QÚA TRÌNH TÁCH LỌC VẬT LÝ TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 1

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA HÓA



GIÁO TRÌNH




CÁC QUÁ TRÌNH LỌC TÁCH VẬT LÝ
TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ








Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 2

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH LỌC TÁCH 5
1.1 Vai trò của quá trình lọc tách trong công nghệ lọc dầu 5
1.2 Nguyên lý của quá trình lọc tách 7
1.3 Thực hiện quá trình phân tách 9
1.3.1 Nhiệt động học và hệ số động học 9

1.3.2 Tiếp xúc giữa các pha 10
1.3.3 Sự hấp phụ trên tầng cố định 11
1.3.4 Sự phân tách qua màng 12
CHƯƠNG 2. QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, HẤP THỤ
TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ
13
2.1. Quá trình chưng cất khí quyển dầu thô 13
2.1.1 Mô tả quá trình 13
2.1.2 Chất lượng của phân tách sản phẩm 14
2.1.3 Các bước tiến hành khi mô phỏng tháp chưng cất khí quyển 17
2.1.4 Công nghệ chưng cất khí quyển 18
2.1.5 Các quá trình chưng cất khí quyển 19
2.1.6 Sự tách muối trong dầu thô 21
2.1.7 Sự ăn mòn và mài mòn 31
2.1.8 Tiêu thụ năng lượng 34
2.1.9 Khống chế và điều khiển quá trình – Bảo trì - Bản chất chất thải 38
2.2 Quá trình chưng cất chân không của cặn chưng cất khí quyển 39
2.2.1 Các phân đoạn sản phẩm 40
2.2.2 Ví dụ về tiêu chuẩn của phân cất chân không làm nguyên liệu cho cracking xúc tác 40
2.2.3 Các khái niệm liên quan đến chưng cất chân không 41
2.2.4 Mô tả quá trình chưng cất chân không cặn chưng cất khí quyển 41
2.2.5 Mô tả tháp chưng cất chưng không 43
2.2.6 Tính toán và mô phỏng tháp chưng cất chân không 45
2.2.7 Cấu tạo một số bộ phận quan trọng của tháp chưng cất chân không 45
2.2.8 Các điểm lưu ý đặc biệt đối với chưng cất chân không 47
2.2.9 Quá trình chưng cất khí quyển và chưng cất chân không kết hợp 48
2.3 Quá trình chưng cất phân đoạn xăng và phân tách khí 48
2.3.1 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu 48
2.3.2 Mô tả phân xưởng chưng cất xăng và phân đoạn khí 49
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 3

2.4 Cấu tạo bên trong của tháp chưng cất, hấp thụ và stripping 51
2.4.1 Các khái niệm về hiệu suất, công suất và độ uyển chuyển của các bộ phận cấu tạo bên trong tháp . 52
2.4.2 Các bộ phận cấu tạo bên trong tháp 52
2.4.3 Ứng dụng quá trình chưng cất trong công nghiệp lọc dầu 61
CHƯƠNG 3. CÁC QUÁ TRÌNH TRÍCH LY TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 74
3.1 Tóm tắt về nguyên tắc trích ly 74
3.2 Quá trình tách loại các hợp chất thơm có trong dầu cơ sở nhằm sản xuất các loại dầu nhờn 74
3.2.1 Trích ly bằng dung môi furfural 77
3.2.2 Sơ đồ quá trình trích ly bằng dung môi furfural 83
3.2.3. Sơ đồ công nghệ phân xưởng trích ly bằng N-methylpyrrolidon (NMP) 86
3.3 Quá trình khử asphalt 87
3.3.1. Cấu trúc nguyên liệu, mục đích, nguyên lý quá trình 87
3.3.2. Ưu điểm của trích ly khử asphalt so với chưng cất chân không 90
3.3.3. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình khử asphalt 92
3.3.4. Sơ đồ công nghệ phân xưởng khử asphalt 96
3.4. Quá trình trích ly khử aromatic từ các phân đoạn dầu mỏ nhẹ 97
3.4.1. Mục đích 97
3.4.2. Các nguồn nguyên liệu chứa nhiều BTX 98
3.4.3. Tính chất của dung môi 99
3.4.4. Sơ đồ tổng quát của quá trình trích ly 102
3.4.5. Các quá trình trích ly hợp chất thơm trong công nghiệp lọc dầu 103
3.4.6. Tỷ lệ thu hồi và độ tinh khiết của các hợp chất aromatic 107
3.4.7. Các dữ liệu kinh tế 107
3.5. Thiết bị trích ly lỏng lỏng 108
3.5.1. Tổng quan 108
3.5.2. Hệ thống thiết bị trích ly 109
3.5.3 Kết luận 116
CHƯƠNG 4. CÁC QUÁ TRÌNH KẾT TINH TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ 117
4.1. Tổng quan 117

4.1.1. Mục đích của quá trình khử parafin 117
4.1.2. Nguyên liệu và sản phẩm 117
4.2. Quá trình khử parafin bằng dung môi 119
4.2.1 Quá trình khử parafin bằng dung môi MEK-Toluen 120
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 4

4.2.2. Ảnh hưởng của bản chất nguyên liệu 121
4.2.3. Ảnh hưởng của thành phần dung môi MEK-Toluen 121
4.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ cuối của quá trình khử parafin (hay là nhiệt độ lọc) 122
4.2.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ dung môi-nguyên liệu 123
4.2.6. Ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh 123
4.3. Sơ đồ công nghệ kết tinh khử parafin 124
4.3.1. Sơ đồ nguyên lý phân xưởng tách parafin không có giai đoạn khử dầu mềm 124
4.3.2. Sơ đồ nguyên lý phân xưởng tách parafin có giai đoạn khử dầu mềm 124
CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG QUÁ TRÌNH HẤP PHỤ TRONG
CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ
126
5.1. Tổng quan 126
5.2. Quá trình tách nước 128
5.3. Quá trình tách lưu huỳnh 129
5.4. Quá trình tách CO
2
của khí hóa lỏng, khí tự nhiên 130
5.5. Quá trình tách các hợp chất chứa oxy 131
5.6. Quá trình làm tinh khiết H
2
131
5.7. Quá trình tách iso/n-parafin 132
5.7.1. Sản xuất n-Parafin làm dung môi 132
5.7.2. Cải thiện chỉ số octan cho nhiên liệu cơ sở 132

5.7.3. Sản xuất n-parafin trong phân đoạn C
10
-C
17
134
5.8. Quá trình tách olefin ra khỏi parafin 134
5.9. Quá trình tách các hợp chất aromatic ra khỏi xăng, kerosene 135
5.10. Quá trình thu hồi hơi hydrocacbon 135
5.11. Khử màu bằng đất sét 135

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 5


CHƯƠNG 1. CÁC NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH LỌC TÁCH

1.1 Vai trò của quá trình lọc tách trong công nghệ lọc dầu
Dầu thô được tạo thành từ hỗn hợp phức tạp gồm rất nhiều các hợp chất, phần lớn là
hydrocarbon. Để thu được các sản phẩm dầu mỏ đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật thương mại,
đầu tiên cần phải thực hiện một quá trình phân riêng dầu mỏ nguyên khai thành nhiều phân đoạn
khác nhau. Các phân đoạn này, tiếp sau đó phải được tinh luyện làm sạch, hay phải trải qua các quá
trình chuyển hóa hóa học, đặc biệt là nhằm phục vụ cho các nhu cầu của ngành hóa dầu sau này.
Nguyên lý cơ sở của một công đoạn phân tách được minh họa trong hình 1.1.


Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý của môt quá trình phân tách
Hỗn hợp ban đầu (dầu thô hoặc hỗn hợp khác, A, B, C ) được phân riêng ra thành các cấu
tử khác nhau hay các phân đoạn khác nhau nhờ những tính chất đặc trưng, ví dụ bằng khoảng nhiệt
độ sôi. Một công đoạn như vậy thông thường đòi hỏi sự tiêu tốn năng lượng (đun sôi trong chưng
luyện hay làm lạnh trong kết tinh) hay đòi hỏi sự trợ giúp của một tác nhân phân riêng chọn lọc
(dung môi trích ly, hấp thụ, chất hấp phụ).

Trong các trường hợp nói riêng của lọc dầu thô, các quá trình lọc tách vật lý bảo đảm được 3 chức
năng chính sau:
 Phân tách
Quá trình chưng cất khí quyển cho phép phân đoạn dầu thô thành các phân đoạn khác nhau:
khí dầu hóa lỏng LPG, xăng, kerosen, gazol, fuel được cho ví dụ trên hình 1.2. Với các quá trình
chuyển hoá hoá học, trong hầu hết các trường hợp, sau khi thực hiện quá trình, dòng sản phẩm
thường phải trải qua một công đoạn phân đoạn nhằm mục đích thu được các sản phẩm có chất
lượng đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 6


Hình 1.2 Sơ đồ phân tách dầu thô bằng quá trình chưng cất khí quyển
 Tuần hoàn lại
Hầu hết các công đoạn chuyển hóa hóa học đều được đặc trưng bởi sự chuyển hóa từng chặng
không hoàn toàn, tiếp đó lại là một công đoạn phân riêng để tách riêng và tuần hoàn lại các cấu tử
chưa được chuyển hóa, vì hệ số chuyển hoá tuỳ thuộc quá trình thường nằm trong khoảng 10-90%
(Hình 1.3).

Hình 1.3 Sơ đồ tuần hoàn lại các cấu tử chưa chuyển hóa sau thiết bị phản ứng
Chẳng hạn, sự cần thiết gia tăng chỉ số octan IO của các nguồn xăng cơ sở nhằm sản xuất ra các loại
xăng không chì, dẫn đến việc phải tiến hành các quá trình đồng phân hóa các n-parafin thành các
iso-C
5
và C
6
. Các n-parafin không được chuyển hóa khi đi ra khỏi quá trình đồng phân hóa sẽ
được tách ra bởi các rây phân tử có kích thước 5 A°

và được tái tuần hoàn, nhằm đạt kết quả đồng
phân hóa hoàn toàn các parafin này.

 Làm sạch
- Làm sạch cho nguyên liệu trước khi phản ứng tách các loại tạp chất (như H
2
S, mercaptan có
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 7

trong hỗn hợp khí trên rây phân tử 13X) mà chúng có phản ứng phụ với xúc tác trong nguyên liệu
đầu là rất cần thiết cho các công đoạn hạ lưu, vì trong các công đoạn có sử dụng xúc tác, chất xúc
tác rất nhạy phản ứng với các tạp chất có trong nguyên liệu.
- Làm sạch để hoàn thiện chất lượng tạo sản phẩm (tách aromatic, parafin để sản xuất dầu
nhờn, tách aromatic cho nhiên liệu).
- Làm sạch để đáp ứng yêu cầu là một vài sản phẩm thu được phải có độ tinh khiết cao để ứng
dụng cho các nhu cầu của hóa dầu (ví dụ sản xuất H
2
, i/n-parafin, BTX tinh khiết).
- Làm sạch nhằm tách triệt để các tạp chất độc hại có trong các chất thải là khí, nước từ nhà
máy ra môi trường (như hấp thụ H
2
S bằng dung môi amin).
1.2 Nguyên lý của quá trình lọc tách
Thông thường, một hỗn hợp có thể ở dạng đồng thể (một pha ) hay dị thể (2 hay nhiều pha).
Sự phân tách hỗn hợp dị thể thường thực hiện trong một thiết bị lắng. Tài liệu này đề cập chủ yếu
đến quá trình phân riêng các hỗn hợp đồng nhất. Các hỗn hợp này cần được tách thành các nhóm
cấu tử hay thậm chí thành các cấu tử tinh khiết nhờ các quá trình lọc tách vật lý (hay quá trình
truyền chất) khá phức tạp. Các quá trình này, tùy từng trường hợp, sẽ đòi hỏi từ một hay một tập
hợp các công đoạn tinh chế lại một cách chọn lọc một vài cấu tử trong phân đoạn ban đầu. Độ chọn
lọc được nghiên cứu có tính nhiệt động học hay động học, trong đó độ chọn lọc nhiệt động học
thường xuyên được sử dụng trong tính toán.
Để minh họa cho 1 quá trình phân tách dựa trên độ chọn lọc nhiệt động học, trong trường hợp hỗn
hợp 2 cấu tử A và B, người ta cần phải đưa vào hỗn hợp một tác nhân mới, có thể là một pha chọn

loc ngoài (dung môi, chất hấp thụ) hay tác nhân nhiệt (đun nóng, làm lạnh, nén, giãn nở…)
Hệ số phân tách được định nghĩa như sau:
(King, 1980)
Trong đó, x
A1
, x
B1
, x
A2
, x
B2
là hệ số mol của cấu tử A và B trong pha 1 và pha 2. Khi cấu tử A tập
trung chủ yếu trong pha 1, hệ số α
AB
lớn hơn 1 và sự phân tách xảy ra hoàn toàn khi hệ số phân tách
lớn. Nếu trên tầng tiếp xúc được minh họa ở hình 1.4, khi 2 pha trộn lẫn tốt với nhau, người ta
thường quan sát thấy hệ số phân tách α
AB
nhỏ hơn giá trị của nó ở trạng thái cân bằng α
*
AB
. Giá trị
giới hạn này đạt được trong trường hợp ‘tầng lý thuyết’, nhưng trong trường hợp ‘tầng thực tế’, giá
trị α
AB
phụ thuộc vào động học quá trình truyền khối và khi giá trị này càng nhỏ, đồng nghĩa với
động học của quá trình này chậm.

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý phân tách dựa theo cân bằng pha
Tùy thuộc vào tác nhân tách (dạng vật chất hay năng lượng) và bản chất của các pha, các hoạt động

quá trình phân tách dựa trên độ chọn lọc cân bằng được phân loại như sau:
- Chưng cất: quá trình cơ bản, thường dùng nhất. Nguyên liệu thường ở dạng lỏng,nhưng đối
với chưng cất làm lạnh có thể dùng để phân tách hỗn hợp khí. Pha thứ hai được tạo ra ở đáy
tháp nhờ đun nóng (hồi lưu hơi) và ở đỉnh tháp nhờ làm lạnh (hồi lưu lỏng). Trong trường
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 8

hợp chênh lệch độ bay hơi của các cấu tử cần phân tách không đủ lớn để thực hiện sự phân
tách bằng chưng cất, người ta mới sử dụng các tác động khác.
- Làm lạnh: tạo ra một pha rắn trong đó tập trung chủ yếu cấu tử cần tách.
- Thêm dung môi: cho phép tách các cấu tử có độ bay hơi gần bằng nhau, nhưng thuộc các
nhóm hóa học khác nhau
- Chưng cất trích ly: kết hợp hiệu quả giữa thay đổi pha bởi cung cấp năng lượng và việc sử
dụng dung môi, để tách các cấu tử có độ bốc hơi gần nhau và có bản chất hóa học tương tự
nhau
- Sử dụng chất hấp phụ để thực hiện các quá trình phân tách khó như: tách hỗn hợp đồng phân
(paraxylene/metaxylene hay n-/iso parafine)
Quá trình phân tách có thể dựa trên độ chọn lọc động học, có nghĩa là chênh lệnh vận tốc khuếch
của các cấu tử qua màng. Nguyên lý này là cơ sở cho quá trình phân tách bằng màng chọn lọc, được
minh họa bằng sơ đồ sau:


Quá trình phân tách qua màng không có sự thay đổi pha và cả hai pha có thể đồng thời ớ dạng khí
hoặc dạng lỏng.
Bảng 1.1 dưới đây thể hiện các quá trình phân tách khác nhau, phụ thuộc vào các tác nhân tách, bản
chất của các pha và độ chọn lọc.
Bảng 1.1 Nguyên lý của quá trình phân tách



Trong công nghệ lọc dầu, chưng cất là quá trình phân tách được sử dụng nhiều nhất và chưng cất

khí quyển là quá trình phân tách cơ bản của lọc dầu. Ngoài ra, các quá trình phân tách khác cũng
được sử dụng:
- Quá trình kết tinh để tách các paraffin có trong dầu. Trong lĩnh vực hóa dầu, quá trình kết
tinh còn dùng để thu hồi paraxylene
- Hấp thụ khí lỏng: dùng để xử lý khí nhằm tách loại các khí axit
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 9

- Trích ly lỏng lỏng: chủ yếu để tách các hợp chất vòng thơm
- Tách qua màng: ít được dùng trong nhà máy lọc dầu
1.3 Thực hiện quá trình phân tách
1.3.1 Nhiệt động học và hệ số động học
Bảng 1.1 cho thấy hầu hết các quá trình lọc tách phổ biến thường dựa trên độ chọn lọc cân
bằng hay còn được gọi là độ chọn lọc nhiệt động học.
Độ chọn lọc này được xác định dựa trên cân bằng nhiệt động hoc, sự phân bố giữa các cấu
tử cần tách khác nhau trong các pha. Sự khác nhau này liên quan đến các tính chất nhiệt động học
của các cấu tử tinh khiết (nhiệt độ sôi hay nhiệt độ kết tinh) hoặc sự khác nhau về ái lực của các cấu
tử cần phân tách đối với tác nhân phân tách chon lọc, có thể là dung môi hay chất hấp phụ được đưa
vào hệ. Chẳng hạn, dung môi phân cực cho phép tách các hợp chất thơm ra khỏi các hợp chất
paraffin.
Trên đồ thị quan hệ của nồng độ C trong pha 1 và nồng độ C’ trong pha 2, mối quan hệ cân
bằng được thể hiện bởi đường cong đi qua gốc tọa độ (hình 1.6). Nồng độ có thể đơn vị là kg/m
3
,
mol/m
3
hay kmol/m
3
, hay dưới dạng phần mol hay phần khối lượng. Thông thường, các mô hình
nhiệt động sẽ có tác động khi mối quan hệ được biễu diễn ở dạng phần mol. Ngược lại, khi muốn
thay đổi nồng độ, cần phải chú ý đến các hệ số động học (như khuếch tán phân tử) và thủy động học

như là hỗn hợp hướng trục. Khi biết nồng độ của các pha, đặc biệt thành phần và thể tích mol của
các cấu tử, thì có thể biết được nồng độ dưới dạng thành phần mol và ngược lại.

Hình 1.6 Sự quan hệ cân bằng giữa các pha
Khi nồng độ thấp, đường cong cân bằng có thể tiếp tuyến với gốc tọa độ và cân bằng nhiệt động học
được xác định bởi hệ số phân bố, là tỉ số nồng độ ở trạng thái cân bằng.
Khi ở giá trị nồng độ C và C
’
lớn hơn, đường cân bằng thường không tuyến tính. Trong khoảng
nồng độ thay đổi ít C và C’, có thể coi như đường tiếp tuyến và mối quan hệ cân bằng được thể hiện
dưới dạng tuyến tính gần đúng:
C
*
= mC+ q
Trong đó C
*
là nồng độ của pha 2 cân bằng nhiệt động học với pha 1.
Việc dự đoán mối quan hệ giữa các thành phần tương ứng của các pha ở trạng thái cân bằng nhiệt
động học có nhiều tiến triển trong 20 năm gần đây và có thể xác định dựa vào các mô hình được
tính sẵn trên máy tính. Để các cấu tử cần tách có thể chuyển từ pha 1 sang pha 2, nồng độ C trong
pha 1 phải cao hơn nông độ C
*
cân bằng với pha 2. Nồng độ C
*
là nồng độ của pha 1 cân bằng với
nồng độ C’ trong pha 2 (hình 1.7). Chênh lệch nồng độ (C – C
*
) thể hiện động lực của sự truyền
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 10

khối. Lượng lưu chất đi qua bề mặt phân chia có quan hệ trực tiếp với lực này và đưa ra phương
trình:
N = K (C-C
*
)
Trong đó, N là lượng chất được chuyển trên đơn vị diện tích bề mặt phân chia và K là hệ số truyền
khối tổng tương ứng ở pha 1.
Các kiến thức về động học của quá trình truyền khối cho phép thiết kế thiết bị tiếp xúc pha.

Hình 1.7 Động lực của quá trình truyền khối
1.3.2 Tiếp xúc giữa các pha
Sự tiếp xúc giữa các pha cho phép thực hiện quá trình phân tách thường xảy ra trong tháp thẳng
đứng, trong đó pha nặng hơn chảy theo lực trong trường ngược dòng với pha nhẹ.
Có 2 kiểu tiếp xúc khác nhau (hình 1.8)
- Sự tiếp xúc xảy ra trên các tầng nối tiếp: chẳng hạn như tại các tháp đĩa được sử dụng rộng
rãi trong chưng cất. Nếu sự tiếp xúc được thực hiện trên n bậc, mỗi bậc được kí hiệu i, chạy
từ 1 đến n. Trên hình 1.8A, thể hiện bậc tiếp xúc i cũng như các bậc lân cận i-1 và i+1.
- Sự tiếp xúc cũng có thể liên tục, tương ứng với trường hợp tháp đệm trong đó 1 trong các
pha chảy dọc theo tầng đệm, ngược dòng với pha khác. Để phân tích sự thay đổi nồng độ
trong mỗi pha, người ta đưa ra mối quan hệ cân bằng trên 1 đơn vị tiếp xúc với chiều dài dz.
Có các kiểu tiếp xúc khác nhau: ngược dòng, xuôi dòng và chéo dòng (hình 1.9)
Trên hình 1.9A là sơ đồ của trường hợp tiếp xúc xuôi dòng liên tục. Tương tự trong trường hợp tiếp
xúc ngược dòng liên tục, diện tích vùng tiếp xúc bất kỳ được xác đinh theo phương z theo hướng
vào của 2 pha và sự thay đổi nồng độ mỗi pha được phân tích bằng cách đưa ra quan hệ cân bằng
trên một đơn vị tiếp xúc với chiều dài dz.
Trong trường hợp tiếp xúc chéo dòng liên tục (hình 1.9B), cần phải xem xét theo 2 hướng u và v
trong đó các pha di chuyển theo các hướng vuông góc nhau.

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 11

Hình 1.8 Kiểu tiếp xúc ngược dòng giữa các pha. A: tiếp xúc trên các bậc, B: tiếp xúc liên tục

Hình 1.9 Kiểu tiếp xúc xuôi dòng (A) và chéo dòng (B)
Sự tiếp xúc trên đĩa gần như là tiếp xúc chéo dòng, vì một trong các pha di chuyển ngang dọc theo
đĩa và pha còn lại di chuyển thẳng đứng. Trong trường hợp như vậy, nồng độ 2 pha thay đổi theo
hai hướng u và v và sự biến thiên nồng độ theo 2 trục này được phân tích dựa trên đơn vị diện tích
du dv.
Kiểu tiếp xúc xuôi dòng hay chéo dòng được sử dụng trong trường hợp chỉ có 1 tầng tiếp xúc. Tuy
nhiên, chúng không cho phép thực hiện sự phân tách hoàn toàn của 2 cấu tử nên cần phải thực hiện
sự tiếp xúc ngược dòng.
Quả thực, như trong trường hợp tiếp xúc xuôi dòng, tại đầu ra của thiết bị, nồng độ đầu ra của cấu
tử trong pha 1 chuyển từ pha 1 đến pha 2 phải lớn hơn nồng độ cân bằng tương ứng với nồng độ của
cấu tử đó trong pha 2. Chênh lệch giữa hai nồng độ này càng nhỏ, sự tiếp xúc giữa hai pha càng
hiệu quả.
1.3.3 Sự hấp phụ trên tầng cố định
Trong trường hợp hấp phụ, việc di chuyển pha rắn sẽ gây ra nhiều vấn đề phức tạp (như thiết bị kéo
theo, độ bền cơ học của chất hấp phụ…), vì vậy, chất hấp phụ sẽ được đặt trong trên tầng cố định.
Hoạt động hấp phụ -giải hấp diễn ra không liên tục, được thể hiện trên hình 1.11.
Việc lắp đặt bao gồm ít nhất 2 thiết bị, trong đó 1 trong 2 thiết bị hoạt động ở trạng thái hấp phụ, thì
thiết bị còn lại ở trạng thái giải hấp và sự chuyển hoán được thực hiện bằng cách tác động đến các
van. Chẳng hạn, khi tầng hấp phụ C1 hoạt động ở chế độ hấp phụ thì các van V
11
và V
13
mở trong
khi đó các van V
12
và V
14

đóng.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 12


Hình 1.10 Quá trình tách bằng hấp phụ tầng cố định
Trường hợp hỗn hợp gồm 2 cấu tử A và B, trong đó cấu tử B được giữ lại chọn lọc trên tầng hấp
phụ, thì trong quá trình hấp phụ, cấu tử A tinh khiết đi ra khỏi thiết bị C1 và cấu tử B bị giữu lại
trên tầng hấp phụ. Trong quá trình giải hấp được xảy ra song song trên thiết bị C
2
, tác nhân giải hấp
D được đưa đến, khí đó các van V
24
và V
22
mở trong khi đó van V
14
và V
12
đóng. Người ta thu
được cấu tử B trộn với tác nhân giải hấp D tại đầu ra của thiết bị C
2
khi ở trạng thái giải hấp.
Trong thực tế, cách thức vận hành thường phức tạp hơn và có thể có giai đoạn xả để tránh làm ô
nhiễm các chất trong giai đoạn giải hấp do 1 lượng đáng kể pha bị hấp phụ vẫn còn giữ lại trên tầng
cố định trong quá trình hấp phụ. Vì vậy, quá trình này có thể có 3 hay 4 tầng hấp phụ hoạt động
song song. Kiểu công nghệ này chỉ thích hợp khi tầng hấp phụ có độ chọn lọc cao đối với cấu tử cần
tách. Sự hấp phụ trên tầng cố định đặc biệt được sử dụng để tách nước của phân đoạn khí khô trong
lọc dầu và để tách các n paraffin ra khỏi các iso paraffin trong phân đoạn xăng nhẹ nhằm cải thiển
chỉ số octane của các n paraffin. Khi độ chọn lọc thấp thì tầng hấp phụ cố định không thích hợp và

nên tiến gần đến điều kiện ngược dòng. Trong trường hợp này, người ta có thể xem như tiếp xúc
ngược dòng mà không dịch chuyển tầng hấp phụ bằng cách thay đổi vị trí nạp liệu và rút nguyên
liệu, tác nhân dịch chuyển và các chất thải. Trường hợp này hay dùng để tách các parraxylène bằng
zeolithe X hoặc Y. Việc áp dụng quá trình phân tách bằng hấp thụ trong lọc dầu cũng được sử dụng
rộng rãi.
1.3.4 Sự phân tách qua màng

Các quá trình phân tách qua màng vẫn còn ít được sử dụng trong lọc dầu. Phương pháp này dùng để
tách hỗn hợp mà thành phần của chúng có thể khác xa với cân bằng nhiệt động học. Khi có màng có
tính thấm và độ chọn lọc đủ lớn sẽ cho phép thực hiện quá trình tách mong muốn. Thực tế, trong kỹ
thuật hiên tai, việc sử dụng màng không thích hợp để thực hiện các quá trình tinh lọc hay quá trình
tách cưỡng bức. Đối với trường hợp hỗn hợp đồng nhất, dựa trên các nguyên tắc áp dụng hiện tại,
nên dùng kết hợp các kỹ thuật tách cổ điển hơn dựa trên sự tiếp xúc giữa các pha.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 13

CHƯƠNG 2. QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT, HẤP THỤ
TRONG CÔNG NGHIỆP DẦU KHÍ



2.1. Quá trình chưng cất khí quyển dầu thô
Chưng cất khí quyển là 1 công đoạn căn bản của quy trình công nghệ lọc dầu, công đoạn này
ra đời từ cuối thế kỷ XIX. Vì nó là công đoạn đầu tiên trong quy trình công nghệ lọc dầu, nên chưng
cất khí quyển luôn phải xử lý lượng lớn nhất nguyên liệu và nó đóng vai trò quyết định trong vận
hành nhà máy lọc dầu. Năng suất của phân xưởng này thay đổi từ 300.000 đến hơn 10 triệu tấn dầu
thô/năm. Giá thành của 1 phân xưởng chưng cất khí quyển năng suất 10 triệu tấn dầu thô/năm vào
thời điểm năm 1994 là khoảng 120-150 triệu USD. Thông thường, từ nguyên liệu là dầu thô, qua
phân xưởng chưng cất khí quyển, ta sẽ thu được các phân đoạn sản phẩm dầu thô như sau:
- phân đoạn hỗn hợp khí-xăng này, thông thường sau khi được xử lý hydro, sẽ là nguyên liệu
cho các công đoạn phân tách khí và xăng

- phân đoạn naphta thường dùng làm nguyên liệu hóa dầu
- phân đoạn kerosene, dùng để sản xuất nhiên liệu máy bay. Phân đoạn này cũng có thể dùng
để sản xuất dung môi, dầu đốt dân dụng hay dầu động cơ (dầu diesel)
- một hay hai phân đoạn gasoil dùng để sản xuất dầu đốt dân dụng hay dầu diesel
- phân đoạn cặn khí quyển làm nguyên liệu cho phân xưởng chân cất chân không
Ngoài ra, đôi khi còn có một phân đoạn, gọi la phân đoạn cất, nằm giữa phân đoạn gasoil nặng và
vùng nạp liệu; tùy theo chất lượng của phân đoạn này, có thể trộn với phân đoạn cặn chưng cất khí
quyển hoặc dùng để pha loãng nhiên liệu nặng.
Các phân đoạn kerosene và gasoil hầu như luôn phải trải qua một giai đoạn xử lý hoàn thiện trước
khi phối trộn sản phẩm thương phẩm. Các phân đoạn này thu được bằng chưng cất dầu thô, do vây,
tuy vào bản chất của dầu thô, có thể chứa một số các tạp chất không mong muốn, thường là lưu
huỳnh và các hợp chất vòng thơm.
Và cũng có thể thu được một phân đoạn xăng nhẹ từ quá trình chưng cất. Vì vậy, phân đoạn naphta
được phân tách thành phân đoạn xăng nhẹ (có chứa hỗn hợp khí) lấy ra ở đỉnh tháp và phân đoạn
xăng nặng lấy ra ở thân tháp thông qua một thiết bị strippeur. Quá trình tách như thế này sẽ kém
hiệu quả so với sự phân tách trong một tháp riêng biệt. Hơn nữa, nguy cơ ngưng tụ nước trên đỉnh
tháp sẽ làm hạn chể các ứng dụng của xăng nhẹ do có nhiệt độ điểm cuổi khá cao.
Một phân xưởng chưng cất khí quyển thường được thiết kế sao cho nó có khả năng xử lý được
nhiều loại dầu thô có tính chất khác nhau như:
- nguồn nguyên liệu dầu thô thường xuyên của nhà máy;
- nguồn dầu thô nhẹ hơn, liên quan đến việc thiết kế các vùng đỉnh tháp và lò cấp nhiệt
- nguồn dầu thô nặng hơn, liên quan đến thiết kế đáy tháp và bộ phận trao đổi nhiệt
Trong cả 3 trường hợp, năng suất xử lý chế biến thực tế cho mỗi trường hợp sẽ không như
nhau nhằm giảm thiểu thiết kế dư. Cùng một loại lò, năng suất xử lý đối với dầu nặng sẽ lớn hơn và
với dầu nhẹ sẽ nhỏ hơn.
Tháp chưng cất khí quyển cũng được thiết kế để cho phép sự thay đổi điểm cắt giữa các phân
đoạn khoảng 20°C theo đường cong chưng cất TBP ( ví du như nhiên liệu mùa đông, mùa hè) và
cuối cùng, phân xưởng chưng cất khí quyển cần được thiết kế sao cho trong trường hợp cần thiết
vẫn có thể hoạt động một cách hoàn hảo ở năng suất bằng khoảng 60% năng suất thiết kế danh
nghĩa.

2.1.1 Mô tả quá trình
Sơ đồ của phân xưởng chưng cất khí quyển được mô tả như hình vẽ 2.1
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 14



Hình 2.1. Sơ đồ phân xưởng chưng cất khí quyển dầu thô.
Quá trình phân tách thường diễn ra ở 1 tháp duy nhất, hoạt động dưới áp suất từ 1-3 bar,
thường ở áp suất làm việc thấp nhất có thể. Việc trích dòng sản phẩm được thực hiện nhờ thiết bị
strippeur. Các tháp strippeur có thiết bị đun sôi lại (khi muốn thu sản phẩm khô không chứa nước)
hay thông thường hơn, được bốc hơi bằng hơi nước trực tiếp, các phần nhẹ bốc hơi được quay trở
lại tháp chính tại vị trí phía trên đĩa trích dòng lỏng vào strippeur.
Tháp chưng cất khí quyển, trong thực tế hoạt động như một tháp hấp thụ có hồi lưu, nó có từ
1-3 dòng hồi lưu tuần hoàn cho phép ta thu hồi được 1 lượng nhiệt khá cao.
Dòng quá bốc hơi, hay còn gọi là ‘overflash’ là dòng hồi lưu nội tại đĩa phía trên đĩa nạp liệu.
Dòng này có khi được trích ra (ít khi) hoặc đưa về đáy tháp. Dòng này để xác định độ quá bốc hơi
của nguyên liệu và bảo đảm chất lượng của phân đoạn gasoil nặng.
Sự ngưng tụ ở đỉnh là hoàn toàn hay một phần tuỳ vào nhiệt độ lưu chất làm lạnh và bản chất
dầu thô. Trong trường hợp ngưng tụ một phần, dòng khí còn lại thường đưa qua máy nén và đi vào
hệ thống khí nhiên liệu của nhà máy lọc dầu.
Tháp chưng cất chính, có độ cao khoảng 50m, thường được trang bị 30 đến 50 đĩa van, và các
tháp strippeur bên thân tháp thường có 4 đến 10 đĩa.
Dầu thô được đun nóng sơ bộ trong chuỗi thiết bị trao đổi nhiệt thứ nhất nhờ sử dụng nhiệt thu
hồi từ các sản phẩm và từ dòng hồi lưu tuần hoàn đến nhiệt độ khoảng 120-160°C, tại nhiệt độ này
dầu thô sẽ được khử muối. Công đoạn này được thực hiện ở áp suất khá lớn (khoảng 12 bar) nhằm
để hỗn hợp dầu thô và nước vẫn còn ở trạng thái lỏng tại nhiệt độ mong muốn. Dầu thô đã tách
muối được gia nhiệt trong chuỗi thiết bị trao đổi nhiệt thứ hai rồi được đưa vào lò đốt để đạt được
nhiệt độ khoảng 330-390°C để cấp liệu vào tháp chính ở trạng thái hóa hơi một phần
Các phân đoạn thu được đôi khi được sấy khô ở nhiệt độ 150°C trong các thiết bị sấy chân
không nối liền với các thiết bị strippeur thân tháp.

2.1.2 Chất lượng của phân tách sản phẩm
Chất lượng của việc phân tách thường được tính dựa vào khái niệm ‘gap’ hay ‘overlap’ của
các sản phẩm. Nếu việc phân tách lý tưởng, sẽ không có hiện tượng một cấu tử phân bố trong 2
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 15

phân đoạn liền nhau. Điểm cuối TBP của phân đoạn nhẹ trùng với điểm đầu TBP của phân đoạn
nặng. Khi đó, chênh lệch giữa hai giá trị này (điểm cuối của phân đoạn nhẹ và điểm đầu của phân
đoạn nhẹ) trên đường cong chưng cất ASTM lớn hơn không và được goi là ‘gap’. Trong trường hợp
ngược lại, giá trị này < 0, được gọi là ‘overlap (Hình 2.2)



Hình 2.2 Sơ đồ thể hiện khái niệm ‘gap’ và ‘overlap’
Tuy nhiên, việc xác định điểm đầu và điểm cuối của đường cong chưng cất thường không
chính xác, do đó, các điểm ở 5% (hay 10%) và 95% (hay 90% thể tích) thường dùng để xác định
chất lượng của quá trình tách các sản phẩm.



Bảng 2.1 Các giá trị gap và overlap của các phân đoạn chưng cất dầu thô
Ngoài ra, chất lượng của quá trình chưng cất dầu thô còn được kiểm soát bởi các tính chất của các
phân đoạn dưới đây:
- điểm chớp cháy của phân đoạn kerosene và gasoil
- điểm cuối của đường cong chưng cất ASTM D86 của phân đoạn xặng nặng, thường thấp
hơn 185°C, để bảo đảm điểm cuối của đường cong chưng cất của xăng tái tạo đáp ứng tiêu
chuan thương mại
- điểm vẩn đục của gasoil nặng
- điểm chớp cháy của cặn chưng cất khí quyển
Quá trình vận hành phân xưởng cho phép điều chỉnh điểm cắt của các phân đoạn và chất lượng
của quá trình tách

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 16

2.1.2.1 Thay đổi điểm cắt
Việc điều chỉnh điểm cắt giữa các phân đoạn được thực hiện bởi (xem hình 2.1):
- Thiết bị điều khiển nhiệt độ ở đỉnh tháp: nhằm điều chỉnh gián tiếp lưu lượng phân đoạn
napha rút ra
- Và các thiết bị điều khiển lưu lượng ( FRC) được đặt trên đầu ra của bơm ở đáy các thiết bị
strippeur của sản phẩm trích ngang: kerosene, gasoil nhẹ và gasoil nặng
- Lưu lượng cặn chưng cất khí quyển được điều chỉnh thông qua thiết bị điều khiển mức chất
lỏng ở đáy tháp bảo đảm cân bằng vật chất của tháp
Thiết bị điều khiển nhiệt độ đỉnh được đặt ở đỉnh tháp trong trường hợp một thiết bị ngưng tụ và
trên bình hồi lưu đầu tiên trong trường hợp hai thiết bị ngưng tụ. Nhiệt độ ở đỉnh được điều khiển
chính là nhiệt độ điểm sương của phân đoạn naphta ở áp suất riêng phần của phân đoạn này tại
vùng đỉnh. Các giá trị cài đặt của 4 thiết bị điều khiển kể ở trên liên quan đến cân bằng vật chất của
tháp. Việc thay đổi giá trị cài đặt của một trong các thiết bị điều khiển này làm thay đổi tất cả các
điểm cắt của sản phẩm nặng hơn kể từ sản phẩm trực tiếp tác động. Chẳng hạn, khi giảm giá trị cài
đặt lưu lượng của thiết bị điều khiển lưu lượng của kerosene sẽ làm thay đổi điểm cuổi của
kerosene ( trên đường cong TBP, điểm cuối sẽ thấp hơn), và làm thay đổi điểm đầu và điểm cuối
của gasoil, điểm đầu của cặn chưng cất; điểm cắt của naphta vẫn không đổi. Lưu lượng của naphta,
gasoil không đổi nhưng lưu lượng sản phẩn cặn khí quyển, lưu lượng hồi lưu nội, và lưu lượng
‘overflash’ tăng. Chất lượng của naphta không đổi nhưng của các sản phẩm khác thay đổi: các sản
phẩm này nhẹ hơn, và nhiệt độ rút sản phẩm cũng thấp hơn;và điều này sẽ làm giảm lượng nhiệt
rút ra bởi hồi lưu tuần hòa, vì vậy sẽ có tác động đến chất lượng của sự phân tách sản phẩm.
Trong trường hợp thay đổi ngược lại, các sản phẩm kerosene, gasoil và cặn sẽ nặng hơn tương
ứng với nhiệt độ rút sản phẩm sẽ cao hơn. Lưu lượng của naphta và các sản phẩm trích ngang
không đổi, ngoại trừ kerosene tăng lên và cặn giảm xuống. Lưu lượng overflash và hồi lưu nội
cũng sẽ tăng.
Việc thay đổi điểm cắt giữa 2 sản phẩm liên tiếp được thực hiện bởi tác động đồng thời đến 2
thiết bị điều khiển lưu lượng của 2 sản phẩm đó. Chẳng hạn, để giảm điểm cắt của phân đoạn
KER/GO nhẹ, cần phải giảm giá trị cài đặt của thiết bị điều khiển lưu lượng kerosene và tăng

tương ứng giá trị cài đặt của thiết bị điều khiển lưu lượng gasoil nhẹ. Trong trường hợp này, điểm
cắt của phân đoạn khác không đổi.
2.1.2.2 Thay đổi chất lượng tách
Chất lượng tách giữa hai sản phẩm liên tiếp, trên vùng có số đĩa cố định, tùy thuộc vào lưu
lượng lỏng hơi tròng vùng đó. Nếu lưu lượng lỏng hơi tăng sẽ tăng chất lượng tách sản phẩm. Ở
một nhiệt độ nạp liệu vào tháp không đổi, lưu lượng lỏng hơi trong các vùng khác nhau sẽ tùy tùy
thuộc vào lượng nhiệt lấy ra bởi các hồi lưu tuần hoàn. Để tăng hay giảm chất lượng tách giữa 2 sản
phẩm liên tiếp, cần tác động vào hai biến đồng thời, giống như trong trường hợp thay đổi điểm cắt.
Ví dụ, để tăng chất lượng tách của 2 phân đoạn gasoil, cần phải giảm lượng nhiệt lấy ra bởi hồi lưu
tuần hoàn gasoil nặng (để hơi lên nhiều) và tăng đồng thời lượng nhiệt lấy ra bởi hồi lưu tuần hoàn
gasoil nhẹ (để ngưng tụ hơi nhiều). Nếu lượng nhiệt này không được thu hồi ở vị trí của gasoil nhẹ
thì sẽ tự động thu hồi tại thiết bị ngưng tụ của tháp, từ đó làm tăng chất lượng của các sản phẩm nhẹ
hơn gasoil nặng vì lưu lượng lỏng hơi tăng trong các vùng sản phẩm này. Chính vì vậy, trong
trường hợp phân tách giữa naphta và kerosene,chỉ cần tác động lên hồi lưu tuần hoàn kerosene là
đủ. Cuối cùng, phải chú ý là nhiệt độ nạp liệu vào tháp điều chỉnh lưu lượng overflash, vì vậy, điều
chỉnh chất lượng tách giữa gasoil nặng và cặn chưng cất khí quyển.Khi hồi lưu tuần hoàn không
đổi, nhiệt độ này cho phép tác động đến toàn bộ các phân đoạn.
Tóm lại, việc thay đổi điểm cắt và điều chỉnh chất lượng tách giữa 2 sản phẩm cần phải tác động
đồng thời đến 3 hoặc 4 biến, đòi hỏi phải phát triển tinh vi các công cụ điều khiển và hỗ trợ vận
hành.
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 17

2.1.3 Các bước tiến hành khi mô phỏng tháp chưng cất khí quyển
2.1.3.1 Lựa chọn mô hình nhiệt động
Các phần mềm mô phỏng đưa ra các mô hình nhiệt động đối với các phân xưởng lọc dầu cho phép
tính toán các hệ số cân bằng lỏng hơi, các hệ số enthalpie, entrophie cũng như khối lượng riêng của
các pha lỏng và hơi . Sự khác nhau giữa các mô hình có thể liên quan đến việc chọn lựa phương
pháp để tính các thông số trên. Thông thường, các nhà sản xuất phần mềm đề nghị kết hợp các
phương pháp hay dùng. Bảng 1.2 dưới đây đưa ra các mô hình hay sử dụng cho phân xưởng chưng
cất khí quyển

Bảng 2.2 Các mô hình nhiệt động tham khảo

Các mô hình này sử dụng các công cụ rất đa dạng, như là:
- Các phương trình trạng thái (Peng- Robinson)
- Hiệu chỉnh thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm (Braun/Grayson)
- Định luật trạng thái tương ứng (Lee Kesler)
2.1.3.2 Nhập số liệu và phân tích kết quả
a. Nhập các thông số dầu thô
Từ các dữ liệu phân tích dầu thô có sẵn, dầu thô được chia thành các phân đoạn hẹp bằng phương
pháp thủ công hoặc hỗ trợ của phần mềm. Các phân đoạn được đưa vào mô phỏng dưới dạng các
cấu tử giả đặc trưng bởi 2 trong 3 tính chất sau:
- Khối lượng riêng
- Nhiệt độ sôi
- Khối lượng phân tử
Dầu thô được chia thành các phân đoạn hẹp (với bước chia từ 10 đến 20°C) hay lớn hơn để tránh
quá tải cho việc tính toán (bước chia từ 30 đến 50°C đối với cặn khí quyển trên 400°C)
Một vài phần mềm hỗ trợ bước nhập các phân đoạn cắt và đưa ra các dữ liệu tự động dựa vào
đường cong chưng cất dầu thô TBP
b. Lựa chọn số đĩa trong vùng tách
Được thể hiện trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Dự đoán số đĩa thực tế trong các vùng của tháp chưng cất khí quyển

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 18

Các vùng trao đổi nhiệt thường có 2 đến 4 đĩa thực tế tùy thuộc vào lượng nhiệt trao đổi. Số đĩa này
không được thể hiện trong bảng trên. Tổn thất áp suất giữa đỉnh và vùng giãn nở khoảng 0,4 đến 0,6
bar.
c. Tính toán áp suất đỉnh
Áp suất đỉnh có thể được đánh giá nhanh dựa vào tính toán áp suất điểm sôi của phân đoạn xăng
được cắt theo đường cong chưng cất TBP ở nhiệt độ làm lạnh của thiết bị ngưng tụ đỉnh. Áp suất

đỉnh tháp bằng áp suất của bình hồi lưu đỉnh cộng với tổn thất áp suất của vùng đỉnh tháp (0,2-0,7
bar). Áp suất của vùng nạp liệu bằng với áp suất đỉnh cộng thêm tổn thất áp suất giữa bình hồi lưu
đỉnh và vùng nạp liệu
d. Lượng hơi stripping
Tỉ lệ trung bình của hơi stripping sử dụng (ảnh hưởng đến điểm chớp cháy của các sản phẩm)
thường là:
- Phân đoạn kerosene và gasoil: 15 đến 30 kg hơi/ 1 m
3
sản phẩm
- Phân đoạn cặn: 20 đến 30 kg hơi/ 1 m
3
cặn
e. Điều chỉnh độ quá bốc hơi (overflash)
Nhiệt độ nạp liệu vào tháp được chọn lựa để đạt được độ quá bốc hơi từ 3 đến 5% so với nguyên
liệu, có nghĩa là lượng hơi đến từ vùng nạp liệu cộng với lượng hơi bốc lên từ đáy tháp bằng tổng
các sản phẩm cất cộng với giá trị overflash mong muốn.
Độ bốc hơi của dầu thô ở các nhiệt độ khác nhau và áp suất của vùng nạp liệu cho phép dự đoạn gần
đúng giá trị overflash mong muốn.
f. Phân tích kết quả
Việc tính toán quá trình phân tách đưa ra các đường cong chưng cất ASTM và TBP của sản phẩm,
được tính toán lại từ các hiệu chỉnh. Điểm đầu và điểm cuối của đường cong này có độ tin cậy trung
bình và để hội tụ tháp không nên xem xét dựa trên các tiêu chuẩn của sản phẩm (gap hay overlap)
mà theo cách cổ điển, dựa trên lưu lượng sản phẩm rút ra và lượng nhiệt thu hồi từ các hồi lưu tuần
hoàn bằng cách thay đổi lượng nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ. Vì vậy, các tiêu chuẩn của sản
phẩm được kiểm soát sau. Phương pháp Packie cũng được xem là một phương pháp hiệu quả để
kiểm soát tiêu chuẩn sản phẩm.
g. Khả năng hội tụ
Sau khi bảo đảm rằng lương hơi khi đi ra khỏi vùng giãn nỡ lớn hơn lượng sản phẩm lấy ra, độ hội
tụ của quá trình tính toán tháp có thể đạt được bằng cách tăng nhiệt trao đổi ở thiết bị ngưng tụ, có
nghĩa là không thu hồi nhiệt dựa vào các hồi lưu tuần hoàn. Tất cả các dòng hồi lưu nội trong tháp

và sản phẩm được ngưng tụ ở đỉnh. Vì vậy, các hồi lưu tuần hoàn tăng từ từ, để điều chỉnh nghiêm
ngặt trong mỗi vùng lượng hồi lưu nội cần thiết cho sự phân tách.
Lượng nhiệt rút ra từ các hồi lưu tuần hoàn là kết quả của việc tối ưu kinh tể, số đĩa tăng cùng với
lượng nhiệt rút ra.
Tóm lạị, lưu lượng hồi lưu tuần hoàn được hiệu chỉnh và nhiệt độ dòng hồi lưu trở về tháp cố định
để bảo đảm hoạt động tốt trong vùng trao đổi nhiệt.
2.1.4 Công nghệ chưng cất khí quyển
Các dụng trong phân xưởng chưng cất khí quyển là khá giống nhau. Đa số thiết bị đều được
chế tạo từ thép carbone thường, ngoại trừ các vùng bị đốt nóng ở nhiệt độ cao phải chế tạo bằng hợp
kim. Một phần của tháp thông thường được phủ lớp thép có 12% crom. Trong các vùng chịu ăn
mòn ở trạng thái lạnh như đỉnh tháp, thiết bị hồi lưu phải chế tạo bằng vật liệu quý (như monel)
hoặc phải phủ các hợp kim đặc biệt.
Tháp thường được thiết kế với các đĩa cổ điển kiểu chóp. Số vách chảy chuyền được xác định
tùy theo độ quan trọng của lưu lượng lỏng-hơi trong vùng xem xét: có thể có đến 4 trong vùng trao
đổi nhiệt và thường là 2 trong các vùng khác. Hiệu suất trao đổi chất của đĩa thường là tốt nhất ở
vùng đỉnh tháp và trung bình trong vùng nằm giữa vùng trích gasoil và vùng nhập liệu (sự phân tách
tốt nhất nằm ở phía đỉnh tháp). Đĩa thường được chế tạo từ thép hợp kim (12% Crom). Trong các
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 19

vùng phân đoạn hoặc vùng rửa ngày nay đôi khi người ta sử dụng đệm có cấu trúc. Các đĩa rút sản
phẩm được cấp liệu cho các tháp strippeur và các bơm hồi lưu tuần hoàn ngày nay thường rút hết
sản phẩm, cho phép điều khiển tốt nhất lưu lượng hồi lưu nội trong mỗi vùng phân tách. Kiểu này
đã được dùng thường xuyên trong tháp chưng cất chân không của cặn khí quyển.
Dòng nguyên liệu vào tháp theo kiểu tiếp tuyến hoặc kiểu trục cánh nhằm tạo thuận lợi cho
việc phân giải pha hơi.
Lò đốt thường có kiểu cabine hay hình trụ, với các ống treo thẳng đứng hoặc nằm ngang. Các
lò đốt này được trang bị thiết bị tiền gia nhiệt bằng không khí và các chùm ống quá nhiệt hay tái
sinh hơi nước để đạt hiệu suất cao.
Thiết bị gia nhiệt sơ bộ bằng không khí nóng có thể được thực hiện bằng trao đổi nhiệt với
khói lò. Khói lò có thể đi ra ở trạng thái tương đối lạnh nếu chất đốt đã được khử lưu huỳnh. Một

phần gia nhiệt sơ bộ cũng có thể thực hiện được nhờ dòng tác nhân nóng không phải hydrocarbon
(nước ngưng, nước muối). Hiệu suất gia nhiệt đạt được từ 80-90% khi sử dụng nhiệt của tháp và từ
90-95% khi sử dụng nhiệt của lò. Thiết bị trao đổi nhiệt thường có dạng TEMA, với áp suất làm
việc danh nghĩa thường không vượt quá 30 bar.
Đường kính của tháp thay đổi tùy theo từng vùng xem xét. Vùng đỉnh và đáy tháp có đường
kính nhỏ nhất còn các vùng trao đổi nhiệt thưởng có đường kính lớn nhất để đảm bảo có 1 lượng
lỏng lớn cho bơm và cho hồi lưu. Đường kính trung bình khoảng 9m đối với tháp xử lý 1000 t/h
(tương ứng 8 triệu t/n với 11 tháng hoạt động).
2.1.5 Các quá trình chưng cất khí quyển
2.1.5.1 Hai thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp
Vấn đề tiết kiệm năng lượng là rất quan trọng trong quá trình chưng cất. Trước hết cần phải
tận dụng hết lượng nhiệt do sản phẩm đỉnh tháp mang ra bằng cách cho nó trao đổi nhiệt với dầu thô
lạnh. Các thiết bị trao đổi nhiệt ở đỉnh tháp thường được gọi là "Thiết bị trao đổi nhiệt dầu thô/hơi
đỉnh tháp" đòi hỏi kỹ thuật và sự giám sát rất đặc biệt bởi vì sự rò rỉ dầu thô trong ống truyền nhiệt
sẽ dẫn đến làm giảm chất lượng sản phẩm naphta.
- Quá trình ngưng tụ thứ nhất được thực hiện bằng cách trao đổi nhiệt với dầu thô sao cho chỉ
ngưng tụ đúng một lượng sản phẩm (hydrocacbon nhẹ) cần thiết để hồi lưu, chứ không ngưng tụ
nước. Khi đó lượng hồi lưu là ở trạng thái nóng, không chứa nước (vì nó có nhiệt độ cao hơn nhiệt
độ ngưng tụ hơi nước) nhờ đó vấn đề ăn mòn trong đỉnh tháp được khống chế.
- Quá trình ngưng tụ thứ hai được thực hiện với không khí hoặc với nước làm lạnh. Nhờ vậy
naphta được tạo thành và nước acid được thu hồi riêng biệt sau khi lắng. Trong một vài trường hợp,
quá trình ngưng tụ thứ hai này được thực hiện bằng cách trao đổi nhiệt với dầu thô lạnh theo
phương pháp ngược dòng với toàn bộ lượng hơi cần ngưng tụ.

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 20


Hình 2.5 Quá trình ngưng tụ kép ở đỉnh tháp
2.1.5.2 Các quy trình công nghệ khác
Mỗi sơ đồ được sử dụng tùy thuộc vào các sản phẩm mong muốn và khả năng cung cấp dầu

thô.
Ở Pháp, sau chiến tranh thế giới thứ hai, các nhà máy lọc dầu thuờng sử dụng các loại dầu thô
cố định, ít pha trộn (dầu Hassi-Messaoud, dầu Zarzaitine của Algérie). Từ sau năm 1960, nguồn
cung cấp dầu thô đa dạng hơn (dầu của Trung Đông), do vậy dầu thô sử dụng bắt đầu được pha
trộn. Trong những năm 1970-1980, nguồn cung cấp dầu thô được mở rộng thêm từ nguồn dầu thô
biển Bắc và dầu thô của các nước Liên Xô cũ. Sự biến đổi này dẫn đến sự mềm dẻo, uyển chuyển
hơn trong việc thiết kế và khai thác sử dụng các phân xưởng chế biến dầu.
Bên cạnh đó, do nhu cầu sản phẩm không ngừng gia tăng ở các nước công nghiệp phát triển,
năng suất nhà máy đã thay đổi từ 1-3 triệu t/năm lên đến 5 triệu t/năm rồi đến tận 10 triệu t/năm
(điều này tương ứng với tháp chưng cất có đường kính đến 10m). Tuy nhiên trong các nước chậm
phát triển thì vẫn còn có các phân xưởng với năng suất thấp, chừng 300.000-500.000 t/năm.
Với tất cả những điều đó, dẫn đến việc có xu hướng sáp nhập một cách có hệ thống tháp
chưng cất chân không vào cùng công đoạn chưng cất khí quyển dầu thô và sẽ tiến tới việc sát nhập
các dây chuyền của hai bộ phận lại với nhau thành một. Các công đoạn sản xuất khí, chưng cất xăng
và strippeur hơi nước cũng sẽ được sáp nhập luôn vào trong công đoạn chưng cất khí quyển.
Hiện nay, một dạng sơ đồ dây chuyền công nghệ tiên tiến có các tháp chưng cất tiền bốc hơi
(kiểu préflash) đã được áp dụng ở một số nhà máy lọc dầu. Tháp tiền bốc hơi có mục đích làm bốc
hơi trước các phần nhẹ nhất và nhất là làm bốc hơi hơi nước, nguồn gốc gây ăn mòn đỉnh tháp.
Như vậy tháp tiền bốc hơi đã làm giảm nhẹ nhiệm vụ của lò đốt bằng cách làm bay hơi trước
trong tháp tiền bốc hơi 1 lượng xăng, và nhiệm vụ của tháp chính cũng nhẹ nhàng hơn khi không có
lượng xăng trên đi qua. Sẽ thật là lãng phí nhiệt khi các sản phẩm rất nhẹ như xăng đòi hỏi điều kiện
sôi bay hơi chỉ ở nhiệt độ 150°C vậy mà lại gộp tất cả từ cấu tử rất nhẹ đến rất nặng thành 1 hỗn
hợp để đun sôi chúng trong lò đến 350°C rồi vào tháp chính, tiếp đó tháp chính lại phải làm việc
phân riêng hàng trăm cấu tử ra thành nhiều phân đoạn.

Hình 2.6 Sơ đồ tháp chưng cất khí quyển với bình flash được bố trí trước lò đốt
Một số sơ đồ khác đã phát huy lợi ích trên bằng cách lắp đặt đan xen vào trong chuỗi thiết bị
trao đổi nhiệt một số tháp tiền bốc hơi, nhờ đó có thể tách loại trước được nhiều phân đoạn xăng
(bằng sáng chế của Elf/Technip)
Vấn đề thu hồi năng lượng đã dẫn đến nhiều cải tiến quan trọng, đặc biệt người ta chú ý nhiều

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 21

đến việc gia tăng bề mặt trao đổi nhiệt của các thiết bị trao đổi nhiệt và thực tế nó đã được tăng gấp
2 kể từ những năm của thập kỷ 70 khi xảy ra các cơn khủng hoảng dầu mỏ trên thế giới.
2.1.6 Sự tách muối trong dầu thô
Quá trình tách muối trong dầu thô là một quá trình cần thiết trong lọc dầu, vì nó sẽ ảnh hưởng đến
kết quả vận hành của các phân xưởng hạ nguồn. Chẳng hạn, nếu tách muối không tốt gây ra những
hậu quả trực tiếp đến việc vận hành tháp chưng cất:
- Đóng cặn trên các thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt
- Ăn mòn đỉnh tháp
- Cặn chưng cất khí quyển sẽ chứa nhiều Natri, gây ra các vấn đề sau: tăng tốc độ tạo cặn trên
lò đốt của chưng cất chân không; làm chậm quá trình tuần hoàn của thiết bị giảm nhớt; gây
ngộ độc xúc tác của quá trình cracking xúc tác nhất là khi xử lý nguyên liệu nặng); gây hiện
tượng tạo cặn và ăn mòn các khu vực quá nhiệt của lò hơi
2.1.6.1 Độ muối của dầu thô – Sự nhiễm mặn từ nước biển
Phần lớn các giếng dầu khi khai thác sẽ cho dầu thô có lẫn muối, chủ yếu là muối NaCl,
nhưng chúng cũng có kèm theo các muối kim loại kiềm thổ. Độ muối này được mang đến từ nước
của vỉa hay từ nước thấm nhiễm; độ muối phụ thuộc vào vị trí cấu trúc của giếng dầu và vào tính
chất vật lý của đá chứa. Hơn nữa độ muối còn thay đổi theo tuổi của giếng dầu
Mặt khác, việc vận chuyển dầu thô sẽ làm độ muối của dầu thô tăng lên. Trong suốt quá trình
vận chuyển, sự giàu thêm về muối biển có thể lên đến 10-18 mg/l, do 3 nguyên nhân chính sau:
- Sự nhiễm muối không tránh khỏi
- Sự nhiễm muối do cố ý
- Sự nhiễm muối do sự cố
Bảng 2.4 Thành phần muối trong dầu thô trước và sau vận chuyển

Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 22


Như vậy, nước biển là nguyên nhân chính gây nên độ muối trong dầu thô. Dầu thô sau khi trải

qua quá trình xử lý tách muối một phần tại mỏ dầu, rồi lại bị giàu thêm về độ muối trong suốt quá
trình vận chuyển trên biển, sẽ được đưa về nhà máy lọc dầu. Tại đây nó sẽ trải qua phân đoạn tách
muối trước khi đưa vào công đoạn chưng cất khí quyển.
2.1.6.2 Bản chất của muối
a. Tính chất
Muối trong dầu thô chủ yếu là muối Chlorure mà sự phân bố chúng gần đúng như sau:
NaCl: 70-80% khối lượng
MgCl
2
: 20-10% khối lượng
CaCl
2
: 10% khối lượng
Các muối này hiện diện dưới dạng tinh thể hoặc dưới dạng ion hóa trong nước có trong dầu
thô (khi đến nhà máy lọc dầu, hàm lượng nước trong dầu thô là <1% khối lượng).
Bằng cách lắng gạn đơn giản ta có thể thải loại được “một cách lý thuyết” tất cả các muối bị
ion hóa, nhưng do độ nhớt của một vài loại dầu thô, 1 phần muối sẽ vẫn tồn tại trong dầu sau khi
lắng gạn.
Đối với muối tinh thể, việc tách chúng có thể tiến hành bằng cách rửa nước: các tinh thể sẽ bị
ion hóa sau đó bị hydrat hóa; thuận lợi của các muối bị hydrat hóa là ở chỗ chúng có độ hòa tan cao
trong nước. Điều này chứng tỏ tầm quan trọng của việc thêm nước khi ta muốn tách muối trong dầu
thô.
b. Những tác hại của muối
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 23

- Muối làm đóng cặn các thiết bị trao đổi nhiệt sơ bộ. Khi hàm lượng muối vượt quá 40 ppm, sau
khi ra khỏi thiết bị tách muối và vào các thiết bị trao đổi nhiệt, ta có thể quan sát thấy sự gia tăng hệ
số tạo cặn trong các chùm ống hay tăng tiêu thụ của các phân xưởng phụ trợ
- Các muối Chlorure của kim loại kiềm thổ (MgCl
2

, CaCl
2
) tự thủy phân tạo thành HCl, gây ra hiện
tượng ăn mòn trong đường ống phía đỉnh tháp chưng cất khí quyển. Người ta thấy rằng nồng độ Cl
trong nước ở đỉnh tháp không được vượt quá 10ppm, nếu không thì sẽ bị ăn mòn mạnh. Bên cạnh
các biện pháp chống ăn mòn thông thường (thêm xút vào trong dầu thô sau khi đã khử muối để tạo
môi trường kiềm chống ăn mòn và thêm chất ức chế chống ăn mòn vào đỉnh tháp), quá trình tách
muối sẽ là quá trình chính yếu loại trừ sự ăn mòn thiết bị. Quá trình tách muối không tốt sẽ làm cặn
chưng cất khí quyển có nhiều natri. Natri còn có mặt do bơm thêm NaOH vào để trung hoà khi quá
trình tách muối không tốt. Từ đó sẽ dẫn đến các hậu quả như:
+ Gia tăng vận tốc đóng cặn ở lò đốt của cụm chưng chân không và trong các phân xưởng
cracking nhiệt, làm giảm thời gian hoạt động.
+ Đầu độc chất xúc tác trong các quá trình xúc tác, đặc biệt khi cracking các nguyên liệu nặng.
- Nếu xử lý tách muối không tốt, sẽ làm thất thoát 1 lượng lớn hydrocarbon vào trong nước thải của
thiết bị tách muối, gây ra ô nhiễm môi trường.

Hình 2.7 Tách muối và tháp chưng cất khí quyển của dầu thô
c. Các chất nhiễm bẫn khác
Ngoài ra còn các chất nhiễm khác hiện diện trong dầu thô là cặn khoáng chất, chất han gỉ,
sulfur sắt, tác hại chủ yếu của những chất nhiễm bẩn này là chúng có thể gây ra các hệ nhũ tương
bền vững rất khó phá hủy.
2.1.6.3 Cơ chế của sự tách muối
Để loại bỏ tất cả các tạp chất mà chúng ta vừa nêu trên, người ta rửa dầu thô bằng nước và
phân riêng nước rửa này bằng quá trình tách muối tĩnh điện. Quá trình tách muối bao gồm 3 giai
đoạn như sau:
- Khuyếch tán muối trong dầu thô vào trong nước (quá trình rửa: dùng nước lấy muối ra khỏi
dầu);
- Kết tụ các giọt nước (bằng thiết bị kết tụ tĩnh điện);
- Gạn lắng (bằng trọng trường)
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 24

a. Khuyếch tán muối
Đó là quá trình khuyếch tán các tinh thể muối có trong dầu thô vào trong nước. Việc này có
thể thực hiện được với tất cả các loại tinh thể muối; yêu cầu là nhũ tương nước- dầu thô phải đủ mịn
(Hình 2.8).

Hình 2.8 Nhũ tương nước-dầu thô
Hỗn hợp nước-dầu thô thường được tạo thành khi đi qua vanne trộn đặt ở đầu vào thiết bị tách
muối. Để tăng cường khuyếch tán các tinh thể muối vào trong nước người ta thường phun một phần
nước vào trong vanne phối trộn và một phần nước vào trong ống đẩy của bơm nguyên liệu (hình
2.7).
b. Kết tụ
Nhũ tương nước-dầu thô, hỗn hợp của hai chất lỏng không hòa tan vào nhau, được tạo thànhtừ
1 pha liên tục (dầu thô) và một pha phân tán (nước ở dạng giọt có kích thước từ 1đến 10
µm).Asphalt và các hạt rắn rất nhỏ (ví dụ sắt sunfua) bị hấp phụ lên bề mặt tiếp xúc nước dầu tạo
thành một lớp màng có thể quan sát được dưới kính hiển vi. Chính các tác nhân này làm ổn định
nhũ tương.
Như vậy, sự khó khăn của quá trình kết tụ nước liên quan đến hàm lượng asphalt của dầu thô
đã được xử lý, và đến sự hiện diện của các chất bẩn và cặn.
Quá trình kết tụ xảy ra nhờ trường tĩnh điện. Quá trình được thực hiện nhờ lực hấp dẫn giữa
các giọt nước với nhau, do có độ phân cực của các phân tử nước và sự khuấy trộn tạo ra bởi điện
trường.
Lực hấp dẫn F của các hạt có kích thước đồng nhất được tính như sau:

Trong đó
r : bán kính hạt
d: khoảng cách giữa các hạt
E: sức căng
K: hằng số
Ngoài ra, việc sử dụng các tác nhân phá nhũ tương cũng giúp thêm quá trình kết tụ.

c. Gạn lắng
Quá trình lắng được quy định bởi định luật Stock:
Tài liệu tham khảo dành cho sinh viên 10H5 năm học 2013-2014 25


Trong đó
- Vd: vận tốc lắng (m/s);
- r: đường kính giọt nước (m)
- ρ
1
: khối lượng riêng của pha phân tán, nước, (kg/m
3
)

- ρ
2
: khối lượng riêng của pha liên tục, dầu thô, (kg/m
3
)

- µ
2
: độ nhớt động lực của pha liên tục (Pa.s);
g: gia tốc trọng trường, m/s
2

Thiết bị tách muối thường được tính với độ nhớt động lực khoảng 2 mPa.s và với thời

gian lắng từ 20-30 phút.

2.1.6.4 Các công nghệ tách muối













Hình 2.9 Mặt cắt ngang của một thiết bị tách muối tĩnh điện
Hình 2.9 biễu diễn mặt cắt của một thiết bị tách muối với sự phân bố của nhũ tương nước-dầu
thô và sự phân bố điện trường trong thiết bị với:
- Điện trường khoảng 200 V/cm, gọi là điện trường sơ cấp, hoạt động giữa bề mặt tiếp xúc
nước-dầu thô và điện cực thứ nhất, E1;
- Điện trường thứ cấp hoạt động giữa điện cực thứ nhất và điện cực thứ hai có cường độ khá
cao (khoảng chừng 1000 V/cm), E2.
Hình 2.10a mô tả sơ đồ công nghệ đơn giản một thiết bị tách muối bằng phương pháp tĩnh
điện (quá trình, điều khiển, kiểm tra). Tùy theo lượng muối có trong dầu cần xử lý và hiệu năng đạt
được của thiết bị, ta có thể kết hợp thêm giai đoạn tách muối thứ hai tạo thành dãy tách muối (hình
2.10b)