Thiết kế lò phản ứng của quá trình cracking xúc tác năng suất 3.500.000 tấn/năm

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

Mục Lục

Lời mở đầu 2

Phần 1: Tổng quan 3

I.Quá trình cracking xúc tác 3

II.Cơ sở lý thuyết của quá trình cracking xúc tác 4

1 Các phản ứng xảy ra trong quá trình 4

a Phản ứng phân huỷ các mạch CC, phản ứng cracking 4

b Phản ứng đồng phân hoá (izome hoá) 5

c Phản ứng chuyển dời hydro dưới tác dụng của xúc tác 5

d Phản ứng trùng hợp 5

e Phản ứng alkyl hoá và khử alkyl hoá 5

f Phản ứng ngưng tụ tạo cốc 6

2 Cơ chế của quá trình 6

a Giai đoạn tạo ion cacboni 6

b Giai đoạn biến đổi ion cacboni 7

c Giai đoạn dừng phản ứng 8

3 Đặc tính chi tiết dầu thô Bạch Hổ 8

4 Lò phản ứng 11

Phần II: Tính toán cân bằng vật chất và nhiệt lượng 13

I.Tính cân bằng vật chất 13

II.Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng 16

II.1 Nhiệt lượng do khí sản phẩm mang ra 18

II.2 Nhiệt lượng do hơi các sản phẩm nặng hơn mang ra 20

III Tính toán thiết bị phản ứng 24

III.1 Tính đường kính lò phản ứng 24

III.2 Tính chiều cao của lò phản ứng 26

III.3 Tính toán ống đứng 27

IV.Cyclon của lò phản ứng 28

Kết luận 31

Tài liệu tham khảo 32

Để đáp ứng kịp thời khối lượng xăng tiêu thụ ngày càng lớn ,người ta đã đưa

ra phương pháp cracking xúc tác vào công nghiệp chế biến dầu mỏ,vì do quá trình chưng cất khí quyển, chưng cất chân không hay cracking nhiệt, khối lượng xăng thu được vẫn không đáp ứng kịp thời được nhu cầu của thị trường

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

Với bản đồ án môn học” Thiết kế lò phản ứng của quá trình cracking xúc tác

năng suất 3.500.000 tấn/ năm” mà em được giao.Em hy vọng rằng mình sẽ bổ

xung thêm được kiến thức để góp phần nhỏ bé vào công cuộc đổi mới đất nước

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

Phần 1: Tổng quan

I.Quá trình cracking xúc tác

Cracking xúc tác lớp giả sôi FCC là một quá trình chuyển hoá gas oil chưng cất trực tiếp dưới áp suất khí quyển, gas oil chân không, một số dầu cặn và dầu nặng của nhiều công đoạn khác nhau trong nhà máy lọc dầu để tạo ra xăng có giá trị octan cao, dầu đốt và các khí giàu olefin nhẹ

Ngày nay người ta thường dùng các phân đoạn nặng thu được từ quá trình cracking nhiệt, cốc hoá chậm, các phân đoạn dầu nhờn trong chưng cất chân không

và dầu mazut đó tách nhựa làm nguyên liệu cho cracking xúc tác Để tránh hiện tượng tạo cốc nhiều trong quá trình cracking xúc tác cũng như tránh nhiễm độc xúc tác, nguyên liệu cần phải được tinh chế sơ bộ trước khi đưa vào chế biến

Xúc tác của FCC chiếm khối lượng lớn trong tổng số lượng xúc tác của nhà máy lọc dầu, gần 80% khối lượng xúc tác rắn và hơn 50% giá trị Đường kính trung bình của hạt xúc tác là từ 60 – 70µm, phân bố kích thước hạt từ 20 – 100µm

Zeolite là thành phần quan trọng nhất của FCC Chất lượng của xúc tác phụ thuộc phần lớn vào bản chất và chất lượng của Zeolit Kiểu cấu trúc của Zeolit, loại Zeolit, cơ chế cracking và các tính chất khác sẽ quyết định hiệu quả quá trình cracking

Những kiểu Zeolit được ứng dụng trong xúc tác FCC là kiểu X, kiểu Y và

ZSM-5 Zeolit X và Y có cùng cấu trúc tinh thể Kiểu X có độ bền nhiệt và thủy nhiệt thấp hơn Y (do có nhiều Na hơn) Hiện nay trong thành phần xúc tác FCC sử dụng phần lớn Zeolit kiểu Y ZSM-5 là 1 loại Zeolit đa năng, làm tăng hiệu suất thu olefin và tăng chỉ số octane của xăng

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

- Nhiệt độ : 4700C – 5500C

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

II.Cơ sở lý thuyết của quá trình cracking xúc tác

1 Các phản ứng xảy ra trong quá trình

a Phản ứng phân huỷ các mạch CC, phản ứng cracking

Là phản ứng phân huỷ bẻ gẫy mạch những phần tử có kích thước lớn (trọng lượng phân tử lớn) thành những phần tử có kích thước nhỏ hơn (trọng lượng phân

tử nhỏ hơn) Đây là phản ứng chính của quá trình

+ Phân huỷ parafin tạo olefin và parafin có trọng lượng phân tử nhỏ hơn

naphten olefin olefin

CnH2n C6H12 + CmH2m + CpH2p (n = m + p+ 6)

b Phản ứng đồng phân hoá (izome hoá)

Là phản ứng tạo ra những hydrocacbon có cấu trúc mạch nhánh (cấu tử làm

trị số octan tăng lên)

n-parafin izo-parafin

c Phản ứng chuyển dời hydro dưới tác dụng của xúc tác

Nhờ có xúc tác mà có sự phân bố lại hydro cho nên đã làm no được một số

hydrocacbon đói (sản phẩm phân huỷ), vì vậy làm tăng được tính ổn định hoá học

e Phản ứng alkyl hoá và khử alkyl hoá

Phản ứng alkyl hoá xảy ra ở nhiệt độ thấp, làm giảm hiệu suất khí

ArH + CnH2n Aromat CnH2n+1

Phản ứng khử alkyl hoá ngược với phản ứng alkyl hoá, xảy ra ở nhiệt độ cao

và tạo nhiều khí

2 Cơ chế của quá trình

a Giai đoạn tạo ion cacboni

Khi hydrocacbon naphten tác dụng với tâm axit của xúc tác hay các ion cacboni khác sẽ tạo ra các ion cacboni mới tương tự như quá trình xảy ra với parafin

- Từ hydrocacbon thơm :người ta quan sát thấy sự tạo thành ion cacbonilà sự kết hợp trực tiếp của H+

vào nhân thơm

Các hydrocacbon thơm có mạch bên đủ dài thì sự tạo thành ion cacboni cũng giống như trường hợp parafin

b Giai đoạn biến đổi ion cacboni

Các ion cacboni là những hợp chất rất hoạt động ,chính vì vậy khi được tạo

ra từ giai đoạn trên lại nhanh chóng tham gia vào các phản ứng biến đổi khác nhau như :

- Phản ứng đồng phân hoá, chuyển dời ion hydro, nhóm metyl tạo cấu trúc nhánh

+

+ b

CH3 CH CH+ 2 R CH3 CH CH2 R+

Với ba vị trí β(1,2,3) ở trên thì xác suất đứt mạch ở vị trí 1 lớn hơn ở vị trí 2

và lớn hơn ở vị trí 3 Đồng thời ion cacboni lại nhanh chóng tác dụng với olefin hay với parafintheo phản ứng vận chuyển ion hydrit

Khối lượng riêng ở 150

4 Lò phản ứng

Cấu tạo lò phản ứng

1.Hỗn hợp sản phẩm và xúc 7 Vùng rửa

2.Xyclon 8.Xúc tác sang lò tái sinh

3 Pha loãng 9.Hơi nước

4 Ống cuối của xyclon 10.Xúc tác và nguyên liệu

ứng cracking xúc tác Hầu hết nguyên liệu đều tham gia phản ứng và chuyển hoá trong ống đứng, còn reactor được dùng như một thiết bị tách xúc tác và hơi hydrocacbon

Một bộ phận được thiết kế đặc biệt, bố trí ở gần van chặn(5), dùng hơi nước

để thổi xúc tác và dầu, làm như vậy sẽ hạn chế đến mức tối đa hiện tượng trộn quay trở lại của xúc tác và hơi khí đã làm việc Vùng ống đứng và bộ phận tách hơi của reactor được thiết kế cho quá trình FCC với thời gian tiếp xúc ngắn giữa xúc tác và dầu Sau khi tách khỏi xúc tác, hơi sản phẩm nóng (1) được chuyển tới cột phân đoạn Xúc tác đã làm việc (8) được cho qua vùng tách hơi (còn gọi là bộ phận rửa xúc tác) bằng cách thổi hơi nước vào Bộ phận rửa không chỉ làm nhiệm vụ đuổi hết hydrocacbon hấp phụ trên xúc tác mà còn làm tơi các hạt xúc tác để chúng không dính vào nhau trước khi sang lò tái sinh Cần điều chỉnh một tốc độ hơi thích hợp cho nhiệm vụ này Cần thiết phải kiểm tra chặt chẽ thời gian lưu của xúc tác trong bộ phận rửa để tránh phải dùng quá nhiều không khí trong lò tái sinh áp suất trong reactor được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh áp suất của cột phân đoạn

Phân xưởng cracking xúc tác có năng suất 3 500 000 tấn/ năm với nguyên liệu lấy từ phần cặn của dầu thô Bạch Hổ Ta coi thời gian làm việc của phân xưởng trong 1 năm là 8000h

 Năng suất của phân xưởng tính theo giờ sẽ là: GNL =

- Chọn hiệu suất xăng ( tính theo trọng lượng nguyên liệu mới) là Xx = 45,1 % trọng lượng nguyên liệu mới

- Chọn hiệu suất cốc Xc = 1,7% trọng lượng nguyên liệu mới

- Chọn hiệu suất khí khi cracking là Xk = 17,7% trọng lượng nguyên liệu mới

- Hiệu suất gasoil nhẹ là: Xgnh = 22% trọng lượng nguyên liệu mới

- Hiệu suất gasoil nặng là: Xgn = 12,5% trọng lượng nguyên liệu mới

- Coi lượng mất mát là 1%

 Tổng lượng vật chất vào lò phản ứng Gvào = GNL = 437,5 T/h

- Lượng cốc là:

Gc=GNL×1,7%=437,5×0,017=7,438 T/h

- Lượng mất mát là:

Gmm=GNL×1%=437,5×0,01=4,38 T/h Vậy tổng lượng sản phẩm và mất mát là:

Gra = Gk+Gx+Ggnh+Ggn+Gc+Gmm

=77,438+197,313+96,25+54,688+7,438+4,38=437,5 T/h

Kết quả tính toán cho cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng như sau:

Bảng 1: Kết quả tính toán cân bằng vật chất thiết bị phản ứng

(T/h)

% trọng lượng theo nguyên liệu mới

 Xác định lượng xúc tác tuần hoàn và tiêu hao hơi nước

Với hệ thống xúc tác dạng hạt cầu thì bội số tuần hoàn xúc tác N = 4÷9/1, ta chọn N=6/1, như vậy lượng xúc tác sẽ là:

Gxúc tác = N×GNL = 6× 437,5 = 2625 T/h

- Hơi nước sử dụng trong quá trình là hơi quá nhiệt Để điều chỉnh mật độ của hỗn hợp hơi nguyên liệu và xúc tác ở trong ống vận chuyển ta dùng hơi nước và nó tiêu tốn khoảng 0,4-2,0% trọng lượng tính theo tải trọng của lò phản ứng Ta chọn tiêu tốn hơi nước để điều chỉnh mật độ hỗn hợp là 1,6% trọng lượng theo nguyên liệu Vậy lượng hơi nước tiêu hao trong trường hợp này là:

Gn1 = 0,016×437,5 = 7 T/h

- Hơi nước dùng để tách hơi sản phẩm cracking ra khỏi xúc tác trước khi đưa vào lò tái sinh trong vùng tách Tiêu tốn trong trường hợp này vào khoảng 5- 10 kg để tách được 1 tấn xúc tác có dính cốc Ta chọn giá trị là 7kg/1 tấn xúc tác Như vậy lượng hơi nước tiêu tốn sẽ là:

Cân bằng nhiệt lượng của lò phản ứng

QNL+QH2Ohv1+QH2Ohv2+Qxtv=Qxtr+Qk+Qx+Qgnh+Qgn+Qcốc+QH2Ohr1+QH2Ohr2+Qmm+Qpư

Trong đó:

- Vế trái của vế trái biểu diễn tổng nhiệt lượng mang vào thiết bị phản ứng tính bằng Kcal/kg

QNL : nhiệt lượng do nguyên liệu mới mang vào

QH2Ohv1 : nhiệt lượng do hơi nước đem vào ống vận chuyển

QH2Ohv2 : nhiệt lượng do hơi nước đưa vào vùng tách

Qxtv : nhiệt lượng do xúc tác mang vào

- Vế phải của phương trình biểu diễn tổng nhiệt lượng mang ra khỏi thiết bị phản ứng, tính bằng Kcal/kg

QXtr : nhiệt lượng do xúc tác mang ra

Qk : nhiệt lượng do sản phẩm khí mang ra

Qx : nhiệt lượng do hơi xăng mang ra

Qgnh : nhiệt lượng do hơi gasoil nhẹ mang ra

Qgn : nhiệt lượng do hơi gasoil nặng mang ra

QH2Ohr1 : nhiệt lượng do hơi nước mang ra khỏi ống vận chuyển

QH2Ohr2 : nhiệt lượng do hơi nước mang ra khỏi vùng tách

Qmm : mất mát nhiệt vào môi trường

Qpư : nhiệt lượng tiêu hao cho phản ứng cracking

Dựa vào các tài liệu và thực tế công nghiệp ta chọn nhiệt độ của các thành phần lúc đi vào thiết bị phản ứng như sau:

- Nhiệt độ của xúc tác vào thiết bị phản ứng là: txtv = 600oC

- Nhiệt độ của hơi nước đưa vào ống vận chuyển là tH2Ov1 = 600oC ( áp suất 40 at)

- Nhiệt độ của hơi nước đưa vào vùng tách: tH2Ov2 = 230oC (áp suất 2at)

II.1 Nhiệt lượng do khí sản phẩm mang ra

Trong bảng 2 dưới đây theo tài liệu [6,118 ] sẽ chỉ ra thành phần của khí cracking ( người ta xác định được bằng phương pháp phân tích sắc ký khí của sản phẩm khí khi nhận được khi cracking)

Với giả thiết là áp suất trong thiết bị phản ứng là tương đối nhỏ, vì vậy ảnh hưởng của áp suất lên hàm nhiệt là không đáng kể Khi biết thành phần khí cracking ta có thể tìm được hàm nhiệt của riêng từng cấu tử sau đó ta có thể tính được hàm nhiệt của hỗn hợp các cấu tử

Tổng hàm nhiệt riêng phần của các cấu tử sẽ là hàm nhiệt của khí cracking ở nhiệt độ đã cho Nhờ nội suy ta có thể xác định được hàm nhiệt của khí ở các nhiệt

độ trung gian

Bảng 2: Thành phần của khí cracking

Cấu tử

Hiệu suất % trọng lượng theo nguyên liệu

% trọng lượng

Hàm nhiệt

Riêng

Riêng phần

II.2 Nhiệt lượng do hơi các sản phẩm nặng hơn mang ra

 Hàm nhiệt của hơi hydrocacbon được xác định theo công thức:

qh = (50,2+0,109.t +0,00014 t2)×(4 – 15

15) -73,8 Trong đó:

q : hàm nhiệt của phân đoạn ở trạng thái hơi, Kcal/kg

15

15 : tỷ trọng của phân đoạn lỏng

t : nhiệt độ phân đoạn, oC

 Hàm nhiệt của hơi sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng ở 500oC là:

qh = (50,2+0,109.500 +0,00014 5002)×(4 – 0,76) -73,8 = 378,83 Kcal/kg Nhiệt lượng do hơi xăng mang ra khỏi thiết bị phản ứng là:

t : nhiệt độ của phân đoạn, oC

 Hàm nhiệt của gasoil nhẹ ở 500oC là:

qgnh =

×( 0,403.500+0,000405 500

2) = 313,43 Kcal/kg

Lượng nhiệt do phần gasoil nhẹ mang ra là:

Lượng nhiệt do phần gasoil nặng mang ra là:

Qgn = 54,688.103.311,78 = 1,7051.107 Kcal/kg

 Hàm nhiệt của cốc xúc tác và hơi nước được tính theo công thức:

qcốc = C.t

Trong đó:

qcốc : hàm nhiệt của cốc hoặc xúc tác, Kcal/kg

C : là nhiệt dung riêng của cốc hay nhiệt dung riêng của xúc tác

và tương ứng bằng 0,6 và 0,27 , Kcal/kg.độ

t : nhiệt độ của xúc tác hay cốc

 Hàm nhiệt của xúc tác đi vào ống phản ứng:

Lượng nhiệt do xúc tác mang ra khỏi thiết bị phản ứng :

QXtr = 2625.103×135 = 35,44.107 Kcal/h

 Hàm nhiệt của cốc mang ra khỏi thiết bị phản ứng:

qcốc = 0,6×500 = 300 Kcal/kg Lượng nhiệt do cốc mang ra:

Qcốc = 7,438.103×300 = 0,22314.107 Kcal/h

Hàm nhiệt của hơi nước được xác định theo [7,196]

- Nhiệt dung riêng của hơi nước ở 40 at, 600oC là: 0,5285 Kcal/kg.độ

- Nhiệt dung riêng của hơi nước ở 40 at, 230oC là: 0,293 Kcal/kg.độ

- Nhiệt dung riêng của hơi nước ở 2 at , 500oC là: 0,509 Kcal/kg.độ

qH2Ov1 = 0,5285 ×600 = 317,1 Kcal/kg Lượng nhiệt do hơi nước mang vào ống phản ứng là:

QH2Ohv1 = 7.103×317,1 = 0,22197.107 Kcal/kg

qH2Ohv2 = 0,293×230 = 67,39 Kcal/kg Nhiệt lượng do hơi nước mang vào vùng tách là:

QH2Or =25,375.103× 254,5 = 0,6458.107 Kcal/h

Độ sâu biến đổi được xác định : 100-22-12,5 = 65,5% trọng lượng, tra đồ thị hình 59 tài liệu [6,120] ta được hiệu ứng nhiệt của phản ứng:

Qpư = 437,5.103×62 =0,27125.107 Kcal/h Lượng nhiệt mất mát ta coi như tính bằng 5% lượng nhiệt cân bằng:

Qmm = 5% Qvào

Vậy tổng lượng nhiệt vào thiết bị phản ứng:

Qvào= QNL +QXtv+QH2Ot = QNL+ 0,34577.107+42,53.107= QNL+ 42,87577.107 Kcal/h

Tổng nhiệt lượng mang ra khỏi thiết bị phản ứng là:

Qra=QXtr+Qk+Qx+Qgnh+Qgn+Qcốc+QH2Ohr+Qmm+Qpư

=35,44.107+2,4.107+7,4748.107+3,0168.107+1,7051.107+0,22314.107+0,6458.107+Qmm

Ta có bảng cân bằng nhiệt sau:

Bảng 4: Bảng cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng

(oC)

Số lượng (T/h)

Hàm nhiệt (Kcal/kg)

Lượng nhiệt (107 Kcal/h) Vào