Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của tháp tách khí hóa lỏng (debutanizer) trong phân xưởng xúc tác liên tục (CCR) của nhà máy lọc dầu dung quất

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .....................................................................5
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN .....................................................................................3
1.1. Tổng quan về tháp debutanizer trong nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất
3
1.1.1.

Giới thiệu về nhà máy lọc dầu Dung Quất ..........................................3

1.1.2.
Giới thiệu phân xưởng reforming xúc tác liên tục (CCR) của nhà máy
lọc dầu Dung Quất. .............................................................................................5
1.1.3.

Giới thiệu tháp debutanizer trong phân xưởng CCR...........................9

1.2. Tổng quan phần mềm Indiss ....................................................................10
1.2.1.

Tổng quan về mô phỏng ....................................................................10

1.2.2.

Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Indiss ........................................13

1.3. Lý thuyết phân riêng hệ nhiều cấu tử bằng chưng cất ..........................19
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU .................................................................................24
2.1. Mô phỏng ....................................................................................................24
2.1.1.

Nhiệm vụ đề tài .................................................................................24

2.1.2.

Phương pháp nghiên cứu ...................................................................24

2.1.3.

Phân tích trên cơ sở mô hình tháp chưng cất hệ nhiều cấu tử ...........24

2.1.3.1. Dựa trên các thông số thiết kế của nhà máy ......................................25
2.1.3.2. Ứng dụng phần mềm mô phỏng Indiss để tìm điểm tối ưu ...............25
2.2. Mô phỏng chi tiết .......................................................................................26
2.2.1.

Đặc trưng nhiệt động lực học (thermodynamic) ...............................26

2.2.2.

Xây dựng sơ đồ công nghệ ................................................................31

2.2.3.

Đặc trưng thiết kế cho thiết bị ...........................................................36

2.2.4.

Chạy và hiệu chỉnh ............................................................................49

2.3. Khảo sát các thông số hoạt động của tháp ..............................................52
2.3.1.

Phân tích ưu, nhược điểm của các thông số thiết kế .........................52

2.3.2.

Phân tích ảnh hưởng nhiệt độ tháp ....................................................53


2.3.3.

Phân tích ảnh hưởng áp suất đỉnh tháp ..............................................55

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................58
3.1. Kết quả khảo sát nhiệt độ của tháp .........................................................58
3.2. Kết quả khảo sát áp suất của tháp ...........................................................59
3.3. Kết quả khảo sát năng lượng tiêu thụ .....................................................60
KẾT LUẬN ĐỀ TÀI VÀ KIẾN NGHỊ..................................................................63


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NMLD

Nhà máy lọc dầu

CCR

Phản ứng reforming xúc tác liên tục

CNHH

Công nghệ hóa học

PFD

Bản vẽ sơ đồ công nghệ

P&ID

Bản vẽ thiết kế đường ống và điều khiển

IFP

Viện dầu mỏ Pháp

UOP

Công ty cung cấp công nghệ lọc hóa dầu
Mỹ

NHT-CCR

Phân xưởng cracking xúc tác liên tục

HMB

Các thông số tính từ cân bằng vật chất và
cân bằng nhiệt

CDU

Phân xưởng chưng cất dầu thô

LPG

Khí hóa lỏng


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1: Một số mô hình trong phần mềm Indiss ..................................................31
Bảng 2. 2: Các thông số của tháp .............................................................................36
Bảng 2. 3:Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đỉnh của tháp .......................54
Bảng 2. 4:Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng áp suất của tháp ................................55
Bảng 2. 5:Bảng kết quả khảo sát ảnh hưởng năng lượng cấp cho tháp ...................56
Bảng 3. 1:Bảng số liệu năng suất và chất lượng sản phẩm với nhiệt độ tháp lựa
chọn ...........................................................................................................................59
Bảng 3. 2:Bảng kết quả sản phẩm khi tháp làm việc ở áp suất 9.77kg/cm2 ............60
Bảng 3. 3:Bảng kết quả năng suất và chất lượng sản phẩm khi sử dụng lượng hơi
đốt là 6283kg/h ..........................................................................................................61
Bảng 3. 4:Bảng kết quả tối ưu cho tháp....................................................................63


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1. 1 : Sơ đồ nhà máy lọc dầu Dung Quất ...........................................................5
Hình 1. 2 : Cấu tạo lò phản ứng trong công nghệ CCR .............................................6
Hình 1. 3 : Sơ đồ công nghệ CCR của UOP ...............................................................7
Hình 1. 4 : Sơ đồ khối của phân xưởng. .....................................................................8
Hình 1. 5 : Sơ đồ c ng nghệ hu vực tháp

utaniz ..............................................9

Hình 1. 6: Một phần sơ đồ công nghệ của phân xưởng CDU trong Dung Quất......16
Hình 1. 7: Sơ đồ công nghệ chi tiết bình cấp nước cho bình tách muối (desalter) của
phân xưởng CDU trong Dung Quất..........................................................................17
Hình 1. 8: Sơ đồ công nghệ chi tiết bình cấp nước cho salt được mô phỏng
trong Indiss................................................................................................................18
Hình 1. 9: Hình ảnh hiển thị cho kỹ sư vận hành quan sát và thao tác ....................19
Hình 1. 10: Sơ đồ nguyên lý của tháp tách và đồ thị McCabe- Thiele .....................21
Hình 1. 11: Sơ đồ bậc cân bằng ùng để xây dựng mô hình MESH ........................22
Hình 1. 12 : Sơ đồ m hình ài toán điều khiển. ......Error! Bookmark not defined.
Hình 2. 1: Hình ảnh thiết lập file thermodynamic ....................................................26
Hình 2. 2: Thành phần nguyên liệu đầu vào .............................................................27
Hình 2. 3: Phương pháp tính toán phần mềm sử dụng .............................................28
Hình 2. 4: đặc điểm của mỗi dòng ............................................................................28
Hình 2. 5: Định nghĩa về đơn vị ................................................................................29
Hình 2. 6: Định nghĩa th mo ynamic cho nguồn nước ..........................................29
Hình 2. 7: Lấy thành phần nước t ong thư viện........................................................30
Hình 2. 8: Định nghĩa phương pháp nhiệt động cho nước .......................................31


Hình 2. 9: Xây dựng construction cho phần gia nhiệt nguyên liệu ..........................33
Hình 2. 10: Xây dựng construction cho phần chưng cất ..........................................34
Hình 2. 11: Xây dựng construction cho phần đỉnh tháp ...........................................35
Hình 2. 12: Hình ảnh hiển thị hoạt động phân đoạn debutanizer ............................36
Hình 2. 13: Giản đồ biến đổi nhiệt độ của hai lưu thể .............................................38
Hình 2. 14: Bản vẽ chi tiết của bình phân tách.........................................................40
Hình 2. 15:Minh họa một sheet nhập dữ liệu cho thiết bị t ao đổi nhiệt..................42
Hình 2. 16:Minh họa file nhập thành phần các cấu tử cho nguyên liệu..................42
Hình 2. 17:File nhập dữ liệu của ơm vào phần mềm..............................................43

Hình 2. 18: Hình ảnh thay đổi của một số tín hiệu đo và ộ điều khiển trên trend .51
Hình 3. 1: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đĩa 8 với năng suất và chất lượng
sản phẩm ...................................................................................................................58
Hình 3. 2: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng áp suất với năng suất sản phẩm và chất lượng
sản phẩm ...................................................................................................................60
Hình 3. 3: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng năng lượng cấp nhiệt với năng suất và chất
lượng sản phẩm .........................................................................................................61


MỞ ĐẦU
Dầu mỏ là nguồn nguyên liệu quan trọng đặc biệt mang tính chiến lược trong
thế giới văn minh hiện nay. Chính vì thế mà không những các nước đã khai thác
được dầu mỏ trên những nước phát triển, mà những nước đủ lớn phải tìm cách tự
chế biến dầu mỏ. Việt Nam cũng đang trong giai đoạn đầu tư vào công nghiệp khai
thác và chế biến dầu mỏ, hiện tại đã có nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất đi vào hoạt
động, và một số nhà máy khác đang trong quá trình xây dựng.
Nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất được xây dựng và vận hành theo các thông
số thiết kế. Sản phẩm thực tế đạt được còn khác nhiều so với yêu cầu thiết kế đặt ra.
Nên vấn đề đặt ra là phải tìm ra các thông số hoạt động phù hợp cho thiết bị của nhà
máy đang hoạt động. Nhưng thiết bị đang hoạt động và nằm trong dây chuyền hoạt
động của nhà máy nên không thể kiểm tra và cải tiến hoạt động thiết bị đang sản
xuất được. Cần phải có phương tiện mô phỏng lại hoạt động của nhà máy theo các
thông số thiết kế và từ đó kiểm tra xu hướng quá trình để tìm được vùng hoạt động
tốt của tháp để cho hiệu quả kinh tế cao, sau đó mới đưa kết quả tìm được vào thực
tế sản xuất.
Phần mềm mô phỏng Indiss là phần mềm mô phỏng động được xây dựng trên
cơ sở nhiệt động hóa học, động học quá trình, các phương trình cân bằng vật chất,
cân bằng năng lượng, …Phần mềm này hoàn toàn đáp ứng về tiêu chí sử dụng làm
công cụ hỗ trợ để mô phỏng lại quá trình công nghệ và sử dụng rất tốt để kiểm tra
ảnh hưởng của các thông số tới quá trình công nghệ.

Phân xưởng reforming xúc tác liên tục CCR là phân xưởng rất quan trọng của
nhà máy Dung Quất, phân xưởng này có nhiệm vụ sản xuất ra xăng reformate bằng
phương pháp reforming. Trong phân xưởng có tháp chưng cất debutanizer dùng để
tách các hydrocabon nhẹ sau khi phản ứng nhằm thu được sản phẩm xăng có trị số
octan cao.
Mục đích của luận văn này là khảo sát cactối ưu hóa thông số hoạt động của
tháp tách khí hóa lỏng (debutanizer) nhằm tìm ra được vùng làm việc tốt cho tháp

1


để từ đó phân tích, lựa chọn bộ số liệu làm việc thích hợp nhất để thu được năng
suất và chất lượng sản phẩm tốt nhất và chi phí về năng lượng ít nhất.
Phương pháp nghiên cứu đề tài này dựa trên các thông số thiết kế của tháp, sử
dụng phần mềm mô phỏng Indiss làm công cụ hỗ trợ để mô phỏng lại quá trình
hoạt động của tháp, vận dụng lý thuyết phân riêng hệ nhiều cấu tử bằng chưng cất.
Từ đó đưa ra nhận định xu hướng quá trình khi thay đổi các thông số tiến hành khảo
sát. Phân tích, lựa chọn ra thông số khảo sát hợp lý.
Đề tài này đã xây dựng thành công sơ đồ công nghệ tháp chưng cất
debutanizer bằng phần mềm mô phỏng động. Đã khảo sát và tìm ra được bộ số liệu
phù hợp với yêu cầu về chất lượng và năng suất cho tháp.
Nội dung nghiên cứu bao gồm ba chương:
-

Chương 1: Tổng quan

-

Chương 2: Nghiên cứu

-

Chương 3: Kết quả và thảo luận
Em xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Minh Tân đã tạo điều kiện giúp đỡ em

hoàn thành bài luận văn này.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về tháp debutanizer trong nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất

1.1.1. Giới thiệu về nhà máy lọc dầu Dung Quất
Nhà máy lọc dầu (NMLD) Dung Quất thuộc Khu kinh tế Dung Quất, là nhà
máy lọc dầu đầu tiên củaViệt Nam xây dựng thuộc địa phận xã Bình Thuận và Bình
Trị, huyện Bình Sơn, tỉnh Quảng Ngãi. NMLD Dung Quất sử dụng các công nghệ
hiện đại, mua bản quyền công nghệ từ các công ty rất nổi tiếng về công nghệ như
UOP (Mỹ), MERICHEM (Mỹ) và IFP (Pháp).
Các phân xưởng chính trong NMLD Dung Quất:
Cụm phân xưởng xử lý nguyên liệu naphtha bằng hydro và phân xưởng
Reforming xúc tác liên tục (NHT-CCR): phân xưởng này nhằm nâng cao chỉ số
octan (RON) của xăng nặng đi ra từ quá trình chưng cất khí quyển dầu thô (CDU),
làm nguyên liệu phối trộn xăng thương phẩm. Mặc khác phân xưởng này sản xuất
một lượng H2 để cung cấp cho các phân xưởng sử dụng H2 của nhà máy như NHT
(xử lý nguyên liệu cho phân xưởng Reforming xúc tác liên tục (CCR)). Ưu điểm
của công nghệ UOP đối với phân xưởng CCR là tăng hiệu suất sản phẩm, khả năng
tái sinh xúc tác cao và yêu cầu về bảo dưỡng thấp.

Phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi nguyên liệu cặn (RFCC), công nghệ
thiết bị tiếp xúc dưới dạng màng xảy ra trên sợi kim loại được sử dụng trong các
phân xưởng như: phân xưởng xử lý Kerosene (KTU), phân xưởng xử lý xăng
Naphta của RFCC (NTU), phân xưởng xử lý LPG (LTU) và phân xưởng trung hòa
kiềm (CNU) nhằm mục đích xử lý H2S và mercaptan có mùi khó chịu và ăn mòn
(KTU, LTU, NTU) và trung hòa kiềm (CNU).
Nhà máy chiếm diện tích khoảng 810 ha, trong đó 345 ha mặt đất và 471 ha
mặt biển. Mặt bằng dự án gồm có 4 khu vực chính: các phân xưởng công nghệ và
phụ trợ, khu bể chứa sản phẩm, cảng xuất sản phẩm và phao rót dầu không bến và
hệ thống lấy và xả nước biển. Những khu vực này được nối với nhau bằng hệ thống
ống với đường phụ liền kề. Công suất tối đa của nhà máy là 6,5 triệu tấn dầu

3


thô/năm tương đương 148.000 thùng/ngày, dự kiến đáp ứng khoảng 30% nhu cầu
tiêu thụ xăng dầu ở Việt Nam.
Nhà máy gồm 14 phân xưởng chế biến công nghệ, 10 phân xưởng năng lượng
phụ trợ và 8 hạng mục ngoại vi. Các phân xưởng công nghệ trong nhà máy lọc dầu
gồm có:


Phân xưởng chưng cất dầu thô (CDU)



Phân xưởng xử lý Naphta bằng Hydro (NHT)



Phân xưởng đồng phân hóa Naphta nhẹ (ISOMER)



Phân xưởng Reforming xúc tác liên tục (CCR)



Phân xưởng xử lý Kerosen (KTU)



Phân xưởng Cracking xúc tác tầng sôi cặn chưng cất khí quyển

(RFCC)


Phân xưởng xử lý Naphta của phân xưởng RFCC (NTU)



Phân xưởng xử lý LCO bằng hydro (LCO-HDT)



Phân xưởng xử lý LPG (LTU)



Phân xưởng thu hồi Propylen (PRU)



Phân xưởng tái sinh Amin (ARU)



Phân xưởng xử lý nước chua (SWS)



Phân xưởng trung hòa xút thải (CNU)



Phân xưởng thu hồi lưu huỳnh (SRU)

Nhà máy được thiết kế để sản xuất ra các sản phẩm sau:


Khí hóa lỏng LPG (cho thị trường nội địa)



Propylen



Xăng Mogas 90/92/95



Dầu hỏa



Nhiên liệu phản lực Jet A1



Diezel ô tô



Dầu đốt (FO).

Nhà máy được thiết kế để vận hành hai loại nguyên liệu:
4




6.5 triệu tấn dầu Bạch Hổ/năm (Trường hợp dầu ngọt)



5.5 triệu tấn dầu Bạch Hổvà 1triệu tấn dầu Dubai/năm (Trường hợp

dầu chua)
Nhà máy lọc dầu Dung Quất là một trong những dự án kinh tế lớn, trọng điểm

quốc gia của Việt Nam trong giai đoạn đầu thế kỷ 21 [4]

Hình 1. 1 : Sơ đồ nhà máy lọc dầu Dung Quất
1.1.2. Giới thiệu phân xưởng reforming xúc tác liên tục (CCR) của nhà máy lọc
dầu Dung Quất.
CCR trong nhà máy lọc dầu Dung Quất là quá trình Reforming xúc tác liên
tục.
“Reforming là quá trình hóa học làm biến đổi hydrocacbon napthten và
hydrocacbon parafin trong phân đoạn xăng thành aromatic để tạo ra reformat có trị
số octan cao”, [3, P161]. Hiện nay trên thế giới tồn tại 2 loại công nghệ reforming
chủ yếu là công nghệ bán tái sinh và công nghệ tái sinh liên tục (CCR). Nhà máy
lọc dầu Dung Quất sử dụng công nghệ CCR.
5


CCR ( continous catalyst reforming) là công nghệ tái sinh xúc tác liên tục.
Trong đó, chất xúc tác chuyển động liên tục từ lò phản ứng này sang lò phản ứng
khác, rồi từ lò phản ứng sang lò tái sinh.

đó, xúc tác liên tục được tái sinh và liên

tục quay trở về lò phản ứng Reforming. Nhờ liên tục được tái sinh mà chất xúc tác
gần như luôn có hoạt tính cao và ổn định, do đó quá trình reforming xảy ra ổn định,
tạo ra reformat chất lượng cao.
 Đặc điểm:


Lớp xúc tác được chuyển động nhẹ nhàng, liên tục trong hệ thống

thiết bị phản ứng với vận tốc vừa phải (trong khoảng 3- 10 ngày).



Toàn bộ hệ thống được vận hành liên tục.



Lớp xúc tác sau khi ra khỏi hệ thống phản ứng được đưa ra ngoài để

tái sinh trong một hệ thống tái sinh riêng. Sau đó được quay trở lại hệ thống phản
ứng.


Cấu tạo một lò phản ứng dạng ống thẳng với lớp xúc tác chuyển động

dùng trong công nghệ CCR được mô tả trên hình sau:

Hình 1. 2 : Cấu tạo lò phản ứng trong công nghệ CCR

6


Cấu tạo theo mặt cắt dọc lò phản ứng reforming xúc tác kích thước lò phản
ứng thay đổi trong khoảng: Đường kính 1,5 – 3,5m, Chiều cao 4 – 12m, Thể tích
lớp xúc tác 6 – 80 m3
Công nghệ CCR của Dung Quất mua công nghệ của UOP, nguyên tắc công
nghệ UOP như sau:
Thiết bị phản ứng được xếp chồng lên nhau . Xúc tác đi từ trên xuống qua hệ
thống thiết bị phản ứng, sau đó tập trung lại và được nâng lên thiết bị tái sinh nhờ
khí nâng. Sau khi tái sinh, chất xúc tác được đưa trở lại thiết bị phản ứng thứ nhất.
Nhờ được lấy ra từng phần và tái sinh liên tục mà hoạt tính xúc tác ổn định cao hơn

so với trong trường hợp lớp xúc tác cố định (công nghệ bán tái sinh). Công nghệ
này hiện nay được sử dụng phổ biến hơn cả (chiếm 70% thị phần công nghệ CCR
trên thế giới). Tuy nhiên cũng có nhược điểm là vận hành khó khăn do chiều cao hệ
thống thiết bị phản ứng.

Hình 1. 3 : Sơ đồ công nghệ CCR của UOP
Ngoài công nghệ của UOP, trên thế giới còn hay sử dụng công nghệ CCR của
IFP, nhưng không được giới thiệu trong luận văn này.
Nguyên lý làm việc của phân xưởng CCR trong nhà máy lọc dầu Dung Quất:
Phân xưởng reforming xúc tác liên tục của nhà máy lọc dầu Dung quất được
lắp đặt theo công nghệ Platforming của UOP (Mỹ). Phân xưởng này có nhiệm vụ
cung cấp hợp phần pha xăng (reformate) chất lượng cao và đáp ứng một phần

7


nguyên liệu (BTX) cho hóa dầu. CCR là một trong những phân xưởng lớn và quan
trọng của nhà máy lọc dầu Dung Quất.

Hình 1. 4 : Sơ đồ khối của phân xưởng.
Hình 1. 5: Sơ đồ c ng nghệ CCR (hình đính èm)
Nguyên liệu ( từ phân đoạn naptha nặng) được làm sạch từ quá trình hydro
hóa, trộn với khí hydro từ máy n n C-1301, sau khi đi qua thiết bị trao đổi nhiệt E1301 và tiếp tục được đốt nóng lên nhiệt độ phản ứng là 520oC bởi heater H-1301
rồi được d n qua hệ thống 4 thiết bị phản ứng xếp chồng lên nhau (R1301/1302/1303/1304), trong đó các thiết bị phản ứng xếp theo hướng thẳng trục và
thể tích các thiết bị phản ứng tăng dần từ trên xuống dưới (công nghệ UOP). Chất
xúc tác từ lò tái sinh được đưa liên tục đỉnh của thiết bị phản ứng thứ nhất nhờ lift
nâng khí H2 rồi lần lượt rơi xuống các thiết bị phản ứng tiếp theo nhờ trọng lực.
Phản ứng thu nhiệt xảy ra tại các thiết bị phản ứng, do vậy sản phẩm ra từ thiết bị
phản ứng trước luôn được gia nhiệt lên nhiệt độ phản ứng nhờ các lò đốt trung gian
(H-1302/1303/1304) trước khi đưa vào thiết bị phản ứng tiếp theo. Chất xúc tác từ

8


thiết bị phản ứng thứ 4 (R-1304) được quay trở lại lò tái sinh nhờ lift nâng khí N2
để hoàn nguyên xúc tác.
Hỗn hợp sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng R-1304 qua thiết bị trao đổi nhiệt
và thiết bị làm lạnh rồi vào thiết bị phân tách D-1301. Khí không ngưng được đưa
vào thiết bị tách khí, phần lớn khí được n n lại nhờ máy n n khí C-1301và tuần
hoàn trở lại lò phản ứng. Phần lỏng được đưa vào tháp ổn định debutanizer T-1301
để tăng độ ổn định của xăng. Sau khi đi qua tháp T-1301 sẽ thu được LPG (chủ yếu
gồm C3

C4 ) ở trên đỉnh và dưới đáy là reformate được đưa đến thùng chứa sản

phẩm.
1.1.3. Giới thiệu tháp debutanizer trong phân xưởng CCR
Nguyên lý làm việc

Hình 1. 6 : Sơ đồ c ng nghệ hu vực tháp

utaniz

Tháp debutanizer T-1301 là một tháp chưng cất, với mục đích tách phần nhẹ
LPG ( gồm hỗn hợp

C4, chủ yếu là C3

C4 ) từ hỗn hợp lỏng đi từ bình phân

tách D-1301 sang nhằm tăng độ ổn định của xăng và giảm áp suất hơi bão hòa, đồng

thời sản xuất LPG.
9


Với nguyên liệu đầu vào là hỗn hợp sản phẩm dạng lỏng của phản ứng từ bình
phân tách D-1301, được gia nhiệt với dòng sản phẩm đáy qua thiết bị trao đổi nhiệt
E-1306 rồi đi vào tháp T-1301. Quá trình chưng cất diễn ra trong tháp, các cấu tử
nhẹ đi lên đỉnh tháp (gồm hỗn hợp các cấu tử

C4), các cấu tử nặng sẽ chảy xuống

đáy tháp. Sản phẩm đỉnh sẽ được làm lạnh qua thiết bị làm mát E-1309 và thiết bị
trao đổi nhiệt E-1310 và ngưng tụ trong thiết bị tách ba pha D-1303. Sản phẩm đỉnh
ngưng tụ được bơm P-1302 đưa một phần hồi lưu vào đỉnh tháp để cân bằng nhiệt
độ đỉnh tháp và giúp cho quá trình chưng cất tốt hơn, phần còn lại được bơm ra
thùng chứa lấy sản phẩm LPG. Sản phẩm đáy một phần quay trở lại đáy tháp làm
dòng cấp nhiệt cho đáy tháp, phần còn lại được tận dụng nhiệt để gia nhiệt cho dòng
nguyên liệu đầu vào rồi được làm lạnh tiếp qua thiết bị làm mát E-1308 và thiết bị
trao đổi nhiệt E-1306 trước khi đưa vào thùng chứa sản phẩm reformate.
Sản phẩm LPG chứa chủ yếu là hỗn hợp
1.1

C4, trong đó thành phần C5 phải

mole. Sản phẩm reformate chứa chủ yếu hỗn hợp

C4 phải
1.2.

1

C6, trong đó thành phần

mole.

Tổng quan phần mềm Indiss

1.2.1. Tổng quan về mô phỏng
Hiện nay số lượng các phần mềm mô phỏng trong lĩnh vực CNHH rất lớn,
trong đó phải kể đến một số phần mềm mạnh và nổi tiếng như : PRO/II, Dynsim
(Simsci); IINDISS, HYSIM, HYSYS, HTFS, STX/ACX, BDK (Hyprotech);
PROSIM, TSWEET (Bryan research & engineering); Design II (Winsim); IDEAS
Simulation; Simulator 42 … Trong đó, phổ biến là PRO II, Hysys, Dynsim và trong
công nghiệp hay sử dụng phần mềm INDISS.
 Khái niệm mô phỏng:
Mô phỏng (simulation) là phương pháp mô hình hóa dựa trên việc thiết lập mô
hình số và sử dụng phương pháp số để tìm ra lời giải với sự trợ giúp của máy vi tính
[4]. Để mô phỏng một quá trình trong thực tế đòi hỏi:


Mô hình nguyên lí: Nguyên lí của quá trình và mối liên hệ giữa các

thông số liên quan.
10




Mô tả toán học : dùng các công cụ toán học để mô tả mô hình nguyên



Xử lí các biểu thức và các ràng buộc.

lí.

Tất nhiên một quá trình trong thực tế là một tập hợp gồm rất nhiều yếu tố phức
tạp mà không thể có một mô tả toán học nào có thể cho kết quả chính xác tuyệt đối.
Độ phức tạp của quá trình tăng lên, đồng nghĩa với số lượng các thông số liên quan,
biến số, phương trình, ràng buộc tăng lên. Giải quyết cùng lúc cả 3 bước trên đòi
hỏi một khối lương tính toán cực kì lớn, và như vậy mô phỏng với sự trợ giúp của
máy vi tính là tất yếu. Trong ngành công nghệ hóa học nói chung và công nghệ lọc
hóa dầu nói riêng, mô phỏng đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc thiết kế,
phân tích, vận hành và tối ưu hoá hệ thống.
Có thể phân chia quá trình mô phỏng làm 2 phần:


Mô phỏng tĩnh (Steady Simulation): Là mô phỏng quá trình ở trạng

thái dừng, dùng để thiết kế ( Designing) một quá trình mới, thử lại, kiểm tra lại
(Retrofitting) các quá trình đang tồn tại, hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá
trình đang vận hành, tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình đang vận hành.


Mô phỏng động (Dynamic Simulation): Là mô phỏng thiết bị, quá

trình ở trạng thái hoạt động liên tục, cho ph p người dùng khảo sát các yếu tố
ảnh hưởng đến hệ thống theo thời gian và phương pháp xử lí tình huống giả lập
trong quá trình thiết kế và vận hành quá trình một cách hiệu quả và an toàn
nhất.

Một số phần mềm mô phỏng thông dụng:


ProII:
Pro II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công nghệ hóa

học nói chung, đặc biệt là trong lĩnh vực lọc hóa dầu, polymer, hóa dược… Đây là
phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất. Pro II là sản phẩm của
SIMSCI, được hình thành năm 1967 và được sử dụng chính thức vào năm 1988.
Phiên bản mới nhất hiện nay là Pro II 8.1.

11


Pro II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần
lượt tính cho từng thiết bị. Nó bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các
cấu tử hóa học, các phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, trợ giúp rất
mạnh trong việc tính toán các thiết bị trong sơ đồ công nghệ.
Pro II là công cụ mô phỏng tĩnh, được sử dụng nhằm 2 mục đích chính :
-

Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing)

-

Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên

cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó (Rating) như : thay đổi nguồn
nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm…


Hysys:
Hysys là sản phẩm của công ty Hyprotech-Canada thuộc công ty AEA

Technologie Engineering Software- Hyprotech Ltd. Đây là một phần mềm có khả
năng tính toán đa dạng, cho kết quả có độ chính xác cao, đồng thời cung cấp nhiều
thuật toán sử dụng, trợ giúp trong quá trình tính toán công nghệ, khảo sát các thông
số trong quá trình thiết kế nhà máy chế biến khí. Ngoài ra Hysys còn có khả năng tự
động tính toán các thông số còn lại nếu thiết lập đủ thông tin.
Hysys được thiết kế sử dụng cho hai trạng thái mô phỏng tĩnh và động. Hysys
có nhiều ứng dụng, trong đó nổi bật là khả năng :
Thiết kế và bảo vệ hệ thống phân tách một cách hiệu quả nhất
(Hysys.Concept).
Sử dụng công cụ mô phỏng để đưa ra các điều kiện thuận lợi, đánh giá hoạt
động của nhà máy hiện hành, trang bị các thiết bị để đạt được độ tin cậy về hoạt
động, an toàn, lợi nhuận cao nhất. Cải tiến các thiết bị có sẵn và mở rộng quy mô
nhà máy hiện hành (Hysys.Plant).


Dynsim

Dynsim là sản phẩm của SIMSCI, là phần mềm mô phỏng động được sử dụng
cho kỹ sư thiết kế và vận hành, với nhiều ứng dụng đa dạng trong các quá trình
công nghiệp gồm lọc dầu, chế biến khí, hóa dầu và một số quá trình hóa học khác.
Dynsim có một cơ sở dữ liệu rất lớn các cấu tử, các mô hình nhiệt động học và các
12


thiết bị. Nó cho phép thực hiện nhiều ứng dụng như nghiên cứu thiết kế quá trình,
khảo sát quá trình điều khiển, huấn luyện vận hành, phân tích hệ thống và tối ưu hóa

thời gian thực. Hiện nay, phiên bản mới nhất là Dynsim 4.2.
Dynsim có nhiều tính năng vượt trội trong việc mô phỏng động như:
-

Cho kết quả tính toán rất nhanh và chính xác trong quá trình mô phỏng

động.
-

Các thiết bị chính trong sơ đồ công nghệ, thiết bị điều khiển, vận hành và

khả năng đáp ứng của chúng rất thật.
-

Có thể mô phỏng một sơ đồ công nghệ lớn trong nhà máy với nhiều phân

xưởng, trong đó mỗi phân xưởng có thể mô phỏng trên một Flow-sheet và kết nối
với nhau.
-

Giao diện rất thân thiện.

Dynsim là một công cụ hỗ trợ rất mạnh trong việc mô phỏng động các quá
trình trong công nghệ hóa học nói chung và lọc hóa dầu nói riêng. Với khả năng kết
nối dữ liệu thiết kế với Pro II, nó tạo ra bộ đôi phần mềm mô phỏng cực kì hiệu quả
và chính xác, đáp ứng yêu cầu trong nghiên cứu, giảng dạy trong các trường đại
học, viện nghiên cứu. Hơn nữa, nếu làm một phép so sánh kinh tế, rõ ràng giá thành
khi thuê hoặc mua phần mềm cực kỳ nhỏ so với giá của một pilot, mặc dù kết quả
của chúng đưa ra có thể nói là rất khớp nhau.
1.2.2. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng Indiss



Những khái niệm cơ bản về Indiss:
Indiss là phần mềm mô phỏng công nghiệp được tích hợp để mô phỏng tổng

thể các quá trình công nghệ, đặc biệt là quá trình công nghệ lọc hóa dầu. Đây là một
phần mềm linh hoạt vì nó có thể liên kết với các phần mềm khác như phần mềm
excel để đưa đữ liệu vào phần mềm Indiss giúp cho việc nhập số liệu nhanh hơn và
chính xác hơn. Và sau khi vận hành mô phỏng xong thu được một trạng thái như
mong muốn thì ta có thể đọc kết quả từ phần mềm ra phần mềm excel
Các mô hình trong Indiss được xây dựng dựa trên nguyên tắc cơ bản của kỹ
thuật hóa học. Một đơn vị hoạt động được mô tả dựa trên các phương trình cân bằng
13


vi phân về khối lượng, động lượng và năng lượng dưới dạng hộp đen đã được đơn
giản hóa bằng chuỗi các phương trình toán học.
Các dòng vật chất được đặc trưng bằng một chương trình nhiệt động lực học,
trong đó hỗn hợp chính là tập hợp các thành phần hóa học mà người sử dụng định
nghĩa và sẽ được định nghĩa vào trong Indiss bằng cách lấy từng cấu tử tinh khiết
trong thư viện. Người sử dụng Indiss sẽ định nghĩa cấu tử giả (petroleum cuts)
thông qua các thuật toán cụ thể. Tính toán nhiệt động lực học được định nghĩa rất
khắt khe cho cân bằng pha và đặc tính của hỗn hợp. Các phản ứng cân bằng và động
học cũng được tính toán xử lý trong Indiss, sự mô hình hóa được kết hợp chặt chẽ
với thực tế. Kể cả trong điều kiện khẩn cấp, khởi động hay dừng hoạt động của thiết
bị hay hệ thống cũng được Indiss mô phỏng gần như ngoài thực tế.
Mô phỏng bằng Indiss được sử dụng một hệ thống các thiết bị từ thư viện
Indiss như bơm, van, thiết bị trao đổi nhiệt, motor, bình phân tách, máy nén, tháp
chưng cất, thiết bị phản ứng, …. Các thiết bị này sẽ liên kết với nhau theo quy tắc
của Indiss trên cơ sở phù hợp với thực tế.

Sự phân bố dòng chảy trong hệ thống đường ống đạt được chính xác thông
qua việc tính toán toàn hệ thống mạng đường ống trong Indiss dựa trên hệ số dòng
chảy. Mỗi phần đường ống được mô phỏng bằng mô hình van trong Indiss với đặc
trưng của van là Cv van, Mỗi mô hình van đều đặc trưng cho một chế độ dòng chảy
và Indiss tính toán dựa trên định luật Bernoulli
Thành phần của Indiss: trước tiên Indiss sẽ mô phỏng lại các thiết bị, van, bộ
điều khiển… có trong bản vẽ thiết kế chi tiết (P&ID) rồi vận hành theo yêu cầu
mong muốn đạt được. Sau khi điều khiển vận hành được công nghệ thì cần xây
dựng giao diện graphic để quan sát và vận hành trên đó (người vận hành chỉ được
phép thực hiện các tác động từ graphic).
Để làm việc được với phần mềm cần có:
File cài đặt, một key, và mật khẩu licence của key.
Indiss có chứa các file làm việc như sau:

14




File “.sim”: là file chứa tất cả các thành phần và các đặc tính của thiết

bị, thiết bị điều khiển… mà đã đưa từ thư viện ra mô phỏng.


File “.wsm”: Là file chứa hình ảnh mô phỏng sơ đồ bản vẽ với những

dữ liệu của các thiết bị mặc định ban đầu của chúng từ thư viện. File này chỉ lưu giữ
hình ảnh sơ đồ (construction) đã xây dựng.


File “.wda”: Là file lưu dữ liệu mà kỹ sư mô phỏng gán cho các thiết

bị mà họ mô phỏng.


File “.syn”: Là file chứa hình ảnh gần giống DCS nhà máy thực tế mà

các kỹ sư mô phỏng đang mô phỏng. Người sử dụng sản phẩm phần mềm sẽ làm
việc trên file này để học và kiểm tra về công nghệ của nhà máy.


File “.dll”: là file chứa thư viện của phần mềm, nó chứa tất cả các mô

hình thiết bị, mô hình điều khiển…


File “.thd”: Là file chứa đặc điểm mà kỹ sư mô phỏng định nghĩa cho

công nghệ họ mô phỏng. Sự thiết lập file này rất quan trọng và ảnh hưởng đến tính
ổn định của sản phẩm mô phỏng. Nó bao gồm những đặc điểm như định nghĩa về
các thành phần nguyên liệu (mixtures), lựa chọn phương pháp tính toán nào (
methods style), định nghĩa về việc hiển thị các đặc tính của một dòng như thế nào,
và định nghĩa về đơn vị sử dụng hiển thị cho các dòng.


Giới thiệu công việc mô phỏng Indiss


Đọc bản vẽ sơ đồ công nghệ PFD và bản vẽ P&ID và xây dựng sơ đồ

công nghệ vào phần mềm Indiss: Từ bản vẽ thiết kế sơ đồ công nghệ, các kỹ sư mô
phỏng sẽ có khái niệm khái quát về quá trình công nghệ mà mình chuẩn bị sẽ mô
phỏng trên Indiss.

15


Hình 1. 7: Một phần sơ đồ công nghệ của phân xưởng CDU trong Dung Quất
Bản vẽ sơ đồ công nghệ (PFD) chỉ có chúng ta một cái nhìn tổng quan về công
nghệ, còn để mô phỏng quá trình này đúng trong thực tế thì cần phải đọc và hiểu
bản vẽ chi tiết P&ID. Trong bản vẽ thiết kế đường ống và điều khiên (P&ID) sẽ có
các thiết bị, các van và các thiết bị điều khiển, các đèn báo…

16


Hình 1. 8: Sơ đồ công nghệ chi tiết bình cấp nước cho bình tách muối (desalter) của
phân xưởng CDU trong Dung Quất
Từ bản vẽ trên giấy được chuyển vào trong phần mềm mô phỏng Indiss như
sau:

17


Hình 1. 9: Sơ đồ công nghệ chi tiết bình cấp nước cho
trong Indiss

salt

được mô phỏng

Và người kỹ sư vận hành sẽ quan sát và thao tác trên graphic:

18


Hình 1. 10: Hình ảnh hiển thị cho kỹ sư vận hành quan sát và thao tác
Quá trình đặc trưng các thông số cho thiết bị (configuration) cũng có thể được
thực hiện trên phần mềm excel thông qua một số chương trình kết nối giữa Indiss và
excel. Sau khi đặt đúng các thông số kỹ thuật cho thiết bị, van, bộ điều khiển... ta
bắt đầu chạy phần mềm để vận hành theo đúng yêu cầu về lưu lượng, áp suất, nhiệt
độ,… tại các thiết bị, các điểm đo quan trọng trong dây chuyền công nghệ.
1.3.

Lý thuyết phân riêng hệ nhiều cấu tử bằng chưng cất
Chưng cất là quá trình phân tách các cấu tử dựa vào độ bay hơi khác nhau của

các cấu tử. Trong tháp chưng cất xảy ra sự tiếp xúc trực tiếp giữa hai pha lỏng và
hơi trong một khoảng thời gian thích hợp sẽ xảy ra cân bằng pha [2].
Dựa vào thành phần nguyên liệu người ta chia chưng cất làm ba loại chính:





Chưng cất hỗn hợp hai cấu tử
Chưng cất hỗn hợp ba cấu tử
Chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử

Trong luận văn này chỉ đề cập đến chưng cất hỗn hợp nhiều cấu tử. Trong

chưng cất nhiều cấu tử nồng độ đạt được tại từng bậc chưng cất có thể xác định trên
đồ thị y-x bằng cách dựa vào các phương trình cân bằng vật chất cho đoạn phía trên
19