Mô phỏng và thiết kế phân xưởng alkyl hoá với năng suất 12000 kg/h

Mô phỏng và thiết kế phân xưởng alkyl hoá với năng suất 12000 kg/h. MỞ ĐẦUDầu mỏ là một nguồn tài nguyên quí giá mà từ lâu con người đã được biết đến. Tuy nhiên mãi đến đầu thế kỷ 20, khi nền khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ cộng với nhu cầu năng lượng đang là vấn đề lớn thì dầu mỏ mới được đánh giá, sử dụng đúng tầm quan trọng của nó. Nó trở thành một nguồn nguyên liệu chủ yếu trong rất nhiều ngành công nghiệp hoá học, năng lượng và trong hầu hết các lĩnh vực hoạt động của nền kinh tế quốc dân.Trong nhiều sản phẩm từ dầu mỏ thì xăng động cơ là một sản phẩm không thể thiếu. Xăng động cơ là sản phẩm của nhiều nguồn phối trộn khác nhau đảm bảo các yêu cầu về chất lượng. Một trong các chỉ tiêu chất lượng quan trọng của xăng động cơ là trị số octan.Việc nâng cao trị số octan có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp: phương pháp hoá học, phương pháp dùng phụ gia hay pha vào các cấu tử có trị số octan cao. Phương pháp hoá học là bằng cách biến đổi cấu trúc nguồn nguyên liệu để tạo ra xăng có trị số octan cao. Trong các phương pháp hoá học thì xăng alkylat của quá trình alkyl hoá có ưu điểm nổi bậc là chỉ số octan cao, độ nhạy thấp, độ sạch cao, đáp ứng chỉ tiêu chất lượng của xăng thương phẩm cũng như các vấn đề ô nhiễm môi trường và sức khoẻ con người.Trong đồ án này em mô phỏng và thiết kế phân xưởng alkyl hoá với năng suất 12000 kgh.

MỞ ĐẦU

Dầu mỏ là một nguồn tài nguyên quí giá mà từ lâu con người đã được biết đến.Tuy nhiên mãi đến đầu thế kỷ 20, khi nền khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ cộng vớinhu cầu năng lượng đang là vấn đề lớn thì dầu mỏ mới được đánh giá, sử dụng đúng tầmquan trọng của nó Nó trở thành một nguồn nguyên liệu chủ yếu trong rất nhiều ngànhcông nghiệp hoá học, năng lượng và trong hầu hết các lĩnh vực hoạt động của nền kinh tếquốc dân

Trong nhiều sản phẩm từ dầu mỏ thì xăng động cơ là một sản phẩm không thểthiếu Xăng động cơ là sản phẩm của nhiều nguồn phối trộn khác nhau đảm bảo các yêucầu về chất lượng Một trong các chỉ tiêu chất lượng quan trọng của xăng động cơ là trị sốoctan

Việc nâng cao trị số octan có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp: phương pháphoá học, phương pháp dùng phụ gia hay pha vào các cấu tử có trị số octan cao Phươngpháp hoá học là bằng cách biến đổi cấu trúc nguồn nguyên liệu để tạo ra xăng có trị sốoctan cao Trong các phương pháp hoá học thì xăng alkylat của quá trình alkyl hoá có ưuđiểm nổi bậc là chỉ số octan cao, độ nhạy thấp, độ sạch cao, đáp ứng chỉ tiêu chất lượngcủa xăng thương phẩm cũng như các vấn đề ô nhiễm môi trường và sức khoẻ con người

Trong đồ án này em mô phỏng và thiết kế phân xưởng alkyl hoá với năng suất

12000 kg/h

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ALKYL HOÁ

TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU1.1. Giới thiệu chung về quá trình alkyl hóa [1]

Alkyl hoá là quá trình đưa các nhóm alkyl vào phân tử các hợp chất hữu cơ hoặc

Sử dụng quá trình alkyl hoá đã sản suất được một số sản phẩm với quy mô lớn Ở

Mỹ hàng năm người ta sản suất khoản 4 triệu tấn etyl benzen, 1,6 triệu tấn iso propylbenzen, 0,4 triệu tấn alkyl benzen, hơn 4 triệu tấn glycol và các sản phẩm chế biếnalkylenoxit, khoảng 30 triệu tấn alkylat, khoảng 1 triệu tấn ter-butyl este …

1.1.1 Phân loại các phản ứng alkyl hoá

Có nhiều cách phân loại các phản ứng alkyl hoá, trong đó sự phân loại hợp lý nhất

là dựa trên liên kết được hình thành

+ Alkyl hoá theo nguyên tử cacbon (C-alkyl hoá): là quá trình thế nguyên tửhydro nối với cacbon bằng các nhóm alkyl Các parafin có khả năng tham gia phản ứng,nhưng đặc trưng nhất vẫn là alkyl hoá các vòng thơm (phản ứng Fridel- Craffs):

CnH2n+2 + CmH2m  Cn+mH2(m+n+1)

ArH +RCl  ArR +HCl+ Alkyl hoá theo nguyên tử oxy và lưu huỳnh (O-alkyl hoá, S-alkyl hoá): làcác phản ứng dẫn đến tạo thành liên kết giữa nhóm alkyl và nguyên tử oxy hoặc lưuhuỳnh

ArOH +RCl NaOH   ArOR + HCl + Alkyl hoá theo nguyên tử nitơ (N-alkyl hoá ): là sự thế các nguyên tửhydro trong NH3 hoặc amin bằng các nhóm alkyl Đây chính là một trong những phươngpháp quan trọng nhất để tổng hợp các amin:

ROH + NH3  RNH2 + H2O+ Alkyl hoá theo các nguyên tử khác (Si, Pb, Al-alkyl hoá): là con đườngquan trọng để tổng hợp các hợp chất cơ - nguyên tử hoặc cơ - kim:

2RCl + Si  Cu R2SiCl2

4C2H5Cl + 4PbNa  Pb(C2H5)4 + 4NaCl + 3Pb

Khi đưa nhóm phenyl hay là nhóm aryl nói chung thì sẽ hình thành liên kết

trực tiếp với nguyên tử cacbon của vòng thơm (aryl hoá):

C6H5Cl + NH3  C6H5NH2 + HCl Việc đưa nhóm vinyl (vinyl hoá) có một vị trí đặc biệt quan trọng trong tổng hợphữu cơ và được thực hiện chủ yếu bằng tác nhân C2H2:

ROH + CHCH   HO ROCH=CH2

Các nhóm alkyl còn có thể chứa những nhóm thế khác nhau như nguyên tử Clo,

HO-, COO

-1.1.2 Các tác nhân alkyl hoá

Các tác nhân alkyl hoá có thể chia làm 3 nhóm chính sau:

 Các hợp chất không no (olefin và axetylen) trong đó sẽ phá vỡ các liên kết của các nguyên tử cacbon Các olefin được dùng như etylen, propylen,butylen, pentylen để alkyl hoá các isoparafin thành các isoparafin mới phânnhánh hơn Còn axetylen được dùng trong quá trình vinyl hoá

 Dẫn xuất clo với các nguyên tử clo linh động có khả năng thế dưới ảnhhưởng của các tác nhân khác nhau Các tác nhân này dùng trong quá trìnhO-alkyl hoá, S-alkyl hoá

 Rượu, ete, este là các tác nhân mà trong quá trình alkyl hoá liên kếtcacbon và oxy sẽ bị phá vỡ

Olefin là tác nhân alkyl hoá đặc biệt quan trọng Do các olefin có giá thành khá rẽnên người ta cố gắng sử dụng chúng trong mọi trường hợp có thể Các chất này chủ yếuđược sử dụng để C-alkyl hoá các parafin và các hợp chất thơm Alkyl hoá bằng olefintrong phần lớn các trường hợp xảy ra theo cơ chế ion qua giai đoạn trung gian hình thànhcác carbocation và được xúc tác bởi các axit proton hoặc phi proton:

RCH=CH2 + H+  RC+H-CH3

Sự tăng chiều dài mạch cũng như độ phân nhánh của hydrocacbon olefin sẽ dẫndến tăng khả năng phản ứng của nó trong quá trình alkyl hoá :

CH2=CH2 < CH3-CH=CH2 < CH3-CH2-CH=CH2 < (CH3)2C=CH2

Các dẫn xuất Clo được xem là các tác nhân alkyl hoá tương đối phổ biến và thôngdụng trong các trường hợp C-alkyl hoá, O-alkyl hoá, S-alkyl hoá và N-alkyl hoá và đểtổng hợp phần lớn các hợp chất cơ-kim và cơ-nguyên tố Việc sử dụng các dẫn xuất clocòn đêm lại hiệu quả kinh tế trong các quá trình mà trong đó không thể sử dụng olefinhoặc sử dụng olefin sẽ có giá thành cao hơn

1.2 Giới thiệu quá trình alkyl hoá trong nhà máy lọc dầu

1.2.1 Mục đích quá trình

Ngày nay, do những ràng buộc về ô nhiễm môi trường, xăng pha chì bị cấm sửdụng Đồng thời hàm lượng những cấu tử độc hại trong xăng cũng được hạn chế

Hàm lượng benzen < 1% vol

Hàm lượng aromatic < 25% vol [2]

Hàm lượng olefin <10% vol

Do vậy để đảm bảo tiêu chuẩn chỉ số octan của xăng phải có một nguồn nguyênliệu phối trộn thay thế có chỉ số octan cao Nguồn nguyên lệu đó chính là sản phẩm củaquá trình alkyl hóa Xăng alkylat có thành phần chủ yếu là các isoparafin có chỉ số octancao, hàm lượng aromatic và olefin rất thấp Nó rất phù hợp với các tiêu chuẩn của xăngthương phẩm

1.2.2 Alkyl hóa i-parafin bằng olefin

Trong công nghiệp lọc dầu dùng quá trình alkyl hóa i-parafin bằng olefin

Phản ứng xảy ra như sau:

thụ axit khi dùng tác nhân là buten cũng thấp hơn các olefin khác [2]

Propen là nguồn nguyên liệu có giá trị cho các quá trình khác trong công nghiệphóa dầu (sản xuất polypropylen) Do vậy nó ít được dùng làm nguyên liệu cho alkyl hóa

Đây là phản ứng cân bằng, toả nhiệt và có sự giảm số lượng phân tử các chất thamgia phản ứng Vì vậy quá trình xảy ra thuận lợi khi giảm nhiệt độ phản ứng, tăng nồng độcác chất tham gia phản ứng và tăng áp suất của quá trình.

Xúc tác được sử dụng cho quá trình là những axit mạnh như H2SO4, HF và hiệnnay đang tiến hành nghiên cứu xúc tác rắn dạng zeolit

C C

C +

C+ C C

C+ C C

C C

C

C C

C

Khi có mặt xúc tác H2SO4 thì hầu hết buten-1 sẽ tiến hành isomer hoá trước tạothành buten-2 trước khi phản ứng với C4 Còn với xúc tác HF thì phản ứng này xảy rakhông hoàn toàn

 Trao đổi proton:

C

C+C

1.2.2.2 Cơ chế tạo dầu hòa tan [2]

Các phản ứng tạo dầu hòa tan có sự tham gia của hợp chất olefin còn isobutankhông tham gia:

Nguyên liệu lấy từ sản phẩm của quá trình FCC

Nguồn nguyên liệu giàu olefin thu được chủ yếu từ quá trình FCC Ba phân đoạngiàu olefin chính:

 Phân đoạn C4:

Bảng 1.1 Thành phần phân đoạn C4 của quá trình FCC

đoạn C4 giàu isobuten là nguyên liệu cho sản xuất MTBE

Bảng 1.2 Thành phần của phân đoạn C4 từ FCC sau khi đã qua xưởng ete hóa

Các nhà máy lọc dầu có xu hướng loại bỏ các hợp chất thấp phân tử ra khỏi xăng,đặc biệt là các olefin amylen Dùng olefin này phối trộn với phân đoạn C4 của FCC để trởthành nguyên liệu cho xưởng alkyl hóa với hàm lượng amylene là 5÷15% m.

1.3.1.1 Các nguồn nguyên liệu khác

Đối với i-butan ngoài các nguồn trên ta có thể thu được từ quá trình đồng phân hoá(isome hoá) Quá trình đồng phân thực hiện sự chuyển hoá các n-parafin thành cácisoparafin nói chung và n-butan thành i-butan nói riêng dùng làm nguyên liệu cho quátrình alkyl hoá

1.3.2 Sản phẩm của quá trình [2]

Sản phẩm chính của quá trình là alkylat có RON cao, là cấu tử tốt để pha trộnxăng Thành phần của alkylat tuỳ thuộc vào thành phần khí trong nguyên liệu đem sửdụng

Bảng 1.4 Thành phần alkylat theo nguyên liệu olefin

có :

Bảng 1.5 Thành phần alkylat khi alkyl hóa isobutan bằng buten

Ta thấy sản phẩm chủ yếu là i-octan Tuy nhiên tuỳ vào nguồn olefin khác nhau màthành phần C8 thu được sẽ khác nhau:

i-pentani-hexani-heptani-octani-nonan

8.45.96.573.16.1

Bảng 1.6 Thành phần alkylat theo nguồn olefin

Buten-1 Buten-2 i-buten Hỗn hợp buten2,2,3-trimetylpentan

45.23.223.616.43.03.64.40.6

49.63.419.112.73.25.07.07.1

43.32.122.220.33.63.64.60.1Chất lượng alkylat thu từ các quá trình khác nhau, sử dụng xúc tác khác nhau cũngkhác

So sánh với các nguồn nhiên liệu khác:

Như vậy alkylat thu được có trị số octan khá cao (>90), do đó chúng là một nhiênliệu rất tốt để tạo xăng thượng phẩm đòi hỏi chỉ số octan cao mà không pha chì Mặc khácnhững tính chất khác như tỷ trọng, áp suất hơi và các hàm lượng aromatic và phần trămcặn không cháy, các điểm sôi đều phù hợp với các yêu cầu tương ứng của xăng thượngphẩm

Alkylat thu được từ quá trình alkyl hoá so với các phối liệu cơ bản tạo xăng từ cácquá trình khác như cracking xúc tác và reforming có các tính chất sau:

Bảng 1.7 So sánh tính chất xăng alkylat với các xăng khác

(bar) (%vol) (%vol)

Như vậy chỉ số octan của alkylat rất cao tương đương với xăng FCC và reformat

So với 2 nguồn phối liệu chính tạo xăng là xăng FCC và reformat thì độ nhạy của alkylatnhỏ hơn nên có khả năng chống kích nổ tốt hơn khi thay đổi điều kiện làm việc của độngcơ

Do đặc trưng của quá trình alkyl hoá nên sản phẩm alkylat thu được có hàm lượnghợp chất thơm aromatic rất bé (0.4% vol) điều này rất quan trọng vì ngày nay yêu cầucàng giảm hợp chất thơm trong xăng do vấn đề ô nhiễm môi trường Mặc khác so vớixăng FCC thì alkylat có hàm lượng olefin rất nhỏ ( 0.5% vol) do đó tính ổn định hoá họccủa alkylat rất cao điều này thuận lợi khi phải tồn chứa xăng trong điều kiện dễ bị oxy hoá

và trong thời gian lâu dài

1.4. Xúc tác quá trình alkyl hóa [2]

Phản ứng alkyl hóa có thể được thực hiện mà không cần xúc tác nhưng với điềukiên rất khắc nghiệt:

 Nhiệt độ ≈ 500oC

 Áp suất 200÷400 bar

Khi xử dụng xúc tác, điều kiện khắc nghiệt này được giảm đáng kể

Xúc tác được dùng phổ biến hiện nay là axit H2SO4 và axit HF Chúng có các ưuđiểm sau:

 Hiệu suất tạo sản phẩm i-parafin lớn

 Chất lượng sản phẩm cao

 Quá trình làm việc liên tục và xúc tác đã giảm hoạt tính có khảnăng tái sinh

1.4.1 Xúc tác H 2 SO 4

Để alkyl hoá i-butan bằng olefin, quá trình dùng axit được sử dụng rộng rãi với

H2SO4 94-98%m Ở nồng độ này thuận lợi cho cả quá trình alkyl hóa và đồng phân hóa,cho nhiều 2,2,4-trimetylpentan là cấu tử có trị số octan cao Nồng độ axit đậm đặc hơnkhông mong muốn vì tính oxi hoá mạnh của nó và tính chất này làm phức tạp thêm quátrình như dễ tạo nhựa, dễ tạo SO2, SO3 và H2S, làm giảm hiệu suất alkylat Khi nồng độaxit quá thấp, quá trình vận chuyển H+ bị khó khăn dẫn đến làm chậm tốc độ phản ứng

Alkyl hóa H2SO4 tiến hành ở nhiệt độ 2-10oC Dưới 2oC axit quá nhớt Trên 10oCthuận lợi cho sự hình thành alkylsunfat Đồng thời nhiệt độ cao cũng tạo thuận lợi cho quátrình hình thành dầu hòa tan

Trong quá trình alkyl hóa thì các sản phẩm nặng i-C12 hình thành tạo nên dầu hòatan trong axit làm giảm nồng độ axit Do vậy ta phải bổ sung liên tục lượng axit mới 98÷99,5% m và đồng thời lấy ra một lượng axit tương ứng

Quá trình alkyl hoá dùng xúc tác H2SO4 tiến hành ở nhiệt độ thấp Do đó việc lấynhiệt ra khỏi vùng phản ứng dễ dàng hơn Thông thường ta sử dụng một trong hai cáchsau để tải nhiệt:

 Sử dụng tác nhân lạnh như: metanol, NH3,

 Cho một phần isobutane bay hơi trong vùng phản ứng.

Axit H2SO4 sau khi sử dụng thường được tái sinh bằng phương pháp phân huỷ ởnhiệt độ cao

Nhược điểm của xúc tác H2SO4:

 Tiêu hao xúc tác lớn 40-100 kg axit/m3alkylat

 Axit H2SO4 có độ nhớt cao và isobutane hoà tan rất ít trong nónên công dùng cho khuấy trộn của quá trình lớn và đòi hỏithời gian lưu lớn hơn so với quá trình dùng xúc tác HF

 Phản ứng tiến hành ở nhiệt độ thấp nên vấn đề làm lạnh khókhăn hơn quá trình dùng axit HF

 Năng suất thiết bị bé hơn: 0.15÷0.44 m3 alkylat/m3 thiết bị

 Tỷ lệ i-butan/olefin trong qúa trình lớn 5÷15 nên chi phí choviệc tái sinh i-butan lớn

 Axit H2SO4 khó tái sinh vì nó dễ lẫn tạp chất

1.4.2 Xúc tác HF

Để xúc tác cho quá trình alkyl hoá, người ta thường dùng xúc tác HF với nồng độ ≥87% Do sự có mặt của các sản phẩm nặng do bị polyme hoá và nước mà axit HF bị giảmnồng độ trong quá trình alkyl hóa Độ hoạt tính tốt nhất đạt được khi trong xúc tác chứalượng nhỏ hơn 1.5% H2O và 12% hydrocacbon hoà tan Khi nồng độ HF <87% nó đượcđưa đi tái sinh Quá trình alkyl hoá sử dụng xúc tác HF hoạt động ở nhiệt độ 10-45oC Do

đó ta có thể sử dụng nước để làm nguội thiết bị phản ứng Axit sau khi lắng được đưa quatháp tách tách hydrocacbon và HF

 Ưu điểm của xúc tác HF:

 Tiêu tốn axit ít hơn so với khi dùng axit H2SO4: 1kg/m3alkylat(chiếm 5 % chi phí của cả quá trình)

 Thời gian phản ứng ngắn 10-20 phút

 Ít tốn công khuấy trộn vì HF có khả năng hoà tan của i-butantrong axit HF lớn hơn đồng thời HF có độ nhớt nhỏ hơn

H2SO4

 Xúc tác làm việc dễ tái sinh hơn

 Năng suất thiết bị tính theo m3Alkylat/m3 thiết bị lớn hơn axit

 Các phản ứng oxy hoá xảy ra mạnh hơn.

 Dây chuyền cồng kềnh hơn do phải bố trí một thiết bị tách HF

Ngày nay, UOP đã cải tiến xúc tác HF chuyển nó sang dạng rắn Khi đó xúc tác

HF có những ưu điểm như:

 Thay thế được axit HF dạng lỏng có tính ăn mòn mạnh và độchại do đó thao tác an toàn hơn và môi trường sạch hơn

 Độ hoạt tính tương đương HF dạng lỏng

 Dễ tách alkylat

1.5. Các thông số ảnh hưởng đến quá trình [2]

Quá trình alkyl hóa được vận hành trong điều kiện olefin được chuyển hóa hoàntoàn Có 5 yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình

Khi nhiệt độ của quá trình tăng lên thì độ nhớt của tác nhân (các hydrocacbon và

cả axit xúc tác) sẽ giảm Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc khuấy trộn để các tácnhân tiếp xúc với nhau tốt hơn Do đó mà giảm công tiêu tốn cho việc khuấy trộn Nhưngkhi tăng nhiệt độ thì các phản ứng polyme hoá, cracking, oxy hoá lại tăng lên và có tốc độmạnh hơn so với các phản ứng chính alkyl hoá Như vậy độ lựa chọn của quá trình sẽgiảm xuống, làm tăng lượng tiêu hao xúc tác đồng thời làm giảm hiệu suất thu sản phẩm

và chất lượng alkylat cũng giảm

Khi nhiệt độ của quá trình được hạ thấp đến một giới hạn nhất định nào đó thì sẽtạo điều kiện thuận lợi cho quá trình alkyl hoá, tăng độ lựa chọn của quá trình do hạn chế

của các phản ứng phụ, giảm tiêu hao xúc tác và làm tăng hiệu suất cũng như chất lượngcủa alkylat Nhưng một hạn chế khi giảm nhiệt độ của phản ứng là làm tăng độ nhớt củaaxit xúc tác, điều này làm tăng tiêu hao năng lượng cho quá trình khuấy trộn và trongtrường hợp này khó tạo thành nhũ tương thích hợp cho quá trình phản ứng.

Trong công nghiệp tuỳ thuộc vào loại xúc tác được sử dụng mà người ta duy trìkhoảng nhiệt độ thích hợp cho quá trình alkyl hoá :

+ Khi dùng xúc tác là H2SO4 thì nhiệt độ phản ứng được duy trì trongkhoảng 2100C

+ Khi dùng xúc tác là HF thì nhiệt độ phản ứng được duy trì trong khoảng20450C

Vì phản ứng alkyl hoá là phản ứng toả nhiệt nên để duy trì nhiệt độ phản ứng thìphải lấy nhiệt ra khỏi vùng phản ứng Tuỳ thuộc vào công nghệ của mỗi hãng sản xuất màngười ta có những phương pháp lấy nhiệt khác nhau: bay hơi i-butan, dùng tác nhânlạnh

Hình 1.1 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến RON của alkylat đối với công nghệ dùng

xúc tác HF

1.5.2 Tỉ lệ i-C4/olefin

Do olefine hầu như hoà tan hoàn toàn và tức thời trong axit, điều này sẽ làm tăngcác phản ứng phụ không mong muốn nên lượng olefin đưa vào phải được khống chế ởmức độ sao cho vừa đủ để đảm bảo phản ứng alkyl hoá và hạn chế phản ứng phụ Muốnvậy thì trong thực tế sản xuất người ta khống chế thông qua tỷ lệ giữa i-butan và olefin Tỉ

số i-butan/olefin đối với công nghệ dùng xúc tác H2SO4 là 515 và 1015 đối với xúctác HF.

Khi nguyên cứu quá trình alkyl hoá bởi xúc tác axit H2SO4 thì người ta thấy tỉ sốcủa isobutan/olefin ảnh hưởng đến chỉ số octan của alkylat như sau: khi tỉ số này càngtăng thì alkylat thu được càng có MON cao như đồ thị sau:

Hình 1.2 Quan hệ giữa tỉ số i-butan/olefin và chỉ số octan của alkylat

1.5.3 Thành phần xúc tác

Để alkyl hoá phân đoạn C4 người ta thường dùng axit H2SO4 có nồng độ từ8898%.Trị số octan của xăng đạt cực đại khi nồng độ axit đạt 9596% Người ta giảithích điều này là do có thể ở nồng độ đó sẽ thuận lợi cho quá trình vừa alkyl hoá và vừađồng phân hoá để tạo ra nhiều cấu tử 2,2,4-trimetylpentan là cấu tử có trị số octan cao.Nếu nồng độ axit H2SO4 quá đậm đặc thì tính oxy hoá mạnh của nó sẽ ảnh hưởng đến quátrình Còn nếu nồng độ H2SO4 quá loãng thì quá trình vận chuyển ion H+ bị hạn chế dẫnđến tốc độ phản ứng giảm

Trong quá trình làm việc, nồng độ axit bị giảm do các nguyên nhân sau:

 Nước đến từ dòng i-C4 hồi lưu (nước lẫn vào dònghydrocacbon do giai đoạn xử lí bằng axit và kiềm trước khuvực phân tách)

Dầu hòa tan tạo ra từ các phản ứng không mong muốn

Hình 1.3 Ảnh hưởng của hàm lượng nước và dầu hòa tan đến chất lượng alkylat

Hàm lượng nước tối ưu đối với công nghệ dùng xúc tác H2SO4 là 1% wt

Hàm lượng dầu tối ưu đối với công nghệ dùng xúc tác H2SO4 là 48% wt

Do vậy người ta tiến hành bổ sung liên tục axit mới có nồng độ 9899.5% vào chutrình đồng thời liên tục tháo axit đã sử dụng để tái sinh

Đối với công nghệ dùng xúc tác HF, hàm lượng nước tối ưu trong xúc tác là 2.8%

wt Nếu hàm lượng nước cao hơn 10% dẫn đến hình thành i-propylfluoric

1.5.4 Mức độ khuấy trộn

Mức độ khuấy trộn ảnh hướng lớn đến quá trình khi ta sử dụng xúc tác H2SO4 do

độ hoà tan của i-butan là nhỏ hơn so với xúc tác là axit HF Đồng thời độ nhớt của H2SO4

lớn nên việc khuấy trộn là cần thiết

Khuấy trộn nhằm làm tăng sự trộn lẫn giữa hydrocacbon và axit Sự trộn lẫn cũng

là một tham số quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng alkyl hoá mà nó tuỳ thuộc vào sự tạothành nhũ tương hydrocacbon trong axit Phản ứng alkyl hoá xảy ra trên bề mặt của axit

và hydrocacbon cho nên quá trình trộn lẫn tạo ra nhiều hạt tơi mịn càng làm cho phản ứngxảy ra dễ dàng hơn Một thiết bị kiểm tra được lắp đặt nhằm kiểm tra sự tạo thành nhũtương Nếu tỷ lệ axit/hydrocacbon nhỏ hơn 40%, sự tiêu thụ axit tăng và alkylat có chỉ sốoctan thấp; nếu tỷ lệ này tăng lên quá 65% thì thời gian lưu của hydrocacbon trong thiết bịgiảm

1.5.5 Thời gian lưu

Giảm thời gian lưu sẽ giảm được các phản ứng phụ Các phản ứng phụ chủ yếu xảy

ra đối với olefin cho nên ta chi xét thời gian lưu đối với olefin

Tốc độ nạp liệu thể tích đối với olefin là thể tích olefin qua thiết bị phản ứng trong 1h chiacho thể tích axit chứa trong thiết bị phản ứng Khi giá trị này tăng lên thì sẽ làm tănglượng axit tiêu thụ đồng thời làm giảm chỉ số octan của sản phẩm Thêm vào đó nhiệtphản ứng cũng sẽ tăng một lần nữa lại ảnh hưởng xấu đến xúc tác và chỉ số octan.

Như vậy cần tránh sự tập trung olefin lại một chỗ, thông thường ta chia nhỏ lưulượng olefin vào từng buồng phản ứng riêng biệt

Trong thực tế để đạt hiệu suất cực đại thời gian lưu trong thiết bị phản ứng với xúctác là axit sulfuric khoảng 20 ÷ 40 phút, còn với xúc tác là HF thì thời gian lưu khoảng

10 ÷ 20 phút

1.6 Công nghệ tổng hợp alkylat trong công nghiệp

Trong thực tế công nghiệp, alkyl hoá isoparafin bằng olefine đã và đang phát triển hai quá trình với hai loại xúc tác khác nhau là axit H2SO4 và HF

Hình 1.4 Sơ đồ khối quá trình alkyl hóa với tác nhân là olefine, xúc tác là axit [2]

Nguyên liệu gồm olefin và i-butan được cho vào thiết bị phản ứng Hỗn hợp sauphản ứng qua thiết bị lắng Tại đây, axit được thu hồi và cho hồi lưu lại thiết bị phản ứng.Hỗn hợp hydrocacbon cho qua khu vực phân tách Propan, n-butan, alkylat đuợc thu hồi.I-butan cũng được thu hồi và cho hồi lưu lại quá trình

Dòng i-C4 bổ sung phải đủ để bù lại lượng i-C4 tiêu thụ trong thiết bị phản ứng vàlượng i-C4 mất mát trong quá trình chưng cất

1.6.1 Công nghệ alkyl hóa bằng xúc tác H 2 SO 4

Có 2 công nghệ chính:

 Exxon/Kellogg

 Stratco

Hai công nghệ đều được chia thành 3 vùng: [2]

 Vùng phản ứng: tạo nhũ tương axit với hydrocacbon để tiến hành phản ứngalkyl hoá

 Vùng lắng: là vùng tiến hành phân riêng hai pha axit với hydrocacbon Axitđược cho hồi lưu lại thiết bị phản ứng Pha hydrocacbon cho qua vùng phântách

 Vùng phân tách: là nơi tiến hành phân riêng alkylat với các hydrocacbon đểthu alkylat sạch hơn Quá trình này được thực hiện nhờ các tháp chưng phânđoạn

Hiện nay trong công nghệ alkyl hoá với xúc tác H2SO4 sử dụng hai loại thiết bịphản ứng:

 Thiết bị phản ứng thẳng đứng:

Thiết bị phản ứng thuộc loại ống chùm, bên trong ống ta cho chất tải nhiệt phảnứng đi qua Còn các tác chất tham gia phản ứng đi bên ngoài ống Với loại thiết bị phảnứng này do thời gian lưu trong thiết bị phản ứng không đồng đều cho nên chất lượngalkylate thấp

 Thiết bị phản ứng nằm ngang:

Nhược điểm của thiết bị phản ứng thẳng đứng là tiêu tốn axit rất lớn, mặc khácthời gian lưu của xúc tác cũng như của hydrocacbon không đồng đều dẫn đến chất lượngalkylate kém ổn định Nhằm khắc phục những nhược điểm này, một số tập đoàn nhưStratco, Kellogg, đã nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất dây chuyền công nghệ alkylhoá loại thiết bị phản ứng nằm ngang

1.6.1.1 Công nghệ của strattco

Thiết bị phản ứng Stratco cho phép tối thiểu thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu vàxúc tác, do đó giảm thiểu phản ứng tạo dầu hòa tan Thiết bị phản ứng được đặt nằmngang nhưng không phân chia thành nhiều bậc Quá trình được làm lạnh bằng dòng hồilưu nội thông qua hệ thống trao đổi nhiệt dạng ống chùm đặt trong thiết bị phản ứng.Điều này làm cho cấu tạo của thiết bị phản ứng loại này phức tạp và khó chế tạo Dònghồi lưu nội chính là hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng Dòng này còn có tác dụngpha loãng olefin trong thiết bị phản ứng và điều khiển nhiệt độ phản ứng chính xác đến

1oC Đầu nạp liệu được bố trí một tuabin khuấy để tăng cường quá trình tạo nhũ tương.Phản ứng xảy ra gần như tức thời khi 2 pha axit và hydrocacbon đi qua cánh tuabin

Các thông số chính của công nghệ strattco

Hình 1.6 Sơ đồ công Strattco [3]

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

Nguyên liệu và axit được đưa vào thiết bị phản ứng theo hai đường nạp khác nhaunhờ tuabin tạo nhũ tương và xảy ra phản ứng alkyl hoá Hỗn hợp ra khỏi thiết bị phản ứngđược đưa vào thiết bị lắng axit để tách axit đưa lại thiết bị phản ứng còn alkylat được giãn

nở đến 0.6( bar ), -70C và được đưa lại vào thiết bị phản ứng để làm lạnh Sau đó qua thiết

bị tách lỏng, phần hơi được đưa tiếp vào thiết bị phân chia lỏng Khí từ đây qua máy néncùng với phần lỏng qua thiết bị làm lạnh và vào tiếp thiết bị phân chia lỏng Một phần nhờbơm bơm vào trao đổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt và được đưa vào tháp cất propan Mộtphần khác được đưa vào thiết bị tách lỏng để thu khí cùng với khí từ thiết bị tách lỏng chovào thiết bị phân chia lỏng Tại tháp tách propan ta thu được propan trên đỉnh và sảnphẩm đáy được đưa vào thiết bịtách lỏng Lỏng đi ra từ thiết bị tách lỏng được tuần hoànlại thiết bị phản ứng (i-butan) Phần lỏng alkylat thu được từ thiết bị tách lỏng được đưavào thiết bị rửa bằng xút và nước sau đó vào tháp tách i-butan để thu i-butan tuần hoàn lạithiết bị phản ứng và alkylat sản phẩm.

1.6.1.2. Công nghệ Exxon/Kellogg [2]

Hình 1.7 Thiết bị phản ứng nằm ngang ExxonKellogg

Bộ phận chính của dây chuyền là thiết bị phản ứng nằm ngang nhiều bậc (thườngkhoảng 4-7 bậc) Mỗi bậc thiết bị phản ứng đều có bộ phận khuấy trộn mạnh tạo nhũtương thích hợp và các bậc được phân biệt bằng những tấm ngăn hình chữ L Ngoài racòn có 2 phòng lắng: phòng lắng đầu dùng để tách axit, phòng lắng sau dùng để ổn địnhhydrocacbon Với thiết bị phản ứng loại này thì olefin được đưa vào từng bậc riêng lẻ, dovậy nồng độ thực tế là rất nhỏ điều này cho phép hạn chế phản ứng phụ Mặc khác mỗimột bậc đều có bộ phận khuấy trộn riêng nên dễ dàng tạo được nhũ tương thích hợp vàtăng cường sự hoà tan của i-butan vào pha axit để tiến hành phản ứng

I-butan và axit được đưa vào cấp thứ nhất sau đó hỗn hợp nhũ tương sẽ chảy từ từqua các vách ngăn kế tiếp Sau khi tách khỏi hydrocacbon thì axit được tuần hoàn trở lại.Tương tự lượng i-butan thừa sau khi bay hơi để làm lạnh thiết bị phản ứng cũng đượctuần hoàn trở lại Alkylat thu được được đưa qua các tháp chưng cất để tách i-butan, n-butan

Các thông số hoạt động của quá trình:

 Nhiệt độ : 4-10oC

 Áp suất : bậc đầu tiên: 1.4-1.75 bar bậc cuối cùng 0.35-0.84 bar

 Thời gian lưu trong phòng lắng : 30 – 50 phút

 Năng suất : 0.15-0.18 m3alkylat/m3TBPU/h

Tỉ lệ axit/hydrocacbon : >=1

Hình1.8 Sơ đồ công nghệ Exxon/Kellogg

Thuyết minh sơ đồ:

Nguyên liệu olefin đầu tiên được làm lạnh trước và được đưa vào các bậc riêng lẽvới lưu lượng bằng nhau Hai dòng isobutan và axit hồi lưu được đưa vào thiết bị phảnứng ở ngăn thứ nhất.Với sự có mặt của thiết bị khuấy trộn thì sự tiếp xúc của các chấttham gia phản ứng và xúc tác tốt hơn Dưới tác dụng của axit sulfuric thì i-butan vàolefine phản ứng với nhau rất nhanh, tạo alkylat và tỏa nhiệt Với hệ thống làm lạnh tựđộng, nhiệt phản ứng được tách loại bằng cách cho bay hơi i-butan từ hỗn hợp phản ứng.Hơi này đi từ thiết bị phản ứng đến vùng làm lạnh để trao đổi nhiệt với i-butan tuần hoànsau đó chúng được nén lại, dòng hơi đi ra sau máy nén được trộn lẫn với dòng sản phẩmđỉnh đi ra từ thiết bị tách i-butan (Deisobitanizer) sau đó được cho quá trình alkyl hóa traođổi nhiệt với dòng alkylat đi ra từ tháp tách n-butan để đi vào tháp tách propan Propan đi

ra từ đỉnh thiết bị tách, sản phẩm đáy chứa đa số là isobutan, sau đó được làm lạnh vàquay lại thiết bị phản ứng Quá trình tách propan nhằm mục đích tránh sự tăng nồng độcủa nó trong thiết bị phản ứng

Sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa vào thiết bị lắng gạn (Settler),

ở đó pha axit được tách ra khỏi pha hydrocarbon và được đưa quay trở lại thiết bị phảnứng Sản phẩm của phản ứng alkylate chứa isobutan, n-butan và một lượng nhỏ các cấu tửnhẹ chưa bốc hơi hết trong thiết bị phản ứng được đưa qua thiết bị xử lý bằng KOH, thiết

bị rửa bằng nước để tách loại các cấu tử axit trước khi đưa vào thiết bị tách i-butan, tạiđây i-butan đi ra từ đỉnh tháp được đưa qua trộn lẫn với dòng đi ra từ máy nén và quathiết bị trao đổi nhiệt với dòng alkylat nói trên trước khi vào tháp tách propan sản phẩmđỉnh là propan được đưa về lưu trữ , sản phẩm đáy là i-butan được đưa đi làm lạnh và sau

đó quay trở lại thiết bị phản ứng Sản phẩm đáy là alkylat chứa n-butan được đưa quáthiết bị tách n-butan, sau thiết bị này ta thu được n-butan ở đỉnh và alkylat ở đáy, các sảnphẩm được đưa đi thu hồi nhiệt và vào bồn chứa

Trong thiết bị phản ứng một phần olefin của nguyên liệu sẽ bị polyme hóa tạo dầuhòa tan trong axit làm giảm hoạt tính xúc tác của axit sulfuric Như đã đề cập ở phần trên,tạp chất trong nguyên liệu cũng làm tăng xu hướng này Vì vậy quá trình làm sạch axitsau khi sử dụng phải bắt đầu từ phân xưởng tách loại dầu này, axit mới được đưa vào thaythế cho lượng axit đem đi tái sinh và duy trì nồng độ của axit đủ cao để giữ nguyên hoạttính của xúc tác Quá trình tái sinh xúc tác là nhiệm vụ khó khăn đối với quá trình alkylhóa bằng axit sulfuric Ở Mỹ đã tái sinh axit đã sử dụng bằng phương pháp lắp đặt thêmphân xưởng sản xuất axit sulfuric Tuy nhiên ở các nước khác như Nhật Bản có quá trìnhsản xuất alkylat với xúc tác axit sulfuric với năng suất tương đối nhỏ, vì vậy quá trìnhđiều hành thiết bị alkyl hóa có lắp đặt thiết bị tái sinh axit dễ dàng, việc thao tác đối vớinhững thiết bị này tương đối đơn giản nhưng lại tăng nguồn đầu tư

1.6.2 Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác HF

Có 2 công nghệ chính là:

 PhillipsCông nghệ dùng xúc tác HF không có hệ thống khuấy trộn cơ học Do xúc tác HF

có độ nhớt bé và khả năng hòa tan rất tốt của isobutan vào xúc tác nên quá trình tạo nhũtương được thực hiện rất dễ dàng Pha hydrocacbon được phun liên tục vào pha axit thôngqua lỗ ở đáy thiết bị Nhũ tương chuyển động từ đáy lên đỉnh thiết bị và quá trình lắngđược thực hiện trong thiết bị lắng Nhiệt độ phản ứng xấp xỉ 30oC, do đó có thể sử dụngtác nhân làm lạnh là nước

1.6.2.1. Công nghệ Phillips [2]

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ Phillips

Hỗn hợp nguyên liệu mới và i-butan hồi lưu được phun vào xúc tác HF Từ đỉnhcủa thiết bị phản ứng, nhũ tương được đưa vào zone lắng Axit được tách và hồi lưu lạithiết bị phản ứng sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt Một phần nhỏ axit được lấy ra khỏichu trình và được đưa đi tái sinh Xúc tác sau khi được tái sinh được hồi lưu lại chu trình.Pha hydrocacbon được đưa đến tháp chưng Đỉnh tháp thu được propan có chứa HF HF

và propan được phân tách bằng stripping

Các thông số hoạt động của quá trình:

 Thời gian lưu: 20÷40 s

 Năng suất riêng: ≈4÷7 m3 alkylat/m3 thiết bị phản ứng/h

 Tỉ lệ HF/hydrocacbon: 1÷4

1.6.2.2. Công nghệ UOP [2]

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ UOP

Nguyên tắc hoạt động tương tự như công nghệ Philllips Thiết bị phản ứng thẳngđứng hoạt động như 1 thiết bị trao đổi nhiệt Pha hydrocacbon được phân tán vào trongpha axit qua các lỗ Hydrocacbon đưa vào thiết bị theo chiều cao khác nhau, pha axitđược đưa vào ở đáy thiết bị Nhiệt phản ứng tỏa ra được loại bỏ bằng tác nhân làm mát lànước

1.6.3 Lựa chọn sơ đồ công nghệ

Trong thực tế các công nghệ dùng xúc tác H2SO4 được sử dụng phổ biến hơn vì

xúc tác HF rất độc và dễ bay hơi [1] Do vậy ta chỉ phân tích 2 công nghệ dùng xúc tác

H2SO4

 Với sơ đồ alkyl hóa của hãng Strattco:

 Công tiêu tốn cho quá trình khuấy ít hơn

 Thiết bị lắng axit của sơ đồ này được bố trí riêng ở ngoài nên làm sơ đồphức tạp vì tăng số thiết bị

 Cấu tạo thiết bị phản ứng phức tạp

 Với sơ đồ alkyl hóa của hãng Kellogg:

 Công nghệ alkyl hóa của hãng Kellogg với thiết bị phản ứng nằm nganggồm nhiều bậc và mỗi bậc đều có bộ phận khuấy trộn mạnh do đó cho phéptạo được nhũ tương thích hợp tạo điều kiện thuận lợi cho sự hòa tan i-butanvào axit để thực hiện phản ứng alkyl hóa

 Với việc đưa olefin vào từng bậc riêng rẽ đã hạn chế được các phản ứng phụkhông mong muốn

 Phương pháp lấy nhiệt bằng cách cho bay hơi một phần i-C4 thừa trongthiết bị phản ứng nên không cần hệ thống chùm ống trao đổi nhiệt và khônglàm giảm hiệu suất làm lạnh do vận chuyển

 Việc bố trí thiết bị lắng gồm 2 buồng ngay trong thiết bị phản ứng làm cho

hệ thống sơ đồ ít phức tạp nhưng lại tăng kích thước chung của thiết bị phảnứng

 Việc bố trí các hệ thống khuấy ở các bậc phản ứng làm tăng tính phức tạpcủa thiết bị chính cũng như cách bố trí hệ thống khuấy và công tiêu tốn choquá trình khuấy lớn hơn

Từ những ưu nhược điểm của 2 sơ đồ alkyl hóa dùng xúc tác H2SO4, ta dùng sơ đồcủa hãng Exxon-Kellogg để mô phỏng và thiết kế

CHƯƠNG 2

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH ALKYL HÓA BẰNG

PHẦN MỀM PRO II2.1 Giới thiệu về phần mềm Pro II

2.1.1 Tính năng và phạm vi sử dụng:

Pro II là sản phẩm của hãng SIMSCI có tác dụng mô phỏng các quá trình trongcông nghệ hóa học mà chủ yếu là lĩnh vực dầu khí Pro II có thể dễ dàng cài đặt trên hầuhết các máy tính với một thư viện dữ liệu rộng lớn, các modun tính toán và sự đa dạng vềphương pháp nhiệt động đã đáp ứng được hầu hết các công việc thiết kế, nghiên cứu trongcông nghệ hóa chất, hóa dầu cũng như chế biến khí

Pro II có giao diện đẹp, là phần mềm chạy trên môi trường Windows nên rất dễdàng giao tiếp giữa chương trình và người sử dụng

Việc nhập dữ liệu vào chương trình được tiến hành rất đơn giản vì trình tự côngviệc được hướng dẫn cụ thể thông qua sự hiển thị màu trên màn hình Chương trình môphỏng được chạy với số lần lặp xác định Chương trình mô phỏng phương pháp tính toánbằng tay, tự động biên dịch thông tin đưa vào và thực hiện quá trình tính toán từ các thôngtin đó Chương trình có một số đặc trưng sau:

 Khả năng tính từng phần: khi đã biết đủ các thông số cần thiết thì chươngtrình sẽ tự động tính các thông số còn lại

 Khả năng tính hai chiều và khả năng sử dụng thông tin một phần: chươngtrình được chia thành nhiều modun khác nhau, mỗi modun là một thiết bịnhư van, bơm, cột chưng cất, Mỗi modun có khả năng xem thông số nào

đã biết và thông số nào cần thiết cho quá trình tính toán

 Khả năng truyền dữ liệu: khi Pro II được cung cấp một thông tin mới,chương trình sẽ thực hiện các tính toán có thể rồi truyền kết quả mới nàyđến mỗi thiết bị có thể sử dụng chúng Quá trình này tiếp diễn cho đến khitất cả các tính toán nhờ thông tin mới này được hoàn tất

 Khả năng tự động tính toán lại: khi người thiết kế loại bỏ một thông số nào

đó, chương trình sẽ loại bỏ tất cả các kết quả tính được từ thông số đó, cáckết quả không liên quan sẽ được giữ lại

 Kết quả chạy Pro II có thể xuất qua các chương trình khác như Word, Excel,Autocad,

Pro II được ứng dụng để:

 Thiết kế quy trình mới

 Nghiên cứu việc chuyển đổi chế độ hoạt động của nhà máy

 Hiện đại hóa các nhà máy hiện có

 Giải quyết sự cố trong quá trình vận hành của nhà máy

 Tối ưu hóa, cải thiện sản lượng và lợi nhuận

Pro II mô phỏng những quá trình tiêu biểu sau:

 Trong lĩnh vực lọc dầu:

 Chưng cất dầu thô ở áp suất khí quyển

 Gia nhiệt dầu thô

 Quá trình cốc hóa

 Quá trình Cracking xúc tác tầng sôi (FCC)

 Các quá trình tách khí

 Quá trình ổn định xăng

 Quá trình alkyl hóa

 Chưng cất chân không

 Stripping hơi nước

 Tách nước

 Chưng phenol

 Polyme hóa

2.1.2 Các cụm thiết bị trong Pro II

Trong thư viện Pro II có lưu sẵn một số thiết bị dùng để tạo ra các sơ đồ công nghệtrong các ngành công nghiệp lọc hóa dầu, công nghệp hóa chất Mỗi thiết bị được xácđịnh bởi chức năng nhiệt động học, lượng vật chất, năng lượng trao đổi và các tham sốnội tại (hệ số truyền nhiệt, độ giảm áp, ) Các thiết bị liên hệ với nhau bằng các dòngchảy liên kết, chính các dòng chảy vào và ra khỏi thiết bị này sẽ xác định trạng thái làmviệc của thiết bị.Các thiết bị sẽ tự động cập nhật thông tin mới có liên quan đến chúng và

tự cập nhật cho các dòng chảy nối với chúng

 Các thiết bị chính trong chương trình Pro II:

 Thiết bị trao đổi nhiệt (Heat Exchanger)

 Thiết bị làm nguội, đun nóng (Cooler, Heater)

 Bộ trộn (Mixer)

 Van (Valve)

 Cột (Column): dùng trong các quá trình chưng cất, hấp thụ, trích ly,

 Thiết bị chia dòng (Splitter): chia dòng chảy thành nhiều dòng theo tỷ lệ tùyý

 Bộ tách (Seperator): gồm có thiết bị tách 2 pha, thiết bị tách 3 pha và thiết

bị tách chất rắn ra khỏi dòng lỏng hoặc hơi

 Thiết bị điều khiển (Controller)

 Thiết bị hoàn lưu (Recycle)

2.1.3 Sử dụng chương trình Pro II

Các bước xây dựng một sơ đồ công nghệ trong chương trình Pro II:

Bước 1: Chuẩn bị sơ đồ công nghệ mong muốn

Chuẩn bị sẵn sơ đồ công nghệ và các thông số đầu vào, đầu ra cần thiết (tên dòng,lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, ) của các dòng chảy cũng như các thông số vận hành củathiết bị

Bước 2: Xây dựng PFD:

Vẽ chu trình (Process Flow Diagram - PFD) bằng cách chọn và định vị các thiết bị(unit operation) trên cửa sổ chính Vẽ các dòng vào ra cho từng thiết bị

Bước 3: Chọn hệ thống đơn vị đo:

Hệ đơn vị mặc nhiên được cài đặt trong chương trình là hệ đơn vị Anh, ta có thểthay đổi và chọn hệ thống đơn vị khác

Bước 4: Xác định các cấu tử:

Có thể xác định trực tiếp bằng cách gõ tên của các cấu tử hoặc chọn từ danh mục

có sẵn trong thư viện của chương trình

Bước 5: Xác định phương pháp nhiệt động:

Có thể chọn phương pháp nhiệt động từ danh mục các phương pháp thông dụngnhất trong thư viện Việc chọn hệ thống phù hợp là bước quan trọng trong chương trình

mô phỏng

Bước 6: Cung cấp dữ liệu cho dòng nhập liệu và các dòng hồi lưu:

Dữ liệu của dòng nhập liệu và dữ liệu giả định của các dòng hồi lưu cần cung cấpgồm: lưu lượng, thành phần, điều kiện nhiệt động,

Bước 7: Cung cấp các điều kiện của quá trình:

Cung cấp đầy đủ các dữ liệu cần thiết cho mỗi thiết bị trong sơ đồ công nghệ

Bước 8: Chạy và xem kết quả:

Trước khi tiến hành chạy chương trình, phải kiểm tra để đảm bảo rằng không xuấthiện màu đỏ trên đường viền của các thiết bị hay các dòng chảy Nếu tất cả đường viền làmàu xanh dương, xanh lá cây hay đen có nghĩa là đã cung cấp đủ thông tin để chạychương trình Có thể xem kết quả bằng nhiều cách: đồ thị, báo cáo xuất,

2.2 Quá trình mô phỏng

2.2.1 Thiết lập sơ đồ mô phỏng theo sơ đồ thực

Hệ thống mô phỏng Pro II có đầy đủ các thiết bị và cơ sở dữ liệu để ta có thểchuyển một sơ đồ thực hay sơ đồ lý thuyết sang sơ đồ mô phỏng để tiến hành mô phỏngcũng như nghiên cứu Tuy nhiên các thiết bị trong sơ đồ lý thuyết khi chuyển sang sơ đồ

mô phỏng mà trong cơ sở dữ liệu không có thì ta cần kết hợp nhiều thiết bị trong sơ đồ

mô phỏng, hoặc ta có thể chia các thiết bị trong sơ đồ lý thuyết ra nhiều phần để từ đó sửdụng các thiết bị tương ứng mô phỏng

Từ sơ đồ lý thuyết trên, khi ta chuyển sang sơ đồ mô phỏng thì các tháp tách đượcgiữ nguyên Các thiết bị sẽ thay đổi là:

 Cụm Ecomonizer: nó có chức năng giống như một thiết bị trao đổi nhiệt, do

đó ta dùng một thiết bị trao đổi nhiệt để biểu thị cho cụm này

 Một Splitter để chia dòng olefin thành 5 dòng bằng nhau.

 Dùng 5 thiết bị phản ứng cùng với 5 thiết bị tách đặt sau thiết bị phản ứng

để thay cho thiết bị phản ứng 5 bậc [5]

 1 thiết bị tính dòng để thay cho buồng lắng axit

 Một Mixer để trộn 5 dòng bốc hơi i-C4 từ cụm thiết bị phản ứng

 Cụm máy nén 2 cấp: ta sẽ dùng 2 máy nén để thay thế Máy nén cấp 1 sẽnén dòng khí i-C4 bốc ra từ thiết bị phản ứng sau khi đã hợp chúng lại vớinhau Máy nén cấp 2 sẽ tiếp tục nén dòng này và dòng i-C4 bốc ra từ cụmEconomizer

Như vậy các thiết bị trong sơ đồ gồm có:

2.2.2 Xây dựng cơ sở dữ liệu mô phỏng

2.2.2.1 Thiết lập dữ liệu ban đầu

 Chọn đơn vị cho hệ thống :Metric-Set1

 Nhập các cấu tử trong dòng nguyên liệu: để tiến hành nhập các cấu tử takích vào nút Select from lists, trên hộp thoại sau :

Tiếp tục click vào Select from lists và tiến hành chọn cấu tử cho hệ qua mục

Most commonly used và Petroleum Kết quả cho như sau

 Chọn mô hình nhiệt động

Kích vào Input/Thermo để chọn mô hình nhiệt động trong danh sách sẵn có.Trong trường hợp mô phỏng quá trình tách khí này ta sử dụng mô hình nhiệt động làSRK

 Định nghĩa phản ứng: [2]

Bảng 2.1 Các phản ứng xảy ra trong quá trình alkyl hóa

Kích vào biểu tượng Reaction Data để nhập dữ liệu phản ứng Kết quả như sau:

2.2.2.2 Thông số các dòng

CHƯƠNG 3Dòng nguyên liệu

Năng suất của phân xưởng là 12000 kg/ h tính theo nguyên liệu

Bảng 2.2.Thành phần nguồn nguyên liệu hydrocacbon sử dụng trong quá trình mô phỏng

CHƯƠNG 4 D

i-butan tuần hoàn

Trong công nghiệp alkyl hóa i-butan bằng buten để thu sản phẩm alkylat chấtlượng cao thì ta sử dụng i-butan thừa một lượng lớn so với buten Lượng i-butan thừa nàyđược tuần hoàn lại thiết bị phản ứng Ta chọn tỉ lệ mol i-butan/olefin là 9:1

Lưu lượng mol olefin vào thiết bị phản ứng:

90/42 + 236.22/56 + 3958.4/56 = 76.86 (kmol/h)

Tổng lượng i-butan cần dùng: 9*76.86=691.74 (kmol/h)

=> Lượng i-butan tuần hoàn: 691.74 - 71.84 - 7.38=612.52 (kmol/h)

Lưu lượng khối lượng: 612.52*58=35548.56 (kg/h)

CHƯƠNG 5Xúc tác H 2 SO 4

Tỷ lệ thể tích giữa H2SO4 và hydrocacbon có giá trị trong khoảng gần bằng 1 Tachọn tỷ lệ này là: 1,15:1

Lưu lượng thể tích dòng nguyên liệu: 21.7 m3/h

Lưu lượng thể tích dòng i-butan tuần hoàn: 74.54 m3/h

Thành phần Dòng nguyên liệu (kg/h) Dòng i-C4 bổ sung (kg/h)

Tổng lưu lượng hydrocacbon trong thiết bị phản ứng:

21.7+74.54=96.24 (m3/h)

=> Lưu lựợng thể tích axit: 96.24*1.16=111.53 (m3/h)

Khối lượng riêng axit ở 5oC: 1846.3 (kg/m3) [7]

Lưu lượng khối lượng axit: 111.53*1846.3=206529.84 (kg/h)

Bảng 2.4 Thông số của các bình Flash

Thông số DP, bar Unit Spec

Bảng 2.5 Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt

Bảng 2.6 Thông số của Splitter

 Thiết bị phản ứng

Bảng 2.7 Thông số của thiết bị phản ứng

Thermal Spec Adiabatic Adiabatic Adiabatic Adiabatic Adiabatic

Áp suất ra,bar 1.7 1.62 1.54 1.46 1.38

 Thiết bị Stream Caculator: SC1

Bảng 2.8 Thông số của thiết bị Stream Caculator

Bảng 2.10 Thông số của tháp chưng

Sản phẩm đỉnh C3=99.9%molThành phần Thành phần đỉnhnC4=5%mol Thành phần đỉnh C3-nC4=99.9%mol

Sản phẩm đáy C3=3.5%molThành phần Thành phần đáyC3-iC4=0.5% C3-nC4=1%molThành phần đáy

Nhập các thông số của dòng nguyên liệu bao gồm: thành phần, lưu lượng, nhiệt độ,

áp suất Các bước tiến hành như sau:

Xét cho dòng nguyên liệu (FEED)

 Kích đôi vào dòng FEED, xuất hiện cửa sổ Stream Data:

 Ta nhập các giá trị nhiệt độ và áp suất vào, sau đó kích vào biểu tượng

Flowrate and Composition để nhập dữ liệu về thành phần cũng như lưu