Mô phỏng phân xưởng isomer hóa bằng phần mềm hysys và ứng dụng vào việc vận hành pilot isomer hóa

Mô phỏng phân xưởng isomer hóa bằng phần mềm hysys và ứng dụng vào việc vận hành pilot isomer hóa LỜI NÓI ĐẦUViệt Nam là quốc gia may mắn được thiên nhiên ưu đãi, ban tặng cho nguồn tài nguyên quý giá là dầu mỏ. Chỉ tính riêng năm 1994, thu nhập từ dầu khí đã gần 1 tỷ USD bằng một phần ba tổng kim ngạch xuất khẩu của cả nước, một con số đáng ghi nhận vai trò và ý nghĩa của dầu khí nước ta ngay trong giai đoạn đầu mới hình thành. Trong giai đoạn phát triển mới của đất nước, giai đoạn công nghiệp hoá hiện đại hoá nhằm tạo ra một sự phát triển với nhịp điệu tăng trưởng cao, dầu khí sẽ đóng một vai trò vô cùng quan trọng góp phần hình thành và phát triển nên nhiều ngành kinh tế và kỹ thuật khác như: Ngành năng lượng, ngành công nghiệp nhiên liệu, ngành công nghiệp hàng tiêu dùng và nhiều ngành công nghiệp đa dạng khác.Ở nước ta, dầu khí tuy còn là một ngành công nghiệp mới mẻ nhưng đầy triển vọng và đã sớm khẳng định được vị trí quan trọng. Đó là một ngành công nghiệp mũi nhọn góp phần thúc đẩy nền kinh tế nước ta trong nhiều lĩnh vực mà quan trọng nhất là công nghiệp hoá hiện đại hoá và hội nhập với quốc tế.Nắm bắt được vai trò quan trọng của ngành công nghiệp đầu tàu này, chính phủ và nhà nước đã tập trung xây dựng nhiều dự án mang tính quy mô và chiến lược trong lĩnh vực dầu khí. Và nhà máy lọc dầu Dung Quất ra đời là một điển hình hứa hẹn một sức bật mạnh mẽ cho công nghiệp dầu khí và đảm bảo về an toàn năng lượng, một vấn đề được quan tâm nhất đối với kinh tế nhiều quốc gia và cũng như đối với Việt Nam chúng ta.Trong chức năng và nhiệm vụ của mình, nhà máy sẽ cung cấp cho thị trường các sản phẩm: LPG, Xăng 909295, Nhiên liệu phản lực, Dầu Diesel, FO... đảm bảo tiêu chuẩn Việt Nam. Một trong những sản phẩm chiếm thị phần phân phối rất lớn, có mặt khắp mọi nơi và cũng đang là nhu cầu bức thiết của xã hội hiện nay đó là xăng có chỉ số octan cao và ít ô nhiễm môi trường để thay thế cho xăng Mogas 83 chất lượng thấp. Chất lượng cho xăng thương phẩm sẽ được cải thiện rất nhiều nhờ hai phân xưởng CCR và Đồng phân hóa. Trong đó, phân xưởng Đồng phân hóa vừa đảm bảo tăng RON cho xăng nhưng lại ít tạo các hợp chất thơm độc hại như phân xưởng CCR. Trong tương lai không xa, quá trình CCR sẽ bị thay thế vì tính ô nhiễm của hợp chất thơm trong sản phẩm, khi đó công nghệ Đồng phân hóa càng có vai trò quan trọng và là phân xưởng không thể thiếu trong các nhà máy lọc dầu trong tương lai, trước tiên là 2 dự án: Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn và Long Sơn sắp tới.Do phân xưởng Đồng phân hoá có tầm quan trọng như vậy nên việc nghiên cứu trên cơ sở mô phỏng bằng phần mềm là việc làm cần thiết cho những kỹ sư hóa dầu sau này. Vì vậy tôi chọn đề tài « Mô phỏng phân xưởng isomer hóa bằng phần mềm Hysys và ứng dụng vào việc vận hành Pilot Isomer hóa » làm đề tài tốt nghiệp cuối khóa. Tôi cũng mong thầy cô và bạn bè đồng nghiệp thông cảm cho những thiếu sót không mong muốn gặp phải trong quá trình mô phỏng và đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn chỉnh hơn.

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ISOMER HÓA 14

1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA PHÂN XƯỞNG ISOMER 14

1.2 GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH ĐỒNG PHÂN HÓA [1] 15

1.2.1 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu 16

1.2.2 Mục đích quá trình 16

1.2.3 Nguyên liệu 16

1.2.4 Các phản ứng của quá trình 17

1.2.5 Sản phẩm 18

1.2.6 Nhiệt động học 19

1.2.7 Xúc tác 19

1.2.8 Điều kiện tiến hành của quá trình 22

1.2.9 Cơ chế 22

1.2.10 Công nghệ isomer hóa 25

1.2.11 Lựa chọn dây chuyền công nghệ và chất xúc tác 37

CHƯƠNG 2 39

PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 39

2.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 39

2.1.1 Mô tả chung 39

2.1.2 Nguyên liệu và sản phẩm 40

2.1.3 Sơ đồ công nghệ 41

2.2 PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA NMLD DUNG QUẤT [5] 46

2.2.1.Nguyên liệu 46

2.2.2 Sản phẩm 48

2.2.3 Sơ đồ công nghệ PENEX-DIH [5] 49

CHƯƠNG 3 55

MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG ĐỒNG PHÂN HÓA BẰNG PHẦN MỀM HYSYS 55

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HYSYS [6] 55

3.1.1 Giới thiệu sơ lược về Hysys 55

3.1.2 Các ứng dụng của Hysys 55

3.1.3 Những ưu điểm của phần mềm Hysys 56

3.2 THAO TÁC MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN TRONG HYSYS 57

3.2.1 Các bước xây dựng mô hình tính toán mô phỏng trong Hysys 57

3.2.2 Ứng dụng Hysys để mô phỏng công nghệ PENEX/DIH của phân xưởng Đồng phân hóa 61

3.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76

3.3.1 Sản phẩm ISOMERATE 76

3.3.2 Cân bằng vật chất tại các cụm thiết bị thiết bị chính 78

3.4 TÍNH TOÁN SIZING CHO THÁP DIH 79

CHƯƠNG 4 81

KHẢO SÁT SỰ VẬN HÀNH CỦA PILOT QUÁ TRÌNH ISOMER HÓA 81

4.1 NGUYÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC [8] 81

4.2 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM 81

4.2.1 Van 3 thông 82

4.2.2 Thiết bị phản ứng 83

4.2.3 Thiết bị làm mát bằng nước đá 84

4.2.4 Thiết bị làm khô, khử oxy và làm sạch 85

4.2.5 Đồng hồ đo áp suất 86

4.2.5 Bảng hiển thị và điều khiển nhiệt độ 86

4.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 87

4.4 VẤN ĐỀ GẶP PHẢI 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

13

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ISOMER HÓA 14

1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA PHÂN XƯỞNG ISOMER 14

Hình 1.1 Chất lượng sản phẩm isomerate so với các nguồn phối trộn xăng khác 15

Người ta áp dụng công nghệ isomer hoá nhằm chuyển hóa các n-paraffin thành các i-paraffin có chỉ số octane cao hơn nhiều và đáp ứng các yêu cầu của xăng động cơ về chất lượng và bảo vệ môi trường như: giảm hàm lượng chất thơm, MTBE các phối tử có chỉ số octane cao trong phối liệu tạo xăng Hiện nay, xăng thương phẩm thu được là do phối trộn các bán sản phẩm từ nhiều nguồn khác nhau như được trình bày trong hình sau: 15

15

1.2 GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH ĐỒNG PHÂN HÓA [1] 15

1.2.1 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu 16

Hình 1.3 Vị trí của phân xưởng isomer trong nhà máy lọc dầu 16

1.2.2 Mục đích quá trình 16

1.2.3 Nguyên liệu 16

1.2.4 Các phản ứng của quá trình 17

1.2.4.1 Các phản ứng chính 17

1.2.4.2 Các phản ứng khác 18

1.2.5 Sản phẩm 18

1.2.6 Nhiệt động học 19

1.2.7 Xúc tác 19

1.2.7.1 Quá trình phát triển của xúc tác 19

1.2.7.2 Các xúc tác dùng trên thị trường 20

1.2.7.3 So sánh các loại xúc tác và xúc tác mới 20

1.2.8 Điều kiện tiến hành của quá trình 22

Bảng 1.1 Điều kiện vận hành và RON của sản phẩm khi sử dụng các loại xúc tác khác nhau 22

1.2.9 Cơ chế 22

Bảng 1.2 Sự ảnh hưởng của tỷ lệ n-Pt/n-A 25

1.2.10 Công nghệ isomer hóa 25

1.2.10.1 Ảnh hưởng của xúc tác tới công nghệ [1] 25

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ PENEX của OUP sử dụng xúc tác [Pt/γAl2O3(Cl)] 26

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ HYSOMER sử dụng xúc tác (Pt/zeolite) của SHELL 27

1.2.10.2 Quá trình không tuần hoàn, 1 giai đoạn 27

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ Penex của OUP 28

Hình 1.7 Sơ đồ đơn giản của công nghệ PAR-ISOM 29

1.2.10.3 Quá trình có hồi lưu 30

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ PENEX / DIH (OUP) 31

Bảng 1.3 So sánh chất lượng của hai quá trình 31

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ của quá trình TIP 32

Bảng 1.4 Hiệu suất thu sản phẩm isomerate của quá trình TIP 32

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ của quá trình IPSORB 34

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ của quá trình HEXSORB 35

Bảng 1.5 Giá trị RON thu được khi sủ dụng hai loại xúc tác cho từng công nghệ 35

Hình 1.12 Đồ thị so sánh giá trị RON thu được của các công nghệ 36

1.2.10.4 Nhận xét 36

Hình 1.13 Đường cân bằng nhiệt động của quá trình không và có tuần hoàn 37

1.2.11 Lựa chọn dây chuyền công nghệ và chất xúc tác 37

1.2.11.1 Lựa chọn dây chuyền công nghệ 37

Hình 1.14 Đồ thị so sánh hiệu quả kinh tế của các công nghệ 37

1.2.11.2 Lựa chọn chất xác tác 37

Hình 1.15 Sơ đồ thể hiện hoạt tính của xúc tác 38

CHƯƠNG 2 39

PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 39

2.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 39

2.1.1 Mô tả chung 39

Hình 2.1 Sơ đồ tổng thể vị trí nhà máy lọc dầu Dung Quất 39

Hình 2.2 Bố trí mặt bằng nhà máy 40

2.1.2 Nguyên liệu và sản phẩm 40

2.1.2.1 Nguyên liệu 40

2.1.2.2 Sản phẩm 40

2.1.3 Sơ đồ công nghệ 41

2.1.3.1 Các phân xưởng công nghệ 41

2.1.3.2 Sơ đồ công nghệ 42

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ của nhà máy 43

2.2 PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA NMLD DUNG QUẤT [5] 46

2.2.1.Nguyên liệu 46

2.2.1.1.Dòng Naphta nhẹ đã xử lý hydro 46

Bảng 2.1 Thành phần của nguyên liệu 46

2.2.1.2.Make-up Gas 47

Bảng 2.2 Thành phần của Make-up Hydro 47

2.2.2 Sản phẩm 48

2.2.2.1 Isomerate 48

Bảng 2.3 Thành phần isomerate trong các trường hợp SOR và EOR 48

2.2.2.2 Net Gas 48

Bảng 2.4 Thành phần của Net Gas trong các chế độ khác nhau 49

2.2.3 Sơ đồ công nghệ PENEX-DIH [5] 49

2.2.3.1.Các thiết bị chính trong phân xưởng 49

Hình 2.4 Cụm Feed Driers (DR-2303/2304) 50

Hình 2.5 Cụm thiết bị phản ứng (R-2302/2303) 51

Hình 2.6 Thiết bị Stabilizer (T-2301) 52

2.2.3.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ 52

CHƯƠNG 3 55

MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG ĐỒNG PHÂN HÓA BẰNG PHẦN MỀM HYSYS 55

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HYSYS [6] 55

3.1.1 Giới thiệu sơ lược về Hysys 55

3.1.2 Các ứng dụng của Hysys 55

3.1.3 Những ưu điểm của phần mềm Hysys 56

3.2 THAO TÁC MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN TRONG HYSYS 57

3.2.1 Các bước xây dựng mô hình tính toán mô phỏng trong Hysys 57

Hình 3.1 Thiết lập đơn vị nhiệt động 58

Hình 3.2 Chọn hệ phương trình nhiệt động 59

Hình 3.3 Lựa chọn cấu tử 59

Hình 3.4 Môi trường mô phỏng trong Hysys 60

3.2.2 Ứng dụng Hysys để mô phỏng công nghệ PENEX/DIH của phân xưởng Đồng phân hóa 61

3.2.2.1 Tiến hành xây dựng sơ đồ công nghệ 61

Hình 3.5 Lựa chọn cấu tử từ Component Library 61

3.2.2.2 Nhập các thông số cho các dòng và các thiết bị [2] 62

Hình 3.6 Nhập các thông số cho dòng Feed From Naphtha (201) 62

63

Hình 3.7 Nhập các thông số cho dòng 549RCY 63

Hình 3.8 Biểu diển thiết bị hấp phụ DR-2303 63

Hình 3.9 Bơm nâng áp P-2301A/B 64

Hình 3.10 Nhập các thông số cho dòng Make-up Gas(113) 64

Hình 3.11 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị DR-2301 65

Hình 3.12 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2306 65

Hình 3.13 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị gia nhiệt E-2308 66

Hình 3.14 Biếu diễn cách chọn loại phản ứng 66

Hình 3.15 Biểu diễn các phản ứng có trong quá trình 67

Hình 3.16 Biểu diễn cách khai báo phản ứng 67

Hình 3.17 Biểu diễn cách mô phỏng đối với thiết bị phản ứng R-2302 68

Hình 3.18 Biểu diễn cách mô phỏng đối với thiết bị phản ứng R-2303 68

Hình 3.19 Biểu diễn các thông số thiết kế đối với tháp T-2301 71

Hình 3.20 Biểu diễn các ràng buộc đối với tháp T-2301 71

Hình 3.21 Biễu diễn cách mô phỏng van VLV-101 72

Hình 3.22 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2312 72

Hình 3.23 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị T-2302 73

Hình 3.24 Biểu diễn các thông số thiết kế đối với tháp T-2303 75

Hình 3.26 Biểu diễn cách mô phỏng thiết bị TEE-101 76

3.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76

3.3.1 Sản phẩm ISOMERATE 76

Bảng 3.1 Thành phần của sản phẩm isomerate thu được sau khi mô phỏng 76

Từ kết quả trên, RON của sản phẩm isomerate thu được sau khi mô phỏng gần phù hợp với giá trị RON thực tế của công nghệ PENEX/DIH đưa ra (87-89) 78

3.3.2 Cân bằng vật chất tại các cụm thiết bị thiết bị chính 78

3.3.2.1 Cụm thiết bị phản ứng 78

Bảng 3.2 Cân bằng vật chất tại cụm thiết bị phản ứng 78

3.3.2.2 Tháp DIH 78

Bảng 3.3 Cân bằng vật chất tại tháp DIH 78

3.3.2.3 Tháp Stabilizer 78

Bảng 3.4 Cân bằng vật chất tại tháp Stabilizer 78

3.3.2.4 Cân bằng vật chất tổng quát của phân xưởng 79

Bảng 3.5 Cân bằng vật chất cho phân xưởng 79

3.4 TÍNH TOÁN SIZING CHO THÁP DIH 79

Bảng 3.6 Kết quả sizing cho các tháp 80

CHƯƠNG 4 81

KHẢO SÁT SỰ VẬN HÀNH CỦA PILOT QUÁ TRÌNH ISOMER HÓA 81

4.1 NGUYÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC [8] 81

4.2 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM 81

81

Hình 4.1 Sơ đồ pilot isomer hóa 81

4.2.1 Van 3 thông 82

82

Hình 4.2 Van 3 thông 82

4.2.2 Thiết bị phản ứng 83

4.2.3 Thiết bị làm mát bằng nước đá 84

4.2.4 Thiết bị làm khô, khử oxy và làm sạch 85

4.2.5 Đồng hồ đo áp suất 86

86

4.2.5 Bảng hiển thị và điều khiển nhiệt độ 86

86

4.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 87

4.4 VẤN ĐỀ GẶP PHẢI 88

Ngoài các thiết bị chính trong sơ đồ pilot, ta còn thiếu các thiết bị quan trọng khác như: Bơm vi lượng dùng để bơm nguyên liệu vào, máy sinh khí Hydro, máy nén dùng để cung cấp không khí cho quá trình, hai loại xúc tác là Pt/γAl2O3 và zeolite 4A chưa được thay thế Mà giá thành của 3 máy và xúc tác này trên thị trường rất là lớn, do đó để chạy được quá trình này thì ta cần nguồn kinh phí lớn để mua (50 triệu VND) 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 90

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 8

13

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ISOMER HÓA 14

1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA PHÂN XƯỞNG ISOMER 14

Hình 1.1 Chất lượng sản phẩm isomerate so với các nguồn phối trộn xăng khác 15

Người ta áp dụng công nghệ isomer hoá nhằm chuyển hóa các n-paraffin thành các i-paraffin có chỉ số octane cao hơn nhiều và đáp ứng các yêu cầu của xăng động cơ về chất lượng và bảo vệ môi trường như: giảm hàm lượng chất thơm, MTBE các phối tử có chỉ số octane cao trong phối liệu tạo xăng Hiện nay, xăng thương phẩm thu được là do phối trộn các bán sản phẩm từ nhiều nguồn khác nhau như được trình bày trong hình sau: 15

15

1.2 GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH ĐỒNG PHÂN HÓA [1] 15

1.2.1 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu 16

Hình 1.3 Vị trí của phân xưởng isomer trong nhà máy lọc dầu 16

1.2.2 Mục đích quá trình 16

1.2.3 Nguyên liệu 16

1.2.4 Các phản ứng của quá trình 17

1.2.4.1 Các phản ứng chính 17

1.2.4.2 Các phản ứng khác 18

1.2.5 Sản phẩm 18

1.2.6 Nhiệt động học 19

1.2.7 Xúc tác 19

1.2.7.1 Quá trình phát triển của xúc tác 19

1.2.7.2 Các xúc tác dùng trên thị trường 20

1.2.7.3 So sánh các loại xúc tác và xúc tác mới 20

1.2.8 Điều kiện tiến hành của quá trình 22

Bảng 1.1 Điều kiện vận hành và RON của sản phẩm khi sử dụng các loại xúc tác khác nhau 22

1.2.9 Cơ chế 22

Bảng 1.2 Sự ảnh hưởng của tỷ lệ n-Pt/n-A 25

1.2.10 Công nghệ isomer hóa 25

1.2.10.1 Ảnh hưởng của xúc tác tới công nghệ [1] 25

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ PENEX của OUP sử dụng xúc tác [Pt/γAl2O3(Cl)] 26

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ HYSOMER sử dụng xúc tác (Pt/zeolite) của SHELL 27

1.2.10.2 Quá trình không tuần hoàn, 1 giai đoạn 27

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ Penex của OUP 28

Hình 1.7 Sơ đồ đơn giản của công nghệ PAR-ISOM 29

1.2.10.3 Quá trình có hồi lưu 30

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ PENEX / DIH (OUP) 31

Bảng 1.3 So sánh chất lượng của hai quá trình 31

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ của quá trình TIP 32

Bảng 1.4 Hiệu suất thu sản phẩm isomerate của quá trình TIP 32

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ của quá trình IPSORB 34

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ của quá trình HEXSORB 35

Bảng 1.5 Giá trị RON thu được khi sủ dụng hai loại xúc tác cho từng công nghệ 35

Hình 1.12 Đồ thị so sánh giá trị RON thu được của các công nghệ 36

1.2.10.4 Nhận xét 36

Hình 1.13 Đường cân bằng nhiệt động của quá trình không và có tuần hoàn 37

1.2.11 Lựa chọn dây chuyền công nghệ và chất xúc tác 37

1.2.11.1 Lựa chọn dây chuyền công nghệ 37

Hình 1.14 Đồ thị so sánh hiệu quả kinh tế của các công nghệ 37

1.2.11.2 Lựa chọn chất xác tác 37

Hình 1.15 Sơ đồ thể hiện hoạt tính của xúc tác 38

CHƯƠNG 2 39

PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA CỦA NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 39

2.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ NHÀ MÁY LỌC DẦU DUNG QUẤT 39

2.1.1 Mô tả chung 39

Hình 2.1 Sơ đồ tổng thể vị trí nhà máy lọc dầu Dung Quất 39

Hình 2.2 Bố trí mặt bằng nhà máy 40

2.1.2 Nguyên liệu và sản phẩm 40

2.1.2.1 Nguyên liệu 40

2.1.2.2 Sản phẩm 40

2.1.3 Sơ đồ công nghệ 41

2.1.3.1 Các phân xưởng công nghệ 41

2.1.3.2 Sơ đồ công nghệ 42

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ của nhà máy 43

2.2 PHÂN XƯỞNG ISOMER HÓA NMLD DUNG QUẤT [5] 46

2.2.1.Nguyên liệu 46

2.2.1.1.Dòng Naphta nhẹ đã xử lý hydro 46

Bảng 2.1 Thành phần của nguyên liệu 46

2.2.1.2.Make-up Gas 47

Bảng 2.2 Thành phần của Make-up Hydro 47

2.2.2 Sản phẩm 48

2.2.2.1 Isomerate 48

Bảng 2.3 Thành phần isomerate trong các trường hợp SOR và EOR 48

2.2.2.2 Net Gas 48

Bảng 2.4 Thành phần của Net Gas trong các chế độ khác nhau 49

2.2.3 Sơ đồ công nghệ PENEX-DIH [5] 49

2.2.3.1.Các thiết bị chính trong phân xưởng 49

Hình 2.4 Cụm Feed Driers (DR-2303/2304) 50

Hình 2.5 Cụm thiết bị phản ứng (R-2302/2303) 51

Hình 2.6 Thiết bị Stabilizer (T-2301) 52

2.2.3.2 Thuyết minh sơ đồ công nghệ 52

CHƯƠNG 3 55

MÔ PHỎNG PHÂN XƯỞNG ĐỒNG PHÂN HÓA BẰNG PHẦN MỀM HYSYS 55

3.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM HYSYS [6] 55

3.1.1 Giới thiệu sơ lược về Hysys 55

3.1.2 Các ứng dụng của Hysys 55

3.1.3 Những ưu điểm của phần mềm Hysys 56

3.2 THAO TÁC MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN TRONG HYSYS 57

3.2.1 Các bước xây dựng mô hình tính toán mô phỏng trong Hysys 57

Hình 3.1 Thiết lập đơn vị nhiệt động 58

Hình 3.2 Chọn hệ phương trình nhiệt động 59

Hình 3.3 Lựa chọn cấu tử 59

Hình 3.4 Môi trường mô phỏng trong Hysys 60

3.2.2 Ứng dụng Hysys để mô phỏng công nghệ PENEX/DIH của phân xưởng Đồng phân hóa 61

3.2.2.1 Tiến hành xây dựng sơ đồ công nghệ 61

Hình 3.5 Lựa chọn cấu tử từ Component Library 61

3.2.2.2 Nhập các thông số cho các dòng và các thiết bị [2] 62

Hình 3.6 Nhập các thông số cho dòng Feed From Naphtha (201) 62

63

Hình 3.7 Nhập các thông số cho dòng 549RCY 63

Hình 3.8 Biểu diển thiết bị hấp phụ DR-2303 63

Hình 3.9 Bơm nâng áp P-2301A/B 64

Hình 3.10 Nhập các thông số cho dòng Make-up Gas(113) 64

Hình 3.11 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị DR-2301 65

Hình 3.12 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2306 65

Hình 3.13 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị gia nhiệt E-2308 66

Hình 3.14 Biếu diễn cách chọn loại phản ứng 66

Hình 3.15 Biểu diễn các phản ứng có trong quá trình 67

Hình 3.16 Biểu diễn cách khai báo phản ứng 67

Hình 3.17 Biểu diễn cách mô phỏng đối với thiết bị phản ứng R-2302 68

Hình 3.18 Biểu diễn cách mô phỏng đối với thiết bị phản ứng R-2303 68

Hình 3.19 Biểu diễn các thông số thiết kế đối với tháp T-2301 71

Hình 3.20 Biểu diễn các ràng buộc đối với tháp T-2301 71

Hình 3.21 Biễu diễn cách mô phỏng van VLV-101 72

Hình 3.22 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2312 72

Hình 3.23 Biễu diễn cách mô phỏng thiết bị T-2302 73

Hình 3.24 Biểu diễn các thông số thiết kế đối với tháp T-2303 75

Hình 3.26 Biểu diễn cách mô phỏng thiết bị TEE-101 76

3.3 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 76

3.3.1 Sản phẩm ISOMERATE 76

Bảng 3.1 Thành phần của sản phẩm isomerate thu được sau khi mô phỏng 76

Từ kết quả trên, RON của sản phẩm isomerate thu được sau khi mô phỏng gần phù hợp với giá trị RON thực tế của công nghệ PENEX/DIH đưa ra (87-89) 78

3.3.2 Cân bằng vật chất tại các cụm thiết bị thiết bị chính 78

3.3.2.1 Cụm thiết bị phản ứng 78

Bảng 3.2 Cân bằng vật chất tại cụm thiết bị phản ứng 78

3.3.2.2 Tháp DIH 78

Bảng 3.3 Cân bằng vật chất tại tháp DIH 78

3.3.2.3 Tháp Stabilizer 78

Bảng 3.4 Cân bằng vật chất tại tháp Stabilizer 78

3.3.2.4 Cân bằng vật chất tổng quát của phân xưởng 79

Bảng 3.5 Cân bằng vật chất cho phân xưởng 79

3.4 TÍNH TOÁN SIZING CHO THÁP DIH 79

Bảng 3.6 Kết quả sizing cho các tháp 80

CHƯƠNG 4 81

KHẢO SÁT SỰ VẬN HÀNH CỦA PILOT QUÁ TRÌNH ISOMER HÓA 81

4.1 NGUYÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC [8] 81

4.2 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM 81

81

Hình 4.1 Sơ đồ pilot isomer hóa 81

4.2.1 Van 3 thông 82

82

Hình 4.2 Van 3 thông 82

4.2.2 Thiết bị phản ứng 83

4.2.3 Thiết bị làm mát bằng nước đá 84

4.2.4 Thiết bị làm khô, khử oxy và làm sạch 85

4.2.5 Đồng hồ đo áp suất 86

86

4.2.5 Bảng hiển thị và điều khiển nhiệt độ 86

86

4.3 TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM 87

4.4 VẤN ĐỀ GẶP PHẢI 88

Ngoài các thiết bị chính trong sơ đồ pilot, ta còn thiếu các thiết bị quan trọng khác như: Bơm vi lượng dùng để bơm nguyên liệu vào, máy sinh khí Hydro, máy nén dùng để cung cấp không khí cho quá trình, hai loại xúc tác là Pt/γAl2O3 và zeolite 4A chưa được thay thế Mà giá thành của 3 máy và xúc tác này trên thị trường rất là lớn, do đó để chạy được quá trình này thì ta cần nguồn kinh phí lớn để mua (50 triệu VND) 88

KẾT LUẬN 89

TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

PHỤ LỤC 90

LỜI NÓI ĐẦU

Ở nước ta, dầu khí tuy còn là một ngành công nghiệp mới mẻ nhưng đầy triểnvọng và đã sớm khẳng định được vị trí quan trọng Đó là một ngành công nghiệpmũi nhọn góp phần thúc đẩy nền kinh tế nước ta trong nhiều lĩnh vực mà quan trọngnhất là công nghiệp hoá - hiện đại hoá và hội nhập với quốc tế

Nắm bắt được vai trò quan trọng của ngành công nghiệp đầu tàu này, chínhphủ và nhà nước đã tập trung xây dựng nhiều dự án mang tính quy mô và chiếnlược trong lĩnh vực dầu khí Và nhà máy lọc dầu Dung Quất ra đời là một điển hìnhhứa hẹn một sức bật mạnh mẽ cho công nghiệp dầu khí và đảm bảo về an toàn nănglượng, một vấn đề được quan tâm nhất đối với kinh tế nhiều quốc gia và cũng nhưđối với Việt Nam chúng ta

Trong chức năng và nhiệm vụ của mình, nhà máy sẽ cung cấp cho thị trườngcác sản phẩm: LPG, Xăng 90/92/95, Nhiên liệu phản lực, Dầu Diesel, FO đảmbảo tiêu chuẩn Việt Nam Một trong những sản phẩm chiếm thị phần phân phối rấtlớn, có mặt khắp mọi nơi và cũng đang là nhu cầu bức thiết của xã hội hiện nay đó

là xăng có chỉ số octan cao và ít ô nhiễm môi trường để thay thế cho xăng Mogas 83chất lượng thấp Chất lượng cho xăng thương phẩm sẽ được cải thiện rất nhiều nhờhai phân xưởng CCR và Đồng phân hóa Trong đó, phân xưởng Đồng phân hóa vừađảm bảo tăng RON cho xăng nhưng lại ít tạo các hợp chất thơm độc hại như phânxưởng CCR Trong tương lai không xa, quá trình CCR sẽ bị thay thế vì tính ô nhiễm

của hợp chất thơm trong sản phẩm, khi đó công nghệ Đồng phân hóa càng có vai tròquan trọng và là phân xưởng không thể thiếu trong các nhà máy lọc dầu trong tươnglai, trước tiên là 2 dự án: Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn và Long Sơn sắp tới.

Do phân xưởng Đồng phân hoá có tầm quan trọng như vậy nên việc nghiêncứu trên cơ sở mô phỏng bằng phần mềm là việc làm cần thiết cho những kỹ sư hóadầu sau này Vì vậy tôi chọn đề tài « Mô phỏng phân xưởng isomer hóa bằng phầnmềm Hysys và ứng dụng vào việc vận hành Pilot Isomer hóa » làm đề tài tốt nghiệpcuối khóa Tôi cũng mong thầy cô và bạn bè đồng nghiệp thông cảm cho nhữngthiếu sót không mong muốn gặp phải trong quá trình mô phỏng và đóng góp ý kiến

để đề tài được hoàn chỉnh hơn

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ISOMER HÓA

1.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA PHÂN XƯỞNG ISOMER

Ngày nay nhu cầu năng lượng ngày một tăng cao, đồng thời đòi hỏi về kỹthuật và môi trường ngày càng khắt khe Chính vì vậy yêu cầu đặt ra là phải tìmkiếm nguồn nguyên liệu thay thế đồng thời khai thác, chế biến và sử dụng có hiệuquả nguồn năng lượng từ dầu mỏ

Lịch sử phát triển công nghệ lọc dầu là một chặng đường dài Trong quá trìnhchế biến dầu mỏ hiện đại có nhiều quá trình làm tăng hiệu quả kinh tế và chất lượngsản phẩm Hiện nay với việc loại bỏ tetraethyl chì trong xăng, cần phải áp dụngnhững quá trình thích hợp để vừa nâng cao IO, vừa đáp ứng những tiêu chuẩn vềchất lượng

Nhiều quá trình được thực hiện:

- Continuous Catalytic Reforming (CCR)

- Fluid Catalytic Cracking (FCC)

- Alkyl hóa

- Isomer hóa (Đồng phân hoá)

Thường dùng hai quá trình chủ đạo để nhận xăng có IO cao là CCR và FCC.Nhưng do nhu cầu về xăng chất lượng ngày càng cao, trong khi đó thành phần n-

C5/C6 của công nghiệp chế biến dầu có số lượng ngày càng lớn mà không thể đạt IOcao khi áp dụng các quá trình trên, trước đây phân đoạn này chỉ dùng để pha trộnvào xăng với mục đích đạt đủ áp suất hơi bão hoà của xăng và thành phần cất, còn

IO của phần này không đủ cao Thích hợp nhất cho quá trình nhận xăng chất lượngcao thì phân đoạn n-C5/C6 nhận được cần phải cho qua quá trình Isomer hóa

Quá trình Isomer hoá không cho xăng có RON cao bằng các quá trình khácnhưng xăng isomerate có độ nhạy thấp (S = 1- 2) Quá trình isomer hóa không chỉđược quan tâm trong công nghiệp chế biến dầu mà cả trong công nghiệp hóa dầu doiso pentane sau khi được dehydro hóa sẽ tạo thành isopren, đây là nguyên liệu đểsản xuất cao su tổng hợp

Hình 1.1 Chất lượng sản phẩm isomerate so với các nguồn phối trộn xăng khác

Người ta áp dụng công nghệ isomer hoá nhằm chuyển hóa các n-paraffinthành các i-paraffin có chỉ số octane cao hơn nhiều và đáp ứng các yêu cầu củaxăng động cơ về chất lượng và bảo vệ môi trường như: giảm hàm lượng chất thơm,MTBE các phối tử có chỉ số octane cao trong phối liệu tạo xăng Hiện nay, xăngthương phẩm thu được là do phối trộn các bán sản phẩm từ nhiều nguồn khác nhaunhư được trình bày trong hình sau:

Qua hai biểu đồ trên, ta thấy thành phần Isomerate chiếm một tỷ lệ khá lớn chỉsau xăng FCC và Reformate

1.2 GIỚI THIỆU VỀ QUÁ TRÌNH ĐỒNG PHÂN HÓA [1]

Quá trình đồng phân hóa paraffin nhẹ gồm:

Hình 1.2 Phối liệu xăng thương phẩm ở Mỹ và Châu Âu năm 2005

- Đồng phân hóa n-C4 thành i-C4: làm nguyên liệu cho 2 phân xưởng alkylat

và MTBE

- Đồng phân hóa n-C5, n-C6: nâng cao chỉ số octane của xăng

1.2.1 Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu

Hình 1.3 Vị trí của phân xưởng isomer trong nhà máy lọc dầu

1.2.2 Mục đích quá trình

Quá trình đồng phân hoá phân đoạn C5 – C6 để sản xuất trực tiếp isomeratecho xăng Đồng phân hóa cho phép làm tăng giá trị các n-paraffin từ C5, C6 đi ra từquá trình chưng cất trực tiếp hoặc naphta nhẹ từ phân xưởng xử lý Hydrotreatment,nâng các n-paraffin có chỉ số Octane thấp thành những iso-paraffin có chỉ số Octanecao và những i-paraffin này có độ nhạy thấp

Thu các i-paraffin riêng biệt như iso-pentane nhằm đáp ứng nguồn nguyênliệu cho quá trình alkyl hoá, tổng hợp cao su isopren

1.2.3 Nguyên liệu

Quá trình đồng phân hoá tương đối cố định với những nguyên liệu được dùng.Nguyên liệu C5-C6 được dùng đi ra từ chưng cất trực tiếp dầu thô, hoặc phân đoạnnaphta nhẹ với thành phần chính là pentane, hexane với một lượng nhỏ heptane

Lưu ý, xăng của phân đoạn naphta sau khi được hydro hoá có thể trộn lẫn với phânđoạn C5-C6 của chưng cất trực tiếp để đến phân xưởng Đồng phân hóa.

1.2.4 Các phản ứng của quá trình

1.2.4.1 Các phản ứng chính

1.2.4.2 Các phản ứng khác

1.2.5 Sản phẩm

Tuỳ vào thành phần nguyên liệu, sơ đồ công nghệ và xúc tác khác nhau màthu được những sản phẩm với thành phần và chất lượng khác nhau

Là xăng Isomerate rất giàu i-paraffin (chủ yếu là i-C5, i-C6)

Tùy theo sơ đồ công nghệ mà chất lượng sản phẩm sẽ khác nhau :

- Sơ đồ không hồi lưu: cho xăng có RON = 78 ÷ 83 và MON = 76 ÷ 81

- Sơ đồ có hồi lưu: cho xăng có RON = 88 ÷ 90 và MON = 86 ÷ 88

1.2.6 Nhiệt động học

Phản ứng đồng phân hoá là phản ứng thuận nghịch, tỏa nhiệt rất ít (ΔH = - 4 ÷

- 20 kJ/mol), không làm thay đổi số mol nên không ảnh hưởng bởi sự biến thiên ápsuất, vì vậy:

- Phản ứng xảy ra thuận lợi ở nhiệt độ càng thấp càng tốt

- Cân bằng của phản ứng không phụ thuộc vào áp suất mà chỉ phụ thuộcchủ yếu vào nhiệt độ

Do đó yêu cầu sử dụng những chất xúc tác có hoạt tính đủ mạnh để có thểhoạt động ở nhiệt độ thấp nhất có thể

1.2.7 Xúc tác

1.2.7.1 Quá trình phát triển của xúc tác

Xúc tác của quá trình phải mang tính axit để xúc tiến cho sự hình thànhcarbocation, tồn tại ở giai đoạn trung gian

Bốn loại xúc tác được phát triển liên tiếp kể từ năm 1933, các nhà nghiên cứu

đã chỉ ra rằng hexane và heptane có thể bị đồng phân hoá bởi AlCl3, đây là xúc tácđầu tiên của quá trình đồng phân hoá

- Loại 1: Xúc tác Friedel Crafts, thể hiện độ hoạt động cao ở nhiệt độ thấp

(80-1000C) Tuy nhiên xúc tác này khó ứng dụng vì nó nhạy với tạp chất trong nguyênliệu và phát sinh sự ăn mòn

- Loại 2 (năm 1950): Xúc tác hai chức kim loại/chất mang, chủ yếu làPt/γAl2O3, gần giống xúc tác của quá trình CCR Xúc tác này ứng dụng đơn giản,vấn đề ăn mòn bị loại bỏ, vấn đề nhạy với chất ngộ độc xúc tác ít mãnh liệt, tăngthời gian sống Tuy nhiên, nó làm việc ở nhiệt độ cao: 350-5000C, dẫn đến hạn chế

về nhiệt động học của quá trình chuyển hoá

- Loại 3: Xúc tác này cũng là xúc tác hai chức kim loại/chất mang nhưng tăngtính axit bằng clo (halogen) trên chất mang γAl2O3 Nó cho phép đạt được hoạt tínhcao ở nhiệt độ làm việc gần giống quá trình xúc tác Friedel Crafts (120 – 1600C).Xúc tác rất nhạy với chất gây ngộ độc, đặc biệt với nước Do đó, nó khó ứng dụng

và phát sinh sự ăn mòn Sự ăn mòn này chủ yếu là do bơm hợp chất chứa Clo liêntục vào nguyên liệu để duy trì hoạt tính của xúc tác

- Loại 4: Xúc tác Zeolite, hai chức, cho phép làm việc ở nhiệt độ trung bình:

250 – 2700C, nhưng được ứng dụng rộng rãi do bền với các tác nhân làm ngộ độcthậm chí cả lưu huỳnh và nước Do đó, không cần tiền quá trình xử lý nguyên liệu

2 4

3 2

/ / 100 / /

ZrO SO

Pt LPI

clo O Al Pt

Mordenite Pt

γ

Xúc tác thể hiện dưới hình dạng viên bi có thể bền với các tác dụng cơ học,gồm khoảng 0,2 – 0,3 % Pt

Hàm lượng Cl trong xúc tác Pt/γAl2O3(Cl) từ 5-10%

Trong trường hợp xúc tác hai chức thì Pt vừa tham gia trực tiếp vào cơ chếphản ứng, vừa là tác nhân tẩy rửa bề mặt do quá trình tạo cốc bám trên xúc tác.Trong trường hợp xúc tác đơn chức, Pt đóng vai trò chủ yếu là tác nhân khửcốc

Xúc tác [Pt/γAl2O3(Cl)] rất nhạy với chất độc và với sự có mặt của nước (táchloại Cl) và chất hữu cơ chứa nitơ (trung hoà các tâm axit) Hàm lượng của chúngtrong nguyên liệu phải dưới 0,1 ppm

1.2.7.3 So sánh các loại xúc tác và xúc tác mới

Đặc điểm của các loại xúc tác được sử dụng hiện nay:

- Xúc tác [Pt/γAl2O3 (Cl)] nhạy với chất gây ngộ độc, đặc biệt là nước và chấthữu cơ chứa nitơ (trung hoà tâm axit) Những chất gây ngộ độc là những chất gâyngộ độc vĩnh cửu Hàm lượng của chúng trong nguyên liệu phải thấp hơn 0,1ppm.Lưu huỳnh là chất độc thuận nghịch, hàm lượng trong nguyên liệu giới hạn ở 5ppm Xử lý bằng hydro ở nhiệt độ thấp cho phép tẩy rửa xúc tác

- Xúc tác zeolite bền với chất gây ngộ độc Nó ít bị ngộ độc bởi một hàmlượng lưu huỳnh và nước là những chất độc thuận nghịch Chỉ có chất hữu cơ chứanitơ, có thể trung hoà tính axit của xúc tác, dẫn đến ngộ độc vĩnh cửu tức thời

- Xúc tác Pt/SO42-/ZrO2(UOP) có hoạt tính cao hơn xúc tác zeolite nhưngthấp hơn Pt/γAl2O3 (Cl) Nó bền với chất gây độc, độ ổn định cao, không cần táchnước cho nguyên liệu và dòng hydro, không cần xử lý Lưu huỳnh cho nguyên liệu

khi hàm lượng thấp và có khả năng tái sinh dễ dàng Hoạt tính cao hơn, vận hành ởnhiệt độ thấp hơn, tuổi thọ xúc tác lớn hơn.

Sự hướng đến xúc tác của quá trình đồng phân hoá không có clo đã mở racánh cửa lớn để cải tiến kinh tế của quá trình đồng phân hoá paraffin nhẹ Xúc tácmới này kết hợp với sơ đồ truyền thống của quá trình Xúc tác này hoạt tính caonhưng không cần thêm hợp chất chứa Clo vào nguyên liệu, có thể tái sinh và ít bịngộ độc bởi nước Đó là xúc tác PI – 242 của UOP

Rây phân tử SAPO 5:

- Rây phân tử aluminophosphate được phát hiện đầu tiên vào đầu những năm

1980 Song cho đến nay những dạng thay thế đồng hình của chúng vẫn đang đượcquan tâm Khi thay thế những nguyên tử Al, P trong AlPO4 bằng Si tạo được SAPO.Vật liệu này có khả năng trao đổi ion và có tính axit bề mặt Tuy vậy các tính chấtnày còn phụ thuộc vào hàm lượng Si trong khung và SAPO như một xúc tác axit

- Rây phân tử SAPO – 5 mang kim loại Pt có thể làm xúc tác tốt cho quá trìnhđồng phân hoá n- hexan Đường kính phân tử lớn của rây phân tử này tạo điều kiệnthuận lợi cho đồng phân mạch nhánh tạo thành Hàm lượng Pt tối ưu tìm được là0,6%wt so với SAPO – 5 Khi tăng hàm lượng Si trong SAPO – 5 thì độ chuyển hoátăng, nhưng khi hàm lượng Si trong khung vượt quá 10% thì tỷ lệ đồng phân hoátrên cracking giảm Nhiệt độ thường dùng cho phản ứng đồng phân hoá trên xúc tácnày là 300 đến 3500C

- Phản ứng đồng phân hoá thường được tiến hành trên xúc tác hai chức Trong

đó tâm hydro hoá (pha kim loại) tạo hợp chất trung gian olefin và tâm axit trên chấtmang tạo ion cacbonium để cuối cùng hình thành sản phẩm đồng phân hoặccracking

- Với nhiều xúc tác thường tỷ lệ đồng phân/cracking (Đ/C) giảm khi nhiệt độtăng Còn đối với chất mang SAPO – 5 thì ngược lại, tỷ lệ (Đ/C) tăng từ 250 đến

3500C sau đó giảm dần Như vậy, xúc tác Pt/SAPO – 5 thuộc loại xúc tác đồng phânhoá ở nhiệt độ trung bình Điều này do số lượng tâm và độ mạnh axit trung bình gâyra

- Khi tăng tốc độ khí hydro, tức làm giảm thời gian tiếp xúc của nguyên liệuvới xúc tác thì độ chuyển hoá giảm nhưng tỷ lệ (Đ/C) tăng Có thể khi tốc độ dòngcao, thời gian tiếp xúc thấp thì thời gian lưu của HC trên xúc tác ngắn nên phản ứngphụ ít xảy ra Còn nếu giảm hàm lượng hydro và tăng hàm lượng Nitơ trong khímang để tốc độ dòng không đổi thì độ chuyển hoá tăng nhưng tỷ lệ (Đ/C) giảm dogiảm tỷ lệ hydro thì quá trình cracking tăng.

1.2.8 Điều kiện tiến hành của quá trình

Phản ứng xảy ra dưới áp suất riêng phần của H2 với sự có mặt của xúc tác haichức kim loại/axit Tuỳ theo bản chất của xúc tác mà yêu cầu hàm lượng tạp chấttrong nguyên liệu, điều kiện vận hành, RON của isomerate thu được khác nhau nhưtrình bày trong bảng sau:

Pt/γAl2O3(Cl) Pt/zeolite Pt/SO2 −

Xúc tác Pt/γAl2O3(Cl) làm việc ở nhiệt độ thấp hơn nhưng cho xăng có Chỉ sốOctane cao hơn 5 đơn vị so với xúc tác zeolite

1.2.9 Cơ chế

a) Cơ chế

Phản ứng được thực hiện theo cơ chế tạo thành ion carbocation Tuy nhiên cơchế phản ứng khác nhau tuỳ theo xúc tác dùng là Pt/Alumine chloré hoặc xúc táczeolite

•Với xúc tác mang tính axit mạnh như: Pt/alumine chloré Cơ chế là axit đơnchức và trong trường hợp này, sự hình thành carbocation là do sự bẻ gãy mạch C-Hcủa các paraffin.

Trên loại xúc tác thứ hai này, quá trình phản ứng có sự chuyển vị giữa tâm kim loại

và tâm axit, điều này đòi hỏi các tâm này phải đủ gần nhau

c) Phản ứng phụ

Hai phản ứng phụ cơ bản nhất là phản ứng cracking và phản ứng tạo cốc Tỷ

lệ của chúng phụ thuộc chủ yếu vào tỷ lệ tâm kim loại trên tâm axit (n-Pt/n-A) Ảnhhưởng của tỷ lệ này được Gianetto và Guisnet nghiên cứu trên n-C7 và xác nhậntrên n-C6 Có 3 trường hợp xảy ra:

•Khi tỷ lệ n-Pt/n-A cao (n-Pt/n-A > 0,15): xúc tác được xem là lý tưởng choquá trình đồng phân hoá Trong trường hợp này, mỗi olefin trung gian chỉ thực hiệnchuyển của hai tâm Khả năng các olefin gặp nhau dưới tác dụng của tâm axit làthấp nên phản ứng phụ khó xảy ra Sự hình thành cốc và sự khử hoạt tính của xúctác chậm Các tâm axit chỉ dùng cho phản ứng đồng phân hoá n-Oleffin thành i-Oleffin

•Khi số tâm axit lớn hơn so với tâm kim loại (n-Pt/n-A < 0,03), oleffin có thểthực hiện một hoặc nhiều sự chuyển hoá liên tiếp trước khi gặp tâm kim loại Sảnphẩm đơn nhánh, đa nhánh và sản phẩm cracking xuất hiện như sản phẩm chính của

phản ứng Số tâm axit cao hơn số cần thiết để chuyển hoá những oleffin, hoạt tínhxúc tác cho phản ứng đồng phân hoá không phải là lớn nhất Một vài tâm axit có thểthích hợp cho sự hình thành cốc, sự khử hoạt xúc tác xảy ra nhanh.

•Khi 0,03 < n-Pt/n-A < 0,15: oleffin có thể chuyển hoá liên tiếp thành olefinđơn nhánh rồi hai nhánh trước khi gặp tâm kim loại Số tâm axit hoạt động giữa haitâm kim loại là quá thấp để cho phép hình thành sản phẩm cracking Tất cả tâm axit

là hoạt động và hoạt tính trong phản ứng đồng phân hoá bởi tâm axit là lớn nhất

Bảng 1.2 Sự ảnh hưởng của tỷ lệ n-Pt/n-A

Cực đạiTrung bình

nC7↔(M,B)→ C

Cực đạiHoàn toàn

nC7↔M↔B→C

M : isomer đơn nhánh

B : isomer đa nhánh

C : sản phẩm cracking

1.2.10 Công nghệ isomer hóa

1.2.10.1 Ảnh hưởng của xúc tác tới công nghệ [1]

 Với xúc tác Pt/γAl 2 O 3 hoạt hoá bởi clo

Quá trình phải nhất thiết gồm một máy sấy nguyên liệu, H2 và bơm liên tục clo

để duy trì hàm lượng clo trong xúc tác Thành phần chứa clo thường dùng nhất làCCl4 (tetraclorua) và C2Cl4 (percloethylen) ít độc Một bình rửa cần thiết để hạn chếacid HCl có mặt trong khí Công nghệ này cho sản phẩm có RON từ 82 – 84

n-C7

MBC

Hình 1.4 Sơ đồ công nghệ PENEX của OUP sử dụng xúc tác [Pt/γAl 2 O 3 (Cl)]

 Trong trường hợp xúc tác zeolite

Do xúc tác zeolite không bị ngộ độc bởi nước nên không cần máy sấy nguyênliệu và hydro Điều kiện tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao nên trước khi vào thiết

bị phản ứng, nguyên liệu và hydro phải đi qua lò đốt Chính vì làm việc ở nhiệt độcao hơn mà khả năng tạo cốc lớn hơn, nên tỷ lệ H2/HC phải cao hơn hẳn để hạnchế quá trình tạo cốc

Dòng H2 ban đầu đi cùng sản phẩm đến bình ngưng tụ, H2 nhận nhiệt của sảnphẩm nên tăng hiệu quả quá trình ngưng tụ của sản phẩm, đồng thời dòng H2 nhậnthêm một lượng khí không ngưng nâng áp suất đến giá trị đủ lớn trước khi vào máynén

Công nghệ này cho sản phẩm có RON từ 78 – 80

Hình 1.5 Sơ đồ công nghệ HYSOMER sử dụng xúc tác (Pt/zeolite) của SHELL

1.2.10.2 Quá trình không tuần hoàn, 1 giai đoạn

 Quá trình Penex của UOP [2]

Quá trình Penex của UOP được thiết kế cho quá trình đồng phân hoá có xúctác của pentane, hexane và hỗn hợp của chúng Phản ứng thực hiện với sự có mặtcủa H2, trên tầng xúc tác cố định, điều kiện tiến hành xúc tiến phản ứng đồng phânhoá, giảm phản ứng hydrocracking Điều kiện tiến hành không gay gắt, ở áp suấttrung bình, nhiệt độ thấp, áp suất hơi riêng phần của H2 thấp

Nguyên liệu naphta nhẹ đưa vào một trong hai thiết bị sấy để loại bỏ nước vàbảo vệ xúc tác Sau đó trộn với lượng H2 thêm vào và được gia nhiệt bởi dòng sảnphẩm đi ra và đi vào lò nhiệt trước khi vào thiết bị phản ứng

Sản phẩm của phản ứng được làm lạnh trước khi vào tháp ổn định sản phẩm.Trong công nghệ Penex mới, cả máy nén khí và phân tách sản phẩm đều bị loại bỏ.

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ Penex của OUP

 Công nghệ Par – Isom (UOP) [3]

Công nghệ Par – Isom là một ứng dụng có tính chất đổi mới của quá trìnhđồng phân hoá paraffin nhẹ với xúc tác không chứa clo Quá trình dùng xúc tác LPI– 100, có hoạt tính gần với hoạt tính của xúc tác Pt/γAl2O3(Cl) mà không cần bơmthêm hợp chất chứa Clo trong quá trình phản ứng

Ưu điểm của quá trình:

- Giá cả thiết kế không cao,

- Không đòi hỏi sấy nguyên liệu và hydro,

- Không gây ăn mòn.

Hình 1.7 Sơ đồ đơn giản của công nghệ PAR-ISOM

Để hồi lưu dòng paraffin nhẹ có thể kết hợp với phân xưởng IsoSiv hoặcMolex hoặc kết hợp với một cột chưng cất nếu có thể

Quá trình này tương tự quá trình PENEX một giai đoạn hoặc quá trình với xúctác zeolite Nguyên liệu sạch nC5 – C6 cùng với H2 đưa vào và H2 hồi lưu được đưaqua thiết bị trao đổi nhiệt, để đạt đến nhiệt độ phản ứng Lò đốt không đòi hỏi trongquá trình PAR- ISOM vì xúc tác LPI – 100 làm việc ở nhiệt độ thấp hơn xúc táczeolite Nguyên liệu sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được đưa đến thiết bịphản ứng Có thể dùng một hoặc hai thiết bị phản ứng liên tiếp phụ thuộc vào ứngdụng Dòng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng được làm lạnh và sau đó đưađến thiết bị tách để tách H2 đưa đến hồi lưu từ sản phẩm lỏng Lượng H2 thu hồiđược đưa trực tiếp đến máy nén và trở lại thiết bị phản ứng Sản phẩm lỏng đượcđưa đến tháp ổn định nơi mà H2 hoà tan và phần nhẹ bị loại bỏ Sản phẩm sau tháp

ổn định có thể đưa trực tiếp đến phối trộn xăng

Nguồn nguyên liệu tiêu biểu cho quá trình PAR-ISOM là nhẹ đã qua xử lý H2,xăng nhẹ hoặc condensate và raffinate nhẹ từ phân xưởng trích ly benzen

Nước và tác nhân Oxy hóa không gây tổn hại mặc dù nước trong nguyên liệuphải được loại bỏ Lưu huỳnh có thể ảnh hưởng đến hoạt tính của một vài kim loạiquý có thể loại bỏ bằng quá trình làm sạch nguyên liệu

1.2.10.3 Quá trình có hồi lưu

Tuỳ vào khả năng hồi lưu những n-paraffin không chuyển hoá và nhữngisomer đơn nhánh, cần phải tách những thành phần isomer hai nhánh, sự phân táchnày có thể thực hiện hoặc bằng quá trình chưng cất hoặc hấp phụ bằng rây phân tử

 Hồi lưu với quá trình chưng cất

Quá trình này cho chỉ số Octane cao hơn có thể đạt được đến 91, cũng nhưvậy đối với xúc tác zeolite, nhờ vào sơ đồ của quá trình hỗn hợp có thể ứng dụng

nhiều tháp chưng cất nhưng cần phải phụ thuộc vào điều kiện kinh tế của quá trình.

Hình 1.8 Sơ đồ công nghệ PENEX / DIH (OUP)

Bảng sau thể hiện RON của sản phẩm isomerate của hai công nghệ sử dụngxúc tác Alumine chloré với cùng nguyên liệu

8785.5

Bảng 1.3 So sánh chất lượng của hai quá trình

 Hồi lưu sau khi hấp phụ bởi rây phân tử

Kể từ nhiều năm nay, UOP đã đưa ra quá trình TIP (Total IsomerizationProcess) kết hợp đồng phân hoá trên xúc tác zeolite với phân xưởng phân tách n, i-paraffin trên rây phân tử Sự giải hấp phụ n-paraffin hấp phụ trên rây được thựchiện nhờ H2 nóng

Mô tả quá trình TIP:

Tiêu chuấn

- Quá trình TIP tiến hành ở pha hơi, áp suất không đổi từ 14 đến 35 kg/cm2, vànhiệt độ trung bình (245 – 3700C) Áp suất riêng phần của hydro phải thể hiện trongsuốt quá trình đồng phân hoá để ngăn ngừa tạo cốc và khử hoạt tính của xúc tác.

- Nguyên liệu sạch đã qua xử lý hydro trộn lẫn với dòng hydro hồi lưu nóng

và n – paraffin trước khi vào thiết bị phản ứng đồng phân hoá Sản phẩm ra khỏithiết bị phản ứng được làm lạnh và đưa đến trống phân tách Sản phẩm lỏng, chứamột lượng n – paraffin không chuyển hoá có chỉ số Octane thấp được bốc hơi và điqua tháp hấp phụ rây phân tử Ở đó, n – paraffin bị hấp thụ và hồi lưu trở lại thiết bịphản ứng Isomer mạch nhánh và Hydrocarbon mạch vòng, có đường kính phân tửlớn hơn đường kính lỗ hấp phụ rây phân tử không thể hấp phụ Sản phẩm isomerateđược ổn định để loại bỏ hydro dư, 1 – 2% sản phẩm cracking và một ít propanehoặc butane đi kèm với hydro thêm vào Khí hydro sạch từ thiết bị tách được lưuthông đến máy nén hồi lưu qua một lò nhiệt và sau đó dùng như khí sạch để tách n –paraffin trước đó đã bị hấp phụ trên rây phân tử

Hình 1.9 Sơ đồ công nghệ của quá trình TIP Bảng 1.4 Hiệu suất thu sản phẩm isomerate của quá trình TIP

Mục đích của việc kết hợp này là :

- Giảm hàm lượng n-parafin của isomerate bởi hấp phụ bằng rây phân tử

- Tăng hàm lượng n-parafin của nguyên liệu bằng cách thêm vào một thápphân tách trước khi phản ứng

- Nhiệt độ của phần phản ứng và phân tách độc lập nhau, hai loại xúc tác cóthể không phân biệt sử dụng trong thiết bị phản ứng

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ của quá trình IPSORB

Hình 1.11 Sơ đồ công nghệ của quá trình HEXSORB

Bảng sau thể hiện RON của sản phẩm isomerate của ba công nghệ khác nhau

sử dụng hai loại xúc tác với cùng nguyên liệu có RON = 68

Bảng 1.5 Giá trị RON thu được khi sủ dụng hai loại xúc tác cho từng công nghệ

`

Pt/γAl2O3 zeolite

1 passIPSORBHEXSORB

849092

798890Xúc tác

Quá trình

Hình 1.12 Đồ thị so sánh giá trị RON thu được của các công nghệ

1.2.10.4 Nhận xét

Quá trình một giai đoạn cho sản phẩm có chỉ số octane thấp Có khả năng đạtđược chỉ số octane cao nhất bằng sự hồi lưu n-paraffin không chuyển hoá, thậm chívới những isomer đơn nhánh chỉ số octan thấp hơn Trong trường hợp này sự khácnhau về hoạt tính giữa hai loại xúc tác sẽ ảnh hưởng không đáng kể thể hiện qua sơ

đồ sau:

Hình 1.13 Đường cân bằng nhiệt động của quá trình không và có tuần hoàn

Qua biểu đồ trên, ta thấy quá trình có tuần hoàn n-paraffin cho sản phẩmisomerate có RON cao

1.2.11 Lựa chọn dây chuyền công nghệ và chất xúc tác

1.2.11.1 Lựa chọn dây chuyền công nghệ

Công nghệ PENEX/DIH được chọn do những ưa điểm sau:

- Áp suất làm việc thấp

- Làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp

- Ít tạo cốc, nên cho phép áp suất riêng phần của H2 thấp

- Cho sản phẩm có chỉ số Octan tương đối cao

- Chi phí đầu tư và vận hành vừa phải trong số các công nghệ có hồi lưu tuầnhoàn, có hiệu quả kinh tế cao

Hình 1.14 Đồ thị so sánh hiệu quả kinh tế của các công nghệ

1.2.11.2 Lựa chọn chất xác tác

Chất xúc tác Pt/γAl2O3(Cl) được lựa chọn vì cho xăng có chỉ số octane caonhất ở nhiệt độ thấp nhất Trong khi đó xúc tác PI-242 cho xăng có chỉ số octanethấp hơn một ít ở nhiệt độ cao hơn một ít so với xúc tác Pt/γAl2O3(Cl) Xúc tácPt/SO42-/ZrO2,zeolite giúp chỉ số octan thấp hơn xúc tác PI – 242 Các đặc tính trênđược thể hiện trong đồ thị sau:

Hình 1.15 Sơ đồ thể hiện hoạt tính của xúc tác

Nhà máy có tổng diện tích khoảng 232 ha, gồm 4 khu vực chính:

- Các phân xưởng công nghệ và phụ trợ

- Khu bể chứa sản phẩm

- Cảng xuất sản phẩm và phao rót dầu không bến

- Hệ thống lấy và xả nước biển

Những khu vực này được nối với nhau bằng hệ thống ống với đường phụ liềnkề

Hình 2.1 Sơ đồ tổng thể vị trí nhà máy lọc dầu Dung Quất

xưởng phụ trợ

Khu nhà hành chính

Khu bể chứa sản

phẩm trung gian

Các phân xưởng công nghệ

Mở rộng (tương lai)

Flare RFCC, LTU,

NTU, PRU

SWS, ARU, PRU, SRU HDT-LCO NHT, CCR, CDU, KTU