Mô phỏng phân xưởng cracking hơi bằng phần mềm PROII

Mô phỏng phân xưởng cracking hơi bằng phần mềm PROII KẾT LUẬN Sau hơn 15 tuần nghiên cứu và thực hiện đề tài “Mô phỏng phân xưởng Cracking hơi bằng phần mềm PROII”, đến nay, em đã hoàn thành nhiệm vụ được giao và giải quyết được một số vấn đề sau:Phân tích và lựa chọn được nguồn nguyên liệu phù hợp để sản xuất EthyleneXây dựng sơ đồ đơn giản công nghệ quá trình cracking hơi Sử dụng PROII để mô phỏng quá trình vận hành của phân xưởng Cracking hơiTính toán và thiết kế các tháp chưng cấtTuy nhiên Đồ án vẫn còn những hạn chế chưa khắc phục được:Chưa có tài liệu thực tế để so sánh với kết quả mô phỏng Quá trình đánh giá chất lượng của các sản phẩm đã cho thấy rằng kết quả thu được từ PROII cũng chỉ dừng lại ở mức tương đối. Tuy nhiên, những con số thu được cũng phần nào giúp cho quá trình thiết lập hệ thống điều khiển của phân xưởng sau này dễ dàng hơn. Trong quá trình tiến hành Đồ án này, mặc dầu đã có nhiều cố gắng nhưng sai sót là không thể tránh khỏi. Mong Thầy Cô và các bạn góp ý thêm.

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH CRACKING HƠI

(STEAM CRACKING)

Phương pháp cracking hơi được phát triển trước tiên ở Mỹ Từ năm 1920, Union Carbide and Carbon Co đã thiết kế được thiết bị cracking hơi đầu tiên sử dụng nguồn nguyên liệu là ethane, propane và sau đó là gasoil Từ đó phương pháp này được sử dụng phổ biến ở Tây Âu và Nhật Bản vào những năm cuối chiến tranh thế giới thứ hai.

Năm 1942, British Celanese đã thực hiện quá trình cracking hơi đầu tiên ở Châu

Âu với nguyên liệu là gasoil, năng suất 6000 tấn ethylene/năm.

Trong khoảng thời gian từ năm 1940 đến năm 1950, năng suất tối thiểu của các phân xưởng sản xuất ethylene trên thế giới tăng dần từ 10000 đến 50000 tấn/năm Về sau, năng suất này được cải tiến một cách đáng kể, người ta đã chế tạo được các thiết bị cracking hơi sản xuất được khoảng 300000 tấn ethylene/năm từ nguyên liệu naphtha Cracking hơi là quá trình biến đổi hóa học của các hydrocarbon nguyên chất hoặc các phân đoạn dầu mỏ dưới tác dụng của nhiệt độ cao theo cơ chế gốc, với sự có mặt của hơi nước Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu mà các sản phẩm của quá trình có thành phần khác nhau, tuy nhiên sản phẩm chính vẫn là ethylene, propylene ngoài ra còn có một số hợp chất khác như butađien, benzen

1.1 Mục đích

Olefin dùng làm nguyên liệu cho tổng hợp hữu cơ hóa dầu Olefin có thể chia làm

2 nhóm: olefin thấp phân tử và olefin cao phân tử Các monomer và các chất ban đầu để tổng hợp vật liệu polymer, các chất hóa dẻo phần lớn được tổng hợp từ olefin Việc sản xuất chúng chiếm vị trí rất quan trọng trong nền công nghiệp tổng hợp hữu cơ cơ bản và hóa dầu, nhằm cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp plastic, cao su tổng hợp, sơn tổng hợp, keo, vật liệu màng, sợi

Ethylene và Propylene là hai nguồn nguyên liệu quan trọng nhất trong Công nghệ Tổng hợp hóa học Quá trình cracking hơi không ngoài mục đích nào khác hơn là tạo ra hai loại sản phẩm này, đây cũng là những sản phẩm chính của quá trình.

1.2 Nhiệt động học của quá trình

Xét về bản chất, quá trình craking hơi là một quá trình chuyển hóa bằng nhiệt, nên ta sẽ nghiên cứu nhiệt động học của quá trình cracking hơi thông qua nhiệt động học của quá trình nhiệt phân.

Các hydrocarbon chưa no chỉ ổn định ở nhiệt độ tương đối cao so với các hydrocarbon no có cùng số nguyên tử C, điều này được thể hiện rõ trên hình I.1 biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và năng lượng tự do hình thành liên kết của một số hydrocarbon điển hình

Theo giản đồ này, ở nhiệt độ cho trước, một chất sẽ không ổn định so với các chất khác hoặc các nguyên tố khác khi điểm biểu diễn của các chất hoặc các nguyên tố đó nằm phía dưới điểm biểu diễn của chất đang khảo sát và ngược lại

Hình I.1 Độ ổn định nhiệt của các hydrocarbon [1, 133]

Ví dụ: Ethylene ổn định so với Ethane ở nhiệt độ trên 750 oC, benzen ổn định so với hexane từ 350 – 400 oC trở lên Đối với axetylene, chỉ ổn định so với các Parafin đơn giản (C1, C2) ở nhiệt độ ít nhất là trên 1000 oC.

Việc cắt đứt liên kết C-C của hydrocarbon mạch thẳng (phản ứng Cracking) sẽ tạo thành một parafin và một olefin

II và III) các sản phẩm của quá trình cắt mạch trước lại tiếp tục quá trình cracking tại các

vị trí khác nhau trên mạch carbon, tạo ra các sản phẩm nhẹ hơn, nhiều olefin hơn Trong

đó, hiệu suất chuyển hóa và thành phần của các hợp chất này phụ thuộc vào điều kiện vận hành của quá trình.

Hình I.2 Các phản ứng chính trong quá trình nhiệt phân [1, 135]

Ngoài ra, quá trình cracking hơi luôn kèm theo phản ứng đề hydro hóa Phản ứng này sẽ chuyển các Olefin vừa mới hình thành từ quá trình cracking sang các hợp chất như: axetylene, propin đồng thời còn tạo ra các điolefin (phản ứng IV)

Các hợp chất này có khả năng phản ứng mạnh, đặc biệt có thể tác dụng trực tiếp với các olefin sinh ra trong quá trình cracking (theo phản ứng “Diels - Alder” hay còn gọi là phản ứng vòng hóa (phản ứng V)) tạo ra các hợp chất mạch vòng.

Những chất mạch vòng tạo thành lại có khả năng tiếp tục quá trình đề hydro hóa (phản ứng VI), sinh ra các hydrocarbon thơm, chủ yếu là benzen sau đó kết hợp lại với nhau tạo thành các polyaromatic rồi ngưng tụ tạo coke (phản ứng VII) Quá trình tạo thành các hợp chất thơm và coke được thể hiện rõ theo hình I.3.

Hình I.3 Sự hình thành các hydrocarbon thơm và cốc [1, 135]

Khi nghiên cứu về động học của quá trình, người ta nhận thấy rằng: quá trình tạo các hợp chất polyaromatic và coke xảy ra một cách nhanh chóng khi nhiệt độ cao hơn

900 ÷ 1000 oC, trong khi đó phản ứng cracking được tiến hành tương đối tốt ở nhiệt độ trên 700 oC và quá trình đề hydro hóa trở nên đáng kể khi nhiệt độ từ 800 ÷ 850 oC trở lên Vì vậy cần phải xác định thời gian lưu và nhiệt độ tiến hành thích hợp vì nếu tăng một trong hai yếu tố này thì sẽ dẫn đến tình trạng tăng hàm lượng các sản phẩm nặng, làm giảm hiệu quả của quá trình.

Đối với quá trình polymer hóa các hợp chất không no (olefin, diolefin, axetylene ) phản ứng tỏa nhiệt, xảy ra rất nhanh ở điều kiện nhiệt độ thấp Tuy nhiên, điều kiện tiến hành quá trình nhiệt phân thì hoàn toàn ngược lại (nhiệt độ cao, áp suất thấp) vì vậy, về phương diện nhiệt động học, không ưu tiên xảy ra phản ứng polymer hóa.

Ngoài ra, với các hydrocarbon trong cùng một họ, độ bền nhiệt sẽ càng giảm khi

số nguyên tử carbon càng tăng, vì vậy khả năng phản ứng càng cao.

Cơ chế phản ứng với trường hợp Ethane:

 Giai đoạn khơi mào: CH3 - CH3 CH3• + CH3•

 Giai đoạn phát triển mạch: CH3• + CH3 - CH3 CH4 + CH3 - CH2•

Đối với trường hợp tổng quát, khi thực hiện quá trình nhiệt phân một parafin mạch dài, gốc tự do hình thành do quá trình cắt mạch liên kết C-C của hydrocarbon tiếp tục phản ứng với một phân tử hydrocarbon khác tạo nên một gốc mới Gốc mới này có năng lượng cao, không bền do đó sẽ tự cắt mạch tại vị trí β

của gốc, hình thành nên một phân

tử olefin và một gốc mới có mạch carbon ngắn hơn.

Gốc tự do mới hình thành này có thể chuyển thành parafin nhờ tác dụng với một hydrocarbon hoặc tự thực hiện quá trình cắt tại vị trí β

Cứ như vậy, các gốc ankyl tạo ra

sẽ lần lượt tự phân hủy thành các olefin và gốc mới cho đến khi gốc tự do còn lại là một nguyên tử hydro hoặc gốc methyl hay ethyl thì các gốc này sẽ tấn công vào phân tử hydrocarbon mới và thực hiện chu trình lại từ đầu.

Nhìn chung, sản phẩm của quá trình nhiệt phân khá phức tạp, gồm những sản phẩm nhẹ nhất (H2, CH4) đến những sản phẩm nặng nhất (coke), những hợp chất no đến những hợp chất không no, có nối đôi, nối ba Muốn giảm mức độ phức tạp của hỗn hợp sản phẩm, ta phải tác động đến cân bằng nhiệt động của quá trình, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hình thành các olefin thấp phân tử, chủ yếu là ethylene Trong đó, tỷ lệ ethylene trong hỗn hợp sản phẩm phụ thuộc vào điều kiện vận hành của quá trình, tỷ lệ này càng lớn khi nhiệt độ càng cao và áp suất càng thấp Ngoài ra, ta còn phải giảm thời gian lưu trong môi trường phản ứng và thực hiện “tôi sản phẩm” để giảm các quá trình tạo coke và các sản phẩm nặng gây giảm hiệu suất của quá trình

Tóm lại, sau khi khảo sát các tính chất nhiệt động học và động học của quá trình nhiệt phân cùng với các nghiên cứu thực nghiệm, người ta đã tìm ra được một số các điều kiện để có hiệu suất thu hồi olefin lớn nhất:

 Cấp nhiệt nhanh cho nguyên liệu

 Giữ cho nhiệt độ khí ra khỏi lò phải cao.

 Giảm áp suất riêng phần của các hydrocarbon trong thiết bị phản ứng.

 Thời gian lưu ngắn.

 Thực hiện quá trình tôi sản phẩm.

 Cần có hệ thống phân tách hỗn hợp sản phẩm có hiệu quả

Để đáp ứng được các yêu cầu trên, trong công nghiệp người ta thường cho hỗn hợp hydrocarbon và hơi nước đi qua các ống đặt trong lò đốt Dưới tác dụng của nhiệt độ cao, các hydrocarbon sẽ tiến hành quá trình nhiệt phân, sau đó sản phẩm sẽ được tách ra thành những hợp chất riêng biệt sau khi được đưa qua thiết bị làm lạnh nhanh Đây chính

là phương pháp cracking hơi, được sử dụng phổ biến nhất trong công nghiệp hiện nay.

1.4 Điều kiện vận hành

Với bất kỳ một quá trình nào thì điều kiện vận hành cũng là một trong những yếu

tố quan trọng hàng đầu, nó quyết định đến hiệu suất, độ chuyển hóa cũng như thành phần

và hàm lượng các sản phẩm.

Đối với quá trình cracking hơi, người ta quan tâm đến các thông số sau:

 Nhiệt độ phản ứng.

 Thời gian lưu.

 Áp suất riêng phần của các hydrocarbon và vai trò của hơi nước.

1.4.1 Nhiệt độ phản ứng

Nhiệt độ phản ứng có ảnh hưởng lớn đến độ chuyển hóa của quá trình Nhiệt độ càng cao, độ chuyển hóa càng tăng, tuy nhiên, coke tạo thành trong quá trình cũng tăng theo, lượng coke này bám trên đường ống gây tổn thất áp suất Vì vậy, quá trình phải được tiến hành ở nhiệt độ thích hợp, thông thường từ 700 ÷

900 oC, tùy thuộc vào bản chất nguyên liệu.

Nếu nguyên liệu là ethane, nhiệt độ phản ứng từ 800 ÷

850 oC, trong khi đó với nguyên liệu là các hydrocarbon nặng hơn như gasoil, naphtha thì quá trình lại được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn do các hợp chất này kém bền nhiệt hơn, khả năng phản ứng lớn hơn Cụ thể là: quá trình cracking hơi được tiến hành ở nhiệt độ từ 700 ÷

750 oC với nguyên liệu là gasoil và từ 750 ÷

800 oC với nguyên liệu là naphtha.

1.4.2 Thời gian lưu

Thời gian lưu cũng là một trong những yếu tố quan trọng của quá trình cracking hơi Thông thường, nó được lựa chọn phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng bởi thời gian lưu cũng tác động đến độ chuyển hóa của quá trình như nhiệt độ phản ứng, thời gian lưu càng dài, độ chuyển hóa càng tăng Tuy nhiên, công nghệ hiện nay đang phát triển theo chiều hướng giảm tối thiểu thời gian lưu của nguyên liệu trong thiết bị nhằm giảm các phản ứng phụ tạo ra các hợp chất nặng

Ngoài ra, thời gian lưu còn phụ thuộc vào bản chất nguyên liệu Với các nguyên liệu nặng thì sự ảnh hưởng của thời gian lưu đến hiệu suất thu sản phẩm lớn hơn nhiều so với nguyên liệu nhẹ Điển hình như quá trình nhiệt phân ethane, propane có một lượng nhỏ butane, hiệu suất thu sản phẩm với thời gian lưu biến đổi trong khoảng từ 0,2 ÷

1,2 s không khác nhau lắm Ngược lại, với các nguyên liệu nặng, quá trình chỉ có thể được tiến hành với thời gian lưu từ 0,2 ÷

0,3 s.

Theo lý thuyết, thời gian lưu càng ngắn, tỷ lệ ethylene và propylene trong hỗn hợp sản phẩm càng cao Tuy vậy, còn có một số vấn đề về kinh tế, kỹ thuật gây trở ngại đến việc giảm thời gian lưu như: năng suất thiết bị, hiệu quả trao đổi nhiệt, tổn thất áp suất,

độ bền vật liệu, chi phí Do đó, hiện nay trong thực tế, thời gian lưu ngắn nhất của nguyên liệu trong quá trình cracking hơi là 0,2s.

1.4.3 Áp suất riêng phần của các hydrocarbon và vai trò của hơi nước

Về phương diện nhiệt động học, quá trình cracking hơi sẽ ưu tiên tạo ra nhiều olefin mạch ngắn khi áp suất làm việc càng thấp Vì vậy, quá trình thường được tiến hành với áp suất bằng áp suất khí quyển hoặc lớn hơn áp suất khí quyển một tý (kể cả các tổn thất áp suất trên đường ống và tổn thất do quá trình hồi lưu nguyên liệu).

Ngoài áp suất làm việc, một yếu tố không kém phần quan trọng cần quan tâm đó là

áp suất riêng phần của các hydrocarbon bởi trong quá trình nhiệt phân luôn kèm theo các phản ứng phụ tạo các hợp chất nặng, mà sự ảnh hưởng của hàm lượng các hydrocarbon trong nguyên liệu đến vận tốc của các phản ứng phụ này lại lớn hơn rất nhiều so với vận

tốc phản ứng chính Do đó, trong thực tế, để giảm áp suất riêng phần của các hydrocarbon trong hỗn hợp phản ứng, ta dùng hơi nước để pha loãng.

Như vậy, khi cho hơi nước vào nguyên liệu, sẽ làm giảm vận tốc phản ứng, tuy nhiên sự có mặt của nó lại có một số tác dụng sau:

 Áp suất riêng phần của hơi nước càng tăng, cân bằng nhiệt động càng ưu tiên xảy ra theo hướng tạo nhiều olefin mạch ngắn.

 Giảm các phản ứng phụ tạo các hợp chất thơm đa vòng dẫn đến quá trình tạo coke.

 Trong vùng phản ứng, giảm lượng nhiệt cần cung cấp trên một đơn vị chiều dài ống.

 Giảm coke tạo ra trong quá trình nhờ vào phản ứng:

C + H2O CO + H2

Lượng khí hydro sinh ra theo phản ứng trên càng lớn, lượng coke tạo thành càng giảm nhưng do phản ứng trên chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ rất cao, khoảng 1000 oC nên quá trình này chỉ đóng vai trò thứ yếu Thực tế, lượng coke sinh ra trong quá trình giảm chủ yếu là do sự giảm vận tốc các phản ứng ngưng tụ tạo coke.

Mặc dù có nhiều ưu điểm như vậy nhưng tỷ lệ H2O/Hydrocarbon cũng cần được giới hạn vì tỷ lệ này càng lớn thì càng làm giảm năng suất của phân xưởng, tăng kích thước thiết bị do đó chi phí đầu tư cao Ngoài ra, chi phí vận hành cũng cao do phải tuần hoàn một lượng lớn hơi nước trong quá trình và phải cung cấp nhiều nhiệt lượng để đưa hơi nước đến nhiệt độ phản ứng

Thông thường, tỷ lệ H2O/Hydrocarbon được tính theo khối lượng và phụ thuộc vào nguyên liệu xử lý Đối với quá trình nhiệt phân ethane, tỷ lệ này từ 0,25 ÷

0,4 còn đối với nguyên liệu là các phân đoạn nặng thì tỷ lệ này trong khoảng 0,5 ÷

1 T/T (tấn/tấn) nguyên liệu Cụ thể là đối với nguyên liệu Naphtha, tỷ lệ pha loãng: 0,5 ÷

0.6 còn nguyên liệu là

niệm “độ nghiêm ngặt” nhằm biểu diễn sự vận hành của quá trình, thể hiện sự ảnh hưởng

chung của tất cả các yếu tố trên đến hiệu quả của quá trình.

Thực tế, trong công nghiệp, người ta thường dựa vào khái niệm độ nghiêm ngặt để phân loại sự vận hành của các phân xưởng : gồm 4 cấp độ sau

 Phân xưởng vận hành với độ nghiêm ngặt thấp.

 Phân xưởng vận hành với độ nghiêm ngặt trung bình.

 Phân xưởng vận hành với độ nghiêm ngặt cao.

 Phân xưởng vận hành với độ nghiêm ngặt rất cao.

Độ nghiêm ngặt là một khái niệm mang tính tương đối, nó tùy thuộc vào bản chất của nguyên liệu Trong quá trình cracking hơi ethane hoặc propane, độ nghiêm ngặt của quá trình được biểu diễn bởi độ chuyển hóa của nguyên liệu Trong khi đó, với nguyên

liệu là các phân đoạn dầu ở trạng thái lỏng, có thành phần khá phức tạp thì độ nghiêm ngặt lại được xác định bởi hiệu suất thu các sản phẩm nhẹ C3- Tuy nhiên, do thành phần của nguyên liệu rất phức tạp, phụ thuộc vào nguồn gốc dầu thô ban đầu, đồng thời quá trình cracking hơi luôn kèm theo các phản ứng phụ tạo các hợp chất nặng và tạo coke Vì vậy, để đánh giá một cách khách quan hơn, người ta cho rằng độ nghiêm ngặt được thể hiện bởi sự phân bố về hàm lượng tất cả các sản phẩm thu được trong quá trình

1.5 Phân tích và lựa chọn nguyên liệu

Nguyên liệu của quá trình cracking hơi khá phong phú, từ những hydrocarbon no, mạch ngắn như ethane, propane đến những phân đoạn nặng hơn như naphtha, gasoil nhẹ

và cả gasoil nặng Nhưng các phân đoạn nặng được sử dụng khá ít trong công nghiệp vì nguyên liệu càng nặng thì coke tạo ra càng nhiều kéo theo sự tăng nhanh tổn thất áp suất trong đường ống do đó phải thường xuyên thực hiện quá trình đốt coke làm giảm thời gian thực hiện chu trình.

Ở Châu Âu và Nhật Bản, nguyên liệu thường được dùng cho quá trình cracking hơi là naphtha, còn ở Mỹ và các nước sản xuất khí thiên nhiên thì nguyên liệu cho quá trình chủ yếu là ethane Vào những năm gần đây, người ta còn sử dụng cả LPG làm nguyên liệu cho quá trình này.

Việc sử dụng nguyên liệu cho quá trình cracking hơi ở một số nơi trên thế giới được biểu diễn qua bảng I.5

Bảng I.5 Việc sử dụng nguyên liệu cho quá trình cracking hơi ở một số nơi trên

thế giới vào năm 1981 (%m) [1, 145]

70

8

32

Nhìn chung, nguyên liệu của quá trình cũng là một yếu tố quan trọng cần phải quan tâm Tùy thuộc vào điều kiện của mỗi nước, mỗi vùng mà nguồn nguyên liệu sử dụng trong quá trình cracking hơi là khác nhau, tuy vậy bản chất nguyên liệu cũng ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất thu sản phẩm Bảng I.6 thể hiện hiệu suất thu các sản phẩm khi tiến hành quá trình cracking hơi ở độ nghiêm ngặt rất cao, có hồi lưu tuần hoàn ethane với các nguồn nguyên liệu khác nhau.

Bảng I.6 Bản chất nguyên liệu ảnh hưởng đến hiệu suất quá trình cracking hơi (%m)

[1, 146]

Như vậy có thể thấy rằng, với nguồn nguyên liệu ethane thì hiệu suất thu hồi ethylene là lớn nhất Chúng ta nên phát triển công nghệ Cracking hơi với nguồn nguyên liệu này.

Theo Petrovietnam, hiện có bốn bể trầm tích đã được xác định có chứa dầu và khí

đó là: bể trầm tích Cửu Long, Nam Côn Sơn, Mã Lai - Thổ Chu và bể trầm tích Sông Hồng Riêng ở bể trầm tích Cửu Long đã xác định được trữ lượng trên 100 tỷ m3 khí, trong đó phần lớn là khí đồng hành nằm trong các mỏ dầu Bạch Hổ, Rạng Đông, Hồng

Ngọc, Sư Tử Đen… Gần đây, nhà đầu tư nước ngoài đã phát hiện một mỏ mới tên Sư Tử Trắng với thành phần chính là khí đốt và condensate.

Còn tại Nam Côn Sơn, người ta cũng đã tìm ra một loạt mỏ khí thiên nhiên có thể khai thác thương mại, gồm các mỏ: Lan Tây, Lan Đỏ, Hải Thạch, Rồng Đôi, Rồng Đôi Tây, Mộc Tinh, Kim Cương Tây, Thiên Nga với tổng trữ lượng trên 150 tỷ m3 Đến nay chỉ có một mỏ Lan Tây ở khu vực này được đưa vào khai thác với sản lượng 11 triệu

m3/ngày.

Trữ lượng khí đốt tìm thấy tại bể trầm tích Mã Lai - Thổ Chu (Tây Nam) cao hơn hai khu vực trên, khoảng 200 tỷ m3, đến nay mới chỉ khai thác tại khu mỏ ở lô PM3 nằm trong vùng biển chồng lấn giữa Việt Nam và Malaysia, và mỏ Cái Nước Cuối cùng là bể trầm tích sông Hồng, hiện có mỏ Tiền Hải đang được khai thác Thành phần khí tại một số mỏ được thể hiện qua bảng sau:

Bảng I.7 Thành phần khí đồng hành ở một số mỏ dầu ở Việt Nam

76,54 6,98 8,25 0,78 0,94 1,49 5,02

77,25 9,49 3,83 1,34 1,26 2,33 4,50

Thực tế, với nguồn trữ lượng khí thiên nhiên và khí đồng hành dồi dào lên đến 500÷600 tỷ m3, ngành công nghiệp khí Việt Nam được đánh giá là có nhiều điều kiện phát triển mạnh Nhiều chuyên gia dầu khí trong nước và quốc tế cũng đã khẳng tiềm năng khí đốt ở nước ta là rất lớn, có thể lên đến 2200 tỷ m3 trong đó có thể chiếm hơn

200 tỷ m3 khí Ethane (Theo trang VnExpress.net).

Bên cạnh đó, thông qua bảng I.6 ta cũng có thể thấy rằng với nguyên liệu Ethane thì hiệu suất thu Ethylene là lớn nhất Vì vậy, trong điều kiện nước ta hiện nay, nguyên liệu thích hợp để sản xuất Olefin bằng quá trình cracking hơi là Ethane thu được từ nguồn khí Sale Gas trong các nhà máy chế biến khí

Với lý do đó, em được giao nhiệm vụ mô phỏng phân xưởng Cracking hơi bằng

phần mềm PROII, với nguyên liệu là khí Ethane.

1.6.1 Giới thiệu chung về Ethylene

1.6.1.1 Khái niệm

Ethylene, H2C=CH2 (M = 28,0536 đvC) là hợp chất nhẹ nhất trong họ Olefin mà trong phân tử có chứa một nối đôi "=", do đó có khả năng cộng hợp với Hydro nên còn được gọi là hydrocarbon chưa no.

1.6.1.2 Cấu trúc phân tử

Ethylene có cấu trúc mạch thẳng, gồm liên kết đôi C = C là tập hợp của một liên

kết σ và một liên kết π Khoảng cách giữa C-C của Ethylene là 0,134 nm, ngắn hơn chiều dài liên kết C-C của Ethane là 0,153 nm, khoảng cách giữa C-H của Ethylene là

0,110 nm Các góc H Cˆ H là 121,4o và H Cˆ C là 117,2o Trong phân tử Ethylene, các orbital lai hóa sp2 của nguyên tử Carbon xen phủ với các orbital s của Hydro.

Năng lượng của liên kết đôi C = C bằng 616 kJ/mol, nhỏ hơn nhiều so với năng lượng của hai liên kết đơn σ ( 2 ×

345 kJ/mol = 690 kJ/mol) Điều đó chứng tỏ rằng năng

lượng của liên kết π nhỏ hơn liên kết σ là 74 kJ/mol Vì vậy, liên kết π linh động hơn,

dễ bị đứt ra trong các phản ứng hóa học.

1.6.1.3 Các tính chất của Ethylene

1.6.1.3.1 Tính chất vật lý

Ethylene có một số tính chất vật lý như sau:

 Trạng thái vật lý: ở điều kiện thường, Ethylene tồn tại ở trạng thái khí, không màu, có mùi nhẹ.

 Nhiệt độ nóng chảy tnc = -169,15 oC và nhiệt độ sôi ts = -103,71 oC

 Ethylene là khí có thể tạo hỗn hợp cháy nổ với không khí nên có giới hạn cháy

nổ là : 2,7 ÷

36.

 Tính tan trong nước của Ethylene rất kém, gần như không tan trong nước nhưng lại tan tốt trong các dung môi không phân cực như benzen, ethe, tetraclorua carbon (CCl4)

1.6.1.3.2 Tính chất hóa học

Trung tâm phản ứng của Ethylene là nối đôi, ở đó orbital π trải dài theo 2 phía của trục nối C = C làm cho liên kết π dễ bị đứt ra và dễ dàng tác dụng với tác nhân electrophin.

Phản ứng đặc trưng nhất của Ethylene là cộng vào nối đôi, đặc biệt là cộng tác nhân electrophin Phản ứng trùng hợp về thực chất cũng là một dạng của phản ứng cộng Phản ứng oxy hóa ở nối đôi xảy ra khá dễ dàng và có ý nghĩa rất quan trọng.

1.6.1.3.2.1 Phản ứng cộng hợp

a Cộng Hydro (hydro hóa)

Phản ứng cộng hydro vào ethylene là một phản ứng tỏa nhiệt, chỉ xảy ra khi có mặt chất xúc tác (Ni, Pt, Pd ).

CuCl2- PdCl2 to, p

c Phản ứng Oxy hóa với xúc tác CuCl2 - PdCl2

H2C = CH2 + 0,5O2 CH3-CHO

Pd / Al2O3 to, p

d Phản ứng Oxy hóa với axit axetic

H2C = CH2 + CH3COOH + 0,5O2 CH2=CH-OOCCH3 + H2O

e Phản ứng Oxy hóa với dung dịch KMnO4

Dung dịch KMnO4 trong nước hoặc kiềm loãng oxy hóa nối đôi của Ethylene thành alcool 2 chức và làm mất màu tím dung dịch KMnO4

3CH2 = CH2 + 2MnO4(-) + 4H2O 3HOCH2 -CH2OH + 2MnO2

 Nhờ các phản ứng thế, oxy hóa và tách hydro, ethylene được dùng để sản xuất Vinylclorua: CH2 =CHCl, Vinylaxetat: CH2 = CHOCOCH3 và Styren

C6H5CH = CH2, đó là những monomer để sản xuất Polyvinylclorua (PVC), Polyvinylaxetat và Polystyren, thường được dùng trong công nghiệp điện - điện tử, làm chất dẻo: xốp, nhựa

1.6.1.4.2 Tổng hợp các hóa chất hữu cơ

 Nhờ phản ứng cộng và một số phản ứng khác, từ ethylene người ta tổng hợp Ethanol, Cloethane, 1,2-dicloethane (dùng làm dung môi và dùng trong tổng hợp hữu cơ) Từ propylene tổng hợp 2-Propanol, Glyxerin

 Nhờ phản ứng oxy hóa, từ ethylene tổng hợp Andehit Axetic (để sản xuất axit axetic), Ethylene oxit (dùng trong tổng hợp hữu cơ).

Ngoài ra, ethylene còn được dùng trong một số ứng dụng khác như: làm tác nhân kích thích mau chín trái cây (chuối, cà chua ), làm chất gây mê sơ bộ (được sử dụng ở Mỹ), làm thuốc ngủ, khí gây ngạt ở nồng độ cao Mặt khác còn có thể sử dụng như là tác nhân làm lạnh.

1.6.2 Giới thiệu chung về Propylene

Propylene (tên thông thường), có tên quốc tế la Propene là một hydrocarbon không

no thuộc họ alken.

 Công thức phân tử : C3H6

Là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất Polypropylene.

1.6.2.1 Tính chất vật lý

Propylene là phần tử đơn giản thứ hai trong họ Alken Propylene là một chất khí, không màu, không mùi, do đó người ta thường pha thêm mercaptan có mùi gần giống như tỏi vào thành phần của nó để dễ dàng nhận biết, không tan trong nước nhưng tan tốt trong dầu mỡ, dung dịch amoni đồng cũng như các chất lỏng phân cực như ether, ethanol, axeton, fufurol do trong phân tử có liên kết π , và là chất khí dễ cháy nổ.

Sau đây là các hằng số vật lý cơ bản của Propylene:

• Khối lượng phân tử: 42,08 đvC

• Áp suất tới hạn: Pc = 4,7 MPa

• Nhiệt cháy: 10,94 kcal/kg (ở 25 oC)

1.6.2.2.1 Phản ứng cộng

1.6.2.2.1.1 Phản ứng cộng hydro (phản ứng hydro hóa)

Khi có mặt của chất xúc tác Ni, Pt, Pd, cùng với nhiệt độ thích hợp thì propylene cộng hydro vào nối đôi tạo thành propane, phản ứng tỏa nhiệt:

1.6.2.2.1.2 Phản ứng cộng halogen (phản ứng halogen hóa)

Clo và brom dễ cộng hợp với propylene để tạo thành dẫn xuất đihalogen không màu,do tính chất làm mất màu dung dịch clo (brom) nên người ta thường dùng dung dịch nước clo (brom) để nhận biết anken:

 Phân tử H+-Cl- bị phân cắt, H+ tương tác với liên kết π tạo thành carbocation, còn

Cl- tách ra.

 Carbocation là tiểu phân trung gian không bền, kết hợp ngay với anion Cl- tạo thành sản phẩm.

b Cộng nước (hydrat hóa)

Ở nhiệt độ thích hợp và có xúc tác acid, propylene có thể cộng hợp nước:

CH2=CH2-CH3 +H-OH CH3-CH2-CH2-OH (propanol)

Quy tắc cộng hợp tuân theo quy tắc Mac-côp-nhi-côp (phần điện tích dương của tác nhân cộng vào carbon mang nhiều H hơn (tức là carbon bậc thấp hơn), còn phần mang điện tích âm của tác nhân sẽ cộng vào carbon mang ít H hơn).

Ngoài ra propylene cũng có khả năng làm mất màu quỳ tím như những anken khác.

3C3H6 + 2KMnO4 + 4H2O 3CH3-CH(OH)-CH2OH + MnO2 + 2KOH

1.6.2.3 Ứng dụng

Propylene được làm nguyên liệu cho quá trình Polymer hóa và cho quá trình sản

xuất các chất hoạt động bề mặt Cụ thể sản phẩm khí Propylene này sẽ là nguồn nguyên

liệu cho nhà máy sản xuất nhựa Ngoài ra nó còn là nguồn nguyên liệu cho nhà máy sản

xuất chất tẩy rửa công nghiệp, là nguồn chất đốt cung cấp cho các phân xưởng khác trong

nhà máy.

t o ,

H+,to

Theo Bộ Công Nghiệp:

Propylene là nguồn nguyên liệu thứ cấp quan trọng nhất cho các sản phẩm hoá dầu Dẫn xuất chủ yếu của propylene gồm: polypropylene(PP), acrylontitril, propylene oxit, cumen/phenol, oxo anol, axit acrylic, isopropyl ancol, oligomer và các chất trung gian hỗn hợp tạp khác.

Nhu cầu toàn cầu đối với propylene vào năm 1980 là 16,4 triệu tấn và đến năm

2005 tăng lên khoảng 68 triệu tấn, trung bình mỗi năm tăng 6% Vào năm 2010, nhu cầu này lên tới 81 triệu tấn (tăng khoảng 3,5% trong giai đoạn 2005-2010) Nguyên nhân khiến nhu cầu propylene tăng chủ yếu là do nhu cầu PP thúc đẩy

Đối với propylene, cầu có thể tăng mạnh hơn cung Tình trạng cung/cầu và giá cả của propylene phụ thuộc rất nhiều vào hoạt động sản xuất và cân bằng cung/cầu của ngành lọc dầu, vào tốc độ hoạt động và hoạch định về nguyên liệu trong công nghiệp sản xuất ethylene.

Hiện nay, các nguồn cung cấp propylene như cacking ethane, đề hydro hóa propane nhưng vẫn không thể đáp ứng được nhu cầu thị trường do nhiều lý do khác nhau như công suất không đủ lớn, đắt tiền, nguồn nguyên liệu không có sẵn Chúng ta cần phải tìm các nguồn propylene khác, có thể sản xuất trực tiếp propylene hoặc gián tiếp

từ sản phẩm phụ của các quy trình sản xuất khác (như từ quá trình RFCC…) đã có sẵn Tuỳ thuộc vào nhu cầu và giá trị khác của Ethylene đối với Propylene mà có thể có lợi về mặt kinh tế khi ta điều chỉnh công nghệ sao cho tạo ra nhiều sản phẩm phụ propylene hơn ethylene.

Mặc dù Poly-Propylene (PP) sẽ vẫn là dẫn xuất chủ yếu và thúc đẩy nhu cầu Propylene nhưng những phát triển các dẫn xuất khác cũng có thể ảnh hưởng đến nhu cầu Propylene như: sản xuất Arcylonitril, Propylene Oxit, Cumen/Phenol, Biphenol-A cho sản xuất Polycacbonat,

CHƯƠNG II - TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROII

2.1 Quá trình mô phỏng hệ thống Công nghệ hóa học

Quá trình mô phỏng hệ thống công nghệ hóa học là thiết lập mô hình toán học cho

hệ thống đó Hệ thống công nghệ hóa học là tập hợp các thiết bị liên hệ với nhau bởi các dòng công nghệ và hoạt động như một thể thống nhất của các thiết bị trong đó tồn tại chuỗi xây dựng các công đoạn công nghệ Việc mô hình hóa hệ thống công nghệ hóa học dưới dạng mô hình toán nhằm dễ dàng thu nhận thông tin và kết quả cho hệ thống đó.

Mô hình toán hệ thống công nghệ hóa học là tập hợp hệ thống các phương trình toán gồm sự mô tả toán học của quá trình, thiết bị qua các biến số dòng và các phương trình liên kết giữa tập hợp các thiết bị có trong sơ đồ.Vai trò quan trọng trong mô hình

toán hệ thống công nghệ hóa học là ngân hàng dữ liệu về tính chất hóa lý, tính chất nhiệt động của các cấu tử ở dạng tinh khiết và hỗn hợp của chúng.

Do tính phức tạp của hệ thống công nghệ hóa học nên việc mô hình hóa gặp nhiều khó khăn về mặt phương pháp luận và tính toán, nguyên nhân chủ yếu do tính đa phương của hệ thống theo thành phần và theo thông số hoạt động cũng như mức độ ảnh hưởng của các thông số thành phần và chế độ công nghệ.

Trong các chương trình mô phỏng khác nhau, việc mô hình hóa một hệ thống và thực hiện các quá trình tính toán liên quan đến các thông số của hệ thống được điều hành dựa trên độ tự do (Degree of Freedom - DOF) của từng thiết bị và của cả hệ thống Độ tự

do là số biến số độc lập có thể thay đổi mà hệ thống vẫn có đáp ứng đầu ra xác định Nói cách khác, độ tự do của hệ thống là hiệu số giữa số biến số và số mối quan hệ ràng buộc giữa chúng với nhau.

2.1.1 Đặc điểm của một chương trình mô phỏng

 Chương trình mô phỏng luôn có các thành phần sau:

 Thư viện dữ liệu và thuật toán liên quan đến việc truy cập và tính toán các tính chất hóa lý của các cấu tử và hệ cấu tử.

 Các công cụ mô phỏng cho các quá trình có thể có trong hệ thống công nghệ hóa học như bơm, máy nén, truyền nhiệt, chưng cất, Phần này chứa các mô hình toán và thuật toán phục vụ cho quá trình tính toán các thông số công nghệ của một quá trình được mô phỏng.

 Các công cụ mô phỏng cho các quá trình điều khiển trong một quy trình công nghệ hóa học.

 Chương trình điều hành chung toàn bộ hoạt động của các công cụ mô phỏng

 ASPEN PLUS (ASPENTECH - Mỹ)

Các phần mềm này đều có khả năng tính toán cho các quá trình lọc hóa dầu, tuy nhiên mỗi phần mềm có ưu điểm vượt trội cho một quá trình nào đó Đa số các phần mềm chạy trên hệ điều hành DOS, chỉ có PRO/II và HYSYS chạy trên môi trường Windows.

Việc sử dụng phần mềm mô phỏng để tính toán công nghệ các quá trình lọc hóa dầu ở nước ta còn nhiều hạn chế do thiếu kinh nghiệm thực tế và kiến thức về các phần mềm.

2.2 Phần mềm PRO/II

2.2.1 Tính năng và phạm vi sử dụng

PRO/II là sản phẩm của hãng SIMSCI có tác dụng mô phỏng các quá trình trong công nghệ hóa học mà chủ yếu là lĩnh vực dầu khí PRO/II có thể dễ dàng cài đặt trên hầu hết các máy tính với một thư viện dữ liệu rộng lớn, các modun tính toán và sự đa dạng về phương pháp nhiệt động đã đáp ứng được hầu hết các công việc thiết kế, nghiên cứu trong công 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 dễ dàng 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 công việc được hướng dẫn cụ thể thông qua sự hiển thị màu trên màn hình Chương trình mô phỏng được chạy với số lần lặp xác định Chương trình mô phỏng phương pháp tính toán bằng tay, tự động biên dịch thông tin đưa vào và thực hiện quá trình tính toán từ các thông tin đó Chương trình có một số đặc trưng sau:

 Khả năng tính từng phần: khi đã biết đủ các thông số cần thiết thì chương trình sẽ

tự động tính các thông số còn lại.

 Khả năng tính hai chiều và khả năng sử dụng thông tin một phần: chương trình được chia thành nhiều modun khác nhau, mỗi modun là một thiết bị như 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 này đến mỗi thiết bị

có thể sử dụng chúng Quá trình này tiếp diễn cho đến khi tất 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, các kết 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 alkyl hóa

 Stripping hơi nước

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 của thiết 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 và 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 thể thay 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

Hình II.1 Phương pháp lựa chọn mô hình nhiệt động cho quá trình mô phỏng

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

mô phỏng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả mô phỏng.

Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính các thông số sau :

 Hằng số cân bằng pha K: thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng.

 Enthanpy của các pha lỏng và pha hơi: xác định năng lượng cần thiết để chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác.

 Enthanpy của các pha lỏng và pha hơi: nhằm phục vụ việc tính toán các máy nén, thiết bị giãn nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng.

 Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi: để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực và xác định kích thước tháp chưng cất.

Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau:

 Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như: hằng số cân bằng lỏng- hơi (VLE: Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất,

cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly,

 Thành phần của hỗn hợp.

 Phạm vi nhiệt độ và áp suất.

 Tính sẵn có của các thông số hoạt động của các thiết bị.

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 cấp gồm: 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 xuất hiện màu đỏ trên đường viền của các thiết bị hay các dòng chảy Nếu tất cả đường viền là

màu xanh dương, xanh lá cây hay đen có nghĩa là đã cung cấp đủ thông tin để chạy chương trình Có thể xem kết quả bằng nhiều cách: đồ thị, báo cáo xuất,

2.2.3 Các phần cơ bản của PRO/II

2.2.3.1 Giao diện của PRO/II

a Quy ước ban đầu

Khi khởi động PROII, đầu tiên sẽ xuất hiện một cửa sổ giao diện qui ước ban đầu như sau:

Các nút hoặc các biểu tượng trong một vài trường hợp được viền quanh bởi 1 trong

6 màu sau: đỏ, xanh lục, xanh dương, vàng, nâu và đen Ý nghĩa của mỗi màu như sau:

• Đỏ: dữ liệu yêu cầu cần phải nhập

• Xanh lục: dữ liệu mặc định hoặc lựa chọn

• Xanh dương: dữ liệu bạn vừa cung cấp thoả mãn yêu cầu

• Vàng: báo rằng số liệu bạn vừa nhập ngoài khoảng cho phép

• Nâu: dữ liệu không có giá trị

• Đen: dữ liệu không yêu cầu nhập vào

b Cửa sổ PRO/II

Sau khi chương trình PRO/II khởi động, lúc này có thể mở một file mô phỏng mới (chọn File/New), mở một file đã có (chọn File/Open) hay nhập một file Keyword (chọn File/Import).

Màn hình bao gồm:

Dòng trên cùng gọi là Application Title Bar (Thanh tiêu đề ứng dụng), ở đó có

tên của ứng dụng là PRO/II with PROVISION, kèm theo là Document Title Bar (Thanh

tiêu đề tài liệu) ở đó có tên của chương trình mô phỏng đang thực hiện (chẳng hạn là View 1 - là tên nguyên của tài liệu khi mới khởi động PRO/II).

Dòng thứ hai gọi là Menu Bar (Thanh trình đơn) gồm 10 mục từ File đến Help Dòng thứ ba gọi là Standard Tool Bar (Thanh công cụ chuẩn) chứa biểu tượng của

các lệnh thường dùng.

Bên phải và phía dưới màn hình là thanh trượt dọc và thanh trượt ngang.

Bên phải màn hình, bên ngoài thanh trượt dọc là thanh công cụ floating PFD

(Pipe Flow Diagram) Nếu thanh công cụ PFD không hiển thị thì ta có thể gọi

nó như sau:

 Click vào biểu tượng Show or Hide PFD Palette trên Standard Tool Bar

 Hoặc từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) PFD

Ngoài ra còn có thanh công cụ Run Để làm xuất hiện hoặc biến mất thanh công

cụ này cũng từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) Run.

2.2.4.2 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 nghệ trong các ngành công nghiệp lọc hóa dầu, công nghiệp hóa chất Mỗi thiết bị được xác định bởi chức năng nhiệt động học, lượng vật chất, năng lượng trao đổi và các tham

số nội tại (hệ số truyền nhiệt, độ giảm áp, ) Các thiết bị liên hệ với nhau bằng các dòng chảy liên kết, chính các dòng chảy vào và ra khỏi thiết bị này sẽ xác định trạng thái làm việc 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 tùy ý

• 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 phản ứng (Reactor)

• Thiết bị nén, giãn nở (Compressor, Expander)

• Thiết bị cân bằng (Balance): cân bằng năng lượng hay cân bằng vật chất cho hệ

• Thiết bị điều khiển (Controller)

• Thiết bị hoàn lưu (Recycle)

CHƯƠNG III – PHÂN TÍCH VÀ THIẾT LẬP SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ

3.1 Mục đích

Việc thiết lập sơ đồ mô phỏng quá trình Cracking hơi nhằm nghiên cứu, phân tích các thông số ảnh hưởng đến quá trình cũng như đến chất lượng sản phẩm Qua đó tìm ra giải pháp tối ưu cho quá trình Cracking hơi Đồng thời nhằm khẳng định lại các cơ

sở lý thuyết của quá trình Cracking hơi.

3.2 Những đặc điểm chung của quá trình Cracking hơi

Tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu sử dụng mà người ta xây dựng các sơ đồ công nghệ khác nhau, tuy nhiên cho dù công nghệ có phức tạp hay đơn giản thì phân xưởng cracking hơi cũng bao gồm một số thiết bị chính: lò phản ứng, thiết bị tôi sản phẩm, hệ thống các thiết bị phân tách sản phẩm và được chia ra làm hai khu vực:

 Khu vực đưa nguyên liệu đến nhiệt độ phản ứng và thực hiện phản ứng (còn được gọi là vùng nóng).

 Khu vực tách các sản phẩm hình thành trong quá trình (còn được gọi là vùng lạnh).

Nhìn chung, quá trình cracking hơi đòi hỏi tiến hành theo các bước chủ yếu:

 Cung cấp nhiệt, tiến hành phản ứng.

 Thực hiện quá trình “tôi sản phẩm” (làm lạnh nhanh).

 Tinh chế sản phẩm.

3.2.1 Tiến hành phản ứng

Phản ứng cracking thường được thực hiện trong lò ở nhiệt độ cao (trên 700 oC) Trước khi vào lò, nguyên liệu phải được pha loãng bằng hơi nước với tỷ lệ thích hợp nhằm làm giảm áp suất riêng phần của các hydrocarbon, hạn chế các phản ứng phụ Nhiệt đưa nguyên liệu đến nhiệt độ phản ứng và nhiệt để thực hiện phản ứng được cung cấp bởi quá trình đốt cháy nhiên liệu nhờ các béc - đốt bố trí trong lò.

3.2.2 Quá trình “tôi sản phẩm”

Sản phẩm ra khỏi lò phản ứng được làm lạnh một cách nhanh chóng nhằm mục đích cản trở quá trình polymer hóa tạo các hợp chất cao phân tử Điều đáng chú ý ở

đây là phải giảm đến mức tối thiểu quãng đường đi của sản phẩm từ lò đến thiết bị làm lạnh nhanh để giảm thời gian lưu “ bổ sung”, tránh trường hợp sản phẩm tiếp tục thực hiện các phản ứng phụ khi còn ở nhiệt độ cao.

Nước đi vào thiết bị làm lạnh nhanh nhận một lượng nhiệt lớn từ hỗn hợp sản phẩm ra khỏi lò, tạo hơi nước áp suất cao, phục vụ cho hoạt động của các máy nén Thông thường, thiết bị này thu hồi lại 50% lượng nhiệt do lò cung cấp Tùy thuộc vào bản chất nguyên liệu xử lý mà nhiệt độ của dòng khí sản phẩm ra khỏi thiết bị và các đặc tính của hơi nước sinh ra trong quá trình là khác nhau Điều này được thể hiện ở bảng III.1.

Bảng III.1 Ảnh hưởng bản chất nguyên liệu đến nhiệt độ làm lạnh sản phẩm

và các đặc tính của hơi nước [1, 166]

Nguyên liệu xử lý

Nhiệt độ sản phẩm cracking hơi khi ra khỏi thiết bị làm lạnh nhanh (oC)

Đặc tính của hơi nước sản

Sau khi được làm lạnh nhanh, hỗn hợp sản phẩm sẽ tiếp tục đi qua các thiết bị trao đổi nhiệt để giảm nhiệt độ rồi đưa sang tháp tách sơ bộ nhằm tách các hợp chất ngưng tụ Tại tháp này, một phần lỏng ngưng tụ được tách ra ở đáy tháp Sau đó, hơi

thoát ra ở đỉnh tháp được cho qua các thiết bị làm lạnh sẽ làm ngưng tụ một phần nước và xăng Hỗn hợp lỏng - hơi này sẽ được đưa vào trong một ballon và thực hiện quá trình phân tách Nước ngưng sẽ được xử lý làm sạch sau đó tiếp tục tuần hoàn khép kín trong chu trình.

Phần hơi còn lại sau khi ra khỏi ballon còn rất nhiều cấu tử có nhiệt độ sôi rất thấp (methane, ethylene, ethane…) Ở áp suất khí quyển, để tách được các cấu tử này phải tiến hành ở nhiệt độ rất thấp và gặp nhiều khó khăn Vì vậy, để thuận tiện hơn, người ta thường tiến hành tách trong các tháp chưng ở nhiệt độ thấp sau khi qua hệ thống máy nén nhiều cấp

Nhằm tránh trường hợp hình thành các tinh thể nước trong “vùng lạnh”, trước khi qua các tháp tách, hỗn hợp phải được sấy khô, bảo đảm hàm lượng nước nhỏ hơn 5ppm Ngoài ra, trong vùng này, người ta còn bố trí các thiết bị hydro hóa axetylene hình thành trong quá trình.

3.2.4 Quá trình đốt coke

Mặc dù quá trình làm việc của lò luôn được tiến hành ở điều kiện hạn chế tối

đa sự hình thành coke, tuy nhiên hiện tượng coke sinh ra trong quá trình bám vào thành ống trong lò và thiết bị tôi sản phẩm là không thể tránh khỏi Lượng coke này càng lớn càng làm giảm khả năng truyền nhiệt qua thành ống đồng thời tăng trở lực bên trong ống Vì vậy phải ngắt quãng chu trình làm việc của lò để tiến hành đốt coke Khoảng thời gian giữa hai lần đốt coke liên tiếp (hay còn gọi là chu trình làm việc của lò) phụ thuộc vào thiết bị và bản chất nguyên liệu Thông thường khoảng 90 ngày đối với nguyên liệu là Ethane, 65 ngày với nguyên liệu Naphtha và 40 ngày với nguyên liệu gasoil Để loại bỏ coke trong ống, người ta tiến hành đốt với sự có mặt của hỗn hợp hơi nước và không khí ở nhiệt độ 600 ÷

800 oC, cũng có thể chỉ sử dụng hơi nước nhưng nhiệt độ tiến hành phải cao hơn (từ 900 ÷

950 oC) Thời gian dừng lò để đốt coke khoảng 30 giờ khi tiến hành ở 950 oC với sự có mặt của hơi nước, thời gian này

sẽ giảm xuống còn 10 giờ khi thêm 10% không khí và giảm còn 5 giờ khi thêm 20% không khí.

3.3 Phân tích một số sơ đồ công nghệ sản xuất Ethylene trên thế giới

3.3.1 Công nghệ sản xuất Ethylene của hãng Lummus

 Khoảng 40% nhà máy sản xuất Ethylene trên thế giới sử dụng công nghệ của Lummus.

 Giới thiệu về công nghệ Lummus sản xuất Ethylene :

o Áp dụng:

Sản xuất Ethylene với độ tinh khiết cao (lớn hơn 99,5%vol) Các sản phẩm phụ thường thu được là propylene (dùng cho tổng hợp hữu cơ hoặc sản xuất polymer), butađiene từ dòng nguyên liệu giàu C4, các hợp chất thơm từ nguyên liệu là phân đoạn gasoline C6 đến C8.

o Mô tả công nghệ:

Dòng nguyên liệu hydrocarbon được tiền gia nhiệt và cracking với sự có mặt của dòng hơi nước, trong các ống của lò cracking hơi (1) với thời gian lưu ngắn (short residence time) Chính điều này tạo nên dòng sản phẩm ra khỏi lò có hàm lượng olefin cực kì cao Dòng sản phẩm ra khỏi lò (1) có nhiệt độ khoảng từ 815°C đến 870°C (1500÷1600 °F), được làm lạnh nhanh chóng nhờ các thiết bị làm lạnh (2) (quá trình tôi) nhờ nước, đồng thời tạo nên dòng hơi nước có áp suất cao

Hình III.2 Sơ đồ công nghệ sản xuất Ethylene của hãng ABB Lummus

bị trao đổi nhiệt (7) H2 được tách ra khỏi dòng, sau đó dòng này sẽ đi vào tháp tách

Methane (Demethanizer) (8) Tháp demethanizer vận hành ở áp suất khoảng 7 bar Sản phẩm đáy của (8) được đưa đến tháp tách ethane (Deethanizer) (9)

Axetylene từ đỉnh tháp tách ethane hoặc được hydro hoá để tạo ra Ethylene (10) hoặc được thu hồi Dòng Ethylene - Ethane được phân đoạn trong tháp (11), Ethylene được thu hồi ở đỉnh tháp, còn Ethane được thu hồi tại đáy tháp (11) rồi hồi lưu lại và tiếp tục được cracking tiếp.

Dòng đáy của deethanizer và dòng condensate thu được từ (5) được đưa đến tháp tách propane (depropanizer) (12) Tại đây, Metylaxetylene và propadiene được hydro hoá Dòng sản phẩm đáy của (12) được đưa đến tháp tách (14) để tách được hỗn hợp C4 ở đỉnh và phân đoạn gasoline ở đáy Sản phẩm đỉnh của (12) được đưa đến tháp phân tách (13) để thu hồi propylene ở đỉnh và propane ở đáy

Với sơ đồ công nghệ trên, khoảng 25% các thiết bị được giảm bớt so với sơ đồ chuẩn cho quá trình sản xuất ethylene Sử dụng xúc tác hydro hoá chọn lọc cho các axetylene từ C2 đến C4 và các diene trong một tháp đơn, hạ áp suất của dòng khí sau khi crack xuống dưới 17bar (250 psig), sử dụng quá trình làm lạnh một tầng thay cho hệ thống tách 3 cấp

3.3.2 Công nghệ sản xuất Ethylene của Kellog&Brown

 Hiệu suất thu Etylene: 84% đối với nguyên liệu là Ethane, 38% đối với nguyên

liệu là phân đoạn Naphtha, 32% đối với phân đoạn gas-oil

 Giới thiệu về công nghệ Kellog&Brown sản xuất Ethylen:

o Lĩnh vực áp dụng:

Cracking hơi với hiệu suất cao, thu được Ethylene, Propylene, butadiene; sản phẩm giàu hợp chất thơm khi cracking phân đoạn naphtha, H2 và nhiên liệu đốt fuel-oil Nguyên liệu cho quá trình thay đổi từ Ethane cho đến phân đoạn gas-oil chân không.