Đồ án bước đầu tìm hiểu hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất đơn giản

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô
giáo trường Đại học Mỏ - Địa chất , các thầy cô giáo trong bộ môn Lọc Hóa Dầu khoa
Dầu khí .Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến giáo viên hướng dẫn –TS Nguyễn Anh
Dũng đã tận tình giúp đỡ em tiến hành thực hiện và thu thập số liệu cần thiết để em hoàn
thành bản đồ án này.
Cuối cùng ,em xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ và những người thân trong gia
đình,những người đã luôn động viên em về mặt tinh thần để em có thể hoàn thành bản đồ
án này.
Trong quá trình thực hiện đồ án,mặc dù em đã hết sức cố gắng nhưng do kiến thức và
kinh nghiệm tiếp xúc thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót
trong quá trình làm đồ án . Vì vậy, em rất mong nhận được sự chỉ bảo của các thầy cô, ý
kiến đóng góp của các bạn trong lớp để đồ án này hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội , ngày 21 tháng 11 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Bạch Văn Nam
1
MỤC LỤC
NỘI DUNG
DANH MỤC HÌNH VẼ
STT Tên Nội dung Trang
1 Hình 1.1 Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi dần dần 7
2 Hình 1.2 Sơ đồ chưng cất bay hơi một lần 8
3 Hình 1.3 Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi nhiều lần 9
4 Hình 1.4 Sơ đồ tháp chưng cất có hồi lưu 11
5 Hình 1.5 Sơ đồ tháp chưng cất tinh luyện 12
6 Hình 1.6 Sơ đồ khối phân xưởng CDU 17
7 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 19
8 Hình 2.2 Quá trình kỹ thuật nhìn từ quan điểm hệ thống 22
9 Hình 2.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển quá trình 25

10 Hình 2.4 Sơ đồ khối của một hệ thống điều khiển quá trình 25
11 Hình 2.5 Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng 27
12 Hình 2.6 Cấu hình song song của điều khiển truyền thẳng 28
13 Hình 2.7 Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi 30
14 Hình 2.8 Hai cấu hình của điều khiển tỉ lệ 34
15 Hình 2.9 Hai cấu trúc điều khiển tầng 36
16 Hình 2.10 Điều khiển lấn át 40
17 Hình 2.11 Điều khiển giới hạn 40
18 Hình 2.12 Cấu trúc điều khiển phân vùng 41
19 Hình 3.1 Mô hình đơn giản hóa cho quá trình nhiệt ở dòng sản
phẩm đỉnh
45
2
20 Hình 3.2 Điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất 46
21 Hình 3.3 Sơ đồ P&ID cho hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh tháp 47
22 Hình 3.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển nhiệt độ và lưu lượng hồi
lưu dòng sản phẩm đỉnh
48
23 Hình 3.5 Sơ đồ đo và điểu khiển quá trình chưng cất dầu thô ở áp
suất khí quyể
51
3
MỞ ĐẦU
Trong công nghiệp nói chung và ngành dầu khí nói riêng, người ta cần phải đo và kiểm
tra thường xuyên các đại lượng như: áp suất, nhiệt độ, nồng độ, lưu lượng….Đó là những
quá trình đo liên tục. Các tín hiệu đo từ các cảm biến được gửi về các trung tâm xử lý số
liệu. Do đó đảm bảo chính xác các thông số này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sản
suất và chế biến dầu khí.
Điều khiển quá trình không phải là một lĩnh vực mới, nhưng luôn chiếm vị trí quan
trọng hàng đầu trong tự động hóa công ngiệp. Ngày nay các nhà máy xí nghiệp đã và

đang được trang bị các hệ thống điều khiển tự động ở mức độ cao với các thiết bị tiên
tiến. Bất cứ một nhà máy lọc dầu nào đều không thể vận hành được nếu thiếu hệ thống
điều khiển tự động. Hệ thống điều khiển tự động đảm bảo cho sựu hoạt động của quy
trình công nghệ đạt được kết quả mong muốn.
Việc ứng dụng rộng rãi tự động hóa điều khiển quá trình các quá trình công nghệ đang
là một trong các yếu tố then chốt để thúc đẩy tiến bộ kỹ thuật của ngành công nghệ. Tại
Việt Nam ngành dầu khí là một ngành công nghệ rất non trẻ, ngành công nghệ lọc dầu là
ngành mớ bắt đầu sản xuất ở Việt Nam, hầu hết các thiết bị của ngành đều là các thiết bị
nhập ngoại. Việc khai thác sử dụng các thiết bị đều phụ thuộc nhiều vào nước ngoài, đặc
biệt là các thiết bị điều khiển, nên giá thành đắt. Việc nghiên cứu, nắm vững quy trình
công nghệ nhà máy lọc dầu và các hệ thống điều khiển nhằm khai thác có hiệu quả và tìm
cách tiếp cận thay thế dần các thiết bị điều khiển trong nước là một vấn đề cần được quan
tâm. Hướng nghiên cứu ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại đang góp phần rất lớn
trong việc tự động hóa quá trình sản xuất, khai thác một cách triệt để và tối ưu hóa chất
lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong công nghiệp khai thác và chế biến
dầu khí.
4
Do đó với bản đồ án tốt nghiệp “Bước đầu tìm hiểu hệ thống điều khiển nhiệt độ đỉnh
tháp chưng cất đơn giản” mà em được giao. Em hy vọng mình sẽ nắm bắt, bổ sung thêm
kiến thức và hiểu rõ hơn về hệ thống điều khiển quá trình.
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ CHƯNG CẤT
1.1.Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất
Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng thành các cấu tử
riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của các cấu tử trong hỗn hợp, trong đó vật
chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại.
Khi chưng ta thu được nhiều sản phẩm khác nhau và thường có bao nhiêu cấu
tử ta sẽ thu được bấy nhiêu sản phẩm. Quá trình chưng cất dầu là một quá trình vật lý
phân chia dầu thô thành các phân đoạn khác nhau. Quá trình này được thực hiện bằng
các biện pháp khác nhau nhằm tách các thành phần dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu

tử có trong dầu mà không làm phân hủy chúng. Hơi nhẹ bay lên ngưng tụ thành phần
lỏng.
1.2.Nguyên liệu dầu thô của quá trình chưng cất
1.2.1.Thành phần hóa học của dầu thô
Trong dầu thô có chứa tới hàng trăm tạp chất khác nhau,nhưng nguyên tố cơ bản
chứa trong dầu khí phần lớn là cacbon C và hydro H (C chiếm 84-87%, H chiếm 11-
14%), ngoài ra các nguyên tố cơ bản trên còn có các nguyên tố khác như lưu huỳnh S
chiếm đến 5%, nitơ chiếm đến 1%, oxy chiếm đến 1% và một lượng rất nhỏ các nguyên
tố khác.
Các hợp chất hydrocacbon phổ biến nhất trong dầu khí có thể trình bày như sau:
• Hydrocacbon parafin RH
p
: Các hydrocacbon parafin có công thức tổng quát là C
n
H
2n+2
,
trong đó năng lượng là số nguyên tử cacbon trong mạch.
• Hydrocacbon naphtenic RH
n
(hay còn gọi là cycloparafin): Loại hợp chất này có công
thức tổng quát là C
n
H
2n
.
• Hydrocacbon thơm RH
a
(hydrocacbon aromatic): hydrocacbon thơm có công thức tổng
quát C

n
H
2n-6
.
6
• Các hợp chất phi hydrocacbon: Thường gặp nhất là những hợp chất của lưu huỳnh, nitơ,
oxy, các chất nhựa, asphanten và kim loại. Nói chung các hợp chất phi hydrocacbon đều
có hại cho dầu mỏ trong quá trình chưng cất nên chúng cần được loại bỏ.
1.2.2.Các đặc tính quan trọng của dầu thô
1.2.2.1Tỷ trọng
Tỷ trọng là khối lượng của dầu so với khối lượng của nước ở cùng một nhiệt độ
và thể tích. Tỷ trọng của dầu thô dao động trong khoảng rộng tùy thuộc vào từng loại
dầu, thông thường nó có giá trị từ 0,8 đến 0,99. Tỷ trọng của dầu là một tính chất vô cùng
quan trọng trong việc đánh giá chất lượng của dầu thô và giá của nó trên thị trường thế
giới.
1.2.2.2.Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu
Độ nhớt đặc trưng cho tính lưu biến của dầu cũng như ma sát nội tại của dầu. Do
vậy, độ nhớt cho phép đánh giá khả năng bơm vận chuyển và chế biến dầu, đánh giá khả
năng bôi trơn, tạo sương mù khi bơm vào động cơ, lò đốt.
Độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng, độ nhớt giảm. có 2 loại độ
nhớt:
• Độ nhớt động học (St hay cSt)
• Độ nhớt quy ước (độ nhớt biểu kiến) còn gọi là độ nhớt Engler
1.2.2.3.Nhiệt độ sôi trung bình
Nhiệt độ sôi trung bình của dầu thô và các phân đoạn dầu có quan hệ với các tính
chất vật lý khác nhau như tỷ trọng, độ nhớt, hàm nhiệt và trọng lượng phân tử của dầu.
Do vậy nó là một thông số quan trọng được sử dụng trong đánh giá và tính toán công
nghệ chế biến dầu. Từ đường cong chưng cất ta dễ dàng xác định được nhiệt độ sôi trung
bình thể tích hay trọng lượng bằng các đồ thị chuyển đổi, ta có thể xác định được nhiệt độ
sôi trung bình mol,nhiệt độ sôi trung bình.

1.2.2.4. Hệ số đặc trưng K
Được sử dụng để phân loại dầu thô, tính toán thiết kế hay lựa chọn công nghệ chế
biến thích hợp, K có quan hệ với tỷ trọng , trọng lượng phân tử và cả trị số octan hay
xetan của các sản phẩm dầu, K được tính theo công thức sau :
7
K=
Trong đó :
Ts :là nhiệt độ sôi trung bình tính theo độ Rankine (˚R)
d :là tỷ khối của dầu ở 60 so với nước ở 60
K : là hệ số đặc trưng watson
Dầu thô Việt nam thuộc họ dầu parafinic trong số các mỏ dầu đang khai thác hiện
nay ở Việt nam, thông qua các nghiên cứu về dầu mỏ Bạch Hổ và Ðại Hùng ta có thể rút
ra những tính chất đặc trưng quan trọng :
• Dầu thô Việt nam thuộc loại nhẹ vừa phải, có tỷ trọng nằm trong giới hạn 0,830 – 0,850.
Đặc tính này quyết định tổng hiệu suất sản phẩm trắng (xăng, diesel, kerosen) trong dầu
thô cao hay thấp. Dầu càng nhẹ tổng hiệu suất càng cao và dầu đó càng có giá trị. Đối với
dầu thô Việt nam, tổng hiệu suất sản phẩm trắng từ 50%-60% khối lượng dầu thô.
• Dầu thô Việt Nam, là loại dầu sạch, chứa ít các độc tố, rất ít lưu huỳnh, nitơ, kim loại
nặng. Mỏ Bạch Hổ chứa 0.03% -0,05% lưu huỳnh, dầu thô Đại Hùng chứa 0,08%.
Những loại dầu thô ít lưu huỳnh như vậy trên thế giới rất hiếm.
1.2.2.5. Thành phần phân đoạn
Trong dầu thô có nhiều phân đoạn khác nhau, dựa vào tên chế biến sản phẩm dầu
thô được chia thành các phân đoạn như sau :
• Phân đoạn khí: bao gồm các hydrocacbon từ C
1
đến C
4
.
• Phân đoạn xăng: gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi vào khoảng từ 30˚C tới 180˚C.
• Phân đoạn kerosen: gồm các hợp chất có khoảng nhiệt độ sôi từ 180˚C tới 250˚C.

• Phân đoạn gasoil: gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi từ 250˚C tới 350˚C.
• Cặn chưng cất áp suất thường hay còn gọi là mazut có nhiệt độ sôi trên 350˚C.
• Phân đoạn dầu nhờn (hay là gasoil nặng ): gồm các hợp chất có nhiệt độ sôi từ 350˚C tới
500˚C.
• Phân đoạn gurdon, bitum có nhiệt độ sôi trên 500˚C.
1.3.Các sản phẩm của quá trình chưng cất
Khi tiến hành chưng cất dầu mỏ chúng ta nhận được nhiều phân đoạn và sản phẩn
dầu. chúng được phân biệt với nhau bởi giới hạn nhiệt độ sôi (hay khoảng nhiệt độ
8
chưng), bởi thành phần hydrocacbon, độ nhớt, nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ đông đặc, bởi
nhiều tính chất có liên quan đến việc sử dụng chúng.
1.3.1.Phân đoạn khí hydrocacbon
Phân đoạn khí bao gồm các hydrocacbon từ C
1
÷ C
4
và một lượng ít C
5
÷ C
6
. Khí
thu được chủ yếu là C
3
, C
4
. Tùy thuộc vào công nghệ chưng cất, mà phân đoạn C3, C4
thu được ở thể khí hay đã được nén hóa lỏng.
Phân đoạn này thường được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình phân tách khí
để nhận các khí riêng biệt cho các quá trình chế biến tiếp thành những hóa chất cơ bản.
1.3.2.Phân đoạn xăng

Với khoảng nhiệt độ sôi dưới 180
0
C phân đoạn xăng bao gồm cac hydrocacbon từ
C
5
÷ C
10
, C
11
đó là các parafin, naphten và aromatic.Tuy nhiên thành phần và số lượng
giữa thì khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô ban đầu.
Ngoài hydrocacbon, trong phân đoạn xăng còn có các hợp chất của lưu huỳnh,
nitơ, oxy,…
Xăng được sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ xăng. Ngoài ra, xăng còn được
dùng trong các ngành công nghiệp như sơn, cao su, keo dán, hương liệu, dược liệu,…
Đặc biệt, xăng sử dụng làm nguyên liệu tổng hợp hóa dầu hay còn còn gọi là phân
đoạn naphtha. Từ phân đoạn này người ta sản xuất được các hydrocacbon thơm khác như
benzen,tuloen,…
1.3.3.Phân đoạn kerosen
Phân đoạn này được gọi là dầu lửa, có nhiệt độ sôi từ 180 ÷ 250˚C, bao gồm các
hydrocacbon có số cacbon từ C
11
÷ C
15
,C
16
.
Thành phần chủ yếu là các n-parafin và rất ít iso-parafin. Các hydrocacbon
naphten và thơm, ngoài loại có cấu trúc một vòng và nhiều nhánh phụ, còn có mặt của
hợp chất hai hoặc ba vòng. Trong kerosen bắt đầu có sự hiện diện của hydrocacbon có

cấu trúc hỗn hợp giữa vòng thơm và vòng naphten như tetralin và đồng đẳng của nó. Các
hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng dần.
9
Phân đoạn kerosen được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho đông cơ phản lực và
dầu hỏa dân dụng trong đó làm nhiên liệu cho phản lực là ứng dụng chính.
1.3.4.Phân đoạn gasoil nhẹ.
Phân đoạn gasoil nhẹ hay còn gọi là phân đoạn dầu diesel, có khoảng nhiệt độ sôi
từ 250 ÷ 350˚C và chứa các hydrocacbon có số cacbon từ C
16
÷ C
21
.
Trong phân đoạn này, phần lớn các n-parafin và iso-parafin, còn hydrocacbon
thơm rất ít. Ngoài naphten và thơm hai vòng là chủ yếu, những chất có ba vòng bắt đầu
tăng lên còn có các hợp chất với cấu trúc hỗn hợp (giữa naphten và thơm). Hàm lượng
lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng nhanh.
Phân đoạn gasoil của dầu mỏ được sử dụng chủ yếu làm nhiên liệu cho động cơ
diesl, đây là một loại nhiên liệu động cơ hiện nay được sử dụng khá phổ biến trên thế
giới.
1.3.5.Phân đoạn gasoil nặng.
Với khoảng sôi từ 350 ÷ 500˚C, phân đoạn gasoil năng bao gồm các hydrocacbon
từ C
21
÷ C
35,
hoặc có thể lên tới C
40
.
Do có phân tử lượng lớn nên thành phần hóa học của phân đoạn này khá phức tạp,
bao gồm một ít các n-và iso-parafin, lượng naphten và thơm nhiều. Ở phân đọan gasoil

nặng, hàm lượng của lưu huỳnh, nitơ, oxy tăng mạnh, hơn 50% lượng lưu huỳnh có trong
dầu mỏ tập trung ở phân đoạn này, gồm các dạng như disunfua, thiophen, sunfua vòng,
….Các chất nitơ thường ở dạng đồng đẳng của piridin, pyrol và cacbazol. Các hợp chất
của oxy ở dạng các axít. Các kim loại nặng như V, Ni, Cu, Pb,…các chất nhựa, asphanten
cũng có mặt trong phân đoạn này.
Ứng dụng chủ yếu của phân đoạn gasoil nặng là sản xuất dầu nhờn. Ngoài ra, nó
còn được dùng để sản xuất các sản phẩm trắng, đây là tên gọi của ba loại nhiên liệu, đó
là: xăng, kerosen, diesel. Để làm tăng số lượng các nhiên liệu này, người ta tiến hành
phân hủy gasoil nặng bằng phương pháp cracking hoặc hydrocracking. Với cách này, có
thể biến các cấu tử nặng C
21
+C
40
thành xăng (C
5
+C
11
), kerosen (C
11
+C
16
), diesl (C
16
+C
20
).
Nhờ vậy mà nâng cao được hiệu quả sử dụng dầu mỏ.
10
1.3.6.Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gurdon)
Gurdon là phần còn lại sau khi đã tách các phân đoạn ở trên, có nhiệt độ sôi lớn

hơn 500˚C, gồm các hydrrocacbon có số nguyên tử cacbon lớn hơn C
41
và có thể lên đến
C
80
.Thành phần hóa học của phân đoạn này khá phức tạp và có thể phân thành ba nhóm
sau :
• Nhóm chất dầu (chiếm khoảng 45 ÷ 46%): bao gồm các hydro cacbon có phân tử lượng
lớn, tập trung nhiều các hợp chất thơm, có độ ngưng tụ cao, cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng
giữa thơm và naphten, đây là nhóm hợp chất nhẹ nhất, có tỉ trọng gần bằng 1, hòa tan
trong xăng , n-pentan,…nhưng không hòa tan trong cồn .
• Nhóm chất nhựa (chiếm khoảng 11÷16%): ở dạng keo quánh gồm thành phần trung tính
gồm thành phần axít.Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt độ hóa mềm nhỏ
hơn 100˚C. Tỉ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong xăng và naphtha. Các chất axít là chất có
nhóm –COOH, có màu nâu sẫm, tỉ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong clorofom và rượu
etylic
• Nhóm asphanten: là nhóm chất rắn có màu đen cấu tạo tinh thể , tỉ trọng lớn hơn1, chứa
phần lớn các hợp chất dị vòng và có khả năng hòa tan mạnh trong cacbon disunfua. Khi
đun ở nhiệt độ 300˚C không bị nóng chảy mà cháy thành cho.
Ngoài những nhóm này, trong cặn gurdon còn có các hợp chất của kim loại nặng.
Cặn gurdon được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như sản xuất bitum, than
cốc, bồ hóng, nhiên liệu đốt lò, trong sản xuất bitum là chủ yếu.
1.4.Phân loại các quá trình chưng cất
Tùy theo các biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia các quá trình
chưng cất thành các quá trình như: chưng đơn giản, chưng phức tạp, chưng cất nhờ cấu
tử bay hơi, chưng cất trong chân không.
1.4.1.Chưng cất đơn giản
Chưng cất đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách bay hơi
dần dần, một lần hay nhiều lần không có hồi lưu. Phương pháp này áp dụng để tách
các hỗn hợp gồm các cấu tử có độ bay hơi rất khác nhau, tách sơ bộ và làm sạch các

cấu tử khỏi tạp chất.
11
• Chưng bay hơi dần dần
Hình 1.1 : Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi dần dần
Trong đó :
1.Bình chưng
2.Thiết bị đun sôi
3.Thiết bị ngưng tụ
4.Bình thu sản phẩm
Nguyên tắc hoạt động : Thiết bị (2) đốt nóng liên tục 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 ra trong thiết bị ngưng tụ (3) và thu được sản phẩm lỏng trong bể
chứa (4).
Phương pháp này thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm.
• Chưng cất bay hơi một lần: Còn được gọi là bay hơi cân bằng. Nguyên
liệu được gia nhiệt đến nhiệt độ và áp suất nhất định. Pha lỏng – hơi
được tạo thành và đạt đến trạng thái cân bằng thì cho vào tháp. Pha hơi
qua thiết bị ngưng tụ sau đó lấy sản phẩm hơi đem ngưng tụ ta thu được
chất có nhiệt độ sôi thấp nhất.
12
Hình 1.2 : Sơ đồ chưng cất bay hơi một lần
Trong đó :
1. Tháp chưng
2. Thiết bị đun sôi
3. Thiết bị ngưng tụ
4. Bể chứa
I. Nhiên liệu ban đầu
II. Phần cất
III. Phần cặn
Nguyên lý hoạt động: Hỗn hợp chất lỏng được cho liên tục vào thiết bị đun sôi

(2), ở đây hỗn hợp được đun nóng đến nhiệt độ xác định và áp suất P cho trước. Pha
lỏng - hơi được tạo thành và đạt đến trạng thái cân bằng, ở điều kiện đó lại được cho
vào thiết bị phân chia một lần trong thiết bị đoạn nhiệt (1). Pha hơi qua thiết bị ngưng
tụ (3) rồi vào bể chứa (4), từ đó ta nhận được phần cất. Phía dưới thiết bị (1) là pha
lỏng được tách ra liên tục và ta nhận được phần cặn.
Tỷ lệ giữa lượng hơi được tạo thành khi bay hơi một lần với lượng chất lỏng
nguyên liệu chưng ban đầu được gọi là phần chưng cất.
Chưng cất một lần như vậy sẽ cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so
với bay hơi dần dần ở cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất.
Ưu điểm: Quá trình chưng cất này cho phép áp dụng trong thực tế để chưng cất
dầu. Tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn, nhưng vẫn cho phép nhận một phần cất lớn
hơn.
13
• Chưng cất bay hơi nhiều lần: Là quá trình gồm nhiều quá trình bay hơi
một lần nối tiếp nhau ở nhiệt độ tăng cao dần lên (hay áp suất thấp hơn).
Sản phẩm đáy của chưng lần một là nguyên liệu cho chưng lần hai.
Hình 1.3: Sơ đồ tháp chưng cất bay hơi nhiều lần
Trong đó :
1. Tháp chưng nhiệt độ thấp
2. Tháp chưng nhiệt độ cao
3. Thiết bị gia nhiệt
4. Thiết bị ngưng tụ
5. Bình chứa sản phẩm
I. Nhiên liệu
II. Phần cất nhẹ
III. Cặn chưng cất ở nhiệt độ thấp
IV. Phần cắt nặng
V. Cặn chưng cất ở nhiệt độ cao
Nguyên tắc hoạt động: Nhiên liệu (I) được cho qua thiết bi gia nhiệt (3) và được
làm nóng đến nhiệt độ cần thiết, sau đó cho vào tháp chưng đoạn nhiệt (1).

Ở đây phần nhẹ được bay hơn trên đỉnh và qua thiết bị làm lạnh (4), sau đó vào
bể chứa (5). Phần nặng ở đáy tháp (1) được gia nhiệt ở thiết bị gia nhiệt (3) và dẫn vào
tháp chưng đoạn nhiệt (2). Tháp chưng này có áp suất thấp hơn áp suất tháp chưng (1)
14
và phần nhẹ bay hơi lên đỉnh, qua thiết bị ngưng tụ (4) và sau đó vào bể (5). Ta thu
được sản phẩm nặng (IV). Ở đáy tháp (2) ta thu được phần cặn của quá trình chưng
(V).
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 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 tiếp theo quá trình tách pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận
cung cấp, phân phối của tháp chưng luyện.
Chưng cất đơn giản, nhất là với loại bay hơi một lần, không đạt được độ phân
chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử của hỗn hợp chất lỏng.
1.4.2.Chưng cất phức tạp
• Chưng cất có hồi lưu
Chưng cất có hồi lưu là quá trình chưng khi lấy một phần chất lỏng ngưng tụ từ
hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng hơi bay lên. Nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm
một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi mà pha hơi khi tách ra 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
độ phân chia cao hơn. Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế bằng bộ phận đặc biệt
và được bố trí phía trên thiết bị chưng cất.
Hình 1.4: Sơ đồ tháp chưng cất có hồi lưu
Trong đó :
15
1.Tháp chưng
2.Thiết bị đun sôi
3.Bể chứa
I.Nguyên liệu
II.Sản phẩm cất

III.Phần cặn
Nguyên tắc hoạt động: Nguyên liệu (I) qua thiết bị đun nóng (2) rồi đưa vào tháp
chưng (1), phần hơi đi lên đỉnh tháp sau đó qua thiết bị làm lạnh và thu được sản phẩm
(II). Phần đáy được tháo ra là cặn (III) một phần được gia nhiệt hồi lưu trở lại đáy tháp
thực hiện tiếp quá trình chưng cất thu được sản phẩm.
• Chưng cất có tinh luyện
Đây là phương pháp phổ biến nhất dùng để tách hoàn toàn hỗn hợp các cấu tử dễ
bay hơi có tính chất hòa tan một phần và hòa tan hoàn toàn với nhau. Chưng cất có tinh
luyện được thực hiện trong tháp tinh luỵện. Ngoài đỉnh và đáy, nếu cần ta còn có thể thiết
kế hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm lỏng ở cạnh sườn của tháp cho trao đổi
nhiệt làm lạnh rồi cho quay lại tưới vào tháp. Ta cũng có thể lấy sản phẩm cạnh sườn
của tháp, trang bị thêm các bộ phận tách trung gian. Mỗi bộ phận như vậy thực chất là
một tháp riêng mà nguyên liệu đầu vào lấy từ tháp chính. Sản phẩm đáy của tháp này
được lấy ra còn sản phẩm đỉnh cho quay lại tháp chính. Như vậy, ta có tháp kép. Chưng
luyện ở áp suất thấp dùng cho các hỗn hợp không hóa lỏng ở áp suất thường.
16
Hình 1.5 : Sơ đồ tháp chưng cất tinh luyện
Chưng cất có tinh luyện cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp với hồi lưu. Cơ sở
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 thực hiện trong tháp tinh luyện. Để đảm
bảo sự tiếp xúc hoàn thiện hơn giữa pha lỏng và pha hơi, 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 của mỗi đĩa và hồi lưu ở đỉnh tháp.
Các quá trình chưng cất ban đầu của dầu thô dựa vào quá trình chưng cất một lần
và nhiều lần tinh luyện.
Quá trình tinh luyện xảy ra trong tháp chưng cất phân đoạn có bố trí các đĩa hoạt
động của tháp được mô tả như hình 5 ở trên.
Pha hơi V
n
bay lên từ đĩa thứ n được tiếp xúc với pha lỏng L

n-
1chảy từ đĩa n-1
xuống, còn pha lỏng từ đĩa 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 cấu tử nhẹ, còn pha lỏng chảy
xuống phía dưới ngày càng chứa nhiều các cấu tử nặng. Số lần tiếp xúc càng nhiều, quá
trình trao đổi chất càng tăng cường và sự phân tách của tháp càng tốt, hay nói cách khác
tháp có độ phân chia cao.
17
Ngoài đỉnh và đáy ,nếu cần 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. Còn khi lấy sản phẩm cạnh sườn tháp, người ta trang bị thêm các bộ phận tách trung
gian cạnh sườn tháp. Như vậy theo chiều cao của tháp tinh luyện, ta sẽ nhận được các
phân đoạn có giới hạn sôi khác nhau tùy thuộc vào chế độ công nghệ chưng và nguyên
liệu thô ban đầu.
1.4.3.Chưng cất chân không và chưng cất bằng hơi nước
• Chưng cất chân không
Hỗn hợp các cấu tử trong dầu thô thường không bền, dễ bị phân hủy khi tăng nhiệt
độ. Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí quyển cao hơn nhiệt độ phân hủy của
chúng, người ta phải dùng chưng cất chân không.
• Chưng cất bằng hơi nước
Thường sử dụng để tách hỗn hợp gồm các chất khó bay hơi và tạp chất không bay
hơi. Khi chưng bằng hơi nước, người ta phun hơi nước qua lớp chất lỏng bằng một bộ
phận phun. Hơi nước có thể là bão hòa hay quá nhiệt. Trong quá trình tiếp xúc giữa hơi
nước và lớp chất lỏng, cấu tử cần chưng sẽ khuếch tán vào trong hơi. Hỗn hợp hơi nước
và cấu tử bay hơi đó được ngưng tụ và tách thành sản phẩm. Quá trình chưng bằng hơi

nước hợp lý nhất là dùng để tách cấu tử không tan trong nước khỏi tạp chất không bay
hơi. Ưu điểm của quá trình chưng bằng hơi nước là giảm nhiệt độ sôi của hỗn hợp vì còn
hơi nước có tác dụng làm giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp. Hơi nước được
dùng ngay cả chưng cất khí quyển. Lượng hơi nước có hiệu quả tốt nhất chỉ trong khoảng
2 -3% so với nguyên liệu đem chưng cất. Chưng cất dầu với nước còn tăng cường khuấy
trộn chất lỏng tránh tích nhiệt cục bộ, tăng diện tích bay hơi do tạo thành những tia và
bong bóng.
Trong một số trường hợp chẳng hạn như nâng cao nhiệt độ bắt cháy của nhiên liệu
phản lực hay diesel, người ta không dùng chưng cất với hơi nước mà dùng quá trình bay
hơi một lần để tránh tạo thành nhũ tương nước bền trong nhiên liệu.
18
1.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất
Các yếu tố công nghiệp có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và chất lượng của
quá trình chưng cất là nhiệt độ, áp suất và phương pháp chưng cất.
Chế độ công nghệ chưng cất phụ thuộc vào chất lượng dầu thô ban đầu, vào mục
đích và yêu cầu của quá trình, vào chủng loại và sản phẩm cần thu và phải có dây truyền
công nghệ hợp lý.
Vì vậy khi thiết kế quá trình chưng cất ta phải xét kĩ và kết hợp đầy đủ tất cả các
yếu tố ảnh hưởng tới các quá trình làm việc của tháp chưng cất.
1.5.1.Chế độ nhiệt của tháp chưng luyện
Nhiệt độ là thông số làm việc quan trọng nhất của tháp chưng cất. Chất lượng và
hiệu suất của các sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất sẽ bị thay đổi khi chế độ nhiệt
của tháp thay đổi. Chế độ nhiệt của tháp bao gồm; nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp,
nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong tháp và nhiệt độ đáy tháp .
Nhiệt độ của nguyên liệu vào tháp được khống chế tùy theo vào bản chất của dầu
thô, mức độ cần phân tách sản phẩm, áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy
tháp. Tuy nhiên cần chú ý để tránh sự phân hủy nhiệt của nguyên liệu do nhiệt độ quá
cao. Do vậy nhiệt độ của lò gia nhiệt dầu thô phải được khống chế chặt chẽ.
Nhiệt độ đáy tháp phụ thuộc vào phương pháp bay hơi dòng hồi lưu đáy. Nhiệt độ
đáy tháp phải được chọn tối ưu, tránh sự phân hủy nhiệt của các cấu tử nặng nhưng phải

đủ để tách hết cấu tử nhẹ ra khỏi phần cặn đáy.
Nhiệt độ đỉnh tháp được khống chế nhằm đảm bảo được sự bay hơi hoàn toàn sản
phẩm đỉnh mà không gây ra sự lôi cuốn theo các phần nặng khác. Nhiệt độ đỉnh tháp
chưng cất khí quyển dầu thô được duy trì trong khoảng 100-120˚C.Với tháp chưng cất
chân không, áp suất chưng cất trong khoảng 10-70 mmHg, thường nhiệt độ không quá
120˚C. Với các mục đích giảm bớt mất mát Gasoil chân không hay mất mát các cấu tử
trong phân đoạn dầu nhờn.
Để đảm bảo chế độ nhiệt của tháp, cũng như đã phân tích ở trên thì phải có hồi
lưu. Các dạng hồi lưu ở đỉnh tháp là: hồi lưu nóng và hồi lưu nguội.
19
• Hồi lưu nóng: Quá trình hồi lưu nóng được thực hiện bằng cách ngưng tụ một
phần hơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ sôi của nó. Khi tưới trở lại tháp, chúng chỉ cần
thu nhiệt để bốc hơi. Tác nhân lạnh có thể dùng là nước hay chính sản phẩm lạnh.
Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và khó cho việc vệ sinh, đặc biệt khi công
suất của tháp lớn nên ít phổ biến và bị hạn chế.
• Hồi lưu nguội: Được thực hiện bằng cách làm nguội và ngưng tụ sản phẩm đỉnh
rồi tưới trở lại tháp chưng. Khi đó lượng hồi lưu cần thu lại một lượng nhiệt cần
thiết để đun nóng nó đến nhiệt độ sôi và nhiệt độ cần để hóa hơi.
Hồi lưu nguội được sử dụng rộng rãi vì lượng hồi lưu thường ít, làm tăng rõ ràng
chất lượng mà không giảm nhiều năng suất của tháp chưng.
• Hồi lưu trung gian: quá trình hồi lưu trung gian được thực hiện bằng cách lấy
một phần sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa có nhiệt độ là t
1
, đưa ra ngoài làm lạnh
đến t
o
rồi tưới trở lại tháp, khi đó chất lỏng hồi lưu cần thu một lượng nhiệt để đun
nóng từ nhiệt độ t
o
- t

2
Người ta thường kết hợp hồi lưu trung gian với hồi lưu lạnh cho phép điều chỉnh
chính xác nhiệt độ chưng dẫn đến đảm bảo được hiệu suất và chất lượng sản phẩm của
quá trình.
1.5.2.Áp suất của tháp chưng luyện
Khi chưng luyện dầu mỏ ở áp suất thường thì áp suất trong toàn tháp và ở một tiết diện
cũng có khác nhau.
Áp suất trong tháp có thể cao hơn một ít hay thấp hơn một ít so với áp suất khí quyển,
tương ứng với việc tăng hay giảm nhiệt độ sản phẩm lấy ra khỏi tháp.
Áp suất trong mỗi tiết diện của tháp chưng luyện phụ thuộc vào trở lực thủy tĩnh khi hơi
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 từ 5-10 mmHg từ dưới lên
khi chưng cất, ở áp suất chân không qua mỗi đĩa áp suất giảm từ 1- 3 mmHg.
Áp suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của nguyên liệu và áp suất
riêng phần của từng cấu tử trong tháp. Nếu tháp chưng luyện mà dùng hơi nước trực tiếp
20
cho vào đáy tháp thì hơi nước làm giảm áp suất riêng phần của hơi sản phẩm đầu, cho
phép 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 các sản phẩm đầu.
Lượng hơi nước tiêu hao cho tháp ở áp suất khí quyển khoảng 1,2- 3,5% trọng lượng, đối
với tháp chưng ở áp suất chân không khoảng 5-8% trọng lượng so với nguyên liệu.
1.5.3.Những điểm cần chú ý khi điều chỉnh, khống chế chế độ làm việc của tháp
chưng cất.
Để duy trì chế độ làm việc của tháp chưng cất chúng ta phải đảm bảo và nắm vững
các nguyên tắc sau:
• Điều chỉnh áp suất trong tháp sẽ làm thay đổi điểm sôi của chất lỏng
• Nếu áp suất riêng tăng lên chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn. Nếu áp suất tăng cao
quá lượng chất lỏng trong tháp sẽ nhiều và như vậy sẽ dẫn đến hiện tượng “sặc
tháp”, làm giảm hiệu suất phân tách phân chia.
• Nếu các điều kiện trong tháp cố định thì sản phẩm đỉnh, sản phẩm cạnh sườn và

sản phẩm đáy trở nên nhẹ hơn nếu áp suất trong tháp tăng lên.
• Nếu nhiệt độ đáy tháp quá lớn thì sản phẩm đáy chứa nhiều phần nhẹ hơn.
• Nếu nhiệt cấp liệu và đáy tháp thấp. Lượng hơi trên các khay chứa đĩa sẽ nhỏ như
vậy phần lỏng sẽ nhiều và chúng chảy xuống phía dưới vào bộ phận chưng sẽ càng
nhiều.
• Với sơ đồ chưng cất phải sử dụng thiết bị đun sôi lại, nếu nhiệt độ của thiết bị quá
thấp sẽ không tách hết phần nhẹ trong cặn và làm tăng lượng cặn.
• Nếu nhiệt độ đỉnh quá cao sản phẩm đỉnh sẽ quá nặng và có nhiều sản phẩm hơn
so với thiết kế và ngược lại nếu nhiệt độ đỉnh quá thấp sản phẩm đỉnh sẽ quá nhẹ
và có ít sản phẩm hơn.
• Nhiệt độ cần thiết để tách sản phân đoạn dầu thô nặng sẽ cao hơn so với dầu thô
nhẹ.
• Chú ý nhất là nhiệt độ đỉnh tháp tránh nhiệt độ cao quá do làm lạnh không đủ dẫn
đến thay đổi chế độ hồi lưu, ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm.
21
1.6.Các điều kiện cần thiết để đảm bảo cho việc chưng cất
Phải đảm bảo sự tồn tại của pha lỏng chuyển động ngược chiều nhau trên toàn bộ chiều
cao tháp chưng.
Phải tồn tại chênh lệch nhiệt độ giữa hai pha hơi và pha lỏng. phần cột chưng phải đảm
bảo ở phía trên đĩa nạp liệu thực hiện quá trình tăng cường nồng độ các cấu tử nhẹ trong
pha hơi nên gọi là phần tinh luyện.
Phần cột chưng ở phía dưới đĩa nạp liệu thực hiện các quá trình tách các cấu tử nhẹ ra
khỏi phần lỏng nên gọi là phần chưng. Vì vậy phần đáy tháp phải đưa thêm các tác nhân
bay hơi. Mức độ phân chia tốt hay xấu còn phụ thuộc vào số đĩa và lượng hồi lưu.
1.7.Cân bằng vật chất cho tháp chưng cất
• Xác định đường TBP và API
TBP ở các phân đoạn khác nhau được tính theo %LV như sau:
(11)
API được tính theo công thức :
API = -0,0004(LV%)

3
+ 0,05(LV%)
2
– 2,4(LV%) + 80 (12)
Cân bằng vật liệu trong tháp chưng cất dầu thô nhằm xác định lưu lượng ,tính chất
dòng sản phẩm tại khác phân đoạn khác nhau , làm nguyên liệu cho các quá trình tiếp
theo.
Hình 1.6 . Sơ đồ khối phân xưởng CDU
22
Ta có phương trình cân bằng vật liệu: giả sử không có sự mất mát .
Q
in
= Q
out
ó Q
Feed
+ Q
Steam
= Q
Gas
+ Q
xăng
+ Q
Kerosen
+ Q
GO
+ Q
Residue
Trong đó: Q
Feed

là lượng nguyên liệu
Q
Steam
là lượng hơi nước steam
Q
Gas
là lượng sản phẩm khí
Q
xăng
là lượng sản phẩm xăng
Q
Kerosen
là lượng sản phẩm Kerosen
Q
GO
là lượng sản phẩm GO
Q
Residue
là lượng cặn
Từ phương trình trên ta có thể xác định được lưu lượng các dòng sản phẩm các phân
đoạn, đồng thời xác định được tính chất của các dòng.
Việc xác định được lưu lượng và tính chất các dòng sản phẩm các phân đoạn là điều
cực kỳ quan trong cho quá trình tính toán các phân xưởng sau này.
Trong chưng cất dầu thô, hàm lượng lưu huỳnh chiếm tỷ trọng khá lớn. có thể xác định
được hàm lượng lưu huỳnh dựa vào các công thức
• Nếu M < 200
wt% S = 177,448 – 170,946R
i
+ 0,2258m + 4,054SG (13)
• Nếu M> 200 :

wt% S = -58,02 + 38,463R
i
- 0,023m + 22,4SG (14)
Trong đó : M là khối lượng phân tử trung bình phân đoạn
SG là tỷ khối của phân đoạn
R
i
là điểm khúc xạ
m là tham số
23
24
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
2.1.Khái quát chung về điều khiển
2.1.1.Các khái niệm cơ bản
Trong hoạt động của con người bao giờ cũng có một mục đích nhất định. Để đạt được
mục đích của hoạt động, con người bao giờ cũng phải đánh giá được kết quả của hoạt
động và điều khiển các hoạt động của mình để đạt được mục đích đề ra. Như vậy, bất cứ
một hoạt động nào đều bao gồm các tác động được chia thành ba chức năng khác nhau:
chức năng công nghệ, chức năng đo lường - kiểm tra và chức năng điều khiển. chức năng
công nghệ là những tác động đáp ứng được vai trò công nghệ của hoạt động. chức năng
đo lường – kiểm tra sẽ đẩm bảo cho chức năng điều khiển tổ chức các tác động công
nghệ theo một trình tự nhất định để đạt được mục đích mong muốn của hoạt động.
Như vậy có thể nói, điều khiển là tập hợp tất cả các tác động mang tính tổ chức nhằm
đạt được mục đích mong muốn của hoạt động. Bất cứ một hoạt động có mục đích nào
đều là sự hòa quyện của các tác động với các chức năng khác nhau: chức năng công
nghệ, chức năng đo lường – kiểm tra và chức năng điều khiển. Tuy nhiên nếu thiếu một
trong hai chức năng đo lường – kiểm tra và điều khiển thì hoạt động công nghệ không
bao giờ đạt được mục đích mong muốn.
Hệ thống điều khiển nói chung bao gồm hai thành phần cơ bản: đối tượng điều khiển
(ĐTĐK) và chủ thể điều khiển (CTĐK) mà sơ đồ khối của nó như hình sau:

25