Đồ án Thiết kế dây chuyền chưng cất dầu thô ít phần nhẹ

H2O MgOHCl + HCl MgCl2 + 2H2O Mg(OH)2 + 2HCl Hay khi chưng cất dầu các hợp chất lưu huỳnh tự phân huỷ tạo H2S dẫn đến gây ăn mòn thiết bị lớn. Mặt khác, khí H2S có lẫn nước và ở nhiệt độ cao sẽ tác dụng với kim loại của thiết bị. Fe + H2S FeS + H2 Bề mặt thiết bị được bảo vệ một lớp FeS để giữ cho kim loại của thiết bị không bị ăn mòn tiếp, nhưng khi có sự tham gia của HCl do muối tạo thành khi phân huỷ thì lập tức các lớp màng FeS bảo vệ sẽ tác dụng với HCl FeS +2HCl FeCl2 + H2 S Và H2S tạo thành lại tiếp tục tác dụng với sắt như phản ứng trên. Qua phân tích trên cho thấy dầu mỏ trước khi đưa vào chế biến cần phải tách các tạp chất có hại. III.2 ổn định dầu nguyên khai Dầu nguyên khai còn chứa các khí hoà tan như khi đồng hành và các khí phi hydrocacbo. Đại bộ phận chúng tách dễ tách ra khi giảm áp suất trong lúc phun ra khỏi giếng khoan. Nhưng dù sao vẫn còn lại một lượng nhất định lẫn vào trong dầu và cần phải tách tiếp trước khi đưa chúng vào chế biến nhằm mục đích hạ thấp áp suất hơi khi chưng cất dầu thô và nhận thêm nguồn nguyên liệu cho chế biến hoá dầu vì rằng các khí hydrocacbon nhẹ (C1C4) là nguồn nguyên liệu quý cho quá trình sản xuất olefin nhẹ. ổn định dầu thực chất là chưng cất tách bớt phần nhẹ. Nhưng để tránh bay hơi cả phần xăng, tốt nhất là tiến hành chưng cất ở áp suất cao. Khi đó chỉ có các cấu tử nhẹ hơn C4 bay hơi còn các phân tử C5 trở lên vẫn còn lại trong dầu. Sơ đồ ổn định dầu thô: III.3.Tách các tạp chất cơ học, nước và muối: III.3.1.Tách bằng phương pháp cơ học: a1. Lắng: Bản chất của phương pháp lắng là dựa vào sự khác nhau về tỷ trọng của dầu và các tạp chất như đất đá, nước và muối. Nếu dầu có tạp chất này khi để lắng lâu ngày thì tạp chất sẽ tách ra và lắng xuống tạo thành hai lớp rõ rệt và có thể tách ra dễ dàng . Tốc độ lắng của các hạt được tính theo công thức Stockes. áp dụng khi kích thước hạt lớn hơn 0,5m: Trong đó : V – vận tốc lắng, cm/s r - đường kính của hạt d1,d2 – tỷ trọng của hạt và của dầu tương ứng g – gia tốc trọng trường - độ nhớt động học của hỗn hợp Từ công thức này ta thấy nếu kích thước hạt càng bé, sự chênh lệch về tỷ trọng càng ít, độ nhớt của hỗn hợp càng lớn thì tốc độ lắng càng nhỏ và như vậy, để phân chia thành các lớp riêng biệt đòi hỏi thời gian càng lớn. Để tăng tốc độ lắng, người ta thường dùng biện pháp gia nhiệt để giảm độ nhớt, Nhiệt độ thường đựơc duy trì trong khoảng từ 50 600C để tránh mất mát dầu do bay hơi. Nếu duy trì quá trình ở áp suất cao, ta có thể nâng cao nhiệt độ lắng mà không sợ mất mát vì áp suất hơi lúc này thấp hơn so với trường hợp dùng áp suất thấp. a.2.Ly tâm : Ly tâm là phương pháp hay được dùng để tách nước và các tạp chất đất đá.Lực ly tâm càng lớn, càng có khả năng phân chia cao các hạt có tỷ trọng khác nhau trong dầu. Lực ly tâm tỷ lệ với bình phương số vòng quay ly tâm của roto, nên số vòng quay càng lớn hiệu quả càng cao. Trong công nghiệp thường dùng máy ly tâm với số vòng quay từ 3500 đến 50.000 vòng/phút. Nhưng nếu số vòng quay càng lớn thì việc chế tạo thiết bị càng khó khăn và không thể chế tạo thiết bị với công suất lớn. Do vậy việc sử dụng phương pháp này cũng bị hạn chế. a.3 Phương pháp lọc: Để tách nước và các tạp chất đất đá khỏi dầu có thể dùng phương pháp lọc chúng ta cho thêm vào dầu một chất dễ thấm nước, để giữ nước và tách chúng ra. Các chất này thuộc loại các “chất trợ lọc”. Ví dụ trong thực tế người ta dùng bông thuỷ tinh để lọc nước khỏi dầu. III.3.2 Các phương pháp khác. b.1 Tách nhũ tương nước trong dầu bằng phương pháp hoá học. Bản chất của phương pháp là cho thêm chất hoạt động bề mặt để phá nhũ tương (còn gọi là chất khử nhũ). Khi các điều kiện thao tác như nhiệt độ, áp suất… được chọn ở chế độ thích hợp thì hiệu quả của phương pháp cũng rất cao. Song khó khăn phải chọn được chất hoạt động bề mặt thích hợp, không gây hậu quả khó khăn cho chế biến sau này, cũng như không phân huỷ hay tạo môi trường ăn mòn thiết bị. b.2 Phương pháp dùng điện trường. Dùng điện trường để phá nhũ, tách muối khỏi dầu là một phương pháp hiện đại, công suất lớn, quy mô công nghiệp và dễ tự động hoá nên các nhà máy chế biến dầu có công suất lớn đều áp dụng phương pháp này. Vì bản thân các tạp chất đã là các hạt dễ nhiễm diện tích, do vậy nếu ta dùng lực điện trường mạnh sẽ làm thay đổi diện tích. Tạo điều kiện cho các hạt động tụ hay phát triển làm cho kích thước lớn lên và như vậy chúng dễ bị tách ra khỏi dầu. Tương tác giữa điện trường và các hạt tích điện. Nguyên tắc này được áp dụng để tách muối nước ra khỏi dầu thô. Dầu thô được gia nhiệt trước ở các thiết bị trao đổi nhiệt rồi được trộn với một lượng nước sạch để tạo thành nhũ tương chứa muối. Lực hút giữa các hạt tích điện làm cho các hạt lớn lên, ngưng tụ thành hạt có kích thước lớn và chúng dễ tách thành lớp nước nằm phía dưới lớp dầu. Trong thực tế người ta pha thêm nước vào dầu vào lượng từ 3 á 8% so với dầu thô và có thể thêm hoá chất rồi qua van tạo nhũ tương. Sau khi đã qua thiết bị trao đổi nhiệt ở nhiệt độ 130 á 1500C, muối trong dầu thô được chuyển vào nhũ tương và khi được dẫn vào khoảng cách giữa hai điện cực có hiệu điện thế từ 26000V trở lên, chúng tích điện va vào nhau và tăng dần kích thước, cuối cùng tách thành lớp nước nằm phía dưới lớp dầu. Để ngăn ngừa sự bay hơi dầu do tiếp xúc ở nhiệt độ cao, áp suất trong thiết bị tách muối được giữ ở áp suất 9 á 12 kg/cm2. Bộ phận an toàn được bố trí ngay trong thiết bị, khi tách một bậc, người ta có thể tách 90 á 95 %, nếu áp dụng tách 2 bậc sẽ nâng hiệu suất tách muối lên 99%. Thiết bị tách muối và nước thường có dạng hình trụ hay hình cầu. Dạng hình trụ loại nằm ngang được sử dụng phổ biến do dễ chế tạo, lắp đặt và tốn ít kim loại hơn. Thiết bị thường có kích thước sau: đường kính 3 á 5m, chiều dài 18 á 20m, dung tích thường từ 100 á 150 m3 và có thể chịu áp suất đến 18 á 20 kg/cm2. IV. Chưng cất IV.1 ý nghĩa của quá trình chưng cất dầu thô: Trong công nghiệp chế biến dầu, dầu thô sau khi đã được xử lý qua cá quá trình chưng cất dầu ở áp suất khí quyển AD (Atmospheric Distillation) và chưng cất trong chân không VD (Vaccum Distillation) thuộc về nhóm ác quá trình chế biến vật lý. Chưng cất ở áp suất khí quyển AD với nguyên liệu là dầu thô đôikhi còn gọi là quá trình CDU (Crude oil Distillation Unit), còn chưng cất VD dùng nguyên liệu là cặn của quá trình chưng cất AD, trong thực tế đôi khi còn gọi là cặn chưng cất (cặn thô hay mazut). Tuỳ theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà chúng ta sẽ áp dụng chưng cất AD, VD, hay kết hợp cả hai AD-VD (gọi tắt là A-V-D). Các nhà máy hiện đại luôn luôn dùng loại hình công nghệ A-V-D. Các sơ đồ nguyên lý chưng cất được trình bày trên hình 3-1, 3-2, 3-3, 3-4. Trong các sơ đồ chưng cất này ta có thiết bị trao đổi nhiệt 1, lò đốt 2, thiết bị làm lạnh 3, tháp chưng cất 4, tháp tái bay hơi5, bể chứa 6 và tháp chưng cất chận không 7. Nguyên liệu đầu là dầu thô 1, với các sản phẩm ra là xăng II, khí III, xăng nặng IV, hơi nước V, Kerosen IV, gasoil nhẹ VII, gasoil nặng VIII, cặn AD IX, và các loại dầu nhờn X, XI… hơi nước V được sử dụng trong các sơ đồ chưng cất AD và kết hợp AVD. Khi áp dụng loại hình công nghệ AD, chúng ta chỉ chưng cất dầu thô với mục đích nhận các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng) ; phân đoạn kerosen, phân đoạn diezenl (nhẹ, nặng) và phần cặn còn lại sau chưng cất, khi muốn chưng cất sâu thêm phần cặn thô nhằm mục đích nhận các phân đoạn gasoil chân không hay phân đoạn dầu nhờn, người ta dùng chưng cất VD. Phân đoạn gasoil chân không là nguyên liệu cho quá trình chế biến để nhận thêm xăng bằng quá trình cracking. Phân đoạn dầu nhờn được dùng để chế tạo các sản phẩm dầu mỏ bôi trơn. Còn phần cặn của chưng cất VD gọi là phân đoạn cặn gudron, được dùng để chế tạo bitum, nhựa đường hay làm nguyên liệu cho quá trình cốc hoá sản xuất cốc dầu mỏ. Như vậy, tuỳ theo thành phần của dầu mỏ, nguyên liệu và mục đích chế biến mà người ta dùng loại hình công nghệ chưng cất thích hợp. IV.2 Cơ sở lý thuyết. Quá trình chưng cất dầu là một quá trình vật lý phân chia dầu thô thành các phần gọi là các phân đoạn. Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần đầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong dầu mà không làm phân huỷ chúng. Hơi nhẹ bay lên ngưng tụ thành phần lỏng. Tuỳ theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình chưng cất thành chưng đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất nhờ cấu tử bay hơi hay chưng cất trong chân không. IV.2.1 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. Chú thích: Bình chưng Thiết bị đun sôi Thiết bị ngưng tụ Bình thu sản phẩm 1 2 3 4 IV.2.1.1. Chưng bay hơi dần dần Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần Thiết bị (2) đốt nóng liên tục 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 bay hơi ra trong thiết bị ngưng tụ (3) và thu được sản phẩm lỏng trong bể chứa (4). Phương pháp này thường áp dụng trong phòng thí nghiệm. IV.2.1.2. Chưng cất bằng cách bay hơi một lần Phương pháp này còn được gọi là bay hơi cân bằng 1 4 3 2 III II I Chú thích: Tháp chưng Thiết bị đun sôi Thiết bị ngưng tụ Bể chứa I. Nhiên liệu ban đầu II. Phần cất III. Phần căn Sơ đồ chưng cất bay hơi một lần Hỗn hợp chất lỏng được cho liên tục và thiết bị đun sôi (2), ở đây hỗn hợp được đốt nóng đến nhiệt độ xác định và áp suất P cho trước. Pha lỏng hơi được tạo thành và đạt đến trạng thái cân bằng, ở điều kiện đó lại được cho vào thiết bị phân chia một lần trong thiết bị đoạn nhiệt (1). Pha hơi qua thiết bị ngưng tụ (3) rồi vào bể chứa (4), từ đó ta nhận được phần cất. Phía dưới thiết bị (1) là pha lỏng được tách ra liên tục và ta nhận được phần cặn. Tỷ lệ giữa lượng hơi được tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏng nguyên liệu chưng ban đầu được gọi là phần chưng cất. Chưng cất bay hơi một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi dần dần ở cùng một điều kiện về nhiệt độ và áp suất. Ưu điểm: Quá trình chưng cất này cho phép áp dụng trong thực tế để chưng cất dầu. Tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng phần cất lớn hơn. IV.2.1.3. Chưng cất bay hơi nhiều lần: 1 I 4 2 II 5 IV 3 III 4 5 V 3 Là quá trình gồm nhiều quá trình bay hơi một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng cao dần (hay ở áp suất thấp hơn) đối với phần cặn. Sơ đồ chưng cất bay hơi hai lần Chú thích: Tháp chưng nhiệt độ thấp Tháp chưng nhiệt độ cao Thiết bị gia nhiệt Thiết bị ngưng tụ Bình chứa sản phẩm I. Nhiên liệu II. Phần cất nhẹ III. Cặn chưng cất ở nhiệt độ thấp IV. Phần cất nặng V. Cặn chưng cất ở nhiệt độ cao. Nhiên liệu (1) được cho qua thiết bị gia nhiệt (3) và được làm nóng đến nhiệt độ cần thiết, sau đó cho vào tháp chưng đoạn nhiệt (1) ở đây phần nhẹ được bay hơi trên đỉnh và qua thiết bị làm lạnh (4). Sau đó vào bể chứa (5). Phần nặng ở đáy tháp (1) được gia nhiệt ở (3) và dẫn vào tháp chưng đoạn nhiệt (2). Tháp chưng này có áp suất thấp hơn so với áo suất tháp chưng (1) và phần nhẹ bay hơi lên đỉnh, qua thiết bị ngưng tụ (4) và sau đó vào bể chứa (5). Ta thu được phần sản phẩm nặng IV. ở đáy tháp (2) ta thu được phần cặn của quá trình chưng (V). Tóm lại 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 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 tiếp theo quá trình tách 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, không đạt được độ phân chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử của hỗn hợp chất lỏng. IV.2.2. Chưng cất phức tạp: Để nâng cao khả năng phân chia một hỗn hợp chất lỏng phải tiến hành chưng cất có hồi lưu hay chưng cất có tinh luyện - đó là chưng cất phức tạp. IV.2.2.1. Chưng cất có hồi lưu Chưng cất có hồi lưu là quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay laị tưới vào dòng hơi bay lên. Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra 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 mà có độ phân chia cao hơn. Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế bằng bộ phận đặc biệt và bố trí phía trên thiết bị chưng cất. Hình 6: Sơ đồ chưng cất có hồi lưu Nguyên liệu (I) qua thiết bị đun nóng (2) rồi đưa vào tháp chưng (1) phần hơi để lên đỉnh tháp sau đó qua thiết bị làm lạnh và thu được sản phẩm (II). Phần đáy được tháo ra là cặn (III) một phần được gia nhiệt hồi lưu trở lại tháp đáy thực hiện tiếp qúa trình chưng cất thu được sản phẩm. IV.2.2.2. Chưng cất có tinh luyện Chưng cất có tinh luyện cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu. Cơ sở 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 thực hiện trong tháp tinh luyện. Để quá trình xảy ra hoàn thiện hơn giữa pha lỏng và hơi trong tháp được trang bị đĩa hay đệm. Độ phân chia một hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha, vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp. Các quá trình chưng cất sơ khởi dầu thô dựa vào quá trình chưng cất một lần và nhiều lần có tinh luyện. Quá trình tinh luyện xảy ra trong tháp chưng cất phân đoạn . Trong tháp bố trí các đĩa . Hoạt động của tháp được mô tả như hình Hình 7: Nguyên lý làm việc của các tầng địa trong tháp tinh luyện Pha hơi Un bay lên từ đĩa thứ n lên từ đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1 chảy từ n-1 xuống, còn pha lỏng từ đĩa, Ln chảy xuống đĩa phía dưới n+1 lại tiếp xúc với pha hơi Un+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 làm giàu thêm cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy xuống phía dưới ngày càng chứa các cấu tử nặng. Số lần tiếp xúc càng nhiều, sự trao đổi chất càng tăng cường và sự phân chia của tháp càng tốt, hay nói cách khác, tháp có độ phân chia cao. Đĩa trên cùng cũng có hồi lưu đỉnh, còn đĩa dưới cũng có hồi lưu và đáy làm cho tháp hoạt động liên tục, ổn định có khả năng phân chia cao. Ngoài đỉnh và đáy, nếu cần 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. Còn khi lấy sản phẩm cạnh sườn tháp, người ta trang bị thêm các bộ phận tách trung gian cạnh sườn 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 và dầu thô nguyên liệu ban đầu. IV.2.3. Chưng cất trong chân không và chưng cất bằng hơi nước. Hỗn hợp các cấu trúc 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 các chất cao phân tử như nhựa… Các hợp chất parafinic kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphtenic và các naphtenic lại kém bền nhiệt hơn các hợp chất aromatic. Độ bền của các cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ thuộc cả vào thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó. Trong thực tế chưng cất, đối với các phân đoạn có nhiệt độ cao, người ta cần tránh sự phân huỷ nhiệt chưng khi đốt nóng. Tuỳ theo loại dầu thô, trong thực tế không nên đốt nóng quá 400 – 4200 với dầu không có hay có chứa rất ít lưu huỳnh và không quá 320- 3400 với dầu có và nhiều lưu huỳnh. Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất. Làm việc của sản phẩm, như làm giảm thấp độ nhớt và nhiệt độ bắt cháy cốc kín của chúng, giảm độ bền OXH. Nhưng quan trọng hơn là chúng gây nguy hiểm cho qúa trình chưng cất vì chúng tạo ra các hợp chất ăn mòn và làm tăng áp suất để tháp. Để giảm sự phân huỷ, thời gian lưu của nguyên liệu ở nhiệt độ cao cũng cần phải hạn chế. Ví dụ, trong thực tế chưng cất, thời gian lưu của nguyên liệu dầu (phân đoạn cặn chưng cất khí quyển) ở đáy của tháp AD không lớn hơn 5 phút và phân đoạn gudron khi chưng chân không VD chỉ khoảng từ 2- 5 phút. Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt của chúng, người ta phải dùng chưng cất trong 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 tương tự như dùng chân không: 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, nó được dùng để tái bay hơi phần đoạn có nhiệt độ sôi thấp còn chứa trong mazut hay trong gudron, trong nhiên liệu và dầu nhờn. Kết hợp dùng chân không và hơi nước khi chưng cất phần cặn sẽ cho phép đảm bảo tách sâu hơn phân đoạn dầu nhờn (có thể đến 550 6000 ). Tuy nhiên, tác dụng của hơi nước làm tác nhân bay hơi còn bị hạn chế, vì nhiệt lượng bay hơi khác xa so với nhiệt độ đốt nóng chất lỏng. Vì thế nếu tăng 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 2á3% so với nguyên liệu đêm chưng cất khi số cấp tiếp xúc lý thuyết là 3 hoặc 4. Trong điều kiện như vậy, lượng hơi 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 : 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 đọ của hơi dầu tránh sản phẩm dầu ngậm nước. Do vậy, người ta thường dùng hơi nước nhiệt độ trong khoảng 380 đến 4500,áp suất hơi từ 0,2 đến 0,5 Mpa. Công nghệ chưng cất dầu với hơi nước có nhiều ưu điểm. Ngoài việc giảm áp suất hơi riêng phần của dầu, nó còn tăng cường khuấy trộn chất lỏng tránh tích nhiệt cục bộ, tăng diện tích bề mặt bay hơi do tạo thành những tia và các bong bóng hơi. Người ta cũng dùng hơi nước để tăng cường đốt nóng cặn dầu trong lò ống khi chưng cất trong chân không. Khi đó đạt được mức độ bay hơi lớn cho nguyên liệu dầu, tránh và ngăn ngừa quá trình tạo cốc trong các lò đốt nóng. Tiêu hao hơi nước trong trường hợp này khoảng 0,3 đến 0.5% so với nguyên liệu. Trong một vài trường hợp, chẳng hạn như khi nâng cao nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu phản lực hay diezel, người ta không dùng chưng cất với hơi nước mà dùng quá trình bay hơi một lần để tránh tạo thành nhũ tưong nước bền trong nhiên liệu. IV.2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất. Các yếu tố công nghiệp có 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. Chế độ công nghệ chưng cất phụ thuộc nhiều vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục đích và yêu cầu của quá trình, vào chủng loại sản phẩm cần thu và phải có dây chuyền công nghệ hợp lý. Vì vậy, khi thiết kế quá trình chưng cất, ta phải xét kỹ và kết hợp đầy đủ tất cả các yếu tố để quá trình chưng cất đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Các yếu tố công nghệ chưng cất dầu chính là các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm việc của tháp chưng cất. IV.2.4.1 Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện. Nhiệt độ là thông số quang trọng nhất của tháp chưng. Bằng cách thay đổi chế độ 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 tháp và nhiệt độ đáy tháp. Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) vào tháp chưng phụ thuộc vào bản chất của loại dầu thô, mức độ phân tách sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp, nhưng chủ yếu là phải tránh sự phân huỷ nhiệt của nguyên liệu ở nhiệt độ cao. Nếu dầu thô là loại dầu nặng mức độ phân chia lấy sản phẩm ít thì nhiệt độ nguyên liệu khi vào tháp chưng luyện sẽ không cần cao. Trong thực tế sản phẩm khi chưng cất ở áp suất khí quyển, nhiệt độ nguyên liệu vào tháp chưng luyện thường trong giới hạn 320 á 3600C. Còn nhiệt độ nguyên liệu mazút vào tháp chưng ở áp suất chân không thường khoảng 400 á 4400C. Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và hồi lưu đáy. Nếu bay hơi phần hồi lưu đáy bằng thiết bị đốt nóng riêng biệt, thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt độ bốc hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp, nếu bốc hơi bằng cách dùng hơi nước quá nhiệt thì nhiệt độ 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 lại phải đủ để tách hết hơi nhẹ khỏi phần cặn nặng. Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi Nhiệt độ đỉnh tháp chưng luyện ở áp suất thường để tách xăng ra khỏi dầu thô thường là 110 á 1300C, còn đối với tháp chưng chân không, khi áp suất chưng là 10 đến 70mg Hg thường nhiệt độ không quá 1200C. Với mục đích để giảm bớt mất mát gasoil chân không hay mất mát các cấu tử trong phân đoạn dầu nhờn. Để đảm bảo chế độ nhiệt của tháp, cũng như đã phân tích ở trên là để phân chia trong quá trình chưng luyện hoàn thiện thì phải có hồi lưu. Các dạng hồi lưu: - ở đỉnh tháp có 2 dạng hồi lưu: Hồi lưu nóng và hồi lưu nguội. * Hồi lưu nóng: Quá trình hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách cho ngưng tụ một phần hơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó. Khi tưới trở lại tháp, chúng chỉ cần thu nhiệt để bốc hơi. Tác nhân làm lạnh có thể dùng nước hay chính sản phẩm lạnh. t2 2 t1 t0 1 Tháp chưng Thiết bị ngưng tụ Hình 8: Sơ đồ hồi lưu. Xác định lượng hồi lưu nóng theo công thức. Rn- Lượng hồi lưu nóng, kg/h. Q- Nhiệt lượng hồi lưu cần lấy để bốc hơi, Kcal/h. i- Nhiệt ngưng tụ của sản phẩm lỏng, Kcal/kg. Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và khó cho việc vệ sinh, đặc biệt là khi công suất của tháp lớn, nên ít phổ biến, và bị hạn chế. t2 t1 1 Tháp chưng Ngưng tụ - làm lạnh Bể chứa hồi lưu 2 H2O H2O 3 - Quá trình hồi lưu nguội thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ sản phẩm đỉnh rồi tưới trở lại đỉnh tháp chưng. Khi đó lượng hồi lưu cần thu lại một lượng nhiệt cần thiết để đung nóng nó đến nhiệt độ sôi và nhiệt độ cần để hoá hơi. Sơ đồ hồi lưu nguội Xác định hồi lưu nguội theo công thức: Trong đó: Rng- Nhiệt hồi lưu nguội, kg/h. Q: Nhiệt lượng hồi lưu lấy đi, Kcal/giờ. : Hàm nhiệt của hơi phần tinh cất với nhiệt độ t1 đi ra khỏi tháp chưng, Kcal/kg. : - Hàm nhiệt của pha lỏng lượng hồi lưu nguội với nhiệt độ t2 vào tháp, Kcal/kg. i : - Nhiệt lượng phần hơi cần. c : - Nhiệt dung riêng của sản phẩm hồi lưu. t1, t2: - Nhiệt độ của hơi và lỏng tương ứng. Từ công thức trên ta thấy lượng hồi lưu nguội càng nhỏ, thì nhiệt độ của hồi lưu vào tháp (t1) càng thấp. Thường t1 nhiệt độ hồi lưu tưới vào khoảng 30400C. Hồi lưu nguội được sử dụng rộng rãi vì lượng hồi lưu thường ít, làm tăng rõ ràng chất lượng mà không làm giảm nhiều năng suất của tháp chưng. Hồi lưu trung gian : Hơi sản phẩm 1 Tháp chưng Thiết bị trao đổi nhiệt Bơm 2 t1 t0 Sơ đồ hồi lưu trung gian. Quá trình hồi lưu trung gian thực hiện bằng cách, lấy một phần sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ là t1, đưa ra ngoài làm lạnh đến t0 rồi tưới hồi lưu trở lại tháp, khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một nhiệt lượng để đun nóng từ nhiệt độ t0 đến t2. Quá trình hồi lưu trung gian thực hiện bằng cách, lấy một phần sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ là t1, đưa ra ngoài làm lạnh đến t0 rồi tưới hồi lưu trở lại tháp, khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một nhiệt lượng để đun nóng từ nhiệt độ t0 đến t2. Xác định lượng hồi lưu trung gian qua công thức : Q : Lượng hồi lưu lấy đi Kcal/ giờ. ;: Hàm nhiệt của hồi lưu ở pha lỏng ứng với nhiệt độ t2 và t0 Kcal/kg. Hồi lưu trung gian có nhiều ưu điểm như : Giảm lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp, tận dụng được một nhiệt lượng 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 đỉnh tháp chưng dẫn đến đảm bảo được hiệu suất và chất lượng sản phẩm của quá trình . IV.2.4.2. Áp suất của tháp chưng : Khi chưng luyện dầu mỏ ở áp suất thường, áp suất trong toàn tháp và ở một tiết diện cũng có khác nhau. Áp suất trong tháp có thể cao hơn một ít hay thấp hơn một ít so với áp suất khí quyển, tương ứng với việc tăng hay giảm nhiệt độ sản phẩm lấy ra khỏi tháp. Khi chưng cất mazút trong tháp chưng chân không thì thường tiến hành áp suất từ 10 đến 70 mmHg. Áp suất trong mỗi tiết diện của tháp chưng luyện phụ thuộc vào trở lực thuỷ tĩnh khi hơi 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 đến 10 mmHg từ dưới lên khi chưng cất, ở áp suất chân không qua mỗi đĩa áp suất giảm đi từ 1 đến 3 mmHg. Áp suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của nguyên liệu và áp suất riêng phần của từng cấu tử trong tháp. Nếu tháp chưng luyện mà dùng hơi nước trực tiếp cho vào đáy tháp thì hơi nước làm giảm áp suất riêng phần của hơi sản phẩm dầu, cho phép 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 riềng phần của các sản phẩm dầu. Lượng hơi nước tiêu hao cho tháp ở áp suất khí quyển khoảng 1,2 đến3,5% trọng lượng, đối với tháp chưng áp suất chân không khoảng 5 đến 8% trọng lượng so với nguyên liệu. IV.2.4.3 Những điểm cần chú ý khi điều chỉnh, khống chế làm việc của tháp chưng cất. Để duy trì làm việc ổn định của tháp chưng cất, chúng ta cần phải đảm bảo và nắm vững các nguyên tắc sau: Điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng. Nếu áp suất tăng lên, chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn. Nếu áp suất tăng cao quá, lượng chất lỏng trong tháp sẽ nhiều và như vậy sẽ dẫn đến hiện tượng “Sặc tháp “, làm giảm hiệu quả phân tách (phân chia). Nếu các điều kiện khác trong tháp cố định, thì sản phẩm đỉnh, sản phẩm cạnh sườn và sản phẩm đáy trở nên nhẹ hơn, nếu áp suất trong tháp tăng lên. Nếu nhiệt độ đáy quá thấp, sản phẩm đáy sẽ chứa nhiều phần nhẹ hơn. Nếu nhiệt độ cấp liệu vào tháp thấp, lượng hơi trên các khay chứa đĩa sẽ nhỏ, như vậy phần lỏng sẽ nhiều và chúng chảy xuống phía dưới vào bộ phận chưng sẽ càng nhiều. Với sơ đồ chưng cất có sử dụng thiết bị reBoiler, nếu nhiệt độ của reBoiler quá thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và làm tăng lượng cặn. Nếu nhiệt độ đỉnh quá cao, sản phẩm đỉnh sẽ quá nặng và có nhiều sản phẩm hơn so với thiết kế và ngược lại, nếu nhiệt độ đỉnh quá thấp, sản phẩm đỉnh sẽ quá nhẹ và sẽ có ít sản phẩm hơn. Nhiệt độ cần thiết để tách phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn so với tách dầu thô nhẹ. Chú ý nhất là nhiệt độ đỉnh tháp, tránh nhiệt độ quá cao do làm lạnh không đủ (ví dụ do mất nước làm lạnh ) dẫn đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm. III.2.4.4.Các điều kiện cần thiết để đảm bảo cho việc chưng cất : Phải đảm bảo sự tồn tại pha hơi và pha lỏng chuyển động ngược chiều nhau trên toàn bộ chiều cao tháp chưng . Phải tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ giữa pha hơi và pha lỏng hồi lưu nhiệt độ của pha hơi phải cao hơn nhiệt độ pha lỏng. Cấu tạo tháp đảm bảo sự tiếp xúc tốt giữa pha hơi và pha lỏng. Phần cột chưng phải đảm bảo ở phía trên đĩa nạp liệu thực hiện quá trình tăng cường nồng độ các cấu tử nhẹ trong pha hơi nên gọi là phần tinh luyện. Phần cột chưng ở phía dưới đĩa nạp liệu thực hiện quá trình tách các cấu tử nhẹ ra khỏi pha lỏng nên gọi là phần chưng. Vì vậy phần đáy tháp phải đưa thêm nhiệt hay thêm tác nhân bay hơi. Mức độ phân chia tốt hay xấu còn phụ thuộc vào số lượng đĩa và lượng hồi lưu. Nếu lượng tưới hồi lưu quá lớn thì phân chia tốt và chỉ cần số lượng đĩa tiếp xúc ít. Nhưng lượng hồi lưu lớn thì tiêu hao nhiệt lượng lớn để làm bay hơi. Nếu số đĩa quá lớn thì phân chia triệt để và cần lượng hồi lưu ít. Nhưng số đĩa lớn quá tháp chưng cấu tạo phức tạp, quá cao, Trong thực tế dùng không thuận lợi và giá thành thiết bị cao. Vì vậy quan hệ giữa lượng hồi lưu và số đĩa phải thích hợp. V. Các loại sơ đồ chưng luyện dầu mỏ trong công nghiệp chế biến dầu mỏ và khí Trong công nghiệp chế biến dầu mỏ, thường sử dụng các hệ thống chưng cất sau: Chưng cất ở áp suất thường Chưng cất ở áp suất chân không Chưng cất kết hợp kép suất thường và áp suất chân không Chưng cất dầu mỏ ở áp suất thường thì thường sử dụng các loại sơ đồ sau: 1. Sơ đồ bốc hơi một lần và tinh luyện một lần trong cùng một tháp chưng luyện Loại sơ đồ này có ưu điểm là sự bốc hơi đồng thời các phân đoạn nhẹ và nâng sẽ góp phần làm giảm được nhiệt độ bốc hơi. Và nhiệt lượng đun nóng dầu trong lò. Thiết bị loại này đơn giản và gọn gàng. Nhưng loại này có nhiều hạn chế và nhược điểm như sau: đối với những loại dầu có chứa nhiều khi hoà tan cũng như chứa nhiều phân đoạn nhẹ, nhiều tạp chất, lưu huỳnh, nước thì gặp nhiều khó khăn trong quá trình chưng. Khó khăn đó là do áp suất trong các thiết bị trong sơ đồ cho đến tận lò đều lớn. Vì vậy, thiết bị phải có độ bền lớn, làm bằng vật liệu đất liền, đôi khi còn gây hiện tượng nổ hỏng thiết bị, do áp suất trong tháp tăng đột ngột. Với những lý do trên nên sơ đồ này chỉ sử dụng cho loại dầu mỏ chứa ít phần nhẹ (không quá 6á10%); ít nước, ít lưu huỳnh. 2. Sơ đồ chưng cất bốc hơi hai lần và tinh luyện hai lần trong tháp nối tiếp nhau Loại này có hai sơ đồ b và c Thiết bị chưng cất bằng cách bốc hơi hai lần theo sơ đồ b; là gồm hai quá trình, bốc hơi hai lần và tinh luyện hai lần trong hai tháp nối tiếp nhau, sơ đồ này thường áp dụng để chế biến những loại dầu có chứa nhiều phân đoạn nhẹ và khí, những hợp chất chứa lưu huỳnh, có lẫn trong nước. Nhờ các cấu tử nhẹ, nước được tách ra sơ bộ ở tháp thứ nhất nên trong các ống xoắn của lò và tháp thứ 2 không có hiện tượng gây áp suất lớn như trong trường hợp trên, mặt khác những hợp chất chứa lưu huỳnh gây ăn mòn thiết bị, đã được thoát ra ở đỉnh tháp thứ nhất, nên trong tháp chưng chính thứ 2 không cần thiết kế vật liệu đắt tiền, có độ bền cao và không bị ăn mòn, có thể sử dụng thép thường để chế tạo tháp thứ 2. Nhờ những hydrocacbon nhẹ được loại ra ở tháp thứ nhất cho phép là đun dầu làm việc với hệ số trao đổi nhiệt lớn, giảm bớt đáng kể công suất cần thiết của lò đun dầu chính. Nhờ loại bỏ được nước ngay ở tháp thứ nhất, nên tháp chính thứ hai làm việc hoàn toàn an toàn. Nhược điểm của sơ đồ này là phải đun nóng dầu trong lò với nhiệt độ sôi cao hơn 5á100C so với sơ đồ so với sơ đồ a (do các phân đoạn nhẹ và phận đoạn nặng bốc hơi riêng lẻ). Có thể hạn chế hay thủ tiêu hiện tượng này bằng cách cho hơi nước vào những ống cuối cùng của lò để giảm áp suất riêng phần của các hydrocacbon. Dùng sơ đồ này là lợi nhất khi cần tách phần nhẹ để dùng vào một số mục đích đặc biệt. Sơ đồ này được áp dụng phổ biến trong quá trình chưng cất hiện nay. Sơ đồ C: hệ thống thiết bị bốc hơi hai lần và tinh luyện một lần trong tháp chưng luyện. Sơ đồ này dùng phổ biến ở sơ đồ này sự tinh luyện phần nhẹ và phần nặng xảy ra đồng thời trong cùng một tháp chính thứ 2 như vậy có phần nào làm giảm bớt nhiệt độ đung nóng dần trong lò. Giới thiệu một số sơ đồ chưng cất 1. Sơ đồ công nghệ của hãng Foster Wheeler USACOR(Hình ) .Mô tả sơ lược hoạt động của công nghệ : Dầu thô được đốt nóng sơ bộ ở thiết bị (1). Sau đó qua thiết bị tách muối (2), và được đun nóng trực tiếp qua thiết bị (3), ở đây nhiệt thu hồi từ sản phẩmvà dòng hồi lưu. Dầu thô được cấp nhiệt đến 5500 F bởi thiết bị (4) lúc đó nhiệt ra là 675 – 7250F.Dòng nhiệt này được sử dụng đưa vào cột chưng tách (5) .Tại đây ta thu được naphta nhẹ,naphta nặng, kerosen, diezel và nhiên liệu cặn…Tại đáy tháp phần cặn chưng cất ở áp suất khí quyển được thiết bị (11) cấp nhiệt thường là 7507750F rồi . Dòng này được đưa vào thiết bị chưng chân không (12) . Chú thích : 1.Thiết bị đốt nóng sơ bộ ; 2. Thiết bị tách muối ; 3. Thiết bị trao đổi nhiệt ; 4. Thiết bị đốt nóng ; 5. Cột chưng cất ; 6. Thiết bị xử lý hơi quá nhiệt (7,8,9,10) tháp chưng tách phụ ; 11. Lò đốt ; 12. Tháp chưng cất chân không. Sơ đồ công nghệ của hãng FW -USA-CORP 2. 2. Sơ đồ chưng cất dầu thô loại hai tháp + Hoạt động của dây chuyền : Dầu thô sau khi được tách bớt nhiều parafin được cho vào bể chứa (1)và sau đó dược bơm (8) bơm vào lắng (2), ở đây phần đá và phần nhựa trong dầu được lắng xuống. Dầu thô sau khi được lắng nhờ bơm (8) bơm vào thiết bị tách muối và nước (3), trước khi vào thiết bị (3) đầu thô được gia nhiệt nhờ các thiết bị trao đổi nhiệt (11) để tận dụng nhiệt ở thiết bị (3) nước và muối khoáng trong dầu được tách ra nhờ điện trưòng. Sau đó dầu thô được cho qua các thiết bị trao đổi nhiệt (11) để đạt được nhiệt độ khoảng 2050 và đi vào tháp chưng sơ bộ (4) .ở đây phần nhẹ trong dầu được tách ra đi qua đỉnh tháp qua thiết bị nhưng tụ (13). Sau đó vào bể chứa (7), ở bể chứa (7) một phần dầu nhẹ được cho vào đỉnh tháp (4) để ổn định nhiệt độ trong tháp, còn một phần cho vào tháp ổn định (15). Phần dầu thô còn lại sau khi ra khỏi đáy tháp (4) đựơc cho vào lò đốt (5), ở đây dầu được gia nhiệt 3603800C. Sau đó cho vào tháp chưng chính (6) phần dầu nhẹ bay lên được ngưng tụ (13) và cho vào bể chứa (7). Một phần ở đây được cho hồi lưu tại đỉnh tháp (6) để ổn định nhiệt độ trong tháp, phần còn lại cho vào tháp tách xăng nặng (14) khí không ngưng tụ ở (7) được cho vào tháp phân đoạn ổn định (15). ở cạnh sườn tháp (6) các phân đoạn kerosen,gasoil nhẹ, gasoil nặng được tách ra và cho vào thiết bị bay hơi (14) ở đáy một lượng hồi lưu trở lại tháp (6) để ổn định nhiệt trong tháp . Phần còn lại được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (11) để tận dụng nhiệt . Sau đó cho qua các thiết bị trao đổi làm sạch (12) rồi đưa ra ngoài ta thu được các phân đoạn kerosen, gasoil nhẹ, gasoil nặng.Phần nhẹ ở tháp (6) sau hồi lưu cho qua tháp tách xăng nặng (14) ở đáy tháp này nhiệt độ khoảng 1600C nên phần nặng của xăng khoảng nhiệt độ sôi lớn hơn 950C được tách ra ở dạng lỏng và đi ra ở đáy tháp, một phần được hồi lưu trở lại ở đáy tháp, phần còn lại cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (11) để tận dụng nhiệt và đi ra ngoài qua thiết bị làm lạnh (12) ở đây ta thu được xăng nhẹ , Phần nhẹ được tách ra đỉnh tháp (15), qua thiết bị làm lạnh (13) vào bể chứa (7) một phần cho hồi lưu trở lại tháp (15), phần còn lại hoà vào đường dẫn qua thiết bị trao đổi nhiệt (11) để tận dụng nhiệt. Sau đó được cho qua tháp ổn định (15) ở đáy tháp này với nhiệt đọ 1300C nên phần nhẹ của xăng từ C5 trở lên được tách ra ở dạng lỏng theo đáy tháp đi ra. ở đây một phần được hồi lưu trở lại đáy tháp (15) phần còn lại qua thiết bị làm sạch (12) ta thu được xăng nhẹ. ở đỉnh tháp (15) có nhiệt độ sôi khoảng 670C nên phần khí có C<5 được tách ra khỏi đỉnh tháp, qua thiết bị làm sạch (12) vào bể chứa (7). ở đây một phần khí không ngưng tụ cho ra ngoài được đưa đi đốt để lấy nhiệt lượng phần lỏng còn lại một phần cho hồi lưu trở lại tháp (25) , phần lạnh ở thiết bị (12) và thải ra ngoài, còn ở đáy tháp (6) phần còn lại chi qua thiết bị trao đổi nhiệt và làm lạnh ta thu được dầu cặn. VI. Lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ của quá trình chưng cất : Việc 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. Với dầu mỏ có chứa lượng khí hoà tan thấp (0,5 đến 1,2%), trữ lượng xăng thấp (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 phù hợp hơn cả nên ta chọn sơ đồ chưng cất AD với bay hơi một lần và một tháp tinh cất. .Ưu điểm: ở phần tháp chưng cất này ta tiến hành bay hơi phần nhẹ nó được lấy ra ở đỉnh tháp. Như vậy ta tách được phần khí hoà tan và xăng ra khỏi dầu. Phần đáy tháp ta thu được cặn. Phần còn lại trong tháp chưng cất được tiến hành chưng rồi thông qua phần tái bay hơi . Như vậy ở phần tháp tái bay hơi ta không cần phải thiết kế vật liệu đắt tiền , có độ bền và không bị ăn mòn, do những hợp chất chứa lưu huỳnh gây ăn mòn thiết bị ăn mòn được tách ra ở tháp chưng cất nên có thể sử dụng thép để chế tạo tháp tái bay hơi. Mặt khác nhờ những hydrocacbon nhẹ C1 – C11 phần cuối là các hydrocacbon nặng ( cặn), được loại ra ở tháp chưng cất làm giảm bớt đáng kể công suất cần thiết. Nên tháp chưng làm việc hoàn toàn an toàn . . Nhược điểm : Nhiều khí gây ăn mòn thiết bị, nhiều phần nhẹ thì thiết kế tháp chưng cất khó khăn hơn vật liệu đắt tiền . áp suất thường đường kính tăng, chiều cao H tăng. Hiện nay sơ đồ này có lợi nhất khi cần tách phần nặng để sử dụng vào một số mục đích đặc biệt. Sơ đồ này áp dụng phổ biến trong quá trình chưng cất hiện nay . Từ những vấn đề phân tích trên ta chọn sơ đồ chưng cất dầu thô loại một tháp: * Mô tả hoạt động của dây chuyền: Nguyên liệu dầu thô được qua thiết bị trao đổi nhiệt (6), sau đó đi vào thiết bị tách muối và nước (5) . Dầu sau khi đã tách nước và muối được đưa vào lò đốt nhiệt độ ra khỏi lò tháp là 3203600C . Sau đó đưa vào tháp chưng phân đoạn sản phẩm khí hydrocacbon và xăng. Ra khỏi đỉnh tháp . Khí hydrocacbon và xăng được đưa vào thiết bị làm lạch (4) rồi vào thùng chứa (9) phần khí nào là khí không ngưng tụ sẽ cho thoát ra ngoài hay áp dụng làm nguyên liệu khác còn một phần chất lỏng ngưng tụ cho tưới hồi lưu trở lại đỉnh tháp (7) khí và xăng còn từ bể chứa (9) cho qua tháp ổn định (10) ta thu được khí khô, LPG và xăng , tại cạnh sườn của tháp chưng cất (7) người ta tách ra ba phân đoạn cạnh sườn. Mỗi phân đoạn như vậy ta thu được kerosen, gasoil nhẹ , gasoil nặng thông qua tháp tái bay hơi. Còn phần cuối ở đáy tháp chưng cất (7) ta thu được phân đoạn cặn. * Chế độ công nghệ như sau : + Thiết bị tách muối và nước - Nhiệt độ đầu ,0C 130 – 1500C - áp suất,kg/cm2 9 – 12 kg/cm2 - Tiêu hao nước ,% so với dầu 3 – 8% thể tích dầu thô *Cột chưng AD Nhiệt độ ,0C; Cấp liệu 365 Đỉnh cột 146 Tại cửa ra của phân đoạn :180 – 230 196 Cửa ra tưói hồi lưu 1 216 Cửa ra của phân đoạn :230 – 280 246 Tưới hồi lưu 2 260 Cửa ra của phân đoạn :280 – 360 312 Đáy tháp 342 Tại thiết bị chứa 60 áp suất Mpa Tại đỉnh tháp 0,25 ở thiết bị chứa 0,20 Chỉ số hồi lưu ,kg/kg 1,4/1 Tiêu hao hơi ,% so với phân đoạn 180 – 2300C 2 230 – 2800C 1 28 – 3600C 0,5 > 3600C 2,5 VII. thiết bị chính trong dây chuyền Thiết bị góp phần quan trọng nhất trong dây chuyền công nghệ chưng cất dầu mỏ thô bằng áp suất thường là: VII.1. Tháp chưng cất Để có hiệu quả phân tích tốt, quá trình tiếp xúc pha trong tinh luyện phải xảy ra đồng đều triệt để. Do vậy, người ta phải trang bị các cơ cấu bên trong tháp nhằm đạt mục đích này. Trong tháp chưng gồm hai phần: phần phía trên đĩa nạp liệu của tháp thực hiện quá trình làm tăng nồng độ của cấu tử nhẹ trong pha hơi nên gọi là phần tinh luyện. Còn phần phía dưới đĩa nạp liệu của tháp thực hiện quá trình tách pha hơi của pha lỏng và làm tăng nồng độ cấu tử của cấu tử nặng trong cặn nên gọi là phần chưng. Do vậy, phần đáy tháp cung cấp thêm nhiệt hay phải đưa thêm tác nhân bay hơi vào. Mức độ phân tích tốt hay không tốt phụ thuộc vào số đĩa được bố trí trong tháp và lượng hồi lưu. Nếu số đĩa lý thuyết quá ít thì tách không rõ ràng, nhưng nếu số đĩa quá lớn thì dẫn đến chiều cao của tháp quá lớn, gây khó khăn cho chế độ lắp ráp, tăng vốn đầu tư, trong khi chỉ cần đạt đủ độ phân tách để nhận các phân đoạn dầu. Trong thực tế có các loại tháp chưng sau: Tháp đệm. Tháp đĩa chụp Tháp đĩa sàng. Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng cất Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng cất 1. Nguyên liệu vào tháp 2. Bể chứa 3. Hồi lưu vào tháp 4. Thiết bị ngưng tụ và làm lạnh 5. Thân tháp chưng cất 6. Các đĩa 7. Thiết bị đun sôi 8. Bể chứa cặn 9. Bể chứa sản phẩm đỉnh. 1 V 2 3 IV I II III 4 5 VII.1.1 Tháp đệm 1- Thành tháp 2- Bộ phận phân phối chất lỏng hồi lưu 3- Lớp đệm 4- Bộ phận phân phối hơi 5- Vùng đệm có tấm chắn. I. Nguyên liệu II. Sản phẩm đỉnh III. Hồi lưu đỉnh IV. Hồi lưu đáy V. Sản phẩm đáy Các đệm trong tháp là các vòng bằng gốm: Để bề mặt tiếp xúc phía trong vòng gốm người ta làm các tấm chắn, người ta xếp đệm trên các đĩa có hai loại lỗ khác nhau. Các lỗ nhỏ (phía dưới) để chất lỏng đi qua và lỗ lớn (phía trên) để cho hơi đi qua. Nhược điểm của loại đĩa này là: tiếp xúc giữa pha hơi và pha lỏng không tốt. Nhưng khi dùng tháp có đường kính nhỏ hơn 1 m, thì hiệu quả của tháp này không kém tháp đĩa chóp, vì vậy chúng thường dùng để chưng luyện gián đoạn với công suất thiết bị không lớn. VII.1.2 Tháp đĩa chụp Loại đĩa này được sử dụng rộng rãi trong chưng cất dầu mỏ và sản phẩm dầu mỏ. Các đĩa chụp có nhiều dạng khác nhau bởi cấu tạo của chụp và cấu tạo của bộ phận chảy chất lỏng. Đĩa hình chóp là các đĩa kim loại mà trong đó có cấu tạo nhiều lỗ để cho hồi đi qua. Theo chu vi các lỗ người ta bố trí trong nhánh có độ cao xác định gọi là cốc, nhờ có ống nhánh này giữ mức chất lỏng xác định. Phía trên các ống nhánh là các chụp. Khoảng giữa ống nối và chụp có vùng không gian cho hơi đi qua, đi từ đĩa dưới lên đĩa trên. 2 3 1 6 5 4 7 8 1- Tấm 2- ống chảy truyền 3- Chụp 4- ống nhánh 5- Lỗ chụp cho hơi qua 6- Không gian biên 7- Tấm chắn để giữ nước chất lỏng trên đĩa 8- Thành thép. Nguyên lý cấu tạo đĩa chụp: 2 6 3 5 4 2 1 Tháp đĩa chụp hình máng Chụp; 2. Máng; 3. Tấm điều chỉnh chảy; 4. Tấm chảy; 5. Tíu chảy; 6. Vùng được Mức chất lỏng ở các đĩa được giữ nhờ tấm chắn, phần chất lỏng thừa qua tấm chắn sẽ theo ống chảy chuyền cho xuống đĩa dưới. Đĩa chụp hình máng có cấu tạo đơn giản và rất vệ sinh. Loại này có nhược điểm cơ bản là diện tích sủi bọt bé (chỉ khoảng 30% diện tích của đĩa), điều đó làm tăng tốc độ hơi và tăg sự cuốn chất lỏng đi. Đĩa chụp hình chữ S: 1 2 1. Chụp hình chữ S 2. ống chảy chuyền Mức chất lỏng ở các đĩa được giữ nhờ tấm chắn, phần chất lỏng thừa qua tấm chắn sẽ theo ống chảy chuyền cho xuống dưới. Loại đĩa hình chữ S dùng cho các tháp làm việc ở áp suất không lớn (như áp suất khí quyển). Công suất của các đĩa cao, cao hơn loại đĩa lòng máng là 20%. Đĩa chụp supap: 2 1 Van đóng Van mở một nửa Van mở hết 1. Van; 2.Quai kẹp Loại này có hiệu quả làm việc tốt, khi mà tải trọng thay đổi theo hơi và chất lỏng và phân loại này phân chia rất triệt để. Đĩa supap khác với các đĩa khác là làm việc trong chế độ thay đổi và có đặc tính động học. Sự hoạt động của van phụ thuộc vào trọng tải của hơi từ dưới lên trên, hay chất lỏng từ trên xuống. VII.1.3 Tháp đĩa sàng: 1 2 3 1. Lớp chất lỏng 2. Các lỗ sàng 3. ống chảy chuyền Lớp chất lỏng một có chiều cao khoảng 25 á 30mm. Giữ ở trên các đĩa, hơi qua các lỗ sàng 2, và làm sủi bọt qua lớp chất lỏng, lớp chất lỏng trên đĩa mà dư thì chảy tho ống chảy chuyền 3 xuống dưới. Loại đĩa này yêu cầu chế độ không đổi, vì rằng như khi giảm hiệu suất thiết bị sẽ làm giảm sự gặp nhau giữa dòng hơi và dòng lỏng, dò hết xuống, làm cho đĩa trở ra, khi tăng công suất thì làm tăng dòng hơi gặp nhau, và lượng lớn hơi, cấu tử nặng đi ra khỏi chất lỏng làm phá vỡ cân bằng trong tháp và làm giảm sự phân chia trong tháp. Nói chung có nhiều loại đĩa, nhưng được sử dụng phổ biến nhất là loại đĩa chụp hình máng, đĩa chụp hình chữ S, đĩa chụp tròn, đĩa supap. VII.2 thiết bị đun nóng VII.2.1. Đun nóng bằng khói lò Không khí Khí thải 3 4 2 1 Nhiên liệu Khói lò được tạo ra bằng cách đốt nhiên liệu trong lò (1) sau đó đi vào phòng trộn (2), ở phòng này cho thêm khí vào làm lạnh vào để điều chỉnh nhiệt độ của khói lò, lượng không khí cho vào lò phụ thuộc nhiệt độ cần điều chỉnh để đun nóng. Để giảm lượng trong ống khói lò người ta có thể dùng khí thải (khói lò sau khi đã đun nóng) để trộn lẫn. Đun nóng bằng khói lò được dùng rất phổ biến nhất là trong hoàn cảnh nước ta hiện nay, phương pháp này có thể đạt được nhiệt độ 1000C. Khói lò được tạo thành khí đốt cháy các nhiên liệu rắn hoặc lỏng hay khí trong lò đốt. Sơ đồ đun nóng bằng khói lò 1. Lò đốt; 2. Phòng trộn; 3. Thiết bị truyền nhiệt; 4. Quạt. Ưu điểm: Có thể tạo được nhiệt độ cao, nhưng có nhiều nhược điểm. Nhược điểm: Hệ số cấp nhiệt rất nhỏ (không quá 100 W/m2 độ) do đó thiết bị cồng kềnh. Nhiệt dung riêng thể tích nhỏ nên đòi hỏi phải dùng một lượng khói rất lớn để làm việc. Đun nóng không được đồng đều vì khói lò vừa cấp nhiệt vừa nguội đi, khó điều chỉnh nhiệt độ đun nóng nên dễ có hiện lượng quá nhiệt từng bộ phận và gây ra phản ứng phụ không cần thiết. Khói lò thường có bụi và khí độc của nhiên liệu (nhất là nhiên liệu rắn) do đó, khi đun nóng gián tiếp bề mặt truyền nhiệt bị bám cặn, còn đun nóng các chất dễ cháy dễ bay hơi thì không an toàn. Trong khói lò luôn còn một không khí ngoài trời, ở nhiệt độ cao khi tiếp xúc với thiết bị sẽ oxy hoá kim loại làm hỏng thiết bị, hiệu suất sử dụng nhiệt thấp, lớn nhất là 30%. VII.2.2. Thiết bị đun nóng lò ống Cấu tạo lò: Cấu tạo lò phụ thuộc vào dạng của nhiên liệu và phương pháp đốt, loại thường gặp là loại ống. 2 1 3 4 5 7 6 8 Lò ống: 1. Lò đốt 2. Phòng trộn 3. Cửa hút không khí 4. Quạt 5. Cửa 6. Phòng đặt thiết bị truyền nhiệt 7. Thiết bị truyền nhiệt 8. Cửa ra Hình trên là cơ sở cấu tạo của lò ống. Khói lò tạo thành trong lò đốt (1) do quá trình cháy nhiên liệu (rắn, lỏng hoặc khí). Khi vào phòng trộn (2) khói lò được giảm nhiệt độ nhờ không khí bị hút qua quạt (4) thổi vào cửa (3). Trong phòng (2) khói lò đi từ dưới lên qua cửa (5) vào phòng (6), tiếp tục đi từ trên xuống rồi ra ngoài theo cửa (8). Trong phòng (6) có đặt thiết bị truyền nhiệt loại ống (7). Khói lò đi ngoài ống có sản phẩm cần đun nóng đi ở phía trong. VII.3. thiết bị trao đổi nhiệt khác Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp: Dựa vào cấu tạo bề mặt truyền nhiệt, ta có thể chia thiết bị truyền nhiệt gián tiếp thành các loại như sau: loại vỏ bọc, loại ống. VII.3.1. Loại vỏ bọc 1 2 3 2 1 Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài 1. Thiết bị; 2. Vỏ bọc; 3. Mặt bích Sơ đồ kết cấu của vỏ bọc ngoài làm việc ở áp suất cao 1. Vỏ thiết bị; 2. Vỏ bọc ngoài a) Vỏ bọc ngoài (2) bọc ghép chắc vào thiết bị (1) bằng mặt bích (3) hoặc hàn điện, giữa hai lớp vỏ tạo thành khoảng trống kín, chất tải nhiệt sẽ vào khoảng trống đó để đun nóng hoặc làm nguội. Chiều cao của vỏ ngoài không được thấp hơn mức chất lỏng trong thiết bị, bề mặt truyền nhiệt không lớn quá 10 m2, áp suất làm việc của hơi đốt không quá 10 at. Cấp nhiệt của chất tải nhiệt trong thiết bị, ta thường đặt cánh khuấy để tăng tốc độ tuần hoàn. b) Khi cần làm việc ở áp suất cao thì vỏ ngoài có cấu tạo đặc biệt. Vỏ ngoài (2) làm tấm thép có khoét nhiều lỗ, các lỗ này hàn liền vào vỏ (1). áp suất làm việc của loại này có thể đến 75 at. VII.3.2. Loại ống Loại này bề mặt truyền nhiệt có dạng hình ống. Căn cứ vào tính chất làm việc và cấu tạo của thiết bị có thể xếp mấy kiểu: - ống xoắn - Kiểu lưới - Kiểu ống lồng ống. a) ống xoắn: thiết bị truyền nhiệt kiểu ống xoắn là một trong những loại thiết bị đơn giản nhất. Nó gồm các đoạn thẳng nối với nhau bằng khuỷu gọi là xoắn gấp khúc, hoặc các ống uốn cong theo trôn ốc gọi là xoắn ruột gà, khi làm việc một chất tải nhiệt đi ngoài ống eòn một chất tải nhiệt khác đi trong ống. Ưu điểm: Cơ chế đơn giản, có thể làm bằng các vật liệu chống ăn mòn, dễ kiểm tra và sửa chữa. Nhược điểm: Cồng kềnh, hệ số truyền nhiệt nhỏ, hệ số cấp nhiệt phía ngoài bé, khó làm sạch phía trong ống, trợ lực thuỷ lực lớn hơn ống thẳng. b) Loại ống tưới Thiết bị trao đổi nhiệt loại tưới. 4 2 3 1 Nước I Nước 1- Máng tưới; 2- ống truyền nhiệt; 3- Khuỷu nối; 4- Máng chứa nước. Loại này thường dùng để làm lạnh và ngưng tụ, cất lỏng phun ở ngoài ống. Thường là nước tưới ở ngoài ống chảy lần lượt từ trên xuống ống dưới 3 rồi chảy vào máng chứa. Khi trao đổi nhiệt sẽ có một phần nước bay hơi, khoảng 1 á 2% lượng nước đưa vào tưới. Khi bay hơi như vậy nó sẽ lấy một phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng ở trong ống, do đó lượng nước dùng làm nguội ở đây ít hơn so với các loại thiết bị làm nguội khác. Ưu điểm: Lượng nước làm lạnh ít, cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch ở trong ống, khi nối ống bằng mặt bích thì làm sạch cũng dễ. Nhược điểm: Cồng kềnh, khi cung cấp nước ít thì lượng nước bay hơi tăng, do đó phải đặt chỗ thoáng nhưng tránh gió. Khi lượng nước quá ít thì các ống phía dưới sẽ bị khô, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt. c) ống lồng ống Loại thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn gồm có hai ống lồng vào nhau. ống (1) của đoạn này nối thông với ống trong của đoạn khác, và ống ngoài (2) của đoạn này nối thông với ống ngoài của đoạn khác. Để dễ thay thế người ta nối bằng ống khuỷu (3) và ống nối (4) có mặt bích. Chất tải nhiệt (1) đi trong ống từ dưới lên, còn chất tải nhiệt (2) đi trong ống ngoài từ trên xuống. Khi năng suất lớn ta đặt nhiều dãy làm việc song song. Ưu điểm của loại ống lồng ống là hệ số truyền nhiệt lớn vì ta có thể tạo ra tốc độ lớn ở cả hai chất tải nhiệt, cấu tạo đơn giản; nhưng có nhược điểm là cồng kềnh, giá thành cao vì tốn kém nhiều kim loại, khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống. 4 1 2 3 II II I I . 1- ống trong 2- ống ngoài 3- Khuỷu nối 4- Máng chứa nước d. Loại thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm: Thiết bị này được dùng phổ biến trong công nghiệp hoá chất có ưu điểm là có cấu tạo gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn. Thiết bị đơn giản của loại này là loại ống chùm kiểu ống đứng, gồm có: vỏ hình trụ, hai đầu hàn hai lưới ống, các ống truyền nhiệt được ghép chắn, vén vào lưới ống. Đáy và nắp nối với vỏ bằng mặt bích có bu lông ghép chắc. Trên vỏ, nắp và đáy có cửa để dẫn chất tải nhiệt. Thiết bị được đặt trên giá đỡ nhờ tai đỡ hàn vào vỏ. Chất tải nhiệt I đi vào đáy dưới qua các ống lên trên và ra khỏi thiết bị, còn chất tải nhiệt II đi từ cửa trên của vỏ vào khoảng trống giữa ống và vỏ rồi ra phía dưới. Các ống lắp trên lưới ống cần phải vén. Cách bố trí ống trên lưới ống thường có 3 kiểu, bố trí theo hình 6 cạnh, hoặc theo đường tròn đồng tâm, có khi người ta xếp theo đường thẳng hàng. Nhược điểm của thiết bị này là vật liệu chế tạo khó khăn như gang, thép, silic…