Tính tốn thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác dạng tầng sôi hệ thống cracking xúc tác

MỞ ĐẦU Trong công nghệ chế biến dầu mỏ Các q trình chuyển hố hố học tác dụng nhiệt xúc tác sử dụng rộng rãi để chế biến phân đoạn dầu mỏ khác nhau, thu loại hợp chất hữu làm nhiên liệu nguyên liệu cho tổng hợp hoá học : Sản xuất chất dẻo, cao su, sợi tơ tổng hợp, phân bón, chất hoạt động bề mặt tẩy rửa Hiệu sử dụng dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng trình chế biến bao gồm trình cracking nhiệt, cracking xúc tác, reforming, irome hoá, polime hoá đặc biệt trình cracking xúc tác reforming xúc tác đóng vai trị quan trọng để nâng cao hiệu suất chất lượng sản phẩm Chất xúc tác q trình chuyển hố có khả làm giảm lượng hoạt hố phản ứng, có làm tăng tốc độ phản ứng lên cao Xúc tác làm giảm nhiệt độ phản ứng Ngoài xúc tác cịn có tính chọn lọc có khả làm tăng nhanh tốc độ, phản ứng mong muốn điều kiện Tính chất ứng dụng để hướng trình chế biến theo phản ứng có lợi để thu sản phẩm q trình với hiệu suất chất lượng cao Tuy nhiên q trình làm việc ngồi phản ứng có lợi xảy nhằm tạo sản phẩm có chất lượng tốt hiệu suất cao đồng thời phản ứng phụ có hại xảy phản ứng tạo cốc bám bề mặt xúc tác làm giảm hoạt tính xúc tác để đảm bảo hoạt tính cho xúc tác làm việc phải tiến hành tái sinh xúc tác Trước thực trạng vậy, yêu cầu thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác chung thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác dạng tầng sôi hệ thống cracking xúc tác nói riêng địi hỏi cần thiết Với mục đích đồ án đề cập số nội dung sau: Cơ sở tạo cốc tái sinh xúc tác Giới thiệu sơ đồ nguyên lý trình tái sinh xúc tác lớp xúc tác giả sơi Tính tốn thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác dạng tầng sôi hệ thống cracking xúc tác PHẦN I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT CHƯƠNG I CƠ SỞ TẠO CỐC VÀ TÁI SINH XÚC TÁC 1.1 Giới thiệu chung Trong công nghệ chế biến dầu mỏ trình chuyển hố hố học dạng tác dụng chất xúc tác chiếm tỷ lệ lớn đóng vai trị quan trọng Chất xúc tác q trình chuyển hố có khả làm giảm lượng hoạt hố phản ứng tăng tốc độ phản ứng lên nhiều Mặt khác có mặt xúc tác có khả tiến hành phản ứng nhiệt độ thấp Điều có tầm quan trọng phản ứng có hoạt ứng nhiệt dương ( phản ứng hydro hoá, polime hoá,Ankyl hố ) nhiệt độ cao mặt nhiệt động khơng thuận lợi cho phản ứng Sự có mặt chất xúc tác q trình chuyển hố hố học vừa có tác dụng nhanh q trình chuyển hố vừa có khả tạo nồng độ cân nhất, có nghĩa tăng hiệu suất sản phẩm trình Điều quan trọng chất xúc tác có khả tăng nhanh khơng đồng loại phản ứng mà phương diện nhiệt động xảy điều kiện Tính chất gọi tính chất chọn lựa xúc tác Người ta nghiên cứu kỹ loại xúc tác lợi dụng tính chất lựa chọn để hướng q trình chế biến theo phản ứng có lợi, nhằm mục đích thu sản phẩm q trình có chất lượng cao, hiệu suất cao Tóm lại, xúc tác có vai trị ý nghĩa vô quan trọng công nghệ chế biến dầu mỏ nói chung q trình cracking xúc tác nói riêng Trong q trình làm việc, cốc tạo bán bề mặt xúc tác, làm giảm hoạt tính Vì việc khơi lại hoạt tính xúc tác q trình tái sinh xúc tác vấn đề quan trọng cần gải xúc tác cracking công nghiệp Vì tiếp kiệm ngun vật liệu, lợi kinh tế đảm bảo vệ sinh mơi trường 1.2 Q trình sử dụng chất xúc tác cho trình cracking Trong trình chế biến dầu mỏ, q trình có xúc tác chiếm vị trí quan trọng cracking xúc tác điển hình Xúc tác có tác dụng : - Làm giảm lượng hoạt hoá, tăng tốc độ phản ứng - Làm giảm nhiệt độ cần thiết phản ứng - Tăng tính chất chọn lọc ( Hướng phản ứng theo hướng cần thiết ) Sự phát triển cải tiến q trình cracking xúc tác cơng nghiệp chế biến dầu mỏ, việc cải thiện nguyên vật liệu hệ thống thiết bị, chế độ công nghệ ta thấy phát triển cải tiến việc sử dụng chất xúc tác Xúc tác dùng cracking thường xúc tác rắn, xốp, có nguồn gốc thiên nhiên hay tổng hợp, với bề mặt bên lớn Vào năm 1919 –1920 người ta dùng xúc tác AlCl hệ thống cracking để sản xuất xăng Xúc tác AlCl cho phép tiến hành cracking nhiệt độ thấp 200 –300 OC Nhưng trình sử dụng người ta thấy có nhược điểm như: Xúc tác bị mát nhiều tạo phức với Hyđrô Cacbon nguyên liệu, điều kiện tiếp xúc xúc tác nguyên liệu không tốt, cho hiệu suất chất lượng xăng thấp Về sau người ta nghiên cứu sử dụng Alumo silicát vơ định hình mà đất sét bentonite Năm 1936 Liên Xô cũ sử dụng xúc tác Alumôsicats quy mô công nghiệp Sử dụng đất sét thiên nhiên làm xúc tác cracking người ta thấy hoạt tính thấp Vì người ta tiến hành tổng hợp Alumơ silicát nhà máy chế tạo xúc tác Sau cơng nghệ chế biến dầu mỏ người ta dùng phổ biến xúc tác Alumơ silicát tổng hợp Vì có hoạt tính độ lựa chọn tương đối cao Tuy , việc cải thiện xúc tác không ngừng phát triển Các chất xúc tác Alumô silicát chứa zeolit nghiên cứu sử dụng vào trình cracking xúc tác Ở Mỹ vào năm 1972 sử dụng khoảng 80% chất xúc tác chứa Zeolit cho trình Cracking xúc tác Hàng năm Mỹ tiêu thụ 130 nghìn xúc tác có 14 nghìn khơng chứa Zeolit Hện công bố vạn cơng trình nghiên cứu Zeolit Đã có hội thảo chuyên đề Zeolit Năm 1967 họp Luân Đôn, 1970 họp Worecster năm 1973 họp Zu-rích Ngồi cịn có nhiều hội nghị khác có nhiều báo cáo đề tài Zeolit 1.3 Những yêu cầu cần thiết xúc tác cracking Quá trình cracking xúc tác trình thiếu nhà máy chế biến dâù giới Vì trình q trình để sản xuất xăng có trị số octan cao Xúc tác dùng q trình cracking địi hỏi u cầu sau Hoạt tính xúc tác phải cao Hoạt tính xúc tác cao cho hiệu suất xăng lớn Khi sử dụng xúc tác có hoạt tính cao thể tích vùng phản ứng u cầu khơng cần lớn đảm bảo suất yêu cầu Hoạt tính xúc tác yêu cầu quan trọng xúc tác dùng trình Cracking Độ chọn lựa xúc tác phải cao Xúc tác cần có độ chọn lựa cao ta chất lượng xăng cao hiệu suất lớn khí Cracking có nồng độ lớn Hydrocacbon có cấu trúc nhánh Độ ổn định phải lớn Xúc tác phải đặc tính chủ yếu( hoạt tính , độ chọ lựa) sau thời gian làm việc lâu dài Xúc tác phải đảm bảo độ bền cơ, bền nhiệt Trong trình làm việc xúc tác cọ sát với xúc tác cọ sát với thành thiết bị làm cho xúc tác dễ bị vỡ làm tổn thất áp suất qua lớp xúc tác tăng lên, làm mát xúc tác lớn Vì xúc tác phải đảm bảo độ bền Trong q trình làm việc nhiệt độ thay đổi Khi nhiệt độ cao xúc tác khơng có độ bền nhiệt bị biến đổi cấu trúc dẫn đến làm giảm tính chất xúc tác Xúc tác phải đảm bảo độ cao Xúc tác cần đồng thành phần, cấu trúc ,về hình dạng kích thước Khi kích thước không đồng tạo vùng phân lớp có trở lực khác nhau, có phân lớp theo kích thước nên phá vỡ chế độ làm việc bình thường thiết bị Mặt khác kích thước khơng đồng làm tăng khả vỡ vụn dẫn đến mát xúc tác Cấu trúc lỗ xốp không đồng làm giảm bề mắt tiếp xúc dẫn đến làm giảm hoạt tính xúc tác Xúc tác phải bền với chất làm ngộ độc xúc tác Xúc tác phải chống có hiệu tác dụng gây ngộ độc hợp chất Nitơ, Lưu huỳnh, kim loại nặng để kéo dài thời gian làm việc xúc tác Xúc tác phải có khả tái sinh Đây yêu cầu quan trọng trình sử dụng xúc tác Xúc tác có khả tái sinh nâng cao hiệu suất trình lượng tiêu hao xác tác giảm xuống Xúc tác phải rễ sản suất rẻ tiền Theo yêu cầu khơng u cầu địi hỏi q khắt khe ta thấy Alumosilicát vơ định hình đáp ứng dụng làm chất xúc tác cho trình Crackimg 1.4 Những thay đổi tính chất xúc tác làm việc Xúc tác Cracking trình làm việc bị giảm hoạt tính độ chọn lọc Hiện tượng người ta gọi q trình trơ hố xúc tác Q trình trơ hố nhanh , ta tiến hành q trình cơng nghệ điều kiện khó khăn , độ khắt khe tăng ( ví dụ nhiệt độ cao thời gian tiếp xúc dài, ngun liệu xấu , ngồi cịn xảy q trình khác làm tăng tốc độ trơ hố Chúng ta phân q trình trơ hố xúc tác làm hai q trình : Sự trơ hố tác dụng làm thay đổi tính chất lý hoá xúc tác Nguyên nhân trơ hố xúc tác : - Sự tác dụng độc tố NH3, CO2 hợp chất Lưu huỳnh mà đặc biệt H2S nhiệt độ cao - Sự tích tụ kim loại nặng dạng Oxit làm thay đổi chức xúc tác - Sự tác động nhiệt độ cao nước Các hợp chất tác dụng với xúc tác chia thành ba nhóm Nhóm khơng tác dụng với xúc tác nhiệt độ thấp 620 oC CO, CO2, NH3 Nhóm làm giảm hoạt tính xúc tác khơng làm giảm độ chọn lọc nước Và nhóm làm giảm độ chọn lọc xúc tác ( H2S nhiệt độ 425 oC ; NH3 SO2, SO3, nhiệt độ lớn 620 oC ) Từ kinh nghiệm thao tác công nghệ Cracking cho thấy độ hoạt tính xúc tác trì ta cho thêm nước vào nguyên liệu hay việc sử lý trước sau tái sinh xúc tác Thêm nước chế biến nguyên vật liệu có Lưu huỳnh có tác dụng âm lại làm tăng q trình ăn mịn thiết bị sản phẩm q trình ăn mịn lại làm nhiễm bẩn xúc tác , dẫn tới làm giảm độ hoạt tính độ chọn lọc chất xúc tác Tác dụng đồng thời nhiệt độ cao nước làm giảm độ hoạt tính tổng cộng xúc tác Khi áp dụng trình lớp sơi ( FCC) cần trì điều kiện để cốc lắng đọng xúc tác xúc tác không bị nhiệt , tái sinh người ta phải đưa vào lượng nhỏ nước Hơi nước cho vào cịn có nhiệm vụ đẩy khí tái sinh khí sản phẩm khỏi bề mặt xúc tác để chánh phần tạo cốc Nhưng cho nước vào nhiều dẫn tới phá vỡ cân nhiệt hệ lò phản ứng tái sinh nhiệt tạo q trình tái sinh khơng đủ để bù nhiệt thu vào phản ứng Cracking lò phản ứng Hàm lượng cốc xúc tác khỏi có phản ứng phụ thuộc vào lượng xúc tác tuần hoàn hệ thống Đối với đa số trình (FCC) dùng xúc tác chứa Zeolit lượng cốc tạo thường chiếm vào khỏang 1,3  1,8 % khối lượng xúc tác Còn sau tái sinh 0,1  0,05% khối lượng Các hợp chất kim hợp chất có chứa Nitơ nguyên liệu đầu phần tử làm già hoá nhanh xúc tác Nhiều nghiên cứu có mặt hợp chất Nitơ nhiên liệu làm giảm hiệu suất xăng sản phẩm trắng Ví dụ hàm lượng Nitơ tăng từ 0,1 đến 0,4% KL , hiệu suất xăng bị giảm tới hai lần , hiệu suất Gasoil nhẹ bị giảm đồmg thời làm hiệu suất cân nặng Gasoil nặng tăng Khi tăng nhiệt độ, tác dụng có hại hợp chất Nitơ giảm Sự đầu độc xúc tác tới kim loại nhiều nhà nghiên cứu đề cập tới rõ chế tác dụng chúng đến hoạt tính xúc tác Sự giảm nhanh hoạt tính xúc tác xẩy lúc tiếp xúc với độc tố với xúc tác Khi lắng đọng ôxit kim loại nặng xúc tác dẫn đến làm giảm độ sâu cracking giảm hiệu suất xăng tăng nhanh trình tạo cốc Khi hàm lượng hợp chất lưu huỳnh nguyên liệu tăng , hàm lượng kim loại nặng Niken Vanadi tăng theo đa phần chúng tập trung phần cân nặng phân đoạn nhựa – Asphan ( ví dụ dầu mỏ có Lưu huỳnh có tới 90% chất phức chứa Vanađi , cịn dầu có chứa Lưu huỳnh phức với Niken) 1.5 Cơ sở tạo cốc trình cracking xúc tác Trong trình làm việc trình Cracking xúc tác số phản ứng xẩy tham gia kết hợp với tạo sản phẩm có hại bám bề mặt chất xúc tác Những sản phẩm có hại gọi cốc Sảm phẩm cốc tạo hệ vịng thân có độ ngưng tụ cao, hình thành cốc nguyên nhân sau : - Do chất nguyên liệu Cracking ( nguyên liệu phân đoạn kezosenXơđa Gasoil nặng thu từ q trình chưng cất trực tiếp tạo cốc ) Nếu nguyên liệu cặn Marut Gasoil nặng trình thứ cấp khác khả tạo cốc nhiều - Do chất xúc tác q trình có độ chọn lọc không cao - Do chế độ công nghệ chưa tối ưu Cốc tạo thành q trình Cracking xúc tác chia thành ba phần : - Lượng cốc phản ứng hố học - Lượng cốc hấp thụ hoá học bề mặt xúc tác - Lượng cốc nhả hấp thụ chậm Các gốc Hydrocacbon va chạm vào tạo thành phân tử ngưng tụ vòng thơm tạo thành cac bon ( hay gọi cốc ) Sơ đồ biểu diễn chúng sau cho loại tương tự benzen là: Naphtaxen, antraxen, phenapxen , phản ứng phản ứng ngưng tụ tạo sản phẩm cốc