Đồ án tốt nghiệp về chưng cất dầu khí

CHƯƠNG I : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Dầu mỏ được con người biết đến từ thời cổ xưa, đến thế kỷ 18, dầu
mỏ được sử dụng làm nhiên liệu để đốt cháy, thắp sáng. Sang thế kỷ 19,
dầu được coi như là nguồn nhiên liệu chính cho mọi phương tiện giao
thông và cho nền kinh tế quốc dân.
Hiện nay, dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất
của mọi quốc gia trên thế giới. Khoảng 65 ÷ 70% năng lượng sử dụng
đi từ dầu mỏ, chỉ có 20 ÷ 22% năng lượng đi từ than, 5 ÷ 6% từ năng
lượng nước và 8 ÷ 12% từ năng lượng hạt nhân.
Bên cạnh đó hướng sử dụng mạnh mẽ và có hiệu quả nhất của dầu
mỏ là làm nguyên liệu cho công nghiệp tổng hợp hoá dầu như: sản xuất
cao su, chất dẻo, tơ sợi tổng hợp, các chất hoạt động bề mặt, phân bón,
thậm chí cả protêin.
Ngoài các sản phẩm nhiên liệu và sản phẩm hoá học của dầu mỏ,
các sản phẩm phi nhiên liệu như dầu mỡ bôi trơn, nhựa đường, hắc ín...
cũng là một phần quan trọng trong sự phát triển của công nghiệp. Nếu
không có dầu mỡ bôi trơn thì không thể có công nghiệp động cơ, máy
móc, là nền tảng của kinh tế xã hội.
Công nghiệp chế biến dầu phát triển mạnh là nhờ các đặc tính quý
riêng của nguyên liệu dầu mỏ và nguyên liệu từ than hoặc các khoáng
chất khác không thể có, đó là giá thành thấp, thuận tiện cho quá trình tự
động hoá, dễ khống chế các điều kiện công nghệ và có công suất chế
biến lớn, sản phẩm thu được có chất lượng cao, ít tạp chất và dễ tinh
chế, dễ tạo ra nhiều chủng loại sản phẩm đáp ứng mọi nhu cầu của các
ngành kinh tế quốc dân.
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp dầu khí trên thế
giới, dầu khí Việt Nam cũng đã được phát hiện từ những năm 1970 và
đang trên đà phát triển. Chúng ta đã tìm ra nhiều mỏ chứa dầu trữ lượng
tương đối lớn như mỏ Bạch Hổ, Đại Hùng, mỏ Rồng vùng Nam Côn
Sơn; các mỏ khí như Tiền Hải (Thái Bình), Lan Tây, Lan Đỏ... Đây là

nguồn tài nguyên quý để giúp nước ta có thể bước vào kỷ nguyên mới
của công nghệ dầu khí. Nhà máy lọc dầu số 1 Dung Quất với công suất
6 triệu tấn/năm đã hoàn thành và đang hoạt động và đang tiến hành phê
chuẩn nhà máy lọc dầu số 2. Như vậy ngành công nghiệp chế biến dầu
khí nước ta đang bước vào thời kỳ mới, thời kỳ mà cả nước ta đang
thực hiện mục tiêu công nghiệp hoá và hiện đại hoá.
Hiệu quả sử dụng dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng của các quá
trình chế biến. Theo các chuyên gia về hoá dầu ở châu Âu, việc đưa dầu
mỏ qua các quá trình chế biến sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng của
dầu mỏ lên 5 lần, và như vậy tiết kiệm được nguồn tài nguyên quý hiếm này.
Dầu mỏ là hỗn hợp rất phức tạp gồm hydrocacbon, khí thiên nhiên,
khí dầu mỏ và các hợp chất khác như CO 2, N 2 , H 2S, N 2 , He, Ar... Dầu
mỏ muốn sử dụng được thì phải tiến hành phân chia thành từng phân
đoạn nhỏ. Sự phân chia đó dựa vào phương pháp chưng cất ở các
khoảng nhiệt độ sôi khác nhau. Quá trình chưng cất dầu là một quá
trình vật lý phân chia dầu thô thành các thành phần gọi là các phân
đoạn. Quá trình này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm
để tách các cấu tử có trong dầu thô theo từng khoảng nhiệt độ sôi khác
nhau mà không làm phân huỷ chúng. Tuỳ theo biện pháp tiến hành
chưng cất mà người ta phân chia quá trình chưng cất thành chưng đơn
giản, chưng phức tạp, chưng cất nhờ cấu tử bay hơi hay chưng cất trong
chân không. Trong các nhà máy lọc dầu, phân xưởng chưng cất dầu thô
cho phép ta thu được các phân đoạn dầu mỏ để chế biến tiếp theo.
1.1 TỔNG QUAN VỀ CHƯNG CẤT DẦU THÔ
Dầu thô được khai thác từ các mỏ dầu và chuyển vào các nhà máy
chế biến. Trước khi chế biến phải tiến hành làm ổn định dầu vì trong
dầu còn chứa các khí hoà tan như khí đồng hành và các khí phi
hydrocacbon. Khi dầu phun ra khỏi giếng khoan thì áp suất giảm,
nhưng vẫn còn lại một lượng nhất định lẫn vào trong dầu và phải tách

tiếp trước khi chế biến mục đích là hạ thấp áp suất hơi khi chưng cất


dầu thô và nhận thêm nguồn nguyên liệu cho chế biến dầu. Vì trong các
khí hydrocacbon nhẹ từ Cl ÷ C 4 là nguồn nguyên liệu quý cho quá trình
nhận olefin. Xử lý dầu thực chất là chưng tách bớt phần nhẹ nhưng để
tránh bay hơi cả phần xăng, tốt nhất là tiến hành chưng cất ở áp suất
cao khi đó chỉ có các cấu tử nhẹ hơn C4 bay hơi, còn phần từ C5 trở lên
vẫn còn lại trong dầu.
Muốn xử lý dầu thô trước khi đưa vào chưng cất chúng ta phải trải
qua những bước tách cơ bản
1.1.1 Tách tạp chất cơ học, nước, muối lẫn trong dầu
Nước lẫn trong dầu ở dưới mỏ chỉ ở dạng tự do không có dạng nhũ
tương. Khi khai thác, bơm, phun dầu, các quá trình khuấy trộn thì nước
cùng với dầu và các tạp chất tạo thành ở dạng nhũ tương.
Nước nằm dưới dạng nhũ tương thì rất bền vững và rất khó tách.
Có 2 dạng nhũ tương:
+ Dạng nhũ tương nước ở trong dầu
+ Dạng nhũ tương dầu ở trong nước
Lượng nước ở trong dầu nhiều hay ít trong nhũ tương dầu ở mỏ
khai thác bằng cách nhìn màu sắc, qua thực nghiệm người ta kiểm tra
thấy nếu dầu chứa 10% nước thì màu cũng tương tự dầu không chứa
nước. Nếu nhũ tương dầu chứa 15 ÷ 20% nước, có màu ghi đến vàng,
nhũ tương chứa 25% nước có màu vàng.
Dầu mỏ có lẫn nước ở dạng nhũ tương đưa đi chế biến thì không
thể được mà phải khử chúng ra khỏi dầu. Khử nước và muối ra khỏi dầu
đến giới hạn cho phép, cần tiến hành khử ngay ở nơi khai thác là tốt
nhất.
Tiến hành tách nước ở dạng nhũ tương có 3 phương pháp:
− Phương pháp cơ học (lắng − lọc − ly tâm).

− Tách nhũ tương nước trong dầu bằng phương pháp hoá học
− Tách bằng phương pháp dùng điện trường.


a. Tách bằng phương pháp cơ học (lắng − lọc − ly tâm)
Khi dầu và nước trong dầu chưa bị khuấy trộn mạnh và nước lẫn
trong dầu ở dạng tự do với hàm lượng lớn có thể gần 50% và cao hơn.
* Phương pháp lắng: phương pháp này dùng khi dầu mới khai thác
ở giếng khoan lên, dầu và nước chưa bị khuấy trộn nhiều nên nhũ tương
mới tạo ít và nhũ tương chưa bền vững, nước ở dạng tự do còn tương
đối lớn. Dầu mỏ này người ta đưa đi lắng, nhờ có tỷ trọng nước nặng
hơn dầu nước sẽ được lắng sơ bộ và tháo ra ngoài.
Tốc độ lắng của các hạt nước tính theo công thức Stockes nếu kích
thước hạt lớn hơn 0,5 µm.
r2( d1 − d2 ) g
V =
18.η

(1)

Trong đó:
V: tốc độ lắng, cm/s
r: đường kính của hạt, cm
d1 , d2: tỷ trọng nước và dầu tương ứng, g/cm 3
g: gia tốc trọng trường, cm/s 2
η: độ nhớt động học của hỗn hợp.
Từ công thức (1) ta thấy kích thước hạt của pha phân tán càng nhỏ
và tỷ trọng của nước và dầu khác nhau càng ít. Độ nhớt của môi trường
càng lớn thì sự phân lớp và lắng càng xảy ra chậm.
Việc tách nước và tạp chất thực hiện ở nơi khai thác thường lắng

và gia nhiệt ở thiết bị đốt nóng.
Ở các nhà máy chế biến dầu tách nước thường gia nhiệt để lắng,
khống chế nhiệt độ 120 ÷ 160 0C và p = 8 ÷ 15at để cho nước không
bay hơi. Quá trình lắng thường xảy ra trong thời gian 2 ÷ 3 giờ.
* Phương pháp ly tâm: phương pháp ly lâm tách nước ra khỏi dầu
nhờ tác dụng của lực ly tâm để tách riêng các chất lỏng có tỷ trọng khác
nhau.
Giá trị lực ly tâm xác định theo phương trình sau:


f = K.m.r.n 2
 2π 
K =  
 60

2

Trong đó:
m: khối lượng hạt nước (g)
r: bán kính quay (cm)
n: số lượng vòng quay của máy ly tâm (phút).
Lực ly tâm và tốc độ tách nước thay đổi tỷ lệ thuận với bán kính
quay và tỷ lệ với bình phương số vòng quay của rôto.Trong công
nghiệp thường dùng máy ly tâm có số vòng quay từ 3500 ÷ 5000 vòng
trong một phút. Số vòng quay càng lớn thì khả năng chế tạo thiết bị
càng khó khăn và không thể chế tạo thiết bị với công suất lớn.
Nhược điểm của phương pháp này là công suất máy bé, khả năng
phân chia không cao, vốn chi tiêu lớn vì vậy phương pháp này không
phổ biến trong công nghệ tách nước và tạp chất.
* Phương pháp lọc: Là tách nước ra khỏi dầu sử dụng khi mà hỗn

hợp nhũ tương dầu, nước đã bị phá vỡ nhưng nước vẫn ở dạng lơ lửng
trong dầu mà chưa được lắng xuống đáy. Dùng phương pháp này là nhờ
lợi dụng tính chất thấm ướt chọn lọc của các chất lỏng khác nhau lên
các chất lọc. Phương pháp lọc đạt hiệu quả rất cao và có thể tách đồng
thời cả nước lẫn muối.
b. Tách nhũ tương nước trong dầu bằng phương pháp hoá học
Bản chất của phương pháp hoá học là cho thêm một chất hoạt động
bề mặt để phá nhũ tương.
Khi các điều kiện thao tác như nhiệt độ, áp suất được chọn ở chế
độ thích hợp thì hiệu quả của phương pháp cũng rất cao nhưng khó
khăn nhất là phải chọn được chất hoạt động bề mặt thích hợp không gây
hậu quả khó khăn cho chế biến sau này cũng như không phân huỷ hay
tạo môi trường ăn mòn thiết bị.


c. Tách bằng phương pháp dùng điện trường
Phương pháp dùng điện trường để phá nhũ, tách muối khỏi dầu là
một phương pháp hiện đại công suất lớn, quy mô công nghiệp và dễ
tự động hoá nên các nhà máy chế biến dầu lớn đều áp dụng phương
pháp này.
Vì bản thân các tạp chất đã là các hạt dễ nhiễm điện tích nếu ta
dùng lực điện trường mạnh sẽ làm thay đổi điện tích, tạo điều kiện cho
các hạt đông tụ hay phát triển làm cho kích thước lớn lên do vậy chúng
dễ tách ra khỏi dầu.
Sự tương tác giữa điện trường và các hạt làm cho các hạt tích điện
lắng xuống. Nguyên tắc này được áp dụng để tách muối nước ra khỏi
dầu thô. Dầu thô được đốt nóng trong các thiết bị trao đổi nhiệt rồi trộn
với một lượng nước sạch để tạo thành nhũ tương chứa muối. Lực hút
giữa các hạt tích điện làm chúng lớn lên ngưng tụ thành hạt có kích
thước lớn, chúng dễ tách thành lớp nước nằm dưới dầu.

Trên thực tế người ta pha thêm nước vào dầu một lượng từ 3 ÷ 8% so
với dầu thô và có thể pha thêm hoá chất rồi cho qua van tạo nhũ tương
sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt ở nhiệt độ từ 130 ÷ l50 0C muối trong
dầu thô được chuyển vào nhũ tương. Khi dẫn vào khoảng cách giữa hai
điện cực có hiệu điện thế từ 20.000 vôn trở lên chúng tích điện vào
nhau tăng dần kích thước cuối cùng tách thành lớp nước nằm ở dưới
dầu. Tránh sự bay hơi dầu do tiếp xúc ở nhiệt độ cao, áp suất ở trong
thiết bị tách muối được giữ ở áp suất 9 ÷ 12 kG/cm 2, bộ phận an toàn
được bố trí ngay trong thiết bị. Khi tách một bậc người ta có thể tách 90
÷ 95% muối, còn tách 2 bậc hiệu suất tách muối lên lới 99%.
1.1.2 Chưng cất dầu thô
ý nghĩa của quá trình chưng cất: Trong công nghiệp chế biến dầu,
dầu thô sau khi đã qua xử lý như: tách nước, muối và tạp chất cơ học
được đưa vào chưng cất, các quá trình chưng cất dầu ở áp suất khí
quyển (AD) và chưng cất chân không(VD) thuộc về nhóm các quá trình
chế biến vật lý.


Chưng cất ở áp suất khí quyển AD với nguyên liệu là dầu thô đôi
khi còn gọi là CDU. Còn chưng cất VD dùng nguyên liệu là cặn của
quá trình chưng cất AD. Trong thực tế đôi khi còn gọi là cặn chưng cất.
Tùy theo bản chất của nguyên liệu và mục đích của quá trình chúng ta
áp dụng chưng cất AD, VD hay kết hợp cả hai AD và VD. Các nhà máy
hiện đại ngày nay luôn dùng loại hình công nghệ AVD (kết hợp giữu
chưng cất chân không và chưng cất khí quyển). Khi áp dụng loại hình
công nghệ AD chúng ta chỉ chưng cất dầu thô để nhận các phân đoạn:
xăng (naphata nhẹ, naphta nặng), phân đoạn kerosen, phân đoạn diezen
và phần cặn còn lại sau khi chưng cất. Như vậy tuỳ thuộc vào thành
phần dầu mỏ nguyên liệu và mục đích chế biến mà người ta áp dụng
một trong các loại hình công nghệ chưng cất (hình 1: a, b, c, d).

- Cơ sở lý thuyết của quá trình chưng cất
Quá trình chưng cất dầu thô là một quá trình phân đoạn. Quá trình
này được thực hiện bằng các biện pháp khác nhau nhằm tách các phần
dầu theo nhiệt độ sôi của các cấu tử trong dầu mà không xảy ra sự phân
huỷ. Hơi nhẹ bay lên và ngưng tụ thành phần lỏng tuỳ theo biện pháp
tiến hành chưng cất mà người ta phân chia quá trình chưng cất thành
chưng đơn giản, chưng phức tạp, chưng nhờ cấu tử bay hơi hay chưng
cất trong chân không.
III

3
6

II
4
3

5

V

1

1

V
1

2

1

1

V

1
V1

3

3
3
3
3

IV
VI
VII
VIII

IX


Hình 1.1. a

1

3
VIII

7
XI
1

2

IX

XII

Hình 3.b)
Hình 1.1.b

X
1

1

3

VIII
1 3
XIII

V
1 3

XIV

V
1

2

V

1 3
V
1 3

XV
XII


Hình 1.1.c

3

III

X

6
II
3
1

1
2

4

5

V

13
1

V
V

VIII
3

1 3

1
2

7

V

5

V

XIII

XIV

V
V

1 3
IX

V
1

XV
3

XII

Hình 1. 1.d
Chú thích: 1. Thiết bị trao đổi nhiệt; 2. Lò đốt; 3. Làm lạnh,
4. Tháp chưng cất; 5. Tháp tái sinh hơi; 6. Bể chứa; 7. Tháp chưng cất
chân không; I. Dầu thô; II.Xăng; III. Khí; IV. Xăng nặng; V. Hơi nước;
VI. Kerosen; VII. Gazoil nẹ; VIII. Gazoil nặng; IX. Cặn AD; X ÷ XV.
Dầu nhờn (các loại dầu nhờn).


3

1

Sản phẩm chưng
phần cất được

Thùng bay hơi dần dần
2

Dầu thô Sản phẩm đáy

a)

Lò đốt nóng

3

1

Sản phẩm chưng
(lỏng)

Thùng bay hơi một lần
2

Dầu thô

b)

Sản phẩm đáy
(cặn)

Lò đốt

Sản phẩm

lỏng

3
1

Thùng bay hơi nhiều lần
2

3
Sản phẩm
lỏng

Dầu thô
Lò đốt
c)

2
Cặn đáy
Lò đốt


Hình 1.2. Sơ đồ chưng cất dầu thô
1. Thùng; 2. Lò đốt nóng; 3. Thiết bị làm lạnh.
1.1.2.1 Các phương pháp chưng cất
a. Chưng cất đơn giản
Chưng đơn giản là quá trình chưng cất được tiến hành bằng cách
bay hơi dần dần, một lần hay nhiều lần, một hỗn hợp chất lỏng cần
chưng được mô tả trên hình 1.2 (a, b, c).
* Chưng cất bay hơi dần dần
Sơ đồ chưng cất bay hơi dần dần được trình bày trên (hình 4a)

gồm thiết bị đốt nóng liên tục, một hỗn hợp chất lỏng trong bình chưng
1. Từ nhiệt độ thấp tới nhiệt độ sôi cuối khi liên tục tách hơi sản phẩm
và ngưng tụ hơi bay lên trong thiết bị ngưng tụ 3 và thu sản phẩm lỏng
trong bể chứa 4. Phương pháp này thường được áp dụng trong phòng
thí nghiệm.
* Chưng cất bằng cách bay hơi một lần
Sơ đồ chưng cất bằng cách bay hơi một lần được trình bày trên
(hình 4b), phương pháp này còn gọi là phương pháp bay hơi cân bằng.
Phương pháp này người ta tiến hành ở nhiệt độ nhất định cho trước và
áp suất cố định.
− Ưu điểm của quá trình chưng cất cho phép áp dụng trong điều
kiện thực tế chưng cất đầu, tuy với nhiệt độ chưng bị giới hạn nhưng
vẫn cho phép nhận được một lượng phần cất lớn hơn.
− Nhược điểm của phương pháp là độ phân chia chưa cao.
* Chưng cất bằng cách bay hơi nhiều lần
Đây là quá trình gồm nhiều quá trình chưng bay hơi một lần nối
tiếp nhau ở nhiệt độ tăng dần hay ở áp suất thấp hơn đối với phần cặn
(hình 4c) trình bày sơ đồ chưng lần 2. Phần cặn của chưng lần một là


nguyên liệu cho chưng lần hai, sau khi được đốt nóng đến nhiệt độ cao
hơn từ đỉnh của thiết bị chưng lần một ta nhận được sản phẩm đỉnh còn
đáy chưng lần 2 ta nhận được sản phẩm cặn.
Phương pháp chưng cất dầu bằng bay hơi một lần và bay hơi nhiều
lần có ý nghĩa rất lớn trong thực tế công nghiệp chế biến dầu, ở đây các
dây chuyền hoạt động liên tục. Quá trình bay hơi một lần được áp dụng
khi đốt nóng dầu trong các thiết bị trao đổi nhiệt, trong lò ống và quá
trình tách rời pha hơi khỏi pha lỏng ở bộ phận cung cấp, phân phối của
tháp tinh luyện.
Chưng đơn giản nhất là với loại bay hơi một lần, không đạt được

bộ phận phân chia cao khi cần phân chia rõ ràng các cấu tử thành phần
của hỗn hợp chất lỏng người ta phải tiến hành chưng cất có tinh luyện
đó là chưng phức tạp.
b. Chưng phức tạp
* Chưng cất có hồi lưu
Quá trình chưng cất có hồi lưu là một quá trình chưng khi lấy một
phần chất lỏng ngưng tụ từ hơi tách ra cho quay lại tưới vào dòng bay
hơi lên nhờ có sự tiếp xúc đồng đều và thêm một lần nữa giữa pha lỏng
và pha hơi mà pha hơi khi tách ra khỏi hệ thống lại được làm giàu thêm
cấu tử nhẹ (có nhiệt độ sôi thấp hơn) so với khi không có hồi lưu, nhờ
vậy có sự phân chia cao hơn. Việc hồi lưu lại chất lỏng được khống chế
bằng bộ phận phân chia đặc biệt và được bố trí ở phía trên thiết bị
chưng.
* Chưng cất có tinh luyện
Chưng cất có tinh luyện còn cho độ phân chia cao hơn khi kết hợp
với hồi lưu. Cơ sở của quá trình tinh luyện là sự trao đổi chất nhiều lần
về cả 2 phía giữa pha lỏng và pha hơi chuyển động ngược chiều nhau.
Quá trình này được thực hiện trong tháp linh luyện. Để đảm bảo sự tiếp
xúc hoàn thiện hơn giữa pha hơi và pha lỏng trong tháp được trang bị
các đĩa hay đệm. Độ phân chia một hỗn hợp các cấu tử trong tháp phụ


thuộc vào số lần tiếp xúc giữa các pha vào lượng hồi lưu ở mỗi đĩa và
hồi lưu ở đỉnh tháp.
Công nghệ hiện đại chưng cất sơ khởi dầu thô dựa vào quá trình
chưng cất một lần và nhiều lần có tinh luyện xảy ra trong tháp chưng
cất phân loại trong tháp có bố trí các đĩa.
* Chưng cất chân không và chưng cất hơi nước
Gồm hỗn hợp các cấu tử có trong dầu thô thường không bền, dễ bị
phân huỷ khi tăng nhiệt độ. Trong số các hợp chất dễ bị phân huỷ nhiệt

nhất là các hợp chất chứa lưu huỳnh và các hợp chất cao phân tử như
nhựa... Các hợp chất parafin kém bền nhiệt hơn các hợp chất naphten,
và các naphten lại kém bền nhiệt hơn các hợp chất thơm. Độ bền nhiệt
của cấu tử tạo thành dầu không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà còn phụ
thuộc cả vào thời gian tiếp xúc ở nhiệt độ đó. Trong thực tế chưng cất,
đối với các phân đoạn có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân
huỷ nhiệt khi chúng đốt nóng. Tuỳ theo loại dầu thô, trong thực tế
không nên đốt nóng quá 420 0 C với dầu không có hay chứa rất ít lưu
huỳnh, và không quá 320 ÷ 340 0C với dầu có và nhiều lưu huỳnh.
Sự phân huỷ khi chưng cất sẽ làm xấu đi các tính chất của sản
phẩm, như làm giảm độ nhớt và nhiệt độ bốc cháy cốc kín của chúng,
giảm độ bền oxy hoá.
Nhưng quan trọng hơn là chúng gây nguy hiểm cho quá trình
chưng cất vì chúng tạo các hợp chất ăn mòn và làm tăng áp suất của
tháp. Để giảm sự phân huỷ, thời gian lưu của nguyên liệu ở nhiệt độ
cao cũng cần phải hạn chế. Khi nhiệt độ sôi của hỗn hợp ở áp suất khí
quyển cao hơn nhiệt độ phân huỷ nhiệt của chúng, người ta phải dùng
chưng cất chân không VD, hay chưng cất với nước để tránh sự phân
huỷ nhiệt, chân không làm giảm nhiệt độ sôi, còn hơi nước cũng có tác
dụng làm giảm nhiệt độ sôi, giảm áp suất riêng phần của cấu tử hỗn hợp
làm cho chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn. Hơi nước được dùng ngay cả
trong chưng cất khí quyển. Khi tinh luyện, hơi nước được dùng để tái


bay hơi phân đoạn có nhiệt độ sôi thấp còn chứa trong mazut hay trong
gudron, trong nguyên liệu và dầu nhờn. Kết hợp dùng chân không và
hơi nước khi chưng cất phần cặn sẽ cho phép đảm bảo tách sâu hơn phân
đoạn dầu nhờn.
Tuy nhiên tác dụng của hơi nước làm tác nhân bay hơi còn bị hạn
chế vì nhiệt độ bay hơi khác xa so với nhiệt độ đốt nóng chất lỏng. Vì

thế nếu tăng lượng hơi nước thì nhiệt độ và áp suất hơi bão hoà của dầu
giảm xuống và sự tách hơi cũng giảm theo. Do vậy, lượng hơi nước có
hiệu quả tốt nhất chỉ trong khoảng từ 2 ÷ 5% so với nguyên liệu đem
chưng cất khi mà số cấp tiếp xúc là 3 hoặc 4. Trong điều kiện như vậy
lượng hơi dầu tách ra từ phân đoạn mazut đạt tới 14 ÷ 23%.
Khi chưng cất với hơi nước số lượng phân đoạn tách ra được có
thể tính theo phương trình sau:
M
P
G = f ⋅ f ⋅Z
18 P − Pf
Trong đó:
G và Z: số lượng hơi dầu tách được và lượng hơi nước
M f: phân tử lượng của hơi dầu
18: phân tử lượng của nước
P: áp suất tổng cộng của hệ
Pf: áp suất riêng phần của dầu ở nhiệt độ chưng.
Nhiệt độ hơi nước cần phải không thấp hơn nhiệt độ của hơi dầu để
tránh sản phẩm dầu ngậm nước. Do vậy, người ta thường dùng hơi nước
có nhiệt độ 380 ÷ 450 0C, áp suất hơi từ 0,2 ÷ 0,5 MPa. Hơi nước dùng
trong công nghệ chưng cất dầu có rất nhiều ưu điểm: làm giảm áp suất
hơi riêng phần của dầu, tăng cường khuấy trộn chất lỏng tránh tích điện
cục bộ, tăng diện tích bề mặt bay hơi do tạo thành các tia và bong bóng
hơi. Người ta cũng dùng hơi nước để tăng cường đốt nóng cặn dầu
trong lò ống khi chưng cất chân không. Khi đó đạt mức độ bay hơi lớn
cho nguyên liệu dầu, tránh sự tạo cốc trong các lò ống đốt nóng. Tiêu
hao hơi nước trong trường hợp này vào khoảng 0,3 ÷ 0,5% so với


nguyên liệu.

Từ cơ sở lý thuyết để quá trình chưng cất thu được sản phẩm lớn,
lượng sản phẩm đáy ít, tiết kiệm nguyên liệu và lượng sản phẩm sau
khi được chưng cất thu được đạt tiêu chuẩn ta nên chọn giải pháp là
chưng cất theo phương pháp phức tạp có tinh luyện.
Thành phần chủ yếu trong dầu mỏ là các hydrocacbon nhưng tại
mỗi mỏ dầu thì hàm lượng hydrocacbon hay các tạp chất khác có trong
dầu cũng khác nhau. Có những mỏ dầu hàm lượng các chất có chứa
các cấu tử nhẹ là lớn, cũng có mỏ dầu hàm lượng các chất có chứa các
cầu tử nhẹ ít mà lại chứa nhiều cấu tử nặng... Bởi vậy mà tại mỗi loại
dầu được khai thác từ các mỏ khác nhau đều có quy trình chưng cất
khác nhau. Hiện nay thì quy trình chưng cất tại mỗi nhà máy có khác
nhau nhưng từ cơ sở lý thuyết ta thấy được các ưu điểm lớn sử dụng
phương pháp chưng cất phức tạp có tinh luyện là: Lượng sản phẩm thu
được là triệt để, lượng sản phẩm đáy ít, tiết kiệm nguyên liệu và lượng
sản phẩm sau khi được chưng cất thu được đạt tiêu chuẩn nên hầu hết
các nhà máy đều sử dụng pháp chưng cất phức tạp có tinh luyện còn
phương pháp chưng cất đơn giản chỉ để phân đoạn sản phẩm trước khi
chưng cất phức tạp.
1.1.2.2 Sơ đồ công nghệ
Loại sơ đồ công nghệ chưng cất dầu mỏ ở áp suất thường gồm:
- Sơ đồ bốc hơi một lần và tinh luyện một lần cùng một tháp chưng
cất


xăng
Phân đoạn 1
Dầunóng

Phân đoạn 2
Phân đoạn 3

Mazut
Loại sơ đồ này có ưu điểm là sự bốc hơi đồng thời các phân đoạn sẽ
giảm được nhiệt độ bốc hơi và nhiệt lượng đun nóng dầu trong lò. Thiết
bị đơn giản gọn gang nhưng lại có nhược điểm là đối với dầu chứa
nhiều khí hòa tan cũng như chứa nhiều phân đoạn nhẹ, nhiều tạp chất
lưu huỳnh thì gặp nhiều khó khăn trong quá trình chưng cất, do áp suất
trong các thiết bị trong sơ đồ đều lớn , nên thiết bị phải có độ bền lớn
làm bằng vật liệu đắt tiền, đôi khi có hiện tượng nổ hỏng thiết bị do áp
suất trong tháp tăng đột ngột.
- Sơ đồ bốc hơi 2 lần và tinh luyện 2 lần trong 2 tháp nối tiếp nhau.
Xăng

xăng

nhẹ
Dầu
nóng

Phân đoạn 1
Phân đoạn 2

Mazut
Hình a
az
ut


xăng
Dầu

nóng

Phân đoạn
Phân đoạn

1
2 Phân đoạn
3

Mazut
Hình b
Thiết bị chưng cất theo sơ đồ a gồm hai tháp nối tiếp nhau, quá trình
bốc hơi hai lần và tinh luyện hai lần trong hai tháp nối tiếp nhau. Loại
này thường áp dụng để chế biến những loại dầu có chứa nhiều phân
đoạn nhẹ, những hợp chất chứa lưu huỳnh và nước.
Nhờ các cấu tử nhẹ, nước được tách ra sơ bộ ở tháp thứ nhất nên
trong các ống xoắn của lò và tháp thứ 2 không có hiện tượng tăng áp
suất đột ngột như trong sơ đồ trên. Mặt khác các hợp chất chứa lưu
huỳnh gây ăn mòn thiết bị đã được thoát ra ở đỉnh tháp thứ nhất . Do
vậy trong tháp chưng thứ hai không cần dùng vậu liệu đắt tiền, có thể
sử dụng thép thường.
Những hydrocacbon nhẹ được loại ra ở tháp thứ nhất cho phép đun
dầu làm việc với hệ số trao đổi nhiệt lớn, giảm đáng kể công suất cần
thiết của lò đun dầu chính. Nhờ loại bỏ được nước ngay từ tháp thứ
nhất nên tháp chính thứ hai làm việc an toàn hơn.
Bên cạnh đó loại sơ đồ hai tháp chưng cất là đun nóng dầu trong lò
nhiệt với nhiệt độ cao hơn 5-10 o C so với sơ đồ trên. Có thể hạn chế hay
khắc phục hiện tượng này bằng cách cho hơi nước vào những ống cuối
cùng của lò để giảm áp suất riêng phần của các hydrocacbon.

Trong sơ đồ b là hệ thống bốc hơi 2 lần và tinh luyện 1 lần trong
tháp chưng cất. sơ đồ loại này ít phổ biến, ở sơ đồ này có sự tinh luyện
phần nhẹ và phần nặng xảy ra đồng thời trong cùng một tháp chưng cất
chính thứ hai. Như vậy có phần nào giảm bớt nhiệt độ đun nóng dầu
trong lò.
1.1.3 các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình chưng cất
1.1.3.1 Chế độ nhiệt của tháp chưng cất
Nhiệt độ là một thông số quan trọng nhất của tháp chưng cất,
bằng cách thay đổi nhiệt độ của tháp sẽ điều chỉnh được chất lượng và
hiệu suất của sản phẩm, chế độ nhiệt của tháp gồm: nhiệt độ của
nguyên liệu vào tháp, nhiệt độ đỉnh tháp, nhiệt độ trong và đáy tháp.
Nhiệt độ của nguyên liệu dầu thô vào tháp chưng cất được khống
chế tùy theo bản chất của loại dầu thô, mức độ cần phân chia sản phẩm,
áp suất trong tháp và lượng hơi nước đưa vào đáy tháp nhưng phải
tránh được sự phân hủy nhiệt của nguyên liệu ở nhiệt độ cao,do vậy
nhiệt độ lò ống đốt nóng phải được khống chế chặt chẽ.
Nhiệt độ đáy tháp chưng cất phụ thuộc vào phương pháp bay hơi
và phần hồi lưu đáy. Nếu bay hơi hồi lưu đáy bằng một thiết bị đốt
nóng riêng thì nhiệt độ đáy tháp sẽ ứng với nhiệt độ bốc hơi cân bằng ở
áp suất tại đáy tháp. Nếu bốc hơi bằng cách dùng hơi nước quá nhiệt thì
nhiệt độ đáy tháp sẽ thấp hơn nhiệt độ vùng nạp liệu. Nhiệt độ đáy tháp
phải chọn tối ưu tránh sự phân hủy các cấu tử nặng nhưng phải đủ để
tách hết hơi nhẹ khỏi phần cặn đáy.
Nhiệt độ đỉnh tháp phải được khống chế nhằm đảm bảo sự bay
hơi hoàn toàn sản phẩm đỉnh mà không gây ra sự cuốn theo các phần
nặng. Muốn vậy người ta phải dùng hồi lưu đỉnh tháp để tách xăng khỏi
các phân đoạn khác. Nhiệt độ đỉnh tháp chưng cất khi chưng cất ở áp
suất khí quyển cần giữ trong khoảng 90-120 o C. Còn đối với tháp chưng
cất chân không khi áp suất chưng cất là 10-70mmHg thường không quá

120 o C để tách hết phần gasoil nhẹ còn lẫn trong nguyên liệu.
Dùng hồi lưu sẽ tạo điều kiện phân chia tốt . Hồi lưu đỉnh tháp
thường có 2 dạng:
Hồi lưu nóng: cho ngưng tụ một phần hơi sản phẩm đỉnh ở nhiệt độ
sôi của nó, sau đó cho tưới trở lại đỉnh tháp. Như vậy chỉ cần cấp một


lượng nhiệt đủ để bốc hơi. Tác nhân làm lạnh hơi có thể dùng nước hay
chính sản phẩm lạnh. Công thức của lượng nhiệt hồi lưu nóng
Q
Rn =
L
R n : lượng hồi lưu nóng(kg/h)
Q: lượng nhiệt hồi lưu cần lấy để bốc hơi (kcal/h)
L: lượng nhiệt ngưng tụ sản phẩm lỏng (kcal/h)
Do thiết bị hồi lưu nóng khó lắp ráp và có nhiều khó khăn cho việc
vệ sinh, đặc biệt là hiệu quả phân chia thấp nên ngày càng ít dùng.
Hồi lưu nguội: làm nguội và ngưng tụ toàn bộ sản phẩm đỉnh rồi
tưới trở lại đỉnh tháp. Hồi lưu nguội được tính bởi công thức:
Q
Q
R ng = h
=
i + (t2 − t1) C
q + ql
t1

t2

Rng :lượng hồi lưu nguội

Q: lượng nhiệt mà hồi lưu cần
qht : hàm nhiệt của hơi
1

qlt :lượng nhiệt của lỏng hồi lưu
2
i: lượng nhiệt của phần hơi cần
C : nhiệt dung của sản phẩm hồi lưu
t1,t2 : nhiệt độ của hơi và của lỏng tương ứng.
Hồi lưu nguội được sử dụng tương đối rộng rãi vì lượng hồi lưu
thường ít, làm tăng rõ ràng chất lượng mà không làm giảm nhiều năng
suất của tháp chưng cất. ngoài hồi lưu đỉnh, đáy người ta sử dụng hồi
lưu trung gian để tăng chất lượng của các sản phẩm cạnh sườn và điều
chỉnh nhiệt độ trong tháp.
Hồi lưu trung gian: lấy một phần sản phẩm lỏng nằm trên các đĩa
có nhiệt độ t1 đưa ra ngoài làm nhiệt độ to rồi tưới hồi lưu trở lại tháp.
Khi đó chất lỏng hổi lưu cần thu một lượng nhiệt để đun nóng từ nhiệt
độ to tới t1.
Xác định lượng hồi lưu trung gian theo công thức:
Q
gtr = l
qt − qlt
1

0

gtr: : lượng nhiệt hồi lưu lấy đi (kcal/h)


qlt , qlt :hàm lượng nhiệt của hồi lưu ở pha lỏng ứng với nhiệt độ

1
0
t1 và to (kcal/h)
Ưu điểm: giảm lượng hơi đi ra ở đỉnh tháp, tận dụng được một
lượng nhiệt thừa rất lớn của tháp chưng cất để đun nóng nguyên liệu
ban đâu tăng công suất làm việc của tháp chưng cất.
Người ta thường kết hợp hồi lưu trung gian với hồi lưu lạnh cho
phép điều chỉnh chính xác nhiệt độ đỉnh tháp chưng đảm bảo hiệu suất
và chất lượng sản phẩm của quá trình.
1.1.3.2 Yếu tố áp suất của tháp chưng cất
Áp suất của tháp phụ thuộc vào số đĩa và cấu trúc đĩa, lưu lượng
riêng của chất lỏng và hơi. Thông thường từ đĩa này sang đĩa khác áp
suất giảm đi 5-10mmHg từ dưới lên, ở áp suất thấp qua mỗi đĩa giảm đi
từ 1-3 mmHg
Áp suất làm việc của tháp phụ thuộc vào nhiệt độ, bản chất của
nguyên liệu và áp suất riêng phần của từng cấu tử.
Áp suất đưa vào cũng ảnh hưởng đến áp suất chưng cất của tháp.
Nếu tháp chưng cất dùng hơi nước trực tiếp cho vào đáy tháp thì hơi
nước làm giảm áp suất riêng phần của hơi sản phẩm dầu mỏ, cho phần
chất lỏng bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn. Lượng hơi nước têu hao phụ
thuộc vào áp suất chưng của tháp và áp suất riêng phần của các sản
phẩm dầu mỏ.
Lượng hơi nước dùng cho tháp chưng ở áp suất khí quyển khoảng
1,2-3,5% trọng lượng.
Khi chưng cất ở áp suất chân không thì thường tiến hành áp suất
từ 10-70mmHg. Độ chân không càng sâu càng cho phép chưng sâu hơn.
Để có sự làm việc ổn định của tháp chưng cất chúng ta phải thực
hiện các nguyên tắc sau:
Điều chỉnh áp suất trong tháp làm thay đổi điểm sôi của chất
lỏng

Áp suất tăng lên thì chất lỏng sôi ở nhiệt độ cao hơn. Nếu áp
suất tăng quá cao, lượng chất lỏng trong tháp sẽ nhiều dẫn đến hiện
tượng sặc làm giảm hiệu quả phân chia.


Nếu các điều kiện khác trong tháp là cố định thì sản phẩm
đỉnh, sản phẩm sườn và sản phẩm đáy sẽ trở nên nhẹ hơn nếu áp
suất trong tháp tăng lên.
Nếu nhiệt độ cấp liệu vào tháp quá thấp, lượng hơi trên các
khay đĩa sẽ nhỏ cho nên phần lỏng nhiều và chảy xuống phía dưới
vào bộ phận chưng sẽ càng nhiều.
Nếu nhiệt độ của Repoiler quá thấp sẽ không tách hết phân nhẹ
trong cặn và làm tăng lượng cặn.
Nếu nhiệt độ đỉnh tháp quá cao, sản phẩm đỉnh nặng và có
nhiều sản phẩm hơn so với thiết kế và ngược lạ nếu nhiệt độ đỉnh
quá thấp thì sản phẩm đỉnh sẽ quá nhẹ và có ít sản phẩm.
Nhiệt độ cần thiết tách phân đoạn dầu thô sẽ cao hơn với dầu
thô loại nhẹ
Chú ý nhất là nhiệt độ đỉnh tháp, tránh nhiệt độ quá cao mà nguyên
nhân có thể do làm lạnh không đủ dẫn đến chế độ thay đổi hồi lưu ảnh
hưởng đến chất lượng sản phẩm.
1.1.4 Sản phẩm của quá trình chưng cất
Khi tiến hành chưng cất sơ bộ dầu mỏ chúng ta nhận được nhiều
phân đoạn và sản phẩm dầu mỏ khác nhau như sau:
Phân đoạn khí hydrocacbon
Phân đoạn xăng: xăng nhẹ có chứa các cấu tử từ C 5 -C 7 có
nhiệt độ sôi dưới 110 o C. xăng nặng chứa các cấu tử từ C 7 -C 10 với
nhiệt độ sôi từ 110 o C -180 o C.
Phân đoạn kerosene có nhiệt độ sôi từ 180-250 o C. Bao gồm
các cấu tử từ C 11 -C 15

Phân đoạn gasoil nhẹ có khoảng nhiệt sôi từ 230-280 o C, bao
gồm các cấu tử từ C 10 -C 20 .
Phân đoạn gasoil nặng có nhiệt độ sôi trong khoảng 280-350 o
C hay còn gọi là phân đoạn dầu nhờn bao gồm các cấu tử từ C21
÷ C35
Phân đoạn cặn goudron có nhiệt độ sôi > 500 o C bao gồm các
cấu tử từ
C 41 trở nên và có thể lên tới C 50 , C 60
a. Phân đoạn khí hydrocacbon


Khí hydrocacbon chủ yếu là C 3 -C 4 tùy thuộc vào công chưng cất
phân đoạn C 3 -C 4 nhận được là ở thể khí. Phân đoạn này thường dùng
làm nguyên liệu cho quá trình chia khí để nhận các khí riêng biệt cho
công nghệ chế biến tiếp theo thành những hóa chất cơ bản hay được
dùng làm nhiên liệu dân dụng.
b. Phân đoạn xăng
Phân đoạn xăng thường dùng vào mục đích chủ yếu:
Sản xuất nhiên liệu cho động cơ xăng
Sảnxuất nguyên liệu cho công nghiệp hóa dầu
Sản xuất dung môi cho công nghiệp hóa học ( là các hydrocacbon
thơm)
c. Phân đoạn kerosen
Kerosene được sử dụng dùng cho động cơ phản lực . do có đặc điểm
cơ bản nhất của nhiên liệu dùng cho động cơ phản lực nên làm sao đó
có thể phân đoạn kerosen có tốc độ cháy lớn, dễ dàng tự bốc cháy ở bất
kỳ nhiệt độ và áp suất nào, quá trình cháy phải có ngọn lửa ổn định. Vì
vậy sản phẩm phải có hàm lượng lưu rất nhỏ.
d. Phân đoạn diezen
Phân đoạn diezen là phân đoạn có nhiệt độ sôi từ 240-360 o C dùng

làm nguyên liệu diezen cho động cơ diezen ,khi nhận nguyên liệu này
từ dầu mỏ có rất nhiều lưu huỳnh nên người ta phải khử các hợp chất
lưu huỳnh bằng hydro hóa làm sạch.
e. Phân đoạn mazut


Đó là phân đoạn cặn chưng cất khí quyển, phân đoạn này dùng
làm nhiên liệu đốt lò cho các lò công nghiệp, lò phản ứng. nó hay được
sử dụng cho các quá trình chưng cất chân không để nhận được các cấu
tử dầu nhờn hay nhận nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác,
cracking nhiệt và hydrocacking.
f. Phân đoạn dầu nhờn
Phân đoạn này có nhiệt độ từ 350-500 o C, 350-540 o C được gọi là
gasoil chân không. Đó là nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác
hay hydrocacking. Còn phân đoạn dầu nhờn có nhiệt độ sôi hẹp hơn từ
320-400 o C, 300-420 o C, 400-450 o C được dùng làm nguyên liệu cho
sản xuất dầu nhờn bôi trơn.
g. Phân đoạn gudron
Là sản phẩm cặn của quá trình chưng cất chân không được dùng
làm nguyên liệu cho quá trình cốc hóa để sản xuấ cốc hoặc dùng để chế
tạo bitum các loại khác nhau
Trong các phân đoạn trên thì sản phân đoạn xăng, keroson,
diezen là những phân đoạn quan trọng , chúng được gọi là các sản
phẩm trắng vì chúng chưa bị nhuốm màu. Phân đoạn mazut , dầu nhờn,
gudron người ta gọi là sản phẩm đen.
1.2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
Lựu chọn công nghệ và sơ đồ công nghệ
Trong quá trình chưng cất phụ thuộc các đặc tính của nguyên liệu
và mục đích của quá trinh chế biến.
Với dầu mỏ chứa lượng khí hòa tan bé từ 0,5-1,2% , trữ lượng

xăng thấp từ 12-15% phân đoạn có nhiệt độ sôi cao đến 180 o C và hiệu
suất các phân đoạn cho tới 350 o C không lớn hơn 45% thì thuận tiện


nhất và cũng phù hợp hơn cả là nên chọn sơ đồ chưng cất khí quyển
AD với phương pháp chưng cất bay hơi một lần để phân đoạn sản
phẩm( sản phẩm đáy, sản phẩm đỉnh) và một tháp chưng cất sử dụng
phương pháp chưng cất phức tạp ( tinh luyện, hồi lưu, sử dụng hơi nước
làm giảm áp trong tháp).
Với dầu mỏ chứa nhiều phần nhẹ, tiềm lượng sản phẩm trắng
cao(50-65%), chứa nhiều khí hòa tan> 12%, chứa nhiều phân đoạn
xăng(20-30)% thì nên chọn sơ đồ chưng cất khí quyển AD với bay hơi
hai lần(2 tháp nối tiếp nhau). tháp số 1 có nhiệm vụ tách phần khí hòa
tan và phần xăng có nhiệt độ sôi thấp ra khỏi dầu( người ta thường
chưng cất ở áp suất cao hơn khoảng P=0,35-1 Mpa).
Nhờ vào ưu điểm của hệ thống hai tháp chưng cất mà hiện nay
hệ thống này được sử dụng rất phổ biến và đảm bảo. việc chưng cất
dầu thô muốn nhận được nhiều phần nhẹ ta nên lựa chọn sơ đồ hệ
thống chưng cất sử dụng 2 tháp chưng cất.
Dây chuyền công nghệ chưng cất dầu thô nhiều cấu tử nhẹ:


1.2.1 Thiết bị chính trong dây chuyền
Thiết bị góp phần quan trọng nhất trong dây chuyền công nghệ
chưng cất dầu mỏ thô bằng áp suất thường là:
1.2.2.1 Tháp chưng cất 7 và 9
a. Cấu tạo
1. Nguyên liệu vào tháp
2. Bể chứa
3. Hồi lưu vào tháp

4. Thiết bị ngưng tụ và làm lạnh
5. Thân tháp chưng cất
6. Các đĩa
7. Thiết bị đun sôi
8. Bể chứa cặn
9. Bể chứa sản phẩm đỉnh.