Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí mô phỏng phân xưởng chưng cất dầu thô (CDU) và áp dụng pinch technology để đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Khoa : HOÁ KỸ THUẬT
Bộ môn : Kỹ thuật Dầu Khí
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên :

ĐOÀN VĂN HIẾU

Lớp

:

10H5

Ngành

:

Công nghệ Hoá Học – Dầu và Khí

Khoá :16

1- Tên đề tài : Mô phỏng phân xưởng Chưng cất Dầu thô (CDU) và áp dụng Pinch
Technology để đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt.
2- Nội dung các phần thuyết minh, mô phỏng và tính toán :
- Số liệu đồ án: Tham khảo sơ đồ công nghệ của phân xưởng CDU theo số liệu
của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn
- Tổng quan lý thuyết về kỹ thuật Pinch ứng dụng trong Công nghệ Hóa học.
- Giới thiệu về Nhà máy Lọc dầu Ngi sơn và Phân xưởng CDU.
- Khai thác số liệu phục vụ quá trình mô phỏng toàn bộ phân xưởng CDU.
- Đánh giá kết quả mô phỏng.
- Trích xuất số liệu phục vụ mô phỏng đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt của phân
xưởng CDU
- Phân tích đánh giá hiệu quả thu hồi nhiệt của phân xưởng CDU hiện hành.
- Đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu quả thu hồi nhiệt của phân xưởng.
- Kết luận và Kiến nghị
3- Các bản vẽ và đồ thị : Đủ để diễn tả các kết quả nghiên cứu được.
4- Ngày giao nhiệm vụ :

02-02-2015

5- Ngày hoàn thành nhiệm vụ :

31-05-2015

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 1

SVTH: Đoàn Văn Hiếu

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Thông qua Bộ môn

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Ngày….. tháng….. Năm 2015

(Ký và ghi rõ họ tên)

TỔ TRƯỞNG BỘ MÔN

GVC. TS. Lê Thị Như Ý

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 2

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

MỤC LỤC

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 3

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Các quá trình trong công nghệ hóa học như: Chưng cất, phản ứng hóa học, trích
ly…cần phải được cung cấp một lượng năng lượng cần thiết để quá trình xảy ra đạt
hiệu quả và đảm bảo thu được các sản phẩm có chất lượng tốt đáp ứng nhu cầu thị
trường. Dòng sản phẩm ra khỏi các thiết bị của quá trình thường có nhiệt độ cao và cần
được làm lạnh để đưa vào kho lưu trữ trước khi đưa đi phân phối đến nơi tiêu thụ. Tất
cả chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh đều được tính vào giá thành của một
đơn vị sản phẩm vì vậy nếu chi phí cho quá trình đun nóng và làm nguội đắt tiền thì
sản phẩm bán ra thị trường có giá cao, tính cạnh tranh thấp. Vì vậy, tiết kiêm năng
lượng tiêu thụ là một vấn đề rất quan trọng có ảnh hưởng lớn đến lợi nhuận và sự tồn
tại của nhà máy. Để làm được việc này, chúng ta cần phải thiết kế hệ thống trao đổi
nhiệt để tận dụng nhiệt của các dòng nóng để gia nhiệt nguyên liệu làm gảm chi phí
cho quá trình đun nóng và làm nguội.
Hiện nay, người ta dùng kỹ thuật Pinch technology để thiết kế hệ thống trao đổi
nhiệt, nhằm tận dụng tối đa lượng nhiệt có thể thu hồi được từ quá trình qua đó làm
giảm chi phí cho quá trình đun nóng và làm lạnh, tiến đến làm giảm chi phí tổng của
quá trình.

Kỹ thuật Pinch technology cung cấp cho người thiết kế một công cụ thuận tiện
để phân tích quá trình thu hồi nhiệt tại các nhà máy hóa chất, hóa dầu và đặt biệt là
trong lĩnh vực lọc dầu. Bằng cách xây dựng đường tổ hợp (Composite curve và Grand
composite curve) cho các dòng công nghệ nóng và nguội trong quá trình, kỹ thuật
Pinch technology giúp chúng ta tính toán lượng nhiệt cần cấp thêm vào hay lấy bớt ra
khỏi quá trình một cách dễ dàng thông qua lựa chọn giá trị Dtmin thích hợp của hệ
thống trao đổi nhiệt.
Đề tài của tôi là: “Mô phỏng phân xưởng Chưng Cất Dầu Thô và Áp dụng
Pinch technology để đánh giá hệ thống thu hồi nhiệt ”, trên cơ sở kiến thức cơ bản
của kỹ thuật Pinch, ứng dụng phần mềm Aspen HX – Net, Excel tôi đã hoàn thành đồ
án này. Đồ án bao gồm 2 phần chính:
− Mô phỏng phân xưởng Chưng cất Dầu Thô(CDU) trên hysys
− Ứng dụng kỹ thuật Pinch và phần mềm Aspen HX – Net để tính toán
lượng nhiệt thu hồi của phân xưởng CDU.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS. TS Nguyễn Đình Lâm đã giúp tôi
hoàn thành đồ án này đúng hạn.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 4

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Trong quá trình làm, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu sót là
điều khó tránh khỏi. Rất mong sự đóng góp ý kiến của thầy cô giáo và các bạn để đề

tài được hoàn thiện hơn.
Đà nẵng, ngày 09 tháng 6 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Đoàn Văn Hiếu

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 5

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY LỌC
DẦU NGHI SƠN
1.1 Giới thiệu
Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn, Việt Nam thuộc khu kinh tế Nghi Sơn, nằm ở phía
Nam tỉnh Thanh Hóa, cách Hà Nội 200km, có đường bộ và đường sắt Quốc gia chạy
qua, có cảng biển nước sâu cho tàu có tải trọng đến 30.000 DWT (Dead Weight Ton)
cập bến. Khu kinh tế Nghi Sơn được đánh giá là trọng điểm phát triển phía Nam của
Vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ, đồng thời là cầu nối giữa vùng Bắc Bộ với Trung Bộ,
với thị trường Nam Lào và Đông Bắc Thái Lan.
Mục tiêu cụ thể của việc xây dựng nhà máy lọc dầu Nghi Sơn do chính phủ đề
xuất là:
-

Đáp ứng nhu cầu thị trường và a ninh năng lượng.

Cung cấp nguyên liệu để phát triển nghành công nghiệp hóa dầu.
Đóng góp vào sự phát triển kinh tế của khu vực phía bắc và đảm bảo sự phát
triển đồng đều của cả nước.

1.2 Công suất thiết kế và nhu cầu sản phẩm thương mại của nhà máy
Dự án này có tổng mức đầu tư lên tới 9 tỷ USD và có công suất 9.6 triệu tấn
dầu thô trong một năm giai đoạn đầu và có thể nâng cấp lên 10 triệu tấn dầu thô một
năm. Chủ đầu tư này là một công ty liên doanh gồm: Tập đoàn Dầu khí Việt Nam
(PVN) (25,1% vốn), Công ty Dầu mỏ Kuwait (KPI) (35,1%), Công ty Idemitsu Kosan
Co (IKC) (35,1%) và Công ty Hóa chất Mitsui Chemicals Inc (MCI) 4,7%. Liên danh
nhà thầu EPC do công ty JGC Corporation (Nhật Bản) đứng đầu và các nhà thầu:
Chiyoda Corporation (Nhật Bản), GS Engineering & Construction Corporation (Hàn
Quốc), SK Engineering & Construction Co., Ltd (Hàn Quốc), Technip France (Pháp),
và Technip Geoproduction (M) Sdn. Bhd (Malaysia).
Nhà máy được thiết kế cung cấp các sản phẩm thương mại:
-

2,3 triệu tấn xăng dầu với 3 loại khác nhau: RON92, RON95 và RON98.
3,7 triệu tấn dầu diesel, 400.000 tấn polypropylene.
600.000 tấn nhiên liệu phản lực JET A1.
1 triệu tấn khác hóa dầu và 0,5 triệu tấn LPG.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 6

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

1.3 Nguồn nguyên liệu được sử dụng cho nhà máy lọc dầu Nghi Sơn
1.3.1 Các đặc tính dầu thô từ Kuwait
Là dầu thô trung bình (d = 0,876 và oAPI = 29,9) và có hàm lượng lưu huỳnh cao
(2,65%wt). Do đó, trong quá trình xử lý, dầu thô cần được xử lý để tạo sản phẩm có
chất lượng tốt.
Hàm lượng kim loại nặng trong dầu là tương đối cao. Ví dụ, hàm lượng Nikel là
10,1 ppm, Vanadium là 31,1 ppm và sắt 0,7 ppm. Với nồng độ kim loại như vậy, nó sẽ
có hại cho quá trình sản xuất bởi vì sự hiện diện của các kim loại này gây ngộ độc chất
xúc tác, hư hỏng thiết bị và giảm chất lượng sản phẩm.
Hàm lượng nitơ trong khoảng 372 ppm, đó là có khả năng gây ngộ độc chất xúc
tác và giảm độ ổn định của dầu trong quá trình bảo quản.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 7

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Một số đặc tính của dầu thô Kuwait được cho trong bảng 1.1
Bảng 1.1 Tóm tắt một số đặc tính của dầu thô Kuwait [1]
N0

Đơn vị

Giá trị

-

0.8765

API

-

29.9

d154

kg/dm3

0.8760

2

Hàm lượng Lưu huỳnh

%m

2.65

3

Hàm lượng Nước

%V

0.00

4

Áp suất hơi bão hòa Reid (RVP)

Kpa

26.2

5

Hàm lượng H2S

Ppm

<1

6

KUOP

-

11.84

7

Asphaltenes

%m

2.5

8

Hàm lượng Sodium

Ppm

3.3

9

Hàm lượng Sắt

Ppm

0.7

10

Hàm lượng Vanadium

Ppm

31.1

11

Hàm lượng Nickel

Ppm

10.1

12

Hàm lượng Nitơ

Ppm

372.0

13

Cặn carbon conradson

%m

6.11

14

Chỉ số Acid tổng

mgKOH/g

0.045

Độ nhớt ở 20oC

CSt

22.73

Độ nhớt ở 50oC

CSt

8.88

Hàm lượng sáp

%m

3.8

Tỉ trọng tiêu chuẩn (SG)
1

15
16

o

1.4 Các sản phẩm thương mại của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn
Theo dự kiến, trong năm 2017, nhà máy lọc dầu Nghi Sơn sẽ đi vào vận hành
thương mại. Không giống như các sản phẩm khác, các sản phẩm nhiên liệu (LPG,
xăng, Jet A1, diesel, FO, ...) thường thay đổi theo thời gian và ngày càng nghiêm ngặt,
do sự quan tâm ngày càng cao đối với môi trường và y tế cộng đồng. Do đó, các tiêu
chuẩn chất lượng của Việt Nam không thể áp dụng cho dự án. Thay vào đó phải xây
dựng các tiêu chí tiêu chuẩn chất lượng của sản phẩm dựa trên các tiêu chuẩn Euro 3,
Euro 4 để thực hiện dự án trong khi vẫn đảm bảo hiệu quả kinh tế của dự án.
GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 8

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Các sản phẩm thương mại của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn là:
-

Các sản phẩm năng lượng: LPG, xăng dầu, Kerosene, Jet A1, diesel, FO.
Các sản phẩm phi năng lượng: benzen, paraxylene, polypropylene và lưu
huỳnh.

1.4.1 Các sản phẩm năng lượng
• Khí hóa lỏng ( LPG)
Khí hóa lỏng (LPG) được tách ra từ phần nhẹ của chưng cất dầu thô, là hỗn hợp
của propane (C3) và Butan (C4) có tỷ lệ C3/C4 là 7:3 hoặc 5:5 tùy thuộc vào điều

kiện sử dụng. Ngoài ra, hỗn hợp có thể chứa lên đến 0,5% các hydrocarbon nhẹ khác
như butadien.
Tỷ lệ C3/C4 là một yếu tố quan trọng để đánh giá sự an toàn của LPG khi nó được
sử dụng như nhiên liệu hoặc nhiên liệu.
Một số tiêu chí cơ bản để đánh giá chất lượng của LPG nhà máy lọc dầu Nghi Sơn
đưa ra trong Bảng 1.2.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 9

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Bảng 1.2 Các tiêu chuẩn đánh giá chất lượng của LPG
Tiêu chuẩn

Phương pháp

Tỷ trọng (ở 15oC), kg/l

0,5

ASTM D1657

Áp suât hơi Reid (RVP) , kPa

1430

ASTM D1267

Hàm lượng lưu huỳnh, mg/kg

≤100

ASTM D2784

Mercaptan, ppm

≤20

ASTM D3227

Propan, %vol, max

20-50

ASTM D2163

• Xăng
Thành phần chủ yếu là hydrocarbon từ C 5 đến C11, tương ứng với nhiệt độ sôi
thấp hơn 180oC. Tùy thuộc vào nguồn gốc của dầu thô mà thành phần họ hydrocarbon
(paraffin, naphtene, aromatic) trong xăng là khác nhau. Ngoài ra, còn tồn tại tạp chất
như nitơ, lưu huỳnh và oxy. Nhà máy lọc dầu luôn luôn quan tâm đến các hợp chất lưu
huỳnh, đặc biệt là mercaptan (RSH).
Chỉ số octan là các đặc điểm kỹ thuật quan trọng nhất đối xăng. Hiện nay, xăng

RON95 chiếm lĩnh một phần không đáng kể trong thị trường Việt Nam, tuy nhiên, nhu
cầu đối với loại xăng này sẽ tăng đáng kể trong tương lai và sau năm 2015 sẽ thống trị
thị trường xăng dầu. Tiết kiệm nhiên liệu RON98 sẽ được giới thiệu do việc sử dụng
các siêu xe. Do đó, các nhà máy lọc dầu Nghi Sơn được quy hoạch để sản xuất ba loại
xăng: RON92, RON95 và RON98.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 10

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Bảng 1.3 Các tiêu chuẩn chất lượng của xăng không Chì
Xăng không Chì
92
95
98

Tiêu chuẩn
Chỉ số Octane, min.
- Research Octane Number (RON)
- Motor Octane Number (MON)

92
82

95
85

Hàm lượng Chì, g/l, max

0

Hàm lượng lưu huỳnh, ppm, max

50

Hàm lượng Benzene

1

RVP, kPa

43-75

Tỷ trọng (ở 15oC), kg/l

0,72-0,76

98
88

Phương pháp đo
TCVN 2703:2002
ASTM D2699

ASTM D2700
TCVN 7143:2002
ASTM D3237
TCVN 6701:2000
ASTM D5453
TCVN 6703:2000
ASTM D4420
TCVN 7023:2002
ASTM D4953
TCVN 6594:2000
ASTM D1298

• Nhiên liệu phản lực (JA1)
Động cơ phản lực làm việc ở điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ và áp suất thấp ở
độ cao rất cao. Vì vậy, thông số kỹ thuật của nhiên liệu chặt chẽ hơn tất cả các loại
nhiên liệu khác.
Bảng 1.4 Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu phản lực JET A1
Tiêu chuẩn

Phương pháp đo

Hàm lượng lưu huỳnh, %kl, max

0,1

TCVN 2708:2002, ASTM D1266-98

Mercaptan, %kl, max

0,003

ASTM D3227

Tỷ trọng (ở 15oC), kg/l

0,775-0,84

TCVN 6594:2002, ASTM D1298

Điểm chớp cháy, oC

38

TCVN 6608:2002, ASTM D3828

Điểm đóng băng, oC

-47

TCVN 7170:2002, ASTM D2386

• Gazole
Bảng 1.5 Các tiêu chuẩn chất lượng của nhiên liệu Diesel
Tiêu chuẩn

Đơn vị

Lưu huỳnh

wt ppm

Chỉ số Cetane
Phần cất

50%

o

C

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

50>/350>
4850Trang 11

Phương pháp đo
TCVN 6701:2000
ASTM D2622/ D5433
ASTM D976/ D613
TCVN 2698:2002
SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

90%

95%

360>
o

C

55<

Độ nhớt động học
(40 oC)

cSt

2∼4.5

Cặn Conradson

wt%

0.2>

Điểm chảy

oC

6>

Hàm lượng tro

wt%

0.01>

Nước
Nước và tạp chất
Tạp chất

mg/kg
vol%
mg/l

100>
10

Tỷ trọng (15 oC)

kg/l

1>

Màu
Độ ổn định OXH

mg/100ml

2>
2.5>

Điểm chớp cháy

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 12

ASTM D86
TCVN 6608:2000
ASTM D3828/ D93
TCVN 3172:2003
ASTM D445
TCVN 6324:1997
ASTM D189/ D4530
TCVN 3753:1995
ASTM D97
TCVN 2690:1995
ASTM D 482
ASTM E 203
ASTM D2709
ASTM D 2276
TCVN 2694:2000
ASTM D 1298/ D4052
ASTM D 1500
ASTM D 2274

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

• Dầu FO( Fuel oil)
FO là một sản phẩm nặng của nhà máy lọc dầu có điểm sôi cao hơn 350 oC.
Phân loại FO dựa vào hai tiêu chí là độ nhớt và hàm lượng lưu huỳnh.
Bảng 1.6 Tiêu chuẩn chất lượng của FO
Tiêu chuẩn

Đơn vị

Lưu huỳnh

wt%

1.0>

Tỷ trọng (15oC)

Kg/l

0.991>

Độ nhớt động học
(50oC)

cSt

380>

o

C

24>

Hàm lượng tro

wt%

0.15>

CCR

wt%

16>

Điểm chảy

o

C

66<

Nước

vol%

1.0>

Tạp chất
Nhiệt trị
Vanadium
Natri

wt%
cal/g
wtppm
wtppm

0.15>
9800<
200>
100>

Điểm chớp cháy

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 13

Phương pháp đo
TCVN 6701:2000
(ASTM D2622)/ D129/
D4294/
TCVN2708:2002
(ASTM D 1266-98)
TCVN 6594:2000
ASTM D1298
TCVN 3171:2003

ASTM D445
TCVN 3753:1995
ASTM D97
TCVN 2690:1995
ASTM D482
TCVN 6324:2000
ASTM D 189/ D4530
TCVN 6608:2000
ASTM D3828/ D93
TCVN 2692:1995
ASTM D95
ASTM D473
ASTM D240/ D4809
ASTM D5863
ASTM D 5863

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

1.4.2 Sản phẩm phi năng lượng
• Benzene
Benzene được sử dụng làm nguyên liệu thô cho việc xử lý các sợi polyamide và
capron, nylon, cao su tổng hợp và nhựa dựa trên phenol, thuốc nhuộm, dược phẩm, ...
Bảng 1.7 Các tiêu chuẩn chất lượng của Benzene
Tiêu chuẩn

Phương pháp đo

Độ tinh khiết, %wt

99,9>

ASTM D4492

Hàm lượng lưu huỳnh, ppm

1,0<

ASTM D1685

Tỷ trọng (15oC), kg/l

0,882-0,886

ASTM D4052

• PolyPropylene
Đây là nguyên liệu chính cho công nghiệp sản xuất các loại vật liệu tổng hợp.
Vật liệu xây dựng Polypropylene dần dần thay thế các vật liệu truyền thống như gỗ,
kim loại, gốm sứ, ...
Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn về chất lượng của các sản phẩm
nhựa như polypropylene (PP). Ở nhà máy lọc dầu Nghi Sơn, polypropylene đặc điểm
kỹ thuật chủ yếu là độ tinh khiết của sản phẩm đạt 99,5%
• Lưu huỳnh
Lưu huỳnh được thu hồi từ khí acid có chứa hàm lượng lưu huỳnh (H2S, COS,
CS2). Lưu huỳnh có rất nhiều ứng dụng quan trọng trong một số lĩnh vực của ngành

công nghiệp như:
Dưới 10% của lưu huỳnh được sử dụng để sản xuất cao su lưu hóa, dược phẩm,
thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, ...

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 14

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Chương 2

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

TỔNG QUAN VỀ PHÂN XƯỞNG CDU CỦA

NH MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN
2.1 Phân xưởng CDU của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn và cơ sở thiết kế
2.1.1 Mục đích của quá trình
Mục đích chính của CDU là phân tách sơ bộ dầu thô thành các phân đoạn riêng
biệt ở áp suất khí quyển thành các phân đoạn có nhiệt độ sôi bé hơn. Có thể sử dụng
làm sản phẩm hoặc bán sản phẩm, làm nguyên liệu cho các phân xưởng chuyển quá
tiếp theo.
2.1.2 Mô tả quá trình
Quá trình phân tách thực hiện trong tháp chưng cất khí quyển, có thiết bị ngưng
tụ đỉnh nhưng không có thiết bị đun sôi lại ở đáy tháp, hoạt động dưới áp suất từ 1÷ 3
(barg). Các dòng sản phẩm được trích ra từ các tháp tách cạnh sườn (strippers), các

tháp strippers gồm:
Strippers KEROSENE, AGO: dùng hơi nước quá nhiệt để bay hơi các cấu tử nhẹ
của các dòng sản phẩm KEROSENE, AGO.
Các phần nhẹ bay hơi từ các Strippers được đưa lại tháp chính tại vị trí phía trên
đĩa lấy sản phẩm (Draw-off tray).
Dầu thô lạnh được nâng nhiệt sơ bộ thông qua các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng
nhiệt thu hồi từ các sản phẩm và từ các dòng hồi lưu tuần hoàn đến nhiệt độ tách muối
(nhiệt độ này phụ thuộc vào tỉ trọng API của dầu thô, nằm trong khoảng 110 oC-140oC),
tại nhiệt độ này dầu thô được khử muối. Công đoạn này được thực hiện ở áp suất đủ
lớn (khoảng 12 bar) nhằm mục đích giữ cho hỗn hợp dầu thô và nước tồn tại ở trạng
thái lỏng tại nhiệt độ mong muốn. Dầu thô sau khi tách muối sẽ tiếp tục được nâng
nhiệt thông qua các thiết bị trao đổi nhiệt khác nhằm thu hồi tối đa lượng nhiệt từ các
dòng sản phẩm có nhiệt độ sôi cao hơn đến nhiệt độ khoảng 200°C thì được đưa vào
tháp tiền bốc hơi (Flash) để tách phần hơi trong dầu thô, giảm một phần chi phí và
kích thước lò đốt. Sau đó đưa vào lò đốt nhằm tăng nhiệt độ của dầu thô lên đến nhiệt

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 15

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

độ mong muốn (khoảng 340-360oC) và đưa vào tháp phân tách chính. Hơi tại đỉnh
tháp được ngưng tụ thông qua hệ thống làm nguội bằng quạt rồi vào bình hồi lưu. Tại
đây dòng naphtha lấy ra sẽ được đưa qua tháp ổn định xăng trong phân xưởng thu hồi

LPG nhằm loại bỏ các thành phần nhẹ và nước. Các dòng sản phẩm tách cạnh sườn sẽ
qua các thiết bị strippers để loại bỏ các thành phần nhẹ (dùng hơi nước hoặc thiết bị
đun sôi lại). Phần nhẹ tách ra sẽ quay về thân tháp (đây được coi là dòng hồi lưu trung
gian), còn phần nặng được xem là sản phẩm của phân xưởng. Các sản phẩm sau đó
được làm lạnh bằng cách trao đổi nhiệt với dầu thô ban đầu và được đưa đi phối trộn,
lưu trữ trung gian hoặc được xử lý tiếp.
2.2 Cơ sở thiết kế [1]
2.2.1 Mục đích thiết kế
Thiết kế của CDU phải phù hợp với mục tiêu của toàn bộ nhà máy lọc dầu, đó là
tối đa các phần cất và tối thiểu cặn. Thiết kế phải linh động trong sản xuất sản phẩm,
cho phép sự thay đổi nhỏ trong chất lượng nguyên liệu.
Có hai trường hợp thiết kế và sản xuất kerosene được thiết kế để đảm bảo tiêu
chuẩn của cả kerosene dùng trong nhiên liệu phản lực và kerosene dùng trong mục
đích khác. Tuy nhiên, điểm chớp cháy của sản phẩm kerosene và tiêu chuẩn ASTMD86 IBP sẽ đạt được tại phân xưởng KHDS.
Thiết kế kết hợp các đặc điểm về sử dụng năng lượng tối ưu và thu hồi nhiệt phù
hợp với sự phân tách sản phẩm.
Phân xưởng sản xuất ra các dòng sau:
-

Dòng khí đỉnh được đưa đến phân xưởng thu hồi LPG
Dòng Naphtha chưa ổn định được đưa đến phân xưởng thu hồi LPG cho

-

các quá trình tiếp theo.
Dòng Kerosene được đưa đến phân xưởng KHDS hoặc to Slops trong

-

trường hợp KHDS ngừng hoạt động.

Dòng gas oil được đưa đến phân xưởng GOHDS hoặc bể chứa trung gian

-

GOHDS.
Dòng cặn khí quyển được đưa nóng đến phân xưởng RHDS cho quá trình
xử lý tiếp theo hoặc được chứa trung gian.

Phân xưởng có thể nhận các dòng sau

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 16

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp
-

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Dòng naphtha kết hợp từ phân xưởng KHDS và GOHDS vào bình tách
đỉnh của tháp chưng chưng cất dầu thô.

2.2.2

Các nguồn nguyên liệu thiết kế
Nguồn nguyên liệu cho thiết kế cơ bản của CDU là 100% dầu thô Kuwait xuất
khẩu.

Lượng nước tối đa có trong dầu thô là 0.5% thể tích.
Năng suất của CDU cho 85% thể tích lỏng dầu thô Kuwait và 15% thể tích lỏng
dầu thô Murban là 200000 BPSD.
2.2.3

Các trường hợp thiết kế

2.2.3.1 Trường hợp thiết kế cơ bản
CDU được thiết kế cho các điểm cắt cho TBP và các tiêu chuẩn sản phẩm như
bảng sau.
Overflash được xác định là 5%.
Bảng 2.8 Các điểm cắt của sản phẩm của CDU
Điểm cắt TBP (oC)

Các sản phẩm

Naphtha/ Kerosene
Kerosene/ Gas Oil
Gas Oil/ Atm. Residue

Cơ bản/
Hồi lưu lạnh/
Murban
(chú ý 1)
165
220
360

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Tối đa Kero

Tối thiểu Kero

160
224
360

176
220
360

Trang 17

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Bảng 2.9 Tiêu chuẩn của sản phẩm
Tiêu
chuẩn sản
phẩm
(chú ý 1)

Các sản phẩm

Cơ bản

(chú ý 3)

Các trường hợp
Min
Max
Kero
Kero
(chú ý 3) (chú ý 3)

Murban
(chú ý 3)

Full Range Naphtha
ASTM D86 90% vol (oC)

155 max
(chú ý 5)

144

154

142

144

143

148

143

144

176
217
234

183
219
236

174
219
236

176
217
234

38

43

36

38

Kerosene
ASTM D86 IBP (oC)

ASTM D86 10% vol (oC)
ASTM D86 90% vol (oC)
ASTM D86 EP (oC)
Flash point ASTM D56/
D3828 (oC)
Atmospheric Gasoil

144 min
(chú ý 4)
205 max
230 max
300 max
38 min
(chú ý 4)

ASTM D86 90% vol (oC)

360 max
(chú ý 2)

350

360

360

348

Flash point ASTM D93/
D3828 (oC)

55 min

84

85

85

83

Bảng 2.10 Tiêu chuẩn của quá trình phân tách
Giá trị
(chú ý 2)

GAP
5% vol ASTM D86 Kerosene và 95% vol
ASTM D86 Naphtha trừ nguyên liệu
5% vol ASTM D86 Atm. Gas Oil và 95%
vol ASTM D86 Kerosene

5oC min.
0oC min.

Chú ý:
1. Tham khảo tiêu chuẩn sản phẩm Doc. 3550-8110-PD-0004.
2. Hiệu suất của CDU chỉ đảm bảo cho trường hợp cơ bản.
3. Dữ liệu đầu ra của mô phỏng CDU.
4. ASTM D86 (IBP) và điểm chớp cháy của Kerosene được đảm bảo trong phân
xưởng KHDS.

5. Tiêu chuẩn cần đạt được cho Naphtha và Aromatic Complex.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 18

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

2.2.3.2 Trường hợp tối thiểu Kerosene
CDU có thể tăng lượng sản xuất Naphtha để bù lại phần cất của kerosene để tối đa
lợi nhuận trong Aromatic Complex. Trường hợp này overflash được giảm từ 5 xuống
2.3%.
2.2.4

Các trường hợp kiểm tra
2.2.4.1 Trường hợp tối đa Kerosene
CDU có thể tăng lượng kerosene rút ra với chất lượng chấp nhận được để phù hợp
với thay đổi thị trường. Sự thay đổi tương ứng với 17% lớn hơn lượng sản xuất
kerosene trong trường hợp cơ bản.

2.2.4.2 Trường hợp hồi lưu lạnh
CDU có độ linh hoạt đề vận hành với 5% wt tỉ số hồi lưu lạnh (naphtha lạnh/
lượng hồi lưu tuần hoàn đỉnh nóng). Phương pháp bao gồm dòng naphtha thô từ bình
tách đỉnh đưa đến dòng quay lại của hồi lưu tuần hoàn đỉnh.
CDU sẽ vận hành theo cách này trong suốt quá trình khởi động, rửa, off-design.

Các điểm cắt TBP như trong trường hợp cơ bản.
2.2.4.3 Trường hợp Murban
Thiết kế của CDU sẽ được kiểm tra cho nguyên liệu thay thế gồm 85% thể tích
lỏng dầu thô Kuwait xuất khẩu/ 15% thể tích lỏng dầu Murban. Các điểm cắt TBP như
ở trường hợp cơ bản.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 19

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Chương 3 MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG CHƯNG
CẤT KHÍ QUYỂN CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU
NGHI SƠN BẰNG PHẦN MỀM HYSYS
3.1 Cơ sở dữ liệu
3.1.1 Nguyên liệu
- Nguyên liệu của nhà máy lọc dầu Nghi Sơn là dầu thô Kuwait và dầu thô
Murban, tuy nhiên trong thiết kế cơ bản ta sử dụng 100% dầu thô Kuwait.
- Công suất: 200000 thùng/ngày = 9.66 triệu tấn/năm.
- Tổng số giờ làm việc trong năm: 8320 h/năm.
Các tính chất hóa lý của dầu thô Kuwait lấy theo kết quả phân tích của PetroTech
Intel năm 2004trong tập 3550-8110-PD-0003 Rev D3 (CRUDE OIL ASSAY) của
hãng Foster Wheeler Energy LTD.
Bảng 3.1 Một số tính chất của dầu thô Kuwait

Tỉ trọng
Tỉ trọng tiêu chuẩn
Khối lượng riêng
Hằng số Kw
15.5 oC
Độ nhớt

20 oC
37.8 oC
40 oC
50 oC
60 oC

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Đơn vị
API
60/60
Kg/dm3

Dầu thô
29.9
0.8765
0.8760
11.84

cSt
cSt
cSt

cSt
cSt
cSt

Trang 20

22.73
11.41
8.88

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

 Đường cong TBP:
Bảng 3.2 Số liệu đường cong TBP của dầu thô Kuwait.
Nhiệt độ sôi(°C)

% thể tích

70

7.53

85

9.58

150

19.40

225

31.02

285

40.34

345

49.66

415

60.03

490

70.08

565

78.43

Hình 3.1 Đường cong TBP của dầu thô Kuwait.



Thành phần Hydrocarbon nhẹ (Lightends)

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 21

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

Bảng 3.3 Số liệu các thành phần nhẹ của dầu thô Kuwait
Cấu tử
C2
C3
iC4
nC4
iC5
nC5
Cyclopentan
n-C6
2-Methylpentane
3-Methylpentane
2,2-Dimethylbutane
2,3-Dimethylbutane

Methylcyclopentane
Tổng

% thể tích
0.007
0.483
0.318
0.700
0.156
0.083
0.000
0.001
0.001
0.001
0.000
0.000
0.000
1.75

Các giá trị của dầu thô Kuwait:
-

o

API: 29.9
Tỷ trọng tiêu chuẩn: d6060 = 0.8765

3.1.2 Các sản phẩm của phân xưởng CDU
Các sản phẩm chính: Naphtha tổng, Kerosene, Gasoil và cặn chưng cất khí
quyển.

Điểm cắt các sản phẩm
Products

Naphtha/ Kerosene
Kerosene/ Gasoil
Gas Oil/ Atm.
Residue
•

Base Case/ Cold
Reflux / Murban
Case
165
220
360

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

TBP cut point(0C)
Maximum Kero
Case

Minimum Kero
Case

160
224
360

176

220
360

Trang 22

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

• Yêu cầu về chỉ tiêu sản phẩm [1]

Các sản phẩm

Tiêu
chuẩn sản
phẩm
(chú ý 1)

Cơ bản
(chú ý 3)

Các trường hợp
Min
Max
Kero
Kero
(chú ý 3) (chú ý 3)

Murban
(chú ý 3)

Full Range Naphtha
ASTM D86 90% vol (oC)

155 max
(chú ý 5)

144

154

142

144

143

148

143

144

176
217
234

183
219
236

174
219
236

176
217
234

38

43

36

38

Kerosene
ASTM D86 IBP (oC)
ASTM D86 10% vol (oC)
ASTM D86 90% vol (oC)
ASTM D86 EP (oC)
Flash point ASTM D56/
D3828 (oC)
Atmospheric Gasoil

144 min

(chú ý 4)
205 max
230 max
300 max
38 min
(chú ý 4)

ASTM D86 90% vol (oC)

360 max
(chú ý 2)

350

360

360

348

Flash point ASTM D93/
D3828 (oC)

55 min

84

85

85

83

• Yêu cầu về độ phân tách
Giá trị
(chú ý 2)

GAP
5% vol ASTM D86 Kerosene và 95% vol
ASTM D86 Naphtha trừ nguyên liệu
5% vol ASTM D86 Atm. Gas Oil và 95%
vol ASTM D86 Kerosene

5oC min.
0oC min.

3.2 Mô phỏng bằng phần mềm Aspen Hysys V7.2
Dựa vào bảng vẽ PFD của Foster Wheeler trong bộ FEED, tôi tiến hành xây
dựng sơ đồ mô phỏng phân xưởng chưng cất khí quyển CDU.
Dưới đây là thứ tự mô phỏng CDU sử dụng nguyên liệu là dầu thô Kuwait từ lúc
dầu thô bắt đầu vào nhà máy, tiền gia nhiệt, tách muối vào tháp chính. Tuy nhiên, với
các dòng lỏng lấy ra ở Pumparound, thực tế được tận dụng nhiệt để sử dụng vào việc
khác như đun nóng dầu thô. Nhưng trong quá trình mô phỏng để tô trọng cân bằng vật
chất và chỉ tiêu về độ phân tách như theo thiết kế ở Base Case buộc phải thay đổi các
công suất nhiệt của PA2, PA3, PA4 thấp hơn trong Base Case nhưng vẫn còn nằm
trong phạm vi cho phép.

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 23

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

3.2.1 Chọn mô hình nhiệt động
Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp là một bước rất quan trọng trong quá
trình mô phỏng, nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của quá trình tính toán.
Mỗi mô hình cho phép tính toán các thông số:
-

Hằng số cân bằng pha K: thể hiện sự phân bố các cấu tử giữa các pha ở điều

-

kiện cân bằng
Enthalpy của các pha lỏng và hơi: là năng lượng cần thiết để chuyển một hệ
từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái nhiệt động khác, nhằm phục vụ
tính toán chính xác các quá trình nén, giản nỡ và năng lượng tự do tối thiểu

-

ở các thiết bị phản ứng
Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi: để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực
và xác định kích thước tháp chưng cất

Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa cào các yếu tố:

-

Thành phần của hỗn hợp
Phạm vi nhiệt độ và áp suất
Tính sẵn có của các thông số vận hành thiết bị

Đối với các hệ dầu khí có thể chọn các hệ nhiệt động như như SRK, PengRobinson hay GS
Từ những yếu tố trên, kết hợp với sử dụng sơ đồ J4 ta chọn mô hình nhiệt động
Peng-Robinson, ở đây có xét đến quá trình ngưng tụ hơi nước cho hệ thống ngưng tụ
sản phẩm đỉnh và tách pha lỏng hơi.
3.2.2 Khai thác số liệu từ các bản vẽ
Để mô phỏng quá trình chúng ta cần xây dựng một mô hình lí thuyết căn cứ vào
các số liệu của mô hình thực tế. Những số liệu trong các bản vẽ PFD trong tài liệu của
Foster Wheeler Energy LTD về cấu trúc của tháp: số đĩa, vị trí lấy ra và đưa vào của
các side column và tháp Stripping… đều là số liệu thực tế. Chẳng hạn về số đĩa của
tháp, Hysys sẽ mô phỏng dựa trên số đĩa lí thuyết. Vì vậy nếu chúng ta muốn có một
mô hình chính xác và có độ tin cậy thì cần phải xác định được hiệu suất đĩa của tháp
và từ đó đưa ra số đĩa lí thuyết phù hợp cho tháp. Giả sử ta xem hiệu suất đĩa là 100%
thì số đĩa lí thuyết trong mô hình Hysys chính bằng số đĩa thực tế của tháp. Tuy nhiên,
hiệu suất đĩa trong thực tế sản xuất rất khó đạt được 100%. Do đó số đĩa lí thuyết
thường nhỏ hơn số đĩa thực tế. Vì thế nếu ta chọn số đĩa lí thuyết quá ít hoặc quá nhiều
GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 24

SVTH: Đoàn Văn Hiếu


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Hóa – Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng

thì kết quả tính của Pro/II cũng sẽ không chính xác. Chất lượng các dòng sản phẩm sẽ
xấu hơn hoặc tốt hơn. Bởi vậy, khi chạy Pro/II cần phải so sánh với các chỉ tiêu trong
các tài liệu như Basic of Design, mass balance…
3.2.2.1 Lưu lượng nguyên liệu và các dòng sản phẩm chính
- Nguyên liệu: Dầu thô Kuwait, lưu lượng 1160700 (kg/h).
- Các sản phẩm:
Bảng 3.4: Lưu lượng các phân đoạn sản phẩm (Base case)
Sản phẩm
Khí và xăng
Kero
AGO
Residue

Lưu lượng (kg/h)
227822
89659
244792
626118

3.2.2.2 Các điều kiện vào trước tháp của dầu thô
Theo tài liệu PFD, dòng dầu thô ban đầu được bơm từ bể chứa có nhiệt độ
o
30 C và áp suất 1kPag đi vào hệ thống tiền gia nhiệt và đi tới thiết bị tiền bốc hơi (Pre
Flash Drum), sau đó mới đi vào tháp tách chính 010-C-001 với 2 dòng nhập liệu. Do
đó ta sẽ nhập số liệu cho dòng dầu thô với áp suất và nhiệt độ trước khi đi vào thiết bị
tiền bốc hơi (200oC và 695kPag). Sau đó dòng hơi đi qua một vavle giảm áp đạt áp
suất 117 kPag, dòng lỏng qua lò đốt đạt nhiệt độ 358 oC và áp suất 155kPag trước khi
đi vào tháp chính.

3.2.2.3 Thông số các dòng hơi nước quá nhiệt
Bảng 3.5 Thông số của hơi nước Stripping
Lưu lượng
kg/h

Nhiệt độ
o
C

Áp suất
kPag

Ghi chú

Steam
1

10300

175

340

Stripping đáy tháp
chính

Steam
2

7100

175

340

Stripping KER

Steam
3

3400

175

340

Stripping AGO

GVHD: PGS. TS. Nguyễn Đình Lâm

Trang 25

SVTH: Đoàn Văn Hiếu