GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu TRƯỜNG ĐH MỎ - ĐỊA CHẤT BỘ MÔN LỌC – HÓA DẦU -----------:----------- ĐỒ ÁN MÔN HỌC CÔNG NGHỆ LỌC DẦU Câu 1. Sử dụng các dữ liệu tính toán tại mục 3.4 giáo trình công nghệ lọc dầu của tác giả Phan Tử bằng (NXB Xây Dựng, 2002) ngoại trừ dữ liệu vị trí đĩa lấy sản phẩm, anh (chị) hãy xác định vị trí lấy xăng nặng khi biết nhiệt độ lấy xăng nặng là: 158 o C. Câu 2. Xây dựng sơ đồ điều khiển và mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất trong câu 1 để thay đổi nhiệt độ vùng lấy xăng nặng tăng lên 10 o C. GVHD: Nguyễn Anh Dũng SVTH: Nguyễn Văn Bình SVTH: Nguyễn Văn Bình 1 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
TRƯỜNG ĐH MỎ - ĐỊA CHẤT
BỘ MÔN LỌC – HÓA DẦU
-----------:-----------
ĐỒ ÁN MÔN HỌC
CÔNG NGHỆ LỌC DẦU
Câu 1.
Sử dụng các dữ liệu tính toán tại mục 3.4 giáo trình công nghệ lọc dầu của tác giả
Phan Tử bằng (NXB Xây Dựng, 2002) ngoại trừ dữ liệu vị trí đĩa lấy sản phẩm, anh (chị)
hãy xác định vị trí lấy xăng nặng khi biết nhiệt độ lấy xăng nặng là: 158oC.
Câu 2.
Xây dựng sơ đồ điều khiển và mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất trong câu
1 để thay đổi nhiệt độ vùng lấy xăng nặng tăng lên 10oC.
GVHD: Nguyễn Anh Dũng SVTH: Nguyễn Văn Bình
Lớp: Lọc Hóa Dầu B-K53
STT: 04
SVTH: Nguyễn Văn Bình 1 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
2.1. Đặt vấn đề.............................................................................................................................10
2.2. Giải quyết vấn đề.......................................................................................................................14
2.2.1. Xác định vị trí lấy phân đoạn xăng nặng...........................................................................14
2.2.2. Xây dựng sơ đồ điều khiển và mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất trên để thay đổi nhiệt độ vùng lấy sản phẩm xăng nặng tăng lên 10oC.......................................................................17
2.2.2.1. Xây dựng sơ đồ điều khiển tháp chưng cất để nâng nhiệt độ vùng lấy xăng nặng lên 10oC 18
2.2.2.2. Mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất để tăng nhiệt độ vùng lấy sản phẩm xăng nặng lên 10oC....................................................................................................................................22
KẾT LUẬN......................................................................................................................................24
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................25
SVTH: Nguyễn Văn Bình 2 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
LỜI MỞ ĐẦU
Dầu mỏ được khai thác từ lòng đất và đã trải qua một quá trình làm sạch sơ bộ gọi là
dầu thô. Việc sử dụng trực tiếp dầu thô là không kinh tế và không thuận lợi. Chính vì thế
mà cần phải chế biến dầu thô thành các sản phẩm tiện dụng khác. Trong công nghiệp chế
biến dầu, dầu thô sau khi đã được xử lý qua các quá trình tách nước, muối và tạp chất cơ
học sẽ được đưa vào chưng cất để phân chia dầu thành các phân đoạn. Bởi vì, để chế biến
dầu thô thành các sản phẩm thì việc đầu tiên và bắt buộc là phải phân nó thành các phân
đoạn bằng phương pháp chưng cất.
Chưng cất là phương pháp phân tách cơ bản nhất, đôi khi gần như là phương pháp
duy nhất được sử dụng trong một nhà máy để phân chia dầu mỏ và khí tự nhiên cũng như
các phân đoạn của chúng thành các phân đoạn và tiểu phân đoạn. Người ta cần chưng cất
không những dầu thô, khí đồng hành, khí tự nhiên mà cả các sản phẩm ra khỏi lò phản
ứng hóa học dùng trong các quá trình chế biến sâu dầu mỏ cũng như trong lĩnh vực hóa
dầu. Sự chưng cất được tiến hành trong các thiết bị chưng cất gồm tháp chưng cất và các
thiết bị phụ trợ khác như lò gia nhiệt, thiết bị làm lạnh,... và một điều không thể thiếu
được là hệ thống thiết bị điều khiển, thiết bị đo nhiệt độ, lưu lượng, áp suất,...
Bẩn chất của quá trình chưng cất dầu thô là phân tách các phân đọan hydrocacbon
khác nhau dựa vào nhiệt độ sôi của chúng. Đối với tháp chưng cất dầu thô khí quyển
thông thường người ta lấy ra các phân đoạn sản phẩm sau:
- Phân đoạn khí – xăng nhẹ: có nhiệt độ sôi nhỏ hơn 60oC, chứa các hydrocacbon từ
C1 – C4, C5.
- Phân đoạn xăng nặng: có nhiệt độ sôi từ 60oC đến 180oC, chứa các hydrocacbon
từ C6 – C10, C11.
- Phân đoạn kerosen: có nhiệt độ sôi từ 180oC đến 250oC, chứa các hydrocacbon từ
C11 – C14, C15.
- Phân đoạn gasoil: có nhiệt độ sôi từ 250oC đến 350oC, chứa các hydrocacbon từ
C15 – C20, C21.
SVTH: Nguyễn Văn Bình 3 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
- Phân đoạn cặn khí quyển: có nhiệt độ sôi lớn hơn 350oC và thành phần
hydrocacbon lớn hơn > C21.
Ngoài ra, để duy trì chế độ làm vệc ổn định, cũng như các điều kiện thông số vận
hành của tháp chưng cất thì cần phải xét đến hệ thống điều khiển trong tháp. Nhờ có hệ
thống điều khiển mà chúng ta dễ dàng thay đổi các thông số trong tháp, duy trì được chất
lượng các phân đoạn sản phẩm,.... Do đó hệ thống điều khiển là không thể thiếu được
trong tháp chưng cất.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Anh Dũng, là người trực tiếp giảng dạy, chỉ
bảo và hướng dẫn em để em có thể hoàn thành được đồ án này. Tuy nhiên, do còn có
nhiều mặt hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế nên trong đồ án sẽ không
tránh khỏi những sai sót. Vì vậy, em rất mong sự nhận xét và đóng góp ý kiến của Thầy
và bạn bè để em có thêm những kinh nghiệm cũng như kiến thức.
NỘI DUNG
SVTH: Nguyễn Văn Bình 4 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
1. Tổng quan về quá trình chưng cất
1.1. Cơ chế của quá trình chưng cất
Để hiểu rõ hơn về quá trình chưng cất cũng như việc bố trí các thiết bị đo lường và
điều khiển, ở đây em sẽ mô tả sự hình thành và hướng chuyển động của các dòng hơi và
dòng lỏng trong tháp chưng cất (hình 1.1). Trong hình 1.1 chỉ có hai phân đoạn được lấy
ra khỏi tháp chưng cất. Nếu cần lấy một phân đoạn sườn nào đó thì ta trích dòng lỏng
đang chảy xuống bằng cách cho nó chảy ra ngoài tại mỗi đĩa nào đó có nhiệt độ thích
hợp. Dòng nguyên liệu có thể được dẫn vào tháp chưng cất ở một đĩa nào đó có nhiệt độ
thích hợp. Đó là đĩa nạp liệu. Đĩa nạp liệu ở cao hay ở thấp là phụ thuộc vào nhiệt độ của
dòng nguyên liệu và theo thiết kế của tháp. Trong tháp chưng cất khí quyển đĩa nạp liệu
thường là một trong những đĩa dưới cùng.
Do sự trao đổi chất tốt ở các đĩa mà dòng hơi và dòng lỏng không ngừng mất bớt đi
và tăng lên trong toàn tháp, khi càng lên cao nhiệt độ tháp giảm dần do đó lượng hơi
giảm dần và lượng lỏng tăng dần. Dòng hơi đi từ dưới lên, xuyên qua lớp lỏng chảy tràn
ngang trên mặt đĩa như hình 1.3.
Người ta thường phân biệt dòng hồi lưu ngoài và dòng hồi lưu trong. Dòng hồi lưu
ngoài là dòng lỏng chảy trở về đỉnh tháp từ thiết bị ngưng tụ ở đỉnh tháp, nó có nhiệt độ
thấp hơn nhiều nhiệt độ đỉnh tháp nên còn được gọi là dòng hồi lưu lạnh. Dòng hồi lưu
ngoài lấy ngay ở đỉnh tháp, dòng hồi lưu ngoài dễ khống chế và dễ đo. Dòng hồi lưu
trong là dòng lỏng chảy trong tháp chưng cất. có nhiệt độ thay đổi theo từng đĩa ở trong
tháp chưng cất. Chính vì vậy mà nó còn có tên là dòng hồi lưu nóng. Trong một số
trường hợp người ta tạo dòng hồi lưu nóng bằng cách dẫn một dòng nguyên liệu lạnh nhờ
ống dẫn kín vào đỉnh tháp chưng cất như hình 1.3a.
Trong phương pháp hồi lưu vòng người ta trích một phần dòng lỏng tại một đĩa nào
đó đem ra ngoài trao đổi nhiệt rồi đưa trở về tháp chưng cất ở vị trí cao hơn đĩa lấy phân
đoạn đó vài ba đĩa như hình 1.3b.
SVTH: Nguyễn Văn Bình 5 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
Hồi lưu có tác dụng làm tăng độ phân tách của phép chưng cất nhưng gây hao phí
năng lượng. Hồi lưu vòng chủ yếu được dùng để giảm lưu lượng hơi đi qua một vùng có
liên quan, đặc biệt là trong những trường hợp dòng hơi quá lớn, vì dòng hồi lưu có nhiệt
độ thấp hơn đó tạo ra sự ngưng tụ một phần hơi đang bay lên. Hồi lưu vòng làm giảm khả
năng phân tách, các đĩa nằm trong vùng đó làm việc chủ yếu như thiết bị trao đổi nhiệt,
do đó nó làm tăng số đĩa cần có của tháp chưng cất lên một vài đơn vị.
Hình 1.1: Sự chuyển động và hướng chuyển động các dòng trong tháp chưng cất
SVTH: Nguyễn Văn Bình 6 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
Hình 1.2: Sự chuyển động của lỏng và hơi từ đĩa này tới đĩa kia
Dòng hơi tạo ra bởi thiết bị tái đun nóng (Reboiler) ở đáy tháp chưng cất đóng vai trò
hồi lưu hơi, có tác dụng tương đương dòng hồi lưu lạnh, nghĩa là làm tăng khả năng phân
tách.
Hình 1.3: a) Hồi lưu nóng; b) Hồi lưu vòng
Về lí thuyết, độ hồi lưu (Reflex Ratio) là tỉ số giữa dòng hồi lưu trong và distillat,
nhưng vì dòng hồi lưu trong thường chỉ biết được nhờ tính toán, khó đo trực tiếp, vả lại
nó thay đổi theo từng đĩa, chính vì vậy người ta thường coi tỉ số giữa dòng hồi lưu ngoài
và distillat là độ hồi lưu (còn gọi là chỉ số hồi lưu). Trong thực tế chưng cất dầu thô người
ta luôn kết hợp các phương pháp hồi lưu một cách hợp lí và linh động. Sự kết hợp đó
được thực hiện một cách khá đa dạng.
SVTH: Nguyễn Văn Bình 7 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
Trong hình 1.1 cho thấy là ở đĩa nạp liệu có sự thay đổi đột ngột hơn về lưu lượng
hơi và lưu lượng lỏng, vì tại đó ngoài dòng hơi từ dưới đi lên như ở các đĩa dưới lân cận
còn có dòng hơi vốn có sẵn trong nguyên liệu đã được đun nóng. Tình hình cũng như vậy
đối với dòng lỏng. Nguyên liệu vào tháp chưng cất luôn luôn là dầu thô ở dạng hỗn hợp
cân bằng lỏng hơi. Ở hình này ta thấy rõ hơn hình ảnh chuyển động của pha hơi và pha
lỏng ở trong tháp tại các đĩa dạng một bước (Single - Pass Tray) ở chế độ ôn hòa nhất,
tức là ở điều kiện các bóng hơi đi lên chui qua lớp lỏng đang chảy ngang trên mặt đĩa mà
không làm bắn tung tóe, làm bắn quá nhiều lớp lỏng lên phía trên. Khi dòng hơi phụt lên
quá mạnh, lớp chất lỏng trên đĩa bị phun lên, "sôi" và dâng cao lên, các giọt lỏng có thể
theo dòng hơi, bị cuốn lên qua các lỗ hơi mà không tập hợp thành dòng chảy xuống đĩa
dưới theo ống chảy chuyền. Khi đó tác dụng của đĩa bị giảm sút hoặc thậm chí không
còn.
1.2. Một số loại tháp chưng cất cơ bản
Cũng có thể phân biệt chưng cất ra thành quy trình một lần như trong phòng thí
nghiệm để tách một hóa chất tinh khiết ra khỏi hỗn hợp, và chưng cất liên tục, như trong
các tháp chưng cất trong công nghiệp. Trong nhiều trường hợp có một tỷ lệ nhất định của
hỗn hợp hai chất lỏng mà không thể tiếp tục tách bằng phương pháp chưng cất được nữa.
Các hỗn hợp này được gọi là hỗn hợp đẳng phí. Nếu muốn tăng nồng độ của cồn phải
dùng đến các phương pháp tinh cất đặc biệt khác.
Có thể sử dụng các loại tháp chưng cất sau:
- Tháp chưng cất dùng mâm xuyên lỗ hoặc mâm đĩa lưới;
- Tháp chưng cất dùng mâm chóp;
- Tháp đệm (tháp chưng cất dùng vật chêm).
Nhận xét về ưuđiểm và nhược điểm của từng loại tháp chưng cất:
Tháp mâm xuyên lỗ
- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, vệ sinh dễ dàng, trở lực thấp hơn tháp chóp, ít tốn kim
loại hơn tháp chóp.
SVTH: Nguyễn Văn Bình 8 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
- Nhược điểm: yêu cầu lắp đặt cao, mâm lắp phải rất phẳng, đối với những tháp có
đường kính quá lớn (> 2,4 m) ít dùng mâm xuyên lỗ vì khi đó chất lỏng phân phối
không đều trên mâm.
Tháp chóp
- Ưu điểm: hiệu suất truyền khối cao, ổn định, ít tiêu hao năng lượng hơn nên có số
mâm ít hơn.
- Nhược điểm: chế tạo phức tạp, trở lực lớn.
Tháp đệm
- Ưu điểm: chế tạo đơn giản, trở lực thấp.
- Nhược điểm: hiều suất thấp, kém ổn định do sự phân bố các pha theo tiết diện
tháp không đều, sử dụng tháp chêm không cho phép ta kiểm soát quá trình chưng
cất theo không gian tháp trong khi đó ở tháp mâm thì quá trình thể hiện qua từng
mâm một cách rõ ràng, tháp đệm khó chế tạo được kích thước lớn ở qui mô công
nghiệp.
Bảng 1.1. So sánh ưu điểm và nhược điểm của các loại tháp
Loại Tháp chêm Tháp mâm xuyên lỗ Tháp mâm chop
Ưu điểm
- Đơn giản,
- Hiệu suất tương đối
cao,
- Trở lực thấp.
- Hoạt động khá ổn định.
- Hoạt động ổn định.
Làm việc với chất
lỏng bẩn.
- Hiệu suất cao
Nhược điểm
- Cấu tạo phức tạp.
- Độ ổn định kém.
- Trở lực lớn.
- Hiệu suất thấp.
- Yêu cầu lắp đặt khắt khe
-> lắp đĩa thật phẳng.
- Thiết bị nặng.
- Không làm việc
với chất lỏng bẩn.
- Trở lực lớn.
SVTH: Nguyễn Văn Bình 9 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
Hình 1.4: Một số loại mâm tháp điển hình
2. Đồ Án
2.1. Đặt vấn đề
Một dầu thô được chưng cất khí quyển có đặc chưng về đường chưng cất TBP, về tỷ
khối và phân tử lượng như bảng 2.1. Ở đây chúng ta coi giá trị của tỷ khối bằng giá trị
của khối lượng riêng.
Bảng 2.1. Đặc trưng của dầu thô, tỷ khối d = 0,840, Kw = 12,3
Phần chưng
cất [% V]
Nhiệt độ
[oC]
Tỷ khối tức
thời
Phần chưng
cất [% V]
Nhiệt độ
[oC]
Tỷ khối tức
thời
3
5
10
15
20
25
61
79
120
139
168
0,682
0,706
0,729
0,752
0,767
40
45
50
55
60
65
272
296
322
349
375
0,821
0,836
0,849
0,861
0,869
SVTH: Nguyễn Văn Bình 10 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
25
30
35
196
222
252
0,781
0,793
0,807
65
70
75
401
427
461
0,877
0,885
0,891
Hình 2.1: Đường đặc trưng TBP và tỷ khối tức thời của dầu thô
Căn cứ vào TBP có thể chia dầu thô thành 6 phân đoạn sau bằng phương pháp chưng
cất khí quyển:
- Phân đoạn khí: 1% thể tích
- Phân đọan xăng nhẹ: 12% thể tích
- Phân đoạn xăng nặng: 16% thể tích
SVTH: Nguyễn Văn Bình 11 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
Vùng đỉnh tháp
Vùng xăng nặng
Vùng kerosen
Vùng Gas Oil
Vùng nạp liệu
Vùng đáy tháp
Dầu thô
AR
Hơi nước
Kerosen
Xăng nặng
Gas Oil
Nước
Xăng nhẹ
PĐ khí
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
- Kerosen: 6% thể tích
- Gas oil: 16% thể tích
- Cặn khí quyển AR 49% thể tích
Giả sử tháp có công suất khoảng 120m3 dầu thô/h, áp suất đỉnh tháp là 1,5 atm, áp
suất gây ra tại mỗi đĩa là 8 mmHg, tháp có 24 đĩa và đĩa nạp liệu ở dưới 24 đĩa đó như ở
hình 2.2.
Hình 2.2: Sơ đồ tháp chưng cất khí quyển
Đặc trưng của các phân đoạn trong quá trình chưng cất dầu thô được thể hiện trên bảng 2.2.
SVTH: Nguyễn Văn Bình 12 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
Bảng 2.2. Đặc trưng của các phân đoạn
(coi số đo tỷ khối bằng số đo khối lượng riêng, * ở thể lỏng; **h: kí hiệu chỉ giờ)
Phân đoạn %VThể tích
[m3/h]
Tỷ khối
d
Khối lượng
[tấn/h]
Phân tử
lượng
Số
kmol/h**
Khí + mất
Xăng nhẹ
Xăng nặng
Kerosen
Gas Oil
1
12
16
6
16
1,2
14,4
19,2
7,2
19,2
0,667*
0,722
0,775
0,806
0,873
0,800
10,397
14,880
5,803
16,070
64
99
140
183
220
12,50
105,05
106,29
31,69
73,05
∑ 51 61,2 0,783 47,950 146 328,58
AR 49 58,8 0,900 52,850 430 122,91
Dầu thô 100 120,0 0,840 100,800 223 451,49
Phân đoạn xăng nặng được lấy ra ở nhiệt độ 258oC của tháp chưng cất, phân đoạn ra
khỏi tháp chưng cất được stripping 5%.
Đường TBP của phân đoạn xăng nặng cũng chính là đoạn đường TBP tương ứng của
phân đoạn xăng năng trên đường TBP của dầu thô đã cho.
Những vấn đề cần giải quyết
1. Xác định vị trí lấy phân đoạn xăng nặng.
2. Xây dựng sơ đồ điều khiển và mô tả quá trình điều khiển tháp chưng cất trên để thay
đổi nhiệt độ vùng lấy sản phẩm xăng nặng tăng lên 10oC.
SVTH: Nguyễn Văn Bình 13 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
Thápstripping
W0 W1
W2
Đĩa lấy xăng nặng
T2 = 204 oC
V3 R3
R3
W3
S3
L3
W3
L3’ = 32 m3/h
V2R2 Wo R2W1
L2
S2
W2
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu
2.2. Giải quyết vấn đề
2.2.1. Xác định vị trí lấy phân đoạn xăng nặng
Sơ đồ dòng vùng lấy xăng nặng được thể hiện trên hình 2.3.
Hình 2.3: Sơ đồ dòng vùng xăng nặng
Số liệu liên quan đến vùng lấy xăng nặng được cho trong bảng 2.3.
Bảng 2.3. Số liệu liên quan đến vùng lấy xăng nặng (ở nhiệt độ T3 = 158oC)
Dòng Nhiệt độ
[oC]
Tỷ khối Thể tích
[m3/h]
Khối lượng
[kg/h]
Entanpy
[kcal/kg] [kcal/h]
Vào
V2 (hơi)
R2 (hơi)
S2 (hơi)
R3 (lỏng)
Wo + W1+W2
212
212
212
158
212
0,759
0,804
0,775
0,772
-
42,0
0,38
31880
68360
295
R3
8345
185
180
184
88
691
5897800
12304800
54280
88R3
5766395
Ra
V3 (hơi) 158 0,749 34,8 26077 156 4068012
SVTH: Nguyễn Văn Bình 14 Lớp Lọc Hóa Dầu B – K53
GVHD: Nguyễn Anh Dũng Đồ Án Môn Học: Công Nghệ Lọc Dầu