BÁO CÁO ĐỀ ÁN MÔN HỌC QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC pptx

Để đáp ứng kịp thời khối lượng xăng tiêu thụ ngày càng lớn ,người ta đã đưa raphương pháp cracking xúc tác vào công nghiệp chế biến dầu mỏ,vì do quá trìnhchưng cất khí quyển, chưng cất c

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC HOÁ DẦU QUÁ TRÌNH CRACKING

XÚC TÁC

Mục lục

Lời mở đầu 4

CHƯƠNG I: Tổng quan lý thuyết 5

I.Giới thiệu chung về quá trình cracking xúc tác 5

I.1.Sơ lược về lịch sử phát triển của qúa trình cracking xúc tác[1,106] 5

I.2 Mục đích của quá trình cracking xúc tác.[1,106] 5

I.3.Vai trò của quá trình cracking xúc tác và các điều kiện công nghệ [1,107] 5

II.Bản chất hoá học của quá trình cracking xúc tác và cơ chế của phản ứng 6

II.1.Bản chất hoá học của quá trình cracking xúc tác [2,97] 6

II.2 Cơ chế phản ứng cracking xúc tác.[3,84] 6

CHƯƠNG II: Nguyên liệu và sản phẩm của qúa trình cracking xúc tác 10

I.Nguyên liệu dùng trong qúa trình cracking xúc tác.[1,124] 10

II.Đặc tính chi tiết dầu Bạch Hổ.[5,101] 11

III.Sản phẩm thu được từ qúa trình cracking xúc tác.[2,102] 12

III.1 Sản phẩm khí cracking xúc tác.[3,66] 13

III.2 Xăng cracking xúc tác.[2,104] 13

III.3 Sản phẩm gasoil nhẹ.[3,69] 13

III.4 Sản phẩm gasoil nặng.[2,105] 13

CHƯƠNG III : Các dây chuyền công nghệ cracking xúc tác 14

I Các dây chuyền công nghệ cracking xúc tác 14

I.1.Sơ lược về sự phát triển hệ thống cracking xúc tác [1,131] 14

I.2 Xu hướng phát triển của cracking xúc tác.[4,25] 14

II Phân tích lựa chọn công nghệ cracking xúc tác 15

III Sơ đồ công nghệ xúc tác lớp sôi(FCC) với thời gian tiếp xúc ngắn.[1,147] 16

I Tính lò phản ứng 18

I.1 Tính cân bằng vật chất 18

I.2 Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng 20

I.3 Tính đường kính lò phản ứng 25

I.4 Tính chiều cao của lò phản ứng 26

II Tính toán ống đứng 27

III Cyclon của lò phản ứng 28

Tài liệu tham khảo 30

Kết luận 31

Để đáp ứng kịp thời khối lượng xăng tiêu thụ ngày càng lớn ,người ta đã đưa raphương pháp cracking xúc tác vào công nghiệp chế biến dầu mỏ,vì do quá trìnhchưng cất khí quyển, chưng cất chân không hay cracking nhiệt, khối lượng xăng thuđược vẫn không đáp ứng kịp thời được nhu cầu của thị trường.

Để thoả mãn nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng Nghành công nghiệp chế biếndầu mỏ đã ra sức cải tiến, hoàn thiện quy trình công nghệ , đồng thời áp dụng nhữngphương pháp chế biến sâu trong dây chuyền sản xuất nhằm chuyển hoá dầu thô tớimức tối ưu thành nhiên liệu và những sản phẩm quan trọng khác Một trong nhữngphương pháp hiện đại được áp dụng rộng rãi trong các nhà máy chế biến dầu hiện nàytrên thế giới là quá trình cracking xúc tác

Với bản đồ án chuyên ngành thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng suất3.200.000 tấn/năm mà em được giao.Em hy vọng rằng mình sẽ bổ xung thêm đượckiến thức để góp phần nhỏ bé vào công cuộc đổi mới đất nước

Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Văn Hiếu đã tận tình giúp đỡ em trongthời gian qua để em có thể hoàn thành được bản đồ án này

CHƯƠNG I: Tổng quan lý thuyếtI.Giới thiệu chung về quá trình cracking xúc tác.

I.1.Sơ lược về lịch sử phát triển của qúa trình cracking xúc tác[1,106]

Qúa trình cracking xúc tác đã được nghiên cứu từ cuối thế kỷ XIX, nhưng mãiđến năm 1923, một kỹ sư người Pháp tên là Houdry mới đề nghị đưa qúa trình vào

áp dụng trong công nghiệp Đến năm 1936, nhà máy cracking xúc tác đầu tiên đượcxây dựng ở Mỹ, của công ty Houdry Process corporation Ban đầu còn tồn tại nhiềunhược điểm như là hoạt động gián đoạn và rất phức tạp cho vận hành, nhất là khichuyển giao giữa hai chu kỳ phản ứng và tái sinh xúc tác trong cùng một thiết bị.Chođến nay, sau hơn 60 năm phát triển, quá trình này ngày càng được cải tiến và hoànthiện, nhằm mục đích nhận nhiều xăng hơn với chất lượng xăng ngày càng cao từnguyên liệu có chất lượng ngày càng kém hơn (từ những phần cặn nặng hơn)

I.2 Mục đích của quá trình cracking xúc tác.[1,106]ụ8

Mục đích của quá trình cracking xúc tác là nhận các cấu tử có trị số octan caocho xăng ôtô hay xăng máy bay từ nguyên liệu là phần cất nặng hơn, chủ yếu là phầncất nặng hơn từ các quá trình chưng cất trực tiếp AD (Atmotpheric Distillation) và

VD (Vacuum Distillation) của dầu thô Đồng thời ngoài mục đích nhận xăng người tacòn nhận được cả nguyên liệu có chất lượng cao cho công nghệ tổng hợp hoá dầu vàhoá học Ngoài ra còn thu thêm một số sản phẩm phụ khác như gasoil nhẹ , gasoilnặng, khí chủ yếu là các phần tử có nhánh đó là các cấu tử quý cho tổng hợp hoá dầu

I.3.Vai trò của quá trình cracking xúc tác và các điều kiện công nghệ [1,107]

Quá trình cracking xúc tác là quá trình không thể thiếu được trong bất kỳ mộtnhà máy chế biến dầu nào trên thế giới, vì quá trình này là một trong các quá trìnhchính sản xuất xăng có trị số octan cao Xăng thu được từ qúa trình này được dùng đểphối trộn với các loại xăng khác để tạo ra các mác xăng khác nhau Khối lượng xăngthu từ quá trình chiếm tỷ lệ rất lớn khoảng 70-80% so với tổng lượng xăng thu từ cácquá trình chế biến khác

Lượng dầu mỏ được chế biến bằng cracking xúc tác chiếm tương đối lớn.Ví dụvào năm 1965, lượng dầu mỏ thế giới chế biến được 1.500 tấn/ngày thì trong đócracking xúc tác chiếm 800 tấn ( tương ứng 53%)

Quá trình cracking xúc tác được tiến hành ở điều kiện công nghệ là :

áp suất trong vùng lắng của lò phản ứng : 0,27 Mpa

Tốc độ không gian thể tích : 1 – 120 m3/m3 h

(tùy thuộc vào dây truyền công nghệ)

Tỷ lệ xúc tác/nguyên liệu : 4 – 9/1

Bội số tuần hoàn nguyên liệu : Có thể cần hoặc không tuỳ thuộc mức độ biếnđổi:

Nếu mức độ biến đổi thấp hơn 60% lượng tuần hoàn có thể tối đa là 30%

Khi mức độ chuyển hoá cao trên 70% thì phải giảm lượng tuần hoàn thậm chíkhông cần tuần hoàn

Xúc tác cho quá trình cracking thường dùng là xúc tác zeolit mang tính axít Sản phẩm của quá trình là một hỗn hợp phức tạp của hydrocacbon các loạikhác nhau , chủ yếu là hydrocacbon có số cacbon từ 3 trở lên, với cấu trúc nhánh

II.Bản chất hoá học của quá trình cracking xúc tác và cơ chế của phản ứng II.1.Bản chất hoá học của quá trình cracking xúc tác [2,97]

Cracking là quá trình bẻ gẫy mạch cacbon – cacbon (của hydrocacbon) củanhững phân tử có kích thước lớn ( có trọng lượng phân tử lớn) thành những phân tử

có kích thước nhỏ hơn( có trọng lượng phân tử nhỏ hơn ).Trong công nghệ dầu mỏ,quá trình này được ứng dụng để biến đổi các phân đoạn nặng thành các sản phẩmnhẹ, tương ứng với khoảng sôi của các sản phẩm trắng như xăng, kerosen,diezen.Quá trình này có thể thực hiện dưới tác dụng của nhiệt độ (cracking nhiệt) vàxúc tác( cracking xúc tác)

II.2 Cơ chế phản ứng cracking xúc tác.[3,84]

Hiện nay vẫn chưa có sự nhất trí hoàn toàn trong việc giải thích bản chất, cơ chếcủa các phản ứng cracking xúc tác nên còn nhiều ý kiến trong việc giải thích cơ chếxúc tác trong quá trình cracking Tuy vậy, phổ biến nhất vẫn là cách giải thích cácphản ứng theo cơ chế ion cacboni Cơ sở của lý thuyết này dựa vào các tâm hoạt tính

là các ion cacboni Chúng được tạo ra khi các phân tử hydrocacbon của nguyên liệutác dụng với tâm hoạt tính acid của xúc tác loại Bronsted (H+) hay Lewis (L)

Theo cơ chế này các phản ứng cracking xúc tác diễn ra theo ba giai đoạn sau:Giai đoạn 1 : Giai đoạn tạo ion cacboni

Giai đoạn 2 : Các phản ứng của ion cacboni (giai đoạn biến đổi ion cacboni tạothành các sản phẩm trung gian )

Giai đoạn 3 : Giai đoạn dừng phản ứng

II.2.1.Giai đoạn tạo thành ion cacboni.

Ion cacboni tạo ra do sự tác dụng của olefin, hydrocacbon parafin, hydrocacbonnaphten , hydrocacbon thơm với tâm axít của xúc tác

 Từ olefin

Ion cacboni tạo ra do sự tác dụng của olefin với tâm axít Bronsted của xúc tác

+ H+(xt) R1 CH C R+ 2 + (xt)H

Al O SiO

Ohoặc là

CnH2n + H+ CnH2n+1

Trong nguyên liệu ban đầu thường không có hydrocacbon olefin, nhưng olefin

có thể tạo ra do sự phân huỷ các hydrocacbon parafin có phân tử lượng lớn Cácolefin tạo thành đó lập tức tác dụng với tâm axit rồi tạo ra ion cacboni

Ion cacboni tạo thành trong các phản ứng tuân theo quy tắc nhất định Như khiolefin tác dụng với H+(xt) thì xác suất tạo alkyl bậc hai lớn hơn alkyl bậc một

RH + R+ H Al O Si

OO

+

Al O Si

OOhoặc là:

II.2.2 Giai đoạn biến đổi ion cacboni.[3,86]

Giai đoạn biến đổi ion cacboni tạo thành sản phẩm trung gian Ion cacboni cóthể biến đổi theo các phản ứng sau:

+

Độ ổn định ion cacboni theo bậc giảm dần như sau :

C3+bậc 3 > C3+ bậc 2 > > C3+ bậc 1

Độ bền của ion cacboni sẽ quyết định mức độ tham gia các phản ứng tiếp theocủa chúng Vì các ion cacboni bậc 3 có độ bền cao nhất nên sẽ cho phép nhận hiệusuất cao các hợp chất iso- parafin

Đồng thời các ion cacboni nhanh chóng lại tác dụng với các phân tử trung hoàolefin ( CmH2m ) hay parafin (CmH2m +2) tạo thành các ion cacboni mới

Phản ứng cracking : các ion cacboni có số nguyên tử cacbon lớn xảy ra sự phânhuỷ và đứt mạch ở vị trí so với nguyên tử cacbon tích điện Sản phẩm phân huỷ làmột phân tử hydrocacbon trung hoà và ion cacboni mới có số nguyên tử cacbon nhỏhơn

R C C C C C C+

CC

C

C C+

C

CH C++

C

C CC

+

H

Như vậy trong hydrocacbon thơm hiệu ứng tích điện ở nhân thơm là nguyênnhân quan trọng hơn so với nguyên nhân là sự biến đổi ion cacboni bậc hai thành bậcba.

Các ion cacboni là đồng đẳng của benzen, mạch bên càng dài thì tốc độ đứtmạch xảy ra càng lớn và càng dễ Ion cacboni izo-butyl benzen có tốc độ đứt mạchlớn hơn 10 lần so với izo-propyl benzen

Các nhóm metyl, etyl khó bị đứt ra khỏi nhân hydrocacbon thơm (vì nănglượng liên kết lớn) và do đó khó tạo được CH3 và C2H5 Điều này giải thích được tạisao xăng cracking xúc tác hàm lượng hydrocacbon thơm có mạch bên ngắn rất lớn vàgiải thích được tại sao trong khí của quá trình cracking xúc tác có hàm lượng lớn cáchydrocacbon có cấu trúc nhánh

II.2.3 Giai đoạn dừng phản ứng.[3,87]

Giai đoạn này xảy ra khi các ion cacboni kết hợp với nhau, hoặc chúngnhường hay nhận nguyên tử hydro của xúc tác để tạo thành các phân tử trung hoà

CH ƯƠ NG II : Nguyên li u và s n ph m c a qúa trình ệ ả ẩ ủ

cracking xúc tácI.Nguyên li u dùng trong qúa trình cracking xúc tác.[1,124] ệ

Theo lý thuyết thì bất kỳ phân đoạn chưng cất nào của dầu mỏ có điểm sôi lớnhơn xăng đều có thể dùng làm nguyên liệu cho qúa trình cracking xúc tác Nhưnggiới hạn việc sử dụng các phân đoạn chưng cất dầu mỏ vào làm nguyên liệu chocracking xúc tác có một tầm quan trọng rất lớn Nếu lựa chọn nguyên liệu khôngthích hợp sẽ không đưa đến hiệu quả kinh tế cao hoặc sẽ ảnh hưởng đến độ hoạt tínhcủa xúc tác

Ngày nay người ta thường dùng các phân đoạn nặng thu được từ quá trìnhcracking nhiệt,cốc hoá chậm,các phân đoạn dầu nhờn trong chưng cất chân không vàdầu mazút đã tách nhựa làm nguyên liệu cho cracking xúc tác.Để tránh hiện tượngtạo cốc nhiều trong quá trình cracking xúc tác cũng như tránh nhiễm độc xúc tác,nguyên liệu cần phải được tinh chế sơ bộ trước khi đưa vào chế biến

Ta có thể dùng các phân đoạn sau làm nguyên liệu cho cracking xúc tác:

 Phân đoạn kerosen –xola của quá trình chưng cất trực tiếp

 Phân đoạn xôla có nhiệt độ sôi 3000C – 5500C của quá trình chưng cất chânkhông mazút

 Phân đoạn gasoil của quá trình chế biến thứ cấp khác

 Phân đoạn gasoil nặng có nhiệt độ sôi 3000C – 5500C

III.S n ph m thu đ ả ẩ ượ ừ c t qúa trình cracking xúc tác.[2,102]

Hiệu suất và đặc tính của các sản phẩm trong cracking xúc tác phụ thuộc vàobản chất nguyên liệu, chất lượng xúc tác và chế độ công nghệ Sản phẩm chính củaquá trình là xăng, ngoài ra còn thu thêm một số sản phẩm phụ như khí, gasoil nặng,gasoil nhẹ

III.1 Sản phẩm khí cracking xúc tác.[3,66]

Hiệu suất khí cracking xúc tác chiếm khoảng 10 - 25% lượng nguyên liệu đemcracking.Nó có thể giao động phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu đem cracking

Hiệu suất này nhiều hay ít phụ thuộc vào điều kiện cracking.Nếu cracking xúc tác ởđiều kiện cứng ( nhiệt độ cao, tốc độ nạp liệu nhỏ, bội số tuần hoàn lớn) thì hiệu suấtkhí sẽ lớn,còn nếu cracking ở điều kiện mềm thì hiệu suất khí sẽ ít.

Thành phần của khí cracking phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu, vào bảnchất của xúc tác Nếu nguyên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao thì khí cracking xúctác chứa nhiều H2S

III.2 Xăng cracking xúc tác.[2,104]

Đây là sản phẩm chính của quá trình cracking xúc tác, hiệu suất xăng thườngdao động trong khoảng từ 30 -35% lượng nguyên liệu đem vào cracking Hiệu suất vàchất lượng xăng phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu, xúc tác, chế độ công nghệ

 Nếu nguyên liệu có nhiều naphten thì xăng thu được có chất lượng cao

 Nếu nguyên liệu có nhiều parafin thì xăng thu được có trị số octan thấp

Nếu nguyên liệu có nhiều lưu huỳnh thì trong xăng thu được cũng có nhiều lưuhuỳnh (thường chiếm 15% tổng lượng lưu huỳnh có trong nguyên liệu

Sản phẩm gasoil nặng là phần cặn còn lại của quá trình cracking xúc tác, có Ts

trên 3500C, d420 = 0,890 – 0,990 Sản phẩm này chứa một lượng lớn tạp chất cơ học Hàm lượng lưu huỳnh cao hơn trong nguyên liệu ban đầu khoảng 1,5 lần Nó được sửdụng làm nguyên liệu cho cracking nhiệt và cốc hoá, hoặc làm nguyên liệu đốt lò,

CHƯƠNG III : Các dây chuyền công nghệ cracking xúc tác

I Các dây chuyền công nghệ cracking xúc tác.

I.1.Sơ lược về sự phát triển hệ thống cracking xúc tác [1,131]

Năm 1936, dây chuyền cracking xúc tác đầu tiên được đưa vào công nghiệp chếbiến dầu, hoạt động theo phương thức gián đoạn với lớp xúc tác cố định do kỹ sưngười pháp Houdry thiết kế

Năm 1941, xuất hiện quá trình cracking với lớp xúc tác chuyển động thay thếcho quá trình Houdry.Dây chuyền cracking xúc tác loại này ở Nga có tên là loại 43 -1

và 43 -102, còn ở các nước khác có tên là TCC.Các dây truyền càng về sau càng liêntục được cải tiến so với các dây chuyền ban đầu ở khâu vận chuyển xúc tác

Năm 1942 dây chuyền cracking xúc tác lớp sôi FCC đầu tiên đã được đưa vàohoạt động với công suất 12.000 thùng nguyên liệu/ngày.Loại dây chuyền này có tên

là (Up Flow).Xúc tác được đưa ra từ đỉnh của lò phản ứng và tái sinh

Năm 1944 dây chuyền mang tên là Down Flow model II.Dây chuyền có thiết bịphản ứng và thiết bị tái sinh có đường kính lớn hơn trước và quá trình tách hơi sảnphẩm được thực hiện ngay trong thiết bị phản ứng, tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi vàquá trình thổi cũng ngày càng được cải tiến để cho xúc tác chuyển động từ phía dưới

và lấy ra ngoài ở đáy thiết bị và ở đây người ta cũng cải tiến cả hình dạng của xúctác

Năm 1947, hãng UOP đã thiết kế loại FCC trong đó thiết bị phản ứng và thiết bịtái sinh chồng lên nhau trên cùng một trục

Năm 1951, loại Orthor Flow đầu tiên của M.W Kellog xuất hiện Sau đó hãngStandard – oil đã thiết kế một loại FCC mới đó là cải tiến của model II và nó được ápdụng trong công nghiệp vào năm 1952

I.2 Xu hướng phát triển của cracking xúc tác.[4,25]

Kể từ khi ra đời cho đến nay, cracking xúc tác đã trải qua một thời kỳ dài gần 40năm cải tiến và hoàn thiện dần các quy trình công nghệ cũng như các loại xúc tác sửdụng từ thiết bị cracking xúc tác đầu tiên với lớp xúc tác tĩnh hoạt động không liêntục con người đã không ngừng cải tiến thành kiểu cracking xúc tác tầng sôi hoạt độngliên tục với chất xúc tác ở dạng hạt hoặc dạng bột ở trạng thái chuyển động Dần dầnngười ta thay thế các loại xúc tác ở dạng hạt thành dạng bột có độ lớn vào khoảng 20-100 micron và thu được hiệu suất cao, nâng giá trị kinh tế của một tấn dầu thô đưavào chế biến Ngày nay, cracking xúc tác lớp tầng sôi là một phương pháp hiện đạinhất và được áp dụng rộng dãi trên thế giới đặc biệt là ở Mỹ, tỷ lệ cracking xúc tác ởlớp tầng sôi chiếm vào khoảng 72% năm 1995 và 10 năm sau đã tăng lên tới 82% so

với toàn bộ cracking xúc tác, còn ở các nước phát triển khác ở Tây âu, tỷ lệ nàychiếm vào khoảng 79%.

Trong 10 năm gần đây, xu hướng vẫn tiếp tục xây dựng phân xưởng crackingxúc tác lớp sôi với công suất lớn từ 4,2 đến 5,2 triệu m3/năm Do công suất lớn nênvốn đầu tư cũng như chi phí sản xuất cho 1 m3 nguyên liệu đưa vào rẻ hơn

II Phân tích lựa chọn công nghệ cracking xúc tác.

Qua lịch sử phát triển của quá trình cracking xúc tác, đồng thời qua phân tíchđánh giá các yêu cầu khác như chế độ làm việc, nguyên liệu xúc tác ta thấy quátrình FCC có rất nhiều ưu điểm và thuận lợi, hệ thống này được sử dụng ngày càngphổ biến trong công nghiệp dầu mỏ, nó được các hãng công nghiệp hàng đầu tronglĩnh vực này như UOP, Kellogg, Shell, IFP, Exxon nghiên cứu để hoàn thiện hơnnhằm mục đich đạt năng suất hiệu quả cao nhất, sử dụng nguyên liệu nặng hơn, tiếtkiệm được xúc tác và phải là kinh tế nhất

Qua thực tế dùng hệ thống cracking xúc tác lớp sôi sử dụng xúc tác dạng bụi hay

vi cầu, người ta thấy nó có nhiều ưu điểm hơn hệ thống cracking xúc tác trong lớpxúc tác chuyển động Những ưu điểm đó là:

Các thiết bị chính của quá trình là thiết bị phản ứng và thiết bị tái sinh đều cócấu tạo rất đơn giản, so với các dạng thiết bị khác của quá trình cracking thực tếchúng là hình rỗng

Sự tuần hoàn xúc tác từ thiết bị phản ứng đến thiết bị tái sinh và ngược lại là nhờ

sự vận chuyển liên tục của hơi và khí trong một giới hạn rộng

Do sự khuấy trộn mạnh mẽ của xúc tác và hơi nguyên liệu dẫn đến sự đồngnhất về nhiệt độ trong toàn bộ thể tích lớp xúc tác ở thiết bị phản ứng cũng như thiết

bị tái sinh, khắc phục được hiện tượng quá nhiệt cục bộ

Hệ thống này có khả năng chế biến các dạng nguyên liệu khác nhau, như từnguyên liệu là phân đoạn kerosen đến nguyên liệu nặng là mazut, làm tăng tính vạnnăng của hệ thống

Hệ thống này có công suất làm việc lớn và có thời gian tiếp xúc ngắn (thời giantiếp xúc giữa nguyên liệu và xúc tác là cực tiểu) dẫn đến việc đạt được hiệu suất xăngcực đại và olefin nhẹ không xảy ra phản ứng ngưng tụ bậc hai mà đã tạo xăng ứngdụng phương pháp tái sinh (cháy hoàn toàn CO trong thiết bị tái sinh) dẫn đến đạthàm lượng cất cặn rất thấp trong xúc tác

Với những ưu điểm nổ bật đó nên ta chọn sơ đồ công nghệ xúc tác lớp sôi FCCvới thời gian tiếp xúc ngắn cho quá trình cracking xúc tác

III S đ công ngh xúc tác l p sôi(FCC) v i th i gian ti p xúc ng n ơ ồ ệ ớ ớ ờ ế ắ