Kế hoạch xây dựng những nhà máy lọc dầu đầu tiên ở việt nam

Lời cảm ơn Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo Khoa công nghệ hoá học trờng ĐHBK Hà nội, đà tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian học tập nghiên cứu trờng Đặc biệt em xin bầy tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo:PGS.TS Lê Văn Hiếu thầy, cô môn Hữu - Hoá dầu đà tận tình giúp đỡ thời gian em làm đồ án tốt nghiệp môn Tuy nhiên khả thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp em không tránh khỏi thiêú sót Em mong đợc thầy, cô giáo môn, hội đồng bảo vệ tốt nghiệp bạn sinh viên đóng góp ý kiến để đồ án tốt nghiệp em đợc hoàn chỉnh Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên: Bộ giáo dục đào tạo Trờng đại học bách khoa hà nội Cộng hoµ x· héi chđ nghÜa viƯt nam héi chđ nghÜa việt nam độc lập tự hạnh phúc Nhiệm vụ Thiết kế tốt nghiệp Họ tên sinh viên: Nguyễn Xuân Anh Khoá: 43 Khoa: Công Nghệ Hóa Học Ngành học: Công Nghệ Hữu Cơ - Hoá Dầu Đầu đề thiết kế: Thiết kế phân xởng Isome hoá Các số liệu ban đầu: - Công suất 350.000tấn/năm Nội dung phần thuyết minh tÝnh to¸n - Giíi thiƯu chung - Tỉng quan - Tính toán : + Tính cân vật chất + Tính cân nhiệt lợng - Thiết kế xây dựng - An toàn lao động - Tính toán kinh tế Các loại vẽ đồ thị (ghi rõ loại vẽ kích thớc vẽ): vẽ dây truyền công nghệ A0 vẽ thiết bị A vẽ mặt xây dung A0 Cán hớng dẫn Họ tên cán Phần: Công nghệ TS Lê Văn Hiếu Xây dựng TS Lê Văn Hiếu Kinh tế TS Lê Văn Hiếu Ngµy giao nhiƯm vơ thiÕt kÕ: 10/2/2003 Ngµy hoàn thành nhiệm vụ: Ngày tháng năm 2003 Chủ nhiệm khoa (Ký tên ghi rõ họ tên) Cán hớng dẫn (Ký tên ghi rõ họ tên) Kết đánh giá: Sinh viên đà hội chủ nghĩa việt nam hoàn thành - Quá trình thiết kế: - Điểm duyệt: - Bản vẽ thiết kế: (và nộp toàn thiết kế cho khoa) Ngày tháng năm 2003 tháng tháng năm 2003 năm 2003 Mở đầu I Giới thiệu Quá trình iSome hoá Quá trình isome hoá n-parafin đợc dùng để nâng cao trị số octan phân đoạn pentan-hexan phần xăng sôi đến 70 0C, đồng thời cho phép nhận izo-parafin riêng biệt nh isopentan isobutan từ nguyên liệu cho trình tổng hợp cao su isopren, isobutan nguồn nguyên liệu tốt cho trình alkyl hoá, để nhận izobuten cho tổng hợp MTBE Nh đà nêu trên, công nghiệp chế biến dầu dùng hai trình chủ đạo để nhận xăng có trị số octan cao trình reforming xúc tác cracking xúc tác Nhng nhu cầu xăng chất lợng cao ngày tăng, phần C5 - C6 công nghiệp chế biến dầu ngày có số lợng lớn mà lại đạt trị số octan cao áp dụng trình Trớc phân đoạn đợc dùng để pha trộn vào xăng với mục đích đạt đủ áp suất bÃo hoà xăng thành phần cất, trị số octan phần không đủ cao Các số liệu trích dẫn bảng sau cho thấy rõ điều Bảng 1.Trị số octan điểm sôi hydrocacbon C5, C10 Cấu tử Điểm sôi RON MON C5: n-pentan 36 61.7 61.9 2-metylbutan (izopentan) 28 92 90.3 C6: 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 Các số liệu bảng cho thấy, thích hợp cho trình nhận xăng chất lợng cao phân đoạn n-C 5-C6 nhận đợc khu liên hợp lọc hoá dầu cần phải đợc cho trình isome hoá Công nghệ chế biến dầu mỏ đời vào năm 1859, giới đà khai thác chế biến số lợng dầu khổng lồ, với tốc độ tăng trởng hàng thập niên nhanh chóng (tăng gấp đôi khoảng 10 năm năm 1980) Ngành công nghiệp dầu tăng trởng nhanh đà trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn kỷ 20 Đặc biệt sau Đại chiến Thế giới II, công nghiệp dầu khí phát triển nhằm đáp ứng hai mục tiêu là: Cung cấp sản phẩm lợng cho nhu cầu nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp sản phẩm dầu mỡ bôi trơn Cung cấp hoá chất cho ngành tổng hợp hoá dầu hoá học, tạo thay đổi lớn cấu phát triển chủng loại sản phẩm ngành hoá chất, vật liệu Trong số sản phẩm lợng dầu mỏ, trớc hết phải kể tới nhiên liệu xăng, loai nhiên liệu có vai trò vô quan träng ®êi sèng Trong chiÕn tranh thÕ giíi thø hai, yêu cầu xăng máy bay tăng lên nhiều, điều đà thúc đẩy trình isome hoá nhằm chế biến n-butan thành izobutan để pha vào xăng Sau chiến tranh, ngời ta lại ý đến trình từ năm 1950 trở lại Một mặt phải nâng cao chất lợng xăng ôtô xăng máy bay Mặt khác ngời ta cần nhận izopentan để sản xuất cao su nhân tạo Xăng loại tốt bao gồm hỗn hợp hydrocacbon thơm reforming xúc tác phân đoạn sôi thấp có đủ độ bốc cho động xăng Các cấu tử nhẹ hỗn hợp cần có trị số octan đủ cao để không gây kích nổ Phân đoạn nhẹ xăng cracking xúc tác hay nhiệt phân thoả mÃn yêu cầu Trong phân xởng hay nhà máy chế biến dầu mà dây chuyền cracking cần thiết phải có dây chuyền chế biến sử dụng izoparrafin C C6 Các cấu tử có trị số octan đủ cao, có độ bốc nhậy với PTE (TOC) u điểm so với cấu tử khác xăng cha pha trộn Để nhận đợc izoC5 , C6 ngời ta dùng trình isome hoá Ưu điểm trình là: Biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành cấu tử có cấu trúc nhánh cấu tử có trị số octan cao Nhờ làm nâng cao đáng kể hiệu suất chất lợng xăng Ngày nớc ta ngành công nghiệp khai thác chế biến đà phát triển mà lợng condensate ngày nhiều ta cần phải thực chuyển chúng thành nhiên liệu có trị số ON cao Vì thành phần chủ yếu condensate cấu tử n-C5C6 (n-parafin) nên có trị số octan tơng đối thấp ta phải thực isome hoá để tăng trị số octan Chính tầm quan trọng này, công nghiệp chế biến dầu, trình isome hoá đà đợc nhiều công ty lớn giới trọng nghiên cứu phát triển, cụ thể nh: UOP, Shell, Bp Do vậy, với đề tài Thiết kế phân xởng isome hoá phần giúp sinh viên hiểu đợc vai trò trình isome hoá lọc hoá dầu phát triển II Cơ sở lý thuyết trình Isome hoá II.1 Đặc trng nhiệt động học [I,224] Các phản ứng isome hoá n-pentan n-hexan ph¶n øng cã táa nhiƯt nhĐ B¶ng cho thÊy nhiệt phản ứng để tạo thành isome hoá từ cấu tử riêng biệt Bảng Cấu tử H298 Kcal/ml C5: 2-metylbutan(isopentan) 2,2.dimetylpropan(neopentan) C6: 2-metyl pentan(isohexan) 3-metylpentan 2,2-dimetyl butan(neohexan) 2,3-dimetylbutan - 1,92 - 4.67 - 1,70 - 1,06 - 4,39 - 2,53 Do phản ứng isome hoá tỏa nhiệt nên mặt nhiệt động học phản ứng không thuận lợi tăng nhiệt độ Mặt khác, phản ứng isome hoá n-parafin phản ứng thuận nghịch tăng thể tích, cân phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ thấp tạo điều kiện thuận lợi tạo thành isome cho phép nhận đợc hỗn hợp điều kiện cân có trị số octan cao Đồ thị sau cho thấy phụ thuộc nồng độ cân isome vào nhiệt độ phản ứng isome hoá n-pentan n-hexan đợc xây dựng từ tính toán thực nghiệm Từ đồ thị cho thấy tăng nhiệt độ nồng độ isome giảm nồng n-parafin lại tăng, làm giảm hiệu xuất trình isome hoá Dựa vào đồ thị thấy nhiệt độ t o < 200oC thiết lập đợc hỗn hợp cân có trị số octan cao Khi isome hoá n-parafin xảy số phản ứng phụ nh phản ứng cracking phản ứng phân bố lại: 2C5H12 C4H10 + C6H14 Để giảm tốc độ phản ứng phụ trì hoạt tính xúc tác, ngời ta phải thực trình áp suất hydro P H2 =2 MPa tuần hoàn khí chứa hydro Động học chế phản ứng isome hoá phụ thuộc vào điều kiện tiến hành trình phụ thuộc vào xúc tác II.2 Cơ chế phản ứng isome hoá n-parafin Phản ứng isome hóa n-parafin xúc tác xảy theo hớng sau (phụ thuộc vào độ axit xúc tác).[I-246], [II-135] Trên xúc tác với độ axit mạnh chất mang Phản ứng isome hoá xảy tâm axit Vai trò kim loại làm nhiệm vụ hạn chế tạo cốc ngăn ngừa trơ hoá tâm axit Khi chế phản ứng đợc miêu tả nh sau: VD: đối víi n-butan: K,H CH3CH2CH2CH3 CH3C+CH3  CH3 K CH3C+CH3 + CH3 CH2 CH2 CH3 CH3CHCH3  CH3  CH3 + CH3+CHCH2CH3 K tâm axit xúc tác Với xúc tác lỡng chức,cơ chế phản ứng nh sau Me,-H2 CH3 CH2 CH2CH3 K, +H+ CH3CH=CH2CH3 C H3 CH2+ CH CH3 CH3 CH2 CH CH3 + CH3C CH3 K  CH3 + CH3C=CH2 K, +H  CH3 CH3C=CH2 CH3CHCH3 Me, +H2 CH3 CH3 Me tâm kim loại, K tâm axit xóc t¸c Giíi thiƯu chung vỊ xóc t¸c Xóc tác đợc coi đũa thần số phản ứng hoá học Chỉ cần lợng nhỏ làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng trăm, hàng nghìn lần Bản chất xúc tác chất xúc tác có tác dụng đa hệ nhanh chóng đạt đến trạng thái cân bằng, cách làm giảm lợng hoạt hoá phản ứng không ảnh hởng đến cân hoá học Một phản ứng khả xảy xúc tác vô tác dụng Chất xúc tác phần thúc đẩy phản ứng xảy theo chiều ngợc lại Sau phản ứng, chất xúc tác không thay đổi thành phần hoá học, thay đổi tính chất vật lý Các phản ứng hữu thờng xảy theo nhiều hớng, xảy theo nhiều cấp (chuyển hoá tiếp tục sản phẩm) Chất xúc tác có khả làm tăng nhanh không đồng số phản ứng định Tính chất đợc gọi tính chọn lọc xúc tác, nhờ mà hiệu phản ứng tăng nhiều lần Xúc tác đợc chia làm hai nhóm xúc tác đồng thể xúc tác dị thể, loại lại đợc chia nhỏ Với xúc tác dị thể rắn-khí, đặc trng xúc tác Oxít, đa Oxit, ngày phổ biến xúc tác kim loại chất mang Xúc tác rắn công nghiệp thòng có dạng sau: - Bụi: có đờng kính khoảng d = 1-150 m - Vi cÇu: d = 10-150 m - CÇu lín: d = 3-6 m - Trơ: d = 3-4,chiỊu cao h = 3-5 mm Xóc t¸c dạng cầu vỡ vụn, chúng có độ bền cao Dạng bụi dạng vi cầu dùng xúc tác giả sôi, dạng cầu lớn đợc dùng xúc tác chuyển động, dạng trụ dùng công nghệ xúc tác lớp tĩnh Kích thớc hạt xúc tác phụ thuộc vào kiểu reactor Khi chất phản ứng khí bay có hai loại reactor đợc sử dụng reactor lớp cố định lớp sôi 3.1 Reactor lớp cố định Là ống đứng đựng xúc tác, dòng chất phản ứng đợc thổi qua lớp xúc tác Do trở lực, áp suất giảm xuống qua lớp xúc tác, cần tạo áp suất dơng đầu vào reactor để đảm bảo tốc độ dòng thích hợp Độ giả áp suất qua lớp xúc tác tăng theo chiều tăng tốc độ dòng, chiều dày lớp xúc tác chiều giảm kích thớc hạt 3.2 Reactor lớp sôi lớp xúc tác gồm hạt mịn dòng khí thổi từ dới lên qua lớp xúc tác, đạt đến tốc độ tới hạn lớp xúc tác bắt đầu sôi Thể tích lớp giÃn đáng kể, hạt trạng thái chuyển động liên tục Lớp sôi có u điểm lớp cố định, chẳng hạn nh khả truyền nhiệt tốt nhiều, tổn thất áp suất nhỏ so với lớp cố định 3.3 Xúc tác pha lỏng Xúc tác cho trình isome hoá thuộc loại xúc tác thúc đẩy phản ứng tạo thành ion cacboni tức xúc tác mang tính axit Trớc ngời ta dùng xúc tác Lewis nh AlCl3 , đợc hoạt hoá HCl Gần ngời ta sử dụng xúc tác sở AlBr3 hỗn hợp AlCl3 + SbCl3 , u điểm loại xúc tác hoạt tính cao, nhiệt độ 93 0C đà hầu nh chuyển hóa hoàn toàn parafin Nhợc điểm loại xúc tác mau hoạt tính, độ chọn lọc thấp dễ bị phân huỷ Độ axit mạnh xúc tác dễ gây ăn mòn thiết bị Ngoài xúc tác sử dụng sè sóc t¸c nh - H3PO4 ë 26-1350C - C6H5SOH 760C để isome hóa butene butene - H3PO4/chất mang đất nung 325-3600C để isome hoá n-anken isoaken Xúc tác axit rắn BEO: dùng để biến đổi xyclohecxane thành metylxyclohecxan 4500C Cr2O3:dùng ®Ĩ biÕn ®ỉi heptilene 1,5 thµnh hecxadiene 2,4 ë 225-250oC ThO2:isome hoá olefin 398-4400C TiO2 : dùng để biến ®ỉi heptilene thµnh metylxyclohecxene ë 4500C Al2O3-Cr2O3 , Al2O3-Fe2O3 , Al2O3-Co, Al2O3-MnO2 (tất trộn theo tỷ lệ khối lợng 4:1) dùng để isome hoá metylbutylene 294-3700C Cr2O3-Fe2O3 : chuyển vị trí nối đôi, nối ba hợp chất không no 220-3000C mà không thay đổi cấu trúc mạch cacbon MoS3 : dùng để biến đổi n-parafin thành iso-parafin Al 2O3-V2O5: đuợc dùng để biến đổi xyclohecxane thành metylxyclopentane 3.4 Xúc tác lỡng chức [XVIII] Liên hệ với việc chế tạo xúc tác reforming ngời ta đà tìm xúc tác cho trình isome hoá hydroisome hoá để isome hoá n-parafin Thờng xúc tác gồm hai phần: - Phần kim loại có đặc trng hyđro hoá, kim loại Pt ,Pd thờng dùng - Phần chất mang axit (alumin ,alumin + halogen ,aluminsilicat) Loại xúc tác có đủ độ chọn lọc cần thiết isome hoá nguyên liệu C 5C6 nhng độ linh hoạt thấp đòi hỏi nhiệt độ phản ứng phải cao Vì để đảm bảo đợc hiệu suất trình ngời ta cho tuần hoàn Xúc tác reforming loại Pt/Al 2O3 dùng có hiệu isome hoá phân đoạn C5-C6 nhng để đạt đợc tốc độ phản ứng cần thiết, chúng đợc sử dụng nhiệt độ từ 450-5100C Độ hoạt tính xúc tác lỡng chức đợc tăng lên cách tăng độ axit chất mang Xúc tác Pt/Al 2O3 tạo đơc ion cacnboni nhiệt độ 500C Sau ngời ta dùng xúc tác Pt/Modenit, zeolite Với xúc tác tạo đợc phản ứng có hiệu nhiệt độ 250 0C Nhng phổ biến xúc tác Pt/Al2O3 đợc bổ xung clo Xúc tác đợc quan tâm nhiỊu nhÊt hiƯn lµ zeolite 3.5 Zeolite vµ xúc tác chứa zeolite Zelit hợp chất Alumino-silic Đó hợp chất tinh thể có cấu trúc đặc biệt, cấu trúc chúng đợc đặc trng mạng lỗ rỗng, rÃnh nhỏ thông Các zeolit đợc chế tạo lúc với xúc tác Aluminosilicat hay với đất sét thiên nhiên, sau đợc xử lý phơng pháp đặc biệt hợp thành xúc tác chứa zeolit Xúc tác chứa zeolit có hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt lại có giá thành vừa phải có khả tái sinh chúng đợc sử dụng rộng rÃi Thành phần hoá học zeolit đợc biểu diễn dới dạng công thức nh sau: M2/nAl2O3 xSiO2.yH2O Trong đó:x>2 n hoá trị cation kim loại M Về cấu tạo zeolit đợc tạo thành từ Sodalite Nếu đơn vị nối theo mặt bốn cạnh tạo nên zeolit mà ngời ta gọi zeolit loại A Còn đơn vị nối theo mặt sáu cạnh zeolit tạo thành ngời ta thờng gọi zeolit loại X hay Y, có cấu trúc tơng tự nh Faurazite Ngày ngời ta đà chế tạo đợc hàng trăm loại zeolit khác đủ kích cỡ Bảng Đờng kính trung bình Zeolit Thành phần hoá học lỗ A A Na2O Al2O3.2SiO2.4,5H2O 3,6-3,9 X Na2O Al2O3.2,5SiO2.6H2O 7,4 Y Na2O Al2O3.4,8SiO2.8,9H2O 7,4 Mordenite Na8(Al2O3)4,8(SiO2)40.24H2O 2,9-5,7 ZSM5 11 5,4-5,6 3.6 Zeolite cho phản ứng isome hoá Trong tất loại zeolit zeolit sử dụng phù hợp cho trình isome hoá ZSM5,11 Vì chúng có kích thớc phù hợp cho phép độ chọn lọc trình cao Sau số đặc trng trình isome hóa Tóm tắt điều kiện nhiệt độ làm việc loại xúc tác: Bảng Nhiệt độ phản ứng Nhiệt độ phản ứng Xúc tác sử dụng sử dụng Fiedel Crafts 80-1000C Pha lỏng gây ăn mòn AlCl3.AlBr3 Oxit Al2O3,Cr2O3,BeO 200-4500C Pha Pt/Al2O3 350-5000C Pha Pt/Al2O3 clo hoá 80-1500C Pha