Đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ chế biến dầu khí thiết kế phân xưởng xử lý khí axit bằng mono ethanol amine

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

LỜI CẢM ƠN
Sau ba tháng làm việc, nhóm em đã hoàn thành đề tài theo đúng thời hạn được
giao. Thành quả đạt được hôm nay là do sự nỗ lực của bản thân dưới sự hướng dẫn
giúp đỡ tận tình của các thầy cô, cùng sự động viên nhiệt tình từ gia đình và bạn bè.
Về phía nhà trường, nhóm em xin chân thành cám ơn lãnh đạo nhà trường cùng các
thầy cô thuộc bộ môn Công nghệ Hóa học Dầu và Khí, Khoa Hóa Kỹ Thuật – Đại học
Bách Khoa Đà Nẵng đã tạo điều kiện cũng như trang bị cho em những kiến thức nền
tảng trước khi được nhận đồ án tốt nghiệp. Đặc biệt, nhóm em xin gửi lời cảm ơn sâu
sắc nhất đến TS. Đặng Kim Hoàng đã hướng dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ nhóm em
trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp này.
Về phía bạn bè, cảm ơn tất cả những người bạn đã giúp đỡ em tháo gỡ những khó
khăn gặp phải khi làm đồ án.
Nhóm em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè của em những lời
chúc tốt đẹp nhất!
Đà Nẵng, tháng 05 năm 2015
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Tùng
Nguyễn Thành Nhung

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

i


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Đồ án bao gồm 4 chương và phần kết luận.
Chương 1: Tổng quan về xử lý khí axit trong nhà máy lọc: dầu giới thiệu chung về
nguồn gốc và tác hại, các phương pháp xử lý khí hydrosunfua, tầm quan trọng của việc
xử lý khí H2S trong nhà máy lọc dầu. Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý khí axit bằng
dung môi Mono Ethanol Amine ( MEA) gồm các phản ứng hóa học và các điều kiện
vận hành ảnh hưởng đến quá trình phản ứng và sản phẩm.
Chương 2: Thiết kế các thiết bị trong phân xưởng xử lý khí axit, bao gồm các thiết
bị chính như tháp hấp thụ C-01, tháp stripper C-02, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống
chùm E-02 dựa vào chỉ tiêu kỹ thuật của từng thiết bị, chỉ tiêu kỹ thuật của nguyên liệu
và yêu cầu chất lượng sản phẩm.
Chương 3: Thực hiện mô phỏng phân xưởng xử lý khí axit bằng phần mềm mô
phỏng Hysys.
Chương 4: Thực hiện đánh giá kết quả giữa tính toán thiết kế với kết quả mô phỏng
bằng phần mềm Hysys
Cuối cùng, phần kết luận nêu lên những nhiệm vụ mà đề tài đã giải quyết được,
chưa giải quyết được và đã được giải quyết thỏa đáng hay chưa.

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

2


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................ii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN........................................................................................................ii
MỤC LỤC.................................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH............................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.........................................................................................x
LỜI MỞ ĐẦU...............................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ KHÍ HYDROSUNFUA TRONG NHÀ MÁY
LỌC DẦU..................................................................................................................... 2
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HYDROSUNFUA (H2S)...........................................2
1.1.1 Tính chất vật lý...............................................................................................2
1.1.2 Các nguồn tạo ra khí axit................................................................................2
1.1.3 Tác hại của khí axit........................................................................................5
1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ AXIT..........................................................8
1.2.1 Hấp phụ..........................................................................................................8
1.2.2 Thẩm thấu......................................................................................................8
1.2.3 Chưng cất ở nhiệt độ thấp..............................................................................9
1.2.4 Hấp thụ...........................................................................................................9
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG PHÂN XƯỞNG XỬ LÝ
KHÍ HYDROSUNFUA...............................................................................................22
2.1 CÁC YẾU CẦN QUAN TÂM KHI THIẾT KẾ.................................................22
2.1.1 Các yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn công nghệ.........................................22
2.1.2 Các yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn chất hấp thụ cho quá trình làm ngọt
khí......................................................................................................................... 22
2.1.3. Những ưu điểm khi sử dụng dung môi MEA..............................................22
SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

3


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

2.2 THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ. (sơ đồ công nghệ trang sau)..............23
2.3 CÁC THÔNG SỐ CHÍNH TRONG PHÂN XƯỞNG XỬ LÝ KHÍ
HYDROSUNFUA BẰNG DUNG MÔI MEA.........................................................25
2.3.1 Tính chất của dòng nguyên liệu....................................................................25
2.3.2 Tiêu chuần dòng khí sản phẩm ở đỉnh tháp hấp thụ:....................................25
2.3.3 Tính chất của dung môi monoethanolamine (MEA):...................................25
2.3.4 Các thông số dùng trong quá trình tính toán:................................................25
2.4 THIẾT KẾ THÁP HẤP THỤ (C-01)..................................................................26
2.4.1 Số đĩa thực tế................................................................................................26
2.4.2 Chiều cao tháp hấp thụ.................................................................................30
2.4.3 Đường kính tháp hấp thụ..............................................................................31
2.4.4 Nhiệt độ dòng amine giàu (Rich amine).......................................................33
2.5 THIẾT KẾ THÁP STRIPPER (C-02).................................................................35
2.5.1 Thiết lập các thông số ở đỉnh tháp và đáy tháp.............................................35
2.5.2 Số đĩa thực tế của tháp stripper và chiều cao tháp........................................40
2.5.3 Tính công suất của các thiết bị trong phân xưởng........................................40
2.5.4 Tính lượng hơi cấp vào đáy tháp..................................................................43
2.5.5 Tính đường kính tháp stripper......................................................................44
2.6 THIẾT KẾ THIẾT BỊ TRAO ĐỔI NHIỆT (E-02).............................................47
2.6.1 Tính hệ số truyền nhiệt (Uo).........................................................................48
2.6.2 Tính tổn thất áp suất của dòng Lean amine đi trong ống..............................56
2.6.3 Tính tổn thất áp suất của dòng Rich amine đi ngoài ống..............................57
CHƯƠNG III: SỬ DỤNG PHẦN MỀM HYSYS MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG XỬ
LÝ KHÍ HYDROSUNFUA.........................................................................................59
3.1 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM HYSYS...................................................................59
3.1.1 Giới thiệu sơ lược về hysys..........................................................................59
3.1.2 Các ứng dụng của hysys...............................................................................60

3.1.3 Những ưu điểm của phần mềm hysys...........................................................60
3.1.4. Thao tác tính toán mô phỏng trong Hysys...................................................61

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

4


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

3.2 TIẾN HÀNH MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG XỬ LÝ KHÍ HYDROSUNFUA
CBẰNG MEA..........................................................................................................64
3.2.1 Chọn hệ đơn vị, chọn thành phần cấu tử và mô hình nhiệt động..................64
3.2.2 Tạo dòng nguyên liệu và dòng hồi lưu vào thiết lập tháp hấp thụ...............64
3.2.3 Mô phỏng thiết bị hấp thụ............................................................................65
3.2.4 Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt...................................................................67
3.2.5 Mô phỏng tháp Stripper................................................................................68
3.2.6 Sơ đồ phân xưởng xử lý khí axit bằng MEA................................................71
CHƯƠNG IV: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THIẾT KẾ - MÔ PHỎNG.............................72
4.1 THÁP HẤP THỤ (C-01)....................................................................................72
4.1.1 Kết quả tính toán tháp hấp thụ......................................................................72
4.1.2 Kết quả mô phỏng........................................................................................72
4.2 THÁP STRIPPER (C-02)...................................................................................73
4.2.1 Kết quả tính toán tháp Stripper.....................................................................73
4.2.2 Kết quả mô phỏng tháp Stripper...................................................................74
KẾT LUẬN.................................................................................................................75
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................76

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

5


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ nhà máy lọc dầu....................................................................................4
Hình 1.2 Thiết bị thẩm thấu...........................................................................................8
Hình 1.3 Sơ đồ công nghệ Flour..................................................................................16
Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ Selecsol..............................................................................18
Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ Purizol...............................................................................20
Hinh 2.1 Tháp hấp thụ bằng amine.............................................................................26
Hình 2.2 Đồ thị tra áp suất riêng phần H2S.................................................................29
Hình 2.3 Đồ thị xác định hằng số kf.............................................................................32
Hình 2.4 Tháp Stripper................................................................................................35
Hình 2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt E-02...........................................................................40
Hình 2.6 Đáy tháp stripper.........................................................................................43
Hình 2.7 Đồ thị xác định kf.........................................................................................46
Hình 2.8 Sơ đồ trao đổi nhiệt.....................................................................................47
Hình 2.9 Các bước tính toán một thiết bị trao đổi nhiệt..............................................48
Hình 2.10 Đồ thị xác định Ft.......................................................................................49
Hình 2.11 Đồ thị xác định khoảng trống chùm ống.....................................................51
Hình 2.12 Đồ thị tra hệ số truyền nhiêt jh ở trong ống................................................52
Hình 2.13 Đồ thị tra hệ số truyền nhiệt ngoài ống......................................................53
Hình 2.14 Đồ thị xác định hệ số ma sát trong ống......................................................56
Hình 2.15 Xác định hệ số ma sát ngoài ống...............................................................57

Hình 3.1 Thiết lập hệ đơn vị........................................................................................62
Hình 3.2 Chọn mô hình nhiệt động..............................................................................62
Hình 3.3 Lựa chọn cấu tử............................................................................................63
Hình 3.4 Môi trường mô phỏng trong Hysys...............................................................63
Hình 3.5 Thành phần các cấu tử mô hình nhiệt động trong hysys...............................64
Hình 3.6 Các thông số nhập vào tháp hấp thụ.............................................................66
Hình 3.7 Sử dụng công cụ Utilities nhập các thông số tháp C-01...............................66
Hình 3.8 Kết quả tính toàn tháp C-01 từ hysys............................................................66
Hình 3.9 Nhập thông số dòng vào ra thiết bị E-02......................................................67
Hình 3.10 Nhập tổn thất áp suất vào thiết bị...............................................................68
Hinh 3.11 Nhập nhiệt độ dòng Rich amine 3...............................................................68
SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

6


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Hình 3.12 Thiết Lập các thông số và cài đặt cho tháp Stripper...................................69
Hình 3.13 Sử dụng công cụ Utilities nhập các thông số tháp C-02.............................70
Hình 3.14 Kết quả tính toán tháp C-02 từ hysys..........................................................70
Hình 3.15 Sơ đồ công nghệ mô phỏng phân xưởng xử lý khí axit bằng dung môi MEA
..................................................................................................................................... 71

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

7

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các tính chất hóa lý của hydrosunfua............................................................2
Bảng 1.2 Giá trị C của bụi và các chất vô trong khí thải công nghiệp lọc hóa dầu
(Theo QCVN 34: 2010 BTNMT)....................................................................................4
Bảng 1.3 Thông số các amine thường sử dụng............................................................11
Bảng 1.4 Một số thông số hóa lý cơ bản của các amine..............................................12
Bảng 1.5 So sánh các ưu, nhược điểm của các amine................................................12
Bảng 1.6 Tính chất của propylen cacbonat.................................................................16
Bảng 1.7 Tính chất của dimetyl ete polyetylen glycol..................................................17
Bảng 1.8 Tính chất của N-metyl 2-pirolydon...............................................................20
Bảng 2.1 Thành phần nguyên khí nguyên liệu:............................................................25
Bảng 2.2 Tính áp suất hơi bão hòa:............................................................................36
Bảng 2.3 Hằng số K cân bằng:...................................................................................37
Bảng 2.4 Tính thành phần H2O:.................................................................................37
Bảng 2.5 Thành phần cấu tử ở overhead product:......................................................37
Bảng 2.6 Thành phần cấu tử trong dòng hồi lưu:........................................................37
Bảng 2.7 Thành phần cấu tử trong sản phẩm đỉnh stripper:......................................38
Bảng 2.8 Cân bằng vật chất tháp stripper:.................................................................39
Bảng 2.9 Thành phần cấu tử ở đáy tháp stripper........................................................39
Bảng 2.10 Bảng cân bằng nhiệt đáy tháp....................................................................43
Bảng 2.11 Lựa chọn các thông số thiết kế ống ( các thông số chọn theo tiêu chuẩn
TEMA)......................................................................................................................... 49
Bảng 2.12 Bảng tiêu chuẩn lựa chọn bề dày thành ống thiết kế..................................50
Bảng 2.13 Bảng lựa chọn các thông số thiết kế số pass..............................................50
Bảng 2.14 Hệ số đóng cặn của các dòng lỏng theo tiêu chuẩn TEMA ( tài liệu “Heat

Exchanger Design Handbook”)..................................................................................54
Bảng 2.15 Các hệ số dẫn nhiệt của từng vật liệu làm tường ống (tài liệu lấy từ
).....................55
Bảng 2.16 Các thông số thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt E-02:......................................58
Bảng 3.1 Các cấu tử và mô hình nhiệt động sử dụng trong mô phỏng:.......................64
Bảng 3.2 Các thông số của dòng nguyên liệu:............................................................64
Bảng 3.3 Thành phần nguyên liệu...............................................................................65
SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

8


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Bảng 3.4 Các thông số của dòng hồi lưu:...................................................................65
Bảng 3.5 Thành phần dòng hồi lưu.............................................................................65
Bảng 3.6 Các thông số của tháp C-02.........................................................................65
Bảng 3.7 Các thông số nhập vào thiết bị heat exchanger............................................67
Bảng 4.1 Kết quả tính toán tháp hấp thụ:....................................................................72
Bảng 4.2 Thông số tính toán thiết kế tháp hấp thụ:.....................................................72
Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng tháp hấp thụ:..................................................................72
Bảng 4.4 Thông số thiết kế phần mềm tính toán tháp hấp thụ.....................................73
Bảng 4.5 Kết quả tính toán tháp Stripper....................................................................73
Bảng 4.6 Thông số tính toán thiết kế tháp Stripper.....................................................74
Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng tháp Stripper..................................................................74
Bảng 4.8 Thông số tính toán thiết kế tháp Stripper.....................................................74

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

9


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
LPG: Liquid Petroleum Gas
RFCC: Residu Fluid Catalytic Cracking
VB: Visbreaking
HDT: Hydro Treating
MEA: Monoethanolamine
DEA: Diethanolamine
DGA: Diglycolamine
DIPA: Diisopropanolamine
MDEA: Methyldiethanolamine
DMEPEG: Dimethylether Polyethylene Glycol
NMP: N - Methyl - 2 – Pirrolidone
ACFS: Actual Cubic Feet Per Second
SCFS: Standard Cubic Feet Per Second
LMTD: Log Mean Temperature Difference
TEMA: Tubular Exchanger Manufacturers Association

SVTH: Nguyễn Thành Nhung- Nguyễn Đức Tùng

10

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

LỜI MỞ ĐẦU
Từ xa xưa con người đã biết sử dụng dầu mỏ và khí tự nhiên để phục vụ cho
cuộc sống sinh hoạt mặc dù sự hiểu biết còn hạn chế và sử dụng rất lãng phí
nhưng họ cũng đã coi đó là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá.
Ngày nay cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, con người đã đánh
giá và nhận thức tầm quan trọng của chúng đối với sự phát triền kinh tế của mỗi
quốc gia. Đó là nguồn nguyên liệu chính để phát triển các ngành công nghiệp
khác. Dầu mỏ và khí tự nhiên là nguồn khoáng sản không phải là vô tận nên cần
biết cách khai thác, chế biến hợp lý để tránh lãng phí nguồn nguyên liệu này.
Trước đây lượng dầu mỏ được khai thác và chế biến gấp nhiều lần khí tự
nhiên khai thác, ngày nay khoảng cách đó được thu hẹp lại bởi lượng dầu mỏ
cũng đang dần cạn kiệt cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp chế biến
dầu khí.
Dầu mỏ khai thác lên là hỗn hợp huydrocacbon và phi hydrocacbon nên
trong quá trình chến biến luôn luôn tồn tại thành phần khí axit, mà chính khí
axit này là nguyên nhân làm ảnh hưởng đến quá trình chế biến. Vì vậy với nền
tảng kiến thức của một sinh viên sắp tốt nghiệp cũng như nhằm nghiên cứu sâu
hơn, hiểu rõ hơn về quá trình làm ngọt khí trong nhà máy lọc dầu, vì thế nhóm
em chọn đề tài: “Thiết kế phân xưởng xử lý khí axit bằng Mono Ethanol
Amine” làm đề tài tốt nghiệp cuối khóa.
Do kiến thức cơ bản về kỹ thuật còn hạn chế, nên quá trình tính toán thiết kế
và trình bày nội dung thiết kề sẽ gặp nhiều thiếu sót. Mong quý thầy cô và các
bạn đóng góp ý kiến để bản đồ án được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

11


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Đà Nẵng, tháng 05 năm 2015
Sinh viên thực hiện
NGUYỄN THÀNH NHUNG
NGUYỄN ĐỨC TÙNG

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ KHÍ HYDROSUNFUA
TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU
1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HYDROSUNFUA (H2S)
1.1.1 Tính chất vật lý
Ở điều kiện thường, hydrosunfua (H2S) là khí không màu, nặng hơn không
khí, có mùi khó chịu, vị hơi ngọt. Các tính chất hóa lý cơ bản của hydrosunfua
được trình bày trong bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các tính chất hóa lý của hydrosunfua.
ST
T
1
2
3
4
5

-

Tính chất
Khối lượng phân tử, g/mol
Mật độ thể tích , g/l
Nhiệt độ sôi, oC
Hằng số axit:
H2S ↔ HS- + H+

Giá trị

pKa1

34,082
1,5392
-60,28
pKa1 = 6,89

HS- ↔ S2- + H+
pKa2
Độ tan trong nước tại 40oC, g/100ml nước

pKa2 = 19±2
0,25

H2S ít tan trong nước, tan nhiều trong etanol. Khác với nước, H 2S không tạo được
liên kết hidro bền vững, do vậy ở điều kiện thường nó tồn tại ở trạng thái khí. Giới

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

12

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

hạn cháy nổ của hỗn hợp H 2S và không khí nằm trong khoảng thành phần từ 4,545%.
-

H2S là chất khí linh động, có khả năng gây ăn mòn mạnh, nhất là khi có hơi ẩm
( ăn mòn hydrosunfua). Khi tan trong nước, nó tạo thành dung dịch axit yếu, dung
dịch axit này có thể gây ăn mòn điểm với sự có mặt của O2 hoặc CO2.
Các muối sunfua hầu hết đều tan trong nước, trừ muối của các kim loại kiềm,
kiềm thổ và muối amoni.

1.1.2 Các nguồn tạo ra khí axit
Trong nhà máy lọc dầu tồn tại nhiều nguồn chứa khí H 2S, CO2, RSH, COS,
CS2…. như khí của quá trình chưng cất khí quyển, của phân xưởng tách khí hóa
lỏng LPG, của phân xưởng RFCC, khí của phân xưởng giảm nhớt VB:
-

Phần lớn H2S sinh ra từ phân xưởng HDT. Các hợp chất chứa lưu huỳnh trong
dầu thô như: Mercaptan, sulfua, disulfua, dạng dị vòng, H 2S, S...Khi thực hiện
phản ứng tách loại lưu huỳnh thì một lượng lớn khí H2S được hình thành trong các
phản ứng này:
 Mercaptan:

R-SH +H2 → R-H + H2S

 Disulfua:

R-S-R’ + H2 → R-H + R’-H + H2S

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

13


Đồ án tốt nghiệp

-

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Từ phân xưởng RFCC: Với nguyên liệu là cặn của chưng cất khí quyển, trong đó
có chứa nhiều lưu huỳnh và các hợp chất của lưu huỳnh. Trong quá trình RFCC
có xảy ra các phản ứng không mong muốn trong đó có phản ứng tạo ra H 2 dưới tác
dụng của nhiệt lưu huỳnh và các hợp chất của lưu huỳnh sẽ tác dụng với H 2 tạo ra
các sản phẩm chứa lưu huỳnh trong đó có H2S.
Khi có mặt của những khí axit trên sẽ gây khó khăn trong quá trình vận chuyển,
chế biến hay ảnh hướng đến môi trường.

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

14


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Bảng 1.2 Giá trị C của bụi và các chất vô trong khí thải công nghiệp lọc hóa dầu
(Theo QCVN 34: 2010 BTNMT)
Giá trị C (mg/Nm3)
ST
T
1
2
3
4
5

Thông số
Bụi tổng
Nitơ oxit, NOx (tính theo NO2)
Lưu huỳnh dioxit, SO2
Carbon monoxit, CO
Hydrosulfua, H2S

(Theo loại nhiên liệu sử dụng)
Dầu
Khí
A
B
A
B
200
150
50
50

850
600
250
250
650
500
300
300
1000
1000
200
200
10
10
7,5
7,5

Hình 1.1 Sơ đồ nhà máy lọc dầu

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

15


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

1.1.3 Tác hại của khí axit
 Tác hại của khí axit trong quá trình chế biến

Dầu mỏ sau quá trình khai thác lên sẽ qua các quá trình chế biến. Trong quá
trình chế biến các hợp chất của lưu huỳnh sẽ gây ăn mòn thiết bị ( tồn tại dưới
dạng H2S, Mercaptan, disulfua..), làm ngộ độc các chất xúc tác ( quá trình
cracking xúc tác, reforming xúc tác..) làm giảm độ hoạt tính và tuổi thọ của
chất xúc tác .
 Tác hại của khí axit trong quá trình sử dụng nhiên liệu

Khi đốt cháy nhiên liệu trong động cơ , các hợp chất chứa lưu huỳnh sẽ kết hợp với
O2 tạo ra khí SOx. Phần lớn được thải ra môi trường, chúng sẽ kết hợp với hơi nước tạo
ra axit tương ứng gây mưa axit gây ô nhiễm môi trường. Phần còn lại trong động cơ,
một phần qua hệ thống xả và nằm lại ở đó khi động cơ nguội chúng sẽ kết hợp với hơi
nước tạo thành axit ăn mòn hệ thống xả, một phần lọt qua secman xuống carter và kết
hợp với hơi nước khi động cơ nguội sẽ tạo axit đi bôi trơn sẽ ăn mòn động cơ.
 Tác hại của khí axit trong quá trình bảo quản
Dầu mỏ và các sản phẩm dầu mỏ trong quá trình bảo quản nếu chứa một
hàm lượng các hợp chất của lưu huỳnh sẽ gây ăn mòn thiết bị và tạo ra những
mùi hôi gây ô nhiễm môi trường.
 Tác hại của khí axit đối với con người và môi trường

Khí H2S là một chất khí rất độc, có ái lực cao với nhiều kim loại đặc biệt có
thể kết hợp với ion Fe2+ trong máu người tạo ra FeS có màu đen. H 2S ở nồng độ
cao gây tê liệt thần kinh khứu giác, không những thế nếu nồng độ khoảng
1,2mg/lít không khí, con người sẽ chết ngay, ở nồng độ nhỏ hơn có thể dẫn đến
hôn mê sâu. Tuy nhiên, do H2S là khí có mùi đặc trưng ( mùi trứng ung ) nên ta
ít bị đầu độc bởi H2S một phần vì mùi của nó dễ phát hiện. Nhưng phần khác vì
trong tự nhiên sắt có mặt phổ biến trong đất và nước. Vì vậy, dễ hiểu rằng bùn

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

16


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

của các ao, hồ, thậm chí của một số sông, biển đều có màu đen nhờ quá trình hô
hấp sunfat của các vi khuẩn phân giải chất hữu cơ từ xác động thực vật trong
mô trường kị khí( như bùn của ao, hồ, sông, biển). Đó chính là màu của kết tủa
FeS. Chính do sự thiếu dưỡng khí cộng với các sản phẩm khí độc hại như H 2S,
mercaptan, ...được tạo ra trong nước, làm cho các loài động vật như tôm cá,
cùng hệ thực vật nước bị hủy diệt. Đồng thời đây cũng là nguồn gốc lây lan
dịch bệnh theo đường nước.
Hydrosunfua khi bị oxi hóa sẽ tạo thành các hợp chất sunfit, các hợp chất
này có khả năng tạo thành các cặp microgalvanic với thép nên các thiết bị kỹ
thuật và các đường ống tiếp xúc với sunfit nhanh chóng bị phá hủy.
Việc ngăn chặn quá trình ăn mòn sunfit thực sự nan giải. Mặc dù đã có
thêm các chất ức chế ăn mòn axit, nhừng các đường ống làm từ thép đặc biệt
không gỉ đều vẫn bị phá hỏng.
H2S kết hợp với các hợp chất không no tạo thành dạng mercaptan là các chất
hoạt động và có độc tính. Chúng là nguyên nhân chính làm giảm hoạt tính của
xúc tác do chúng có độ bền nhiệt cao, có khả năng làm tăng quá trình tạo nhựa,
tạo xỉ, cặn...gây thụ động hóa bề mặt xúc tác và tăng khả năng bị ăn mòn của
vật liệu chế tạo thiết bị.
Sự có mặt của oxi trong khí làm tăng đáng kể vận tốc ăn mòn. Oxi có thể lẫn
vào khí qua nhiều con đường khác nhau.
Sự có mặt của hơi ẩm( có thể là rất ít) là điều kiện thuận lợi xảy ra ăn mòn
kim loại. Sự có mặt đồng thời của H 2S, O2 và H2O là rất bất lợi cho quá trình
bảo vệ kịm loại, chống ăn mòn.

Khả năng ăn mòn kim loại của hỗn hợp khí nêu trên tăng mạnh khi áp suất
tăng. Một số nghiên cứu cho rằng, vận tốc ăn mòn ống dẫn khí tỷ lệ thuận với

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

17


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

áp suất khí chảy qua ống. Theo đó, cần chú ý rằng, dưới áp suất khí nhỏ hơn 20
atm và trong dòng khí ẩm, chỉ cần có vết H 2S đã có thể gây ăn mòn mạnh ống
dẫn, làm giảm tuổi thọ của ống dẫn khí từ 5-6 năm.
Ngộ độc H2S có thể xảy ra tại nơi khai thác và chế biến dầu nhiều
polysunfua, nơi sản xuất thuộc nhôm, sản xuất tơ nhân tạo, tại các nhà máy
thuộc da, nhà máy đường, tại các địa điểm xử lý nước thải...Nhiễm độc nặng
xảy ra tại nồng độ H2S là 0,2-0,3 mg/l, nồng độ H2S gây tử vong đối với con
người là khoảng >1mg/l.
Tuy H2S có nhiều nhược điểm như vậy nhưng nó vẫn là một nguyên liệu
quý giá đối với công nghệ hóa học, vì từ nó có thể tổng hợp được một khối
lượng rất lớn các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Nhưng vấn đề làm sạch khí H 2S
trong khí phải đặc biệt chú trọng.

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

18

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

 Ảnh hưởng của H2S đến các quá trình công nghiệp
 Ảnh hưởng của H2S đến quá trình steam reforming metan có sử dụng xúc
tác Ni trên chất mang CeO2 và Al2O3.
Sự có mặt của H2S sẽ hạn chế tốc độ phản ứng steam reforming trên cả 2
loại xúc tác này, dẫn tới làm giảm lượng H 2 sinh ra. Với sự có mặt của H 2S ở
nồng độ 2-10 ppm, tốc độ phản ứng bị giảm đột ngột. Việc khảo sát ảnh hưởng
của áp suất riêng phần của H2S lên quá trình steam reforming metan cho thấy:
tốc độ phản ứng steam reforming giảm khi áp suất riêng phần của H2S tăng.
 Rạn nứt do khí H2S ẩm gây ra trong các nhà máy lọc dầu.
H2S ẩm có khả năng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến nhiều thiết bị và quá
trình xử lý trong nhà máy lọc dầu như:
-

Tại phân xưởng FCC, các tháp chưng cất, các thùng chứa ở trên đỉnh tháp
chưng cất phân đoạn, tháp hấp thụ … đều dễ bị hư hỏng do khí H 2S ẩm (gây
nên các hiện tượng phồng, HIC-hiện tượng ăn mòn do thẩm thấu hydro, SOHIC
- hiện tượng ăn mòn điểm bởi H 2S và SSC - hiện tượng ăn mòn do sunfit). Tháp
cất loại butan của phân xưởng FCC cũng bị tổn hại do SSC, hiện tượng phồng
và HIC.

-

Các bộ phận thu hồi toàn bộ hơi của phân xưởng cốc hóa. Sự có mặt của các
muối cyanua sẽ làm tăng đáng kể khả năng và tính nghiêm trọng của quá trình
phồng rộp và HIC.

-

Các hệ thống cất nước chua, các hệ thống tái sinh amine trên cao. Trong các
thiết bị xử lý H2 có nồng độ amoni bisunfit cao, thì khả năng bị phồng, rộp, HIC
cũng tăng. Nồi chưng nhanh chứa các amin giàu khí axit cũng có thể bị tấn
công mạnh và xảy ra hiện tượng phồng rộp.

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

19


Đồ án tốt nghiệp

-

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

Quá trình hấp thụ hydro của các thiết bị thép carbon là kết quả của sự ăn mòn
do muối bisunfit có trong dòng thải của các bình ngưng trong quá trình xử lý H 2
các thiết bị hydrocracking trong các nhà máy lọc dầu và trong các hệ thống trên
đỉnh cột chưng cất của các thiết bị xử lý.

-

Quá trình bẻ gãy carbonat có thể thường thấy trên đỉnh của các bộ chưng cất
phân đoạn chính và hệ thống nén khí ướt của phân xưởng FCC, các cột cất
nước chua và phân xưởng cốc hóa chậm.

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ KHÍ AXIT.

1.2.1 Hấp phụ
Phương pháp này được sử dụng khi yêu cầu độ sạch của khí sản phẩm rất
cao và hàm lượng khí axit trong khí nguyên liệu bé. Tác nhân hấp phụ thường
là zeolithe.
Nếu dùng loại zeolithe 4A, 5A thì có thể thực hiện đồng thời quá trình dehydrate hóa
và quá trình khử axit. Khí sản phẩm khi sử dụng zeolithe 4A, 5A đạt yêu cầu kỹ thuật
rất cao [H2O] = 0.1ppm, [H2S] = 20 – 40 mg/m3. Ngoài ra, người ta còn dùng phổ biến
zeolithe 13A vì loại zeolithe này có thể tách được cả mercaptane (RSH). Tuy nhiên
thực tế dòng khí có cả H2S và CO2, khi có mặt CO2 thì zeolithe sẽ xúc tác cho phản
ứng giửa CO2 và H2S tạo thành COS:
H2S + CO2 → COS + H2O
Hiện nay, một số rây phân tử đang được nghiên cứu để làm chậm phản ứng
này. Tuy nhiên đặc điểm của zeolithe là dễ ngộ độc với hàm lượng vết của
glycol hoặc các sản phẩm phân hủy của glycol do vậy sẽ giảm dần hoạt tính và
tuổi thọ của zeolithe.
Nếu loại bỏ được các nguyên nhân gây ngộ độc trên thì tuổi thọ của zeolithe tăng lên 3
÷ 5 năm trước khi thay zeolithe mới.
SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

20


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

1.2.2 Thẩm thấu
Phương pháp này được áp dụng khi nồng độ của khí CO 2 trong khí cao và
yêu cầu độ sạch của khí sản phẩm là không cao lắm, có thể dùng tách đồng thời
cả nước.

Nguyên tắc của phương pháp là dựa vào sự thẩm thấu của khí qua màng
thẩm thấu. Dưới tác dụng của áp suất thì màng thẩm thấu sẽ cho các phân tử có
kích thước nhỏ hơn kích thước của màng qua còn các cấu tử có kích thước lớn
hơn sẽ bị giữ lại. Như vậy, áp suất càng cao thì quá trình thẩm thấu càng nhanh.

Hình 1.2 Thiết bị thẩm thấu
Hệ số thẩm thấu Фi đối với màng lọc được xác định qua công thức sau:

Trong đó:



Pi: lưu lượng thẩm thấu của cấu tử i mol/s, m3/s, cm3/s.



e: chiều dày màng lọc.



A: diện tích bề mặt màng lọc (m2, cm2).

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

21


Đồ án tốt nghiệp



GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

ΔPi: độ chênh lệch áp suất riêng phần của cấu tử i ở mặt trên và mặt dưới

màng lọc ( Pa, CmHg).
1.2.3 Chưng cất ở nhiệt độ thấp
Phương pháp này chỉ được sử dụng decarbonate hóa khí. Phương pháp này
sử dụng khi nồng độ CO2 trong khí cao. Phương pháp này dựa trên nguyên tắc
khí carbonic sẽ kết tinh ở nhiệt độ thấp để tách CO2 ra ( CO2 kết tinh ở -56.4 oC)
Nhược điểm của phương pháp này có chi phí năng lượng cao dẫn đến giá thành sản
phẩm cao, nhưng dùng để làm sạch sơ bộ khí CO2 khi hàm lượng CO2 trong khí cao.
1.2.4 Hấp thụ
 Nguyên tắc của quá trình hấp thụ
Hấp thụ là quá trình hút khí bằng chất lỏng, khí được hút gọi là chất bị hấp
thụ, chất lỏng dùng để hút gọi là chất hấp phụ hay còn gọi là dung môi hập thụ,
khí không bị hấp thụ là khí trơ. Quá trình hấp thụ đóng vai trò quan trọng trong
công nghiệp hóa học, nó dùng để:
-

Thu hồi cấu tử quý.

-

Làm sạch khí.

-

Tách hỗn hợp thành cấu tử riêng.

-

Tạo sản phẩm cuối cùng.
Nguyên tắc của quá trình hấp thụ là cho dòng khí tiếp xúc với dòng lỏng
trong tháp đĩa hoặc tháp điệm, khí thổi từ dưới lên, lỏng từ trên xuống và quá
trình hấp thụ xảy ra.

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

22


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

 Các quá trình hấp thụ bằng dung môi hóa học
Dung môi MEA: Là amine bậc 1, so với amine bậc 2 và bậc 3 thì ăn mòn
mạnh hơn. Do vậy nồng độ MEA trong dung dịch không vượt quá 10 ÷ 20 %wt.
Khi nồng độ tăng lên thì ăn mòn cũng tăng theo.
-

Ưu điểm của quá trình: Làm sạch triệt để khí H 2S và CO2 ( do có khả năng tách
đồng thời không chọn lọc H2S và CO2). MEA có tính ổn định hóa học cao, dễ
tái sinh, có khả năng phản ứng cao, công nghệ và thiết bị đơn giản và độ bền
cao khi vận hành đúng.

-

Nhược điểm quá trình: Phản ứng không thuận nghịch với COS, CS 2, RSH,

không thể tách ra được trong quá trình tái sinh dung môi. RVP tương đối cao so
với các amine khác nên sẽ bị hao hụt nhiều hơn.
Do những lí do trên, ta chỉ dùng MEA khi yêu cầu hiệu suất khử khí axit
cao, nồng độ của khí axit trong khí nguyên liệu nhỏ và không có COS, CS 2
trong thành phần khí nguyên liệu.
Dung môi DEA: Dung môi được sử dụng là dung dịch nước
diethanolamine (DEA), là amine bậc 2, được sử dụng rộng rãi hơn so với MEA.
DEA kém ăn mòn hơn so với MEA nên có thể sử dụng nó với nồng độ 25 ÷ 30
%wt dung dịch.

-

Ưu điểm của quá trình: Đảm bảo làm sạch triệt để khí khỏi H 2S và CO2 với sự
có mặt của COS và CS2 ( do sản phẩm phản ứng của DEA với COS và CS 2 bị
phân hủy trong quá trình tái sinh dung môi đến CO 2 và H2S ). Dung dịch DEA
bền về mặt hóa học, có áp suất hơi bảo hòa thấp nên ít tổn thất hơn so với
MEA, công nghệ và thiết bị đơn giản. Sản phẩm phân hủy của DEA có tính ăn
mòn ít hơn so với sản phẩm phân hủy của MEA.

-

Nhược điểm của quá trình: Khả năng hấp thụ của dung môi thấp do nó là amine
bậc 2 nên có ái lực với H 2S và CO2 nhỏ, nhất là với dòng khí nguyên liệu có áp

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

23


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

suất thấp, lưu lượng riêng của chất hấp thụ cao và chi phí vận hành lớn. Một số
tạp chất chứa trong khí nguyên liệu ( HCN…) tương tác với dung môi tạo thành
các hợp chất không tái sinh được, khả năng hấp thụ các mercaptan và các hợp
chất hữu cơ chứa lưu huỳnh khá thấp. Trong trường hợp áp suất thấp và thời
gian lưu lỏng trên đĩa khoảng 2 giây thì DEA sẽ hấp thụ chọn lọc H 2S như vậy
sẽ có một lượng CO2 đáng kể ra ngoài theo khí sản phẩm.
Dung môi DGA: Có tính năng như MEA nhưng ít bay hơi hơn, do đó có thể
sử dụng với nồng độ lớn hơn nhiều từ (40 ÷ 60 %). Cho phép giảm lưu lượng
và bội số tuần hoàn dung môi và tăng tính kinh tế cho quá trình. Độ hoạt động
của DGA theo CO2 cao hơn MEA. Tương tác DGA với CO 2, COS, CS2 và
mercaptan dẫn đến tạo thành các hợp chất dễ tái sinh. Trong quá trình làm sạch,
khả năng thu hồi CO2, COS, CS2 và RSH nhẹ cao.
Dung môi DIPA: Được sử dụng dưới dạng pha lỏng có nước với nồng độ
tương đối cao (30÷40%). Dung môi DIPA có thể đồng thời làm sạch triệt để khí
khỏi H2S và có thể đồng thời làm sạch khí khỏi CO2, COS và RSR tạo thành các
hợp chất dễ tái sinh. Hoạt tính của DIPA theo CO 2 thấp hơn so với dung dịch
MEA nên độ chọn lọc của DIPA đối với CO2 thấp hơn so với MEA.
Dung môi MDEA: Các điều kiện vận hành của methyldiethanolamine được
thiết lập không cố định so với các amine đã nói ở trước bởi tính linh động mềm
dẻo và nhiều ứng dụng khác nhau, ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trên thế
giới. MDEA là amine bậc 3 và khoảng nồng độ thường sử dụng là 20÷50% wt
do đó ăn mòn ít, lượng axit hấp thụ nhiều 0,7 ÷ 0,8 mol axit/mol MDEA.
Mặt khác: MDEA có áp suất hơi bảo hòa thấp nên mất mát ít, nhiệt của các
phản ứng với khí axit thấp, khả năng phân hủy kém và quan trọng là hấp thụ
chọn lọc H2S trong dòng khí có CO2.
Bảng 1.3 Thông số các amine thường sử dụng
Amine

MEA

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

DEA

DGA

MDEA

24


Đồ án tốt nghiệp

Khoảng nồng độ, %wt
Khả năng hấp thụ mol/mol

15÷20
0,3÷0,3
5

25÷30
0,3÷0,4

50÷70

20÷50

0,3÷0,

không hạn

4

chế

∆H2S, BTU/lb

650

511

674

522

∆CO2, BTU/lb

825

653

850

600

không

hạn chế

không

rất tốt

Khả năng hấp thụ chọn lọc
H2 S

GVHD: TS. Đặng Kim Hoàng

SVTH: Nguyễn Thành Nhung - Nguyễn Đức Tùng

25