Nội dung

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT LỜI MỞ ĐẦU Dầu mỏ được con người biết đến và sử dụng vào thế kỷ 18 với mục đích thắp sáng. Năm 1853 tại Mỹ xuất hiện giếng khoan đầu tiên đây là bước chuyển mình và đi lên của ngành khai thác và chế biến dầu mỏ. Đến năm 1992, thế giới đã có tới 100 loại dầu mỏ khác nhau thuộc sở hữu của 48 quốc gia trong đó có Việt Nam. Quốc gia có sản lượng dầu mỏ lớn nhất là Arập xêút chiếm 26% tổng sản lượng dầu mỏ trên thế giới. Cho đến nay khi chưa có sự thống nhất nhưng đa số dư luận khoa học cho rằng: Dầu mỏ có nguồn gốc hữu cơ. Tuỳ thuộc vào tuổi của dầu, độ sâu và tính chất địa lý mà dầu mỏ có thể khác nhau. Nhưng đặc điểm chung của dầu đều tồn tại ở thể lỏng sánh và dính. Dầu thô có màu tối hay gặp là màu nâu và đen, có mùi đặc trưng khó ngửi. Dầu mỏ không tan trong nước nhẹ hơn nước. Thành phần của dầu mỏ là một hỗn hợp phức tạp chứa chủ yếu là hydrrocacbon (80 – 85%C, 10 – 14%H). Công nghiệp dầu khí là một ngành công nghiệp có những bước thay đổi và phát triển không ngừng, đặc biệt là những năm cuối thể kỷ 20. Công nghiệp dầu khí đã và đang trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn, bên cạnh đó là sự phát triển không ngừng của một số nguyên liệu trong ngành công nghiệp hoá dầu, song không thể không nhắc đến nguyên liệu mazut, là một trong những nguyên liệu có đặc tính quan trọng để sản xuất ra dầu nhờn. Mazut có tên gọi là dầu cặn, được sử dụng phổ biến cho ngành tổng hợp hoá dầu và các ngành công nghiệp khác. Nguyên liệu Mazut đã góp phần tạo ra sự thay đổi lớn về cơ cấu phát triển các chủng loại và chất lượng sản phẩm của ngành công nghiệp hoá dầu. Ngày nay nguyên liệu Mazut được sử dụng với mục đích chủ yếu là giải quyết nhu cầu nguyên liệu cho động cơ và nguyên liệu cho công nghiệp. Do có nhiều tính năng ưu việt trong khi sử dụng, mà các dạng nguyên liệu cổ Trần Viết Chánh 1 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT truyền không có được, đó là: Dễ bảo quản và vận chuyển, dễ sử dụng ở quy mô công nghiệp hiện đại, nên nhu cầu sử dụng nguyên liệu Mazut ngày càng tăng nhanh. Cùng với sự phát triển đất nước nói chung, cũng như sự phát triển không ngừng của ngành công nghiệp dầu khí nói riêng, thì nguyên liệu mazut đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, công nghiệp sản xuất khác nhau và là nguyên liệu không thể thiếu của: Lò nung xi măng, gốm, sứ, các lò sấy lương thực, thực phẩm, các lò hơi nhà máy điện… Chính vì vậy mà chưng cất dầu mazut ở áp suất chân không để sản xuất ra dầu nhờn gốc là rất quan trọng trong nền kinh tế đất nước hiện nay. Trần Viết Chánh 2 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT I. CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT DẦU NHỜN GỐC. Bôi trơn là phương pháp làm giảm ma sát và mài mòn đến mức thấp nhất bằng cách tạo ra giữa bề mặt ma sát một lớp chất được gọi là chất bôi trơn. Hầu hết chất bôi trơn là chất lỏng. Do vậy các chất bôi trơn lỏng (dầu bôi trơn) được biết đến nhiều nhất trong ứng dụng kỹ thuật. Đó là do chúng tạo ra sự ngăn cách bề mặt một cách nhanh chóng một khi được sử dụng hợp lý và chúng có khả năng làm mát tốt. Nguyên liệu để sản xuất ra dầu bôi trơn (dầu gốc) là các hydrocacbon tự nhiên và tổng hợp khác nhau. Tuy nhiên do giá thành sản xuất các hỗn hợp hydrocacbon từ dầu mỏ thấp nên chúng được sử dụng phổ biến hơn cả để sản xuất dầu gốc. Bản chất của dầu thô và của quá trình lọc dầu sẽ quyết định tính chất vật lý và hoá học của dầu gốc tạo thành. Trong dầu mỏ ở phân đoạn cặn mazut có cả những cấu tử có ích và cả những cấu tử không có lợi cho việc bôi trơn. Vì vậy, việc tách các thành phần không mong muốn trong sản xuất dầu gốc là không thể thiếu. Quá trình này được thực hiện nhờ các quá trình lọc dầu cho phép thu được dầu gốc có chất lượng cao. Đối với việc sản xuất các sản phẩm dầu nhờn từ dầu mỏ dạng nhiều lưu huỳnh và nhiều parafin thì phải lựa chọn sơ đồ hệ thống sản xuất dầu nhờn phức tạp hơn và sử dụng dung môi chọn lọc, phải thêm quá trình khử parafin, rồi đến quá trình hấp thụ lần cuối trên đất sét hay thay thế cho quá trình này bằng quá trình làm sạch bằng hydro. Như chúng ta đã biết, quá trình chưng cất chân không là quá trình đầu tiên của hệ thống sản xuất dầu nhờn. Việc phân chia các phân đoạn có triệt để hay không đều ảnh hưởng đến các chỉ tiêu của quá trình cơ bản sản xuất dầu Trần Viết Chánh 3 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT nhờn. Tất cả các phân đoạn dầu nhờn được phân chia qua quá trình chưng cất ở áp suất chân không bao gồm:  Phân đoạn dầu nhờn nhẹ: 300  4000C.  Phân đoạn dầu nhờn trung bình: 350  4200C.  Phân đoạn dầu nhờn nặng: 320  5000C.  Phân đoạn dầu nhờn cặn: > 5000C. Các phân đoạn này đều trải qua quá trình trích ly (hay làm sạch) bằng dung môi chọn lọc (có thể dùng phenol hay fufurol…). Sau đó tiếp tục tới quá trình kết tinh (hay khử) parafin nhẹ để giảm nhiệt độ đông đặc của dầu nhờn và cuối cùng làm sạch lần cuối bằng các chất dung môi có lẫn từ các quá trình trên và tách hết các chất axit. Kết thúc hệ thống là giai đoạn pha trộn các cấu tử dầu nhờn với các tỷ lệ khác nhau và pha trộn với các phụ gia với các chức năng khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng. Loại sơ đồ công nghệ sản xuất dầu nhờn đơn giản nhất là loại để nhận dầu nhờn đi từ dầu mỏ thuộc loại ít lưu huỳnh, ít parafin và ít nhựa. Ở Liên Xô người ta sử dụng sơ đồ công nghệ như hình 1a để sản xuất dầu nhờn. Trần Viết Chánh 4 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT MAZUT Chưng cất ở áp suất chân không Phân đoạn 300 ÷ 4000C Phân đoạn 350 ÷ 4200C Gudron khử asphanten Phân đoạn 420 ÷ 5000C Phân đoạn dầu nhờn cặn >5000C Làm sạch bằng axit hay axit - kiềm Làm sạch lần cuối bằng hấp thụ trên đất sét Phụ gia Pha trộn dầu nhờn DẦU NHỜN THƯƠNG PHẨM Hình 1a. Sơ đồ công nghệ sản xuất dầu iítparafin và ít lưu huỳnh. Để nhận dầu nhờn có chỉ số độ nhớt cao dùng đặc biệt cho một số máy móc, người ta đã nghiên cứu và ứng dụng quá trình làm sạch dầu nhờn bằng hydrocraking và hydro hoá. Quá trình hydrocracking để sản xuất dầu nhờn với nguyên liệu là các phân đoạn dầu nhờn cất có độ nhớt cao và phân đoạn dầu nhờn cặn lấy từ quá trình khử asphanten trong gudron thay thế cho quá trình làm sạch bằng dung môi chọn lọc cho ta sản phẩm dầu nhờn có chỉ số độ Trần Viết Chánh 5 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT nhớt cao (từ 100 đến 135). Tuy nhiên chi phí cho quá trình này cao hơn so với làm sạch bằng dung môi chọn lọc. Công nghệ chế biến dầu nhờn gốc được thể hiện theo trình tự của sơ đồ sau: MAZUT Chưng cất ở áp suất chân không Dầu cất nhẹ (Gazoil nhẹ) Phần chiết Dầu cất trung Dầu cất nặng (Dầu tối màu) Cặn nặng (cặn gudron) Tách asphan bằng propan Chiết bằng dung môi Tách sáp Sáp Asphan (hỗn hợp của asphan + nhựa) Làm sạch bằng H2 DẦU GỐC Hình 1b. Sơ đồ công nghệ sản xuất dầu gốc Việc tách các thành phần không mong muốn trong sản xuất dầu gốc được thực hiện nhờ các quá trình chọn lọc dầu sẽ cho phép sản xuất dầu gốc chất lượng cao, ngay cả với phân đoạn dầu nhờn của dầu thô chưa thích hợp Trần Viết Chánh 6 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT cho sản xuất dầu nhờn. Sơ đồ công nghệ chung để sản xuất dầu nhờn gốc từ dầu mỏ thường bao gồm các công đoạn như hình 1b, gồm các quá trình sau: - Chưng chân không nguyên liệu cặn mazut. - Chiết tách, trích ly bằng dung môi. - Tách hydrocacbon rắn (sáp). - Làm sạch lần cuối bằng quá trình hydro hoá. Quá trình tách asphan bằng dung môi propan thường được áp dụng để sản xuất dầu nhờn có độ nhớt cao từ nguyên liệu cặn gudron cũng được xếp vào quá trình chiết, trích ly bằng dung môi. I.1. Quá trình chưng cất chân không [2] Qúa trình chưng cất chân không cho phép ta nhận được các phân đoạn riêng biệt dựa vào khoảng nhiệt độ sôi hay độ nhớt. Do mục đích của công đoạn này là điều chỉnh độ nhớt và nhiệt độ chớp cháy của phân đoạn dầu gốc. Sơ đồ chưng cất chân không được trình bày trên hình 2. Qúa trình chưng cất chân không cho phép nhận được các phân đoạn dầu bôi trơn có độ nhớt khác nhau. Phần dầu nhẹ nhất, có độ nhớt nhỏ nhất thu được ở đinh tháp và phần nặng nhất thu được ở đáy tháp có độ nhớt lớn nhất. Trong các phân đoạn thu được sẽ có mặt tất cả các cấu tử có mặt trong nguyên liệu của loại dầu đem chưng cất. Như chúng ta đã biết, các loại dầu mỏ khác nhau thì chúng đều khác nhau về thành phần hoá học nên không phải tất các dầu mỏ đều cho ta dầu bôi trơn có chất lượng tốt. Nhưng nhờ công nghiệp chế biến dầu hiện đại, người ta có thể thu được dầu gốc chất lượng tốt từ bất kỳ dầu thô nào, song giá thành sản phẩm sẽ rất khác nhau và sẽ càng cao nếu nguyên liệu không thuận lợi. Loại dầu thô tốt nhất cho việc sản xuất dầu gốc là các phân đoạn dầu nhờn có chứa nhiều hydrocacbon naphten và các hydrocacbon thơm một vòng Trần Viết Chánh 7 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT có nhánh, parafin dài phân nhánh và các izo-parafin. Còn dầu thô xấu nhất là loại dầu chứa nhiều hydrocacbon đa vòng và các hydrocacbon thơm ngưng tụ cao. Khi chưng cất chân không, độ nhớt là hàm số của khoảng nhiệt độ sôi và cũng là làm số của trọng lượng phân tử. Độ nhớt là một tham số quan trọng bởi vì khi chưng cất chân không khó có thể điều chỉnh chính xác nhiệt độ cất như trong chưng cất khí quyển. Do vậy nhiều khi không đảm bảo tuyệt đối chính xác nhiệt độ chớp cháy của phân đoạn dầu nhờn nào đó. Để điều chỉnh thông số này, người ta phải tiến hành tách các cấu tử có nhiệt độ sôi thấp bằng cách chưng cất lôi cuốn theo hơi nước trong các tháp bay hơi phụ. Phần cặn từ quá trình chưng cất khí quyển (gọi là phần cặn rộng) được đưa thẳng tới tháp chân không, tại cây phần cặn nào được tách thành các phần cất dầu bôi trơn khác nhau và phần cặn cất chân không (phần cặn hẹp) Trong vài thập kỷ gần đây, công nghệ chưng cất chân không đã được phát triển một cách đáng kể. Mục tiêu chủ yếu là tận dụng tối đa các phần cất có giá trị và giảm mức tiêu thụ năng lượng của các thiết bị [11 ] . Gazoil nhẹ Phân đoạn dầu nhờn I Tháp chưng cất chân không Mazut Phân đoạn dầu nhờn II Phân đoạn dầu nhờn III Phân đoạn dầu nhờn IV (dầu nhờn nặng) Lò nung nguyên liệu Cặn gudron Hình 2. Sơ đồ hệ thống chưng cất chân không có thu các phân đoạn dầu nhờn gốc Trần Viết Chánh 8 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT I.2. Quá trình chiết bằng dung môi. Việc tách bằng chưng cất được dựa trên sự khác biệt về khoảng nhiệt độ sôi mà không cho phép phân chia về mặt hoá học như parafin, aromat và naphten. Tuy nhiên tính chất của sản phẩm phụ thuộc vào bản chất hoá học của các cấu tử cũng như các tính chất vật lý của chúng. Do quá trình chưng cất phân đoạn chưa loại bỏ hết được các cấu tử không mong muốn, thường làm cho dầu nhờn sau một thời gian sử dụng bị đổi màu, tăng độ nhớt, xuất hiện các hợp chất có tính axit không tan trong dầu được gọi là cặn bùn. Việc chiết tách các cấu tử không mong muốn bằng dung môi cho phép sản xuất ra được dầu gốc chất lượng cao từ bất kỳ loại dầu thô nào, kể cả từ loại có hàm lượng hydrocacbon đa vòng thơm và cặn nhựa khá cao. Chính vì thế mà quá trình tách bằng dung môi rất quan trọng và không thể thiếu trong công nghệ sản xuất dầu nhờn có chất lượng cao. Nguyên lý của quá trình chiết bằng dung môi dựa trên việc sử dụng dung môi. Việc lựa chọn dung môi phụ thuộc vào tính chọn lọc của nó, tức là dựa vào khả năng phân tách hai nhóm cấi tử khác nhau về mặt hoá học. Khi trộn dung môi với nguyên liệu ở điều kiện thích hợp, các cấu tử trong nguyên liệu sẽ được phân chia thành hai nhóm: .  Nhóm cấu tử hoà tan tốt vào dung môi tạo thành pha riêng gọi là pha chiết (extract).  Nhóm cấu tử không hoà tan hoặc hoà tan rất ít vào dung môi gọi là rafinat. Sản phẩm có ích có thể nằm trong extract hoặc trong pha rafinat tuỳ dung môi sử dụng. Dựa vào bản chất của dung môi mà người ta chia thành dung môi có cực và dung môi không cực, hay dung môi hỗn hợp, nhưng dù loại dung môi nào được chọn cũng phải thoả mãn các yêu cầu sau : + Phải có tính hoà tan chọn lọc, tức là phải có khả năng phân tách thành hai nhóm cấu tử: nhóm có lợi và nhóm không có lợi cho dầu gốc. Tính chất này còn được gọi là độ chọn lọc của dung môi. Trần Viết Chánh 9 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT + Phải bền về mặt hoá lọc, không phản ứng với các cấu tử của nguyên liệu, không gây ăn mòn và dễ sử dụng. + Có giá thành rẻ, dễ kiếm. + Có nhiệt độ sôi khác xa so với cấu tử cần tách để dễ dàng thu hồi dung môi, tiết kiệm được năng lượng. Ba loại dung môi được sử dụng để chiết tách các phần hydrocacbon thơm và cặn nhựa ra khỏi phân đoạn dầu nhờn hiện nay đó là phenol, fufurol và N-metylpirolydon (NMP). Còn để tách các hợp chất nhựa - asphan trong phân đoạn gudron phổ biến là dùng propan lỏng. I.2.1. Quá trình khử asphan [2, 11]. Do trong cặn gudron có chứa nhiều các cấu tử không có lợi cho dầu gốc nên nếu đưa trực tiếp vào trích ly sẽ không cho phép đạt chất lượng và hiệu quả mong muốn. Chính vì thế người ta thường tiến hành khử asphan trước. Trong sản xuất dầu nhờn, phổ biến dùng propan lỏng để khử chất nhựa, asphanten trong phân đoạn gudron. Mục đích của quá trình này là ngoài việc tách các hợp chất nhựa asphan, còn cho phép tách cả các hợp chất thơm đa vòng vì các hợp chất này đã làm giảm độ nhớt, chỉ số khúc xạ, độ cốc hoá và nhận được dầu nhờn nặng có độ nhớt cao cho dầu gốc. Cơ sở lý thuyết của quá trình là các hợp chất nhựa, asphan chiếm phần chủ yếu trong cặn gudron, chúng là các hợp chất có khả năng hoà tan kém trong dung môi không cực. Nhờ tính chất này, người ta chọn dung môi parafin để tách chúng. Dung môi tạo điều kiện cho quá trình đông tụ các chất nhựa – asphan và hoà tan chọn lọc hydrocacbon. Trong dung môi parafin, khả năng hoà tan các hợp chất hydrocacbon có thể sắp xếp theo thứ tự giảm dần như sau: Trần Viết Chánh 10 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Naphten, parafìn > hydrocacbon thơm một vòng > hydrocacbon đa vòng. Do vậy trong quá trình khử, đồng thời xảy ra hai quá trình: đông tụ, lắng các chất nhựa - asphan và trích ly các hợp chất hyđrocacbon. Nếu tăng dần trọng lượng phân tử của dung môi không cực, sẽ làm tăng khả năng hoà tan của dung môi và như vậy sẽ làm giảm độ chọn lọc. Chính vì thế trong thực tế propan lỏng là dung môi thích hợp nhất cho quá trình này. Propan lỏng là một chất lỏng không màu, không mùi nhưng độc với thần kinh trung ương của người và động vật. Propan lỏng có một tính chất đặc biệt là trong khoảng nhiệt độ từ 40 đến 60 0C nó hoà tan parafin rất tốt, nhưng khả năng này giảm khi nhiệt độ tăng cho đến khi đạt đến nhiệt độ hoà tan tới hạn của prôpan (96,80C) tất cả các hydrocacbon đều không tan trong propan. Trong khoảng 40  96,80C các hợp chất nhựa. - asphan có phân tử lượng cao hầu như không tan trong propan, vì thế tính chất này sẽ quyết định chế độ công nghệ khử asphan bằng propan. Quá trình tách bằng chưng cất các phân đoạn chủ yếu dựa vào trọng lượng phân tử, còn chiết tách bằng dung môi thì đưa vào chủng loại phân tử. Quá trình tách asphan nằm ở vị trí trung gian giữa hai quá trình này, vì tách asphan phụ thuộc vào cả trọng lượng phân tử và chủng loại cấu trúc phân tử. Cặn hẹp Propan lỏng Lắng Dung dịch dầu tách asphan Trộn Dung dịch asphan Hình 3. Sơ đồ đơn giản của quá trình tách asphan bằng propan Sơ đồ công nghệ quá trình tách asphan được trình bày trên hình 4. Trần Viết Chánh 11 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Propan Nguyên liệu (gudron) Tháp chiết Tháp tách asphan Tháp tách dầu Dầu đã tách asphan Asphan Asphan + propan Propan Hình 4. Sơ đồ nguyên lý chung của quá trình tách asphan. Nguyên liệu tiếp xúc với lượng propan lỏng lớn gấp 5  8 lần theo thể tích ở nhiệt độ thích hợp đã chọn trước. Dầu càng nặng thì lượng propan dùng càng phải lớn, pha chiết chứa từ 30  50% propan (theo thể tích, còn lại là khối lượng asphan. Đó không hẳn là dung dịch mà là một dạng nhũ tương của các hợp chất asphan trong propan. Từ sơ đồ hình 4 cho thấy propan được đưa vào đáy tháp chiết, còn nguyên liệu (phần cặn chưng cất chân không) được đưa vào đỉnh tháp. Vì propan chuyển động ngược lên đỉnh tháp, nó hoà tan dầu từ nguyên liệu rồi moang chúng theo lên đỉnh tháp. Các loại hợp chất nhựa, asphan đi ra từ đáy tháp, còn hỗn hợp dầu – propan đi ra từ đỉnh là phần rafinat (rafinat gồm dung môi và 15  20% khối lượng dầu). Propan tách ra được cho quay trở lại tuần hoàn trong hệ thống để sử dụng tiếp và còn lại là dầu gốc có độ nhờn thích hợp. Trần Viết Chánh 12 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT I.2.2. Quá trình chiết bằng dung môi chọn lọc [2]. Quá trình này có nhiệm vụ tách các hợp chất hydrocacbon thơm đa vòng các hợp chất nhựa asphan bằng các dung môi có cực nhằm cải thiện thành phần hóa lọc của dầu nhờn . Các quá trình này được xem như là các quá trình làm sạch chọn lọc dầu gốc. * Cơ sở lý thuyết của quá trình Các hợp chất nhựa, aromat đa vòng là những cấu tử có hại, không mong muốn có mặt trong dầu nhờn. Sự có mặt của chúng không những làm cho chất lượng kém đi, chỉ số nhớt thấp mà chúng còn làm cho màu dầu rất xấu. Các hợp chất này bằng phương pháp chưng cất không thể loại bỏ được. Làm sạch dựa vào tính chất hòa tan chọn lọc của dung môi có cực cho phép sản xuất ra được dầu gốc chất lượng cao từ bất kỳ dầu thô nào. Vai trò quan trọng trong quá trình làm sạch chọn lọc là tính chất của dung môi đó là tác dụng của lực Van der Waals (lực định hướng, cảm ứng, phân tán) xảy ra giữa dung môi và các hợp chất phân cực cần phải tách đi trong dầu nhờn. Yếu tố quan trọng của quá trình làm sạch chọn lọc là độ chọn lọc và khả năng hòa tan của dung môi . Độ chọn lọc là khả năng phân tách rõ ràng các cấu tử nguyên liệu và rafinat, bao gồm các hợp chất có ích như iso-parafin, naphten, lai hợp parafin - naphten và các hợp chất thơm một vòng. Còn phần trích ly (extract) chỉ chứa các cấu tử có hại như là các hợp chất đa vòng, nhựa asphan và một lượng rất nhỏ các hợp chất có lợi. Khả năng hòa tan của dung môi là đại lượng được thể hiện bằng dung môi cần thiết để hòa tan một lượng xác định các cấu tử của nguyên liệu, hay nói cách khác là trong điều kiện để nhận rafinat có chất lượng xác định, lượng dung môi cần thiết càng ít để nhận được cùng một rafinat chất lượng tương đương, thì khả năng hòa tan của dung môi càng lớn. Trần Viết Chánh 13 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Về nguyên lý, độ chọn lọc và khả năng hòa tan là hai đại lượng ngược nhau, tăng chỉ tiêu này sẽ dẫn tới làm giảm chỉ tiêu kia. Độ chọn lọc là khả năng hoà tan của mỗi một dung môi không phải là đại lượng cố định mà chúng phụ thuộc vào thành phẩn hoá học của nguyên liệu. Độ hòa tan của hydrocacbon trong dung môi có cực không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc của hydrocacbon mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ và thường tuân theo một số quy luật sau:  Khi tăng số vòng trong phân tử hydrocacbon thì độ hòa tan tăng.  Khi tăng chiều dài mạch alkyl, độ hòa tan giảm xuống.  Độ hòa tan giảm khi tăng số nguyên tử cacbon trong naphten.  Độ hòa tan của hydrocacbon thơm sẽ lớn hơn naphten khi có cùng số nguyên tử cacbon trong vòng.  Hydrocacbon lai hợp naphten - thơm có độ hòa tan cao hơn so với naphten có cấu trúc tương tự.  Hyđrocacbon parafin có độ hòa tan nhỏ nhất. Như trên đã nói, ngày nay người ta đâng sử dụng phổ biến ba loại dung môi có cực để tách các hợp chất nhựa và thơm đa vòng ra khỏi nguyên liệu dầu nhờn là phenol, furfurol là N-metylpyrolidon (NMP). Bảng 1. Một số tính chất của các dung môi Chỉ tiêu Phenol Fufurol NMP 0 3 Khối lượng riêng ở 20 C, kg/cm 1060 1159 1033 0 Nhiệt độ sôi, C 181 162 204 0 Nhiệt độ nóng chảy, C +41 -39 -24 0 Nhiệt độ bắt cháy cốc hở, C 79 59 0 Nhiệt độ tới hạn, C 419 396 Áp suất tới hạn, Mpa 6,07 5,3 1,04 0 Độ nhớt động học ở 50 C, Pa.s 32,4 11,5 10,4 Nhiệt bay hơi, kJ/kg 445,9 450,0 493,1 Nhiệt nóng chảy, kJ/kg 121,4 Nói chung, mục đích của việc chiết tách bằng dung môi là cải thiện độ chống lão hoá và đặc tính nhiệt nhớt của dầu gốc. Nếu đem dung môi hoà trộn kỹ với phân đoạn dầu sau khi để yên cho hỗn hợp này lắng tách thì hai pha hoặc hai lớp sẽ được tạo thành. Pha chiết chứa hầu như toàn bộ dung môi Trần Viết Chánh 14 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT cùng với các cấu tử tan trong đó, mà chủ yếu là hydrocacbon no và một ít dung môi. Còn rafinal gồm các cấu tử không tan. Sau khi tách dung môi, phần chiết và phần còn lại đều không biến đổi gì về mặt hoá học. Dung môi tuần hoàn Dung môi Tháp chiết Rafinat và dung môi Nguyên liệu Cột cất dung môi trong rafinat Rafinat Dung môi Cột cất dung môi trong extract Phần chiết Dung môi tuần hoàn Hình 5. Sơ đồ nguyên lý chung của quá trình chiết tách bằng dung môi Trong ba loại dung môi, các nhà máy của Nga, dung môi chủ yếu dùng cho quá trình làm sạch chọn lọc là phenol. Phenol có khá năng hoà tan cao, tạo điều kiện thuận lợi cho làm sạch nguyên liệu dầu nhờn, nhất là loại có chứa nhiều cặn và độ nhớt cao đồng thời dung môi này cũng rẻ tiền và dễ kiếm. Tuy nhiên, phenol lại rất độc hại đối với người, do đó đặt vấn đề bảo vệ môi trường và bảo hộ lao động. Ở nhà máy khác trên thế giới lại hay dùng quá trình làm sạch bằng fufurol do ít độc hại hơn so với phenol. Và tuy có khả năng hoà tan kém hơn phenol, nhưng dung môi này lại có độ chọn lọc cao hơn. Điều này sẽ cho hiệu quả lớn hơn khi dùng fufurol để làm sạch phần cất chứa nhiều hydrocacbon hơn. Dung môi này được sử dụng rộng rãi để nâng cao chỉ số độ nhớt và tính năng, chống oxy hoá của các phân đoạn dầu chưng cất và dầu cặn. Tính oxy hoá mạnh và dễ tạo nhựa khi có mặt không khí và nước là nhược điểm chính Trần Viết Chánh 15 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT của dung môi fufurol. Để tránh quá trình oxy hoá nó, trong công nghiệp người ta hay áp dụng các biện pháp sau :  Bảo quản fufurol trong môi trường khí trơ.  Kiểm tra chặt chẽ nhiệt độ trong hệ thống đun nóng và tái sinh dung môi.  Khử khí sơ bộ khỏi nguyên liệu trước khi tiến hành trích ly  Có thể thêm chất chống oxy hoá đặc biệt và fufurol. Bảng 2. Một số tính chất của rafinat được chiết tách bằng fufurol so với phân đoạn dầu chưng cất . Tính chất Độ nhớt, mm2/s Ở 400C Ở 1000C Chỉ số độ nhớt Khối lượng riêng g/cm3 ở 150C Nhiệt độ đông đặc, 0C Cặn cacbon, % khối lượng Dầu chưng cất gốc naphten Rafinat 93 8,2 26 0,9229 -32 0,17 77 8,1 61 0,906 -32 0,07 Bảng 2 này so sánh một số tính chất của rafinat được tách chiết bằng fufurol với phân đoạn dầu chưng cất. Tuy nhiên do khả năng hoà tan các chất nhựa của fufurol kém nên dung môi này chỉ áp dụng đối với nguyên liệu dầu nhờn có chất lượng cao. Nghĩa là nguyên liệu chứa ít nhựa và hợp chất đa vòng. Do vậy, ngày nay các quá trình này đã được thay thế bằng dung môi NMP có khả năng hoà tan tốt hơn có độ chọn lọc cao hơn và đặc biệt là có độ độc hại nhỏ hơn. Trong quá trình làm sạch bằng phenol và NMP người ta phải giảm khả năng hoà tan của các dung môi này để tăng độ chọn lọc của chúng bằng cách cho thêm chất giảm khả năng hoà tan. Điều này làm cho quá trình trích ly hoàn thiện hơn và mở rộng thêm khả năng chọn điều kiện công nghệ tối ưu cho quá trình làm sạch. Trần Viết Chánh 16 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Fururol Fururol Lò nung Tháp thu hồi fufurol Phần chiết và dung môi Lò nung Thiết bị đĩa quay tiếp xúc Rafinat và fufurol Rafinat (cần phải tách sáp) Phần chiết Hình 6. Sơ đồ công nghệ đơn giản của quá trình chiết tách bằng fufurol I.3. Qúa trình tách sáp I.3.1. Khái niệm chung Sáp là một hỗn hợp mà chủ yếu là các parafin phân tử lớn và một lượng nhỏ các hydrocacbon khác có nhiệt độ nóng chảy cao (chúng dễ bị kết tinh ở nhiệt độ thấp) và kém toà tan vào dầu nhờn ở nhiệt độ thấp. Vì thế chúng cần phải được tách ra khỏi dầu nhờn. Trong thực tế, đa phần dầu gốc chế tạo từ dầu mỏ đều phải qua khâu tách sáp, xử lý tách parafin trừ khi hàm lượng parapin thấp không ảnh hưởng tới độ linh động của dầu. Tách paraffin là một khâu quan trọng và khó khăn trong quá trình sản xuất dầu nhờn gốc. Có hai loại quy trình công nghệ hiện đang được sử dụng trong công nghiệp sản xuất dầu nhờn, đó là: - Làm lạnh để kết tinh sáp và dùng dung môi để hoà tan phần dầu đủ cho phép lọc nhanh tách sáp khỏi dầu nhờn. - Cracking chọn lọc để bẻ gãy parafin tạo sản phẩm hay qúa trình này còn gọi là quá trình tách parafin dùng xúc tác. Tùy theo mức độ khử parafin mà người ta có thể phân thành quá trình khử parafin bình thường hay quá trình khử parafin triệt để. Trong qúa trình khử parafin bình thường, người ta nhận được sản phẩm có nhiệt độ đông đặc từ Trần Viết Chánh 17 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT -10 đến -150C (-180C). Còn ở quá trình tách triệt để (tách sâu), sản phẩm dầu nhờn gốc thường có nhiệt độ đông đặc từ -300C và thấp hơn. Nhiệt độ đông đặc của dầu sau khi tách sáp phụ thuộc vào chế độ tách sáp nhất là nhiệt độ và loại dung môi được sử dụng. Tuy nhiên việc tách parafin để đạt được nhiệt độ đông đặc cực thấp là không cần thiết vì các sản xuất này gây ra sự hao hụt dầu rất lớn, hơn nữa chi phí để tách triệt để parafin rất tốn kém. Mặt khác, parafin lại là thành phần có chỉ số độ nhớt rất cao. I.3.2. Tách sáp bằng phương pháp kết tinh. Sáp là hỗn hợp có nhiệt độ kết tinh thấp, do vậy khi tiến hành làm lạnh phân đoạn dầu nhờn thì sáp được tách ra do chúng bị kết tinh. Với phương pháp kết tinh có thể xử lý dầu nhờn chứa sáp thành dầu nhờn không chứa sáp. Quá trình này dựa vào nguyên lý làm lạnh dầu để kết tinh parafin rắn, sau đó lọc hoặc ly tâm tách riêng phần rắn khỏi pha lỏng. Ở các nhà máy kiểu cũ dầu được làm lạnh trong những giàn lạnh, trong đó hỗn hợp đặc chứa dầu và sáp được đưa qua giàn lạnh bằng băng chuyền xoắn sau đó được bơm qua bộ phận lọc áp suất . Tại dây những tinh thể sáp sẽ được giữ lại để cho dầu không chứa sáp đi qua. Khi lớp sáp đã đủ dày thì xả áp và tháo các bánh sáp thô ra. Tuy nhiên phương pháp này có các nhược điểm sau: - Không liên tục và rất nhiều khâu phải dung tới áp suất . - Độ nhớt cao của dầu làm cho quá trình lọc rất khó khăn nhất là với những có độ nhớt lớn. - Không áp dụng được cho nguyên liệu là dầu cặn vì sự có mặt của các loại sáp vi tinh thể (có kích thước vô cùng nhỏ) được tạo ra trong quá trình không thể tách ra bằng lọc. I.3.3. Tách sáp bằng dung môi chọn lọc [2]. Để khắc phục các nhược điểm trên, người ta sử dụng dung môi để tăng độ linh động của dầu nhờn. Tuy nhiên sáp cũng có thể hòa tan vào dung môi, nên phải tiến hành ở nhiệt độ thấp và phải chọn dung môi thích hợp. Với dung Trần Viết Chánh 18 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT môi có độ chọn lọc cao, có thể thu được phần lọc có độ nhớt thấp ngay ở nhiệt độ làm lạnh và kết tinh. Nhờ vậy có thể kết tinh được mọi thể loại sáp và lại dễ tách ra bằng lọc. Một dung môi tách sáp tốt phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Ít (hay không) hòa tan sáp. - Hòa tan tốt dầu nhờn ở tại nhiệt độ kết tinh sáp. - Sáp ở đang tinh thể lớn để dễ tách bằng lọc. - Có nhiệt độ sôi thấp để dễ tách khỏi dầu, tiết kiệm năng lượng. - Dung môi phải sẵn, rẻ tiền, không độc hại và không gây ăn mòn. - Tỷ lệ dung môi/ nguyên liệu dầu thấp để giảm chi phí vận hành. Một số loại dung môi hay được sử dụng trong phương pháp này gồm dung môi chính là các xeton, hydrocacbon thơm và các dẫn xuất clo của hydrocacbon. Dùng hỗn hợp hai loại dung môi cho hiệu quả tốt hơn. Vì vậy phổ biến nhất là dùng dung môi xeton - hydrocacbon thơm. Sơ đồ còng nghệ tách sáp dùng dung môi được trình bày trên hình 7 bao gồm ba công đoạn sau: . - Pha trộn dầu nhờn cần tách sáp với dung môi rồi làm lạnh. - Lọc hỗn hợp đã làm lạnh để tách sáp. - Thu hồi dung môi và tái sử dụng chúng. Trần Viết Chánh 19 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nguyên liệu THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Dung môi rửa lạnh Thiết bị kết tinh Thiết bị làm lạnh bề mặt Lọc chân không quay Dung môi pha loãng làm sạch Hệ thống làm lạnh Thu hồi dung môi từ đầu tách sáp Dầu tách sáp Phần lọc lạnh Thu hồi dung môi từ sáp ướt Sáp ướt Sáp mềm HÌnh 7: Sơ đồ công nghệ tách sáp bằng phương pháp dùng dung môi chọn lọc Từ sơ đồ hình 7 cho thấy, dầu nhờn và dung môi được trộn với nhau theo chế độ công nghệ chọn trước ở thiết bị trộn, sau đó qua thiết bị làm lạnh (với tác nhân làm lạnh có thể dùng amoniac, propan, etan hay etylen). Hỗn hợp lạnh gồm sáp và dung môi được đưa vào bộ phận lọc quay chân không hình trống để lọc tách sáp kết tinh. Bộ phận lọc quay chân không là thiết bị hình trụ được bọc bởi một lớp kim loại hoặc lưới bằng chất dẻo. Trống quay chậm quanh trục nằm ngang, phần dưới đi qua bể chứa hình trụ to hơn trống lọc nơi để dầu và sáp được dẫn vào. Trống lọc được chia thành nhiều ngăn bởi các vách ngăn đi từ tâm ra ngoài thành, mỗi ngăn được nối với bộ phận hút chân không nhờ ống nối ở đuôi trống. Khi trống quay, những ống nầy nối với mỗi ngăn nhất định. Khi ngăn nào đó đi qua hỗn hợp sáp dầu thì dầu và dung môi thấm qua lớp áo bọc và lưới rồi vào bên trong theo ống lối ra khỏi trống. Sáp bị giữ lại tạo thành lớp bám trên bề mặt vải lọc và bị dồn ra xung Trần Viết Chánh 20 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT quanh do chuyển động quay của trống. Lớp bánh sáp này sau đó qua bộ phận rửa bằng dung môi lạnh rồi chuyển qua bộ phận làm khô và cuối cùng sáp tách ra bằng cách thổi nhẹ một luồng khí từ trong ống ra phía ngoài đẩy bánh sáp ra băng chuyền. Dung môi được thu hồi và tái sinh từ phần sáp và phần lọc rồi lại được đưa trở lại chu trình. Trong các dây chuyền sản xuất hiện đại, người ta thường dùng lọc hai cấp để tách triệt để sáp và tách dầu lẫn vào sáp. Để tái sinh dung môi cấp để tách triệt để sáp và tách dầu lẫn vào sáp. Để tái sinh dung môi thường người ta tiến hành bằng chưng cất theo hơi nước ở 3 đến 4 tháp chưng. I.4. Qúa trình hydrocracking chọn lọc. Quá trình này còn gọi là quá trình tách parafin xúc tác. Quá trình hydro cracking chọn lọc dùng để tách parafin từ dầu, có hai loại : - Chỉ dùng một loại xúc tác nhằm hạ điểm đông đặc. - Dùng hai loại xúc tác vừa để hạ điểm đông đặc vừa để tăng độ bền oxy hoá của sản phẩm. Cả hai loại này người ta đều dùng xúc tác là zeolit tổng hợp có tính chọn lọc hình học. Các chất xúc tác này bẻ gãy mạch parafin thẳng và các hydrocacbon có mạch cacbon dài một cách chọn lọc. Xúc tác zeolit có kích thước mao quản khoảng 6 A0 tạo ra quá trình cracking có tốc độ lớn đối với các n-parafin, tốc độ cracking sẽ giảm nhanh nếu hàm lượng parafin có mạch nhánh tăng. Những ưu điểm chính của phương pháp này so với phương pháp dùng dung môi có chọn lọc là: - Hiệu suất dầu tăng. - Không cần phải có công đoạn làm sạch bằng hydro. - Vốn đầu tư thấp. - Cho phép sản xuất dầu gốc có nhiệt độ đông đặc thấp từ những nguyên liệu có hàm lượng parafin cao. Trần Viết Chánh 21 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT I.5. Làm sạch bằng axit sunfuric và đất sét [11]. Tinh chế bằng axit là một trong những phương pháp cổ điển nhất trong công nghiệp dầu mỏ. Nói một cách sơ lược quá trình này gồm hai giai đoạn, đó là khuấy trộn dầu với axit sunfuric đặc, tách dầu khỏi cặn bùn axit bằng cách để lắng gạn hoặc ly tâm. Cuối cùng là tách các chất có tính axit tan trong dầu bằng cách dùng xút rửa hoặc dùng một loại đất sét thích hợp để xử lý. Việc xử lý bằng axit sunfuric và đất sét trong thời gian dài là quá trình tinh chế dầu khoáng quan trọng nhất. Tuy nhiên quá trình này có nhiều nhược điểm, do đó dần dần nó bị thay thế bằng các quá trình xử lý bằng hydro. Một phần do lịch sử, một phần do nó vẫn được sử dụng trong công nghệ tái sinh dầu thải nên một số khía cạnh của quá trình xử lý bằng axit và đất sét được đề cập dưới đây. Quá trình được tiến hành trong thiết bị khuấy trộn trong đó hỗn hợp dầu vớt axit được trộn bằng cách sục không khí hoặc dùng bơm tuần hoàn trộn. Tiếp theo cặn bùn axit tạo thành được lắng tách trong bế lắng. Thông thường thiết bị trộn là thùng thép hình trụ phía trong lót lớp chì, đáy hình côn để dễ lắng và tháo cặn bùn axit . Hình 8 mô tả một cách sơ lược quá trình làm sạch bằng axit và đất sét. Quá trình này liên tục cho công suất lớn và có tính kinh tế hơn. Việc xử lý bằng axit sunfuric dẫn đến sự tách một phần hoặc hoàn toàn các hợp chất không no, các hợp chất chứa lưu huỳnh, nitơ, oxy, các chất nhựa, các hợp chất có dạng asphan nên đã cải thiện được độ ổn định chống oxy hoá, lượng cặn cacbon, khả năng phá nhũ, chỉ số trung hoà, màu và mùi của dầu. Một loạt các quá trình ảnh hưởng khác nhau tới hiệu qủa của việc xử lý dầu khoáng bằng axit sunfuric. Hoạt tính của các hydrocacbon đối với axit sunfuric giảm từ olefin cho tới hợp chất aromat, naphten và parafin, thông thường người ta dùng H2SO4 nồng độ 98%. Nhiệt độ thích hợp của quá trình xử lý bằng axit ở khoảng 30  600C. Nó phụ thuộc vào bản chất và độ nhớt của dầu gốc, nồng độ axit đem dùng và loại sản phẩm cần tạo ra. Trần Viết Chánh 22 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Thùng đong axit Thùng đong kiềm Thùng đong đất sét tẩy Thùng trộn axit Thùng trung hoà Thùng tẩy màu bằng đất sét Nhiên liệu Dầu thải Cặn axit Hệ thống lọc ép Xà phòng sunfonic Đất sét thải Hình 8: Sơ đồ quá trình làm sạch bằng axit - đất sét Xét về mặt kinh tế thì lượng axit dùng càng thấp càng tốt, tuy nhiên lượng này dao động trong phạm vi rộng tuỳ thuộc vào chủng loại dầu thành phẩm khác nhau. Ví dụ, dầu cọc sợi , lượng axit sunfuric dùng 1  3% trọng lượng. Dầu khoáng sau khi tinh chế bằng axit cần phải dùng đất sét để tách chất tạo ra sau phản ứng và tách các vết cặn bùn còn sót lại . Thông thường các loại đất sét đã hoạt hoá bằng cách xử lý axit để tăng hoạt tính của chúng được đem dùng như là chất hấp phụ. Nhiệt độ xử lý dầu bằng đất sét có thể thay đổi từ 70  800C đối với dầu bôi trơn và 80  900C đối với dầu trắng. Lượng đất sét khoảng 0,5  3,5% trọng lượng và thường phải xử lý từ 2 đến 4 lần. Công nghệ xử lý dầu bằng axit - đất sét là qúa trình gián đoạn, khó vận hành, giá thành cao vì hiệu suất thấp, mức tiêu tốn hoá chất lớn và đòi hỏi nhiều công. Tuy nhiên điểm chủ yếu của nó là vấn đề liên quan tới cặn thải axit và đất sét đã dùng vì xét theo quan điểm luật bảo vệ môi trường nghiêm ngặt thì khó chấp nhận và tốn kém. Không thể để tồn các chất thải này thành đống được mà nếu đốt chúng thì sẽ gây ô nhiễm không khí khá lớn. Trần Viết Chánh 23 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Do vậy việc xử lý dầu bằng hydro có thể khắc phục các nhược điểm trên. Đây là quá trình liên tục trong đó dầu khoáng được đưa vào xử lý với hydro có xúc tác ở nhiệt độ cao và áp suất lớn. Các yếu tố trên có thể chuyển hoá được các hợp chất không bền thành các sản phẩm tốt, giá thành thấp hơn quá trình xử lý bằng axit - đất sét . I.6. Làm sạch bằng hydro [2] Quá trình tinh chế sản phẩm dầu đã tách parafin là quá trình cần thiết nhằm loại bỏ các hợp chất hoạt động bề mặt hoá học có ảnh hưởng đến độ bền màu của dầu gốc. Ví dụ: Các hợp chất hữu cơ chứa nitơ ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc cũng như độ bền màu của dầu gốc, vì thế việc loại bỏ chúng là yêu cầu chính của quá trình tinh chế bằng hydro. Sơ đồ của quá trình làm sạch bằng hydro được trình bày ở hình 9. Khí tuần hoàn Tháp phản ứng có chứa xúc tác Máy nén Dầu nhờn (đã tách sáp) Phần nhẹ Tháp tách Lò nung Dầu gốc Hình 9: Sơ đồ quá trình làm sạch bằng hydro Trong quá trình làm sạch bằng hydro, nguyên liệu tiếp xúc với hydro trong điều kiện có xúc tác và nhiệt độ, áp suất cao (300  3700C, 40  60at). Đa số các quy trình làm sạch bằng hydro sử dụng xúc tác molipden – coban (Mo – Co) với tỷ lệ thay đổi tuỳ theo mức độ cần tẩy màu. Nguyên liệu dầu Trần Viết Chánh 24 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT có chứa các hợp chất của các nguyên tố O, N, S được chuyển hoá thành nước, amoniac (NH3) và hydrosunfua (H2S). Các hydrocacbon thơm một phần bị hydro hoá thành naphten. Quá trình làm sạch bằng hydro có thể dùng cho nhiều chủng loại dầu. Tính chất của dầu nhờn sau khi hydro hoá làm sạch được thay đổi như sau: Làm giảm độ nhớt :02 Làm tăng chỉ số độ nhớt :02 Hạ thấp nhiệt độ đông đặc : 0  2 Tăng độ sáng màu :12 II. TÍNH CHẤT VÀ CÔNG DỤNG CỦA DẦU NHỜN. II.1. Tính chất của dầu nhờn. II.1.1. Độ nhớt. Độ nhớt của một số phân đoạn dầu nhờn là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại của nó sinh ra khi chuyển động. Do vậy độ nhớt có liên quan đến khả năng bôi trơn của dầu nhờn. Để thực hiện nhiệm vụ bôi trơn, dầu nhờn phải có độ nhớt thích hợp, phải bám chắc trên bề mặt kim loại và không bị đẩy ra ngoài, có nghĩa là nó phải có ma sát nội tại nhỏ. Độ nhớt của dầu nhờn phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hoá học. Các hydrocacbon parafinic có độ nhớt thấp hơn so với các loại khác. Chiều dài và độ phân nhánh của hydrocacbon càng lớn, độ nhớt sẽ tăng lên. Trần Viết Chánh 25 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Các hydrocacbon thơm và naphten có độ nhớt cao. Đặc biệt, số vòng naphten càng nhiều thì độ nhớt càng lớn. Các hydrocacbon hỗn hợp giữa thơm và naphten có độ nhớt cao nhất. Độ nhớt của dầu nhờn thường được đo bằng poazơ (P), centipoazơ (CP) đối với độ nhớt động lực), hoặc Stốc (St), Centistốc (cSt) (đối với độ nhớt động học). Độ nhớt động học thay đổi theo nhiệt độ, nếu nhiệt độ tăng thì độ nhớt động học giảm và ngược lại. Vì vậy, độ nhớt động học của dầu nhờn thường được đo ở 400C và 1000C bằng cách đo thời gian chảy của một lượng dầu nhờn xác định qua một ống mao quản của nhớt kế đã chuẩn, dưới tác dụng của trọng lực theo phương pháp ASTM D445 hay IP71. Độ nhớt động học là tích số của thời gian chảy đo được t(s) và hằng số chuẩn của nhớt kế C (cSt/S): V=Cxt II.1.2. Chỉ số độ nhớt (ký hiệu VI). Chỉ số độ nhớt là một chỉ tiêu đặc trưng cho sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ nhớt. Những dầu có chỉ số độ nhớt càng cao thì ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ nhớt động học càng nhỏ, dầu càng tốt. Trường hợp nhiệt độ máy móc thay đổi trong một khoảng rộng như động cơ ôtô thì chỉ số độ nhớt là một đặc tính quan trọng cần thiết. Dầu dùng trong các trường hợp này phải có chỉ số độ nhớt cao (độ nhớt ít bị thay đổi theo nhiệt độ) để khi bôi trơn trong xi lanh, piston nhiệt độ rất cao, độ nhớt của nó không được giảm quá thấp để đảm bảo giữ vững màng dầu trên bề mặt tiếp xúc. Nhưng khi dầu nằm trong bồn chứa, nhiệt độ thấp, độ nhớt của nó không được quá cao để có thể bơm chuyển được vào hệ thống bôi trơn piston và xi lanh một cách dễ dàng. Trần Viết Chánh 26 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Chỉ số độ nhớt được tính dựa trên giá trị độ nhớt động học đo ở 400C và ở 1000C, trên cơ sở so sánh khoảng thay đổi tương đối về độ nhớt của hai loại dầu khác biệt nhau rất lớn, về chỉ số độ nhớt theo phương pháp ASTM D2270. Phương pháp này còn có hai quy trình để xác định chỉ số độ nhớt. * Quy trình 1: áp dụng cho dầu có VI  100. Ta có: VI = (L  U) x100 (L  H) Trong đó: L: Là độ nhớt động học ở 400C của một loại dầu có chỉ số độ nhớt bằng 0 và có cùng độ nhớt động học ở 1000C với dầu cần tính chỉ số độ nhớt (cSt). U: là độ nhớt động học ở 400C của dầu cần tính chỉ số độ nhớt (cSt). H: là độ nhớt động học ở 400C của một loại dầu có chỉ số độ nhớt bằng 100 và có cùng độ nhớt động học ở 1000C với dầu cần tính chỉ số độ nhớt (cSt). + Nếu độ nhớt động học của dầu ở 1000C  70 cSt, thì các giá trị tương ứng của L, H được tra trong bảng ASTM D2270. + Nếu độ nhớt động học ở 1000C của dầu  70 cSt thì giá trị L, H được tính như sau: L = 0,8353. Y2 + 14,67Y – 216. H = 0,1684 . Y2 + 11,85. Y – 97 Với Y: là độ nhớt động học ở 1000C của dầu cần tính chỉ số độ nhớt. *Quy trình 2: Áp dụng dầu có VI > 100. Ta có:  10N  1 VI =   0,0075     + 100 Trong đó: Trần Viết Chánh 27 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP N= THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT  lgH  lgU  lgY + Nếu độ nhớt động học của dầu ở 1000C  70cSt, thì giá trị H được lấy trong bảng ASTM D2270. Nếu độ nhớt động học ở 1000C > 70 cSt thì được tính như sau: H = 0,1684 . Y2 + 11,85 . Y - 97 II.1.3. Điểm chớp cháy. Nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ tại đó, khi phân đoạn dầu mỏ được đốt nóng, hơi hydrocacbon sẽ thoát ra tạo với không khí xung quanh một hỗn hợp mà nếu đưa ngọn lửa đến gần chúng sẽ bùng cháy rồi phụt tắt như một tia chớp. Nhiệt độ thấp nhất mà ở đó mẫu tiếp tục cháy được trong 5 giây được gọi là điểm bắt cháy. Điểm chớp cháy của dầu mới thay đổi theo độ nhớt, dầu có độ nhớt cao hơn sẽ có điểm chớp cháy cao hơn. Thông thường điểm chớp cháy phụ thuộc vào loại dầu thô. Dầu naphten có điểm chớp cháy thấp hơn dầu parafin có cùng độ nhớt. Quy luật chung là đối với các hợp chất tương tự nhau thì điểm chớp cháy sẽ tăng khi trọng lượng phân tử tăng. Để xác định điểm chớp cháy ta có hai phương pháp, đó là phương pháp cốc hở và phương pháp cố kín, từ đó phát hiện sự nhiễm bẩn dầu bôi trơn bởi một lượng nhỏ của các hợp chất dễ bay hơi. Việc xác định nhiệt độ chớp cháy của dầu là cần thiết với công tác phòng cháy nổ. Hơn nữa việc sử dụng dầu có điểm chớp cháy phù hợp sẽ tránh gây ra sự tiêu lao dầu. II.1.4. Trị số axit và kiềm. Trị số axit và kiềm liên quan tới trị số trung hoà, dùng để xác định độ axit và độ kiềm của dầu bôi trơn. Trần Viết Chánh 28 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Độ axit thường được biểu thị qua trị số axit tổng (TAN) cho biết lượng KOH (tính bằng miligam) cần thiết để trung hoà tất cả các hợp chất mang tính axit có mặt trong 1 g mẫu. Độ kiềm trong dầu bôi trơn được biểu thị bằng trị số kiềm tổng (TBN) cho biết lượng axit clohydric hay percloric, được quy chuyển sang lượng KOH tương đương (tính bằng miligam) cần thiết để trung hoà hết các hợp chất mang tính kiềm có mặt trong lg mẫu. Hiện nay nhiều phụ gia sử dụng nhằm nâng cao phẩm chất dầu bôi trơn. Tuỳ thuộc vào thành phần cất tạo của phụ gia mà dầu có tính kiềm hay tính axit. Trong dầu mới cũng như dầu đã sử dụng những chất được coi là có tính axit gồm: các axit vô cơ; axit hữu cơ, các este, các hợp chất nhựa, cũng như các phụ gia. Tương tự như vậy, các hợp chất được coi là mang tính kiềm bao gồm: các chất kiềm vô cơ và hữu cơ, các muối và các kim loại nặng, các phụ gia đặc biệt là các phụ gia được dùng trong điều kiện khắc nghiệt như phụ gia tẩy rửa, v.v. Rất nhiều loại phụ gia hiện đang sử dụng cho dầu động cơ có chứa các hợp chất kiềm nhằm trung hoà các sản phẩm axit của quá trình cháy, lượng tiêu tốn của các thành phần kiềm này là một chỉ số về tuổi thọ sử dụng của dầu. Đối với hầu hết các loại dầu bôi trơn, chỉ số TAN có giá trị ban đầu tương đối nhỏ và tăng dần trong quá trình sử dụng. Có ba phương pháp xác định trị số trung hoà: + Phương pháp ASTM-D974 (xác định trị số axit và kiềm bằng phương pháp chuẩn độ có dùng chỉ thị màu), đó là phương pháp chủ yếu thích hợp đối với các loại dầu sang màu. + Phương pháp ASTM-D664 (xác định trị số axit của các sản phẩm dầu mỏ bằng phương pháp chuẩn độ điện thế), phương pháp này được dùng cho các loại dầu tối màu. + Phương pháp ASTM-D2896 (xác định trị số kiềm của các sản phẩm dầu mỏ bằng phương pháp chuẩn độ điện thế dùng axit percloric), phương Trần Viết Chánh 29 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT pháp này được dùng để xác định các hợp chất kiềm trong các sản phẩm dầu mỏ. II.1.5. Điểm đông đặc Điểm đông đặc là nhiệt độ thấp nhất mà ở đó dầu bôi trơn giữ được tính động ở điều kiện đã cho. Để xác định điểm đông đặc theo phương pháp ASTM-D97 trước tiên dầu được đun nóng để đảm bảo các cấu tử trong dầu tan hoàn toàn, sau đó làm lạnh theo tốc độ quy định, cứ sau 3 0C lại kiểm tra tính linh động của dầu một lần. Nhiệt độ đông đặc của dầu được xác định bằng cách lấy nhiệt độ mà tại đó dầu không linh động nữa khi nghiêng bình đựng nó rồi cộng thêm 30C. Hầu hết dầu nhờn đều chứa một số sáp không tan và khi dầu được làm lạnh những sáp này bắt dầu tách ra ở dạng tinh thể đan cài với nhau tạo thành một cấu trúc cứng giữ dầu ở trong các túi rất nhỏ của các cấu trúc đó. Khi cấu trúc tinh thể của sáp này tạo thành đầy đủ thì dầu không luân chuyển được nữa. Để làm giảm nhiệt độ đông đặc của dầu người ta dùng phụ gia hạ nhiệt độ đông đặc vì các phụ gia này chỉ có tác dụng ngăn cản sự lớn lên và bao bọc của cất trúc tinh thể sáp. II.1.6. Hàm lượng lưu huỳnh Lưu huỳnh có mặt trong dầu gốc là do nó có sẵn trong dầu mỏ. Ngoài ra còn có thể có trong phụ gia. Các hợp chất lưu huỳnh này có thể tồn tại ở dạng hoạt động hoá học, mà cũng có thể ở dạng tương đối trơ trong trạng thái kết hợp với các chất khác. Dạng lưu huỳnh tồn tại ở trạng thái hoạt động có thể gây ra ăn mòn thiết bị bồn chứa cũng như thiết bị máy móc được bôi trơn. Nhưng ngược lại ở dạng trơ với một hàm lượng nhỏ chúng lại có tác dụng tốt vì nó hấp phụ trên bề mặt vật liệu bôi trơn. + Phương pháp dùng bom (ASTM - D129) được áp dụng để xác định tổng làm lượng lưu huỳnh trong mọi loại dầu bôi trơn với điều kiện hàm lượng lưu huỳnh ít nhất phải bằng 0,1%. Trần Viết Chánh 30 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Nguyên tắc của quá trình này là bật tia lửa điện để đốt cháy một lượng nhỏ mẫu trong môi trường oxy ở áp suất cao, sản phẩm cháy được thu hồi, lưu huỳnh ở trong dạng kết tủa BaSO4 và được đem cân. + Phương pháp đèn (ASTM-D1266) dùng để xác định hàm lượng lưu huỳnh tổng cộng có nồng độ từ 0,01  0,4% trong các sản phẩm dầu lỏng có sử dụng đèn để đốt. Để xác định lưu huỳnh trong đầu bôi trơn hay các sản phẩm dầu mỏ có hàm lượng lưu huỳnh cao ta không thể dùng phương pháp đốt trực tiếp mà phải dùng phương pháp pha trộn. Hậu quả không mong muốn của lưu huỳnh là gây ăn mòn, chẳng hạn như ăn mòn đồng. Tuy nhiên do những hiệu ứng cực áp có lợi nên trong nhiều trường hợp 1ưu huỳnh cơ mặt trong dầu bôi trơn ở dạng phụ gia thường kết hợp với các nguyên tố khác (clo, photpho) như phụ gia chịu áp, chống mài mòn, chống oxy hoá, chống ăn mòn. II.1.7. Khối lượng riêng và tỷ trọng - Khối lượng riêng là khối lượng của một đơn vị thể tích của một chất ở nhiệt độ tiêu chuẩn. - Tỷ trọng là tỷ số giữa khối lượng riêng của một chất đã cho ở nhiệt độ quy định với khối lượng riêng của nước ở nhiệt độ quy định đó. Tỷ trọng và khối lượng riêng của một loại dầu bằng nhau nếu khối lượng riêng của nước ở 40C bằng 1. Phép xác định khối lượng riêng và tỷ trọng khá đơn giản và nhanh, tuy nhiên nó là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá chất lượng của dầu nhờn. Nó có thể giúp ta phân biệt được các thành phần như parafin, naphten, aromat có mặt trong dầu gốc. Chỉ tiêu tỷ trọng cũng có thể cho thấy sự lẫn sản phẩm khác vào dầu khi thấy một giá trị bất thường của khối lượng riêng. Việc xác đinh này còn rất cần thiết để chuyển đổi giữa trọng lượng sang thể tích của dầu. Có hai phương pháp để xác định khối lượng riêng và tỷ trọng, đó là: Trần Viết Chánh 31 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT + ASTM-D941 (xác định khối lượng riêng và tỷ trọng của chất lỏng đo bằng picnomet Liphin có 2 capila) dùng cho phép đo khối lượng riêng của chất lỏng bôi trơn bất kỳ có độ nhớt nhỏ hơn 15 mm2/s ở 120C. + ASTM-D1298 thường dùng trong phòng thí nghiệm. Người ta sử dụng tỷ trọng kế bằng thuỷ tinh để xác định khối lượng riêng, tỷ trọng của tất cả các sản phẩm lỏng. II.1.8. Hàm lượng nước. Hàm lượng nước được xác định bằng phần trăm theo trọng lượng, thể tích hay theo ppm. Nước trong dầu bôi trơn không những đẩy nhanh sự ăn mòn và sự oxy hoá mà nó còn gây nên nhũ tương. Trong một vài trường hợp nước có thể làm thuỷ phân các phụ gia tạo nên những bùn mềm xốp. Có thể loại nước bằng phương pháp ly tâm, lọc hay chưng cất chân không. II.1.9. Độ bền oxy hoá. Độ bền oxy hoá là một chỉ tiêu đặc trưng quan trọng của dầu nhờn. Sự oxy hoá phụ thuộc vào nhiệt độ, lượng oxy chứa trong dầu và khả năng xúc tác của kim loại. Các sản phẩm do oxy hoá dầu sẽ sinh ra các chất tạo cặn, axit, làm tăng độ nhớt và tăng cường độ ăn mòn. Do vậy khả năng chống oxy hoá cao là một nhu cầu quan trọng đối với những dầu làm việc trong các điều kiện có nước, nhiệt độ cao, áp suất lớn, thời gian thay dầu lâu. Để nâng cao chất lượng của dầu nhờn người ta thường cho phụ gia chống oxy hoá cao. II.1.10. Cặn Cacbon Cặn cacbon được tạo ra sau khi cho bay hơi và nhiệt phân một sán phẩm dầu mỏ. Cặn này không phải là cặn cacbon hoàn toàn mà nó là một loại cốc và còn bị biến đổi của quá trình nhiệt phân. Dầu bôi trơn càng được tinh chế nghiêm ngặt thì hàm lượng cặn cacbon càng giảm. Vì vậy, hàm lượng cặn cacbon được dùng để đánh giá mức độ tinh luyện của dầu, nó còn giúp cho việc lựa chọn các loại dầu cho những mục tiêu thích hợp như máy nén, các Trần Viết Chánh 32 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT quá trình xử lý nhiệt, các ổ đỡ chịu nhiệt cao. Các loại dầu khoáng bất kỳ từ loại dầu thô nào đều có lượng cặn tăng theo độ nhớt của chúng. Từ đó ta thấy các loại dầu chưng cất từ họ dầu parafin muốn có hàm lượng cặn cacbon lớn hơn loại dầu chưng cất từ họ dầu naphten. Xác định cặn cacbon của các sản phẩm dầu mỏ theo Ramsbottom ASTM - D524, mẫu được nung nóng ở nhiệt độ nhất định trong một quả cầu thuỷ tinh có lỗ nhỏ để tất cả các thành phần dễ bay hơi bốc đi hết . Phần cặn nặng trong bóng thuỷ tinh tiếp tục được cracking hoá và cốc hoá. Phần cặn nặng còn lại được đem đi cân để xác định cặn cacbon theo Ramsbottom. II.1.11. Màu sắc của dầu nhờn. Sự khác nhau về màu sắc của dầu nhờn có nguồn gốc lừ sự khác nhau về dầu thô dùng để chế biến ra nó, về khoảng nhiệt độ sôi, về phương pháp và mức độ làm sạch trong quá trình luyện. Màu dầu rất khác nhau từ trong suốt đến sẫm màu hoặc đen. Người ta nhận thấy rằng dầu bị tối màu dần trong quá trình sử dụng là dất hiệu của sự nhiễm bẩn hay sự bắt đầu của quá trình dầu bị oxy hoá. Sự sẫm màu của dầu kèm theo sự thay đổi không lớn của chỉ số trung hoà và độ nhớt thường là dấu hiệu của sự nhiễm bẩn các chất lạ. Các tạp chất có màu có thể làm màu dầu thay đổi rõ rệt nhưng không ảnh hưởng đến các thuộc tính khác. Nói chung các phương pháp so màu đều dựa trên cơ sở so sánh bằng mắt thường, lượng ánh sáng truyền qua một bề dày xác định của một loại dầu với lượng ánh sáng truyền qua một trong số dãy kính màu. Theo ASTMD1500 (màu của các sản phẩm dầu mỏ) thì phương pháp thử là phép xác định bằng mắt màu của các loại dầu bôi trơn và một lượng lớn các sản phẩm dầu mỏ khác, các loại sáp cũng nằm trong số đó. Người ta dùng một nguồn sáng tiêu chuẩn, còn mẫu thì được đặt trong buồng thử rồi so sánh với màu của các đĩa thuỷ tinh màu. Trần Viết Chánh 33 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT II.2. Công dụng của dầu nhờn [1] Có thể nói dầu nhờn ra đời là một bước đột phá, có ý nghĩa vô cùng to lớn đối với mọi ngành công nghiệp cũng như dân dụng. Nó góp phần nâng cao tuổi thọ của các loại động cơ, các thiết bị và máy móc công nghiệp, từ đó làm tăng hiệu quả kinh tế đồng thời làm giảm chi phí đầu tư. Để có được những kết quả như vậy là nhờ những tính năng rất riêng của dầu nhờn như sau: II.2.1. Công dụng bôi trơn làm giảm ma sát Mục đích cơ bản của dầu nhờn là bôi trơn giữa các bề mặt tiếp xúc các chi tiết chuyển động nhằm làm giảm ma sát. Máy móc sẽ bị mài mòn ngay nếu không có dầu bôi trơn. Khi cho dầu vào máy với một lớp đủ dày, dầu sẽ xen kẽ giữa hai bề mặt . Khi chuyển động, chỉ có các phân tử dầu nhờn trượt lên nhau do đó máy móc làm việc nhẹ nhàng, ít bị mòn, giảm được công tiêu hao vô ích và nâng cao tuổi thọ của máy móc. II.2.2. Công dụng làm mát Khi ma sát, kim loại nóng lên. Như vậy một lượng nhiệt đã được sinh ra trong quá trình đó. Lượng nhiệt lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hệ số ma sát, tải trọng, tốc độ. Tốc độ càng lớn, thì lượng nhiệt sinh ra càng nhiều, kim loại sẽ bị nóng làm cho máy móc làm việc mất chính xác. Nhờ trạng thái lỏng, dầu chảy qua các bề mặt ma sát đem theo một phần nhiệt truyền ra ngoài làm cho máy móc làm việc tốt hơn. II.2.3. Công dụng làm sạch. Khi làm việc, bề mặt ma sát sinh ra mùn kim loại, những hạt rắn này sẽ làm cho bề mặt công tác bị xước, hỏng. Ngoài ra có thể có cát, bụi, tạp chất ở ngoài rơi vào bề mặt ma sát. Nhờ dầu nhờn lưu chuyển tuần hoàn qua các bề mặt ma sát cuốn theo các tạp chất đưa về cacte dầu và được lắng lọc đi. Trần Viết Chánh 34 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT II.2.4. Công dụng làm kín. Trong các động cơ, có nhiều chi tiết truyền động cần phải làm kín và chính xác như piston - xilanh, nhờ khả năng bám dính tạo màng dầu có thể góp phần làm kín các khe hở, không bị rò rỉ, bảo đảm cho máy móc làm việc bình thường. II.2.5. Công dụng bảo vệ kim loại. Bề mặt máy móc, động cơ, khi làm việc thường tiếp xúc với không khí, hơi nước, khí thải… làm cho kim loại bị ăn mòn, hư hỏng. Nhờ dầu nhờn có thể làm thành màn mỏng phủ kín lên bề mặt kim loại nên ngăn cách được với các yếu tố trên, vì vậy kim loại được bảo vệ. III. SO SÁNH HIỆU QUẢ CỦA CÁC SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ [11]. Công nghệ sản xuất dầu gốc kinh điển trên đây đã ra đời từ rất lâu và ngày càng được cải thiện nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng cao hơn và kinh tế hơn. Từ quá trình tách sáp bằng phương pháp làm sạch và lọc với quá trình lọc quay chân không liên tục đã cho phép giảm đáng kể chi phí. Mặt khác từ quá trình làm sạch dầu gốc bằng axit và đất sét với mức độ tốn kém cao, lượng hoá chất tiêu tốn nhiều, quá trình làm việc gián đoạn và không đảm bảo điều kiện môi trường do chất thải là axit lẫn đất sét. Do vậy quá trình này đã được thay thế bằng quá trình hydro hoá làm sạch với giá thành giảm đáng kể, chất lượng dầu tăng lên và mức độ tự động hoá cao với cường độ làm việc liên tục. Việc xử lý bằng hydro còn nhằm chuyển hoá các cấu tử không mong muốn chứa trong phân đoạn cất chân không. Làm sạch bằng hydro nhìn chung được áp dụng như là bước cuối cùng sau khi xử lý bằng dung môi nhằm tách các loại hợp chất không mong muốn còn sót lại thay cho quá trình xử lý bằng đất sét. Trần Viết Chánh 35 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Trong những năm gần đây các nhà khoa học đã và đang cải tiến theo hướng áp dụng các quy trình xử lý bằng hydro như quá trình hydrocracking, quá trình hydroizome hoá… Còn đối với quá trình hydrocracking là quá trình chuyển hoá phân đoạn dầu thô nặng thành các sản phẩm phân tử lượng nhỏ hơn trong điều kiện có hydro áp suất cao và xúc tác axit. Nhờ quá trình hydrocracking cho phép sản xuất dầu nhờn có nhiệt độ động đặc thấp và chỉ số độ nhớt cao. Tuỳ điều kiện công nghệ người ta chia hydrocracking thành ba loại sau: - Hydrocracking khe khắt tiến hành áp suất H2 rất cao, từ 200  250at. - Hydrocracking với độ khe khắt vừa phải tiến hành ở áp suất H 2 từ 100  150at. - Hydrocracking với độ khe khắt mềm tiến hành ở áp suất H2 từ 30  70 at Khi tiến hành hydrocracking để sản xuất dầu nhờn, người ta làm thay đổi thành phần hoá học và cấu trúc của nguyên liệu theo hướng tăng các hydrocacbon có chỉ số độ nhớt cao, nhiệt độ đông đặc thấp và độ ổn định oxy hoá cao. Nguyên liệu cho quá trình hydrocracking là phần dầu nhờn cất, phần dầu nhờn đã tách nhựa - asphan và hỗn hợp của chúng. Do khả năng linh động của quá trình mà người ta có thể dùng nguyên liệu với độ nhớt rất cao. Sản phẩm nhận được sau hydrocracking được dùng để chế tạo dầu gốc và dầu gốc nhận được bằng phương pháp này có màu sắc đẹp, chỉ số độ nhớt cao. Nguyên liệu cho quá rình hydroizome hoá thường dùng là các parafin mềm hoặc phân đoạn cất trực tiếp từ dầu thô chứa nhiều parafin với hàm lượng lưu huỳnh không lớn lắm 0,03  0,04%. Sản phẩm của quá trình hydroizome hoá là các izo- parafin sau đó sẽ tiếp tục được đưa vào chưng cất tách parafin rắn để nhận được dầu gốc có chất lượng cao. Dầu nhờn hydroizome hoá có chỉ số độ nhớt tốt và độ tiếp nhận phụ gia tốt. Trần Viết Chánh 36 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT IV. TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM. IV.1. Tính chất của nguyên liệu [1, 2, 11]. Nguyên liệu dùng để sản xuất dầu nhờn là phân đoạn cặn mazut thu được từ quá trình chưng cất trực tiếp từ dầu thô. Cặn mazut thu được đem chưng cất ở điều kiện chân không được các phân đoạn dầu nhờn chia theo khoảng nhiệt độ sôi khác nhau. Cụ thế gồm: - Phân đoạn dầu nhờn nhẹ 300  4000C. - Phân đoạn dầu nhờn trung bình 350  4200C. - Phân đoạn dầu nhờn nặng 420  5000C + Các hợp chất có mặt trong cặn mazut gồm có: - Parafin mạch thẳng và mạch nhánh. - Hydrocacbon naphten đơn vòng hay đa vòng có hoặc không có chứa mạch nhánh alkyl. - Các hydrocacbon thơm đơn vòng hay đa vòng có hoặc không có chứa mạch nhánh alkyl. - Các hợp chất lai hợp mà chủ yếu là loại lai hợp giữa naphten và parafin, giữa naphten và hydrocacbon thơm. Các hợp chất dị nguyên tố chứa oxy, ni tơ, lưu huỳnh. Trong phân đoạn cặn mazut có chứa các hợp chất hydrocacbon với số nguyên tử cacbon từ 21 đến 40 hay cao hơn, có nhiệt độ sôi trên 3000C. Do vậy những hydrocacbon trong phân đoạn này có trọng lượng phân tử lớn và có cấu trúc phức tạp, đặc biệt là dạng hydrocacbon lai hợp tăng lên rất nhiều. + Loại hydrocacbon n-parafin, izo-parafin thường có số lượng ít hơn so với naphten hay hydrocacbon thơm và dạng lai hợp, ngay cả ở dầu thô họ paratinic điều này vẫn đúng. Các izo-parafin lại có số lượng ít hơn n-parafin và các izo-parafin này có cấu trúc mạch chính dài, ít nhánh phụ và các nhánh chỉ là các nhóm metyl. Trần Viết Chánh 37 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT + Các hydrocacbon naphten là loại chiếm đa số trong phân đoạn cặn mazut. Số vòng naphten có thể có từ 1 đến 4 là chủ yếu (có một số loại dầu đã phát hiện thấy vòng naphten có thể đến 7 hoặc 9). Xung quanh vòng naphten thường có nhánh phụ là các nhóm metyl và đồng đẳng của nó. Những loại naphten 1 hay 2 vòng có nhánh phụ là các hydrocacbon parafin dài, nhánh phụ thường là mạch alkyl thẳng hoặc nhánh và thường ít nhánh. + Các hợp chất thơm ở phân đoạn dầu nhờn thường gặp là loại 1 , 2 hay 3 vòng thơm, còn loại nhiều vòng thơm ngưng tụ lại tập trung chủ yếu ở phần cặn gudron. Đại bộ phận các hợp chất thơm ở phân đoạn dầu nhờn là loại lai hợp, lai hợp naphten và hydrocacbon thơm hay parafin. + Các hợp chất phi hydrocacbon như các hợp chất chứa nguyên tố nitơ, lưu huỳnh cũng chiếm phần lớn trong phân đoạn mazut. Ngoài ra còn có cả các hợp chất chứa kim loại nặng như vanadi, niken, sắt... cũng gặp trong phân đoạn này. Qua nghiên cứu thấy rằng trên 50% lượng lưu huỳnh có mặt chủ yếu tồn tại trong các sunfua, disunfua dị vòng nối với các naphten, các thiofen và thiofen nhiều vòng. Các hợp chất chứa oxy nằm trong phân đoạn chủ yếu là các axit. Nói chung các hợp chất phi hydrocacbon là các chất có hại , chúng tạo ra màu sẫm cho sản phẩm, làm giảm độ ổn định oxy hoá của sản phẩm. Vì thế trong quá trình sản xuất dầu nhờn, người ta phải áp dụng các biện pháp khác nhau để loại chúng ra khỏi dầu gốc. Trần Viết Chánh 38 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Bảng 3: Thành phần hydrocacbon có mặt trong dầu nhờn (mỏ Poncalty) Loại hydrocacbon n-Parafin, % thể tích trong dầu nhờn 13,4 izo-Parafin 8,3 Naphten 1 vòng 18,4 Naphten 2 vòng 9,9 Naphten 3 vòng 16,5 Hydrocacbon thơm 1 vòng + naphten 16,5 Hydrocacbon thơm 2 vòng + naphten 8,1 Hydlocacbon thơm 3 vòng + naphten 6,6 Hydrocacbon hơn nhiều vòng ngưng 8,0 tụ và các hợp chất phi hydrocacbon IV.2. Tính chất sản phẩm [1,2] Chưng cất chân không tạo ra các sản phẩm dầu bôi trơn có độ nhớt khác nhau và tất cả các dầu bôi trơn chưng cất phản ánh thành phần hoá khác học tổng quát của loại dầu mỏ đem sử dụng. Và sản phẩm thu được từ quá trình chưng cất chân không cặn mazut là các phân đoạn dầu nhờn và cặn gudron. Sơ đồ mô tả chưng chân không cặn mazut. Gazoil nhẹ Chưng chân không Dầu nhờn rộng Mazut Dầu nhờn tối màu Cặn gulron Hình 10. Các phân đoạn sản phẩm lấy ra từ quá trình chưng cất chân không Trần Viết Chánh 39 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT IV.2.1. Phân đoạn dầu nhờn. Dầu nhờn gốc thu được từ quá trình chưng cất chân không cặn mazut là quá trình chế biến vật lý, do đó thành phần hoá học của phân đoạn dầu nhờn giống như thành phần hoá học của phân đoạn cặn mazút. Tuy nhiên do tính chất sử dụng của dầu nhờn mà một so hợp chất trong cặn mazut không có lợi cần phải loại ra. Khi nghiên cứu các tính chất sử dụng của phân đoạn dầu nhờn, người ta thấy các hợp chất n-parafin với phân tử lượng lớn thường là parafin rắn (còn gọi là sáp), chúng làm giảm độ linh động của dầu nhờn nên hàm lượng của chúng cũng phải giảm tới mức cần thiết, đặc biệt với các dầu bôi trơn làm việc ở nhiệt độ âm. Các izo-parafin lại là thành phần rất tốt trong dầu bôi trơn vì chúng có độ nhớt thích hợp và tính chất nhớt nhiệt tốt. Nếu mạch nhánh izo-parafin càng dài thì đặc tính này càng thể hiện rõ ràng hơn. Các hydrocacbon naphten hay hydrocacbon thơm 1 vòng hoặc 2 vòng với mạch nhánh parafin dài khi có cùng nhiệt độ sôi thì độ nhớt cũng xấp xỉ nhau. Khi tăng chiều dài nhánh, độ nhớt tăng lên rõ rệt và chỉ số nhớt cũng tốt, đặc biệt là khi mạch nhánh alkyl lại phân nhánh. Còn đối với các naphten và hydrocacbon thơm nhiều vòng hoặc loại lai hợp naphten - hydrocacbon thơm thường có độ nhớt rất cao, song chỉ số nhớt lại rất thấp. Như vậy các hợp chất này không phải là cấu tử cần thiết cho dầu gốc để chế tạo dầu bôi trơn chất lượng cao. Mặt khác, trong quá trình bảo quản hay làm việc, các hợp chất này có xu hướng tạo nhựa mạnh làm giảm nhanh chóng tính năng sử dụng của dầu nhờn. Như vậy, có các hợp chất hydrocacbon với cấu trúc gồm naphten hay hydrocacbon thơm 1 vòng có nhánh izo-parafin dài và các izo-parafin mới là những cất tử !ý tưởng cho dầu bôi trơn, vì chúng không chỉ có độ nhớt đảm bảo mà còn có chỉ số độ nhớt cao, cho phép chế tạo được dầu nhờn chất lượng cao. Trần Viết Chánh 40 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Trong trường hợp cần sản xuất dầu nhờn có chất lượng cao rõ ràng chúng ta cần phải tiến hành loại bỏ các hợp chất không thích hợp ra khỏi dầu nhờn nguyên liệu. Đó là các hydrocacbon nhiều vòng, các hợp chất dị nguyên tố và ngay cả n-parafin có trọng lượng phân tử lớn. Hình 11 cho biết những thành phần nào trong phần cất chân không từ dầu thô là có lợi cho dầu gốc và thành phần nào cần phải tách ra trong quá trình lọc dầu. n - parafin Tách sáp Sáp izo - Parafin Napthten một vòng và alkylbenzen DẦU GỐC Napthten và hydrocacbon thơm hai vòng Chiết bằng dung môi Napthten và aromat đa vòng Các hợp chất phi hydrocacbon Phần chiết thu được Làm sạch bằng hydro H2O, H2S, NH3 Hình 11- Sơ đồ đơn giản của việc tách cấu tử không mong muốn ra khỏi các phân đoạn chưng chân không trong quá trình sản xuất dầu gốc Các loại dầu thô khác nhau sẽ cho thành phần phân đoạn dầu nhờn khác nhau và chỉ những phân đoạn đầu nhờn của dầu mỏ họ naphteno - parafinic, parafino - naphtenic hay parafinlc có khả năng sản xuất được dầu gốc có chất lượng cao. Ngược lại, từ dầu mỏ họ naphten hay aromatic khó có khả năng chế tạo dầu nhớt có chỉ số độ nhớt cao. Trong trường hợp muốn sản xuất dầu nhờn có chỉ số độ nhớt cao thì dầu mỏ họ naphten hay aromatic thì người ta phải thêm một lượng lớn các Trần Viết Chánh 41 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT phụ gia để làm tăng chỉ số nhớt như vậy giá thành sẽ cao hơn. Những phụ gia này thường là các polyme như polyizobutylen, polymetacrylat và polyme của este vinylic, polyalkylstyren. Như vậy, việc tách các thành phần không mong muốn nhờ quá trình lọc dầu cho phép có thể sản xuất dầu gốc chất lượng cao từ các dầu thô mà có nguồn gốc không phù hợp cho mục đích này. IV.2.2. phân đoạn cặn gudron. Phân đoạn cặn gudron là phần còn lại của quá trình chưng cất chân không sau khi đã lấy đi các phân đoạn dầu nhờn. Chúng có nhiệt độ sôi lớn hơn 5000C, gồm các hydrocacbon có số nguyên tử cacbon lớn hơn C 41. Thành phần của phân đoạn này rất phức tạp và có thể chia thành ba nhóm sau: 1) Nhóm chất dầu bao gồm các hydrocacbon có phân tử lượng lớn, tập trung nhiều các hợp chất thơm có độ ngưng tụ cao, cấu trúc hỗn hợp nhiều vòng giữa hydrocacbon thơm và naphten. Đây là nhóm hợp chất nhẹ nhất có tỷ trọng xấp xỉ bằng 1, hoà tan trong xăng, n-pentan, CS 2... nhưng không hoà tan trong cồn. Trong phân đoạn cặn, nhóm chất dầu chiếm khoảng 45  46%. Trong công nghệ sản xuất dầu nhờn ta có thể tận dụng phần chất dầu này để sản xuất dầu nhờn có độ nhớt cao sử dụng cho các loại động cơ có tốc độ chậm và tải trọng lớn. 2) Nhóm chất nhựa (còn gọi là nhóm malten) Nhóm này ở dạng keo quánh gồm hai thành phần, đó là các chất trung tính và các chất axit. Các chất trung tính có màu đen hoặc nâu, nhiệt độ hoá mềm nhỏ hơn 1000C, tỷ trọng lớn hơn 1, dễ dàng hoà tan trong xăng, naphta. Chất trung tính tạo cho nhựa có tính dẻo dai và tính kết dính. Hàm lượng của nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ kéo dài của nhựa, chiếm khoảng 10 đến 15% khối lượng của cặn gudron. Trần Viết Chánh 42 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Các chất axit là chất có nhóm -COOH, màu nâu sẫm, tỷ trọng lớn hơn 1 dễ hoà tan trong cloroform và rượu etylic. Chấl axit tạo cho nhựa tính hoạt động bề mặt. Khả năng kết dính của bitum phụ thuộc vào hàm lượng chất axit có trong nhựa, nó chỉ chiếm khoảng 1% trong cặn dầu mỏ. 3) Nhóm asphanten: Nhóm asphaten là nhóm chất rắn nhàu đen, cấu tạo tinh thể, tỷ trọng lớn hơn 1, chứa phần lớn các hợp chất dị vòng, có khả năng hoà tan mạnh trong cacbon disunfua (CS2). Đun ở 3000C không bị nóng chảy mà bị cháy thành tro. Ngoài ba nhóm chất chính nói trên, trong cặn gudron còn có các hợp chất cơ kim của kim loại nặng, các chất cacben, cacboit rắn giống như cốc, màu sẫm, không tan trong các dung môi thông thường chỉ tan trong pyridin. Phân đoạn cặn gudron được sử dụng cho nhiều lục đích khác nhau như sản xuất bitum, than cốc, bồ hóng, nhiên liệu đốt lò. Trong các ứng dụng trên thì sản xuất bitum là ứng dụng quan trọng nhất. Trần Viết Chánh 43 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Chương 2 PHẦN CÔNG NGHỆ I. LỰA CHỌN VÀ THUYẾT MINH SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ I.1. Lựa chọn sơ đồ hệ thống sản xuất dầu nhờn. Để chọn sơ đồ hệ thống sản xuất dầu nhờn thì trước hết phải xét đến chất lượng thành phần của dầu mỏ ban dầu. I.1.1. Sơ đồ công nghệ sản xuất dầu nhờn đơn giản Loại sơ đồ hệ thống sản xuất dầu nhờn đơn giản nhất là sơ đồ để sản xuất dầu nhờn đi từ dầu mỏ thuộc loại ít lưu huỳnh và ít parafin và ít nhựa. Đối với việc sản xuất các sản phẩm dầu nhờn từ dầu mỏ loại nhiều lưu huỳnh, nhiều nhựa và nhiều parafin thì phải chọn sơ đồ hệ thống sản xuất dầu nhờn phức tạp hơn và sử dụng dung môi chọn lọc và phải thêm quá trình khử parafin, rồi đến quá trình hấp thụ lần cuối trên đất sét hay thay thế cho quá trình này bằng quá trình làm sạch bằng hydro. Ví dụ, đối với dầu mỏ miền đông Liên Xô. Để sản xuất dầu nhờn người ta phải chọn loại sơ đồ sử dụng làm sạch lần cuối bằng cách hấp thụ đất sét. I.1.2. Sơ đồ công nghệ sản xuất dầu nhờn phức tạp. Chưng cất chân không là quá trình đầu tiên của hệ thống sản xuất dầu nhờn, việc phân chia phân đoạn có triệt để hay không đều ảnh hưởng đến các chỉ tiêu của quá trình cơ bản sản xuất dầu nhờn. Tất cả các phân đoạn dầu nhờn qua phân chia ở quá trình chưng cất ở áp suất chân không: Phân đoạn dầu nhờn nhẹ (300  4000C), phân đoạn dầu nhờn trung (350  4200C), phân đoạn dầu nhờn nặng (420  5000C) và phân đoạn dầu cặn (>500 0C) đều phải qua quá trình trích ly (hay làm sạch) bằng dung môi chọn lọc (có thể dùng Trần Viết Chánh 44 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT phenol hay furfurol,...). Sau đó tiếp tục tới quá trình kết tinh (hay khử) parafin nặng để giảm nhiệt độ đông đặc của dầu nhờn và cuối cùng làm sạch lần cuối bằng cách hấp thụ trên đất sét để tách các chất nhựa còn lại, tách hết các chất dung môi có lẫn từ các quá trình trên và tách hết các chất axit. Kết thúc hệ thống là quá trình pha trộn các cấu tử đầu nhờn với các tỷ lệ khác nhau và pha trộn với các phụ gia với các chức năng khác nhau nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng. Quá trình hydrocracking để sản xuất dầu nhờn với nguyên liệu là các đoạn dầu nhờn cất có độ nhớt cao và phân đoạn dầu cặn lấy từ quá trình khử asphanten trong gudron thay thế cho quá trình làm sạch bằng môi chọn lọc cho ta sản phẩm dầu nhờt có chi số độ nhớn cao. Tuy chi phí cho quá trình này hơn so với làm sạch bằng dung môi chọn lọc. Hiện nay, sơ đồ công nghệ được sử dụng nhiều nhất là sơ đồ sản xuất dầu chung. I.2. Thuyết minh sơ đồ công nghệ Nguyên liệu mazút được bơm đưa đến lò đốt ( 1) đốt nóng đến nhiệt độ khoảng 400 - 4200C (trước khi đi đến lò đốt (1) nó được gia nhiệt bởi thiết bị trao đổi nhiệt (3)). Hỗn hợp chất hơi lỏng dầu mazút đi ra từ lò đốt cho vào tháp chưng cất chân không (2). Tại tháp này sẽ tách phần hơi ra khỏi phần rộng (350 - 5000C) và được làm lạnh nhanh bởi thiết bị trao đổi nhiệt (3). Khí bị phân huỷ, hơi nước và sản phẩm dầu dần đi ra đỉnh tháp chưng chân không (2) cho qua thiết bị làm lạnh và ngưng tụ (9) rồi được đưa vào thiết bị tạo chân không. Phần khí được hút ra nhờ máy bơm hút chân không (còn phần lỏng theo đường ống cho vào bể chứa sản phẩm đỉnh (8) để tách riêng dầu và nước). Nhờ hệ thống làm lạnh và ngưng tụ bậc ba mà giảm được áp suất trong tháp chưng cất chân không và giảm được hàm lượng dầu lẫn trong nước ra ngoài. Trần Viết Chánh 45 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Tại phần đáy tháp, chưng cất chân không thu được cặn gudron, tại đáy tháp chưng chân không cho hơi nước quá nhiệt vào làm tác nhân bay hơi. Tại thiết bị tái bay hơi (7) lấy ra phân đoạn dầu nhờn (350  4500C) và (450  5000C). Các phân đoạn này cũng được đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt và làm lạnh. Để đảm bảo cho tháp chưng cất chân không được hoạt động với hiệu suất cao, một phần sản phẩm của các phân đoạn được cho hồi lưu quay trở lại tháp. Mặt khác, để đảm bảo cho tháp hoạt động bình thường phải có hồi lưu trung gian bằng cách lấy sản phẩm trong tháp cấp nhiệt trung gian. * Ưu điểm của công nghệ Sử dụng tháp chưng cất chân không để chưng cất mazut, để sản xuất dầu nhờn đáp ứng được yêu cầu về mặt công nghệ: là không làm phân huỷ nguyên liệu khi chưng cất do hạ thấp được nhiệt độ sôi của hydrocacbon, do đó cho phép chưng cất các cấu tử có nhiệt độ sôi lớn hơn 500 0C mà không cần phải chưng đến 5000C. Ngoài ra, với việc cho hơi nước vào đáy tháp chưng đổi làm giảm áp suất riêng phần của dầu, tăng cường khuấy trộn chất lỏng, tránh tích nhiệt cục bộ, tăng diện tích bề mặt bay hơi do tạo thành các tia và các bong bóng hơi. Khi đó, đạt được mức độ bay hơi lớn cho nguyên liệu dầu, tránh quá trình ngăn ngừa tạo cốc trong các ống đốt nóng. Với việc hồi lưu đáy cho phép tách ra phần dầu một cách triệt để đồng thời đẩy nhanh phần cặn gudron ra khỏi tháp tránh bị tạo cốc và phân huỷ làm thay đổi công nghệ của tháp. Với các đặc tính phù hợp với quy trình sản xuất dầu nhờn và có các ưu điểm thuận lợi cho quá trình sản xuất, em chọn sơ đồ công nghệ sử dụng tháp chưng cất chân không và thiết bị tái bay hơi. Trần Viết Chánh 46 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT I.3. Các thiết bị chính trong dây chuyền công nghệ. I.3.1. Tháp chưng cất chân không Dầu mỏ và sản phẩm dầu mỏ rất dễ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao. Vì thế khi cần chưng cất những sản phẩm có nhiệt độ cao (> 350 0C) nếu chưng ở áp suất thường thì chúng sẽ bị phân huỷ, do đó cần tiến hành ở áp suất chân không. Tháp chưng cất chân không cho phép hạ thấp nhiệt độ sôi của các sản phẩm dầu mỏ. Cấu tạo của tháp bao gồm: 1. Đầu nối cho hơi vào. 2. Lối vào của hồi lưu đáy (hồi lưu nóng). 3.Lối ra của hồi lưu tuần hoàn giữa 4. Khớp nối thiết bị đo chân không 5. Tấm chắn (sàng ) 6. Lối ra hơi đi vào thiết bị tạo chân không 7. Van không khí 8. Lối ra hồi lưu đỉnh 9. Lối vào hồi lưu tuần hoàn đỉnh (hồi lưu lạnh) 10. Lối vào hồi lưu tuần hoàn giữa (hồi lưu lạnh) 11. Đầu nối để rửa tấm chắn loại sàng 12. Lối vào của mazut từ lò sang 13. Lối lấy gudron ra 14. Đáy tháp 15. Thân tháp 16. Tấm chắn chảy chuyền 17 Máng chảy chuyền 18. Tấm chắn chảy tràn 19. Ống chảy chuyền 20. Đĩa 21. Nắp tháp Trần Viết Chánh 47 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT I.3.2. Lò ống Thiết bị chưng cất chân không đốt nóng trực tiếp thì lò đốt là nguồn nhiệt quan trọng. Phổ biến nhất là loại lò đốt cả bọc thép với vật liệu cách nhiệt. Nhiên liệu được dưa vào lò đốt cháy và toả nhiệt. S¶n phÈm ra S¶n phÈm ra Buång ®èi l­ u KhÝ ®èt KhÝ ®èt Nguyªn liÖu vµongÇm ®Õn Cèng èng Nguyªn liÖu vµo Hình 15. Cấu tạo lò đốt. Cấu trúc của lò ống: Phần bức xạ nhiệt. Phần dối lưu nhiệt Phần đối lưu nhiên liệu. Phần thông gió. Phần thu hồi nhiệt thừa * Phần bức xạ nhiệt Là phần quan trọng nhất của lò đốt, nó được gọi là buồng đốt, ở đây nhiên liệu được đốt cháy trực tiếp để tạo ra ngọn lửa. Phần bức xạ nhiệt đạt hiệu quả cao so với phần khác của lò chính vì vậy cần quan tâm tới cấu trúc cơ khí và vật liệu của phần bức xạ, phần bức xạ cung cấp 70  80% tổng nhiệt lượng yêu cầu. * Phần đối lưu nhiên liệu Đây là bộ phận thoát nhiệt là bộ phận quan trong của lò đốt. Tạo ra ngọn lửa và điều chỉnh ngọn lửa tiếp xúc với những ống đốt và nhiên liệu cháy hoàn toàn. Trần Viết Chánh 48 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT * Phần đối lưu nhiệt Thường đạt trên phần bức xạ, ở phần này sẽ hấp thụ nhiệt của khí cháy tỏa ra từ vùng đốt bằng phương pháp đối lưu nhiệt * Phần thông gió Thiết bị thông gió đóng vai trò quan trọng, nó dẫn không khí vào buồng đốt và dẫn khí thải ra ngoài lò. Hệ thống thông gió có thể là tự nhiên hay cưỡng bức. Trong hệ thống thông gió tự nhiên sẽ có những ống khối được lắp đặt để thông gió, không cần năng lượng cơ học nào, các thiết bị như quạt gió sẽ tạo ra sự đối lưu. Nhìn chung hệ thống gió tự nhiên sử dụng ống khói được áp dụng rộng rãi. * Phần thu nhiệt thừa Nhiệt sẽ được thu hồi từ khí cháy tỏa ra từ phần dối lưu, nhiệt thu hồi có thể quay trở lại tuần hoàn cho lò đốt hoặc sử dụng cho mục đích khác I.3.3. Thiết bị trao đổi nhiệt Loại này có bề mặt trao đổi nhiệt hình ống căn cứ vào tính chất làm việc và cấu tạo thiết bị có các kiểu sau: a.Loại ống xoắn ruột gà [hình 16] 3 1 2 Hình 16. Thiết bị trao đổi nhiệt ống xoắn 1- Thiết bị; 2- Ống xoắn; 3- Giá đỡ. Trần Viết Chánh 49 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Loại thiết bị này được dùng trong công nghệ sớm nhất. Nó là những ống dài uốn cong lại thành nhiều vòng xoắn và dặt trong thùng hoặc nhiều ống thẳng nối với nhau vào ống khuỷu. Chất tải nhiệt cho vào thùng, chất tải nhiệt khác đi trong ống xoắn. Hệ số truyền nhiệt kém do đó người ta cái tiến bằng cách đặt nhiều vòng xoắn để làm cho vận tốc và chất tái nhiệt trong thùng tăng làm cho hệ số truyền nhiệt tăng. Loại thiết bị này dùng để làm nguội và đun nóng, hiệu quả làm việc thấp, loại thiết bị này giá thành rẻ nhưng làm sạch đường ống khó khăn. b. Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống lồng ống. Loại thiết bị này dùng để trao đổi nhiệt giữa chất lỏng, khí và hơi. Một chất tải nhiệt đi giữa ống còn một chất lỏng đi giữa khoảng không gian giữa các ống. Nguyên tắc thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau mỗi đoạn gồm 2 ống lồng vào nhau. Ống trong (1 ) của đoạn này nối thông với ống trong của đoạn khác và ống ngoài (2) của đoạn này nối thông với ống ngoài của đoạn khác. Để dễ thay thế và rửa ống người ta nối bằng khuỷu (3) và ống nối (4). Chất tải nhiệt (I) đi trong ống trong (1) từ dưới lên còn chất tải nhiệt (II) đi trong ống ngoài (2) từ trên xuống. * Ưu điểm: Hệ số truyền nhiệt lớn vì thế tạo ra tốc độ lớn ở cả 2 chất tải nhiệt, chế tạo đơn giản. * Nhược điểm: Cồng kềnh, giá thành cao vì tốn nhiều kim loại khó làm sạch khoáng trống giữa 2 ống. Trần Viết Chánh 50 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT II 1 2 3 1. Ống trong 2. Ống ngoài 3. Khuỷu nối 4. Ống nối I 4 II Hình 17. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống c. Loại ống chùm [hình 18] Thiết bị truyền nhiệt này là được dùng phổ biến nhất trong công nghiệp hóa chất, nó có ưu điểm là gọn, chắc chắn, bề mặt truyền nhiệt lớn thiết bị đơn giản. II 1 2 1. §¸y vµ n¾p thiÕt bÞ 3 I 2. Líi èng 4 5 3. èng truyÒn nhiÖt 4. Vá thiÕt bÞ 6 5. Tai ®ì thiÕt bÞ I 6. èng nèi Hình 18: Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống chùm Trần Viết Chánh 51 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Loại này là thiết bị ống chùm kiểu đứng gồm có vỏ hình trụ, hai đầu hàn hai luới ống. Các ống truyền nhiệt (3) được ghép chắc chắn, kín vào lưới ống. Đáy và nắp nối với vỏ bằng mặt bích có bu lông ghép chắc. Trên vỏ, nắp và đáy có cửa (ống nối) đẻ dẫn chất tải nhiệt, thiết bị được đặt trên giá đỡ nhờ tai đỡ (5) hàn với vỏ (4). Chất tải nhiệt (I) đi vào đáy dưới qua các khoảng trống lên trên và ra khỏi thiết bị. Nguyên liệu (II) đi từ cửa trên của thiết bị vào ống trong rồi ra phía dưới. II. TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ. Chọn dầu dùng olkovxky với các số liệu ban đầu như bảng 4. Bảng 4: Hiệu suất chưng cất dầu mazut vùng olkovxky Hiệu suất dầu nhờn % khối Giới hạn sôi lượng( so với phân đoạn) Gasoil nhẹ 5 0 Dầu nhờn trung 350-450 C 38 0 Dầu nhờn tối mầu 450- 500 C 35 0 Gudron >500 C 22 Tỷ trọng d20 4 0,86 ( d15 4 ) 0,868 0,884 0,908  Một số ký hiệu: Dầu nhờn 350-4500C: DN1 Dầu nhờn 450-5000C: DN2  Gasoil nhẹ : Gas Gudrôn : Gud Tính tỷ trọng ở các nhiệt độ khác: dt Dt4  4 ct dH O 2 Trong đó: Dt4 tỷ trọng của một hợp chất ở nhiệt độ t 0C so với tỷ trọng của nước ở 40C. Trần Viết Chánh 52 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP d4H2O THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT = 1000kg/m3 (khối lượng riêng của nước ở 40C). d4ct - khối lượng riêng của chất chỉ thị ở nhiệt độ t0C. Từ tỷ trọng d15 4 = 0,86 ta có khối lượng riêng của Gas: 15 Gas = 860 kg/m3 Từ tỷ trọng d20 4 của các phân đoạn ta có khối lượng riêng của từng phân đoạn: 20 DN1 = 868 kg/m3 20 DN2 = 884 kg/m3 20 Gud = 908 kg/m3 Ta lại có: 15 20 DN1 = DN1 – 0,532 x (15 - 20) = 868 – 0,532 x (15 - 20) = 870,66 kg/m3  d15 = 0,87 4 20 d15 DN2 = DN2 - 0,532 x (15 - 20) = 884- 0,532 x (15 - 20) = 886,66 kg/m3 d154 = 0,886 15 20 Gud = Gud – 0,532 x (15 - 20) = 908 - 0,532 x (15 - 20) = 910,66 kg/m3 d15 4 = 0,91 d15 4 (của gas) = 0,86  Xác định nhiệt độ sôi trung bình của từng phân đoạn: Nhiệt độ sôi trung bình theo thể tích được xác định theo công thức sau: tmv  t10  t30  t50  t70  t90 0 ( C) 5 (1) Trong đó: t10, t30,… tại nhiệt độ 10,30…% thể tích chưng cất. Theo hình vẽ [32-6] có : tmm = 3060C. Trần Viết Chánh 53 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT + Nhiệt độ sôi trung bình theo thể tích DN1: tmv = 4150C Theo hình vẽ [32-6] có: tmm = 4040C + Nhiệt độ sôi trung bình theo thể tích của DN2 tmv = 4800C Theo hình vẽ [32 - 6] có: tmm = 4750C - Tính phân lượng trung bình của các sản phẩm: Theo đồ thị [ 33-6] d15,6 15,6 gas = 0,86 d15,6 15,6 DN1= 0,866 d15,6 15,6 . DN2= 0,906 Từ đồ thị [Hình 33- 6] ta tra được giá trị phân tử lượng trung bình của 15,6 các phân đoạn từ giá trị d15,6 và tmm. - Phân tử lượng trung bình của dầu nhờn trung: M DN1 = 360 kg/m3 - Phân tử lượng trung bình của dầu nhờn tối màu M DN2 = 440 kg/m3 - Phân tử lượng trung bình của Gasoil nhẹ. M GAS = 250 kg/m3 - Phân tử lượng trung bình của cặn gudron: M Gud = 440 kg/m3 II.1. Tính cân bằng vật chất Năng suất của công nghệ: 2.000.000 tấn/năm, thành phần các chất tính theo % của nguyên liệu như bảng 5. Trần Viết Chánh 54 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Bảng 5. % sản phẩm của từng phân đoạn chưng cất. Mazut  sản phẩm ra Gasoil nhẹ Dầu nhờn 1: 350-4500C Dầu nhờn 2: 450- 5000C Cặn Gudron 100%  nguyên liệu vào 5% 38% 35% 22% a. Năng suất phân xưởng: 2 triệu tấn/năm, năng suất của phân đoạn tính theo % của nhiên liệu. Theo số liệu thống kê hàng năm thì số ngày bảo dưỡng sửa chữa là 25 ngày Vậy số ngày làm việc trong một năm: 365 - 25 = 340 ngày/năm Năng suất theo ngày: 2.000.000 = 5.882,353 tấn/ngày 340 5.882,353 = 245,098 tấn/giờ. 24 Năng suất theo giờ: + Tính năng suất theo năm: Hiệu suất sản phẩm Gasoil là 5%. - Lượng Gasoil thu được trong một năm: GGas  5x2.000.000 = 100.000 tấn/năm. 100 Hiệu suất sản phẩm DN1 là 38%. - Lượng dầu nhờn trung thu được trong một năm: GDN1  38x2.000.000 = 760.000 tấn/năm. 100 Hiệu suất sản phẩm DN2 là 35%: - Lượng dầu nhờn tối màu thu được trong một năm là: GDN2  35x2.000.000 = 700.000 tấn/năm 100 Hiệu suất sản phẩm Gudron là 22%. Trần Viết Chánh 55 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT - Lượng Gudron thu được trong 1 năm là: GGud  22x2.000.000 = 440.000 tấn/năm. 100 + Lượng sản phẩm sản xuất được trong ngày: Hiệu suất sản phẩm Gasoil là 5%: - Lượng Gasoil thu được trong một ngày là: GGas = 5.882,353 x 0,05 = 294,117 tấn/ngày Hiệu suất sản phẩm DN1 là 38%: - Lượng dầu nhờn trung thu được trong một ngày là: GDN1 = 5.882,353 x 0,38 = 2.235,294 tấn/ngày Hiệu suất sản phẩm DN2 là 35% - Lượng dầu nhờn tối màu thu được trong một ngày là: GDN2 = 5.882,353 x 0,35 = 2.058,823 tấn/ngày. Hiệu suất sản phẩm của Gudron là 22%: - Lượng gudron thu được trong một ngày là: GGud = 5.882,353 x 0,22 = 1.294,117 tấn/ngày + Lượng sản phẩm sản xuất được trong một giờ là: GGas = 245,098 x 0,05 = 12,255 tấn/giờ . - Lượng dầu nhờn trung thu được trong một giờ là: GDN1 = 245,098 x 0,38 = 93,137 tấn/giờ. - Lượng dầu nhờn tối màu thu được trong một giờ là: GDN2 = 245,098 x 0,35 = 85,784 tấn/giờ. - Lượng Gudron thu được trong một giờ là: GGud = 245,098 x 0,22 = 53,921 tấn/giờ. b. Tính tiêu hao nước dùng cho tháp chưng. + Tính tiêu hao nước cho tháp phân đoạn: Trong công nghiệp chế biến dầu lượng hơi nước được dùng xả vào đáy tháp chưng cất chân không thường chọn bằng 3% trọng lượng so với lưu lượng của cặn gudron thoát ra. Trần Viết Chánh 56 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Vậy lượng hơi nước xả vào đáy tháp chính là: GH2O = 0,03 x 440.000 = 13.200 tấn/năm = 0,03 x 1.294,117 = 38,823 tấn/ngày = 0,03 x 53,921 = 1,617 tấn /giờ = 89,833 kmol/h. + Tiêu hao hơi nước dùng cho các tháp tách : Hơi nước xả vào đáy tháp bay hơi: Chọn 2% lượng sản phẩm thu được. Lượng hơi nước xả vào tháp lấy dầu trung: GH2O = 0,02 x 760.000 = 15.200 tấn/năm. = 0,02 x 2.235,294 = 44,706 tấn/ngày. = 0,02 x 93,137 = 1,863 tấn/giờ = 103,5 kmol/giờ. Lượng hơi nước xả vào tháp dầu nhờn tối màu: GH2O = 0,02 x 700.000 = 14.000 tấn/năm. = 0,02 x 2.058,823 = 41,176 tấn/ngày. = 0,02x85,784 = 1,715 tấn/giờ. = 95,277 kmol/giờ. * Tổng lượng hơi nước cần dùng trong tháp.  Gh¬i n­ í c =Ghơi nước vào đáy tháp +Ghơi nước cho vào tháp phụ lấy DN2 +Ghơi nước cho vào tháp phụ lấy DN1 GH2O = 13.200 + 14.000 + 15.200 = 42.400 tấn/năm. = 38,823 + 41,176 + 44,706 = 124,705 tấn/ngày. = 1,617 +1,715 + 1,863 = 5,195 tấn/giờ. Nhơi nước = Nhơi nước vào đáy tháp + Nhơi nước cho vào tháp phụ lấy DN2 + Nhơi nước cho vào tháp phụ lấy DN1 Nhơi nước = 89,833 + 95,277 +103,5 = 288,61 kmol/h Trần Viết Chánh 57 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Bảng 6: Cân bằng vật chất. Cấu tử Mazut Hơi nước Gasoil DN1 DN2 Gudron %TL 100 5 38 35 22 Tấn/năm 2.000.000 42.400 100.000 760.000 700.000 440.000 Tấn/ngày 124,705 294,117 2.235,294 2.058,823 1.294,117 Tấn/h 5,195 12,255 93,137 85,784 53,921 Kg/h 5.195 12.255 93.137 85.784 53.921 c. Xác định các đại lượng trung bình của sản phẩm: + Tính lượng sản phẩm tính theo kmol/h: Lượng gasoil thu được là: ggas = 12,255 tấn/h. 12,255x103 = 48,9 kmol/h. 250 Lượng DN1 thu được là: gDN1 = 93,137 tấn/h. 93,137x103 = 258,714 kmol/h. 360 Lượng DN2 thu được trong một giờ là: gDN2 = 85,784 tấn/h. 85,784x103 = 194,963 kmol/h. 440  Tổng lượng hơi nước cần dùng để xả vào đáy tháp chính cũng như phụ là: gH2O h = 5,195tấn/giờ = 5,195x1.000 18 = 288,611 kmol/h  vµo = Dầu mazut + hơi nước vào (1) Mà dầu mazut = 2.000.000 tấn/năm Hơi nước = 42.400 tấn/năm (1)   vµo = 2.000.000 + 42.400 Trần Viết Chánh 58 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT = 2.042.400 tấn/năm  ra = Gasoil + DN1 + DN1 + Gudron + hơi nước ra = 100.000 + 760.000 + 700.000 +440.000 + 42.400 = 2.042.400 tấn/năm Do vậy ta có bảng cân bằng vật chất sau. Bảng 7. Bảng tổng kết cân bằng vật chất. Chất vào Kmol/h Cặn mazut Hơi nước 288,611  vµo Tấn/năm Chất ra 2.000.000 42.400 Kmol/h Tấn/năm gasoil DN1 DN2 48,9 258,714 194,963 100.000 760.000 700.000 Gudron - 440.000 H2O(h) 288,611 42.400 = 2.042.400  ra = 2.042.400 II.2. Tính cân bằn nhiệt lượng. II.2.1. Tính chế độ tháp chưng chân không * Áp suất: Áp suất chân không tiến hành chưng cất thường giữ trong khoảng 1070 mmHg. Để tăng hiệu quả chưng cất người ta thường thêm tác nhân bay hơi nước (hơi nước quá nhiệt) vào đáy tháp, khi đó nhiệt độ sôi của các hydrocacbon giảm xuống và sẽ hạn chế được quá trình phân huỷ. Với áp suất đỉnh là 40 - 60 mmHg. Chọn áp suất đỉnh là 40 mmHg. - Chọn chênh lệch áp suất đỉnh và áp suất tại vùng nạp liệu là 20 mmHg. - Sự mất mát áp suất trên các đĩa là 1 3mmHg. Do vậy ta chọn là 2mmHg. Trần Viết Chánh 59 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT - Chọn số đĩa: Theo trang 90 [6]. + Từ đỉnh đến đĩa lấy dầu nhờn 1 (3504500C) là 3  4 đĩa nên ta chọn là 4 đĩa. Khi đó áp suất trên đĩa lấy phân DN1 là: PDN1 = 40 + 2 x 4 = 48 mmHg. + Từ đĩa dầu nhờn 1 (350 - 4500C) đến đĩa lấy dầu nhờn 2 là từ 3  4 đĩa. Ta chọn 4 đĩa thì khi đó áp suất trên đĩa lấy phân đoạn DN2 là PDN2 = 48 + 2 x 4 = 56 mmHg + Từ đĩa lấy dầu nhờn 2 đến vùng bay hơi là 2  3 đĩa. Chọn số đĩa là 3 nên áp suất tại vùng bay hơi là: Pbayh¬i = 56 + 2 x 3 = 62 mmHg. * Tính áp suất tại vùng nạp liệu. Trong thực tế quá trình chưng cất có sự mất mát về áp suất và do có dùng hơi nước vào đáy tháp để làm giảm áp suất riêng phần của các cấu tử sản phẩm. Do đó, nhiệt độ vùng nạp liệu không phải là nhiệt độ tại điểm cuối của các sản phẩm mà phải được hiệu chỉnh bởi áp suất riêng phần của các sản phẩm và được tính theo định luật Dalton có: P .y Trong đó:  - áp suất tại vùng bay hơi; y - phần mol sản phẩm dầu và hơi nước. y nGas  nDN1  nDN2 nGas  nDN1  nDN2  n H 2O  nKN (2) [6] Với nGas  nDN1  nDN2  n H 2O  nKN lần lượt là số mol của các sản phẩm dầu, hơi nước và khí không ngưng. Lượng khí không ngưng 0,1  0,35% lượng mazut đưa vào. Ta lấy 0,2% lượng mazut. Vậy: m khí không ngưng = 0,2x245.098 490,196 kg/h 100 Coi khí không ngưng có phân tử lượng là 29kg/kmol Trần Viết Chánh 60 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Vậy: NKN = THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT 490,196 16,903kmol / h 29 Thay các giá trị vào (2) ta được: y 48,9  258,714  194,963 = 0,622 48,9  258,714  194,963  288,611 16,903  P = .y = 62 x 0,622 = 38,56mmHg * Nhiệt độ trên các đĩa lấy sản phẩm. + Nhiệt độ vùng nạp liệu. Nhiệt độ sôi cuối của phân đoạn dầu là 5000C, tra theo đồ thị AZNI [hình 24-6] ta có nhiệt độ vùng nạp liệu là 3780C. Nhiệt độ tại đáy tháp thường nhỏ hơn nhiệt độ vùng nạp liệu từ 10200C, do đó ta chọn nhiệt độ đáy là 3580C. + Nhiệt độ tại vùng lấy phân đoạn dầu nhờn DN2: Coi gasoil trong trường hợp này cũng đóng vai trò như của hơi nước. Giả thiết nhiệt độ tại đĩa lấy dầu nhờn DN2 là 3000C. Vậy cân bằng nhiệt lượng cho vùng lấy dầu nhờn. Q=  Qi (3) v l(v) Mà Qi = Gi  I t  I t  . v v QGas = GGas  I tv  I ta  l QDN1 GDN1 .  I tvv  I te  l QDN2 GDN2  I tvv  I te  l v QGud = GGud  I tv  I te  v l QH2O(h) GH2O(h)  I hcv  I te  Trong đó: QGas,QDN1, QDN2, QGud, QH2O(h) là nhiệt lượng các sản phẩm cần cho hồi lưu, kcal/kg. QGas, QDN1 ,QDN2 , QGud, QH2O(h) là lượng mỗi sản phẩm, kg/h. Trần Viết Chánh 61 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT I tvv - Entanpi của sản phẩm ở dạng hơi tại nhiệt độ vào, kcal/kg. v I ta - Entanpi của sản phẩm ở dạng hơi tại nhiệt độ đĩa lấy vào, kcal/kg I ltv - Entanpi của sản phẩm ở dạng lỏng tại nhiệt độ vào, kcal/kg. I lte - Entanpi của sản phẩm ở dạng lỏng tại nhiệt độ ra, kcal/kg. I vhcv - Entanpi của hơi nước tại nhiệt độ vào, kcal/kg. Từ bảng 75,76[6] ta tra được các số liệu của entanpi. - Viết cân bằng nhiệt lượng cho vùng lấy dầu nhờn: Theo giá trị của d và nhiệt độ đã chọn theo bảng 76,76,77 [349,352 - 6] tìm được Entanpi của sản phẩm như sau: v I 378  Gas 275,43 kcal / kg v I 300  Gas 226,61kcal / kg v I 378  DN1 274,30 kcal / kg v I 300  DN1 117,908 kcal / kg v I 378  DN2  272,5 kcal / kg v I 300  DN2  167,4 kcal / kg v I 378  Gud 220,455 kcal / kg v I 358  Gud 205,6 kcal / kg v I 378  H2O 758 kcal / kg v I 300  H2O 728 kcal / kg Thay các giá trị vào biểu thức ta tính được: V V QGas = GGas  I 378  I 300  = 12.255 (275,43 - 226,61) = 598.289,1 kcal/h Trần Viết Chánh 62 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT V V QDN1 = GDN1  I 378  I 300  = 93.137 (274,30 -117,908) =14.565.881,7 kcal/h V l QDN2 = GDN2  I 378  I 300  = 85.784(272,5-167,4) =9.015.898,4 kcal/h V v QGud = GGud  I 378  I 358  = 53.921 (220,455-205,6) = 800.996,46 kcal/h V v QH2O(h) GH2O(h)  I 378  I 300  = 5.195 (758 -728) =155.850 kcal/h Từ (3) ta được: 5 Q  Qi 25.136.915,66 kcal/h i 1 Nhiệt lượng Q là nhiệt lượng cần nhường cho hồi lưu nội: Gọi n là số mol hồi lưu nội: n Q I.M DN2 (4) [6] Trong đó: M - Phân tử lượng của hồi lưu (M = 440 kg/m3) Q - Nhiệt lượng của hồi lưu cần thu I - Ẩn nhiệt của hồi lưu (kcal/kg) v l  I 300 I = I 300 = 224,39 - 167,4 = 57 kcal/kg. Từ công thức (4) ta có: n 25.136.915,66 1002,27 kmol/h 57x440 * Áp suất phần: Trần Viết Chánh 63 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Áp suất tại vùng lấy dầu nhờn 2 (trong trường hợp này gasoil cũng đóng vai trò là hơi nước) P  n   nH2O(h)  nKN  nGas 56x1002,27 P = 48,42 mmHg 1002,27  89,833  16,903  48,9 Nhiệt độ sôi 0% DN2 = 4500C. Theo đồ thị AZNI [hình 24 - 6] ta có t0DN2 = 3020C.  Vậy nhiệt độ tính được và nhiệt độ giả thiết chênh lệch nhau 20C, như vậy giả thiết là có thể chấp nhận được. + Tính nhiệt trên đĩa lấy DN1: Giả thiết nhiệt độ trên đĩa DN1 là 2600C. Viết cân bằng nhiệt lượng cho vùng lấy dầu nhờn DN1: Cân bằng nhiệt lượng cho vùng lấy dầu nhờn DN1:  Qi QGas  Q DN 1  QDN2  QGud  QH2O(h) (5) v v QGas = GGas  I tv  I ta  l QDN1 GDN1  I tvv  I te  l QDN2 GDN2  I tvv  I te  l l QGud = GGud  I tv  I te  Từ bảng (75,76-6] ta tra được các số liệu của entanpi. Viết cân bằng nhiệt lượng cho vùng lấy dầu nhờn DN1: Theo giá trị của d và nhiệt độ đã chọn theo bảng [75, 76, 77 - 349 và 352- 6] ta tìm được các entanpi các sản phẩm như sau: v I 378  Gas 275,43 kcal/kg v I 260  Gas 202,18 kcal/kg v I 378  DN1 274,30 kcal/kg Trần Viết Chánh 64 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT v I 260  DN1 141,65 kcal/kg v I 378  DN2  272,5 kcal/kg v I 300  DN2  167,4 kcal/kg v I 378  Gud 220,455 kcal/kg v I 358  Gud 205,6 kcal/kg v I 378  H2O 758 kcal/kg v I 260  H2O 711 kcal/kg Thay cá giá trị vào biểu thức ta tính được: V V QGas = GGas  I 378  I 260  = 12.255 (275,43 - 202,18) = 887.678,75 kcal/h V V QDN1 GDN1  I 378  I 260  = 93.137 (274,30 -141,65) =12.354.623,05 kcal/h V V QDN2 GDN2  I 378  I 300  = 85.784 (272,5-167,4) =9.015.898,4 kcal/h V l QGud = GGud  I 378  I 358  = 53.921 (220,455-205,6) = 800.996,455 kcal/h V v QH2O(h) GH2O(h)  I 378  I 260  = 5.195 (758 -711) = 244.165 kcal/h Thay (5) ta được: Trần Viết Chánh 65 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT 5 Q1  Qi 23.313.361,66 kcal/h i 1 Gọi n là số mol của hồi lưu: n= Q I.M Trong đó: M - Phân tử lượng của hồi lưu; Q - Nhiệt lượng của hồi lưu cần thu; I - Ẩn nhiệt của hồi lưu (Kcal/kg) Hồi lưu là hồi lưu lạnh, nhiệt độ hồi lưu vào là 300C v l  I 30 200,38  13,356 187,024 kcal/kg I = I 260 Vậy n  23.313.361,66 407,367 kmol / h 187,024x306 Áp suất phần tại vùng lấy dầu nhờn 1 là: P . n n  nH2O(h)  nKN P 48. 407,367 = 38,03 mmHg 407,367  89,833  16,903 t0sôi 0% của DN1 = 3500C 0 Theo AZNI [hình 24 - 6] ta có tDN1 = 2620C. Nhiệt độ tính được và nhiệt độ giả thiết chênh lệnh nhau là 20C như vậy giả thiết là có thể chấp nhận được. + Tính nhiệt độ tại đỉnh tháp: Lượng gasoil lấy ra không cho hồi lưu trở lại, do đó áp suất tại đây là do hơi gasoil, hơi nước + khí không nhưng quyết định. P . Trần Viết Chánh nGas nGas  nH2O  nKN 66 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP = THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT 40x48,9 = 12,57 mmHg 48,9  89,833  16,903 t0sôi 100% của Gasoil = 3500C. Theo đồ thị AZNI [hình 24 - 6] ta có t0Gasoil = 1950C. II.2.2. Tính cân bằng nhiệt lượng cho tháp. QV = QR QV = Qra + Qvùng bay hơi hồi lưu + Q mất mát. Qvào = Qnguyên liệu + QH2O(h) Qra = Ggasoil + QDN1  QDN2 + QGud + QH2O(h) * Tính nhiệt lượng vào: + QH2O(h)vào = GH2O(h).IVt GH2O(h) = 5,195 tấn/h = 5195 kg/h ItV = IV378 = 758 kcal/kg.  QH2O(h) = 5195 x 758 = 3937.810 kcal/h + Qnguyên liệu = QGas + QDN1  QDN2 + QGud (6) QGas = GGas.IV378 = 12.255 x 275,43 = 3.375.394,65 kcal/h v V QDN1 GDN1 .I 378 QDN2 = GDN2. I 378 = 93.137 x 274,3 = 25.547.479,1 kcal/h v QDN2 GDN2 .I 378 = 85.784 x 272,5 = 23.376.140 kcal/h V GGud = GGud. I 378 = 53.921 x 220,455 = 11.887.154,06 kcal/h (6)  Qnguyên liệu = 64.186.167,81 kcal/h Qvào = Qnguyên liệu + QH2O(h) = 68.123.977,81 kcal/h * Tính nhiệt ra: Trần Viết Chánh 67 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT v QGas = GGas. I 195 = 12.255 x 166,95 = 2.045.972,25 kcal/h l QDN1 GDN1 .I 260 = 93.137 x 141,65 = 13.192.856,06 kcal/h l QDN2 GDN2 .I 300 = 85.784 x 167,4 = 14.360.241,6 kcal/h l QGud = GGud. I 358 = 53.921 x 205,6 = 11.086.157,6 kcal/h V QH2O(h) GH2O(h) .I 195 = 5195 x 682,6 = 3.546.107 kcal/h Qra = Q = 44.231.334,5 kcal/h * Nhiệt dùng bay hơi hồi lưu lạnh. V l Qhồilưu = Q1 = Qhồilưu .I = Qhồilưu .  I 260  I 30  = 23.313.361,66 kcal/h * Nhiệt mất mát ra môi trường xung quanh: Qmất mát = Qvào - Qra - Qvùng bay hơi hồi lưu = 68.123.977,81 - 44.231.334,5 - 23.313.361,66 = 579.281,645 kcal/h  Qra = Qra + Q1 + Qmất mát. = 68.123.977,81 kcal/h Ta có bảng cân bằng nhiệt như bảng 8. Trần Viết Chánh 68 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Bảng 8 : Bảng tổng kết cân bằng nhiệt lượng trong tháp chưng Nhiệt lượng vào, kcal/h Qgas 3.375394,65 QDN1 25.547.479,1 Nhiệt lượng ra, kcal/h Qgas 2.045.972,25 QDN1 13.192.856.06 QDN2 QDN2 14.360.241,6 DGud QH2O(h) 11.086.157,6 3.546.107 DGud QH2O(h) 23.376.140 11.887.154,06 3.937.810 Qnguyên liệu 64.186.167,81 Qra = Q 44.231.334,5 Qhồi lưu = 23.313.361,66 kcal/h Qmất mát = 579.281,645 kcal/h Qvào = 68.123.977,81 Qra = 68.123.977,81 III.TÍNH ĐƯỜNG KÍNH THIẾT BỊ Thiết bị chưng cất gồm 3 đoạn: Phần đỉnh, phần thân và phần đáy. III.1. Phần đỉnh. Phần lỏng chiến chủ yếu, do đó ta tính toán theo lưu lượng lỏng. * Tính toán theo lưu lượng lỏng lớn nhất: Đường kính của đỉnh tháp chưng cất được xác định theo công thức. D Mà S tháp = Sd.10 = 4.S (m)  [6] V.10 W D - Đường kính của đỉnh thiết bị, m; V - Lưu lượng khí lớn nhất đi qua thiết bị, m3/s; W - Tốc độ cực đại cho phép, m/s - Lưu lượng lớn nhất đi qua đỉnh là: G = nhồi lưu x M DN1 GDN1 (7) Trong đó: Phân tử lượng trung bình của dầu nhờn 1: M DN1 360 GDN1 = 93.137 kg/h Trần Viết Chánh 69 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT nhồi lưu = 407,367 kmol/h Từ (7) ta được: G = 407,367 x 360 + 93137 = 239.789,12 kg/h - Khối lượng riêng của lỏng. 260 20 DN Dn  0,532x 250  20 1 1 = 868 - 0,532 (260-20) = 740,32 kg/m3 V G 239.789,12  = 0,09 (m3/s) .3600 740,32x3600 Stháp = Sd.10 = V.10 2 (m ) W Với chất lỏng chảy tự do W = 0,1  0,5. chọn W = 0,1m/s Sth¸p  0,09x10 9 (m2) 0,1 Do vây đường kính của tháp chưng cất là: D 4.S 4x9  3,39 m  3,14 Quy chuẩn D = 3,4m. III.2. Phần thân. Phần này lượng hơi chiếm chủ yếu do đó ta tính toán theo lượng hơi. Đường kính của thân tháp chưng cất được xác định theo công thức. D= 4.V (m) .W [6] Trong đó: D - Là đường kính của thiết bị [m]; V - Lưu lượng khí hoặc lỏng lớn nhất đi qua thiết bị [m3/s]; W - Tốc độ cực đại cho phép [m/s]; Trần Viết Chánh 70 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Wmax 0,0344 Với L , m/s V V - Khối lượng riêng của hơi qua thiết bị; l - Khối lượng riêng của lỏng qua thiết bị. 378 Gas = 860 - 0,532 (378 - 15) = 666,884 kg/m3 H378 = 370 kg/m3 2O h Tương tự: 378 DN = 884 - 0,532 x(378 - 20) = 693,544 kg/m3 2 378 DN = 868 - 0,532 (378 - 20) = 677,544 kg/m3 1 Lưu lượng lớn nhất: Vi  Gi it 1617 Vh¬i n­ í c  4,370 m3/h 370 VDN1  93137 137,463 m3/h 677,544 VDN2  VGas  85784 123,689 m3/h 693,544 12255 18,376 m3/h 666,884 Coi khí không ngưng là không đáng kể trong trường hợp này. Vi fi G   Vi V t hh  378 hh  4,370x370  137,463x677,544  123,689x693,544  18,376x666,884 4,370  137,463  123,689  18,376 192792,555 378 hh  = 679,091 Kg/m3. 283,898 Áp dụng công thức tính khối lượng riêng của khí tại áp suất bấtkỳ [6]: Trần Viết Chánh 71 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT 378 hh  M x273 xP 22,4xT xP0 M - Phân tử lượng trung bình; T - Nhiệt độ, 0K; P - Áp suất tại đĩa đầu của tháp; P0 - Áp suất khí quyển; P0 = 760 mmHg n n M  M 48,9x250  258,714x360  194,963x440  288,611x18 16,903x29 48,9  258,714  194,963 288,611 16,903 196830,945 M 243,575 kmol 808,091 V  243,575 x 273 x 62 = 0,37 kg/m3 22,4 x  378 273 x 760 W = 0,0344x = 0,0344x l v 679,091 0,37 = 1,474 m/s Lưu lượng hơi. V= Trong đó: nRT P R - Hằng số khí R = 0,082 l.at/g.0C T - Nhiệt độ, 0K Với n = 194,963kmol/h V= 194,963x0,082x  273  378 x760 62x3600 = 35,437 m3/s. Trần Viết Chánh 72 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Tiết diện của thân tháp là: St  V 35,437  24,042 m3 W 1,474 Vậy đường kính tháp là: 4St 4x24,042  = 5,53 m  3,14 dt  Quy chuẩn dt = 6m III.3 Phần đáy. Đường kính của đáy tháp chưng cất được xác định theo công thức: D= Mà Stháp = Sd.10 = 4S ,m  [6] V.10 2 (m ). W D- Là đường kính của đỉnh thiết bị, m; V - Lưu lượng khí lớn nhất đi qua thiết bị, m3/s; W - Tốc độ cực đại cho phép, m/s; Tại phần này lượng lỏng là chủ yếu do đó ta tính được theo lưu lượng lớn nhất. Tính lưu lượng lỏng. GGudron = 53.921 kg/h 358 fGudron = 908 - 0,532 x (358 - 20) = 728,184 kg/m3 V= GGud 53.921  = 0,0206 m/s 358 fGudron 728,184 x 3600 Stháp = Sd.10 = V .10 với W = 0,1 m/s W Suy ra: Sth¸p  Trần Viết Chánh 0,0206 x 10 2,057 m3 0,1 73 Trường ĐHBK Hà Nội ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG CHƯNG CẤT DẦU MAZUT Do vậy đường kính phần đáy tháp là: dtháp = 4Sth¸p   4 x 2,057 = 1,62 m 3,14 Quy chhuẩn dt = 1,7 m IV. CHIỀU CAO THIẾT BỊ. Thường để tránh hiện tượng phân hửy phần cặn phần dưới của thiết bị người ta thiết kế cho đường kính nhỏ hơn nhằm tăng tốc độ chuyển động của dòng đi ra ngoài thiết bị phần đáy. Để tách các sản phẩm thường chọn số đĩa theo quy định sau: Đỉnh: phân đoạn đầu cạnh: 4 đĩa. Giữa các phân đoạn cạnh: 4 đĩa. Giữa phân đoạn cuối và vùng bay hơi: 3 đĩa. Khoảng cách giữa các đĩa 0,4  0,9 m Để xác định đường kính của thiết bị chưng cất áp suất người ta phải xác định được phần mà lượng khí hoặc lượng lỏng đi qua nhiều nhất. IV. 1 Phần đỉnh. Chiều ...