Đồ án thiết kế phân xưởng alkyl hóa (có bản CAD)

PHẦN 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT71.1. Cơ sở lý thuyết chung về quá trình alkyl hóa71.1.1. Phân loại các phản ứng alkyl hóa71.1.2. Các tác nhân alkyl hóa81.1.3. Xúc tác cho phản ứng alkyl hóa81.2. Alkyl hóa isobutan bằng buten101.2.1. Nguyên liệu của quá trình101.2.2. Cơ sở hóa lý của quá trình13PHẦN 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT162.1. Điều kiện công nghệ của quá trình alkyl hóa162.1.1. Nhiệt độ phản ứng162.1.2. Thời gian phản ứng172.1.3. Nồng độ axit182.1.4. Nồng độ izobutan trong vùng phản ứng192.1.5. Tốc độ thể tích của olefin202.1.6. Khuấy trộn212.1.7. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình alkyl hoá212.2. Các công nghệ alkyl hóa izobutan bằng olefin222.2.1. Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H2SO4 của hãng Kellogg222.2.2. Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H2SO4 của hãng Exxon252.2.3. Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H2SO4 của hãng Stratco262.2.4. Công nghệ alkyl hóa sử dụng xúc tác HF của hãng UOP312.3.Lựa chọn công nghệ33PHẦN 3.TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ353.1. Các số liệu ban đầu353.2. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng353.2.1. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ nhất363.2.2. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ hai403.2.3. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ ba423.2.4. Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ tư433.3. Tính kích thước thiết bị phản ứng433.3.1. Tính thể tích thiết bị phản ứng433.3.2. Tính đường kính thiết bị phản ứng453.4. Tính cân bằng nhiệt lượng cho thiết bị phản ứng453.4.1. Tính nhiệt phản ứng453.4.2. Tính lượng hydrocacbon bay hơi trong thiết bị phản ứng463.5. Tính toán dàn trao đổi nhiệt của thiết bị phản ứng473.6. Tính toán thiết bị lắng trong dây chuyền48

Trang 1

VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ HỮU CƠ – HÓA DẦU

ĐỒ ÁN KỸ SƯ

THIẾT KẾ PHÂN XƯỞNG ALKYL HOÁ

NĂNG SUẤT 275.000 TẤN/NĂM

Sinh viên thiết kế: Nguyễn Duy Vũ

Hoàng Hà Trang Người hướng dẫn: TS Đào Quốc Tùy

HÀ NỘI 2015

Trang 2

MỤC LỤC

PHẦN 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 7

1.1 Cơ sở lý thuyết chung về quá trình alkyl hóa 7

1.2 Alkyl hóa iso-butan bằng buten 10

2.2.1 Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H 2 SO 4 của hãng Kellogg 22

2.2.2 Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H 2 SO 4 của hãng Exxon 25

2.2.3 Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H 2 SO 4 của hãng Stratco 26

PHẦN 3.TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ 35

3.1 Các số liệu ban đầu 35

3.2 Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng 35

3.2.1 Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ nhất 36

3.2.2 Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ hai 40

3.2.3 Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ ba 42

3.2.4 Tính cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng thứ tư 43

3.4.2 Tính lượng hydrocacbon bay hơi trong thiết bị phản ứng 46

3.5 Tính toán dàn trao đổi nhiệt của thiết bị phản ứng 47

3.6 Tính toán thiết bị lắng trong dây chuyền 48

Trang 3

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN

Tuần Nội dung Tiến độ Ký xác nhận

………

Trang 4

Đồ án kỹ sư Thiết kế phân xưởng alkyl hóa

………

Trang 5

MỞ ĐẦU

Dầu mỏ là một nguồn tài nguyên quý giá, nguyên liệu chủ yếu trong rất nhiềungành công nghiệp hóa học, năng lượng và trong hầu hết các lĩnh vực hoạt động củanền kinh tế quốc dân

Trong nhiều sản phẩm từ dầu mỏ thì xăng động cơ là một sản phẩm không thểthiếu Nó được phối trộn từ nghiều nguồn khác nhau đảm bảo các yêu cầu về chấtlượng Một trong các chỉ tiêu chất lượng quan trọng nhất của xăng động cơ là trị sốoctan Trong công nghiệp sản xuất xăng, nhìn chung các quốc gia đều có xu hướng cảithiện và nâng cao chất lượng xăng nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của động cơ và bảo

vệ môi tường trong sạch Vì vậy việc nâng cao chất lượng xăng trong đó quan trọngnhất là nâng cao trị số octan, giảm hàm lượng benzen, hàm lượng các hợp chất chứaoxy, hàm lượng olefin đang là vấn đề đặt lên hàng đầu

Trong các loại xăng công nghệ thì xăng alkyl hoá, đặc biệt là xăng alkyl hoá xúc

có thể đáp ứng được các yêu cầu trên: trị số octan cao trên 95, không chứa benzen, có

độ ổn định hoá học cao, áp suất hơi bão hoà thấp, hàm lượng độc trong khí thải thấpnên đáp ứng được yêu cầu về kỹ thuật của động cơ và góp phần bảo vệ môi trườngtrong sạch

Như vậy quá trình alkyl hoá là một công nghệ rất quan trọng trong nhà máy chếbiến dầu mỏ, vì ngoài những ưu điểm của sản phẩm, đây còn là hướng sử dụng hợp lýnguyên liệu, tiết kiệm được nguồn năng lượng dầu mỏ ngày càng cạn kiệt Do vậy việcphát triển và nâng cao công nghệ alkyl hoá trong các nhà máy chế biến dầu là rất cầnthiết

Đồ án này bao gồm các phần chính sau:

- Tổng quan về quá trình alkyl hóa

- Tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng

- Tính toán thiết bị chính

Trang 6

- Bản vẽ sơ đồ công nghệ và thiết bị chính

PHẦN 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Cơ sở lý thuyết chung về quá trình alkyl hóa

Quá trình alkyl hoá là quá trình đưa các nhóm alkyl vào phân tử các hợp chấthữu cơ hoặc vô cơ

1.1.1 Phân loại các phản ứng alkyl hóa

a Phân loại dựa trên dạng liên kết tạo thành giữa nguyên tử C với nguyên tử của các nguyên tố khác

* Alkyl hóa theo nguyên tử C

CnH2n+2 + CmH2m → Cn+mH2(n+m)+ 2 (1-1)

* Alkyl hóa theo nguyên tử N

ROH + NH3 → RNH2 + H2O (1-3)

* Alkyl hóa theo nguyên tử O và S

ArOH + RCl + NaOH → ArOR + NaCl + H2O (1-4)

* Alkyl hóa theo các nguyên tử khác

2RCl + Si → R2SiCl2 (xúc tác là Cu) (1-6)4C3H7Cl + 4NaPb → Pb(C3H7)4 + 4NaCl + 3Pb (1-7)3C2H4 + Al + 3/2 H2 → Al(C2H5)3 (1-8)

b Phân loại dựa trên cấu tạo khác nhau của nhóm alkyl đưa vào phân tử hợp chất

* Alkyl hóa mạch vòng: Nhóm alkyl hóa là mạch vòng

C6H6 + C6H11Cl → C6H5C6H11 + HCl (1-9)

* Alkyl hóa mạch thẳng: Nhóm alkyl hóa là mạch thẳng

C6H6 + C2H5Cl → C6H5C2H5 + HCl (1-10)

* Aryl hóa: Đưa nhóm phenyl hay nói chung là aryl vào phân tử hợp chất, hình

thành liên kết trực tiếp với nguyên tử C của vòng thơm

Trang 7

(1-* β-oxy alkyl hóa: Nhóm alkyl chứa nhóm oxyt

CH2-CH2O →+ROH ROCH-CH2OH (1-14)

CH2-CH2O →NH3 HOCH2-CH2NH2 15)

(1-1.1.2 Các tác nhân alkyl hóa

a Tác nhân là olefin

Tác nhân olefin có giá thành khá rẻ etylen, propylen, buten,…

Xúc tác là axit proton (a.Bronsted) hoặc axit phi proton (a.Lewis)

Cơ chế cacbocation Khả năng phản ứng của các olefin được đánh giá bằngmức độ tạo ra cacbocation:

RCH=CH2 + H+↔RC+H-CH3 (1-16)Khả năng tạo cacbocation tăng theochiều dài mạch và độ phân nhánhcủa olefin:

CH2=CH2< CH3-CH=CH2< CH3-CH2-CH=CH2< (CH3)2C=CH2 [3]

b Tác nhân là các dẫn xuất clo

Các dẫn xuất clo được xem là các tác nhân alkyl hoá tương đối thông dụng nhấttrong các trường hợp O -, S -, N - alkyl hoá và để tổng hợp phần lớn các hợp chất cơkim, cơ nguyên tố, ngoài ra nó còn được sử dụng trong trường hợp C - alkyl hóa

Khả năng phản ứng của các dẫn xuất clo được sắp xếp theo dãy:

ArCH2Cl > CH2=CH-CH2Cl > AlkCl > ArCl

và AlkCl bậc I > AlkCl bậc II > AlkCl bậc II

Trang 8

1.1.3 Xúc tác cho phản ứng alkyl hóa

Các chất xúc tác sử dụng cho phản ứng alkyl hóa thường là các axit [1,4]

a Xúc tác đồng thể

Xúc tác thường có dạng axit Bronsted như HF, H2SO4 Khi sử dụng tác nhânalkyl hóa là alken, axit sẽ chuyển proton sang cho gốc hydrocacbon theo phản ứng:

CH2=CH2 + H+ ↔ -CH-C+- (1-20)Trong trường hợp xúc tác là các axit Lewis như AlCl3 thì một lượng nhỏ H+thường được thêm vào như chất đồng xúc tác để thúc đẩy quá trình hình thànhcacbocation

+ Yêu cầu khuấy trộn vùng phản

ứng thấp hơn, bởi vì HF hòa tan

izo-butan cao hơn (khoảng 0.3% izo-izo-butan

trong axit)

+ Quá trình đồng phân hóa 1-buten

thành 2-buten xảy ra triệt để hơn

+ Trị số octan của alkylat thu được

với nguyên liệu buten trung bình 92

+ Yêu cầu khuấy trộn vùng phảnứng cao hơn vì H2SO4 hòa tan izo-butanthấp hơn so với HF (0,1%)

+ Quá trình đồng phân hóa 1-butenthành 2-buten xảy ra ít triệt để hơn

+ Trị số octan của alkylat thu đượcvới nguyên liệu buten cao hơn 93 - 95.+ Tiêu thụ izo-butan thấp hơn.+H2SO4 cũng có xu hướng ăn mònnhưng không bằng HF

+ H2SO4 cũng rất độc, nhưng ởđiều kiện thường nó ở thể lỏng và việc

xử lý an toàn và dể dàng hơn nhiều

Trang 9

hóa hơi và có tính độc hại cao, gây nguy

hiểm cho con người

Nhưng xúc tác rắn chưa được ứng dụng phổ biến trong các quá trình alkyl hóacông công nghiệp cũng như trên thị trường thế giới [1,4]

1.2 Alkyl hóa iso-butan bằng buten

1.2.1 Nguyên liệu của quá trình

Nguyên liệu alkyl hóa công nghiệp là phân đoạn butan, buten nhận được từ quátrình hấp phụ, phân chia khí của khí crăcking xúc tác là chủ yếu Phân đoạn này chứa

Trang 10

+ Áp suất tới hạn: 3,58 MPa

+ Giới hạn nồng độ hỗn hợp nổ với không khí (%):

Giới hạn trên: 8,4%

Giới hạn dưới: 1,8%

+ Trị số octan: RON = 100 ; MON = 99

- Tính chất hóa học của izo-butan.

Trong izo-butan chỉ chứa các liên kết i

Phân tử izo-butan chỉ chứa các liên kết C – C và C – H là loại liên kết khôngphân cực hoặc rất ít phân cực Vì vậy ở izo-butan phản ứng xảy ra chủ yếu qua conđường phân cắt liên kết theo kiểu đồng li, nghĩa là qua hình thành các gốc tự do

Trong các phản ứng ở izo-butan chất phản ứng có thể tấn công vào liên kết C – H(phản ứng thế) hoặc vào liên kết C – C (cắt mạnh cacbon)

- Ứng dụng:

Izo-butan được dùng làm nguyên liệu sản xuất xăng alkylat và cao su tổng hợp b) Buten

- Công thức cấu tạo phân tử: C4H8 (1-23)

- Công thức cấu tạo:

Bảng 1.3 Một số tính chất hóa lý của olefin [2]

Olefin Nhiệt độ Nhiệt độ Nhiệt độ tới Áp suất tới Giới hạn

Trang 11

sôi(oC) hạn(oC) hạn(MPa) nổ với

khôngkhí(%V)

- Tính chất hóa học của buten:

+ Bản chất đặc điểm của liên kết đôi C = C

+ Các phản ứng quan trọng nhất đối với alken là phản ứng cộng phản ứng oxyhóa và phản ứng trùng hợp

- Phương pháp điều chế buten

Cracking xúc tác để sản xuất xăng và olefin thu được như sản phẩm phụ Ngoài

ra còn từ quá trình dehydro hóa, oligome hóa và quá trình chuyển không cân đối

- Ứng dụng:

Trùng hợp izo-buten cho các sản phẩm có thể dùng làm dầu nhờn hoặc làm vậtliệu cách điện và làm các màng mỏng Đồng trùng hợp izo-buten với một lượng nhỏizopren hoặc butadien cho loại cao su butyl có thể lưu hóa được và rất ít thoát khí, vìvậy dùng để sản xuất các loại xăm cho xe vận tải

Trang 12

H2SO4 là axit hai nấc, trong dung dịch nó phân ly thành hai nấc: nấc thứ nhấtphân ly hoàn toàn nhưng nấc thứ hai thì kém hơn nhiều

- Alkylat nhẹ dùng làm hợp phần pha chế xăng có chất lượng cao

- Alkylat nặng (ts = 170  300oC) dùng làm nhiên liệu diezen

- Hỗn hợp khí hydrocacbon no dùng làm nhiên liệu

Bảng 1.5 Trị số octan của một số sản phẩm chính của quá trình alkyl hóa izo-butan bằng buten [1]

Izo-buten

Buten-2

Buten-1

2,2,4-trimetyl pentan2,3,4-trimetyl pentan2,2,4-trimetyl pentan2,3,3-trimetyl pentan2,3-dimetyl hexan2,4-dimetyl hexan

1001031001067165

10096100997970

Xúc tác Phương pháp xác định Buten-1 Buten-2 Izo-buten

MON

98,594,5

90,588,5

Trang 13

1.2.2 Cơ sở hóa lý của quá trình

1.2.2.1.Đặc trưng nhiệt động học của phản ứng

(1-25)Alkyl hóa izo-butan bằng buten là một quá trình tỏa nhiệt có kèm theo giảm sốlượng phân tử Do vậy, khi giảm nhiệt độ và tăng áp suất sẽ thuận lợi cho quá trình,nghĩa là quá trình chuyển dịch về phía tạo thành sản phẩm [4]

Theo số liệu thực nghiệm ta thấy, nhiệt của phản ứng như sau:

Với propen : 195 kcal/kg alkylat

Với buten : 175 kcal/kg alkylat

Với penten : 140 kcal/kg alkylat

1.2.2.2 Cơ sở của quá trình alkyl hóa izo-butan bằng buten

Cơ chế cacbocation bao gồm ba giai đoạn:

- Giai đoạn hình thành cacbocation

- Giai đoạn phát triển mạch

- Giai đoạn tạo sản phẩm alkylat.

a) Giai đoạn hình thành cacbocation

Từ izo-buten ta có:

(1-26)

(1-27)Phản ứng chuyển ion hydrit:

Trang 14

b) Giai đoạn phát triển mạch

+ Đồng phân hóa cacbocation:

Cacbocation bậc 2 mới tạo thành nhìn chung dễ bị chuyển vị nội phân tử với sự dichuyển vị trí của hydro và các nhóm metyl để tạo thành cacbocation bậc 3 bền hơn

(1- 31)

c) Phản ứng B và sự tạo thành izo-octan

Các cacbocation trên tác dụng với izo-butan sẽ tạo ra hydrocacbon C8H18 và tert butyl cation:

-d) Các phản ứng phụ xảy ra trong quá trình alkyl hóa

Một số lượng lớn các phản ứng phụ xảy ra trong điều kiện của quá trình alkyl hóanhư phản ứng dịch chuyển hydro, phản ứng polyme hóa, phản ứng phân bố lại, phản

Trang 15

ứng cracking, phản ứng oxy hóa, phản ứng tạo este… Các phản ứng này thường khôngmong muốn vì nó làm giảm chất lượng sản phẩm và làm tăng tiêu hao xúc tác axit.

PHẦN 2: CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT

2.1 Điều kiện công nghệ của quá trình alkyl hóa

Hiệu suất và chất lượng alkylat được xác định không chỉ do tính chất của nguyênliệu và xúc tác mà còn do ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ của quá trình alkylhóa đó là các thông số chính sau:

Trang 16

điều đó cho phép tăng cường khuấy trộn làm cho các tác nhân phản ứng tiếp xúc vớinhau tốt hơn, nhờ vậy giảm được năng lượng khuấy trộn

Song khi tăng nhiệt độ, các phản ứng phụ như polyme hoá, oligome hoá và oxihóa lại tăng lên và có tốc độ mạnh tương đương với tốc độ phản ứng alkyl hóa Vì thế

độ chọn lọc của quá trình giảm xuống, giảm nồng độ axit và tăng tiêu hao axit, làmgiảm chất lượng alkylat (trị số octan giảm, độ ổn định thấp)

Nếu hạ thấp nhiệt độ đến một giới hạn nhất định nào đó, sẽ tạo điều kiện thuậnlợi cho quá trình alkyl hóa, làm cho độ chọn lọc tăng, giảm tiêu hao xúc tác và hiệusuất cũng như chất lượng alkylat tăng lên

Yếu tố hạn chế khi giảm nhiệt độ là làm tăng độ nhớt của các tác nhân và axit,làm tiêu tốn năng lượng khuấy trộn và chất tải nhiệt Trong trường hợp này cũng khótạo thành nhũ tương tốt thích hợp cho phản ứng alkyl hóa

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng alkylat được trình bày qua đồ thịsau:

Hình 2.1.Ảnh hưởng của nhiệt độ đến trị số Octan của alkyl hoá.

Trong công nghiệp alkyl hoá nhiệt độ thích hợp đối với các xúc tác như sau:+ Xúc tác axit H2SO4, nhiệt độ = 4100C

+ Xúc tác axit HF, nhiệt độ = 20 350C

+ Xúc tác axit axit rắn nhiệt độ cao hơn xúc tác axit lỏng

Giá trị cụ thể nhiệt độ phản ứng được chọn cần phân tích đến ảnh hưởng củacác thông số khác và các chỉ tiêu kinh tế của quá trình, sao cho đảm bảo chỉ tiêu chất

Trang 17

Thời gian phản ứng của quá trình alkyl hóa xác định bởi hai yếu tố cơ bản:

+ Tốc độ lấy nhiệt khỏi vùng phản ứng đủ để điều chỉnh nhiệt độ của phản ứng + Thời gian cần thiết đủ để izo-butan hòa tan vào pha axit tạo nhũ tương

Nhờ thế sẽ đảm bảo tiến hành như mong muốn và hạn chế các phản ứng phụ

Do thiết bị hoạt động liên tục, để khống chế thời gian phản ứng người ta khốngchế qua tỷ lệ giữa axit và hydrocacbon trong vùng phản ứng của reactor Thôngthường tỷ số này được chọn bằng 1/1 đến 2/1, tại đó chất lượng alkylat là tốt nhất.Trong thực tế, để đạt hiệu suất cực đại, thời gian tiếp xúc trong reactor với xúctác H2SO4 thường từ 20 đến 30 phút

Hình2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ axit/RH đến chất lượng của alkylat

2.1.3 Nồng độ axit

Để alkyl hóa phân đoạn C4, người ta thường dùng axit H2SO4 có nồng độ từ 90 98,5% Nâng cao nồng độ của axit trong giới hạn này sẽ tạo điều kiện hoàn thiện tínhchất của alkylat mà trước hết là tính chất chống kích nổ của nó

18

Trang 18

0 90 92 94 96 98 100 % axit

Hình 2.3 Sự phụ thuộc thuộc giữa nồng độ axit và chất lượng alkylat

Đường cong phụ thuộc giữa trị số octan của alkylat vào nồng độ của axit chuyểnqua cực đại rất rõ ràng ở nồng độ axit 95  96%

Người ta giải thích điều đó có thể do ở nồng độ này sẽ thuận lợi cho quá trình vừaalkyl hóa vừa đồng phân hóa để cho nhiều 2,2,4-trimetyl pentan là cấu tử có trị sốoctan cao Và như trên chúng ta đã thấy axit đặc tạo điều kiện vận chuyển ion hydritnên nồng độ của axit phải đảm bảo yêu cầu

Để alkyl hóa izo-butan bằng buten, quá trình dùng xúc tác rộng rãi với H2SO4 cónồng độ 96  98% khối lượng.Nồng độ axit lớn hơn không mong muốn vì tính chấtoxy hóa mạnh của nó, tính chất này làm phức tạp thêm quá trình như dễ tạo nhựa, dễtạo SO2, SO3, H2S và giảm hiệu suất alkylat Khi nồng độ axit thấp sẽ làm giảm độchọn lọc của quá trình, và nếu nhỏ hơn 85% thì hoạt tính xúc tác sẽ giảm mạnh làmcho quá trình polyme hóa xảy ra nhiều làm loãng nhanh axit H2SO4 dẫn đến khó điềuchỉnh thiết bị

Trong quá trình làm việc nồng độ axit giảm xuống do hai nguyên nhân chính sau:

- Do tích lũy trong axit các hợp chất cao phân tử (este phức tạp của H2SO4,hydrocacbon cao phân tử )

- Do pha loãng bởi nước được tạo ra từ các phản ứng phụ hay có sẵn trongnguyên liệu tích lũy lại Chẳng hạn một phân tử olefin có thể tác dụng với H2SO4 đặctạo ra một lượng nước theo phương trình:

Trang 19

Hỗn hợp phản ứng là hệ hai pha phân tán vào nhau nhờ cánh khuấy hay hệ thốngbơm phân tán cũng gây ảnh hưởng đến nồng độ axit, vì nếu các bộ phận này không đủkhả năng cho phép nhận nhũ tương tốt sẽ tạo điều kiện tiến hành các phản ứng phụkhông mong muốn và như vậy sẽ làm giảm nồng độ axit cũng như hiệu suất và chấtlượng alkylat [4]

Bảng 2.1 Độ hòa tan của izo-butan trong axit.[2]

Axit Nồng độ axit Độ hòa tan(% khối lượng)

H2SO4

99,5cân bằng

0,10,4

2.1.4 Nồng độ izo-butan trong vùng phản ứng

Do khả năng hòa tan izo-butan trong pha axit rất nhỏ (H2SO4 là 0,1%), nên muốntăng tốc độ phản ứng, nồng độ izo-butan cần phải đạt cực đại trong vùng phản ứng Độhòa tan cũng còn phụ thuộc vào độ khuấy trộn đặc biệt trong reactor

Olefin hầu như hòa tan tức thời trong axit nên lượng olefin đưa vào cần phải chianhỏ để hạn chế phản ứng phụ Điều này được khống chế qua tỷ lệ giữaizo-butan/buten.Trong công nghiệp, tỷ lệ này thay đổi từ 5/1 đến 15/1, nghĩa là sửdụng một lượng dư rất lớn izo-butan

Khi sử dụng lượng dư izo-butan so với buten sẽ hạn chế các phản ứng phụ đặcbiệt là phản ứng polyme hóa của olefin và có ảnh hưởng tốt đến hiệu suất alkylat, tănghàm lượng sản phẩm mong muốn, tăng trị số octan và giảm tiêu hao xúc tác Tuy vậykhông nên dùng lượng dư quá lớn izo-butan vì khi đó chi phí tái sinh nó sau phản ứng

sẽ rất cao.Tỷ lệ mol tối ưu trong trường hợp này là từ 4/1 đến 6/1

Trang 20

Hình 2.4 Sự phụ thuộc hiệu suất phản ứng theo tỷ lệ I/O

Ngoài ra khi quan sát mối quan hệ giữa nồng độ izo-butan trong dòng sản phẩm

ra khỏi reactor và chất lượng alkylat, người ta thấy rằng chất lượng của alkylat mà cụthể là tính chống kích nổ của sản phẩm tăng lên hầu như tỷ lệ thuận với nồng độ izo-butan trong dòng chất ra khỏi reactor Vì vậy, hàm lượng izo-butan khi đó được dùng

để đánh giá chất lượng alkylat

2.1.5 Tốc độ thể tích của olefin

Tốc độ thể tích của olefin được định nghĩa là thể tích của olefin bơm vào trênthể tích trung bình của axít sulfuric trong thiết bị phản ứng trong một giờ Thôngthường giá trị này vào khoảng 0,25/h  0,5/h Tốc độ thể tích olefin cao làm tăng tiêuhao axít, tăng nhiệt độ của thiết bị phản ứng tạo điều kiện cho các phản ứng phụ nhưpolime hoá làm xấu đi chất lượng sản phẩm Hơn nữa nhiệt độ phản ứng tăng còn gây

ra nhiều khó khăn trong việc làm mát cũng như điều khiển thiết bị Do vậy tốc độ thểtích của olefin nên giữ ở mức thấp

2.1.6 Khuấy trộn

Trong quá trình alkyl hoá xúc tác lỏng, mức độ khuấy trộn có ảnh hưởng trựctiếp đến quá trình và chất lượng sản phẩm Khi thực hiện quá trình alkyl hoá để phảnứng diễn ra tốt thì pha hydrocacbon và pha axít phải phân tán tốt vào nhau để tạo điềukiện tiếp xúc cho phản ứng xảy ra Đặc biệt với phản ứng alkyl hoá dùng xúc tác

H2SO4, do xúc tác và isobutan không tan lẫn vào nhau nên việc khuấy trộn là rất quantrọng Khi khuấy trộn tốt hydrocacbon và axít sẽ tạo thành huyền phù tăng cường tiếpxúc giữa hai pha làm tăng độ chọn lọc và nâng cao chất lượng sản phẩm

Trang 21

Để đảm bảo tạo ra huyền phù tốt cần phải điều chỉnh lượng axít đưa vào trongthiết bị Tỷ lệ giữa axít/hydrocacbon trong thiết bị nếu nhỏ hơn 40% sẽ làm tăng lượngaxít tiêu thụ đồng thời làm giảm trị số octan của sản phẩm Nếu tỷ lệ này lớn hơn 65%

sẽ làm giảm thời gian lưu của hydrocacbon trong thiết bị và nó sẽ gây hiệu ứng tương

tự như trường hợp vận tốc thể tích olefin quá cao

2.1.7 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình alkyl hoá

*Những chất pha loãng

Những chất pha loãng tiêu biểu là propan, n-butan, n-pentan Những chất nàykhông tham gia phản ứng nhưng chiếm thể tích thiết bị phản ứng làm loãng nồng độcủa isobutan trong thiết bị phản ứng Làm giảm chất lượng của alkylat

*Nước trong axít

Lượng nước chứa trong axít thường vào khoảng 3  5% Lượng nước này chủyếu do các dòng hydrocacbon mang vào trong quá trình phản ứng Nước có trong axítgây giảm nồng độ và hoạt tính xúc tác do đó làm giảm chất lượng alkylat Để hạn chếlượng nước các quá trình alkyl hoá đều có thiết bị tách nước cho nguyên liệu trước khiđưa vào thiết bị phản ứng

*Dầu hoà tan trong axít

Do các phản ứng polyme hoá, những phân tử hydrocacbon mạch dài tạo thành vàtan trong axít làm loãng nồng độ axít và làm giảm chất lượng sản phẩm

*Tạp chất trong nguyên liệu

Một số tạp chất có trong nguyên liệu tuy ít gây ảnh hưởng đến chất lượng của

alkylat nhưng làm tăng lượng axít tiêu thụ cho quá trình

2.2 Các công nghệ alkyl hóa izo-butan bằng olefin

2.2.1 Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H 2 SO 4 của hãng Kellogg

+ Cho bay hơi một phần izo-butan bên trong reactor

Trang 22

- Sản phẩm phản ứng được tách axit một cách đơn giản, axit bị tiêu hao được thaythế bằng axit mới

- Dùng xúc tác H2SO4 trong quá trình alkyl hóa thì không cần quan tâm đặc biệtđến an toàn và môi trường [1,4]

Sơ đồ công nghệ gồm các bộ phận chính:

Lµm l¹nh vµ khö propan

ThiÕt bÞ

xö lý

Bé phËn t¸ch Propan

Nguyªn liÖu olefin

KhÝ cã chøa izo-butan

n-butan

Alkylat

H2SO4 th¶i (90%) H2SO4 míi (98,5%)

Nguyên liệu olefin và izo-butan tuần hoàn đi vào thiết bị phản ứng (1) Hỗn hợpđược khuấy trộn kỹ và có sự tiếp xúc với H2SO4 được cho vào từ bên trái của hệ thống

và đi qua lần lược từng thiết bị Nhiệt của phản ứng được lấy ra bằng cách cho bay hơimột phần hydrocacbon có trong hỗn hợp phản ứng để giữ cho nhiệt độ phản ứng ở

400F (khoảng 4  5oC) Phần hydrocacbon bay hơi được đưa đến thiết bị làm lạnh nén

ép (2) và phần ngưng được trở lại thiết bị phản ứng (1) Propan được tách ra ở đỉnhtháp (3), ở đây một phần propan được chuyển hóa tiếp tục làm nguyên liệu cho nhàmáy Sản phẩm phản ứng được đưa đến thiết bị phân ly (4), ở đó hydrocacbon đượctách ra khỏi xúc tác axit sunfuric và axit được đưa đi tái sinh Hydrocacbon mới tách

ra được đưa đến tháp tách izo-butan (5) cùng với một phần izo-butan mới được cất.Phần cất ở đỉnh tháp (5) giàu izo-butan được đưa trở lại phản ứng (1) Phần đáy đượcđưa đến thiết bị tách butan (6) để lấy ra phần đáy là sản phẩm alkylat.Phần đỉnh củatháp (6) là sản phẩm butan

Trang 24

Cấu trúc lò phản ứng: [12]

Reactor thường có 5 bậc, trong mỗi bậc đều có bộ phận khuấy trộn mạnh nên tạođược nhũ tương thích hợp cho phản ứng Các bậc được cách nhau bằng tấm chắn hìnhchữ L Cuối cùng là phòng lắng gồm hai vùng, vùng 1 là vùng chứa axit, vùng 2 làvùng chứa alkylat Olefin được dẫn đồng thời vào 5 bậc với tỷ lệ đã chọn trước Vớireactor loại này phản ứng giải nhiệt nhờ sự bốc hơi của izo-butan dư có hiệu quả hơn

do việc điều khiển nhiệt độ dễ dàng hơn

Điều kiện làm việc của thiết bị alkyl hóa như sau:

2345Trung bình

837668,559,850,567,6

30,528,222,118,114,322,2

Đặc tính chủ yếu của quá trình:

+ Sử dụng công nghệ tự làm lạnh với hiệu quả cao Nó cho phép làm lạnh chonhiệt độ thấp hơn để cho sản phẩm có chất lượng cao hơn nhưng năng suất thấp hơn.+ Sử dụng hệ thống làm lạnh từng bậc với nồng độ izo-butan trung bình

+ Sử dụng vận tốc bề mặt thấp trong phản ứng để thu được sản phẩm chất lượngcao, loại trừ vấn đề ăn mòn trong thiết bị cất phân doạn và sự tạo thành este

+ Lò phản ứng hoạt động ở áp suất thấp, độ tin cậy của thiết bị cao, nhất là ởnhững van của thiết bị khuấy trộn

+ Sử dụng 5 lò phản ứng đơn liên kết với nhau bên trong một thiết bị chính đểlàm hạ giá thành của dây chuyền công nghệ

Trang 25

Sản lượng thu được của quá trình:

- Alkylat : 1,78 bbl C5 / bbl nguyên liệu buten

- izo-butan lỏng: 1,17 bbl/ bbl nguyên liệu buten

- Chất lượng alkylat: RON = 96, MON = 94

Hình 2.9 Cấu trúc của lò phản ứng 1.2 Các vùng phản ứng; 3 Cánh khuấy; 4 Ống hướng dòng

I Axit; II Izo-butan; III,V RH làm lạnh; IV Olefin

VI Sản phẩm chuyển sang buồng đốt; VII Hỗn hợp phản ứng được khuấy trộn mạnh

2.2.2 Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H 2 SO 4 của hãng Exxon

Exxon cho rằng họ đã có một số thay đổi đáng kể trong công đoạn phản ứng củalàm lạnh tự động alkyl hóa so với thiết kế cũ của Kellogg Sự tiếp xúc giữahydrocacbon và các phân đoạn axit

+ Việc phun olefin vào vùng phản ứng

Nhiệt độ trung bình trong từng thiết bị được duy trì khoảng 4-5oC (45oF) bằngcách bay hơi một phần hydrocacbon dễ bay hơi để lấy nhiệt phản ứng (chủ yếu là izo-butan) Các chất bay hơi bị loại trừ khỏi đỉnh lò phản ứng và được chuyển đến thiết bịlắng tách trước khi vào máy nén làm lạnh

Trang 26

Hình 2.10 Hệ thống làm lạnh tự động của Exxon

Hình trên cũng cho thấy tại sao nồng độ izo-butan và trị số octan của alkylat giảmkhi phản ứng của chất nhũ tương chuyển động qua lò phản ứng.Vì tất cả izo-butanđược cho vào ở thiết bị đầu tiên và chỉ một số ít olefin được đưa vào ở từng ngăn nên

tỷ lệ izo-butan so với olefin cao hơn so với trong thiết kế ở một thiết bị phản ứng Vìnhũ tương tham gia phản ứng chuyển động từ ngăn này sang ngăn khác nên càng cácngăn về sau thì tỷ lệ izo-butan/olefin càng giảm và do đó các phản ứng phụ xảy ra, trị

số octan của sản phẩm cũng giảm xuống Từ đó alkylat có chất lượng cao nhất thuđược trong ngăn đầu tiên và chất lượng này giảm xuống trong các ngăn tiếp theo.Exxon cho rằng vận tốc không gian và nhiệt độ thấp hơn của hệ thống thiết bịphản ứng làm lạnh tự động sẽ cho chất lượng alkylat cao hơn

2.2.3 Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H 2 SO 4 của hãng Stratco

Các điều kiện sử dụng đặc thù và tối ưu:

Định dạng
Số trang	52
Dung lượng	533,31 KB