kĩ thuật đo và điều khiển các quá trình

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

KHOA: DẦU KHÍ
BỘ MÔN: LỌC HÓA DẦU










MÔN:

KĨ THUẬT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
CÁC QUÁ TRÌNH

THANH HÓA : 11/11/2011



GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

KHOA: DẦU KHÍ
BỘ MÔN: LỌC HÓA DẦU



BÀI TẬP LỚN


MÔN:

KĨ THUẬT ĐO VÀ ĐIỀU KHIỂN
CÁC QUÁ TRÌNH

GVHD : Ks.Phạm Trung Kiên


SVTH : 1. Phạm Tuấn Anh
2. Ngô Trần Chinh
3. Bùi Khắc Tuấn
4. Lưu Minh Vương







THANH HÓA – 10/11/2011

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
LỜI NÓI ĐẦU

Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa, đến thế kỷ 18, dầu mỏ
được sử dụng làm nhiên liệu để đốt cháy, thắp sáng. Sang thế kỷ19, dầu được
coi như là nguồn nhiên liệu chính cho mọi phương tiện giao thông và cho nền
kinh tế quốc dân.
Hiện nay, dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của
mọi quốc gia trên thế giới. Khoảng 65  70% năng lượng sử dụng đi từ dầu
mỏ, chỉ có 20  22% năng lượng đi từ than, 5  6% từ năng lượng nước và 8
 12% từ năng lượng hạt nhân.
Bên cạnh đó hướng sử dụng mạnh mẽ và có hiệu quả nhất của dầu mỏ
là làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hoá dầu như: sản xuất cao su,
chất dẻo, tơ sợi tổng hợp, các chất hoạt động bề mặt, phân bón, thậm chí cả

protêin.
Ngoài các sản phẩm nhiên liệu và sản phẩm hoá học của dầu mỏ, các
sản phẩm phi nhiên liệu như dầu mỡ bôi trơn, nhựa đường, hắc ín cũng là
một phần quan trọng trong sự phát triển của công nghiệp. Nếu không có dầu
mỡ bôi trơn thì không thể có công nghiệp động cơ, máy móc, là nền tảng của
kinh tế xã hội.
Công nghiệp chế biến dầu phát triển mạnh là nhờ các đặc tính quý riêng
của nguyên liệu dầu mỏ và nguyên liệu từ than hoặc 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 các ngành kinh tế quốc dân.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp dầu khí trên thế giới,
dầu khí Việt Nam cũng đã được phát hiện từ những năm 1970 và đang trên đà
phát triển. Chúng ta đã tìm ra nhiều mỏ chứa dầu trữ lượng tương đối lớn như
mỏ Bạch Hổ, Đại Hùng, mỏ Rồng vùng Nam Côn Sơn; các mỏ khí như Tiền
Hải (Thái Bình), Lan Tây, Lan Đỏ Đây là nguồn tài nguyên quí để giúp

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
nước ta có thể bước vào kỷ nguyên mới của công nghệ dầu khí. Ngành công
nghiệp chế biến dầu khí nước ta đang bước vào thời kỳ mới, thời kỳ mà cả
nước ta đang thực hiện mục tiêu công nghiệp hoá và hiện đại hoá.
Hiệu quả sử dụng dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng của các quá trình
chế biến. Theo các chuyên gia về hoá dầu ở châu Âu, việc đưa dầu mỏ qua
các quá trình chế biến sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng của dầu mỏ lên 5
lần, và như vậy tiết kiệm được nguồn tài nguyên quý hiếm này.
Dầu mỏ là hỗn hợp rất phức tạp gồm hydrocacbon, khí thiên nhiên, khí
dầu mỏ và các hợp chất khác như CO
2
, N

2
, H
2
S, N
2
, He, Ar Dầu mỏ muốn
sử dụng được thì phải tiến hành phân chia thành từng phân đoạn nhỏ. Sự phân
chia đó dựa vào phương pháp chưng cất ở các khoảng nhiệt độ sôi khác nhau.
Quá trình chưng cất dầu là một quá trình vật lý phân chia dầu thô thành các
thành phần gọi là các phân đoạn. Quá trình này được thực hiện bằng các biện
pháp khác nhau nhằm để tách các cấu tử có trong dầu thô theo từng khoảng
nhiệt độ sôi khác nhau mà không làm phân huỷ chúng. Tuỳ theo biện pháp
tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình chưng cất thành chưng
đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất nhờ cấu tử bay hơi hay chưng cất trong
chân không. Trong các nhà máy lọc dầu, phân xưởng chưng cất dầu thô cho
phép ta thu được các phân đoạn dầu mỏ để chế biến tiếp theo.
Trong bài tập lớn này, chúng em sẽ tiến hành đề cập tới “công nghệ
chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển” . Bởi quá trình này được xem là
cửa vào chính của nhà máy lọc dầu .
Chúng em xin chân thành cám ơn thầy giáo Phạm Trung Kiên đã giúp
đỡ chúng em hoàn thành bài tập này !
Trong quá trình làm bài mặc dù chúng em đã cố gắng hết sức nhưng
cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót và sai lầm. Mong thầy có ý kiến
chỉnh sửa giúp chúng em.
Chúng em xin chân thành cám ơn thầy !
Thanh Hóa, ngày 11 tháng 11 năm 2011.

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH



I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT
1. Sự sôi của dung dịch
Sự sôi của chất nguyên chất: Một chất lỏng sẽ sôi ở nhiệt độ mà tại đó
áp suất hơi bão hoà của nó bằng áp suất môi trường đè lên mặt thoáng. Ví dụ
như nước sẽ sôi ở 1000C tại P = 1 atm (760mmHg).
Nhiệt độ sôi của Butan
Áp suất,atm Nhiệt độ,

0
C
1 0
3.41 36
4.80 50
Ta gọi chất có áp suất hơi bão hoà lớn, có nhịêt độ sôi thấp là chất dễ
sôi. Chất khó sôi có áp suất hơi bão hoà bé, có nhiệt độ sôi cao.
Thành phần pha hơi sinh ra khi đun sôi một dung dịch: Pha hơi sinh ra
khi chất lỏng nguyên chất sôi là pha hơi đơn chất. Pha hơi sinh ra khi một
dung dịch sôi là một hỗn hợp của tất cả các hợp phần của dung dịch và có
thành phần phụ thuộc vào thành phần của dung dịch lỏng theo định luật
Konovalov.

Định luật Konovalov: Khi sôi một dung dịch lỏng cho ra một pha hơi
giàu chất dễ sôi hơn so với dung dịch lỏng.

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
2. Nguyên lý của quá trình chưng cất
Chưng cất là quá trình tách một dung dịch bằng cách đun sôi nó, rồi
ngưng tụ hơi bay ra để được 2 phần: Phần nhẹ là distillat có nhiệt độ sôi thấp,
chứa nhiều chất dễ sôi, còn phần nặng còn lại là cặn chưng cất (redue). Như
vậy, phép chưng cất có thể thu được Distillat có thành phần mong muốn bằng
cách chưng cất nhiều lần. Nhưng chưng cất nhiều lần như vậy rất phiền
phức, tốn thời gian mà không kinh tế. Để khắc phục nhược điểm này ta
dùng hệ thống chưng cất có cột chưng cất. Cột chưng cất có số đĩa lý
thuyết càng lớn, thì có khả năng cho một distillat có thành phần khác
càng nhiều so với dung dịch trong bình đun, tức là distillat rất giàu chất dễ
bay hơi. Dùng cột chưng cất có nhiều đĩa lý thuyết có thể thu được distillat là
chất dễ bay hơi gần như tinh khiết.
II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯNG CẤT DẦU MỎ
Quá trình chưng cât dầu thô là một quá trình vật lý :
Nhằm phân tách dầu thô thành các phân đoạn thích hợp dựa vào nhịêt
độ sôi của các cấu tử và không làm phân huỷ chúng. Hơi nhẹ sẽ bay lên
ngung tụ thành phần lỏng . tùy theo biện pháp tiến hanh mà người ta phân
chia quá trình chưng cất đơn giãn, chưg phức tạp, chưng cất nhơ cấu tử bay
hơi, hay chưng cất chân không.
1. Chưng cất đơn giản
Chưng đơn giãn là quá trinh chưng cất được tiến hành bàng cách bay
hơi dần dần , một lần hay nhiều lần, một hổn hợp chất lỏng cần chưng.
2. Chưng cất bay hơi dần dần
Chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác định đường cong chưng
cất Enghen. Chưng cất bay hơi một lần: Cho phép nhận được phần chưng cất
lớn hơn so với bay hơi một lần.

Chưng cất bay hơi nhiều lần: Cho phép quá trình tách các phân đoạn
theo mong muốn.

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

3. Chưng cất phức tạp
Chưng cất có hồi lưu: Để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp
lỏng, người ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc
thêm mộy lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu
thêm cấu tử nhẹ nhờ đó mà độ phân chia cao hơn.
Chưng cất có tinh luyện: Dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa
pha lỏng và hơi nhờ vào các đĩa hay đệm. Chưng cất sẽ có độ phân chia cao
hơn nếu kết hợp với hồi lưu


Sơ đồ tiếp xúc giữa dòng lỏng và hơi trong tháp chưng cất
Chưng cất chân không & chưng cất với hơi nước: Độ bền nhiệt các cấu
tử trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu. Đối với các
phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân huỷ chúng (giảm
độ nhớt, độ bền oxy hoá…) bằng cách hạn chế nhiệt độ (320
o
- 420
o
C) chưng
cất. Nếu nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân huỷ chúng ta dùng chưng cất

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
chân không hay chưng cất hơi nước. Hơi nước làm giảm áp suất hơi riêng
phần làm chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn.
4. Đĩa chưng cất (Tray)
Trong công nghệ dầu khí, để chưng cất những lượng khổng lồ (hàng

triệu tấn/năm). Người ta dùng những thiết bị chưng cất khổng lồ, hoạt động
liên tục. Hơi nguyên liệu sẽ bay lên đỉnh tháp và phần lỏng sẽ chảy xuống
phần dưới tháp. Sự tiếp xúc giữa hai dòng này được thực hiện một cách đặc
biệt nhờ các đĩa. Tại các đĩa xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng hơi và
dòng lỏng. Đồng thời tại đây cũng xảy ra quá trình trao đổi chất, phần nhẹ
trong pha lỏng bay hơi theo pha hơi, phần nặng trong pha hơi ngưng tụ theo
dòng lỏng. Như vậy, khi dòng hơi lên đến đỉnh thì rất giàu cấu tử nhẹ, còn
dòng lỏng đi xuống đáy lại giàu cấu tử nặng hơn. Có rất nhiều dạng đĩa khác
nhau được sử dụng tuỳ vào loại nguyên liệu. Nhưng mục đích chung nhằm
đảm bảo sự tiếp xúc giữa pha lỏng và pha hơi phải lớn để quá trình phân tách
hiệu quả.
Hiện nay, sử dụng chủ yếu các dạng đĩa sau:
− Đĩa nhiều lỗ (Sieve Trays)
− Đĩa chụp (Bubble–Cap Trays)
− Đĩa ống khói (Chimmey Trays)
− Đĩa Van (Valve Trays)


GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH


Mâm kiểu van
Sự phân bố dòng chảy qua van ảnh hưởng rất lớn đến sự tiếp xúc pha
và chất lượng các phân đoạn. Một số kiểu phân bố dòng chảy trong tháp được
trình bày như sau:


GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

5. Sự Stripping
Đối với chưng cất dầu thô, dòng trích ngang luôn có lẫn sản phẩm đỉnh.
Để loại bỏ các cấu tử nhẹ này, người ta thực hiện quá trình tái hoá hơi riêng
phần các phần nhẹ. Quá trình này gọi là quá trình stripping. Quá trình này
được thực hiện trong những cột nhỏ từ 4-10 đĩa, đặt bên cạnh tháp chưng cất
khí quyển và thường dùng hơi nước trực tiếp. Ngoài ra có thể stripping bằng
nhiệt (phân đoạn Kerozen).





GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
6. Sự hồi lưu (Relux)
Nhằm tạo ra dòng lỏng có nhiệt độ thấp đi từ đỉnh tháp xuống đáy tháp
để trao đổi nhiệt với dòng hơi. Từ đó làm cho quá trình trao đổi chất tách
phân đoạn được triệt để và thu được chất lượng distillat mong muốn. Tỉ lệ
dòng hoàn lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó yếu tố kinh tế là bài toán
quyết định.
Khi tỉ lệ hoàn lưu tăng, số mâm giảm nhưng đường kính tháp tăng lên.
Chủ yếu có 3 dạng sau:
− Hồi lưu nóng: Sử dụng dòng hồi lưu ở trạng thái lỏng sôi.
− Hồi lưu lạnh: Nhiệt độ dòng hồi lưu ở dưới điểm lỏng-sôi.
− Hồi lưu vòng: Lấy các sản phẩm ở các mâm dưới hồi lưu lên các
mâm trên sau khi đã làm lạnh.

III. QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT DẦU THÔ Ở ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN
1. Giới thiệu chung
Nếu như quá trình cracking được ví như là trái tim của nhà máy lọc dầu
thì quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển (Crude Distillation Unit -

CDU) được xem như cửa vào chính của ngôi nhà. Sơ đồ chế biến của nhà
máy gần như được tích hợp ngay trong thiết kế tháp chưng cất dầu thô bởi lẽ
các phân đoạn tách ra từ tháp chưng cất sẽ là sản phẩm trực tiếp hay là
nguyên liệu cho các quá trình chế biến tiếp theo. Hiệu quả của quá trình chế
biến tiếp theo ảnh hưởng nhiều bởi thiết kế và hoạt động của tháp chưng cất
dầu thô ở áp suất khí quyển.
2. Mục đích của quá trình
Mục đích của quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển là phân
tách dầu thô thành các phân đoạn theo các ứng dụng tương ứng. Thông
thường các phân đoạn được tách ra từ phân xưởng này là: Khí hoá lỏng
(LPG), phân đoạn naphtha (một số phân xưởng chưng cất dầu thô được thiết
kế để tách phân đoạn này thành hai phân đoạn riêng naphtha nặng và naphtha
nhẹ), phân đoạn kerosene, phân đoạn diesel nhẹ (LGO), phân đoạn diesel
nặng (HGO) và cặn chưng cất (residue). Một số phân đoạn tách ra từ phân
xưởng chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển có thể được coi là sản phẩm
cuối cùng hoặc là cấu tử pha trộn (sau khi được xử lý tạp chất thích hợp) mà
không cần phải chế biến tiếp như phân đoạn Kerosene (sản phẩm thương mại
là dầu hoả và nhiên liệu phản lực), phân đoạn diesel (là sản phẩm thương mại
diesel hoặc là cấu tử pha trộn diesel), phân đoạn diesel nặng có thể được sử
dụng làm cấu tử pha diesel, dầu đốt lò hoặc đưa đi chế biến tiếp. Một số phân
đoạn cần phải được đưa đi chế biến tiếp để nâng cao hiệu quả kinh tế của nhà
máy, trong đó, đặc biệt là cặn chưng cất là nguyên liệu cho quá trình
cracking. Các phân đoạn naphtha nặng được đưa đi reforming, phân đoạn
naphtha nhẹ được đưa đi đồng phân hoá để thu cấu tử pha xăng có chất lượng
cao.
3. Sơ đồ công nghệ

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
3.1. Sơ đồ công nghệ
Sơ đồ công nghệ của quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

nhìn chung không có sự khác biệt nhiều, mặc dù nguyên liệu dầu thô rất khác
nhau. Các phân xưởng chưng cất dầu thô thường chỉ có khác biệt một chút ở
phần tách các phân đoạn nhẹ (từ naphtha trở lên). Mỗi sơ đồ có một ưu điểm
nhất định. Trong phần này, chúng ta sẽ đi nghiên cứu về sơ đồ công nghệ
được mô tả trong hình vẽ H-1 dưới đây. Sơ đồ này thường được sử dụng để
thiết kế các nhà máy mới hiện nay. Sơ đồ này phù hợp chế biến nhiều loại dầu
từ nặng đến nhẹ, song với sơ đồ một tháp tháp chưng cất chính này, tháp
chưng cất sẽ phải làm việc ở chế độ nặng nhọc hơn.



GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

Hình H-1. Sơ đồ công nghệ phân xưởng chưng cất dầu thô ở áp suất
khí quyển với một tháp chưng cất chính
3.2. Mô tả và giới thiệu về quá trình
Theo sơ đồ công nghệ đã nêu, dầu thô sau khi được tách nước ở bể
chứa được bơm tới thiết bị trao đổi nhiệt tận dụng dòng sản phẩm nóng có
nhiệt độ cao hoặc các dòng dầu rút ra từ tháp chưng cất chính (để điều khiển
nhiệt độ tháp). Dầu thô đạt được nhiệt độ nhất định sẽ được bổ sung thêm
nước sạch rồi đưa vào thiết bị trộn tĩnh trước khi đưa vào thiết bị tách muối.
Mục đích của việc bổ sung thêm nước và khuấy trộn là để hoà tan muối chứa
trong dầu vào nước sau đó tách nước chứa muối ra ở thiết bị tách muối. Dầu

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
thô sau khi được bổ sung nước sẽ được đưa vào thiết bị tách muối. Tại thiết bị
tách muối, hỗn hợp dầu thô và nước ở dạng nhũ tương được phá vỡ. Dầu thô
và nước được tách làm hai pha riêng biệt. Dầu thô đã khử muối được tách ra
và đưa đi chế biến tiếp. Nước chứa muối một phần tuần hoàn lại thiết bị tách
muối, phần còn lại được đưa tới hệ thống xử lý nước thải của nhà máy. Dầu

sau khi được tách muối sẽ được gia nhiệt tiếp nhờ các thiết bị trao đổi nhiệt
tận dụng các dòng sản phẩm đi ra từ tháp chưng cất chính (như Kerosene,
LGO, HGO và cặn chưng cất). Nếu sơ đồ công nghệ của phân xưởng có sử
dụng tháp tách sơ bộ thì dầu thô được đưa vào tháp chưng cất sơ bộ trước. Tại
tháp chưng cất sơ bộ, các thành phần hydrocacbon nhẹ như methane, ethane,
propane, buthane và hydrosulphure (H2S) được tách ra ở đỉnh tháp. Một phần
phân đoạn naphtha nhẹ cũng kéo theo ở sản phẩm đỉnh tháp chưng cất sơ bộ.
Dầu thô sau khi được tách sơ bộ các thành phần nhẹ được đưa tới lò gia nhiệt
để nâng nhiệt độ thích hợp phù hợp cho quá trình chưng cất (nếu sơ đồ không
sử dụng tháp chưng cất sơ bộ thì dầu thô sau khi tách muối và đưa qua hàng
loạt các thiết bị trao đổi nhiệt sẽ được đưa tới lò gia nhiệt này). Sau khi đi qua
lò gia nhiệt, nhiệt độ của dầu thô sẽ tăng lên ở mức thích hợp cho quá trình
chưng rồi được đưa vào đĩa tiếp liệu của tháp chưng cất. Trong tháp chưng
cất chính, các phân đoạn chính như naphtha nặng, kerosene, GO nhẹ, GO
nặng được tách ra ở thân tháp, được làm sạch thêm ở các cột sục bên cạnh
tháp chưng cất chính rồi đưa tới các bể chứa trung gian. Phân đoạn nhẹ
(naphtha nhẹ) được tách ra ở đỉnh tháp còn phân đoạn cặn được tách ra ở đáy
tháp. Các dòng sản phẩm từ tháp chưng cất chính có nhiệt độ cao được đem
đi trao đổi nhiệt với dầu thô trước khi làm nguội tiếp nhờ các thiết bị trao đổi
nhiệt bằng không khí hoặc nước làm mát. Để điều khiển nhiệt độ làm việc của
tháp nhằm nâng cao hiệu quả quá trình phân tách đáp ứng tiêu chuẩn sản
phẩm của từng phân đoạn, phía dưới đáy tháp chưng có bộ phận gia nhiệt
bằng hơi thấp áp quá nhiệt và dọc thân tháp bố trí các điểm rút chất lỏng ra
bên ngoài để điều chỉnh nhiệt độ chất lỏng sau đó đưa quay lại tháp chưng.
Một số phân đoạn chưa được tách ra khỏi nhau (LPG và naphtha nhẹ) sẽ được
đưa tới tháp ổn định (Stabilizer), tại đây các hydrocacbon nhẹ (C1, C2) đưa
tới hệ thống khí nhiên liệu nhà máy, LPG được tách ra đưa tới hệ thống thu
gom và xử lý khí, naphtha nhẹ được tách ra ở đáy tháp để đưa đi xử lý tiếp.
Toàn bộ phân đoạn naphtha (cả naphtha nặng và naphtha nhẹ) và các
hydrocacbon nhẹ được tách ra cùng nhau như sơ đồ công nghệ hình H-1, hỗn

hợp này sẽ được đưa tới các tháp phụ để phân tách riêng biệt thành LPG,
naphtha nhẹ và naphtha nặng. Trước hết hỗn hợp được đưa tới tháp ổn định
(Stabilizer) để tách LPG ra khỏi naphtha. Phân đoạn naphtha tách ra ở đáy
tháp ổn định được đưa tháp tách naphtha (Naphtha Splitter), tại tháp tách này
naphtha nhẹ được tách ra ở đỉnh tháp còn naphtha nặng được tách ra ở đáy
tháp. Tuy nhiên, nếu như trong nhà máy lọc dầu có cả hai phân xưởng
reforming và isome hoá thì có thể tháp tách naphtha sẽ được di chuyển sang
phân xưởng xử lý naphtha bằng hydro (NHT) để cho phù hợp với quá trình
công nghệ. Naphtha sau khi được xử lý mới được tách ra thành hai phân đoạn
naphtha nặng và naphtha nhẹ nhằm tránh đầu từ hai phân xưởng xử lý

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
naphtha riêng biệt. Naphtha nặng sau xử lý là nguyên liệu cho quá trình
reforming còn naphtha nhẹ sau khi xử lý được sử dụng làm nguyên liệu cho
quá trình isome hoá.
4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động một số thiết bị chính trong quá trình
4.1. Thiết bị tách muối
Trong dầu thô thường chứa một lượng tạp chất dưới dạng muối và kim
loại. Các tạp chất này cần phải tách ra khỏi dầu thô bởi vì chúng sẽ bị đóng
cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt của các lò đốt và thiết bị trao đổi nhiệt làm
giảm hiệu suất truyền nhiệt của các thiết bị này. Ngoài ra, các tạp chất này
còn gây ngộ độc xúc tác, hiện tượng ăn mòn thiết bị các quá trình chế biến
tiếp theo. Trong quá trình khử muối, một lượng nước sạch được đưa vào dầu
thô để hoà tan muối trong dầu vào pha nước và sau đó tách riêng hai pha dầu
và nước ra khỏi nhau. Muối trong dầu thô được tách ra cùng nước. Có nhiều
phương pháp tách muối ra khỏi dầu thô, tuy nhiên, trong thực tế sử dụng hai
phương pháp chính là phương pháp hoá học và phương pháp tĩnh điện.
Nguyên lý quá trình khử muối
Nguyên lý hoạt động chung của quá trình tách muối là bổ sung nước
vào dầu thô tạo nhũ tương để hoà tan tối đa muối trong dầu thô sau đó phá

nhũ tương giữa dầu và nước để tách riêng biệt hai pha dầu và nước nhờ đó mà
muối trong dầu thô được tách ra. Các phương pháp tách muối chỉ khác nhau
về phương pháp phá nhũ tương. Phương pháp hoá học sử dụng hoá chất để
phá nhũ tương, còn phương pháp tĩnh điện dùng điện trường để phá nhũ
tương. Do phương pháp tĩnh điện được sử dụng rộng rãi trong thực tế nên
dưới đây sẽ chỉ trình bày chi tiết về nguyên lý và cấu tạo thiết bị khử muối
bằng phương pháp lắng tĩnh điện.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động thiết bị khử muối
Sơ đồ công nghệ chi tiết của thiết bị khử muối được trình bày trong
hình H-2. Theo sơ đồ này, dầu thô được bổ sung thêm một lượng nước rồi đi
qua một thiết bị trộn tĩnh tạo hỗn hợp nhũ tương nhằm tăng mức độ phân tán
của nước vào dầu thô để nâng cao hiệu quả hoà tan muối từ dầu thô vào nước.
Dầu thô sau khi qua thiết bị trộn tĩnh được đưa vào thiết bị lắng tĩnh
điện.Thiết bị lắng tĩnh điện dựa trên nguyên lý tích điện của các hạt nước nhỏ
trong điện trường cao, các hạt nước tích điện sau đó sẽ hút nhau do lực tĩnh
điện để nhập thành các hạt nước lớn hơn và lắng xuống phía dưới. Nhờ quá
trình này mà dung dịch nhũ tương dầu thô và nước bị phá vỡ. Dầu và nước
chứa muối hoà tan được tách thành hai pha riêng biệt và đưa ra khỏi thiết bị.
tạo điện trường, trong thiết bị lắng tĩnh điện lắp hai bản cực được nối với cực
nguồn cao áp. Điện áp giữa hai điện cực tối thiểu khoảng 16000 vôn để có thể
tích điện cho các hạt nước trong nhũ tương. Lượng nước tối ưu đưa vào dầu
thô trong khoảng từ 3-8% thể tích dầu thô, tùy thuộc vào tính chất của dầu
thô. Nhiệt độ của dầu thô trước khi đưa vào thiết bị trộn tĩnh thường trong
khoảng 130†1500C. Khi nước sạch bổ sung vào dầu thô, muối chứa trong dầu
sẽ chuyển sang các hạt nước phân tán trong dầu do khả năng hoà tan muối
của nước tốt hơn. Các hạt nước này khi đi qua điện trưòng cao áp sẽ bị tích

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
điện. Các hạt nước bị tích điện sẽ nhập dần lại với nhau thành các hạt có kích
thước to dần và lắng xuống phía dưới do nước có khối lượng riêng lớn hơn

dầu thô. Để ngăn chặn quá trình bay hơi của các phân đoạn nhẹ trong dầu thô
dẫn đến khả năng phát cháy trong điệu kiện nhiệt độ và môi trường cao áp, áp
suất trong thiết bị lắng tĩnh điện được duy trì ở mức từ 9-12Kg/cm2. Dầu thô
được khử muối bằng phương pháp này cho phép tách được tới từ 90- 95%
lượng muối, nếu hàm lượng muối trong dầu cao hoặc đề đảm bảo an toàn vận
hành, người ta lắp hai bậc tách muối. Dầu thô được tách muối hai bậc cho
phép giảm được 95-99% lượng muối ban đầu. Cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của thiết bị lắng tĩnh điện được mô tả trong hình H-3.


Hình H-2. Sơ đồ công nghệ thiết bị khử muối

Theo sơ đồ cấu tạo thiết bị lắng tĩnh điện bao gồm các bộ phận chính
sau:
Bình lắng, điện cực cao áp, máy biến thế và các hệ thống ống nối vào ra
thiết bị.

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

Hình H-3. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bình khử muối
kiểu lắng tĩnh điện
4.2. Tháp chưng cất chính
Tháp chưng cất chính là thiết bị quan trọng nhất của phân xưởng chưng
cất dầu thô. Tháp có nhiệm vụ phân chia dầu thô thành các phân đoạn khác
nhau theo mục đích sử dụng. Tháp chưng cất chính có thể là kiểu tháp đĩa
hoặc tháp kiểu đệm, tuy nhiên số tháp dùng kiểu đĩa chiếm tỷ lệ lớn hơn, vì
vậy trong bài lần này chúng em chỉ đề cập tới tháp chưng cất chính kiểu tháp
đĩa .
4.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động chung của tháp đĩa
Cấu tạo chung

Tháp chưng cất dạng đĩa là một cột hình trụ thẳng đứng bên trong lắp
các đĩa trao đổi chất và trao đổi nhiệt. Mỗi đĩa là một bậc chuyển khối thực tế.
Có nhiều dạng tháp đĩa nhưng tất cả có đặc điểm chung là quá trình chuyển
khối được thực hiện trên các đĩa lắp trong tháp. Cấu tạo chung của tháp
chưng cất kiểu đĩa với các dạng đĩa khác nhau được minh họa trong hình H-4.
Tháp chưng cất đứng về mặt công nghệ được chia làm hai phần: đoạn chưng
và đoạn luyện. Đoạn chưng tính từ đĩa tiếp liệu tới đáy tháp. Đoạn luyện từ

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
đĩa tiếp liệu tới đĩa trên cùng. Đứng về mặt cơ khí, tháp chưng cất bao gồm
các bộ phận chính: Vỏ tháp, đĩa chưng cất, các ống chảy truyền.
Nguyên lý hoạt động
Nguyên tắc hoạt động chung của tháp đĩa là tạo ra trên bề mặt đĩa một
lớp chất lỏng để cho pha hơi đi từ phía dưới lên. Khi pha hơi và pha lỏng tiếp
xúc nhau trên đĩa các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất diễn ra. Các cấu
tử dễ bay hơi hơn sẽ tách ra khỏi pha lỏng chuyển vào pha hơi trên bề mặt của
đĩa, còn các cấu tử có nhiệt độ sôi cao hơn sẽ ngưng tụ lại hoặc giữ nguyên ở
trạng thái lỏng và chảy xuống đĩa phía dưới (theo ống chảy truyền hay qua
các lỗ trên đĩa tùy thuộc vào kết cấu).


Hình H-4- Cấu tạo chung tháp chưng cất dạng đĩa (mặt cắt ngang)


GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
Trên các đĩa, người ta đục các lỗ và mỗi lỗ này được lắp một chi tiết gọi
là chóp. Mục đích của chi tiết này là tạo ra các bong bóng hơi đi xuyên qua
lớp chất lỏng ở phía trên của đĩa. Việc tạo các bọt bong bóng đi qua lớp chất
lỏng là một giai đoạn quan trọng trong quá trình trao đổi nhiệt và chuyển khối
giữa các pha và giữa các cấu tử. Trong quá trình chuyển động, pha khí trong

bong bóng có nhiệt độ cao sẽ truyền nhiệt cho pha lỏng qua bề mặt phân chia
pha (mặt của các bong bóng). Kết quả là nhiệt độ của bong bóng sẽ giảm đi
một chút và do đó một số hydrocacbon ở pha hơi trong bong bóng sẽ ngưng
tụ chuyển từ trạng thái hơi sang trạng thái lỏng. Trong khi một số
hydrocacbon trong pha hơi ngưng tụ thì một số hydrocacbon nhẹ chứa trong
pha lỏng lại chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi. Hơi hydrocacbon
sau khi đi qua lớp chất lỏng trên mặt đĩa, một phần hydrocacbon nặng sẽ bị
rơi lại trong chất lỏng và phần còn lại di chuyển lên đĩa phía trên. Quá trình
cứ như vậy tiếp diễn và pha hơi có thành phần hydrocacbon ngày càng nhẹ đi
cho tới đĩa cuối cùng trên đỉnh tháp chỉ còn lại các hydrocacbon rất nhẹ. Phần
hydrocacbon này sẽ được ngưng tụ ở thiết bị ngưng tụ phía ngoài tháp và
được hồi lưu một phần trở lại tháp. Do quá trình ngưng tụ của hơi trên mặt
đĩa tích tụ dần lại người ta phải thiết kế một đường ống dẫn chất lỏng xuống
đĩa ở phía dưới. Ống này được gọi là ống chảy truyền. Trong quá trình luân
chuyển giữa pha lỏng và pha hơi, một số cấu tử bay hơi từ một đĩa ở phía
dưới lên trên rồi lại ngưng tụ thành pha lỏng rồi chảy ngược lại qua ống chảy
truyền qua một số đĩa. Vòng tuần hoàn này có thể lặp lại một vài lần và nhờ
đó các phân đoạn hydrocacbon được tách ra. Để tách các phân đoạn ra ở giữa
thân tháp người ta thiết kế một số đĩa đặc biệt để đưa các phân đoạn này ra
ngoài tháp. Tổng lượng lỏng rút ra ở thân tháp, đáy và đỉnh tháp phải cân
bằng với lượng nguyên liệu đưa vào để đảm bảo tháp làm việc ổn định.
Nguyên lý quá trình phân tách các cấu tử trong tháp được minh họa trong
hình H-5.


Hình H-5- Nguyên lý quá trình chuyển khối trong tháp

4.2.2. Quá trình hoạt động của tháp chưng cất chính

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

Sơ đồ hoạt động chung của tháp chưng cất chính như trình bày trong
hình H-6 dưới đây. Dầu thô sau khi được gia nhiệt (thường từ 310-3700C tùy
theo sơ đồ công nghệ và tính chất dầu thô) được đưa vào đĩa tiếp liệu tháp
chưng cất chính. Tại đây, các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp sẽ bay hơi lên các
đĩa phía trên của tháp, phần lỏng sẽ theo ống chảy truyền đi xuống phía dưới.
Nhiệt độ vào tháp rất quan trọng đối với hoạt động của tháp. Nếu nhiệt độ
không đủ cao thì chất lượng các phân đoạn không đảm bảo, ngược lại nếu
nhiệt độ dầu quá cao sẽ dẫn đến hiện tượng cracking nhiệt làm tăng công suất
tháp đột ngột ngoài tính toán làm ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động và chất
lượng sản phẩm. Các cấu tử hydrocacbon nhẹ sẽ được phân bố càng nhiều ở
phía trên của tháp, các cấu tử có nhiệt độ sôi cao sẽ dần tập trung ở các đĩa
phía dưới tháp. Các phân đoạn Kerpsene, Go nhẹ, GO nặng được rút ra ở thân
tháp và đưa vào các cột sục để tăng cao chất lượng phân đoạn theo tiêu chuẩn
chất lượng. Phân đoạn naphtha và các hydrocacbon nhẹ hơn được tách ra ở
đỉnh tháp, ngưng tụ rồi đưa tới các tháp ổng định và tháp tách naphtha để
phân chia tiếp thành các phân đoạn LPG, naphtha nhẹ, naphtha nặng. Tuy
nhiên, trong một số sơ đồ thì phân đoạn naphtha nặng cũng được tách ra ở
thân tháp. Cặn chưng cất được tách ra ở phía đáy tháp sau khi làm nguội sẽ
được đưa tới bể chứa hoặc đưa trực tiếp tới phân xưởng cracking. Để cung
cấp nhiệt cho quá trình chưng luyện và để quá trình chưng cất xảy ra thuận lợi
phía đáy tháp cất chính được gia nhiệt bằng hơi quá nhiệt thấp áp. Việc sục
hơi ở đáy tháp còn nhằm mục đích tách triệt để các cấu tử nhẹ còn chứa trong
phần lỏng ở đáy tháp để nâng cao hiệu suất thu hồi các cấu tử nhẹ. Ngoài ra,
hơi dùng gia nhiệt trực tiếp dầu thô làm giảm áp suất riêng phần của dầu thô
trong pha hơi do vậy quá trình chưng cất có thể tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn.
Để điều khiển quá trình hoạt động của tháp chưng cất và nâng cao hiệu suất
phân tách, một phần chất lỏng phía trên đỉnh tháp được cho hồi lưu lại tháp,
ngoài ra dọc theo thân tháp người ta thiết kế một số vị trí để rút chất lỏng ra
để điều chỉnh nhiệt độ của tháp tại các vị trí cục bộ.

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH

Hình H-6. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cột chưng cất chính

Cấu tạo
Một tháp chưng cất chính thường bao gồm khoảng 40-55 đĩa chưng cất
(tùy thuộc vào sơ đồ công nghệ và tính chất dầu thô) và cũng được chia thành
hai phần: đoạn chưng và đoạn luyện. Đoạn chưng thường có khoảng 5-7 đĩa,
đoạn luyện có khoảng 35-50 đĩa. Các kết cấu bên trong tháp (các đĩa, chóp,
ống chảy truyền, ) thường được chế tạo bằng thép hợp kim hoặc thép không
rỉ tùy theo tính chất ăn mòn của dầu thô. Vỏ tháp thường được chế tạo từ thép
cacbon để giảm giá thành, tuy nhiên, để bảo vệ lớp vỏ thép cacbon, phía trong
tháp được phủ hoặc tráng một lớp hợp kim. Càng ở phía đáy tháp thì khả
năng ăn mòn càng lớn do nhiệt độ cao, do vậy, lớp phủ hợp kim này phải đủ
dày và có khả năng chịu ăn mòn tốt hơn. Phía đáy tháp có hệ thống sục hơi
trực tiếp, để tăng hiệu quả quá trình sục nhưng nhiệt độ hơi không quá cao
ảnh hưởng tới chế độ hoạt động của tháp. Thông thường hơi sử dụng là hơi
thấp áp quá nhiệt. Vỏ tháp chưng cất chính được chế tạo và lắp ghép bằng
phương pháp hàn, việc sử dụng bích nối thân rất hạn chế (ngoại trừ trường

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
hợp sử dụng tháp đệm). Việc lắp đặt các chi tiết bên trong tháp phải được tính
toán ngay từ giai đoạn thiết kế để đảm bảo việc vận chuyển, lắp ghép các chi
tiết này thực hiện qua cửa người. Trong tháp bố trí các đĩa có cấu tạo đặc biệt
với các phần chứa chất lỏng lớn để có thể rút chất lỏng ra khỏi ngoài tháp.

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
CHƯƠNG 2
THIẾT LẬP CÁC YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN

Sơ đồ hệ thống được minh họa như hình H-7 sau :




Hình H-7. Sơ đồ hệ thống quá trình chưng cất dầu thô ở áp suất khí
quyển

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
I. YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ GIA NHIỆT

Trước hết, ta xét bài toán điều khiển thiết bị gia nhiệt . Nguyên liệu dầu
thô có lưu lượng (F), thành phần (XF), tỉ lệ hơi (VF), nhiệt độ đầu (TF1), nhiệt
độ sau khi qua thiết bị gia nhiệt là (TF2). Nhiệt độ dòng gia nhiệt vào và ra
được kí hiệu là (TH1) và (TH2), lưu lượng dòng gia nhiệt là (WH).
=>



III. YÊU CẦU ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH CHƯNG CẤT DẦU THÔ
ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN

Sau khi qua thiết bị gia nhiệt, dầu thô nguyên liệu lúc này được đưa vào
đĩa tiếp liệu để tiến hành quá trình chưng cất. Phân tích các mục đích yêu cầu

điều khiển và từ sơ đồ H-7 ta có thể nhận biết các biến cần điều khiển như
sau:
+ Đảm bảo chất lượng : Thành phần sản phẩm đỉnh (XA), sản phẩm thân
(XB) và sản phẩm đáy (XC).
+ Đảm bảo năng suất : Lưu lượng sản phẩm đỉnh (A), sản phẩm thân
(B) và sản phẩm đáy (C).

GV: Ks. Phạm Trung Kiên Lớp Lọc Hóa Dầu K54ATH
+ Đảm bảo vận hành an toàn, ổn định : Nhiệt độ và áp suất trong tháp
(T,P), mức dung dịch tại bình chứa (MA).
Trên sơ đồ hình H-7, tại các van điều khiển tương ứng có các biến điều
khiển là lưu lượng hơi nước (S), lưu lượng nước làm lạnh (W), lưu lượng hai
dòng của quá trình điều chỉnh nhiệt độ (WĐC1,WĐC2), lưu lượng hồi lưu (L) ,
lưu lượng sản phẩm đỉnh (A), sản phẩm thân (B), sản phẩm đáy(C). Các biến
còn lại đóng vai trò là nhiễu , bao gồm lưu lượng dầu thô (F), nhiệt độ dầu thô
(TF1) , thành phần dầu thô (XF) , tỉ lệ hơi (VF) và 2 dòng nhiệt của quá trình
điều chỉnh nhiệt độ (TĐC1, TĐC2). Như vậy, tùy vào các yêu cầu cụ thể của công
nghệ ta có các yêu cầu điều khiển như sau :


1. Yêu cầu đảm bảo chất lượng





2. Yêu cầu đảm bảo năng suất

CHƯNG CẤT DẦU THÔ ÁP
SUẤT KHÍ QUYỂN


F TF1 XF VF TĐC1 T ĐC2

XA



XB


XC
S
W
WĐC1
WĐC2
L
A
B
C

Nhiễu
Biến Điều Khiển Biến Cần Điều Khiển