Bài giảng Tháp chưng cất dầu thô (chưng cất khí quyển)

Tháp chưng cất dầu thô (chưng cất khí quyển) Nội dung Tháp chưng cất ở áp suất khí quyển là một trong những thiết bị quan trọng nhất trong công nghiệp chế biến dầu mỏ. Là một thiết bị điển hình, nó nằm ngay sau thiết bị tách muối và gia nhiệt dầu thô. Tháp chưng có nhiệm vụ phân tách dầu thô thành các phân đoạn khác nhau bao gồm: naphtha, kerosene, dầu nhẹ, dầu nặng và AGO. Trong module này, bạn sẽ xây dựng, chạy thử, phân tích, và thao tác mô phỏng một tháp chưng cất khí quyển. Bạn sẽ bắt đầu xây dựng một tháp chưng đơn giản và tiếp tục thêm các thiết bị cạnh sườn vào tháp. Mục tiêu Sau khi hoàn thành module này bạn có thể: Xây dựng và hội tụ một tháp chưng đơn giản. Sử dụng Hysys để phân tích và dự báo các hoạt động của tháp mô phỏng. Thêm các thiết bị ở sườn tháp như hồi lưu để tăng hiệu quả và khả năng phân tách. Nghiên cứu cắt giảm chi phí, chi tiết để tăng chất lượng sản phẩm. Yêu cầu Trước khi bắt đầu module này bạn cần phải biết cách: Add dòng và thiết bị Mô tả và cài đặt thông số dầu thô. Sơ đồ công nghệ chưng cất dầu thô áp suất khí quyển Sơ đồ tháp chưng cất khí quyển Mở rộng Flowsheet Load case Preheat Train từ Module 2 (Oil 2. Pre-Heat Train). Các tham số của các sản phẩm từ tháp chưng cất Trước khi bắt đầu xây dựng một tháp chưng cất dầu thô cần phải biết tính chất của các sản phẩm mong muốn nhận được từ tháp chưng cất. Hysys cung cấp thông tin này dưới dạng đồ thị. Distribution Plots tab hiển thị biểu đồ mô tả phân bố thành phần phân đoạn trong tháp chưng cất dầu thô. Trở lại Basis Environment, vào Oil Manager. Dưới Cut/Blend tab, chọn Crude blend và nhấn View. Tới Distribution Plot tab, sẽ hiển thị các thông số. Sử dụng Straight Run cắt theo phân đoạn, hoàn thành bảng sau: Component Volume% Volume in 100000 bbl Off Gas + Lt St Run Naphtha Kerosene Diesel (light+heavy) AGO Residue Nhập dòng hơi nước vào đáy tháp Thành phần phần khối lượng H2O trong tất cả các dòng hơi nước là 1.0 Nhập dòng tên Btm Steam. Các thông số nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng như trong bảng sau: Temperature Pressure Flowrate Btm Steam 190oC (375oF) 1035 kPa (150 psia) 3400 kg/h (7500 lb/hr) Nhập tháp chưng cất khí quyển Tháp chưng cất được mô phỏng dựa trên thiết bị Refluxed Absorber. Chọn thiết bị Refluxed Absorber. Input Expert Page hiển thị, nhập dữ liệu như hình vẽ: Các tháp chưng cất dầu thô luôn luôn yêu cầu có dòng nước Bấm phím Next để chuyển tới trang tiếp theo của Input Expert. Nhập tiếp các dữ liệu như trên giao diện sau: Luôn luôn yêu cầu nhập giá trị áp suất cho stage 1 của tháp chưng cất dầu thô. Tháp có thể không hội tụ nếu thiếu giá trị này. Bấm Next để chuyển sang trang tiếp theo của Input Expert. Nhập các số liệu như trên giao diện dưới đây: Tháp chưng cất dầu tho dễ dàng hội tụ nếu nhập đầy đủ ba giá trị nhiệt độ gần đúng. Bấm Next để chuyển sang trang tiếp của Input Expert. Nhập các số liệu như trên giao diện dưới đây: Các giá trị cố định là các giá trị để tính toán. Còn các giá trị gần đúng là các giá trị sẽ được chương trình hiệu chỉnh khi hội tụ tháp Sau khi bấm vào phím Done, di chuyển đến trang Column Property View. Vào Design tab, mở Monitor page. Các giá trị cần nhập là: Lưu lượng thể tích có thể thay đổi, khi cần. Distillate rate: 150 m3/hr (22500 bbl/day) (estimate). Vap Prod Rate: 0 (active + estimate), có nghĩa là condenser hoạt động ở chế độ ngưng tụ hoàn toàn Lưu lượng dòng Naphta, Residue, nước thải, khí thải bằng bao nhiêu? Nhấn Run để tháp hội tụ Nhập Side Strippers và Pump Arounds Side Strippers (Thiết bị bay hơi cạnh sườn) được thêm vào bên cạnh tháp nhằm cải thiện chất lượng của ba sản phẩm chính: Kerosene, Diesel, AGO. Có hai loại thiết bị Stripped có sẵn trong Hysys: Reboiled và Steam Stripped. Cài đặt một Reboiler để bốc hơi cạnh sườn và hai thiết bị Steam Stripped. Pump Arounds (bơm tuần hoàn) giúp cải thiện khả năng phân tách của tháp. Dòng lỏng từ một đĩa được làm lạnh và bơm vào đĩa cao hơn. Trên thực tế, quá trình này là sự hồi lưu giữa hai đĩa. Vào Side Ops tab, chọn Side Strippers; bấm Add và nhập các thông tin như hình vẽ sau: Khi nhập tên dòng, không cần nhập “@COL1” vì HYSYS sẽ tự động thêm vào. Bấm Install. Các thông số chi tiết của Side Stripper sẽ xuất hiện. Đóng giao diện lại. Tiếp tục với Side Ops tab, chọn Pump Around và nhấn Add. Nhập dữ liệu như hình vẽ: Bấm Install. Trong trang tiếp theo, trước hết bấm phím Change và nhập dữ liệu như hình vẽ (nếu sử dụng hệ đơn vị Anh giá trị lưu lượng dòng sẽ là 30,000 BPD): Đóng Parameter Tab lại và tiếp tục bấm phím Change lần thứ 2 và nhập dữ liệu như hình vẽ (nếu sử dụng hệ đơn vị Anh giá trị Duty sẽ là -3.5e7 BTU/hr): Đóng Parameter Tab lại. Khi tất cả các dữ liệu đã được nhập, sẽ hiển thị giao diện như sau: Đóng cửa sổ này lại. Pump Around đã được cài đặt và xác định. Trong Work Sheet tab, nhập các thông tin sau đây cho dòng AGO Steam: In this Cell… Enter… Nhớ rằng thành phần dòng hơi nước luôn luôn là 100% nước Temperature 150oC (300oF) Pressure 350 kPa (50 psia) Mass Flow 1150 kg/hr (2500lb/hr) Sau khi làm thay đổi thực chất cho thiết kế tháp (column’s design) cần phải reset các giá trị này trước khi cho tháp hội tụ bằng cáh bấm phím Reset Trở lại Design tab và Monitor page. Chắc chắn rằng giá trị Degrees of Freedom là 0. Sau đó nhấn Run để hội tụ tháp. SAVE YOUR CASE! Nhập các thiết bị cạnh sườn cho Diesel Các bước dùng để cài đặt AGO Side-Ops được lặp lại tương tự để cài đặt Diesel Side-Ops. Trong Side Ops tab, chọn Side Stripper và bấm phím Add . Nhập các thông số sau: In this cell… Enter… Name Diesel SS Draw Stage 17 Return Stage 16 Prod Stream Diesel Prod Prod Rate 130 m3/hr (19250 BPD) Configuration Stream Stripped Steam Feed Diesel Steam Trong Side Ops tab, chọn Pump Around, nhấn Add và nhập các thông số sau: In this cell… Enter… Name Diesel PA Draw Stage 17 Return Stage 16 Flow Rate 200 m3/hr (30000 BPD) Duty -3.7e7 kJ/hr (-3.5e7 BTU/hr) Trong Work Sheet tab, nhập các thông số cho Diesel Steam: In this cell… Enter… Temperature 150oC (300oF) Pressure 350 kPa (50 psia) Mass Flow 1350 kg/hr (3000lb/hr) Trở lại Design tab và Monitor page. Hãy chắc chắn rằng giá trị Degrees of Freedom là 0. Bấm phím Run để hội tụ tháp Nhập các thiết bị cạnh sườn cho Kerosene Các bước tiến hành tương tự với phân đoạn Kerosene Nhập Side Stripper với các thông số sau: In this cell… Enter… Name Kerosene SS Draw Stage 9 Return Stream 8 Prod Stream Kerosene Prod Prod Rate 62 m3/hr (9300 BPD) Configuration Reboiled Boil Up Ratio 0.75 Boilup Ratio là tỷ lệ giữa hơi và lỏng ra khỏi reboiler. Add Pump Around thứ ba với các thông tin sau: In this cell… Enter… Name Kerosene PA Draw Stage 2 Return Stage 1 Flow Rate 330m3/hr (50000 BPD) Duty -5.8e7 kJ/hr (-5.5e7 BTU/hr) Trở lại Design tab và Monitor page. Chắc chắn rằng giá trị Degrees of Freedom là 0. Bấm phím Run để hội tụ tháp Lưu lượng dòng Naphtha bây giờ là bao nhiêu? Lưu lượng dòng Residue bây giờ là baonhiêu? SAVE YOUR CASE! Nhập dòng năng lượng cho tháp chưng khí quyển Trong mô hình tháp, các dòng lỏng được hồi lưu cạnh sườn nhưng lại không được đun nóng ở đáy tháp. Để khắc phục, một thiết bị trao đổi cạnh sườn được mô phỏng ở đĩa 28 được gắn một dòng năng lượng ở đáy tháp với các thông số được chỉ định. Trong PFD, tạo một dòng năng lượng có tên Trim Duty. Không nhập thông số cho dòng này. Vào Column Property View, mở Connections page trong Design tab. Trong Feed Streams group, add dòng Trim Duty vào đĩa thứ 28. Dòng năng lượng thêm vào không có đầy đủ các thông số chỉ định. Vì vậy cần phải thêm một giá trị khác vào tháp để xác định nó. Tới trang Specs page, trong Column Specification group nhấn Add Chọn Column Liquid Flow từ danh sách, và bấm phím Add Spec. Nhập dữ liệu như hình sau (nếu sử dụng đơn vị Anh thì giá trị sẽ là 3500 BPD) và để ở chế độ Active các tham số: Giá trị Net Liquid Flow được sử dụng để biểu diễn sự thừa hơi (overflash). Lưu lượng overflash thường 3-5 LV% của lưu lượng dòng dầu thô: (660m3/hr*3.5%=23m3/hr) Thay đổi giá trị chỉ định Kerosene SS BoilUp Ratio thành Estimate. Giá trị này có thể sẽ mâu thuẩn với một trong số các giá trị vừa thiết lập. Tuy nhiên chunga tra sẽ có các để xác định dòng Kerosen SS Reboiler. Giá trị Duty sẽ được sử dụng cho mục đích này. Nhập giá trị Column Duty với các thông tin như hình sau (7.5e6BTU/hr) ở chế độ Active: Trở lại Monitor page và chắc chắn rằng giá trị Degrees of Freedom là 0. Bấm phím Run để hội tụ tháp. SAVE YOUR CASE! Khám phá với Mô phỏng Maximizing theo sản phẩm Naphtha Tháp đã được tính toán dựa trên các thông số lưu lượng dòng sản phẩm. Các giá trị này chứa trong Distribution Plot trong Oil Manager (nhớ lại bài tập trong trang 5 của Module này). Lưu lượng dòng cũng là cách dễ hiểu nhất và duy nhất để xác định tháp; tuy nhiên cũng là cách kém linh hoạt nhất khi thiết lập tháp. Ví dụ như nếu lưu lượng dòng dầu thô thay đổi đáng kể thì tháp có thể không hội tụ bởi vì không tính toán được cân bằng vật chất. Một ví dụ khác, đó là việc tối đa việc sản xuất một phân đoạn cụ thể, chẳng hạn Kerosene. Một các đơn giản là tăng lưu lượng dòng của Kerosene nhưng điều này gây ra một hệ quả tiêu cực là làm giảm bớt chất lượng sản phẩm. Vì vậy, một phương pháp khác để xác định các dòng có thể là tốt hơn trong trường hợp này. Các phổ biến nhất là sử dụng Cut Point Specifications để xác định các dòng sản phẩm. Trang Distribution Plot trong Oil Manager thể hiện các điểm cắt có dạng một đồ thị. Để tối đa lượng Kerosene thì phạm vi Cut Point được mở rộng ra đôi chút. Ví dụ, nếu muốn tối đa lượng Naphtha. Lưu lượng dòng Naphtha và Kerosene có liên quan đến nhau thì các giá trị điểm cắt sẽ được xác định với những điều kiện cụ thể. Trước khi tối đa hóa việc sản xuất các sản phẩm khác nhau, các thông số cơ bản cần được xác định. Sử dụng BP Curves Utility để hoàn thành bảng sau: Flow D86 CutPoint Temperatures, oC m3/hr (bbl/d) 5% 95% Naphtha 150 (24,000) Kerosene 62 (9,000) Diesel 130 (19,500) AGO 30 (5,000) Để tối đa hóa các sản phẩm, bạn cần phải nhập Cut Point specificatión thay thế các giá trị lưu lượng sản phẩm. SAVE YOUR CASE! Exercise 1 Maximize the Production of Full Range Naphtha To maximize the production of Naphtha, it is necessary to increase its 95 vol% cutpoint temperature. At the same time, the Kerosene’s 5 vol% cutpoint temperature will show a corresponding increase as the lighter Kerosene components are transferred into the Naphtha product (becoming the heavier Naphtha components). changing the flow rate specifications for both the Naphtha and Kerosene products to ASTM D86 95% vol% cutpoints, we can maximize the production of a full range Naphtha from the column. Product Specifications Flow M3/h (bbl/d) Naphtha 95% D86 Naphtha 190oC (375oF) Kerosene 95% D86 Kerosene 245oC(470oF) Diesel Flow 130m3/h (19500 bbl/d) AGO Flow 30m3/h (5000 bbl/d) Exercise 2 Maximize the Production of a Full Range Kerosene To maximize the production of Kerosene, its boiling point range has to be expanded. The ASTM D86 95 vol% cutpoint for Naphtha should be lowered to 162°C (325°F), the base case value, and the 95 vol% of Kerosene raised to 275°C (525°F). Change the Diesel product flowrate specification to an ASTM D86 95 vol% cutpoint specification of 330°C (625°F). Product Specifications Flow m3/h (bbl/d) Naphtha 95% D86 Naphtha 162oC (325oF) Kerosene 95% D86 Kerosene 275oC(525oF) Diesel 95% D86 Diesel 330oC (625oF) AGO Flow 30m3/h (5000bbl/d) Exercise 3 Maximize the Production of a Full Range Diesel The production of Diesel can be maximized in a similar manner to maximizing Kerosene. The ASTM D86 95 vol% for Naphtha is 162°C (325°F). The Kerosene ASTM D86 95 vol% is lowered to 220°C (430°F). The ASTM 95 vol% Diesel specification should be increased to 360°C (675°F). Since the AGO flowrate will have to change, its flowrate specification should be changed to an ASTM D86 95 vol% cutpoint specification of 415°C (780°F). Product Specifications Flow m3/h (bbl/d) Naphtha 95% D86 Naphtha 162oC (325oF) Kerosene 95% D86 Kerosene 220oC(430oF) Diesel 95% D86 Diesel 360oC(675oF) AGO 95% D86 AGO 415°C (780°F) 30m3/h (5000bbl/d)