Thiết kế tháp chưng cất dầu nặng năng suất 3.000.000 tấn/năm

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 1















Đồ án môn học

Thiết kế tháp chưng cất dầu nặng
Năng suất 3.000.000 tấn/năm

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 2




Bộ giáo dục và đào tạo Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam
Trường Đại học Bách Khoa Hà nội Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
***** o O o

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Họ và tên: MAI XUÂN ĐÔNG
Khoá học: Hoá dầu QN _ K-48 Khoa: Công nghệ hoá học
Ngành học : Công nghệ hữu cơ - Hoá dầu

1.Đầu đề thiết kế:
Thiết kế tháp chưng cất dầu nặng

Năng suất 3.000.000 tấn/năm
2. Nội dung phần thuyết minh và tính toán:
- Tổng quan lý thuyết.
- Tính toán công nghệ.
3. Các bản vẽ (Ghi rõ các loại bản vẽ và kích thước các bản vẽ)
- Bản vẽ thiết bị phản ứng chính - khổ A
1
.
4. Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Lê Văn Hiếu.
5. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 18_02_2008.
6. Ngày hoàn thành nhiệm vụ thiết kế: 05_03_2008.


Ngày tháng năm 2008
Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Hữu Trịnh Lê Văn Hiếu

Kết quả điểm đánh giá
- Quá trình thiết kế :
- Điểm duyệt :
- Bản vẽ thiết kế :






SVTH:mai xuân đông

Trang 3




CHNG I
CễNG NGHệ CHƯNG CấT Dầu thô
Chng ct du thụ l mt quỏ trỡnh ch bin vt lý trong ú cỏc cu t cú
trong du thụ khụng h b bin i m chỳng ch c phõn chia n thun thnh
cỏc nhúm sn phm gi l cỏc phõn on. Phng phỏp ny bao gm quỏ trỡnh sụi
v bay hi hn hp cht lng sau ú ngng t hi v lm lnh bng nc. Nh vy
hi nh bay lờn ngng t thnh lng, cht lng thu c ny s tinh khit hn
nguyờn liu ban u m thnh phn cht vn khụng thay i. Thc cht ca quỏ
trỡnh chng ct l da trờn s khỏc nhau v nhit sụi ca cỏc cu t trong hn
hp lng. õy l quỏ trỡnh quan trng nht trong nh mỏy tinh ch nhm tỏch cỏc
sn phm ỏp ng nhu cu th trng.
I. Vai trò, mục đích và ý nghĩa của quá trình chng cất:
1.Vai trũ:
Quỏ trỡnh chng ct l quỏ trỡnh u tiờn lm c s cho cỏc quỏ trỡnh ch bin
khỏc. V phõn xng chng ct du thụ l phõn xng quan trng s 1 trong mi
nh mỏy lc du, cú nú thỡ cỏc phõn xng ch bin tip theo mi hot ng c.
2. Mc ớch:
Mc ớch ca quỏ trỡnh chng ct du thụ l chia du thụ (l nguyờn liu ban
u) thnh nhng phõn on hp tin li cho cỏc quỏ trỡnh ch bin v sau,
chng hn nh cỏc quỏ trỡnh cracking, reforming hay quỏ trỡnh sn xut du nhn
Trong ú yờu cu ca quỏ trỡnh chng ct l khụng xy ra cỏc phn ng phõn
hy v phõn chia cng cao cng tt.
3. ý ngha:
Trong cụng nghip ch bin du, du thụ sau khi ó c x lý qua cỏc quỏ
trỡnh tỏch nc, mui v tp cht c hc s c a vo chng ct. Tựy theo bn

cht ca nguyờn liu v mc ớch ca quỏ trỡnh m chỳng ta s ỏp dng chng ct
du ỏp sut khớ quyn AD (Atmospheric Distillation) hay chng ct trong chõn
khụng VD (Vacuum Distillation) hay kt hp c 2 cụng ngh AD-VD gi tt l
AVD (hỡnh 1d).

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 4
- Với mục đích nhận các phân đoạn xăng (naphta nhẹ, naphta nặng), phân
đoạn kerosen, phân đoạn diezel (nhẹ, nặng) và phần cặn còn lại sau chưng cất
người ta sử dụng công nghệ AD (hình 1a).
- Còn khi muốn chưng cất sâu thêm phần cặn thô nhằm nhận các phân đoạn
gasoil chân không hay phân đoạn dầu nhờn người ta dùng chưng cất chân không
VD (hình 1b, 1c).
Phân đoạn gasoil chân không là nguyên liệu cho quá trình Cracking nhằm
chế biến xăng có trị số octan cao.
Phân đoạn dầu nhờn được dùng để chế tạo các sản phẩm dầu mỡ bôi trơn,
còn phân đoạn cặn gudron dùng để chế tạo bitum, nhựa đường hay làm nguyên liệu
cho quá trình cốc hóa sản xuất cốc dầu mỏ.
Như vậy tùy theo tính chất dầu thô và mục đích chế biến mà người ta áp
dụng loại hình công nghệ chưng cất cho thích hợp.

Hình 1a: Sơ đồ chưng cất dầu thô loại AD


SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 5
Hình 1b: Sơ đồ chưng cất dầu thô loại VD

Hình 1c: Sơ đồ chưng cất dầu thô loại VD nhận dầu nhờn

Hình 1d: Sơ đồ chưng cất kết hợp AVD
Chú thích:
1. Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Lò đốt; 3 Làm lạnh; 4. Tháp chưng cất;
5. Tháp tái sinh hơi; 6. Bể chứa; 7. Tháp chưng cất chân không;
I. Dầu thô; II. Xăng; III. Khí; IV. Xăng nặng; V. Hơi nước; VI. Kerosen; VII.
Gazoil nhẹ; VIII. Gazoil nặng; IX. Cặn AD; X, XI, XII, XIII, XIV, XV. Các loại
dầu nhờn.
II. C¬ së lý thuyÕt cña qu¸ tr×nh chng cÊt:
Quá trình chưng cất dầu thô là một quá trình phân đoạn. Quá trình này được
thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần dầu theo nhiệt độ sôi
của các cấu tử trong dầu mà không xảy ra sự phân huỷ. Hơi nhẹ bay lên và ngưng
tụ thành phần lỏng. Tùy theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 6
quá trình thành chưng đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất trong chân không và
chưng cất với hơi nước.
1. Chưng đơn giản :
Chưng đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi
dần dần, một lần hay nhiều lần, một hỗn hợp chất lỏng cần chưng được mô tả trên
hình 2 (a, b, c).
1.1. Chưng cất bằng cách bay hơi dần dần:
Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày trên hình 2a gồm: thiết bị
đốt nóng lên tục, một hỗn hợp chất lỏng trong bình chưng 1 từ nhiệt độ thấp tới
nhiệt độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sản phẩm và ngưng tụ hơi bay lên trong thiết
bị ngưng tụ 3 và thu được sản phẩm lỏng trong bể chứa 4. Phương pháp này
thường được áp dụng trong phòng thí nghiệm.

Hình 2a
1.2. Chưng cất bằng cách bay hơi một lần:

Sơ đồ chưng cất bằng cách bay hơi một lần được trình bày trên hình 2b,
phương pháp này còn gọi là phưng pháp bay hơi cân bằng. Hỗn hợp chất lỏng I
được cho liên tục vào thiết bị đun sôi 2 và được đốt nóng đến một nhiệt độ xác
định và ở áp suất p cho trước. Pha hơi thu được cho qua thiết bị ngưng tụ 3 rồi vào
bể chứa 4, từ đó nhận được phần cất II; còn pha lỏng được lấy ra liên tục và ta
nhận được phần cặn III.
- Ưu điểm của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều kiện thực tế
chưng cất dầu, tuy với nhiệt độ chưng cất bị giới hạn nhưng vẫn cho phép nhận
được một lượng phần cất lớn hơn.
- Nhược điểm của phương pháp là độ phân chia chưa cao.

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 7

1
2
4
I
II
III
3

Hình 2b
1.3. Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần:
Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối tiếp nhau ở
nhiệt độ tăng dần hay áp suất thấp hơn đối với phần cặn (được trình bày ở hình 2c).
Phần cặn của chưng cất lần một là nguyên liệu cho chưng cất lần hai sau khi được
đốt nóng đến nhiệt độ cao hơn. Từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được
sản phẩm đỉnh, còn đáy chưng cất lần hai ta nhận được sản phẩm cặn.
Phương pháp chưng cất dầu bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiều lần có ý

nghĩa rất lớn trong thực tế công nghiệp chế biến dầu, ở đây các dây chuyền hoạt
động liên tục. Quá trình bay hơi một lần được áp dụng khi đốt nóng dầu trong các
thiết bị trao đổi nhiệt, trong lò ống và quá trình tách rời pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ
phận cung cấp, phân phối của tháp tinh luyện .
Chưng đơn giản, nhất là với loại bay hơi một lần thì không đạt được độ phận
phân chia cao. Do đó khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần của các hợp
chất lỏng, người ta phải tiến hành chưng cất có tinh luyện đó là chưng phức tạp.

Hình 2c
2. Chưng phức tạp :

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 8
2.1. Chưng cất có hồi lưu:
Quá trình chưng cất có hồi lưu là một quá trình chưng khi lấy một phần chất
lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng bay hơi lên. Nhờ có sự tiếp
xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách
khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với
khi không có hồi lưu, nhờ vậy có sự phân chia cao hơn. Việc hồi lưu lại chất lỏng
được khống chế bằng bộ phận phân chia đặc biệt và được bố trí phía trên bộ phận
chưng.
2.2. Chưng cất có tinh luyện:
Chưng cất có tinh luyện còn cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi
lưu. Cơ sở của quá trình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần về cả hai phía giữa
pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau. Quá trình này được thực hiện
bằng phương pháp tinh luyện. Để đảm bảo cho sự tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha
hơi và pha lỏng trong tháp được trang bị các đĩa hay đệm. Độ phân chia một hỗn
hợp các cấu tử trong tháp phụ thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha (số đĩa lý
thuyết) vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp.
Công nghệ hiện đại chưng cất sơ khởi dầu thô dựa vào quá trình chưng cất

một lần và nhiều lần có tinh luyện xảy ra trong tháp chưng cất phân đoạn có bố trí
nhiều đĩa.
Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng cất:
Pha hơi V
n
bay lên từ đĩa n lên đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng L
n-1

chảy từ đĩa n-1 xuống, còn pha lỏng L
n
từ đĩa n, chảy xuống đĩa phía dưới n+1 lại
tiếp xúc với pha hơi V
n+1
bay từ dưới lên. Nhờ quá trình tiếp xúc như vậy mà quá
trình trao đổi chất xảy ra tốt hơn. Pha hơi bay lên ngày càng được làm giàu thêm
nhiều cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều cấu tử
nặng. Số lần tiếp xúc càng nhiều, sự trao đổi chất ngày càng tăng và sự phân chia
ngày càng tốt, hay nói cách khác, tháp có độ phân chia càng cao. Đĩa trên có hồi
lưu đỉnh, còn đĩa dưới cùng có hồi lưu đáy. Nhờ có hồi lưu đỉnh và đáy mà làm cho
tháp hoạt động liên tục, ổn định và có khả năng phân tách cao. Ngoài đỉnh và đáy
người ta còn thiết kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn
tháp cho qua trao đổi nhiệt làm lạnh rồi quay lại tưới vào tháp. Như vậy theo chiều
cao của tháp tinh luyện ta sẽ nhận được các phân đoạn có giới hạn sôi khác nhau
tuỳ thuộc vào chế độ công nghệ chưng cất nguyên liệu dầu thô ban đầu.


SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 9

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp tinh luyện


Thân tháp
Tới tháp bay
hơi phụ
Cửa tháo
hồi lưu
Hơi
V
n+1
L
n

V
n

L
n-1
Đĩa chụp
Hồi lưu
trung gian


SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 10

3. Chưng cất chân không và chưng cất hơi nước :
Hỗn hợp các cấu tử có trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân huỷ khi
tăng nhiệt độ. Trong số các hợp chất dễ bị phân huỷ nhiệt nhất là các hợp chất chứa

lưu huỳnh và các hợp chất cao phân tử như nhựa. Các hợp chất parafin kém bền
nhiệt hơn các hợp chất naphten và naphten lại kém bền hơn các hợp chất thơm. Độ
bền nhiệt của cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ
thuộc cả thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó. Trong thực tế chưng cất, đối với các
phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta còn tránh sự phân huỷ nhiệt khi chúng bị
đốt nóng. Đối với dầu không có hay có chứa ít lưu huỳnh không nên đốt nóng quá
400  420
0
C, còn đối với dầu có và nhiều lưu huỳnh thì nhiệt độ đốt không quá
320  340
0
C.
Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất của sản phẩm, như làm
giảm độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy của chúng, giảm độ bền oxi hoá.
Nhưng quan trọng hơn cả là chúng gây nên nguy hiểm cho quá trình chưng
cất, vì chúng tạo thành các tạp chất ăn mòn và làm tăng áp suất của tháp. Để giảm
sự phân huỷ, thời gian lưu của nguyên liệu ở nhiệt độ cao cũng cần được hạn chế.
Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt
của chúng, người ta phải chưng cất chân không VD hay chưng cất với hơi nước để
tránh sự phân huỷ nhiệt. Chân không làm giảm nhiệt độ sôi, còn hơi nước cũng có
tác dụng làm giảm nhiệt độ sôi tức là giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp
làm cho chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Hơi nước được dùng ngay cả trong chưng
cất khí quyển. Khi tinh luyện, hơi nước được dùng để tái bay hơi phân đoạn có
nhiệt độ sôi thấp còn chứa trong mazut hay trong gudron hoặc dầu nhờn. Kết hợp
dùng chân không và hơi nước khi chưng cất phần cặn sẽ cho phép tách sâu hơn
phân đoạn dầu nhờn.
Tuy nhiên, tác dụng của hơi nước làm tác nhân bay hơi còn bị hạn chế, vì
nhiệt độ bay hơi khác xa so với nhiệt độ đốt nóng chất lỏng. Vì thế nếu tăng năng
lượng hơi nước thì nhiệt độ và áp suất hơi bão hoà của dầu giảm xuống và sự tách
hơi cũng giảm theo. Do vậy lượng hơi nước có hiệu quả tốt nhất chỉ trong khoảng

từ 2  3% so với nguyên liệu đem chưng cất khi mà số cấp tiếp xúc là 3 hoặc 4.
Trong điều kiện như vậy, lượng dầu tách ra từ phân đoạn mazut đạt tới 14 đến
23%.
Khi chưng cất với hơi nước số lượng phân đoạn tách ra được có thể tính theo
phương trình sau:

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 11

G =
18
M
f



f
f
PP
P
Z

Trong đó :
G và Z: số lượng hơi dầu tách được và lượng hơi nước.
M
f
: phân tử lượng của hơi dầu.
18: phân tử lượng của nước.
P : áp suất tổng cộng của hệ.
P

f
: áp suất riêng phần của dầu ở nhiệt độ chưng.
Nhiệt độ của hơi nước cần phải không thấp hơn nhiệt độ của hơi dầu để
tránh sản phẩm dầu ngậm nước. Do vậy, người ta thường dùng hơi nước có nhịêt
độ từ 380  450
0
C, áp suất hơi từ 0,2  0,5 MPa. Hơi nước dùng trong công nghệ
chưng cất dầu có rất nhiều ưu điểm: làm giảm áp suất hơi riêng phần của dầu, tăng
cường khuấy trộn chất lỏng tránh tích nhiệt cục bộ, tăng diện tích bề mặt bay hơi
do tạo thành các tia và bong bóng hơi. người ta cũng dùng hơi nước để tăng cường
đốt nóng cặn dầu trong lò ống khi chưng cất chân không. Khi đó đạt mức độ bay
hơi lớn cho nguyên liệu dầu, tránh sự tạo cốc trong các lò đốt nóng. Tiêu hao hơi
nước trong trường hợp này vào khoảng 0,3  0,5% với nguyên liệu.
III. C¸c yÕu tè ¶nh hëng ®Õn qu¸ tr×nh chng cÊt:
Các thông số công nghệ ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suất và chất lượng của
quá trình chưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất. Trong đó
phương pháp chưng cất ra sao sẽ được nói rõ hơn ở mục lựa chọn sơ đồ công nghệ.
Còn 2 yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình làm việc của tháp chưng
cất đó chính là nhiệt độ và áp suất mà 2 yếu tố này lại liên quan đến lượng dầu thô
ban đầu, vào mục đích và yêu cầu của quá trình hay chủng loại sản phẩm cần thu.
Cụ thể như sau:
1. Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện:
Nhiệt độ là một thông số quan trọng nhất của tháp chưng, bằng cách thay
đổi nhiệt của tháp sẽ điều chỉnh được chất lượng và hiệu suất của sản phẩm, chế độ
nhiệt của tháp gồm: nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ
trong và đáy tháp.
Nhiệt độ của nguyên liệu (dầu thô) vào tháp chưng được khống chế tuỳ theo
bản chất của loại dầu thô, mức độ cần phân chia sản phẩm, áp suất trong tháp và
lượng hơi nước đưa vào đáy tháp nhưng phải tránh được sự phân huỷ nhiệt của

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 12

nguyên liệu ở nhiệt độ cao, do vậy nhiệt độ lò ống đốt nóng phải được khống chế
chặt chẽ.
- Nhiệt độ đáy tháp chưng luyện phụ thuộc vào phương pháp bay hơi và phần
hồi lưu đáy. Nếu bay hơi phần hồi lưu đáy bằng một thiết bị đốt nóng riêng thì
nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt độ bay hơi cân bằng ở áp suất tại đáy tháp. Nếu
bốc hơi bằng cách dùng hơi nước quá nhiệt thì nhiệt độ phần đáy tháp sẽ thấp hơn
nhiệt độ vùng nạp liệu. Nhiệt độ đáy tháp phải chọn tối ưu tránh sự phân huỷ các
cấu tử nặng nhưng phải đủ để tách hết hơi nhẹ khỏi phần cặn đáy.
- Nhiệt độ đỉnh tháp phải được khống chế nhằm đảm bảo sự bay hơi hoàn
toàn sản phẩm đỉnh mà không gây sự cuốn theo các phần nặng. Muốn vậy người
ta phải dùng hồi lưu đỉnh tháp. Để tách xăng khỏi các phân đoạn khác nhiệt độ
đỉnh tháp chưng khi chưng cất ở áp suất khí quyển cần giữ trong khoảng 100 
120
0
C. Còn với tháp chưng chân không khi áp suất chưng từ 10 70 mmHg
thường không quá 120
0
C để tách hết phần gazoil nhẹ còn lẫn trong nguyên liệu.
Dùng hồi lưu sẽ tạo điều kiện phân chia tốt. Hồi lưu đỉnh tháp thường có 2
dạng:
+ Hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách cho ngưng tụ một phần hơi sản
phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó, sau đó cho tưới lại đỉnh tháp. Như vậy, chỉ cần
cung cấp một lượng nhiệt để bốc hơi. Tác nhân làm lạnh có thể dùng nước hay
chính sản phẩm lạnh, công thức tính lượng hồi lưu nóng :
R
n
=

L
Q

Trong đó:
R
n
: lượng hồi lưu nóng, kg/h
Q : nhiệt lượng hồi lưu cần lấy để bốc hơi, kcal/h
L : nhiệt ngưng tụ của sản phẩm lỏng, kcal/h
Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và có nhiều khó khăn cho việc vệ sinh,
đặc biệt công suất thấp nên ngày nay ít được dùng.
+ Hồi lưu nguội là loại được thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ
toàn bộ sản phẩm đỉnh rồi tưới trở lại đỉnh tháp. Khi đó lượng nhiệt cần thiết để
cấp cho phần hồi lưu bao gồm nhiệt cần để nung nóng nó đến nhiệt độ sôi và nhiệt
cần để hoá hơi, do vậy hồi lưu nguội tính bằng công thức:
R
ng
=
l
2
t
h
1
t
qq
Q

=
)Ct(ti
Q

1
2


Trong đó:

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 13

R
ng
: lượng hồi lưu nguội.
Q : lượng nhiệt mà hồi lưu cần.

h
1
t
q
: hàm nhiệt của hơi.


l
2
t
q
: lượng nhiệt của lỏng hồi lưu.
i : nhiệt lượng phần hơi cần.
C : nhiệt dung của sản phẩm hồi lưu.
t
2

, t
1
: nhiệt độ của hơi và của lỏng tương ứng.
Hồi lưu nguội được sử dụng tương đối rộng rãi, vì lượng hồi lưu thường ít,
làm tăng rõ ràng chất lượng mà không làm giảm nhiều năng suất của tháp chưng.
Ngoài hồi lưu đỉnh, đáy người ta còn sử dụng hồi lưu trung gian để tăng cường
chất lượng của các sản phẩm cạnh sườn và điều chỉnh nhiệt độ trong tháp.
+ Hồi lưu trung gian: quá trình hồi lưu trung gian được thực hiện bằng cách
lấy một sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ t
1
đưa ra ngoài làm nhiệt độ t
0

rồi tưới hồi lưu lại tháp. Khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt để đun
nóng nhiệt độ từ t
0
đến t
1
.
Xác định lượng hồi lưu trung gian theo công thức:
g
tg
=
0
t
l
1
t
l
qq

Q



Trong đó :
g
tg
: lượng nhiệt hồi lưu lấy đi (kcal/h)
1
t
l
q ,
0
t
l
q : hàm lượng nhiệt của hồi lưu ở pha lỏng ứng với nhiệt độ t
1
và t
0
,
(kcal/kg)
u điểm: giảm lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp, tận dụng được một lượng nhiệt
thừa rất lớn của tháp chưng để đun nóng nguyên liệu ban đầu, tăng công suất làm
việc của tháp.
Người ta thường kết hợp hồi lưu trung gian với hồi lưu lạnh cho phép điều
chỉnh chính xác nhiệt độ của đỉnh tháp chưng, dẫn đến đảm bảo hiệu suất và chất
lượng sản phảm của quá trình.
2. Yếu tố áp suất của tháp chưng luyện:
Khi chưng cất dầu mỏ ở áp suất khí quyển, áp suất tuyệt đối trong tháp
thường cao hơn một chút so với áp suất khí quyển, mặt khác áp suất trong toàn

tháp và ở mỗi tiết diện cũng khác nhau. ¸p suất trong mỗi tiết diện của tháp chưng

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 14

luyện phụ thuộc vào lực thuỷ tĩnh khi hơi đi qua các đĩa nghĩa là phụ thuộc vào số
đĩa và cấu trúc đĩa, lưu lượng riêng của chất lỏng và hơi. Thông thường từ đĩa này
sang đĩa khác áp suất giảm đi 5  10 mmHg từ dưới lên, ở áp suất thấp qua mỗi
đĩa giảm đi từ 1  3 mmHg.
¸p suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của nguyên liệu
và áp suất riêng phần của từng cấu tử.
¸p suất hơi nước đưa vào cũng ảnh hưởng đến áp suất chung của tháp. Nếu
tháp chưng luyện dùng hơi nước trực tiếp cho vào đáy tháp thì hơi nước làm giảm
áp suất riêng phần của hơi sản phẩm dầu mỏ, cho phần chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ
thấp hơn. Lượng hơi nước tiêu hao phụ thuộc vào áp suất chung của tháp và áp
suất riêng phần của sản phẩm dầu mỏ.
Lượng hơi nước dùng cho tháp chưng ở áp suất khí quyển khoảng 1,2 
3,5% trọng lượng.
Khi chưng cất ở áp suất chân không thì thường tiến hành ở áp suất 10  70
mmHg. Độ chân không càng sâu càng cho phép chưng sâu hơn, nhưng nếu áp suất
quá thấp sẽ khó chế tạo thiết bị với năng suất lớn.
3. Điều khiển, khống chế chế độ làm việc của tháp chưng cất:
Để duy trì sự làm việc ổn định của tháp chưng cất chúng ta phải thực hiện
các nguyên tắc sau:
+ Điều chỉnh áp suất trong tháp làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng.
+ ¸p suất tăng lên thì chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn. Nếu áp suất tăng quá
cao, lượng chất lỏng trong tháp sẽ nhiều dẫn đến hiện tượng sặc làm giảm hiệu quả
phân chia.
+ Nếu các điều kiện khác trong tháp là cố định thì sản phẩm đỉnh, sản phẩm
sườn và sản phẩm đáy sẽ nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên.

+ Nếu nhiệt độ cấp liệu vào tháp quá thấp, lượng hơi trên các khay đĩa sẽ
nhỏ cho nên phần lỏng nhiều và chảy xuống phía dưới vào bộ phận chưng càng
nhiều.
+ Nếu nhiệt độ của reboiler quá thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn
và làm tăng lượng cặn.
+ Nếu nhiệt độ đỉnh tháp quá cao, sản phẩm đỉnh nặng và có nhiều sản
phẩm hơn so với thiết kế và ngược lại nếu nhiệt độ đỉnh quá thấp thì sản phẩm đỉnh
sẽ quá nhẹ và có ít sản phẩm.
+ Nhiệt độ cần thiết tách phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn so với dầu thô
loại nhẹ.

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 15

+ Chú ý nhất là nhiệt độ đỉnh tháp, tránh nhiệt độ quá cao mà nguyên nhân
có thể là làm lạnh không đủ dẫn đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng đến chất
lượng sản phẩm.
Tóm lại, khi thiết kế quá trình chưng cất chúng ta cần phải xem xét kỹ và kết
hợp đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng trên để quá trình đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.
IV. C¸c lo¹i s¬ ®å c«ng nghÖ:
Có 2 sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô thường được sử dụng phổ biến trong
công nghiệp chế biến dầu, đó là:
1. Sơ đồ công nghệ bay hơi một lần và một tháp tinh cất:



Hình 4: Sơ đồ chưng luyện bốc hơi một lần
u điểm :
- Quá trình chưng chất cho phép áp dụng trong điều kiện chưng cất dầu thô.
Tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận được một lượng cất

lớn.
- Sự bốc hơi đồng thời các phân đoạn sẽ giảm được nhiệt độ bốc hơi và
nhiệt lượng đun nóng dầu trong lò.
- Thiết bị đơn giản, gọn gàng.
Nhược điểm:
- Đối với loại dầu có chứa nhiều khí hoà tan (> 1,2 %), cũng như có nhiều
phân đoạn nhẹ, nhiều tạp chất lưu huỳnh thì gặp nhiều khó khăn trong quá trình
chưng cất, do áp suất trong các thiết bị trong sơ đồ lớn, chịu được áp suất cao.
Chính vì vậy, đòi hỏi thiết bị phải có độ bền lớn làm bằng vật liệu đắt tiền, cho nên
làm tăng chi phí về chế tạo thiết bị.
- Đôi khi có hiện tượng nổ, hỏng thiết bị do áp suất trong tháp tăng đột ngột.
Xăng
Phân đoạn 1
Phân đoạn 2
Phân đoạn 3
Cặn Mazut
Dầu thô

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 16


2. Sơ đồ công nghệ bốc hơi hai lần và tinh luyện hai lần trong
hai tháp nối tiếp nhau: Loại này có 2 loại sơ đồ: sơ đồ 1 (hình 5), sơ đồ 2
(hình 6).
 Thiết bị chưng cất theo sơ đồ 1 gồm hai tháp nối tiếp nhau, quá trình bốc
hơi hai lần và tinh luyện hai lần trong tháp nối tiếp nhau. Loại này thường áp dụng
để chế biến các loại dầu có chứa nhiều phần nhẹ, nhiều hợp chất chứa lưu huỳnh
và nước.
Nhờ các cấu tử nhẹ được tách sơ bộ ở tháp thứ nhất và tháp thứ hai không có

hiện tượng tăng áp suất đột ngột. Mặt khác, các hợp chất chứa lưu huỳnh gây ăn
mòn thiết bị đã được thoát ra ở tháp thứ nhất. Như vậy trong tháp chưng thứ hai
không cần dùng vật liệu đắt tiền, có thể sử dụng thép thường.
Những hydrocacbon nhẹ được loại ra ở tháp thứ nhất cho phép đun dầu làm
việc với hệ số trao đổi nhiệt lớn, giảm đáng kể công suất cần thiết kế của lò đun
dầu chính. Nhờ loại này loại bỏ được nước ngay ở tháp thứ nhất nên tháp chính thứ
hai làm việc an toàn.
Nhược điểm của sơ đồ này là phải đun dầu trong lò với nhiệt độ cao hơn 5
đến 10% so với sơ đồ trên. Có thể hạn chế hay khắc phục hiện tượng này bằng
cách cho hơi nước vào những ống cuối cùng của lò để giảm áp suất riêng phần của
các hydrocacbon.



Hình 5
 Thiết bị chưng cất theo sơ đồ 2 (hình 6) là hệ thống bốc hơi hai lần và tinh
luyện một lần trong tháp chưng luyện. Sơ đồ loại này dùng phổ biến, ở sơ đồ này
có sự tinh luyện phần nhẹ và phần nặng xảy ra đồng thời trong cùng một tháp
chính thứ hai. Như vậy có phần nào giảm bớt nhiệt độ đun nóng dầu trong lò.

Dầu nóng
Xăng
Phân đoạn 1
Phân đoạn 2
Mazut
Khí

SVTH:mai xuân đông
Trang 17

Hỡnh 6
V. Lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ của quá trình chng cất
:
1. Phõn tớch v la chn s cụng ngh:
Vic la chn s cụng ngh v ch cụng ngh chng ct trc ht
hon ton ph thuc vo cỏc c tớnh ca nguyờn liu v mc ớch ca quỏ trỡnh
ch bin. Trờn c s ú chỳng ta phi chn c s cụng ngh no phự hp
nht, ỏp ng c yờu cu ca nh mỏy ng thi em li hiu sut v hiu qu
kinh t cao nht.
Vi du m cha lng khớ ho tan bộ t 0,5 n 1,2%, tr lng xng thp
t (12 n 15% phõn on cú nhit sụi n 180
0
C) v hiu sut cỏc phõn on
cho ti 350
0
C khụng ln hn 45% thỡ thun tin nht v cng phự hp hn c l
nờn chn s chng ct AD vi bay hi mt ln v mt ln chng ct.
Vi du m cha nhiu phn nh, tim lng sn phm trng cao (50 n
65%), cha nhiu khớ ho tan > 1,2%, cha nhiu phõn on xng (20 n 30%) thỡ
nờn chn s chng ct AD vi bay hi hai ln. Ln mt bay hi s b phn nh
v tinh ct chỳng thỏp s b. Ln hai tinh ct phn du cũn li. Nh vy thỏp
chng s b ta tỏch c phn khớ ho tan v phn xng cú nhit sụi thp ra
khi du. ngng t hon ton bay hi lờn ngi ta tin hnh chng ct ỏp sut
cao hn khong P = 0,14 n 0,16 MPa v nhn c t du thụ sn phm trng
nhiu hn.
Theo yờu cu chỳng ta phi thit k phõn xng chng ct du thụ loi nng
(ớt phn nh) vi t trng d
4
15

>0,884 (theo ti ta chn du thụ Mandji). c
im ca du nng l cú cha nhiu lu hunh, asphanten v ớt parafin rn. Vi
loi du thụ ny thỡ chỳng ta chn s chng ct AD loi 1 thỏp (bay hi 1 ln v
1 thỏp tinh ct) l ti u hn c.
Xng
Phõn on 1
Phõn on 2
Ph
õ
n

o

n 3

Du thụ
Mazut

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 18

Ưu điểm nổi bật của sơ đồ 1 tháp so với 2 tháp là cấu trúc đơn giản, dễ chế
tạo và lắp đặt do đó tiết kiệm được vốn đầu tư (giảm chi phí) mà vẫn đảm bảo
được độ phân chia. Sau đây là phần thuyết minh sơ đồ chưng cất dầu thô Mandji
loại 1 tháp.

c2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô loại một
tháp:
Nguyên liệu sau khi được xử lý lưu huỳnh, được đưa vào bể chứa (1). Sau đó
được bơm (9) bơm qua các thiết bị trao đổi nhiệt với các sản phẩm lấy ra từ các bộ

phận hồi lưu trung gian, để hâm nóng dầu và tiếp tục trao đổi nhiệt với phần cặn
tháp chưng. Dầu được gia nhiệt đến khoảng 130 đến 150
0
C (nhằm để chuyển muối
thành nhũ tương), rồi đưa vào thiết bị tách muối và nước (5). Sau khi dầu được
tách muối và nước thì tiếp tục dẫn qua các thiết bị trao đổi nhiệt (11) với các phân
đoạn lấy ra từ tháp (4) và được đưa qua lò đốt (2) để đun nóng dầu đến nhiệt độ
thích hợp từ 320 đến 340
0
C, P = 1040 mmHg, rồi được dẫn vào đĩa tiếp liệu của
tháp chưng cất (3), tại đây xảy ra quá trình chuyển khối. Nghĩa là có sự phân tách
pha, các cấu tử nhẹ được lấy ra ở đỉnh tháp tại nhiệt độ khoảng từ 100 đến 140
0
C,
P = 900 mmHg, qua thiết bị làm lạnh sản phẩm đỉnh được ngưng tụ rồi đưa vào bể
chứa (6). Khí không ngưng được lấy ra và phần nước ngưng cũng được tách ra
khỏi sản phẩm, một phần được hồi lưu quay trở lại tháp (3) để làm giàu thêm các
cấu tử nhẹ, phần còn lại tiếp tục được làm lạnh ngưng tụ rồi cho vào bể chứa (6),
tại đây chúng ta cũng lấy ra phần khí không ngưng và nước ngưng còn lẫn trong
sản phẩm đỉnh, phần sản phẩm ngưng tụ được bơm (9) bơm qua thiết bị trao đổi
nhiệt (11), rồi cho vào tháp (7). Sản phẩm đỉnh của tháp (7) được làm lạnh rồi đưa
vào bể chứa (6), khí không ngưng và nước lại được lấy ra, còn phần khí ngưng tụ
một phần được hồi lưu trở lại tháp (7), một phần sản phẩm thu được là khí LPG.
Phần sản phẩm đáy của tháp (7) ta thu được sản phẩm là xăng, được đưa qua trao
đổi nhiệt rồi cho vào bể chứa (12), sau đó đem đi chế biến.
Tại tháp chưng cất (3), các phân đoạn được lấy ra ở cạnh sườn rồi qua tháp tái
bay hơi (4), tại đây ta thu được các phân đoạn như kerosen (210 đến 270
0
C ), phân
đoạn gasoil nhẹ (260 đến 360

0
C) và phân đoạn gasoil nặng (360 đến 500
0
C) rồi
được làm lạnh và đưa vào các bể chứa (12), rồi đem đi chế biến. Còn phần sản
phẩm đáy của tháp (3) ta thu được cặn chưng cất gọi là mazut.



SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 19

3. Sơ đồ công nghệ
1. Thùng chứa nguyên liệu; 2. Lò ống; 3. Tháp chưng cất
4. Tháp tái bay hơi; 5. Thiết bị tách muối và nước
6. Bể chứa; 7. Tháp ổn định; 8. Thiết bị gia nhiệt; 9. Bơm
10. Thiết bị làm lạnh; 11. Thiết bị trao đổi nhiệt;
12. Thùng chứa sản phẩm.






SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 20

VI. ThiÕt bÞ chÝnh trong d©y chuyÒn:
Trong quá trình chưng cất để hiệu quả phân tách cao thì sự tiếp xúc pha trong
tháp chưng phải xảy ra đồng đều, triệt để. Trong thực tế có rất nhiều loại tháp dùng

cho quá trình chưng cất nhưng loại tháp được dùng phổ biến nhất hiện nay là tháp
đĩa chóp.



Hình 8: Sơ đồ nguyên lý làm việc của tháp chưng cất
ống dẫn sản
phẩm đỉnh
đĩa chóp
ống hồi lưu
đ
ỉ
nh

thân tháp
ống chảy
chuy
ề
n

lưới đỡ ống
ống hồi
l
ư
u
đ
á
y

ống dẫn sản

phẩm đáy
ống nạp liệu




SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 21



Tháp đĩa chóp là loại tháp gồm nhiều đĩa, trên đĩa có lắp nhiều chóp. Trên
mỗi đĩa có ống chảy truyền, được bố trí như hình vẽ. Khí đi từ dưới lên qua ống
hơi vào chóp, qua khe chóp để tiếp xúc với chất lỏng trên đĩa. Chóp có cấu tạo
tròn, thân tháp có rãnh tròn để khí đi qua.
 Ưu điểm :
- Có bề mặt tiếp xúc pha lớn, hiệu xuất cao.
- Trở lực của tháp không lớn lắm.
- Giới hạn làm việc tương đối rộng.
 Nhược điểm :
- Cấu tạo phức tạp.
- Hiệu quả quá trình phụ thuộc rất nhiều vào vận tốc khí .

SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 22

PhÇn ii
tÝnh to¸n c«ng nghÖ
Số liệu ban đầu:
- Năng suất: 3.000.000 tấn/năm.

- Nguyên liệu là dầu thô mỏ Mandji [4]
+ Tỷ trọng : d = 0,89 ( thuộc loại dầu nặng)
+ Nhiệt độ đông đặc : -6
o
C.
+ Hàm lượng lưu huỳnh : 1,12%.
Bảng 1: Sản phẩm của quá trình chưng cất
Sản phẩm Hiệu suất, %V
Tỷ trọng d
4

Xăng nhẹ 6,1 0,619
Xăng nặng 12,1 0,774
Dầu hoả (kerosen)

9,6 0,823
Diezel (Gasoil) 17,4 0.858
Cặn (mazut) 53,9 0,958
Theo sơ đồ công nghệ, xăng nặng, xăng nhẹ lấy ra cho vào cùng một bể
chứa nên khi tính toán ta tính chung cho cả xăng nhẹ và xăng nặng. Lúc này, hiệu
suất của xăng là:
6,1 + 12,1 = 18,2%
Tỷ trọng của xăng:
d = (0,691 + 0,774)/2 = 0,733
Tổng hiệu suất các phân đoạn từ xăng nhẹ đến cặn:
6,1 + 12,1 + 9,6 + 17,4 + 53,9 = 99,1%
Vậy, hiệu suất phân đoạn khí: 100 - 99,1 = 0,9%
I. TÝnh c©n b»ng vËt chÊt:
Sau khi tính toán số ngày nghỉ, số ngày tu sửa và số ngày bảo dưỡng máy
móc thiết bị ta có thời gian làm việc cho một năm là 8000 giờ.

Như vậy, năng suất của dây chuyền chưng cất loại 1 tháp (tính cho một giờ)
là:


1. Lượng các sản phẩm:
1.1. Lưu lượng sản phẩm khí:

15

15

4
15

4
3.000.000
8000
= 375 tấn/h


SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 23

1.2. Lưu lượng xăng:






1.3. Lưu lượng dầu hoả:






1.4. Lưu lượng diezel:






1.5. Lưu lượng cặn:





Tổng lưu lượng sản phẩm:
3,375 + 68,25 +36 +65,25 + 202,125 = 375 tấn/h.
3.000.000 x 0,9

100


= 27000 tấn/năm

27000
80000


= 3,375 tấn/h

3.000.000 x 18,2
100


= 546000 tấn/năm

546000

8000
= 68,25 tấn/h

3.000.000 x 9,6
100


= 288.000 tấn/năm

288.000
8.000

= 36 tấn/h

3.000.000 x 17,4
100


= 522.000 tấn/năm

522.000

8000
= 65,25 tấn/h

522.000
8000


3.000.000 x 53,9
100


= 1617.000 tấn/năm

= 65,25 tấn/h


SVTH:mai xuân đông
Trang 24

Vy, lu lng nguyờn liu vo = lu lng sn phm ra = 375 tn/h.

2. Tớnh tiờu hao hi nc:
2.1. Lng hi nc dựng cho ỏy thỏp chng:
Trong cụng ngh ch bin du, lng hi nc a vo ỏy thỏp thng
c chn khong 5% trng lng cn thoỏt ra.
Vy lng hi nc cho vo ỏy thỏp:



2.2. Lng hi nc dựng tỏch cỏc sn phm:
Lng hi nc ny thng chn bng 2,5% trng lng so vi lu lng
cỏc sn phm.
Lng hi nc dựng ly du ho:


Lng hi nc dựng ly diezel:



Tng lng hi nc dựng cho quỏ trỡnh:
13,475 + 0,9 + 1,63125 = 16,00625 tn/h = 889,236 kmol/h
Thụng s v hi nc:
Nhit hi nc: 320
0
C.
áp sut hi nc : 10at
II. Vẽ đờng cong điểm sôi thực (PRF) của dầu thô và đờng cong cân bằng
(VE) của các sản phẩm:
1. ng cong im sụi thc:
Da vo cỏc s liu ban u ca du thụ Mandji ta v c ng cong
im sụi thc PRF nh sau:

5 x 269,5
100
= 13,475 tn/h = 748,611 kmol/h

2,5 x 36
100


= 0,9 tn/h = 50 kmol/h

2,5 x 65,25
100


= 1,63125 t

n/h = 90,618 kmol/h


SVTH:mai xu©n ®«ng
Trang 25

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0
50
100
150
200
250
350

400
300
% theå tích
Nhieät ñoä t, C
0

Hình 9: Đường cong PRF của dầu thô Mandji

Từ đường cong PRF ta tìm được giá trị nhiệt độ tại từng % thể tích(%V)
chưng cất của các sản phẩm như sau:
Bảng 2: Giá trị nhiệt độ tại các %V chưng cất
Nhiệt độ (
0
C)
Sản phẩm
Xăng Dầu hoả Diezel
t
0%

35 200 260
t
10%

58 206 270
t
20%

76 212 280
t
30%

93 219 291
t
40%

111 225 299
t
50%

128 231 310
t
60%

142 238 320
t
70%

156 241 329
t
80%

172 249 341
t
90%
184 255 349
t
100%

200 260 360