Thiết kế hệ thống điều khiển cho tháp chưng cất phân đoạn đơn

c lao động của con người, nâng cao chất lượng, số lượng sản phẩm sản xuất ra. Hiện đại hoá, tự động hoá còn giúp con người làm việc trong những điều kiện khắt khe nhất. Để giúp cho đất nước phát triển rực rỡ hơn nữa, sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá hoàn hảo hơn nữa thì chúng ta, đặc biệt là thế hệ sinh viên, những người nghiên cứu về điều khiển tự động phải luôn học hỏi, tìm tòi, sáng tạo để có khả năng mang kiến thức và sức lực của bản thân giúp ích cho đất nước. Công nghệ chế biến dầu khí là một trong những công nghệ đòi hỏi phải hoàn toàn tự động hoá cực kỳ hiện đại. Trên thế giới hầu hết các nhà máy lọc dầu đều được trang bị các hệ thống điều khiển, giám sát bằng máy tính rất hiện đại. ở Việt Nam, công cuộc khai thác và chế biến dầu mỏ mới chỉ ở bước phát triển ban đầu. Chúng ta từ chỗ phải sử dụng nhiên liệu xăng dầu nhập khẩutiến đến tự sản xuất lấy dầu mỏ. Vấn đề xây dựng hệ thống điều khiển trong quá trình chế biến dầu mỏ còn khá mới mẻ đối với sinh viên, chính vì vậy mà đây chính là cơ hội cho em để được tìm hiểu, học hỏi, nghiên cứu về đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn sự chỉ dạy tận tình của thầy giáo Nguyễn Quý Hùng trong suốt quá trình làm đề tài này. Em xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Điều khiển tự động. Em xin cảm ơn với tất cả tấm lòng biết ơn sâu sắc nhất. Chương 1 Sơ lược về dầu khí và công nghệ chế biến dầu mỏ Sự ra đời và phát triển của công nghiệp chế biến dầu khí trên thế giới và ở việt nam. Công nghiệp chế biến dầu khí trên thế giới. Công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời vào năm 1859 khi mà Edwin Drake (Mỹ) khai thác được dầu thô. Lúc bấy giờ lượng dầu thô khai thác được rất ít,chỉ vàI nghìn lít/ngày và chỉ phục vụ cho mục đích thắp sáng. Nhưng chỉ một năm sau đó,không chỉ riêng ở Mỹ mà ở các nược khác người ta đã tìm thấy dầu. Từ đó sản lượng khai thác ngày càng được tăng lên rất nhanh. Chúng ta có thể thấy rõ điều này từ các số liệu cho dưới đây. Lượng dầu thô (không kể khí đốt) đã khai thác được trên thế giới: Năm Sản lượng (triệu tấn) 1860 0,1 1880 4,2 1900 19,9 1920 96,9 1930 296,5 1945 354,6 1950 524,8 1955 770,1 1960 1051,5 1965 1503,2 1970 2336,2 1975 2709,1 1980 3067,1 1985 3624,0 Riêng ở Việt nam năm 1997 sản lượng là 10,1 triệu tấn. Từ các số liệu trên cho thấy thế giới đã khai thác và chế biến một sản lượng dầu khổng lồvà với tốc độ tăng trưởng hàng thập niên rất nhanh (tăng gấp đôi trong khoảng 10 năm cho đến năm 1980). Ngành công nghiệp dầu do tăng trưởng nhanh đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của thế kỷ 2. Đặc biệt từ sau đại chiến thứ II, công nghiệp dầu khí phát triển nhằm đáp ứng 2 mục tiêu chính là: Cung cấp các “sản phẩm năng lượng” cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp và các sản phẩm về dầu mỡ bôi trơn. Cung cấp các hoá chất cơ bản cho ngành tổng hợp hoá dầu và hoá học,tạo ra sự thay đổi lớn về cơ cấu phát triển các chủng loại sản phẩm của ngành hoá chất, vật liệu. Hoá dầu đã thay thế hoá than đá và vượt lên công nghiệp chế biến than. Công nghiệp chế biến dầu phát triển mạnh là nhờ các đặc tính quý riêng của nguyên liệu dầu mỏ mà nguyên liệu từ than và các khoáng chất khác không thể có, đó là giá thành thấp, thuận tiện cho quá trình tự động hoá, dễ khống chế các điều kiện công nghệ và có công suất chế biến lớn, sản phẩm thu được có chất lượng cao, ít tạp chất và dễ tinh chế, dễ tạo ra nhiều chủng loại sản phẩm đáp ứng mọi nhu cầu của ngành kinh tế quốc dân. Những sản phẩm nănh lượng từ dầu khí dễ sử dụng, dễ điều khiển tự động lại sach sẽ hầu như không có tro xỉ. Do vậy, ngày nay sản phẩm năng lượng dầu mỏ đã chiếm tới 70% tổng số năng lượng tiêu thụ trên thế giới. Trong tương lai gần, tỷ trọng năng lượng do dầu khí cung cấp có giảm đi một chút (còn khoảng 60% đến 65%), một phần do người ta tìm kiếm và áp dụng các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, một phần do xu thế tăng mục tiêu chế biến dầu cho sản xuất các hoá chất cư bản, nhưng dầu khí hiện vẫn là nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp năng lượng cho thế giới. Trong số các sản phẩm năng lượng dầu mỏ, trước hết phải kể tới nhiên liệu xăng. Xăng cho động cơ ngày nay đã được nâng cấp rất nhiều về chất lượng,hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu của động cơ có tỷ số nén cao, hoạt động ổn định trong mọi điều kiện, không có hoặc rất ít các độc tố có hại cho người sử dụng và môi trường. Tiếp theo là các nhiên liệu phản lực và nhiên liệu diesel. Các dạng nhiên liệu này đã góp phần phát triển các động cơ có kích thước gọn nhưng lại có công suất lớn, có tải trọng cao,hiệu suất nhiệt hiệu dụng cao hơn nhiều so với động cơ xăng trước đây có cùng kích thước. Nhiên liệu công nghiệp từ dầu khí cũng có nhiều đặc tính quý mà các dạng nhiên liệu khác như than đá không thể có được, đó là giá thành rẻ, dễ tự động hoá trong sử dụng, ít tạp chất và có nhiệt năng cao. Bên cạnh các sản phẩm năng lượng, các sản phẩm phi năng lượng như các loại dầu mỡ bôi trơn và các loại dầu công nghiệp cũng chiếm phần quan trọng không kém. Tất cả các máy móc hay nói đúng hơn là mọi chi tiết chuyển động từ rất nhỏ (ví dụ như các chi tiết trong đồng hồ) đến các chi tiết khổng lồ trong máy nâng cần cẩu đều cần có dầu bôi trơn. Người ta ví dầu mỡ bôi trơn như là nguồn máu nóng trong động cơ, thiếu nó các động cơ không thể làm việc bình thường được. Đa số các sản phẩm dầu ,ỡ bôi trơn dầu được chế tạo từ dầu mỏ. Các sản phẩm hoá chất cơ bản từ công nhiệp dầu có độ tinh khiết cao, giá thành hạ, nên có chỉ số kinh tế cao. Chúng đã góp phần làm tăng nhanh các mặt hàng nhu yếu phẩm cho nền kinh tế quốc dân, từ các vật dụng hàng ngày như vải sợi, chất dẻo, nhựa, đến các loại thuốc nhuộm, phân bón, thuốc nổ, thuốc trừ sâu…đều được chế ra từ dầu khí và ngày nay đã chiếm tới 90% tổng số các hợp chất hữu cơ trong công nghiệp hoá chất. Do đòi hỏi ngày càng cao hơn về số lượng và chất lượng của nhiên liệu và các sản phẩm hoá chất khác từ dầu mỏ nên công nghiệp chế biến dầu đòi hỏi phải tăng năng suất và chất lượng các sản phẩm dầu, tự động hoá việc chế biến dầu là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu đó. Trong các chà máy lọc dầu trên thế giới hiện nay đều trang bị các hệ thống điều khiển giám sát hiện đại, kiểm soát tất cả các quá trình trong chế biến dầu. Nói chung, công nghiệp dầu khí không thể tách rời việc tự động hoá và điều khiển tự động. Sự phát triển của công nghệ chế biến dầu ở Việt nam. ở Việt nam, dầu khí đã được phát hiện và ngày 26/6/1986, tấn dầu đầu tiên đã khai thác được từ mỏ dầu Bạch Hổ. Tiếp theo nhiều mỏ dầu khí ở thềm lục địa phía nam đã đi vào khai thác như mỏ Đại Hùng, mỏ Rồng, mỏ Rạng Đông… Hiện nay chúng ta có 3 mỏ dầu quan trọng được khai thác là: Mỏ Bạch Hổ: Bắt đầu khai thác từ năm 1986. Tổng sản lượng khai thác đạt trên 30 triệu tấn. Sản lượng khoảng 7 – 9 triệu tấn/năm. Có thể khai thác trong vài năm nữa rồi giảm dần. Mỏ Rồng: Bắt đầu khai thác từ năm 1994, song sản lượng chưa nhiều, đạt 12.00 – 18.000 thung/ngày. Mỏ Đại Hùng: Bắt đầu khai thác từ năm 1994, sản lượng 32.000 thung/ngày. Như vậy tổng sản lượng dầu thô cả 3 mỏ trong năm 1994 là 7 triệu tấn, năm 1995 là 8 triệu tấn, năm 1997 chúng ta đã khai thác tới 10,1 tấn dầu không kể khí và dự kiến năm 2000, sản lượng dầu khí của ta có thể đạt 25 đến 30 triệu tấn dầu quy đổi (kể cả khí). Song song với các mỏ dầu, mhiều mỏ khí đã được phát hiện như mỏ Tây Lan, Lan Đỏ do công ty BP phát hiện, trữ lượng ước tính 57 tỷ m3 khí thiên nhiên. Cũng theo tính toán của công ty BP, trữ lượng tiềm năng khí của Việt nam khoảng 300 – 400 tỷ m3. Hiện nay có 2 mỏ đan được lhai thác là: Mỏ Tiền Hải (Thái Bình): là mỏ khí thiên nhiên trong đất liền, được khai thác từ năm 1991. Đây là mỏ khí nhỏ, hàng năm cung cấp 10 – 30 triệu m3 khí cho công nghiệp địa phương. Mỏ Bạch Hổ: là dạng khí đồng hành đi kèm khi khai thác dầu. Khi khi khai thác mỗi tấn dầu có thể thu được 180 – 200 m3 khí đồng hành. Sản lượng của khí này là 1,5 tỷ tấn/năm. Với sản lượng dầu mỏ và khí đốt khai thác ngày càng tăng, nước ta đã bắt đầu tiến hành xây dựng nhà máy chế biến dầu đầu tiên với công suất 6 triệu tấn/năm. Đồng thời hàng loạt dự án về sử dụng và chế biến khí đồng hành cũng như chuẩn bị xây dựng nhà máy chế biến dầu thứ 2 đang được phê duyệt. Để công nghiệp chế biến dầu khí của nước ta phát triển cả về lượng và chất, đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp khác trong cả nước thì chúng ta phải tăng năng suất và chất lượng của các sản phẩm dầu, muốn vậy thì trong các nhà máy chế biến dầu khí cần phải tự động hoá thật hiện đại. Một số đặc điểm của dầu khí. Trong thiên nhiên, dầu mỏ nằm ở dạng chất lỏng nhờn, dễ bắt cháy. Khi khai thác, ở nhiệt độ thường dầu thô có thể lỏng hoặc đông đặc, có màu từ vàng đến đen, còn khí hydrocacbon thường ở dạng hoà tan trong dầu (khí đồng hành), hay ở dạng nén ép trong các mỏ khí (khíthiên nhiên). Dầu khí không phải là một đơn chất mà là một hỗn hợp rất phức tạp của nhiều chất (có thể đến hàng trăm chất). Sự khác nhau về số lượng cũng như hàm lượng của các hợp chất có trong dầu khí dẫn đến sự khác nhau về thành phần của dầu ở các mỏ khác nhau và so với các khoáng chất khác. Thành phần hoá học của dầu khí. Trong dầu thô có chứa tới hàng trăm hợp chất khác nhau, nhưng nguyên tố cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là cacbon C và hydro H (C chiếm 82 –87%, H chiếm 11 –14%). Ngoài các nguyên tố cơ bản trên còn có các nguyên tố khác như lưu huỳnh S (0,1 – 7%), nitơ (0,001 – 1,8%), oxy O(0,05 – 1%) và một lượng rất nhỏ các nguyên tố khác. Các hợp chất hydrocacbon phổ biến nhất trong dầu khí có thể trình bày như sau: Hydrocacbon parafin RHp: Các Hydrocacbon parafin có công thức tổng quát là CnH2n+2, trong đó năng lượng là số nguyên tử cacon trong mạch. Hydrocacbon naphtetic RHn (còn gọi là cycloparafin): Loại hợp chất này có công thức tổng quát là CnH2n. Hydrocacbon thơm RHA (Hydrocacbon aromatic): Hydrocacbon thơm có công thức tổng quát CnH2n-6. Các hợp chất phi Hydrocacbon: thường gặp nhất là các hợp chất của lưu huỳnh, nitơ, oxy, các chất nhựa, asphanten và kim loại. Nói chung thì các hợp chất phi Hydrocacbon đều có hại cho dầu mỏ trong quá trình chưng cất nên chung cần phải được loại bỏ. Các đặc tính quan trọng của dầu thô. Tỷ trọng. Tỷ trọng là khối lượng dầu so với khối lượng của nước ở cùng một nhiệt độ và thể tích. Tỷ trọng của dầu dao động trong khoảng rộng tuỳ thuộc vào từng loại dầu, thông thường nó có giá trị từ 0,8 đến 0,99. Tỷ trọng của dầu là một tính chất vô cùng quan trọng trong đánh giá chất lượng của dầu thô và giá của nó trên thị trường thế giới. Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu. Độ nhớt đặc trưng cho tính lưu biến của dầu cũng như ma sát nội tại của dầu. Do vậy, độ nhớt cho phép đánh giá khả năng bơm vận chuyển và chế biến dầu, đámh giá khả năng bôi trơn, tạo sương mù khi bơm vào động cơ, lò đốt. Thành phần phân đoạn. Trong dầu thô có nhiều phân đoạn khác nhau, dựa vào tên sản phẩm chế biến dầu thô được chia thành các phân đoạn như: Phân đoạn khí: bao gồm các hydrocacbon từ C1 đến C4. Phân đoạn xăng: gồm có các hợp chất có nhiệt độ sôi vào khoảng từ 30oC tới 180oC. Phân đoạn kerosen: gồm có các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 180oC tới 250oC (hoặc 300oC). Phân đoạn gasoil: gồm có các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 250oC tới 350oC. Cặn chưng cất ở áp suất thường hay còn gọi là mazut có nhiệt độ sôi trên 350oC. Phân đoạn dầu nhờn: gồm có các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 350oC tới 500oC. Phân đoạn gudron, bitum có nhiệt độ sôi trên 500oC. Các phân đoạn xăng, kerosen, gasoil là các sản phẩm có màu sáng nên còn gọi là các sản phẩm trắng và chưng cất ở áp suất khí quyển. Còn phân đoạn dầu nhờn phải chưng cất ở chân không. Nhiệt độ sôi trung bình. Là thông số quan trọng trong đánh giá và tính toán công nghệ chế biến dầu. Hệ số đặc trưng K. Được dùng để phân loại dầu thô, tính toán thiết kế hay chọn công nghệ chế biến thích hợp, K có quan hệ với tỷ trọng, trọng lượng phân tử và cả trị số octan hay xetan của sản phẩm dầu. K được tính theo công thức sau: Trong đó: Tm: nhiệt độ sôi trung bình tính theo độ Rankine (oR). d: tỷ trọng của dầu. Dầu thô Việt nam thuộc họ dầu parafinic trong số các mỏ dầu đang khai thác hiện nay ở Việt nam, thông qua các nghiên cứu về dầu mỏ Bạch Hổ và Đại Hùng ta có thể rút ra ngững tính chất đặc trưng quan trọng: Dầu thô Việt nam thuộc loại nhẹ vừa phải, có tỷ trọng nằm trong giới hạn 0.830 – 0.850. Đặc tính này quyết định tổng hiệu suất sản phẩm trắng (xăng, diezel, kerosen) trong dầu thô cao hay thấp. Dầu càng nhẹ tổng hiệu suất càng cao và dầu đó càng có giá trị. Đối với dầu thô Việt nam, tổng hiệu suất sản phẩm trắng từ 50% - 60% khối lượng dầu thô. Dầu thô Việt nam là loại dầu sạch, chứa rất ít các độc tố, rất ít lưu huỳnh, nitơ, kim loại nặng. Mỏ Bạch Hổ chứa 0.03% - 0.05% lưu huỳnh, dầu thô Đại Hùng chứa 0.08%. Những loại dầu thô ít lưu huỳnh như vậy trên thế giới rất hiếm. 1.3. Các quá trình chế biến vật lý trong lọc dầu. Các quá trình chế biến vật lý là nhóm các quá trình mà trong đó thành phần của các cấu tử trong dầu thô không hề bị biến đổi, chúng chỉ bị phân chia thành các nhóm có tính chất gần giống nhau bằng cách áp dụng các phương pháp phân chia vật lý như chưng cất, nhưng trước hết ta hãy nghiên cứu một khâu quan trọng trong chưng cất đó là làm sạch các hợp chất phi hyđrocacbon lẫn trong dầu khí. 1.3.1. Chuẩn bị nguyên liệu dầu khí trước khi chế biến. Trong dầu thô ngoài phần chủ yếu là hyđrocacbon còn lẫn nhiều tạp chất cơ học, đất đá, nước và cả muối khoáng và các tạp chất khác, chúng lẫn vào dầu chủ yếu ở dạng nhũ tương nên rất khó tách ở điều kiện bình thường, nếu không tách các tạp chất này, khi vận chuyển, lưu trữ, chưng cất dầu thì chúng sẽ tạo cặn bùn và các hợp chất ăn mòn dẫn đến phá hỏng thiết bị. Quá trình chuẩn bị nguyên liệu gồm có: 1.3.1.1. ổn định dầu nguyên khai. ổn định dầu nguyên khai thực chất là việc tách bớt phần nhẹ. Dầu nguyên khai còn chứa các khí đồng hành và các khí phi hyđrocacbon, đại bộ phận chúng dễ tách khi giảm áp suất sau khi phun ra khỏi giếng khoan, nhưng vẫn còn một phần nhỏ lẫn vào trong dầu và phải tách chúng ra trước khi đưa chúng vào nhằm mục đích hạ áp suất hơi khi chưng cất và nhận thêm nhiều nguyên liệu cho chế biến dầu. Muốn như vậy, phải tiến hành chưng cất ở áp suất cao, khi đó thì khí (cấu tử từ C4) sẽ bay hơi … 1.3.1.2. Tách các hợp chất cơ học, nước và muối. Để tách các tạp chất cơ học, nước, muối ra khỏi dầu, trong các nhà máy lọc dầu hiện nay đều sử dụng phương pháp dùng điện trường. Đây là phương pháp hiện đại, công suất lớn, quya mô công nghiệp và dễ tự động hoá, được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy lọc dầu hiện nay. Phương pháp này dùng điệ trường để phá nhũ, tách muối và nước ra khỏi dầu, bản thân các tạp chất là các hạt dễ nhiễm điện tích, nếu ta dùng điện trường mạnh sẽ làm thay đổi điện tích, tạo điều kiện ho các hạt đông tụ hay phát triển làm tăng kích thước, như vậy, chúng sẽ lắng xuống và ta dễ dàng tách chúng ra khỏi dầu. Điện áp giữa hai cực để tạo ra điện trường dùng trong phương pháp này thường từ 26.000V trở lên. 1.3.2. Quá trình chưng cất dầu thô. Chưng cất dầu thuộc nhóm các phương pháp chế biến vật lý, quá trình này chia dầu thô thành các phần gọi là các phân đoạn, thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử mà không làm phân huỷ chúng. Có hai phương pháp chưng cất là chưng cất trong khí quyển AD (Atmospheric Distillation) và chưng cất trong chân không VD (Vacuum Distillation). Cưng cất trong khí quyển AD với nguyên liệu là dầu thô hay còn gọi là quá trình CDU (Crude oil Distillation Unit), nguyên liệu của quá trình chưng cất VD là cặn của quá trình chưng cất AD (cặn chưng cất hay mazut). Tuỳ theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình mà người ta sử dụng quá trình AD, quá trình VD hay kết hợp cả hai (A-V-D), phương pháp A-V-D đang đựoc áp dụng rộng rãi trong các nhà máy lọc dầu hiện đại trên thế giới. Khi áp dụng công nghệ AD, ta chưng cất dầu thô với mục đích nhận được các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng), phân đoạn kerosen, phân đoạn diesel (nhẹ, nặng) va các phần cặn của quá trình chưng cất. Nếu muốn chưng cất sâu thêm phần cặn thô nhằm mục đích nhận thêm các phân đoạn gasoil chân không hay các phân đoạn dầu nhờn thì ta phải chưng cất tiếp phần cặn thô bằng công nghệ VD. Sau đây trình bày cấu tạo bên trong một tháp chưng cất đơn giản. Hình 1.1: Cấu tạo của một tháp chưng cất đơn giản. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất là dựa vào nhiệt độ sôi khác nhau của các cấu tử, hơi nhẹ bay lên, ngưng tụ thành lỏng. Tuỳ theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình thành chưng cất đơn giản, chưng cất phức tạp, chưng cất nhờ cấu tử bay hơi, hay chưng cất chân không. * Chưng cất đơn giản. Chưng cất bay hơi dần dần: phương pháp này thường áp dụng trong các phòng thí nghiệm, dùng để xác định đường cong chưng cất dầu. Chưng cất bằng cách bay hơi một lần: phương pháp này còn gọi là bay hơi cân bằng. Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần: gồm nhiều quá trình chưng cất bay hơi một lần nối tiếp nhau. * Chưng cất phức tạp. Chưng cất có hồi lưu: là quá trình chưng cất khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay trở lại tưới vào dòng bay hơi, nhờ sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm các cấu tử nhẹ so với khi không có hồi lưu. Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế chặt chẽ về nhiệt độ và lượng hồi lưu. Chưng cất có tinh luyện: chưng cất có tinh luyện còn có độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu. Trong quá trình chưng cất có tinh luyện có sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau, quá trình này được thực hiện trong tháp tinh luyện nhờ các đĩa được bố trí bên trong. Chưng cất trong chân không và chưng cất với hơi nước: hỗn hợp các cấu tử trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi nhiệt độ cao. Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ của chúng thì ta phải tiến hành chưng cất ở chân không vì chân không làm giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp hoặc chưng cất với hơi nước vì hơi nước làm giảm áp suất riêng của các cấu tử làm cho nó có nhiệt độ sôi thấp hơn, khi chưng cất với hơi nước thì phải lựa chọn lượng hơi nước đem chưng cất cùng với nhiệt độ và áp suất của nó. 1.3.3. Chế độ công nghệ và sơ đồ công nghệ chưng cất dầu khí. 1.3.3.1. Các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình chưng cất. Các yếu tố và thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp đến năng 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 vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục đích và yêu cầu của quá trình, chủng loại sản phẩm,từ đó xây dựng dây chuyền công nghệ hợp lý để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất. Chế độ của tháp chưng luyện. Nhiệt độ là thông số quan trọng nhất của tháp chưng cất, bằng cách thay đổi chế độ nhiệt của tháp sẽ hiệu 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 nguyên liệu: được khống chế tuỳ thuộc vào bản chất của từng loại dầu thô, mức độ phân tách sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp. Chủ yếu là phải tránh được sự phân huỷ nhiệt của các cấu tử ở nhiệt độ cao, nhiệt độ của nguyên liệu vào được điều khiển thông qua nhiệt độ của lò ống. - Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần hồi lưu đáy. Nếu bay hơi phần hồi lưu đáy bằng một thiết bị đốt nóng riêng biệt (reboiller) thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt độ bốc hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp. Nếu bốc hơi bằng phương pháp dùng hơinước quá nhiệt nhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn nhiệt độ vùng nạp nguyên liệu. Nhiệt độ tại đáy tháp phải chọn tối ưu, tránh phân huỷ các cấu tử nặng mhưng cũng phải đủ để bay hơi hết phần nhẹ. - Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi hoàn toàn của sản phẩm đỉnh mà không bị cuốn theo các sản phẩm nặng. Để tách các sản phẩm nặng ra khỏi sản phẩm đỉnh, làm tinh khiết hơn sản phẩm đỉnh thì phải dùng hồi lưu đỉnh tháp, nhiệt độ đỉnh tháp khi chưng cất khí quyển thường từ 100-200oC, khi chưng cất chân không với áp suất là từ 10 đến 70 mmHg thì nhiệt độ không được quá 120oC. áp suất của tháp chưng. Khi chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển thì áp suất tuyệt đối trong tháp thường cao hơn một chút so với áp suất khí quyển, ở mỗi phần sản phẩm lấy ra cũng có áp suất khác nhau. áp suất trong tháp chưng được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh áp suất đặt ở thiết bị ngưng tụ. Khi chưng cất ở áp suất chân không thì áp suất thường được khống chế từ 10 đến 70 mmHg, độ chân không càng sâu thì cho phép chưng cất sâu hơn nhưng sẽ dẫn đến sự khó khăn cho việc chế tạo thiết bị. Chỉ số hồi lưu. Là tỷ lệ của lượng dầu hồi lưu so với lượng dầu sản phẩm, chỉ số hồi lưu càng cao thì sản phẩm ra càng tinh khiết nhưng lượng sản phẩm lấy ra càng ít, do đó phải tính toán chỉ số hồi lưu phù hợp để sản phẩm ra có độ tinh khiết cần thiết nhưng vẫn phải đảm bảo năng suất. Chỉ số hồi lưu cũng có thể dựa trên lượng dầu hồi lưu và lượng dầu nguyên liệu vào. Để duy trì sự làm việc ổn định của tháp chưng cất, cần phải 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 thì chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn và do đó lượng chất lỏng càng nhiều, có thể dẫndeens hiện tượng sặc tháp, làm giảm hiệu quả phân tách. Nếu các điều kiện khác trong tháp là cố định thì sản phẩm đỉnh, sản phẩm cạnh sườn và cả sản phẩm đáy sẽ nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên. Nhiệt độ đáy tháp quá thấp thì sản phẩm đáy sẽ chứa nhiều phần nhẹ. Nếu nhiệt độ cấp vào đáy tháp quá thấp, lượng hơi trên các khay chứa đĩa sẽ nhỏ hơn, phần lỏng chảy xuống bộ phận chưng càng nhiều. Với sơ đồ chưng cất có sử dụng thiết bị reboiller, nhiệt độ của reboiller quá thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và do đó làm tăng lượng cặn. Nếu nhiệt độ đỉnh quá cao , sản phẩm sẽ quá nặng và có nhiều sản phẩm hơn so với thiết kế và ngược lại. Nhiệt độ cần thiết để tách phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn khi tách các phân đoạn nhẹ. Cần chú ý đến lượng nước làm lạnh sản phẩm đỉnh, vì nếu lượng nước không đủ thì nhiệt độ tháp quá cao, dẫn đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. 1.3.3.2. 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 phụ thuộc vào các đặc tính của nguyên liệu và mục đích của quá trình chế biến. Có thể lựa chọn sơ đồ công nghệ theo đặc tính của nguyên liệu mhư sau: Đối với dầu mỏ có chứa khí hoà tan thấp (0,5 đến 1,2%), trữ lượng xăng thấp (12 đến 15% phân đoạn có nhiệt độ sôi đến 180oC) và hiệu suất các phân đoạn có nhiệt độ sôi tới 350oC không lớn hơn 45% thì sơ đồ chưng cất AD với bay hơi một lần và tháp chưng cất là phù hợp hơn cả. Đối với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng sản phẩm trắng cao (50 đến 60%), chứa nhiều khí hoà tan (>1,2%), chứa nhiều phân đoạn xăng (20 đến30%) thì nên chọn sơ đồ chưng cất AD với bay hơi hai lần. Lần thứ nhất tiến hành bay hơi sơ bộ phần nhẹ và tinh cất chúng ở tháp sơ bộ, lần thứ hai tiến hành chưng cất phần dầu còn lại. Sơ đồ công nghệ chưng cất với tháp bay hơi sơ bộ được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy của Liên bang Nga và Tây Âu hiện nay, sơ đồ này cho phép đặt được độ sâu chưng cất cần thiết và linh hoạt hơn khi liên kết các khối AD và VD với các loại nguyên liệu dầu thô khác nhau. Trong phạm vi đồ án không đề cập chi tiết đến từng loại sơ đồ công nghệ AD bay hơi một lần, bay hơi hai lần hay sơ đồ công nghệ VD. Tuy nhiên, để tiện nghiên cứu cho các phần sau và để tiện cho người đọc có cái nhìn tổng quát về công nghệ chưng cất dầu hiện nay, xin trình bày sơ đồ công nghệ chưng cất A-V-D có kết hợp quá trình khử nước, muối bằng điện, có nhận nguyên liệu cho sản xuất BTX (Bezen, Toluen, Xylen – các hydrocacbon mạch vòng cho tổng hợp hữu cơ) sau đây: Hình 1.2: Chưng cất AVD có nhân nguyên liệu cho sản xuất BTX. 1.Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Khử muối, nước bằng điện; 3. Tháp chưng sơ bộ; 4. Làm lạnh ngưng tụ; 5. Bể chứa; 6,9,13. Lò ống; 7. Cột phân đoạn chính ở áp suất khí quyển; 8. Cột tách phụ; 10. Tháp chưng chân không; 12. Thiết bị tách khí; 13. Bể lắng; 14. Tháp khử butan; 16,17,18,19. Tháp phân chia xăng; 20. Thiết bị đốt nóng; Nguyên lý hoạt động của sơ đồ: Ban đầu, nguyên liệu dầu thô và các chất khử nhũ tương được đưa vào đốt nóng trong các thiết bị trao đổi nhiệt 1, sau đó được đưa vào thiết bị khử nước và muối bằng điện 2. Thiết bị khử này sẽ tách nước và muối rồi lại dưa sản phẩm quay trở về 1 và cho vào tháp tách sơ bộ 3. Dầu sẽ được tách toàn bộ các cấu tử nhẹ của xăng và khí dầu tại tháp này. Các khí hyđrocacbon và xăng nhẹ sẽ nằm trên đỉnh tháp và được ngưng tụ trong thiết bị làm lạnh ngưng tụ bằng không khí và nước 4 và vào thùng chứa 5, một phần chất lỏng được tưới hồi lưu lại đỉnh tháp 3. Khí và xăng từ thùng chứa 5 được đưa vào tháp khử Butan 14. Tại đáy tháp 3, dầu sau khi đã được tách bớt xăng sẽ được cho đi qua lò đốt nóng 6. Qua đây, dầu có nhiệt độ cao được tách thành hai dòng, dòng nhỏ sẽ được đưa quay trở lại đáy tháp để điều chỉnh nhiệt độ đáy tháp, dòng chính sẽ dẫn vào tháp tách AD 7. Hơi bốc lên từ đỉnh tháp 7 sẽ qua các thiết bị ngưng tụ và làm lạnh rồi cho quay trở về thùng chứa 5 cùng với sản phẩm đỉnh tháp 3 và tháp khử Butan 14. Tháp chưng cất AD 7 sẽ được tách ra 3 phân đoạn cạnh xườn: 180oC-220oC; 220oC-280oC; 280oC-350oC. Mỗi phân đoạn được qua tách hơi phụ riêng biệt 8. Hơi nước quá nhiệt được đưa vào đáy của tháp chưng cất để tách hết các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp. Từ tháp 7, phần cặn rộng (cặn thô hay mazut) được qua lò ống gia nhiệt để làm nguyên liệu cho tháp chưng cất chân không VD 10. Tháp này sẽ tách ra gasoil chân không, phần đầu tiên sẽ được làm lạnh và một phần quay lại để tưới hồi lưu đỉnh, sản phẩm tiếp theo là phân đoạn tối màu hơn. Sản phẩm đáy là cặn gurdon, sau khi tách ra được là lạnh và cho hồi lưu đáy tháp để chỉnh nhiệt độ của cặn trong khoảng 320 – 330oC. Để tránh sự phân huỷ ở đáy tháp VD số 10 và lò ống 9 cũng như các thiết bị bốc hơi hydrocacbon và hơi nước tách ra từ đỉnh tháp chưng VD 10 được qua hệ thống tạo chân không sau khi đã được ngưng tụ trong thiết bị 4 rồi vào thiết bị tách hơi 12. Pha hơi được bơm chân 11 hút theo, còn pha lỏng cho qua thùng chứa 13 để phân tách riêng dầu và nước. Xăng chưa ổn định từ thiết bị 5 cho qua trao đổi nhiệt 1 vad đi vào ổn định trong tháp khử butan. Phần C1 – C4 tách ra ở đỉnh tháp, qua làm lạnh và được chia thành 2 phần, một phần cho hồi lưu và một phần được phân chia trong thiết bị phân chia khí thành khí ngưng tụ (LPG) và khí khô (C1 – C2). Xăng đã khử butan được cho qua chưng cất tiếp trong các tháp 16, 17, 18, 19 thành các phân đoạn hẹp: <62oC, 62oC - 85oC, 85oC - 105oC, 105oC-140oC, 140oC - 180oC và 85 – 180oC, dùng làm nguyên liệu cho các quá trình sản xuất benzen, toluen, xylen, hay để sản xuất có trị số octan cao bằng quá trình refoming xúc tác. 1.3.3.3. Chế độ công nghệ của dây chuyền. Thiết bị khử nước, muối. Nhiệt độ dầu (oC) áp suất (Mpa) Tiêu hao hơi(so với dầu) Cấp 1 135 1,2 5 Cấp 2 125 1,1 3 Cột tách sơ bố. Cấp liệu Đỉnh cột Đáy cột Tưới hl Nhiệt độ (oC) 205 155 240 70 áp suất (Mpa) 0,5 Chỉ số hồi lưu (Kg/Kg) 0,6/1 Cột chưng AD. Nhiệt độ cấp liệu (oC) 365 Nhiệt độ đỉnh cột (oC) 146 Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 180-230 (oC) 196 Nhiệt độ cửa ra tưới hồi lưu 1 (oC) 216 Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 230-280 (oC) 246 Nhiệt độ tưới hồi lưu 2 (oC) 260 Nhiệt độ cửa ra của phân đoạn 280-360 (oC) 312 Nhiệt độ đáy tháp (oC) 342 Nhiệt độ tại thiết bị chứa (oC) 60 áp suất tại đỉnh tháp (Mpa) 0,25 áp suất tại thiết bị chứa (Mpa) 0,20 Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 180-230 (oC) 2 Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 230-280 (oC) 1 Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) 280-360 (oC) 0,5 Tiêu hao hơi (% so với phân đoạn) > 360oC 2,5 Chỉ số hồi lưu (Kg/Kg) 1,4/1 Tháp chưng chân không VD. Nhiệt độ cấp liệu (oC) 395 Nhiệt độ đỉnh cột (oC) 125 Nhiệt độ tại cửa ra của gasoil nhẹ (oC) 195 Nhiệt độ tại cửa ra của phân đoạn dầu nhờn rộng (oC) 260 Nhiệt độ tại cửa ra của phân đoạn dầu tối màu (oC) 300 Nhiệt độ tại đáy tháp (oC) 352 áp suất chân không ở đỉnh tháp (kPa) 8 Tháp khử butan. Nhiệt độ cấp liệu (oC) 145 Nhiệt độ đỉnh tháp (oC) 75 Nhiệt độ đáy tháp (oC) 190 Nhiệt độ thùng chứa (oC) 55 áp suất đỉnh cột 1,1 áp suất thùng chứa 1,05 Chỉ số hồi lưu (Kg/Kg) 3,5/1 Các cột phân chia xăng. Cột 16 17 18 19 Nhiệt độ cấp liệu (oC) 154 150 117 111 Nhiệt độ đỉnh tháp (oC) 134 132 82 96 Nhiệt độ đáy tháp (oC) 202 173 135 127 Chỉ số hồi lưu (Kg/Kg) 1,3/1 2,4/1 4/1 2,2/1 áp suất đỉnh tháp (Mpa) 0,45 0,13 0,35 0,20 áp suất đáy tháp (Mpa) 0,42 0,10 0,32 0,17 Quá trình chưng cất dầu khí là một quá trình đòi hỏi rất gắt gao về chế độ làm việc của từng khâu.Theo chế độ công nghệ như trên, phải thiết kế các hệ thống điều khiển để cho hệ thống làm việc ổn định, các thông số ở một khâu nào đó phải thoả mãn yêu cầu, như vậy sản phẩm ra mới đáp ứng được chất lượng. Chương 2. Các thông số công nghệ và sơ đồ công nghệ 2.1. Đặt vấn đề. Do thời gian giới hạn nên trong phạm vi đồ án không thể xây dựng hệ thống điều khiển cho toàn bộ công nghệ chưng cất ADV như hình 1.2, vấn đề đặt ra làchọn một khâu trong dây chuyền công nghệ và thiết kế hệ thống điều khiển cho khâu đó. Để giải quyết vấn đề này, chọn cột phân tách sơ bộ để thiết kế hệ thống điều khiển là một giải pháp hợp lý vì cột phân tách sơ bộ là một tháp chưng cất phân đoạn dơn điển hình,trong khi hầu như tất cả các khâu chế biến trong sơ đồ chưng cất ADV đều dựa trên nguyên lý hoạt động của tháp chưng cất phân đoạn. Việc thiết kế hệ thống điều khiển cho cột tách sơ bộ._.