Nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất trong nhà máy lọc dầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

.......................................
Đỗ Khoa Tuấn

Nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất
trong nhà máy lọc dầu

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS. Nguyễn Huy Phương

HÀ NỘI – 2010


Luận văn Cao học

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ................................ ................ 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ................................ ................................ .............. 5
LỜI NÓI ĐẦU ................................ ................................ ................................ ...... 7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU VÀ CÔNG NGHỆ
CHẾ BIẾN DẦU MỎ ................................ ................................ ........................... 9
1.1. Giới thiệu chung ................................ ................................ ......................... 9
1.2. Một số đặc điểm của dầu khí ................................ ................................ ....12
1.2.1. Thành phần hoá học của dầu khí................................. ....................... 12
1.2.2. Các đặc tính quan trọng của dầu thô ................................ .................. 13
1.2.2.1. Tỷ trọng ................................ ................................ ......................... 13
1.2.2.2. Độ nhớt của dầu và sản phẩm dầu................................ ................ 13
1.2.2.3. Nhiệt độ sôi trung bình ................................ ................................ .13

1.2.2.4. Hệ số đặc trưng K ................................ ................................ .........13
1.3. Các phân đoạn dầu mỏ ................................ ................................ ............. 14
1.3.1. Phân đoạn khí................................ ................................ ...................... 14
1.3.2. Phân đoạn xăng................................ ................................ ................... 15
1.3.3. Phân đoạn kerosene ................................ ................................ ............ 15
1.3.4. Phân đoạn gasoil nhẹ ................................ ................................ ..........15
1.3.5. Phân đoạn gasoil nặng ................................ ................................ ........16
1.3.6. Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gudon)................................ .................... 16
1.4. Các quá trình chế biến dầu mỏ................................ ................................ .17
1.4.1. Các quá trình chế biến vật lý trong lọc dầu................................ .........17
1.4.1.1. Chuẩn bị dầu thô trước khi chế biến ................................ ............ 17
1.4.1.2. Quá trình chưng cất dầu thô................................ ......................... 19
1.4.2. Các quá trình chế biến hóa học................................ ........................... 19
1.4.2.1. Quá trình cracking ................................ ................................ ........19
1.4.2.2. Quá trình reforming................................ ................................ ......20
1.4.2.3. Quá trình izome hóa................................ ................................ ......21
1.4.2.4. Quá trình hydrotreating ................................ ................................ 22
CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT DẦU THÔ ................................ ...24
2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất ................................ .................. 24
2.2. Quá trình chưng cất dầu thô ................................ ................................ ....25
2.3.2. Lựa chọn sơ đồ công nghệ và chế độ công nghệ của quá trình chưng
cất ................................ ................................ ................................ .................. 29
2.3.3. Chế độ công nghệ của dây chuyền ................................ ...................... 32

Trang 1


Luận văn Cao học

2.4. Tháp chưng cất................................ ................................ .......................... 34

2.4.1. Các loại tháp chưng cất ................................ ................................ .......34
2.4.1.1. Tháp đệm................................ ................................ ....................... 34
2.4.1.2. Tháp với các loại đĩa chụp ................................ ............................ 34
2.4.1.3. Tháp với đĩa lòng máng, đĩa lưới, đĩa sàng................................ ...34
2.4.2. Mô tả toán học tháp chưng cất................................ ............................ 35
2.4.2.1. Một số giả thiết................................ ................................ .............. 35
2.4.2.2. Các phương trình cân bằng ................................ .......................... 36
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH........................... 38
3.1. Cơ sở điều khiển quá trình ................................ ................................ .......38
3.1.1. Quá trình và các biến quá trình................................ ........................... 38
3.1.2. Chức năng của điều khiển quá trình................................ ................... 40
3.1.3. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình ................ 40
3.1.3.1. Thiết bị đo ................................ ................................ ..................... 41
3.1.3.2. Thiết bị điều khiển ................................ ................................ ........41
3.1.3.3. Thiết bị chấp hành ................................ ................................ ........41
3.2. Một số sách lược điều khiển cơ sở ................................ ............................ 42
3.2.1. Điều khiển truyền thẳng................................ ................................ ......42
3.2.1.1. Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng .......................... 42
3.2.1.2. Tính chất của điều khiển truyền thẳng ................................ .........43
3.2.1.3. Ứng dụng của điều khiển truyền thẳng ................................ ........45
3.2.2. Điều khiển phản hồi ................................ ................................ ............ 45
3.2.2.1. Cấu trúc cơ bản của điều khiển phản hồi................................ .....45
3.2.2.2. Vai trò của điều khiển phản hồi................................ .................... 46
3.2.3. Điều khiển tỉ lệ................................ ................................ ..................... 48
3.2.3.1. Cấu hình điều khiển tỉ lệ................................ ............................... 48
3.2.3.2. Bản chất và ý nghĩa của điều khiển tỉ lệ ................................ .......49
3.2.4. Điều khiển tầng ................................ ................................ ................... 50
3.2.4.1. Cấu trúc của điều khiển tầng ................................ ........................ 50
3.2.4.2. Ứng dụng của điều khiển tầng................................ ...................... 52
3.2.5. Một số sách lược điều khiển khác ................................ ....................... 52

3.2.5.1. Điều khiển suy diễn................................ ................................ .......52
3.2.5.2. Điều khiển lựa chọn................................ ................................ ......53
3.2.5.3. Điều khiển phân vùng................................ ................................ ...53
3.4. Chỉnh định bộ điều khiển PID................................ ................................ ..54
3.4.1. Phương pháp chỉnh định của Ziegler-Nichols ................................ ....55
3.4.2. Phương pháp mô hình nội (IMC)................................ ........................ 57
3.4.2.1. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp IMC ................................ 58
3.4.2.2. Hàm truyền của mạch vòng kín IMC................................ ............ 58
3.4.2.3. Tổng hợp bộ điều khiển tương quan theo phương pháp IMC ......59
3.5. Điều khiển quá trình đa biến ................................ ................................ ....61

Trang 2


Luận văn Cao học

3.5.1. Tổng quan về quá trình đa biến................................ ........................... 61
3.5.2. Điều khiển đa biến/tập trung................................ ............................... 63
3.5.2.1. Cấu trúc điều khiển tập trung ................................ ....................... 63
3.5.2.2. Ưu điểm của điều khiển tập trung................................ ................. 63
3.5.2.3. Hạn chế của điều khiển tập trung................................ ................. 64
3.5.3. Điều khiển đơn biến/phi tập trung................................ ....................... 65
3.5.3.1. Tổng quan về điều khiển phi tập trung ................................ .........65
3.5.3.2. Cấu trúc đối tượng điều khiển ................................ ...................... 66
3.5.3.3. Phương pháp phân tích ma trận khuếch đại tương đối RGA .......67
3.5.3.4. Tính ổn định của hệ phi tập trung ................................ ................ 69
3.5.4. Điều khiển tách kênh quá trình đa biến ................................ .............. 70
3.5.4.1. Tổng quan ................................ ................................ ..................... 70
3.5.4.2. Tách kênh từng phần................................ ................................ ....70
3.5.4.3. Tách kênh hoàn toàn ................................ ................................ ....72

3.6. Bài toán điều khiển tháp chưng cất lọc dầu................................ ............. 76
3.6.1. Cấu hình điều khiển LV ................................ ................................ ......79
3.6.2. Cấu hình điều khiển DV................................ ................................ ......80
3.6.3. Cấu hình điều khiển D/(L+D)V................................ ........................... 81
3.6.4. Cấu hình điều khiển DB................................ ................................ ......82
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÁP CHƯNG CẤT HAI CẤU
TỬ ................................ ................................ ................................ ........................ 83
4.1. Xác định đối tượng và mô hình đối tượng ................................ ............... 83
4.2. Tính toán điều khiển tháp chưng cất hai cấu tử ................................ ......84
4.2.1. Điều khiển theo phương pháp tách kênh ................................ ............ 85
4.2.2. Tính toán bộ điều khiển PID theo phương pháp IMC ........................ 86
4.2.2.1. Xấp xỉ hàm truyền đạt s11 và s22 ................................ .................... 86
4.2.2.2. Tính toán bộ điều khiển theo phương pháp IMC ......................... 95
4.2.2.3. Tính toán điều khiển truyền thẳng................................ ................ 97
4.3. Mô phỏng trường hợp thiết kế điều khiển không xét đến tác động xen
kênh ................................ ................................ ................................ .................. 98
4.4. Mô phỏng trường hợp thiết kế điều khiển tách kênh ............................ 101
4.3.1. Mô phỏng mạch vòng đơn s11 và s22 ................................ .................. 101
4.3.1.1. Mạch vòng đơn s11................................ ................................ .......101
4.3.1.1. Mạch vòng đơn s22................................ ................................ .......104
4.3.2. Mô phỏng hệ đa biến ................................ ................................ ......... 106
4.3.2.1. Xây dựng mô hình hệ đa biến ................................ ..................... 106
4.3.2.2. Mô phỏng tác động giữa các kênh trong hệ thống đa biến......... 108
KẾT LUẬN................................ ................................ ................................ ........110
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................ ................................ ................. 111

Trang 3


Luận văn Cao học

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

AD

: chưng cất trong khí quyển (Atmospheric Distillation)

VD

: chưng cất trong chân không (Vacumn Distillation)

CDU

: quá trình lọc dầu thô (Crude oil Distillation Unit)

BTX

: Benzen, Toluen, Xylen

IMC

: phương pháp mô hình nội (Internal Model Control)

PEM

: phương pháp dự báo lỗi (Prediction Error Method)

SISO

: hệ đơn biến một đầu vào một đầu ra

MIMO

: hệ đa biến nhiều đầu vào nhiều đầu ra

Decoupler

: khâu bù kênh

RGA

: phương pháp ma trận khuếch đại tương đối (Relative Gain Array)

Trang 4


Luận văn Cao học

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hình ảnh một nhà máy lọc dầu................................ ............................... 11
Hình 1.2. Quy trình chế biến của nhà máy lọc dầu................................ ................. 11
Hình 1.3. Sơ đồ các quá trình chế biến dầu mỏ ................................ ...................... 17
Hình 2.1. Cấu tạo của một tháp chưng cất đơn giản ................................ ............... 26
Hình 2.2. Chưng cất AVD có nhận nguyên liệu cho sản xuất BTX ........................ 30
Hình 3.1. Quá trình và phân loại biến quá trình ................................ .................... 39
Hình 3.2. Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình ...................... 40
Hình 3.3. Cấu trúc tổng quát của điều khiển truyền thẳng ................................ ......42
Hình 3.4. Hai cấu trúc điều khiển truyền thẳng ................................ ...................... 43
Hình 3.5. Hai cấu hình điều khiển phản hồi thông dụng................................ .........46
Hình 3.6. Hai cấu hình điều khiển tỉ lệ................................ ................................ ...49

Hình 3.7. Hai cấu trúc điều khiển tầng................................ ................................ ...51
Hình 3.8. Đặc tính của đối tượng................................ ................................ ........... 56
Hình 3.9. Xác định hệ số khuếch đại tới hạn ................................ .......................... 57
Hình 3.10. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển quá trình theo mô hình nội............. 58
Hình 3.11. Sơ đồ cấu trúc điều khiển đa biến / tập trung................................ ........63
Hình 3.12. Sơ đồ cấu trúc điều khiển phi tập trung ................................ ................ 65
Hình 3.13. Sơ đồ cấu trúc tách kênh từng phần................................ ...................... 71
Hình 3.14. Cấu trúc tách kênh của Boksenbom và Hood ................................ .......72
Hình 3.15. Sơ đồ cấu trúc tách kênh của Zalkind và Luyben................................ ..74
Hình 3.16. Sơ đồ một tháp chưng cất hai cấu tử................................ ..................... 77
Hình 3.17. Cấu hình điều khiển LV ................................ ................................ .......79
Hình 3.18. Cấu hình điều khiển DV................................ ................................ .......80
Hình 3.19. Cấu hình điều khiển D/(L+D)V................................ ............................ 81
Hình 3.20. Cấu hình điều khiển DB ................................ ................................ .......82
Hình 4.1. Sơ đồ sách lược điều khiển tách kênh................................ ..................... 86
Hình 4.2. Sơ đồ Simulink ước lượng s11 ................................ ................................ 88
Hình 4.3. Khối IDDATA ................................ ................................ ....................... 88
Hình 4.4. Cửa sổ Systems Identification Toolbox GUI ................................ ..........89
Hình 4.5. Cửa sổ nhập dữ liệu ................................ ................................ ............... 90
Hình 4.6. Cửa sổ Systems Identification Toolbox GUI sau khi nhập dữ liệu ..........91
Hình 4.7. Cửa sổ chọn mô hình ước lượng................................ ............................. 92
Hình 4.8. Kết quả ước lượng s11 ................................ ................................ ............ 93
Hình 4.9. Đồ thị so sánh kết quả ước lượng s11 ................................ ...................... 93
Hình 4.10. Kết quả ước lượng s22................................ ................................ ........... 94
Hình 4.11. Đồ thị so sánh kết quả ước lượng s22 ................................ .................... 94
Hình 4.12. Cấu trúc Feedforward................................ ................................ ........... 97
Hình 4.13. Mô hình Simulink mô phỏng điều khiển không xét đến tác động xen
kênh ................................ ................................ ................................ ...................... 98

Trang 5

Luận văn Cao học

Hình 4.14. Kết quả mô phỏng khi không có xen kênh................................ ............ 99
Hình 4.15. Kết quả mô phỏng xen kênh khi thành phần sản phẩm đỉnh thay đổi..100
Hình 4.16. Kết quả mô phỏng xen kênh khi thành phần sản phẩm đáy thay đổi ...100
Hình 4.17. Mô hình Simulink mạch vòng đơn s11 ................................ ................ 101
Hình 4.18. Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi thay đổi thành phần sản phẩm đỉnh
................................ ................................ ................................ ............................ 102
Hình 4.19. Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi có tác động nhiễu nhưng chưa có
khâu bù nhiễu ................................ ................................ ................................ ......102
Hình 4.20. Kết quả mô phỏng mạch vòng s11 khi có tác động nhiễu và đã có khâu bù
nhiễu ................................ ................................ ................................ ................... 103
Hình 4.21. Mô hình Simulink mạch vòng đơn s22 ................................ ................ 104
Hình 4.22. Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi thay đổi thành phần sản phẩm đáy
................................ ................................ ................................ ............................ 104
Hình 4.23. Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi có tác động nhiễu nhưng chưa có
khâu bù nhiễu ................................ ................................ ................................ ......105
Hình 4.24. Kết quả mô phỏng mạch vòng s22 khi có tác động nhiễu và đã có khâu bù
nhiễu ................................ ................................ ................................ ................... 105
Hình 4.25. Mô hình Simulink hệ đa biến ................................ ............................. 106
Hình 4.26. Sơ đồ khối Process................................ ................................ ............. 107
Hình 4.27. Sơ đồ khối Decoupler................................ ................................ ......... 107
Hình 4.28. Sơ đồ khối Disturbance model ................................ ........................... 107
Hình 4.29. Sơ đồ khối Feedforward ................................ ................................ .....107
Hình 4.30. Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi thành phần sản phẩm đỉnh 108
Hình 4.31. Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi thành phần sản phẩm đáy .108
Hình 4.32. Kết quả mô phỏng hệ đa biến khi thay đổi điểm làm việc và có tác động
của nhiễu ................................ ................................ ................................ ............. 109

Trang 6


Luận văn Cao học

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam ta là một trong những nước có trữ lượng dầu mỏ khá lớn trong khu
vực với các mỏ Bạch Hổ, mỏ Rạng Đông, mỏ Rồng,… và chúng ta cũng mới đã
xây dựng được nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà máy lọc dầu đầu tiên ở nước ta.
Trước khi chưa có nhà máy lọc dầu, đất nước ta chưa chế biến được dầu thô thành
các sản phẩm có giá trị thương mại cao hơn mà chủ yếu là khai thác, xuất khẩu dầu
thô, trong khi lại phải nhập khẩu hầu hết các sản phẩm từ dầu mỏ để phục vụ cho
việc phát triển công nghiệp và trong cuộc sống sinh hoạt. Hiện tại, với một nhà máy
lọc dầu Dung Quất đất nước ta đã có thể chế biến phần nào lượng dầu thô khai thác
được, song trong tương lai đất nước ta còn phải xây dựng thêm những nhà máy lọc
dầu để khai thác và chế biến dầu mỏ với sản lượng cao hơn và hiệu quả kinh tế tốt
hơn, đóng góp nhiều hơn vào GDP của đất nước.
Ngày nay, khoa học công nghệ không ngừng phát triển và lĩnh vực điều
khiển quá trình cũng không nằm ngoài xu hướng đó. Trong lĩnh vực điều khiển quá
trình, nhiều lý thuyết điều khiển, phương pháp điều khiển mới, nhiều thiết bị điều
khiển hiện đại được nghiên cứu, đưa ra áp dụng để giải quyết các bài toán điều
khiển công nghiệp ngày càng phức tạp. Trong đó, nhà máy lọc dầu là nơi chứa rất
nhiều bài toán điều khiển công nghiệp điển hình và phức tạp và đây vẫn luôn là
mảnh đất cho các nhà khoa học, các nhà điều khiển nghiên cứu, khám phá và thử
nghiệm áp dụng những lý thuyết mới. Những năm gần đây, Việt Nam cũng đã có
nhiều công trình nghiên cứu điều khiển quá trình trong công nghệ lọc hóa dầu được
đưa ra, song so với thế giới vẫn chỉ là những bước đi nhỏ. Vì lý do đó tác giả đã
chọn đề tài : “Nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng cất trong nhà máy
lọc dầu” để nghiên cứu và mong muốn đóng góp một phần nhỏ vào công việc

nghiên cứu điều khiển quá trình ở nước ta.
Mục tiêu của đề tài là tìm hiểu công nghệ lọc hóa dầu, đối tượng tháp chưng
cất, làm rõ các bài toán điều khiển trong đó, tìm hiểu các phương pháp điều khiển

Trang 7


Luận văn Cao học

tạo cơ sở cho việc thiết kế điều khiển nâng cao chất lượng điều khiển tháp chưng
cất lọc dầu.
Để giải quyết nội dung của đề tài, luận văn gồm 4 chương:
-

Chương 1: Tổng quan về nhà máy lọc dầu và công nghệ chế biến dầu mỏ

-

Chương 2: Công nghệ chưng cất dầu thô

-

Chương 3: Giới thiệu về điều khiển quá trình

-

Chương 4: Nghiên cứu điều khiển tháp chưng cất hai cấu tử
Để hoàn thành luận văn này tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô ở bộ

môn Tự động hóa XNCN, cùng các thầy cô trong Khoa Điện - Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học, nghiên cứu và
hoàn thành luận văn. Đặc biệt luận văn không thể hoàn thành nếu không có sự
hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Huy Phương, người đã luôn tận tình chỉ dẫn
tác giả nghiên cứu đề tài. Tác giả cũng xin cảm ơn người thân, bạn bè và đồng
nghiệp đã ủng hộ động viên, tạo điều kiện giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình hoàn
thành luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn mặc dù bản thân đã nỗ lực và làm việc
nghiêm túc, nhưng do khó khăn về thời gian và hạn chế về kiến thức, mặt khác đây
cũng là một vấn đề phức tạp nên chắc chắn luận văn còn nhiều thiếu sót, tác giả rất
mong nhận được sự đánh giá góp ý và phê bình của các quý thầy cô và bạn đồng
môn.
Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2010
Học viên thực hiện

Đỗ Khoa Tuấn

Trang 8


Luận văn Cao học

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU
VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ BIẾN DẦU MỎ
1.1. Giới thiệu chung
Công nghệ chế biến dầu mỏ được xem như bắt đầu ra đời từ năm 1859, với
nước Mỹ là nước đi tiên phong. Nhưng chỉ sau một thời gian ngắn sau đó, nhiều
nước trên toàn thế giới cũng tham gia khai thác dầu mỏ. Thế kỷ 20 đã trở thành thế
kỷ chứng kiến ngành công nghiệp dầu mỏ tăng trưởng nhanh chóng và đã trở thành
nền công nghiệp mũi nhọn. Ngày nay, sản phẩm năng lượng dầu mỏ đã chiếm tới
70% tổng số năng lượng tiêu thụ trên toàn thế giới. Hai mục tiêu chính của công

nghiệp dầu khí là:
+ Cung cấp các sản phẩm năng lượng cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ,
nhiên liệu công nghiệp và các sản phẩm về dầu mỡ bôi trơn.
+ Cung cấp các hóa chất cơ bản cho ngành tổng hợp hóa dầu và hóa học tạo
sự phát triển mạnh về các chủng loại sản phẩm của ngành hóa chất, vật liệu. Hóa
dầu đã thay thế dần hóa than đá và vượt lên công nghiệp chế biến than.
Nguyên liệu dầu mỏ có nhiều đặc tính quý mà nguyên liệu từ than đá hoặc
khoáng chất khác không có được, đó là giá thành thấp, thuận tiện cho quá trình tự
động hóa, dễ khống chế các điều kiện công nghệ và có công suất chế biến lớn, sản
phẩm thu được từ dầu mỏ có chất lượng cao, ít tạp chất, dễ tinh chế và tạo ra được
nhiều chủng loại sản phẩm đáp ứng mọi nhu cầu của các ngành kinh tế.
Trước hết phải kể đến các sản phẩm năng lượng từ dầu khí. Đặc điểm lớn
nhất của các sản phẩm này là dễ sử dụng, dễ điều khiển tự động, dễ vận chuyển, bảo
quản, sử dụng ít có tro xỉ. Nhiên liệu xăng ngày nay đã được phát triển rất nhiều về
chất lượng, có thể đáp ứng được các yêu cầu của động cơ có tỷ số nén cao, ít độc tố
có hại cho môi trường, hoạt động tốt ở nhiều loại điều kiện. Bởi vậy, nhiên liệu
xăng đã trở nên rất quen thuộc trong xã hội hiện đại. Các nhiên liệu khác như nhiên
liệu phản lực, nhiên liệu diezel đã góp phần phát triển các động cơ có kích thước

Trang 9


Luận văn Cao học

gọn nhưng lại có công suất lớn, chịu tải trọng cao, hiệu suất nâng cao hơn hẳn với
các động cơ xăng có cùng kích thước. Trong tương lai gần, tỷ trọng năng lượng do
dầu khí cung cấp có thể giảm sút ít nhiều do con người ngày càng tìm ra các năng
lượng mới thay thế cùng với xu thế tăng mục tiêu chế biến dầu cho sản xuất các hóa
chất cơ bản, tuy nhiên dầu khí vẫn là nguồn nguyên liệu chủ yếu cung cấp năng
lượng cho thế giới.

Bên cạnh đó, các sản phẩm phi năng lượng như các loại dầu mỡ bôi trơn và
các loại dầu công nghiệp cũng là một thế mạnh của các sản phẩm từ dầu mỏ. Mọi
chi tiết cơ khí từ rất nhỏ đến các máy móc khổng lồ đều cần đến dầu, mỡ bôi trơn.
Tiếp đến, các sản phẩm hóa chất cơ bản từ dầu mỏ cũng có nhiều đặc tính quý như
độ tinh khiết cao, giá thành thấp,… Bởi vậy, chúng đã góp phần mở rộng các chủng
loại hàng nhu yếu phẩm, hàng tiêu dùng như vải sợi, chất dẻo, nhựa đến các hàng
công nghiệp như thuốc nhuộm, phân bón, thuốc trừ sâu,…Ngày nay, các sản phẩm
này đã chiếm tới 90% tổng số các hợp chất hữu cơ trong các ngành công nghiệp hóa
chất.
Nhà máy lọc dầu là nơi thực hiện các quá trình chế biến dầu thô thành các
sản phẩm dầu mỏ và các sản phẩm sản xuất từ nhà máy phải đảm bảo theo các tiêu
chuẩn chất lượng đã qui định. Cơ cấu về các sản phẩm dầu mỏ phải đáp ứng được
nhu cầu tiêu thụ của thị trường theo từng khu vực và sự phân chia sản xuất trên
phạm vi thế giới.

Trang 10


Luận văn Cao học

Hình 1.1. Hình ảnh một nhà máy lọc dầu
Qui trình chế biến của nhà máy lọc dầu được minh họa trong sơ đồ sau:

Hình 1.2. Quy trình chế biến của nhà máy lọc dầu
Việt Nam chúng ta cũng là một đất nước có nhiều tiềm năng về dầu mỏ với
các mỏ Bạch Hổ, Đại Hùng, mỏ Rồng, mỏ Rạng Đông,… đã được đưa vào khai

Trang 11

Luận văn Cao học

thác. Hiện nay, chúng ta cũng đã có nhà máy lọc dầu Dung Quất, nhà máy chế biến
dầu đầu tiên ở Việt Nam. Đồng thời, trong tương lai cũng có hàng loạt nhà máy chế
biến dầu và khí đồng hành cũng sẽ được xây dựng. Ngành công nghiệp chế biến
dầu ở nước ta thực sự đang bước vào thời kỳ mới.
1.2. Một số đặc điểm của dầu khí
Trong thiên nhiên, dầu mỏ nằm ở dạng chất lỏng nhờn, dễ bắt cháy. Khi khai
thác, ở nhiệt độ thường dầu thô có thể lỏng hoặc đông đặc, có màu từ vàng đến đen,
còn khí hydrocacbon thường ở dạng hoà tan trong dầu (khí đồng hành), hay ở dạng
nén ép trong các mỏ khí (khí thiên nhiên).
Dầu khí không phải là một đơn chất mà là một hỗn hợp rất phức tạp của
nhiều chất (có thể đến hàng trăm chất). Sự khác nhau về số lượng cũng như hàm
lượng của các hợp chất có trong dầu khí dẫn đến sự khác nhau về thành phần của
dầu ở các mỏ khác nhau và so với các khoáng chất khác.
1.2.1. Thành phần hoá học của dầu khí.
Trong dầu thô có chứa tới hàng trăm hợp chất khác nhau, nhưng nguyên tố
cơ bản chứa trong dầu khí phần lớn là cacbon C và hydro H (C chiếm 82 –87%, H
chiếm 11 -14%). Ngoài các nguyên tố cơ bản trên còn có các nguyên tố khác như
lưu huỳnh S (0,1 - 7%), nitơ N (0,001 - 1,8%), oxy O (0,05 - 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 RHp: Các hydrocacbon parafin có công thức tổng quát
là CnH2n+2, trong đó n là số nguyên tử cacon trong mạch.
 Hydrocacbon naphtetic RHn (còn gọi là cycloparafin): Loại hợp chất này có
công thức tổng quát là CnH2n.
 Hydrocacbon thơm RHA (Hydrocacbon aromatic): Hydrocacbon thơm có
công thức tổng quát CnH2n-6.
 Các hợp chất phi hydrocacbon: thường gặp nhất là các hợp chất của lưu

huỳnh, nitơ, oxy, các chất nhựa, asphanten và kim loại. Nói chung thì các

Trang 12


Luận văn Cao học

hợp chất phi hydrocacbon đều có hại cho dầu mỏ trong quá trình chưng cất
nên chung cần phải được loại bỏ.
1.2.2. Các đặc tính quan trọng của dầu thô
1.2.2.1. Tỷ trọng
Tỷ trọng là khối lượng dầu so với khối lượng của nước ở một nhiệt độ và thể
tích xác định. Tỷ trọng của dầu dao động trong khoảng rộng tuỳ thuộc vào từng loại
dầu, thông thường nó có giá trị từ 0,8 đến 0,99. Tỷ trọng của dầu là một thông số
vật lý vô cùng quan trọng trong 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.
1.2.2.3. Nhiệt độ sôi trung bình
Là thông số quan trọng trong đánh giá và tính toán công nghệ chế biến dầu.
1.2.2.4. Hệ số đặc trưng K
Được dùng để phân loại dầu thô, tính toán thiết kế hay 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 sản phẩm dầu. K được tính theo công thức sau:
K

Tm1 / 3
d 60 o F / 60 o F





Trong đó:
Tm: nhiệt độ sôi trung bình tính theo độ Rankine (0R).
d: tỷ trọng của dầu.
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 Đại Hùng ta
có thể rút ra những tính chất, đặc trưng quan trọng:
o 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,

Trang 13


Luận văn Cao học

diezel, 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.
o Dầu thô Việt nam là loại dầu sạch, chứa rất 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.
1.3. Các phân đoạn dầu mỏ
Từ dầu mỏ qua quá trình chế biến sẽ sản sinh ra rất nhiều sản phẩm. Các sản
phẩm này thu được từ sự khác nhau giữa các nhiệt độ sôi của các phân đoạn. Các
phân đoạn dầu mỏ bao gồm: phân đoạn khí, phân đoạn xăng, phân đoạn kerosene,

phân đoạn gasoil nhẹ, phân đoạn gasoil nặng và cặn gudon.
1.3.1. Phân đoạn khí
Phân đoạn khí bao gồm các hydrocacbon từ C1 - C4 và một lượng ít C5, C6.
Khí được chia ra làm 3 loại:
+ Khí thiên nhiên: là khí tồn tại trong các mỏ riêng biệt có thành phần chủ
yếu là CH4 (80 - 90%), còn lại là các khí khác như etan, propan và rất ít butan.
+ Khí đồng hành: đây là khí nằm lẫn trong các mỏ dầu, được hình thành và
khai thác lên cùng với dầu mỏ, thu được ngay ở thiết bị tách khí tại miệng giếng
khai thác dầu. Thành phần chính của nó là các khí nặng như propan, butan,
pentan,…
+ Khí ngưng tụ: là dạng trung gian giữa dầu mỏ và khí. Bao gồm các
hydrocacbon như propan, butan và một số hydrocacbon lỏng như pentan, hexan,…
Khí hydrocacbon là khí không màu, không mùi, không vị. Các hydrocacbon
có tính tan khác nhau, không trộn lẫn được với nước, nhưng có thể hòa tan trong
các dung môi hữu cơ. Nhiệt độ sôi của các hydrocacbon no mạch thẳng tăng dần
theo số nguyên tử cacbon no trong mạch.
Khí khô thương phẩm (CH4, C2H6) được sử dụng làm nhiên liệu trong các
nhà máy điện, các khu công nghiệp. Ngoài mục đích sử dụng như một loại nhiên

Trang 14


Luận văn Cao học

liệu, khí khô còn được sử dụng như một nguồn nguyên liệu cho công nghiệp hóa
dầu (để tổng hợp các polyme phục vụ cho công nghiệp nhựa, cao su tổng hợp, chất
tẩy rửa). Đặc biệt là ứng dụng của khí cho việc sản xuất phân đạm cho nông lâm
nghiệp.
Ngoài ra, LPG là các khí C3H8 và C4H10 cũng là loại nhiên liệu rất hữu ích
với nhiệt lượng giải phóng khi cháy lớn, không gây ô nhiễm môi trường, dễ vận

chuyển, lưu trữ. LPG cũng được dùng làm sản xuất các hóa chất như butadien,
etylen, propylen cho ngành nhựa,…
1.3.2. Phân đoạn xăng
Phân đoạn xăng có nhiệt độ sôi dưới 180 0 C, gồm các hydrocacbon từ C5 C10, C11 là các parafinic, naphtenic và aromatic. Tuy nhiên thành phần và số lượng
của chúng thì khác nhau phụ thuộc vào nguồn gốc dầu thô khai thác.
Xăng được sử dụng làm nhiên liệu, làm dung môi như trong các công nghiệp
sơn, keo dán, hương dược liệu,… Bên cạnh đó, trong ngành tổng hợp hóa dầu xăng
cũng được dùng làm nhiên liệu để sản xuất các hydrocacbon thơm như toluen,
benzen,…
1.3.3. Phân đoạn kerosene
Phân đoạn này còn gọi là phân đoạn dầu lửa, có nhiệt độ sôi từ 180 - 2500C,
gồm các hydrocacbon từ C11 - C15, C16. Thành phần hóa học chủ yếu là các nparafin và rất ít izo-parafin. Các hydrocacbon naphtenic và thơm, ngoài loại có cấu
trúc một vòng và nhiều nhánh phụ, còn có mặt các hợp chất hai hoặc ba vòng.
Trong kerosene 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.
Phân đoạn kerosene được chủ yếu làm nhiên liệu cho động cơ phản lực và
một phần làm dầu hỏa dân dụng.
1.3.4. Phân đoạn gasoil nhẹ
Phân đoạn này còn gọi là phân đoạn dầu diesel, có khoảng nhiệt độ sôi từ
250-3500C và chứa các hydrocacbon từ C16-C20, C21. Thành phần hóa học của gasoil

Trang 15


Luận văn Cao học

nhẹ là phần lớn các n-parafin và izo-parafin, còn hydrocacbon thơm rất ít. Ngoài
naphten và thơm hai vòng là chủ yếu, những chất có ba vòng bắt đầu tăng lên và
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 diesel, đây là một loại nhiên liệu hiện nay được sử dụng khá phổ biến trên thế
giới.
1.3.5. Phân đoạn gasoil nặng
Phân đoạn này có khoảng sôi từ 350-5000C, bao gồm các hydrocacbon từ
C21-C35 hoặc có thể lên tới C40. Thành phần hóa học của phân đoạn này tương đối
phức tạp, gồm một ít các n- và izo-parafin, lượng naphten và thơm nhiều. Ở phân
đoạn gasoil nặng thì hàm lượng lưu huỳnh, nitơ và 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 hợp chất nitơ thường ở dạng đồng đẳng của pyridin,
pyron và cacbazol, các hợp chất của oxy ở dạng axit. 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 cũng được sử dụng để sản xuất các sản phẩm trắng, là tên gọi của ba loại
nhiên liệu, đó là: xăng, kerosene, diesel.
1.3.6. Phân đoạn cặn dầu mỏ (cặn gudon)
Đây là phần còn lại sau khi đã tách các phân đoạn trên, có nhiệt độ sôi lớn
hơn 5000C gồm các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon lớn hơn C41 và có thể lên
tới C80. Phân đoạn này có thành phần hóa học rất phức tạp và chia ra làm ba nhóm:
+ Nhóm chất dầu (chiếm khoảng 45-46%): gồm các hydrocacbon 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 tỷ 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 và thành phần axit. Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt

Trang 16

Luận văn Cao học

độ hóa mềm nhỏ hơn 1000C, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ hòa tan trong xăng và naphten.
Các chất axit là chất có nhóm -COOH, có màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ hòa
tan trong cloroform và rượu etylic.
+ Nhóm asphanten: là nhóm chất rắn, có màu đen, cấu tạo tinh thể, tỷ trọng
lớn hơn 1, chứa phần lớn các hợp chất dị vòng và có khả năng hòa tan mạnh trong
cacbon disunfua. Khi đun ở nhiệt độ 3000C không bị nóng chảy mà cháy thành tro.
Ngoài các nhóm chính này, cặn gudon còn chứa các hợp chất của kim loại nặng.
Cặn gudon được sử dụng để sản xuất bitum, than cốc, bồ hóng, nhiên liệu
đốt lò.
1.4. Các quá trình chế biến dầu mỏ

Hình 1.3. Sơ đồ các quá trình chế biến dầu mỏ
1.4.1. Các quá trình chế biến vật lý trong lọc dầu
1.4.1.1. Chuẩn bị dầu thô trước khi chế biến
Đây cũng là một bước rất quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến dầu,
bởi dầu thô vừa khai thác ở mỏ lên, ngoài thành phần là các hydrocacbon còn lẫn
nhiều tạp chất là đất đá, nước và muối khoáng. Các tạp chất này lẫn vào dầu mỏ và
nằm ở dạng nhũ tương nên khó tách ở điều kiện bình thường. Nếu không được tách
các tạp chất này thì khi chế biến dầu mỏ sẽ không hiệu quả, chúng sẽ tạo cặn bùn và

Trang 17


Luận văn Cao học

các hợp chất ăn mòn, phá hỏng thiết bị. Việc xử lý dầu thô được tiến hành qua các
bước sau:
 Ổn định dầu nguyên khai: dầu nguyên khai còn chứa các khí hòa tan như

khí đồng hành và các khí phi hydrocacbon, đa phần chúng dễ tách ra khi giảm áp
suất khi phun ra khỏi giếng khoan. Tuy nhiên, vẫn còn một lượng nhất định lẫn vào
trong dầu, do đó cần tách tiếp trước khi đưa chúng vào chế biến để hạ thấp áp suất
hơi khi chưng cất dầu thô và nhận thêm được nguồn nguyên liệu quý cho việc sản
xuất olefin nhẹ. Thực chất ổn định dầu là chưng cất tách bớt phần nhẹ.
 Tách các hợp chất cơ học, nước và muối: trên thực tế có nhiều phương
pháp tách các tạp chất này, có thể ra như:
+ Phương pháp lắng: bản chất của phương pháp là dựa vào sự khác nhau về
tỷ trọng của dầu và các tạp chất như đất đá, nước và muối. Để tăng tốc độ lắng, trên
thực tế người ta thường dùng biện pháp gia nhiệt để giảm độ nhớt, thông thường ở
khoảng từ 50 đến 600C.
+ Phương pháp ly tâm: được dùng để tách nước và các tạp chất đất đá.
+ Phương pháp lọc: ta thêm vào dầu các chất dễ thấm nước để giữ lại nước
và tách chúng ra, thực tế dùng các bông thủy tinh để lọc nước khỏi dầu. Phương
pháp này đạt được hiệu quả cao mà đơn giản, tuy nhiên thường phải thay màng lọc
liên tục.
+ Phương pháp hóa học tách nhũ tương nước trong dầu: bản chất của phương
pháp là cho thêm một chất được gọi là chất khử nhũ, một chất hoạt động bề mặt để
phá nhũ tương. Khó khăn của phương pháp này là phải chọn được chất hoạt động
bề mặt thích hợp, mà không gây hậu quả khó khăn cho chế biến sau này.
+ Phương pháp dùng điện trường: đây là một phương pháp mới, hiện đại,
công suất lớn, dễ ứng dụng tự động hóa nên các nhà máy chế biến dầu lớn hiện nay
đều sử dụng phương pháp này. Bản thân các tạp chất rất dễ nhiễm điện tích, nên khi
dùng lực điện trường mạnh sẽ làm thay đổi điện tích, tạo điều kiện đông tụ hay phát
triển làm cho kích thước lớn lên làm tạp chất lắng xuống và dễ bị tách ra khỏi dầu.

Trang 18


Luận văn Cao học

1.4.1.2. Quá trình chưng cất dầu thô
Quá trình chưng cất dầu thô là quá trình vật lý phân chia dầu thô thành nhiều
hỗn hợp khác nhau dựa vào sự khác nhau giữa nhiệt độ sôi của các cấu tử có trong
thành phần của dầu thô. Mỗi hỗn hợp đó được gọi là một phân đoạn dầu mỏ, được
đặc trưng bởi điểm sôi đầu và điểm sôi cuối. Để từ đó các phân đoạn sẽ được đưa đi
tới các quá trình tiếp theo để chế biến.
 Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất:
Trong bất kỳ tháp chưng cất nào thì tổng lượng vật chất đi vào tháp phải
bằng tổng lượng vật chất đi ra khỏi tháp. Toàn bộ nhiệt lượng đi vào tháp chưng cất
bằng tổng lượng nhiệt đi ra khỏi tháp. Nếu ta thay đổi nhiệt lượng đi vào tháp hay
nhiệt lượng đi ra khỏi tháp thì thành phần và chất lượng sản phẩm của quá trình
chưng cất sẽ thay đổi.
Trong tháp chưng cất xảy ra quá trình tiếp xúc giữa hai pha lỏng - hơi. Pha
hơi Vn bay từ đĩa thứ n lên đĩa thứ n-1 được tiếp xúc với pha lỏng Ln-1 chảy từ đĩa
n-1 xuống, còn pha lỏng Ln từ đĩa n sẽ chảy xuống phía dưới đĩa n+1 lại tiếp xúc
với pha hơi Vn+1 từ dưới bay lên. Nhờ quá trình này mà các cấu tử nhẹ có trong pha
lỏng sẽ đi vào pha hơi và các cấu tử nặng có trong pha hơi sẽ ngưng tụ vào pha
lỏng. Chu trình bay hơi, ngưng tụ này xảy ra liên tục trên các đĩa và tạo ra sự khác
nhau về nồng độ sản phẩm trên từng đĩa. Kết quả là pha hơi bay lên càng được làm
giàu về nồng độ thêm cấu tử nhẹ, còn pha lỏng đi xuống ngày càng chứa nhiều cấu
tử nặng.
1.4.2. Các quá trình chế biến hóa học
1.4.2.1. Quá trình cracking
Mục đích của quá trình cracking xúc tác là bẻ gãy mạch của các phân tử
hydrocacbon có khối lượng phân tử lớn trong các phân đoạn nặng của dầu thô thành
các hydrocacbon có khối lượng phân tử bé hơn có giá trị hơn mà phần lớn các cấu
tử của phân đoạn xăng để đáp ứng nhu cầu thương mại. Quá trình bẻ gãy mạch
hydrocacbon này được tiến hành với sự có mặt của xúc tác mang tính axit trong

Trang 19


Luận văn Cao học

điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp. Ngoài ra, thực tế còn có quá trình cracking
nhiệt.
Quá trình cracking xúc tác là một quá trình không thể thiếu được trong bất
kỳ nhà máy chế biến dầu nào trên thế giới bởi quá trình này là một trong những quá
trình chính để sản xuất xăng có trị số octan cao.
 Cơ sở lý thuyết của quá trình cracking:
Trong quá trình cracking xúc tác, có một số lượng lớn các phản ứng hóa học
phức tạp xảy ra, gồm các phản ứng cracking nhiệt và các phản ứng cracking xúc
tác.
Phản ứng cracking xúc tác: là các phản ứng dị thể được thực hiện nhờ vào
các hợp chất trung gian kém bền dạng carbocation. Sự có mặt các tâm axit của xúc
tác cho phép thúc đẩy việc tạo thành các hợp chất trung gian dạng carboncation,
điều này đã cải thiện vận tốc cũng như sự chọn lọc của quá trình cracking.
Phản ứng cracking nhiệt: đây là những phản ứng không thể tránh khỏi ở
nhiệt độ cao và là những phản ứng không mong muốn. Các phản ứng này tạo ra một
lượng lớn các sản phẩm rất nhẹ như metan, ethan,… và mức độ tạo cốc lớn. Điều
này làm giảm hiệu suất thu hồi xăng. Đồng thời xăng thu được có chỉ số octan và
độ ổn định oxy thấp.
1.4.2.2. Quá trình reforming
Reforming là một trong các quá trình quan trọng của công nghiệp chế biến.
Vai trò của quá trình reforming này được tăng lên bởi nhu cầu về xăng chất lượng
cao và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp hóa dầu ngày một nhiều.
Quá trình này cho phép chuyển hóa các hydrocacbon parafine và naphten có
trong phân đoạn xăng thành các cấu tử hydrocacbon aromatique có trị số octan cao
cho xăng, các hợp chất hydrocacbon thơm cho tổng hợp hóa dầu. Bên cạnh đó, quá

trình còn cho phép thu được khí Hydro kỹ thuật cho quá trình chuẩn bị nguyên liệu
và xử lý hydro các phân đoạn sản phẩm trong nhà máy lọc dầu.
 Cơ sở lý thuyết của quá trình reforming:

Trang 20


Luận văn Cao học

Phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming bao gồm các phản ứng sau:
Dehydro hóa các hydrocacbon naphten, dehydro vòng hóa các hydrocacbon
paraphin, đồng phân hóa và hydrocracking. Tuy nhiên song song với các phản ứng
chính quá trình này còn xảy ra các phản ứng phụ tuy không ảnh hưởng nhiều đến
cân bằng của các phản ứng của phản ứng chính nhưng lại ảnh hưởng đến độ hoạt
động và độ bền của xúc tác, ví dụ như phản ứng ngưng tụ các hợp chất trung gian
không bền như olefin diolefin với hydrocacbon thơm dẫn đến tạo thành các chất
nhựa và cốc bám trên bề mặt của xúc tác. Bởi vậy, ta cần phải khắc phục quá trình
tạo cốc trên xúc tác, hay ít nhất cũng phải hạn chế tớ mức tối đa quá trình tạo cốc.
1.4.2.3. Quá trình izome hóa
Như đã nêu trên, trong công nghiệp chế biến dầu dùng hai quá trình chủ đạo
là reforming xúc tác và cracking xúc tác để nhận xăng có trị số octan cao. Tuy
nhiên, nhu cầu xã hội về sản lượng và chất lượng xăng ngày càng tăng trong khi
rằng buộc môi trường về hàm lượng chì cũng như hàm lượng các hợp chất thơm nói
chung và benzen nói riêng trong xăng ngày càng giảm. Bởi vậy quá trình izome hóa
cũng được đưa vào áp dụng trong nhà máy lọc dầu.
Quá trình izome hóa là quá trình biến đổi các hydrocacbon mạch thẳng
thành mạch nhánh. Quá trình này thường áp dụng để nâng cao trị số octan của xăng.
Đồng thời, đây cũng là phương pháp để tạo ra các cấu tử cao octan pha và xăng
nhằm nâng cao chất lượng.
 Cơ sở lý thuyết của quá trình izome hóa:

Phản ứng chính của quá trình là phản ứng chuyển hóacác n-parafin thành các
izo-parafin. Ngoài ra trong các quá trình còn xảy ra các phản ứng phụ: phản ứng
hydrocracking các parafin thành các parafin nhẹ hơn, phản ứng hydro hóa mở vòng
các naphten thành các parafin và phản ứng tạo cốc.
Quá trình izome hóa tương đối linh hoạt về mặt nguồn nguyên liệu sử dụng.
Phân đoạn thường được sử dụng làm nguyên liệu cho quá trình này là phân đoạn
xăng nhẹ thu được từ quá trình chưng cất trực tiếp dầu thô, tuy nhiên cũng có thể sử
dụng phân đoạn C5/C6 thu được từ quá trình reforming xúc tác.

Trang 21


Luận văn Cao học

Xúc tác được sử dụng chủ yếu trong quá trình izome hóa là Pt/Al2O3 với chất
mang Al2O3 được halogen hóa để cải thiện hoạt tính axit và Pt/zeolit. Về mặt bản
chất có thể thấy xúc tác của quá trình được tạo thành từ hai thành phần: thành phần
kim loại có đặc trưng thúc đẩy các phản ứng hydro hóa, làm bão hòa các
hydrocacbon tiền đề của quá trình tạo cốc và chất mang có tính axit có nhiệm vụ
thúc đẩy các phản ứng xảy ra theo cơ chế ion cacboni mà cụ thể trong quá trình này
là các phản ứng izome hóa.
1.4.2.4. Quá trình hydrotreating
Hydrotreating là quá trình được sử dụng phổ biến trong các nhà máy lọc dầu
và trong những năm gần đây nó đóng vai trò ngày càng quan trọng trong công
nghiệp dầu mỏ và công nghiệp hóa dầu. Mục đích của quá trình này là:
+ Loại bỏ các tạp chất như: lưu huỳnh, nitơ, kim loại,… có mặt trong phân
đoạn dầu mỏ để chuẩn bị nguyên liệu cho các quá trình chuyển hóa khác của nhà
máy lọc dầu mà xúc tác của quá trình này nhạy cảm với các tạp chất đó.
+ Cải thiện các đặc trưng của sản phẩm cuối theo các tiêu chuẩn yêu cầu của
sản phẩm nhằm thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng của sản phẩm và bảo vệ môi

trường.
 Cơ sở lý thuyết của quá trình:
Các tạp chất trong các hợp chất dị nguyên tử khác nhau có mặt trong các
phân đoạn dầu mỏ được tách ra bằng các phản ứng với hydro trên bề mặt của xúc
tác. Các phản ứng này dẫn đến việc tạo thành các hydrocacbon bão hòa hoặc chưa
bão hòa và loại bỏ các tạp chất lưu huỳnh, nitơ, oxy dưới dạng H2S, NH3, H2O.
Các phản ứng chính xảy ra trong quá trình hydrotreating: khử lưu huỳnh,
khử nitơ, hydro hóa. Trong trường hợp nguyên liệu xử lý có mặt các hợp chất chứa
oxy, kim loại thì trong quá trình hydrotreating còn xảy ra phản ứng khử oxy và khử
kim loại.
Các phản ứng bẻ gãy liên kết giữa C và các dị nguyên tố là phản ứng tỏa
nhiệt. Các phản ứng hydro hóa là các phản ứng thuận nghịch và tỏa nhiệt mạnh vì
vậy xảy ra thuận lợi trong điều kiện áp suất hydro lớn và nhiệt độ thấp.

Trang 22


Luận văn Cao học

Quá trình hydrotreating được sử dụng để xử lý cho tất cả các phân đoạn dầu
mỏ trong nhà máy lọc dầu, từ phân đoạn xăng nhẹ đến phân đoạn cặn. Bên cạnh sản
phẩm chính là phân đoạn tương ứng với phân đoạn nguyên liệu chứa hàm lượng tạp
chất thấp, trong quá trình còn có một lượng nhất định các sản phẩm nhẹ hơn nguyên
liệu do các phản ứng hydrocracking.
Xúc tác cho quá trình hydrotreating gồm có hai phần: chất mang oxit và pha
hoạt tính. Chất mang oxit thường được sử dụng là γ oxit nhôm và pha hoạt tính là
các sunfua của các kim loại Mo, W được tăng cường họat tính bởi Ni, Co.

Trang 23

Luận văn Cao học

CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT DẦU THÔ
2.1. Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất
Chưng là phương pháp tách hỗn hợp chất lỏng (cũng như hỗn hợp khí đã hóa
lỏng) thành những cấu tử riêng biệt, dựa trên độ bay hơi khác nhau của các cấu tử
trong hỗn hợp.
Tuỳ theo biện pháp tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình
thành chưng cất đơn giản, chưng cất phức tạp, chưng cất nhờ cấu tử bay hơi, hay
chưng cất chân không.
 Chưng cất đơn giản:
Chưng cất bay hơi dần dần: phương pháp này thường áp dụng trong các
phòng thí nghiệm, dùng để xác định đường cong chưng cất dầu.
Chưng cất bằng cách bay hơi một lần: phương pháp này còn gọi là bay hơi
cân bằng.
Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần: gồm nhiều quá trình chưng cất bay
hơi một lần nối tiếp nhau.
 Chưng cất phức tạp:
Chưng cất có hồi lưu: là quá trình chưng cất khi lấy một phần chất lỏng
ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay trở lại tưới vào dòng bay hơi, nhờ sự tiếp xúc đồng
đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng và pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại
được làm giàu thêm các cấu tử nhẹ so với khi không có hồi lưu. Việc hồi lưu lại
chất lỏng được khống chế chặt chẽ về nhiệt độ và lượng hồi lưu.
Chưng cất có tinh luyện: chưng cất có tinh luyện còn có độ phân chia cao
hơn khi kết hợp với hồi lưu. Trong quá trình chưng cất có tinh luyện có sự trao đổi
chất nhiều lần về cả hai phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều
nhau, quá trình này được thực hiện trong tháp tinh luyện nhờ các đĩa được bố trí
bên trong.

Trang 24