Đề tài: Thiết kế phân xưởng Isome hoá pptx

1 Lời cảm ơn Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Khoa công nghệ hoá học trường ĐHBK Hà nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Đặc biệt em xin bầy tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo:PGS.TS. Lê Văn Hiếu cùng các thầy, cô trong bộ môn Hữu cơ - Hoá dầu đã tận tình giúp đỡ trong thời gian em làm đồ án tốt nghiệp tại bộ môn. Tuy nhiên do khả năng và thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiêú sót. Em rất mong được các thầy, cô giáo trong bộ môn, hội đồng bảo vệ tốt nghiệp và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên: 2 Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam độc lập – tự do – hạnh phúc Nhiệm vụ Thiết kế tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: Nguyễn Xuân Anh Khoá: 43 Khoa: Công Nghệ Hóa Học Ngành học: Công Nghệ Hữu Cơ - Hoá Dầu 1. Đầu đề thiết kế: Thiết kế phân xưởng Isome hoá 2. Các số liệu ban đầu: - Công suất 350.000tấn/năm 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán - Giới thiệu chung - Tổng quan - Tính toán : + Tính cân bằng vật chất + Tính cân bằng nhiệt lượng - Thiết kế xây dựng - An toàn lao động - Tính toán kinh tế 4. Các loại bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thước bản vẽ): 1 bản vẽ dây truyền công nghệ A 0 1 bản vẽ thiết bị chính A 1 bản vẽ mặt bằng xây dung A 0 5. Cán bộ hướng dẫn Họ và tên cán bộ 3 Phần: Công nghệ TS. Lê Văn Hiếu Xây dựng TS. Lê Văn Hiếu Kinh tế TS. Lê Văn Hiếu 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 10/2/2003 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:…………………………………………… Ngày tháng năm 2003. Chủ nhiệm khoa (Ký tên và ghi rõ họ tên) Cán bộ hướng dẫn (Ký tên và ghi rõ họ tên) Kết quả đánh giá: - Quá trình thiết kế:………………… - Điểm duyệt:………………………. - Bản vẽ thiết kế:…………………… Sinh viên đã hoàn thành (và nộp toàn bộ bản thiết kế cho khoa) Ngày … tháng … năm 2003 4 Mở đầu I. Giới thiệu Quá trình iSome hoá Quá trình isome hoá n-parafin được dùng để nâng cao trị số octan của phân đoạn pentan-hexan của phần xăng sôi đến 70 0 C, đồng thời cũng cho phép nhận các izo-parafin riêng biệt như isopentan và isobutan từ nguyên liệu cho quá trình tổng hợp cao su isopren, isobutan là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình alkyl hoá, hoặc để nhận izobuten cho quá tổng hợp MTBE. Như đã nêu trên, công nghiệp chế biến dầu dùng hai quá trình chủ đạo để nhận xăng có trị số octan cao là quá trình reforming xúc tác và cracking xúc tác. Nhưng do nhu cầu về xăng chất lượng cao ngày càng tăng, trong khi đó phần C 5 - C 6 của công nghiệp chế biến dầu ngày càng có số lượng lớn mà lại không thể đạt trị số octan cao khi áp dụng các quá trình trên. Trước đây phân đoạn này chỉ được dùng để pha trộn vào xăng với mục đích đạt đủ áp suất hơi bão hoà của xăng và thành phần cất, còn trị số octan của phần này không đủ cao. Các số liệu trích dẫn ở bảng sau cho thấy rõ điều này. Bảng 1.Trị số octan và điểm sôi của hydrocacbon C 5 , C 10 . Cấu tử Điểm sôi RON MON C 5 : n-pentan 36 61.7 61.9 2-metylbutan (izopentan) 28 92. 90.3 C 6 : n-hexan 66.75 24.8 26 2-metylpentan (izohexan) 60.3 73.4 73.4 3-metylpentan 63.25 74.5 74.3 2.2-dimetylbutan (neohexan) 49.73 94.5 93.5 2.3-dimetylbutan 58 10.3 94 5 Các số liệu của bảng cho thấy, thích hợp nhất cho quá trình nhận xăng chất lượng cao thì phân đoạn n-C 5 -C 6 nhận được trong khu liên hợp lọc hoá dầu cần phải được cho quá trình isome hoá. Công nghệ chế biến dầu mỏ ra đời vào năm 1859, và cho đến nay thế giới đã khai thác và chế biến một số lượng dầu khổng lồ, với tốc độ tăng trưởng hàng thập niên rất nhanh chóng (tăng gấp đôi trong khoảng 10 năm cho đến năm 1980). Ngành công nghiệp dầu do tăng trưởng nhanh đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của thế kỷ 20. Đặc biệt sau Đại chiến Thế giới II, công nghiệp dầu khí phát triển nhằm đáp ứng hai mục tiêu chính là: - Cung cấp các sản phẩm năng lượng cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp và các sản phẩm về dầu mỡ bôi trơn. - Cung cấp các hoá chất cơ bản cho ngành tổng hợp hoá dầu và hoá học, tạo ra sự thay đổi lớn về cơ cấu phát triển các chủng loại sản phẩm của ngành hoá chất, vật liệu. Trong số các sản phẩm năng lượng dầu mỏ, trước hết phải kể tới nhiên liệu xăng, một loai nhiên liệu có vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, yêu cầu về xăng máy bay tăng lên rất nhiều, điều đó đã thúc đẩy quá trình isome hoá nhằm chế biến n-butan thành izobutan để pha vào xăng. Sau chiến tranh, người ta lại chú ý đến quá trình này chỉ từ năm 1950 trở lại đây. Một mặt là do phải nâng cao hơn nữa chất lượng của xăng ôtô và xăng máy bay. Mặt khác người ta cần nhận izopentan để sản xuất cao su nhân tạo. Xăng loại tốt bao gồm hỗn hợp hydrocacbon thơm của reforming xúc tác và phân đoạn sôi thấp có đủ độ bốc cho động cơ xăng. Các cấu tử nhẹ của hỗn hợp cần có trị số octan đủ cao để không gây ra kích nổ. Phân đoạn nhẹ của xăng cracking xúc tác hay nhiệt phân đều thoả mãn yêu cầu này. Trong các phân xưởng hay nhà máy chế biến dầu mà không có dây chuyền cracking thì cần thiết phải có dây chuyền chế biến và sử dụng izoparrafin C 5 và C 6 . Các cấu tử này có trị số octan đủ cao, có độ bốc và nhậy với PTE (TOC) và đó là ưu điểm so với các cấu tử khác của xăng chưa pha 6 trộn. Để nhận được izoC 5 , C 6 người ta có thể dùng quá trình isome hoá. Ưu điểm của quá trình này là: Biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành cấu tử có cấu trúc nhánh là cấu tử có trị số octan cao. Nhờ thế làm nâng cao đáng kể hiệu suất và chất lượng xăng. Ngày nay ở nước ta ngành công nghiệp khai thác và chế biến đang trên đà phát triển mà hiện nay lượng condensate ngày càng nhiều do đó ta cần phải thực hiện chuyển chúng thành nhiên liệu có trị số ON cao. Vì thành phần chủ yếu của condensate là các cấu tử n-C 5 4C 6 (n- parafin) nên nó có trị số octan tương đối thấp bởi thế ta phải thực hiện isome hoá để tăng trị số octan. Chính vì tầm quan trọng này, trong công nghiệp chế biến dầu, quá trình isome hoá đã được rất nhiều công ty lớn trên thế giới chú trọng nghiên cứu và phát triển, cụ thể như: UOP, Shell, Bp Do vậy, với đề tài “ Thiết kế phân xưởng isome hoá ” sẽ phần nào giúp sinh viên hiểu được vai trò của quá trình isome hoá trong lọc hoá dầu và sự phát triển của nó. II. Cơ sở lý thuyết của quá trình Isome hoá II.1. Đặc trưng về nhiệt động học [I,224] Các phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan là các phản ứng có tỏa nhiệt nhẹ. Bảng 2 cho thấy nhiệt phản ứng để tạo thành các isome hoá từ các cấu tử riêng biệt. Bảng 2. Cấu tử DH 298 Kcal/ml C 5 : 2-metylbutan(isopentan) - 1,92 2,2.dimetylpropan(neopentan) - 4.67 C 6 : 2-metyl pentan(isohexan) - 1,70 3-metylpentan - 1,06 2,2-dimetyl butan(neohexan) - 4,39 2,3-dimetylbutan - 2,53 7 Do đó các phản ứng isome hoá là tỏa nhiệt nên về mặt nhiệt động học phản ứng sẽ không thuận lợi khi tăng nhiệt độ. Mặt khác, phản ứng isome hoá n-parafin là phản ứng thuận nghịch và không có sự tăng thể tích, vì thế cân bằng của phản ứng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ thấp sẽ tạo điều kiện thuận lợi tạo thành isome và cho phép nhận được hỗn hợp ở điều kiện cân bằng và có trị số octan cao. Đồ thị sau cho thấy sự phụ thuộc giữa nồng độ cân bằng của isome vào nhiệt độ của phản ứng isome hoá n-pentan và n- hexan được xây dựng từ tính toán thực nghiệm. Từ đồ thị cho thấy khi tăng nhiệt độ nồng độ các isome đều giảm còn nồng các n-parafin lại tăng, khi đó nó làm giảm hiệu xuất của quá trình isome hoá. Dựa vào đồ thị thấy rằng nếu nhiệt độ t o < 200 o C sẽ thiết lập được một hỗn hợp cân bằng có trị số octan cao. Khi isome hoá các n-parafin còn xảy ra một số phản ứng phụ như phản ứng cracking và phản ứng phân bố lại: 2C 5 H 12 « C 4 H 10 + C �6 H 14 Để giảm tốc độ của phản ứng phụ này và duy trì hoạt tính của xúc tác, người ta phải thực hiện quá trình ở áp suất hydro P H 2 =2  4 MPa và tuần hoàn khí chứa hydro. Động học và cơ chế phản ứng isome hoá phụ thuộc vào điều kiện tiến hành quá trình và phụ thuộc vào xúc tác. 8 II.2. Cơ chế của phản ứng isome hoá n-parafin Phản ứng isome hóa n-parafin trên xúc tác có thể xảy ra theo các hướng sau (phụ thuộc vào độ axit của xúc tác).[I-246], [II-135] 1. Trên xúc tác với độ axit mạnh của chất mang Phản ứng isome hoá xảy ra trên các tâm axit. Vai trò của kim loại chỉ làm nhiệm vụ hạn chế sự tạo cốc và ngăn ngừa sự trơ hoá các tâm axit. Khi đó các cơ chế phản ứng được miêu tả như sau: VD: đối với n-butan: K,H CH 3 ¾CH �2 ¾CH 2 ¾CH 3 CH 3 ¾C + ¾CH 3 ½ CH 3 CH 3 ¾C + ¾CH 3 + CH 3 ¾CH 2 ¾ CH 2 ¾ CH 3 CH 3 ¾CH¾CH 3 ½ ½ CH 3 CH 3 + CH 3 ¾ + CH¾CH 2 ¾CH 3 ở đây K là tâm axit của xúc tác. 2. Với xúc tác lưỡng chức,cơ chế phản ứng như sau Me,-H 2 K, +H + CH 3 ¾CH 2 ¾ CH 2 ¾CH 3 CH 3 ¾CH=CH 2 ¾CH 3 C H 3 CH 2 ¾ + CH CH 3 ¾CH 2 ¾ + CH¾ CH 3 CH 3 ¾C + ¾CH 3 CH 3 ¾C=CH 2 K ½ K, +H ½ CH 3 CH 3 CH 3 ¾C=CH 2 CH 3 ¾CH¾CH 3 ½ Me, +H 2 ½ CH 3 CH 3 CH 3 K 9 ở đây Me là tâm kim loại, K là tâm axit của xúc tác. 3. Giới thiệu chung về xúc tác Xúc tác được coi là “cây đũa thần” trong một số phản ứng hoá học. Chỉ cần một lượng nhỏ nó cũng có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng trăm, hàng nghìn lần. Bản chất của xúc tác là chất xúc tác chỉ có tác dụng đưa hệ nhanh chóng đạt đến trạng thái cân bằng, bằng cách làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng chứ không ảnh hưởng gì đến cân bằng hoá học. Một phản ứng không có khả năng xảy ra thì xúc tác sẽ vô tác dụng. Chất xúc tác một phần cũng thúc đẩy phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại. Sau phản ứng, chất xúc tác không thay đổi gì về thành phần hoá học, chỉ thay đổi một ít về tính chất vật lý. Các phản ứng hữu cơ thường xảy ra theo nhiều hướng, xảy ra theo nhiều cấp (chuyển hoá tiếp tục sản phẩm). Chất xúc tác có khả năng làm tăng nhanh không đồng đều một số phản ứng nhất định. Tính chất này được gọi là tính chọn lọc của xúc tác, nhờ đó mà hiệu quả của phản ứng tăng nhiều lần. Xúc tác được chia làm hai nhóm chính là xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể, mỗi loại lại được chia nhỏ hơn. Với xúc tác dị thể rắn-khí, đặc trưng nhất là xúc tác Oxít, đa Oxit, ngày nay phổ biến nhất là xúc tác kim loại trên chất mang. Xúc tác rắn trong công nghiệp thưòng có các dạng sau: - Bụi: có đường kính khoảng d = 1-150 mm - Vi cầu: d = 10-150 mm - Cầu lớn: d = 3-6 mm - Trụ: d = 3-4,chiều cao h = 3-5 mm Xúc tác dạng cầu ít vỡ vụn, chúng có độ bền cơ rất cao. Dạng bụi và dạng vi cầu dùng trong xúc tác giả sôi, dạng cầu lớn được dùng trong xúc tác chuyển động, còn dạng trụ dùng trong công nghệ xúc tác lớp tĩnh. Kích thước 10 hạt xúc tác phụ thuộc vào kiểu reactor. Khi các chất phản ứng là khí bay hơi thì chỉ có hai loại reactor được sử dụng là reactor lớp cố định và lớp sôi. 3.1. Reactor lớp cố định Là ống đứng đựng xúc tác, dòng chất phản ứng được thổi qua lớp xúc tác. Do trở lực, áp suất sẽ giảm xuống khi qua lớp xúc tác, vì thế cần tạo ra một áp suất dương ở đầu vào reactor để đảm bảo tốc độ dòng thích hợp. Độ giả áp suất qua lớp xúc tác tăng theo chiều tăng của tốc độ dòng, chiều dày của lớp xúc tác và chiều giảm kích thước hạt. 3.2. Reactor lớp sôi ở đây lớp xúc tác gồm các hạt mịn và khi dòng khí thổi từ dưới lên qua lớp xúc tác, dần dần đạt đến tốc độ tới hạn thì lớp xúc tác bắt đầu “sôi”. Thể tích của lớp giãn ra đáng kể, các hạt ở trạng thái chuyển động liên tục. Lớp sôi có ưu điểm hơn lớp cố định, chẳng hạn như khả năng truyền nhiệt tốt hơn nhiều, sự tổn thất áp suất nhỏ hơn so với lớp cố định. 3.3. Xúc tác pha lỏng Xúc tác cho quá trình isome hoá thuộc loại xúc tác thúc đẩy phản ứng tạo thành ion cacboni tức là xúc tác mang tính axit. Trước đây người ta dùng xúc tác Lewis như AlCl 3 , được hoạt hoá bằng HCl. Gần đây người ta vẫn sử dụng xúc tác trên cơ sở AlBr 3 và hỗn hợp AlCl 3 + SbCl 3 , ưu điểm của loại xúc tác mới này là hoạt tính rất cao, ở nhiệt độ 93 �� 0 C đã hầu như chuyển hóa hoàn toàn các parafin. Nhược điểm của loại xúc tác này là mau mất hoạt tính, độ chọn lọc thấp và dễ bị phân huỷ. Độ axit mạnh của xúc tác dễ gây ăn mòn thiết bị. Ngoài các xúc tác trên thì cũng còn sử dụng một số súc tác như - H 3 PO 4 ở 26-135 0 C - C 6 H 5 SOH ở 76 0 C để isome hóa butene 1 và butene 2 - H 3 PO 4 /chất mang là đất nung ở 325-360 0 C để isome hoá n-anken và iso- aken Xúc tác axit rắn [...]... xúc tác reforming người ta đã tìm ra xúc tác mới cho quá trình isome hoá và hydroisome hoá để isome hoá n-parafin Thường xúc tác này gồm hai phần: - Phần kim loại có đặc trưng hyđro hoá, kim loại thường dùng là Pt ,Pd… - Phần chất mang axit (alumin ,alumin + halogen ,aluminsilicat…) Loại xúc tác này có đủ độ chọn lọc cần thiết khi isome hoá nguyên liệu C5￿-C6 nhưng độ linh hoạt của nó khá thấp vì thế... pha hơi nhưng do tăng nhiệt độ mà phản ứng isome hoá n-parafin không thuận lợi về mặt nhiệt động Do đó cần phải tuần hoàn nguyên liệu chưa biến đổi để nâng cao hiệu suất của quá trình isome hoá 4.Công nghệ isome hoá n-pentan và các hydrocacbon nhẹ khác trên xúc tác lai hoá ảnh hưởng của khí hydro đến quá trình [V], [VII], [XVI], [XVI], [XVII] Phản ứng isome hoá các parafin nhẹ giữ một vai trò quan trọng... 2,1-7 MPa Sơ đồ công nghệ Penex của UOP (1) Thiết bị sấy khí (2) Máy nén (3) Thiết bị phản ứng (4) Thiết bị tách (5)Tháp ổn định (6) Thiết bị lọc khí IV.8 Công nghệ TIPcủa UOP(Total isomerization process) Quá trình thực hiện isome hoá nguyên liệu thuộc phân đoạn từ C5 –C6 chiếm 40 đến 50% là mạch thẳng Trong nguyên liệu nếu có mặt của Bezen thì nó sẽ bị hydro hoá thành CycloHexan 35 Công nghệ này có sử... et, al 1992) thì phản ứng isome hoá đầu tiên được tiến hành vào những năm 30 với n-butan ở đây, lần đầu tiên xúc tác Fiedel Crafts được sử dụng cho phản ứng isome hoá Loại xúc tác này chỉ cho độ hoạt động cao khi tiến hành phản ứng isome hoá n-butan ở nhiệt độ thấp dưới 900C Bởi nó có độ chọn lọc thấp, cấu trúc kém ổn định và độ mài mòn cao, đặc biệt là đối với phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan... cần phải chọn tốc độ thể tích phù hợp để đảm bảo được năng suất là yêu cầu thiết yếu của quá trình III Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình Isome hoá [X], [XVIII], [XIX] III.1 Nguyên liệu của quá trình isome hoá Isome hoá thường dùng nguyên liệu là phân đoạn C4, phân đoạn C5 và C6 Đặc trưng của nguyên liệu sẽ quyết định chế độ công nghệ và chất lượng 20 sản phẩm Thành phần của nguyên liệu tiêu biểu... lên tối thiểu là 20 đơn vị 21 Trong thực tế công nghiệp, người ta thường đem isome hoá phân đoạn C5 4C6 còn n-heptan đem isome hoá không tiện lợi vì trong điều kiện tiến hành quá trình, các parafin cao (>C6) dễ bị cracking và dễ tạo cặn nhựa làm cho sản pẩm có trị số octan tương đối thấp Đáng tiếc là khi tiến hành isome hoá phân đoạn C5 4 C6, trị số octan của xăng chỉ tăng lên đến một giới hạn nhất... quá trình là tiến hành ở độ chuyển hoá cao nên không cần phải tuần hoàn lại nguyên liệu chưa phản ứng Sản phẩm của quá trình từ các loại nguyên liệu khác nhau được dẫn ra ở bảng dưới đây Ngoài ra hãng ABB Lumunus Global đã thiết kế dây truyền isome hoá để xử lý phân đoạn C5/C6 có trị số octan thấp thành phân đoạn có trị số octan cao cho xăng Xúc tác dùng là AlCl3 hoạt hoá nên xúc tác có độ hoạt tính rất... thể mang đi pha trộn xăng ngay hay là tách lấy các cấu tử chưa chuyển hoá cho tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng Sơ đồ công nghệ của Kolleg & Root 1) thiết bị phản ứng 2) thiết bị gia nhiệt 3) tháp ổn định tách hyđrô 4) Tháp tách Butan 5 )Thiết bị nén khí tuần hoàn 28 IV.3.Công nghệ ISOME hoá của IFP Nguyên liệu của quá trình sử dụng phân đoạnC5 C6 giầu các cấu tử parafin có trị số ốc tan thấp , thu được... dehydro hoá parafin thành olefin, đồng thời hydro hoá các olefin thành các izo-parafin Thường dùng là các kim loại quí sau Pt, Pd, Ni, … trong đó Pt là kim loại được sử dụng nhiều nhất Trong quá trình isome hoá, Pt làm tăng tốc độ khử hydrocacbon no, khử hydro vòng hoá parafin tạo hydrocacbon thơm thúc đẩy quá trình no hoá, làm giảm lượng cốc bám trên xúc tác Hơn nữa Pt có khả năng phân ly phân tử... trong thiết bị hấp thụ, sau đó được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết và được nạp vào reactor Xúc tác đã dùng được tách ra cùng cặn nhựa và phản ứng isome hoá xảy ra trong pha lỏng IV.1.2 Quá trình của Shell Devlopment Co Quá trình này được dùng để chế biến phân đoạn n-butan thành izobutan và cũng được dùng để chế biến phân đoạn C5 Trong các tài liệu hiện 25 có, chưa thấy nói đến số liệu áp dụng cho phân . Bp Do vậy, với đề tài “ Thiết kế phân xưởng isome hoá ” sẽ phần nào giúp sinh viên hiểu được vai trò của quá trình isome hoá trong lọc hoá dầu và sự phát. Thiết kế tốt nghiệp Họ và tên sinh viên: Nguyễn Xuân Anh Khoá: 43 Khoa: Công Nghệ Hóa Học Ngành học: Công Nghệ Hữu Cơ - Hoá Dầu 1. Đầu đề thiết kế: Thiết