp hấp phụ phân tử, thiết bị trao đổi nhiệt và tháp siêu lạnh. 369 Bộ phận này có chức năng sản xuất ra Ni-tơ ở hai dạng lỏng và khí đảm bảo đúng chất lƣợng yêu cầu (thành phần, áp suất,...) Bộ phận tàng trữ và bay hơi: Bộ phận này bao gồm bình chứa và thiết bị bay hơi. Bộ phận này có nhiệm vụ tàng trữ nguồn Ni-tơ lỏng dự phòng và cung cấp Ni-tơ cho hệ thống phân phối trong trƣờng hợp nhu cầu sử dụng ni-tơ tăng lên đột ngột so với lƣợng Ni-tơ dạng khí của hệ thống cung cấp. Hệ thống phân phối: Hệ thống này có chức năng đƣa khí Ni-tơ tới các hộ tiêu thụ trong nhà máy đúng áp suất yêu cầu. Đảm bảo an toàn cung cấp cho các hộ tiêu thụ đặc biệt. 15. Các hộ tiêu thụ Ni-tơ chính trong nhà máy chế biến dầu khí: Khí Ni-tơ đƣợc tiêu thu chủ yếu cho các mục đích cách ly môi trƣờng nhƣ trong phân xƣởng tái sinh xúc tác, các khu bể chứa sản phẩm trung gian và sản phẩm cuối cùng dễ bị Ô-xy hoá. Trong giai đoạn chạy thử nhà máy một lƣợng lớn Ni-tơ đƣợc sử dụng với mục đích đuổi khí ra khỏi thiết bị. Chất lƣợng Ni-tơ phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu dƣới đây: Thành phần Đơn vị đo Số lƣợng Nitrogen (% vol min) 99.7 Carbon Monoxide (CO) ppm vol max 20 Ô-xy - 10 Carbonic (CO2) - 20 Chlorine - 1 Hydrocarbons - 5 Nƣớc - 5 Hydrogen - 20 Khí trơ khác ppm phần còn lại BÀI 4 1. Mục đích quá trình làm sạch các sản phẩm trung trung gian và sản phẩm cuối cùng trong công nghiệp chế biến dầu khí là để loại các chất gây độc hại đối với sức khoẻ con ngƣời và môi trƣờng ra khỏi các sản phẩm dầu khí. Ngoài ra, quá trình làm sạch còn là bƣớc chuẩn bị nguyên liệu cho một số quá trình công nghệ mà sự có mặt của một số tạp chất sẽ ảnh hƣởng đến hiệu suất, chất lƣợng sản phẩm quá trình và tuổi thọ của xúc tác, thiết bị. Với một số quá trình, sự có mặt của một số tạp chất (hợp chất chứa lƣu huỳnh, Ni-tơ, kim loại 370 nặng,...) sẽ làm ngộ độc xúc tác, vì vậy nguyên liệu trƣớc khi đƣa vào các lò phản ứng phải đƣợc xử lý để loại bỏ tạp chất này. Các tạp chất chính tồn tại trong các sản phẩm dầu mỏ cần phải đƣợc loại bỏ là các hợp chất chứa lƣu huỳnh, hợp chất chứa Ni-tơ, các kim loại nặng, các chất độc hại nhƣ Benzen, Phenol,... 2. Có nhiều giải pháp làm sạch sản phẩm dầu mỏ, tuy nhiên các công nghệ chính sử dụng hiện nay để làm sạch sản phẩm dầu mỏ là; - Phƣơng pháp xử lý bằng hydro; - Phƣơng pháp ngọt hoá. Phƣơng pháp ngọt hoá bao gồm công nghệ xử lý dùng kiềm và không dùng kiềm; Phƣơng pháp xử lý bằng hydro là phƣơng pháp xử lý triệt để nhất cho phép loại bỏ đƣợc hầu hết các tạp chât chứa trong hydrocacbon. Sản phẩm xử lý theo phƣơng pháp này cho phép giảm đƣợc tổng lƣợng lƣu huỳnh và các hợp chất olefins. Tuy nhiên, phƣơng pháp này có nhƣợc điểm là đầu tƣ thiết bị tƣơng đối cao, vận hành phức tạp, quá trình hoạt động liên quan đến nhiều phân xƣởng hệ thống trong nhà máy. Phƣơng pháp xử lý bằng kiềm có ƣu điểm nổi bật là thiết bị đơn giản, đầu tƣ thấp. Tuy nhiên, công nghệ xử lý này chỉ loại đƣợc tạp chất là hợp chất của lƣu huỳnh và các tạp chất dƣới dạng a-xít mà không loại đƣợc các tạp chất khác. Công nghệ xử lý này cũng không làm thay đổi nhiều tổng lƣợng lƣu huỳnh trong sản phẩm (trừ trƣờng hợp xử lý LPG) mà chỉ thay đổi kiểu liên kết của hợp chất lƣu huỳnh trong sản phẩm. Một yếu điểm của phƣơng pháp này là lƣợng chất thải ra môi trƣờng tƣơng đối lớn. Phƣơng pháp ngọt hoá không sử dụng kiềm có ƣu điểm là thiết bị đơn giản, dễ vận hành, đầu tƣ thấp, lƣợng chất thải vào môi trƣờng không lớn. Tuy nhiên, cũng nhƣ phƣơng pháp ngọt hoá có sử dụng kiềm, phƣơng pháp này cũng chỉ xử lý đƣợc các tạp chất chứa lƣu huỳnh mà không xử lý đƣợc các dạng tạp chất khác. 3. Quá trình xử lý bằng hydro cho phép thu đƣợc sản phẩm có chất lƣợng tốt hơn: sản phẩm sau xử lý sạch hơn, các tạp chất bị xử lý triệt để hơn. Phƣơng pháp này còn cho phép cải thiện đƣợc hiệu suất thu hồi sản phẩm. Sản phẩm đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp này hoàn toàn loại bỏ tạp chất ra khỏi dòng sản phẩm mà không giống phƣơng pháp khác chỉ chuyển hoá dạng tồn tại của tạp chất. Quá trình xử lý hydro còn giúp sản phẩm có độ ổn định ô-xy hoá cao hơn nhờ loại bỏ đƣợc các tạp chất chứa ô-xy và no hoá các liên kết đôi. Tuy nhiên, phƣơng pháp xử lý bằng hydro cũng gây ra một số ảnh hƣởng không tốt tới 371 chất lƣợng sản phẩm, ví dụ nhƣ làm giảm trị số Otane của Naphtha cracking. Quá trình xử lý bằng hydro diễn ra các quá trình làm sạch chính sau: Quá trình khử lưu huỳnh Khử mercaptan: R-SH + H2 → R-H + H2S Khử sulfides: R-S-R‟ + H2 → R-H-R‟ + H2S Khử disulfides: R-S-S-R‟ + 3H2 → R-H + R‟-H + 2H2S Khử Thiophene: Quá trình khử Ni-tơ Khử Pyridine: C5H5N + 5H2 → C5H12 + NH3 Quá trình khử hợp chất ô-xy Khử hợp chất ô-xy (peoxides): C7H13OOH + 3H2 → C7H16 + H2O Khử Phenol: Quá trình no hóa Bão hoà Olefins: R–CH=CH– R‟ + H2  R–CH2=CH2 R ‟ Bão hoà Diolefins: R– CH=CH–CH=CH–R‟ + 2H2 → R–CH2–CH2–CH2–CH2–R‟ Quá trình khử các hợp chất Halogen: RCl + H2  RH + HCl Quá trình cracking hydrocacbon nặng theo phản ứng R–R‟ + H2  R–H + R‟–H 4. Công nghệ xử lý có sử dụng kiềm (NaOH) dựa trên khả năng "trích ly" hợp chất lƣu huỳnh (mercaptans, H2S) từ pha hydrocacbon của dung dịch kiềm và sau đó ô-xy hoá để thu hợp chất disulfides. Công nghệ ngọt hoá bằng dung dịch kiềm là công nghệ truyền thống đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi. Công nghệ ngọt hóa sử dụng kiềm chỉ loại bỏ đƣợc các tạp chất lƣu huỳnh mà không loại bỏ đƣợc các tạp chất khác. Sau khi xử lý, tổng lƣợng lƣu huỳnh ít thay đổi. Quá trình khử tạp chất chính bao gồm ô-xy hóa H2S và Mercaptans theo các phản ứng: 2 H2S + 2 O2 + 2 NaOH Na2S2O3 + 3 H2O 372 4 RSH + O2 2RSSR + 2 H2O 5. Phƣơng pháp ngọt hoá không sử dụng kiềm (Caustic-free Technology) dựa trên quá trình ô-xy hoá mercaptans (thiols) có sự tham gia của xúc tác trong môi trƣờng ammonia. Công nghệ xử lý này cũng nhƣ công nghệ xử lý có sử dụng kiềm chỉ loại bỏ đƣợc tạp chất lƣu huỳnh, không loại bỏ đƣợc các tạp chất khác. Sản phẩm sau khi xử lý không thay đổi tổng lƣợng lƣu huỳnh. Phƣơng pháp xử lý này có một số ƣu điểm: - Môi trƣờng làm việc không có tính ăn mòn, nhiệt độ làm việc gần nhiệt độ môi trƣờng, áp suất làm việc thấp, vì vậy vật liệu chế tạo thiết bị có thể sử dụng thép cacbon cho phép giảm chi phí đầu tƣ; - Vận hành thiết bị dễ dàng, chi phí vận hành thấp; - Hiệu quả xử lý cao; - Giảm đƣợc lƣợng kiềm thải vào môi trƣờng và vấn đề xử lý lƣợng kiềm thải. Quá trình xử lý tạp chất là ô-xy hóa Mercaptans theo phảnứng: 4RSH + O2 2RSSR + 2H2O 6. Tạp chất chính chứa trong khí hóa lỏng là các hợp chất của lƣu huỳnh (H2S, Mercaptans, và Carbonyl Sulfide). Để xử lý các tạp chất này bằng phƣơng pháp ngọt hóa phải sử dụng kiềm. Quá trình loại các tạp chất này diến ra theo các phản ứng sau: H2S + 2NaOH Na2S + 2H20 RSH + NaOH RSNa + H20 COS + 4NaOH Na2S + Na2CO3 + 2H20 Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý LPG cần trình bày nhƣ trong hình H-4.4 của giáo trình này. 7. Các yếu tố chính ảnh hƣởng tới hiệu quả quá trình loại các tạp chất trong LPG bằng kiềm bao gồm: - Nồng độ dung dịch kiềm; - Tốc độ tuần hoàn dung dịch kiềm; - Nhiệt độ thực hiện quá trình; - Áp suất thực hiện quá trình 8. Thiết bị chính của quá trình xử lý LPG bằng kiềm tƣơng đối đơn giản, bao gồm: - Thiết bị tiếp xúc bậc một; - Thiết bị phân chia bậc một; - Thiết bị tiếp xúc bậc hai; 373 - Thiết bị phân chia bậc hai và thiết bị lọc; 9. Phƣơng pháp tăng bề mặt tiếp xúc pha truyền thống là tăng cƣờng sự phân tán của pha này vào pha kia với kích thƣớc hạt phân tán càng nhỏ càng tốt. Chính vì vậy mà phƣơng pháp này có nhiều nhƣợc điểm nếu áp dụng trong quá trình xử lý hydrocacbon bằng kiềm. Cụ thể là: Tăng tạp chất trong sản phẩm do hiện tƣợng kéo theo, tăng kích thƣớc thiết bị phân tách pha hoặc phải đầu tƣ thêm thiết bị lọc (đệm Coaleser) do đó làm tăng đầu tƣ. Thiết bị tiếp xúc dựa trên nguyên tắc mới về tăng bề mặt tiếp xúc pha là dựa trên khả năng thấm ƣớt của chất lỏng trên bề mặt vật rắn nhờ đó tăng đƣợc đáng kể bề mặt tiếp xúc pha tính trên một đơn vị thể tích chất lỏng. Thiết bị tiếp xúc kiểu mới còn dựa trên hiện tƣợng ma sát giữa hai chất lỏng có tốc độ chuyển động khác nhau sẽ làm thay đổi bề mặt phân pha và kéo các lớp chất lỏng cùng chuyển động nhƣng không trộn lẫn vào nhau. 10. Tạp chất chính chứa trong phân đoạn Kerosene là các hợp chất của lƣu huỳnh (H2S, Mercaptans) và a-xít Naphthenic. Quá trình loại các tạp chất này diến ra theo các phản ứng sau: 2 H2S + 2 O2 + 2 NaOH Na2S2O3 + 3 H2O 4 RSH + O2 2RSSR + 2 H2O R-COOH + Na OH RCOONa + H2O Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý Kerosene cần trình bày nhƣ trong hình H-4.7 của giáo trình này. 11. Các yếu tố chính ảnh hƣởng tới hiệu quả quá trình loại các tạp chất trong Kerosene bằng kiềm bao gồm: - Nồng độ dung dịch xút; - Tốc độ tuần hoàn dung dịch kiềm; - Nhiệt độ thực hiện quá trình; - Áp suất thực hiện quá trình. 12. Thiết bị chính của quá trình xử lý Kerosene bằng kiềm tƣơng đối đơn giản, bao gồm: - Cụm thiết bị xử lý a-xít Naphthenic (bao gồm thiết bị tiếp xúc và thiết bị phân tách pha); - Cụm thiết bị ô-xy hoá Mercaptans (bao gồm thiết bị tiếp xúc và thiết bị phân tách pha); - Cụm thiết bị rửa bằng nƣớc (bao gồm thiết bị tiếp xúc và thiết bị phân tách pha); - Thiết bị sấy bằng muối; 374 - Thiết bị lọc bằng đất sét. 13. Tạp chất chính chứa trong phân đoạn Naphtha là các hợp chất của lƣu huỳnh (H2S, Mercaptans) và a-xít Naphthenic. Quá trình loại các tạp chất này diến ra theo các phản ứng sau: 2 H2S + 2 O2 + 2 NaOH Na2S2O3 + 3 H2O 4 RSH + O2 2RSSR + 2 H2O ROH + Na OH Na OR + H2O Sơ đồ công nghệ quá trình xử lý Naphtha cracking cần trình bày nhƣ trong hình H-4.12 của giáo trình này. 14. Các yếu tố chính ảnh hƣởng tới hiệu quả quá trình loại các tạp chất trong Naphtha bằng kiềm bao gồm: - Nồng độ dung dịch kiềm; - Tốc độ tuần hoàn dung dịch kiềm; - Tố độ nạp không khí vào pha hydrocacbon; - Nhiệt độ thực hiện quá trình; - Áp suất thực hiện quá trình. 15. Thiết bị chính của quá trình xử lý Naphtha bằng kiềm tƣơng đối đơn giản, bao gồm: - Thiết bị tiếp xúc; - Thiết bị phân tách pha Thiết bị tiếp xúc đƣợc sử dụng trong quá trình xử lý Naphtha bằng kiềm là thiết bị tiếp xúc kiểu bó sợi–màng do Merichem (Hoa kỳ) phát triển. Thiết bị phân tách pha là thiết bị trích ly kiểu nằm ngang phía bên trong có lắp một một lớp đệm để lọc dung dịch kiềm kéo theo pha hydrocacbon. 16. Mục đích của quá trình rửa Kerosene bằng nƣớc sau khi ra khỏi thiết bị ô- xy hoá trong công nghệ xử lý Kerosene bằng kiềm là để hoà tan các hạt kiềm, Naphthenic còn bám theo pha hydrocacbon. Việc loại bỏ các tạp chất này ngoài việc đảm bảo chất lƣợng sản phẩm còn nâng cao tuổi thọ của các thiết bị công nghệ phía sau. 17. Mục đích của quá trình sấy Kerosene bằng muối là để tách hàm lƣợng nƣớc tự do trong pha hydrocacbon nhờ khả năng hút ẩm mạnh của muối. Trong quá trình xử lý, một lƣợng nƣớc cuốn theo sản phẩm cần phải đƣợc loại bỏ để đáp ứng tiêu chuẩn chất lƣợng sản phẩm về hàm lƣợng nƣớc tự do (đặc biệt khi Kerosene đƣợc sử dụng là nhiên liệu phản lực). Nguyên lý hoạt động: Nhƣ đã trình bày, nguyên lý hoạt động của quá trình này là dựa trên ái lực hút ẩm của muối cao hơn so pha hydrocacbon, do vậy khi 375 dòng hydrocacbon đi qua đệm muối thì hơi ẩm chứa trong pha hydrocacbon sẽ bám vào các hạt muối. Hơi ẩm trên mặt hạt muối sẽ hình thành nƣớc và hoà tan các muối thành dung dịch chảy xuống đáy thiết bị sấy và đƣợc tháo ra định kỳ. 18. Mục đích của quá trình lọc Kerosene bằng đất sét là để loại bỏ các tạp chất cơ học, các chất tạo bọt, hơi ẩm, các chất hoạt động bề mặt và các các hợp chất hữu cơ với kim loại nặng làm ảnh hƣởng tới các chỉ tiêu chất lƣợng sản phẩm. Thiết bị lọc bằng đất sét là cửa gác cuối cùng để đảm bảo chất lƣợng sản phẩm và hiệu chỉnh, bù đắp những sai sót của các quá trình xử lý phía trƣớc. Nguyên lý quá trình: Thiết bị lọc bằng đất sét hoạt động theo nguyên lý vừa là quá trình lọc bề sâu và là dạng thiết bị hấp phụ. 19. Mục đích của các lớp đệm cacbon lắp đặt trong thiết bị phân tách pha của thiết bị xử lý Naphtha, LPG bằng kiềm là để loại bỏ các hạt dung dịch kiềm kéo theo pha hydrocacbon trong quá trình tiếp xúc. Dung dịch kiềm đƣợc chảy xuống pha dung dịch kiềm ở phía đáy thiết bị phân tách pha. Nhƣ đã biết, mặc dù thiết bị tiếp xúc hoạt động theo nguyên tắc tạo bề mặt tiếp xúc pha đặc biệt, do đó hạn chế tối đa sự phân tán của hai pha vào nhau. Tuy nhiên, trong thực tế khi tốc độ dòng chảy của các pha lớn thì vẫn xảy ra hiện tƣợng cuốn theo. Để giảm kích thƣớc của thiết bị phân tách pha và đảm bảo yêu cầu về chất lƣợng sản phẩm, ngƣời ta lắp đặt một lớp đệm cacbon bên trong thiết bị phân tách pha để thực hiện nhiệm vụ này. 20. Nhƣ đã biết trong công nghệ xử lý Naphtha không sử dụng kiềm (NaOH), quá trình ô –xy hoá Mercaptans chứa trong pha hydrocacbon đƣợc thực hiện trong môi trƣờng kiềm yếu (ammonia) mà không cần môi trƣờng kiềm mạnh (NaOH). Sở dĩ quá trình ô-xy hoá có thể thực hiện đƣợc trong môi trƣờng kiềm yếu (không tham gia trực tiếp phản ứng) là vì thiết bị phản ứng của công nghệ này sử dụng loại xúc tác có hoạt tính rất cao (Công nghệ UOP sử dụng xúc tác Merox N0 21) nhờ vậy quá trình ô-xy hoá Mercaptans diễn ra mà không cần có mặt của NaOH. BÀI 5 1. Các phân đoạn chƣng cất chính của dầu thô và nhiệt độ điểm cắt các phân đoạn này đƣợc trình bày trong bảng dƣới dây. Tuy nhiên, cần lƣu ý nhiệt độ điểm cắt này chỉ là mang tính chất tham khảo, trong thực tế khoảng cắt này có thể thay đổi trong giới hạn nhất định tùy thuộc loại dầu. 376 TT Phân đoạn Khoảng nhiệt độ (0C) 1 Bu tan và các cấu tử nhẹ hơn (C4 -) < 35 2 Naphtha nhẹ C5 + - 80 3 Naphtha nặng 80÷170 4 Kerosene 170÷230 5 Diesel (Gas Oil) 230÷370 6 Cặn chƣng cất > 370 2. Khái niệm điểm cắt, nhiệt độ điểm sôi đầu, nhiệt độ điểm sôi cuối trong chƣng cất dầu thô và các sản phẩm dầu mỏ đƣợc định nghĩa nhƣ sau: Các nhiệt độ mà tại đó các sản phẩm chƣng cất đƣợc phân chia ra thành các phân đoạn khác nhau gọi là các điểm cắt. Với mỗi phân đoạn (hay còn gọi là khoảng cắt), giá trị nhiệt độ mà tại đó sản phẩm (phân đoạn) bắt đầu sôi gọi là điểm sôi đầu (Initial Boiling Point-IBP). Nhiệt độ mà tại đó toàn bộ (100%) sản phẩm bay hơi gọi là điểm sôi cuối (End Point-EP). 3. Một số nguyên tắc cơ bản cần đƣợc lƣu ý trong thiết kế và vận hành thiết bị chƣng cất dầu thô bao gồm: - Áp suất ảnh hƣởng tới nhiệt độ sôi của các cấu tử, áp suất càng cao nhiệt độ sôi của các cấu tử càng cao. - Trong cùng điều kiện công nghệ nhƣ nhau nếu áp suất tháp tăng lên thì các sản phẩm của quá trình chƣng cất sẽ nhẹ hơn. - Nếu nhiệt độ nguyên liệu vào quá thấp thì lƣợng cấu tử bay hơi ở đĩa tiếp liệu sẽ thấp và phần không bay hơi sẽ chảy xuồng phân chƣng của tháp. - Nếu nhiệt độ đáy tháp quá thấp, sản phẩm đáy sẽ nhẹ và nhiều hơn. - Nếu nhiệt độ đỉnh tháp quá cao thì sản phẩm đỉnh sẽ càng nặng hơn và do vậy lƣợng sản phẩm càng nhiều. - Nhiệt độ để dầu nặng bay hơi cao hơn so với dầu nhẹ. - Hơi do hệ thống gia nhiệt đáy đóng vai trò quan trọng trong việc sục các cấu tử nhẹ chứa trong pha lỏng ở các đĩa chƣng cất. Giảm nhiệt độ gia nhiệt đáy sẽ làm giảm lƣợng hơi trong tháp và giảm nhiệt độ của tháp. - Tăng công suất thiết bị gia nhiệt đáy sẽ làm tăng lƣu lƣợng hơi trong tháp và tăng nhiệt độ ở các đĩa chƣng cất. Kết quả là các cấu tử trên các đĩa sẽ nặng hơn. 377 - Tăng lƣợng hồi lƣu sẽ làm tăng lƣợng chất lỏng trong các đĩa. Kết quả là nhiệt độ đỉnh tháp sẽ giảm đi, sản phẩm đỉnh sẽ nhẹ hơn. Tuy nhiên, ảnh hƣởng của dòng hồi lƣu chậm hơn. 4. Tháp chƣng cất nói chung và tháp chƣng cất trong công nghiệp chế biến dầu khí nói chung đƣợc chia thành hai loại chính là tháp đĩa và tháp đệm. Mỗi loại tháp này có những ƣu, nhƣợc điểm nhất định. Ƣu nhƣợc điểm của các loại tháp đƣợc tóm tắt nhƣ sau: - Các thông số của đệm phải dựa trên thử nghiệm thực tế với mỗi kiểu đệm cụ thể. Hiệu suất chƣng cất không chỉ phụ thuộc vào hình dạng kích thƣớc của đệm mà còn phụ thuộc vào một loạt các yếu tố khác nhƣ tốc độ dòng chất lỏng, tính chất của nguyên liệu, đƣờng kính tháp, áp suất làm việc và mức độ phân tán của chất lỏng trên bề mặt đệm. - Thiết kế sử dụng tháp đĩa đƣợc coi là tin cậy hơn và sử dụng hệ số an toàn thấp hơn khi mà tỷ lệ tốc độ chuyển khối pha lỏng vào pha hơi là thấp. - Tháp đĩa có thể thể đƣợc thiết kế hoạt động trong một khoảng rộng tốc độ dòng lỏng trong tháp mà không xảy ra hiện tƣợng sặc tháp. - Tổng khối lƣợng khô của tháp chƣng dạng đĩa thấp hơn so tháp chƣng dạng đệm đƣợc thiết kế ở cùng công suất chế biến. Tuy nhiên, tổng trọng lƣợng tháp ƣớt (kể cả chất lỏng chứa trong tháp) của hai dạng tháp là tƣơng tự nhau. - Khi sự thay đổi nhiệt độ biến đổi trong một biên độ rộng trong quá trình hoạt động, tháp đĩa thƣờng đƣợc lựa chọn do sự giãn nở nhiệt dễ làm hỏng lớp đệm. - Các dữ liệu, thông tin phục vụ cho thiết kế tháp đĩa thƣờng có sẵn và có độ tin cậy cao hơn so với tháp đệm. - Tháp đệm thƣờng có giá thành rẻ và dễ chế tạo hơn so với tháp đĩa khi nguyên liệu chế biến có tính ăn mòn cao. - Với cùng công suất chế biến, tháp đệm có thể có tổn thất áp suất thấp hơn so tháp đĩa. Mặt khác, với kết cấu của tháp đệm, khả năng mất ổn định của vỏ tháp trong điều kiện chân không thấp, tháp đệm lý tƣởng cho quá trình chƣng cất chân không. 5. Tháp chƣng cất dạng đĩa là một cột hình trụ thẳng đứng bên trong lắp các đĩa trao đổi chất. Mỗi đĩa là một bậc chuyển khối thực tế. Có nhiều dạng tháp đĩa nhƣng tất cả có đặc điểm chung là quá trình chuyển khối đƣợc thực hiện trên các đĩa. Cấu tạo chung của tháp chƣng cất kiểu đĩa với các dạng đĩa khác 378 nhau đƣợc minh họa theo hình H-5.7 của giáo trình. Tháp chƣng cất đứng về mặt công nghệ đƣợc chia làm hai phần: đoạn chƣng và đoạn luyện. Đoạn chƣng tính từ đĩa tiếp liệu tới đáy tháp. Đoạn luyện từ đĩa tiếp liệu tới đĩa trên cùng. Đứng về mặt cơ khí, tháp chƣng cất bao gồm các bộ phận chính: Vỏ tháp, đĩa chƣng cất, các ống chảy truyền. Tháp đĩa cũng đƣợc chia thành nhiều loại căn cứ vào cấu tạo, nguyên lý hoạt động của chóp tạo bọt trên mặt đĩa. Có một số dạng tháp đĩa chính là tháp đĩa lỗ, tháp chóp, tháp đĩa van và các loại tháp đĩa đặc biệt (Ballast, Flexi,...). 6. Tháp đệm hoạt động dựa trên nguyên lý bay hơi và ngƣng tụ liên tục của các cấu tử dạng lỏng thấm ƣớt trên bề mặt vật rắn.Trong quá trình bay hơi và ngƣng tụ liên tục này, các cấu tử có nhiệt độ bay hơi thấp hơn sẽ đi lên phía trên đỉnh tháp chƣng cất còn các cấu tử có nhiệt độ bay hơi cao hơn sẽ tách ra dần ở phần dƣới đáy tháp. Để tăng cƣờng bề mặt chuyển khối, đệm đƣợc chế tạo theo những kết cấu đặc biệt. Có hai dạng đệm là dạng đệm có kết cấu theo quy luật (structured packing) và dạng đệm sắp xếp hỗn độn không theo quy luật (random packing). Tháp đệm điển hình có cấu tạo nhƣ mô tả trong hình H-5.21. Về hình thức bên ngoài và về kết cấu cơ khí, các đƣờng vào ra tháp đệm cũng có cấu tạo nhƣ tháp chƣng cất dạng đĩa chỉ khác nhau về kết cấu các chi tiết bên trong tháp. Về mặt công nghệ, tháp chƣng cất dạng đệm cũng chia thành đoạn chƣng và đoạn luyện. Đoạn chƣng từ đáy tháp tới vị trí tiếp nguyên liệu, đoạn luyện từ vị trí tiếp liệu tới mặt trên cùng của đệm. Một tháp đệm điển hình bao gồm các bộ phận chính sau: - Vỏ tháp; - Các lớp đệm; - Bộ phận phân phối chất lỏng; - Bộ phận thu gom chất lỏng; - Các chi tiết đỡ đệm; - Các thiết bị phụ: Thiết bị ngƣng tụ, gia nhiệt đáy. Có hai dạng đệm cơ bản: Đệm có kết cấu và đệm rời. Cấu tạo của các loại đệm này cần trình bày minh họa nhƣ hình H-5.22, H-5.24, H-5.25 của giáo trình. 7. Vai trò của phân xƣởng chƣng cất dầu thô: Phân xƣởng chƣng cất dầu thô ở áp suất khí quyển có nhiệm vụ phân tách dầu thô thành các phân đoạn theo các ứng dụng tƣơng ứng. Tháp chƣng cất dầu thô có nhiệm vụ phân tách sơ bộ 379 dầu thô thành các phân đoạn cung cấp nguyên liệu cho các quá trình chế biến tiếp theo. Các phân đoạn chính đƣợc tách ra từ phân xƣởng này là: Khí hoá lỏng (LPG), phân đoạn naphtha, phân đoạn kerosene, phân đoạn diesel nhẹ (LGO), phân đoạn diesel nặng (HGO) và cặn chƣng cất (residue). Một số phân đoạn tách ra từ phân xƣởng chƣng cất dầu thô ở áp suất khí quyển nhƣ LPG, Kerosene, LGO có thể đƣợc coi là sản phẩm cuối cùng hoặc là cấu tử pha trộn (sau khi đƣợc xử lý tạp chất thích hợp). Một số phân đoạn cần phải đƣợc đƣa đi chế biến tiếp để nâng cao hiệu quả kinh tế của nhà máy. Trong số đó, đặc biệt là cặn chƣng cất là nguyên liệu cho các quá trình cracking, reforming, và isome hoá. 8. Nhƣ đã biết, phân đoạn cặn chƣng cất ở áp suất khí quyển có nhiệt độ sôi tƣơng đối cao, nếu tiến hành chƣng cất phân đoạn này ở áp suất thƣờng để tách tiếp cặn ra các phân đoạn thì xảy ra quá trình cracking nhiệt làm ảnh hƣởng đến hoạt động của tháp và giảm hiệu suất thu hồi sản phẩm chung của toàn bộ nhà máy. Tháp chƣng cất chân không có nhiệm vụ phân tách phân đoạn cặn thành phân đoạn dầu chƣng cất chân không cho quá trình cracking (VGO) và cặn chân không cho quá trình sản xuất nhựa đƣờng,... 9. Lý do cần phải khử muối trong dầu thô: Trong dầu thô chứa một lƣợng tạp chất dƣới dạng muối và kim loại. Các tạp chất này cần phải tách ra khỏi dầu thô bởi vì chúng sẽ bị đóng cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt của các lò đốt và thiết bị trao đổi nhiệt làm giảm hiệu suất truyền nhiệt. Ngoài ra, các tạp chất này còn gây ngộ độc xúc tác, ăn mòn thiết bị các quá trình chế biến tiếp theo. Có nhiều phƣơng pháp khử muối, tuy nhiên, trong thực tế sử dụng hai phƣơng pháp chính là phƣơng pháp hoá học và phƣơng pháp tĩnh điện. Nguyên lý chung để khử muối là bổ sung nƣớc vào dầu thô khuấy trộn để tạo nhũ tƣơng sau đó phá vỡ nhũ tƣơng để tách nƣớc hoà tan muối ra khỏi dầu thô. Các phƣơng pháp tách muối khác nhau chỉ ở cách thức phá nhũ tƣơng. Phƣơng pháp hoá học sử dụng hoá chất để phá nhũ tƣơng, phƣơng pháp tĩnh điện dùng điện trƣờng để phá nhũ tƣơng. 10. Để đạt đƣợc độ chân không trong tháp nhƣ yêu cầu thì cần phải có hệ thống hút chân không. Chế độ chân không của tháp tại vị trí tiếp liệu ảnh hƣởng lớn tới chế độ công nghệ và chi phí vận hành. Nếu tổn thất áp suất từ hệ thống chân không tới vị trí tiếp liệu càng lớn thì càng tăng chi phí vận hành tháp. Tháp đệm có tổn thất áp suất thấp hơn so với tháp đĩa, vì vậy đƣợc sử dụng rộng rãi trong quá trình chƣng cất chân không. 380 BÀI 6 1. Sự khác biệt cơ bản giữa thiết bị chƣng cất và thiết bị hấp thụ là thiết bị hấp thụ không cần phải có thiết bị ngƣng tụ và thiết bị gia nhiệt đáy nhƣ thiết bị chƣng cất. Ngoài ra, thiết bị hấp thụ thƣờng luôn đi kèm với thiết bị tái sinh dung môi hấp thụ để tái sử dụng. 2. Dung môi sử dụng cho một quá trình hấp thụ phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu cơ bản sau: - Có khả năng hoà tan tốt chất bị hấp thụ, khả năng bay hơi thấp để giảm tối đa mất mát cho quá trình hoạt động và dễ dàng tái sinh với độ tinh khiết cao. - Có độ nhớt thấp để giảm tổn thất áp suất và nâng cao tốc độ truyền nhiệt, chuyển khối trong tháp hấp thụ; - Có khả năng hoà tan mang tính chất chọn lọc chất bị hấp thụ; - Không độc hại, không dễ cháy nổ, không gây ăn mòn thiết bị; - Giá thành phải rẻ hoặc ở mức chấp nhận đƣợc, dễ tái sinh và sử dụng đƣợc nhiều lần. 3. Định nghĩa: Quá trình hấp phụ là quá trình trong đó phân tử, nguyên tử, hoặc ion khí hay lỏng khuyếch tán tới bề mặt của chất rắn, bị hút vào bề mặt này và giữ ở đây bởi lực liên kết phân tử yếu. Chất lỏng, khí bị hút vào pha rắn gọi là chất bị hấp phụ. Vật liệu rắn đƣợc gọi là chất hấp phụ. Các sơ đồ hấp phụ nhả hấp phụ cơ bản: Có bốn sơ đồ hấp phụ và nhả hấp phụ cơ bản là: - Sơ đồ hấp phụ và nhả hấp phụ sử dụng phƣơng pháp thay đổi nhiệt độ luân phiên: Nguyên lý cơ bản của sơ đồ này là dựa vào mối quan hệ giữa khả năng hấp phụ của chất hấp phụ và nhiệt độ. Khi hạ nhiệt độ lớp đệm quá trình hấp phụ xảy ra theo chiều thuận và ngƣợc lại khi tăng nhiệt độ quá trình nhả hấp phụ xảy ra. Nhờ đặc điểm này, ngƣời ta thay đổi luân phiên nhiệt độ cột hấp phụ để chuyển chế độ hoạt động giữa hấp phụ và nhả hấp phụ; - Sơ đồ hấp phụ sử dụng khí trơ để nhả hấp phụ: Nguyên lý hoạt động của sơ đồ này dựa trên mối quan hệ giữa nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong pha rắn với áp suất riêng phần của nó trong pha khí và nhiệt độ quá trình. Nếu nhiệt độ càng thấp, áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong pha khí càng cao thì nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ trong pha rắn càng cao và ngƣợc lại. Dựa vào tính chất này ngƣời ta dùng khí trơ (thƣờng có nhiệt độ cao) để nhả hấp phụ. 381 - Sơ đồ hấp phụ sử dụng chất nhả hấp phụ thay thế: Sơ đồ này hoạt động dựa trên nguyên lý nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ là biến số của áp suất riêng phần trong pha khí và tính cạnh tranh giữa các chất bị hấp phụ có ái lực tƣơng đƣơng nhau. Nhờ tính chất này ngƣời ta sử dụng các chất lỏng hoặc khí có ái lực hấp phụ tƣơng chất bị hấp phụ để làm chất nhả hấp phụ. Quá trình nhả hấp phụ xảy ra do hai yếu tố chi phối là áp suất riêng phần của chất bị hấp phụ trong pha khí hoặc nồng độ của chất bị hấp phụ trong pha lỏng và ái lực hấp phụ của chất nhả hấp phụ. Chất nhả hấp phụ sẽ thay thế vị trí của chất bị hấp phụ trong pha rắn trong quá trình tái sinh. - Sơ đồ hấp phụ và nhả hấp phụ thay đổi áp suất luân phiên: Sơ đồ hấp phụ và nhả hấp phụ này hoạt động dựa trên nguyên tắc nồng độ cân bằng chất bị hấp phụ trong pha rắn phụ thuộc vào áp suất riêng phần của nó trong pha khí và áp suất riêng phần sẽ bị giảm tƣơng ứng khi áp suất tổng của hỗn hợp giảm. Dựa vào tính chất này khi lớp đệm hấp phụ bão hoà ngƣời ta tiến hành nhả hấp phụ bằng cách đƣa dòng khí vào ở áp suất nhỏ hơn nhiều so với áp suất khi thực hiện quá trình hấp phụ. - Các sơ đồ công nghệ tƣơng ứng cần đƣợc trình bày minh họa theo các hình H-6.4; H-6.5; H-6.6; H-6.8 của giáo trình này. 4. Trong công nghiệp chế biến dầu khí, ngƣời ta sử dụng phƣơng pháp hấp thụ amine để xử lý khí nhiên liệu chua và khí hydrocacbon hoá lỏng. Mục đích của quá trình hấp thụ này là hấp thụ H2S trong các hợp chất này để thu khí nhiên liệu và LPG đủ tiêu chuẩn sử dụng hoặc làm nguyên liệu cho quá trình chế biến tiếp theo. Tuy nhiên, phƣơng pháp xử lý này chỉ tách đƣợc lƣu huỳnh ở dạng H2S là chủ yếu, vì vậy, nếu trong nguyên liệu (đặc biệt là LPG) chứa các dạng tạp chất khác nhƣ mercaptan, COS,... thì vẫn phải dùng phƣơng pháp khác (hydro hoặc ngọt hoá) để xử lý các tạp chất này. 5. Bộ phận thu hồi hạt lỏng kéo theo trong tháp về cơ bản đƣợc chia thành bốn loại: - Kiểu lƣới đan (các loại vật liệu khác nhau); - Kiểu đệm sợi; - Kiểu tấm chắn; - Kiểu cơ cấu ly tâm (Cyclone). Cấu tạo của các dạng tách lỏng này cần đƣợc minh họa nhƣ hình H-6.10 của giáo trình này. 382 6. Dung môi hấp thụ có vai trò quan trọng đối với hiệu suất quá trình hấp thụ, chi phí đầu tƣ và chi phí vận hành thiết bị xử lý khí nhiên liệu và LPG. Dung môi hấp thụ phải đáp ứng đƣợc một số tiêu chí quan trọng sau: có khả năng hấp thụ chọn lọc, dễ tái sinh, không gây ăn mòn máy móc, thiết bị và giá thành ở mức chấp nhận đƣợc. Dựa trên các tiêu chí này, dung môi sử dụng để hấp thụ chọn lọc H2S trong khí nhiên liệu và LPG thƣờng là một dạng Amine. Dạng Amine thích hợp hay đƣợc sử dụng trong chế biến dầu khí để hấp thụ H2S là Diethanolamine (viết tắt là DEA). Các nghiên cứu về lý thuyết và quá trình thực nghiệm cho thấy dung dịch Diethanolamine (DEA) 20% khối lƣợng thích hợp cho quá trình hấp thụ lỏng-lỏng (giữa LPG và dung dịch Amine). 7. Các lò đốt và hệ thống tái sinh xúc tác (đặc biệt là phân xƣởng RFCC) sản sinh ra nguồn khí thải chứa nhiều thành phần SOx nhất. Nguyên nhân là trong nhiên liệu và hydrocacbon bám trên xúc tác chứa các tạp chất lƣu huỳnh, khi đốt cháy tạo ra các dạng khí này. Khí SOx là một trong khí độc hại đối sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng (gây mƣa a xít,...). Vì vậy, các tiêu chuẩn môi trƣờng về khí thải thƣờng quy định ngặt nghèo về hàm lƣợng chất ô nhiễm này trong nguồn thải và đƣợc kiểm soát chặt chẽ. 8. Quá trình hấp thụ SOx khác so với các quá trình hấp thụ chuẩn khác ở điểm cơ bản là dung môi hấp thụ đồng thời là chất tham gia phản ứng, vì vậy quá trình này không có thiết bị tái sinh dung môi, dung môi hấp thụ đƣợc bổ sung mới liên tục. 9. Trong sơ đồ công nghệ sản xuất Ni-tơ bằng phƣơng pháp hấp phụ phân tử kết hợp với kỹ thuật siêu lạnh thì cột hấp phụ có chức năng loại bỏ khí CO2 và hơi nƣớc chứa trong khí nén. Để tái sinh cột hấp phụ, ngƣời ta sử dụng khí O2 tách ra từ đáy tháp, khí ô-xy đƣợc gia nhiệt và thổi ngƣợc lại lớp đệm hấp phụ. Khí ô-xy đƣợc sử dụng nhƣ là khí trơ để nhả hấp phụ. Sơ đồ hấp phụ sản xuất ni-tơ tƣơng ứng với sơ đồ hấp phụ sử dụng khí trơ nhả hấp phụ trình bày trong giáo trình này. 10. Mục đích của việc sử dụng cột hấp phụ bằng than hoạt tính trong xử lý nƣớc thải nhiễm phenol là để thu lƣợng phenol hoà tan trong nƣớc thải sau đó tiến hành nhả hấp phụ để thu hồi phenol. Phenol là chất độc hại đối với môi trƣờng và sức khoẻ con ngƣời, vì vậy, cần phải đƣợc tách ra khỏi nguồn nƣớc trƣớc khí xả ra môi trƣờng. Ngoài phƣơng pháp sử dụng cột hấp phụ than hoạt tính, để xử lý phenol trong nƣớc thải, hiện nay, ngƣời ta cũng sử dụng phổ biến phƣơng pháp xử lý sinh học và phƣơng pháp hoá học (phƣơng pháp ô-xy hoá) nếu yêu cầu hàm lƣợng phenol trong nƣớc thải khắt khe hơn. 383 CÁC THUẬT NGỮ CHUYÊN MÔN 1. Monoethanolamine (MEA) 2. Diethanolamine (DEA) 3. LCO: Phân đoạn dầu trung bình nhẹ cracking ( viết tắt của cụm từ tiếng Anh Light Cycle Oil) 4. HCO:Phân đoạn dầu trung bình nặng cracking (viết tắt của cụm từ tiếng Anh Heavy Cycle Oil) 5. LGO: Phân đoạn dầu trung bình nhẹ quá trình chƣng cất dầu thô ở áp suất khí quyển (viết tắt của cụm từ tiếng Anh Light Gasoil). 6. HGO: Phân đoạn dầu trung bình nặng quá trình chƣng cất dầu thô ở áp suất khí quyển (viết tắt của cụm từ tiếng Anh Heavy Gasoil). 7. P&ID's: Sơ đồ công nghệ đƣờng ống và thiết bị điều khiển (đƣợc viết tắt từ các từ Piping & Istrument Diagrams). 8. DCS: Hệ thống điều khiển phân tán (đƣợc viết tắt từ các từ Distributed Control System). 9. ESD: Hệ thống dừng khẩn cấp (đƣợc viết tắt từ các từ Emergency Shutdown). 384 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. James H. Gary, Glenn E. Handwerk - Petroleum Refining Technology and Economy, Markcel Dekker, Inc. New York, 2001. [2]. Max S. Peters, Klaus D. Timmerhaus, Ronald E West, Uninersity of Colorado [3]. Plant Design and Economics for Chemical Engineers, Mc Graw-Hill Companies, Inc, 2003. [4]. Handbook of Petroleum Refining Processes, Robert A. Meyers, Ph.D, Mc Graw-Hill Book Companies, Inc, 1986. [5]. J.M. Douglas - Conceptual Design of Chemical Processes, Mc Graw-Hill Book Companies, Inc, 1988. [6]. G.F.Hewitt - Heat Exchanger Design Handbook, Begell House, New York, 1998. [7]. G.F.Hewitt, G.L. Shires, and T.R.Bott - Process Heat Tranfer, CRC Press, Boca Raton, sec. 4.3,1994. [8]. J.L Humphrey and G.E. Keller, II - Separation Process Technology,Mc Graw-Hill Book, New York,1997. [9]. J.D. Seader and E.J. Henley - Separation Process Principles, J. Wiley, New York, 1998. [10]. PGS.TS Đinh Thị Ngọ - Hóa học dầu mỏ & khí, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, Hà nội 2001.