Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt MỤC LỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHẦN I: MỞ ĐẦU PHẦN II: QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT I KHÁI NIỆM, MỤC ĐÍCH VÀ NGUYÊN LIỆU SỬ DỤNG II CÁC PHẢN ỨNG TRONG QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT III CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT SỰ BIẾN ĐỔI CÁC HYDROCACBON PARAFIN: A THUYẾT TỰ DO 11 B THEO THUYẾT PHÂN HUỶ PHÂN TỬ 13 SỰ BIẾN ĐỐI CỦA CÁC HỢP CHẤT OLEFIN 14 SỰ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC HYDRO CACBON NAPHTEN 15 SỰ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC HYĐROCACBON THƠM 15 5.SỰ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC HỢP CHẤT LƢU HUỲNH 16 IV ĐỘNG HỌC CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT 16 V CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT 17 L NHIỆT ĐỘ 17 TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG 18 THỜI GIAN PHẢN ỨNG 18 ẢNH HƢỞNG CỦA ÁP SUẤT 18 NGUYÊN LIỆU 18 VI SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT 19 SẢN PHẨM KHÍ 19 SẢN PHẦM LỎNG: 21 A XĂNG CRACKING NHIỆT 21 B SẢN PHẨM GASOIL CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT 23 C SẢN PHẨM CẶN CRACKING NHIỆT 23 PHẦN II : TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA LÒ 24 Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt I TÍNH QUÁ TRÌNH CHÁY 25 XÁC ĐỊNH NHIỆT CHÁY CỦA NGUYÊN LIỆU THEO CÔNG THỨC SAU 25 XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN NGUYÊN TỐ THEO PHẦN TRĂM TRỌNG LƢỢNG 26 XÁC ĐỊNH LƢỢNG KHÔNG KHÍ LÝ THUYÊT CẦN ĐỂĐỐT CHÁY 1KG KHÔNG KHÍ THEO CÔNG THỨC SAU 27 XÁC ĐỊNH LƢỢNG KHÔNG KHÍ THỰC TẾ CẦN ĐẾ ĐỐT CHÁY KG KHÍ 27 XÁC ĐỊNH LƢỢNG SẢN PHẨM CHÁY ĐƢỢC TẠO THÀNH KHI ĐỐT CHÁY KG NHIÊN LIỆU 27 XÁC ĐỊNH THỂ TÍCH SẢN PHẨM CHÁY KHI ĐỐT CHÁY KG NHIÊN LIỆU Ở ĐIỀU KIỆN TIÊU CHUẨN 28 XÁC ĐỊNH HÀM NHIỆT CỦA CÁC SẢN PHẨM CHÁY Ở CÁC NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU THEO PHƢƠNG TRÌNH SAU: 28 THÀNH PHẦN CỦA NGUYÊN LIỆU VÀ CÁC SẢN PHẨM NHIỆT PHÂN 30 PHẦN III: SƠ ĐÔ CÔNG NGHỆ CỦA PHÂN XƢỞNG CRACKING NHIỆT 32 I NGUYÊN LÝ HOẠT DỘNG CỦA SƠ ĐỒ CRACKING NHIỆT 32 II LÒ ỐNG 33 III THIẾT BỊ BAY HƠI 34 IV THIẾT BỊ CHƢNG TÁCH SẢN PHẨM 34 KẾT LUẬN 35 Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Hiếu, Công nghệ chế biến dầu, Nhà xuất Bản Khoa học Kỹ thuật Trần Mạnh Trí, Hoá học Dầu mỏ Khí, ĐHBK - Hà Nội năm 1976 Tính toán trình công nghệ - ĐHBK - Hà Nội Đinh Thị Ngọ, Hoá học dầu mỏ khí,Nhà xuất Bản Khoa học Kỹ thuật Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt PHẦN I: MỞ ĐẦU Ngày với tiến khoa học kỹ thuật nghành công nghiệp phát triển, đòi hỏi cao nguyên, nhiên liệu cung cấp Cho kinh tế quốc dân nói chung nghành hoá nói riêng Nhằm thoả mãn nhu cầu xă hội phục vụ đời sống ngƣời với phƣơng châm không dùng “động thực vật làmn nguyên liệu, sử dụng nguồn nguyên liệu, nhiên liệu làm chủ yếu” dầu mỏ nguồn đáp ứng đòi hỏi Chính công nghiệp chế biến dầu mỏ có tầm quan trọng đặc biệt, không cung cấp nhiên liệu cho động cơ, máy móc, mà cung cấp nguyên liệu cho ngành công nghiệp khác Việc chế biến dầu mỏ phƣơng pháp vật ly thông thƣờng không đáp ứng vồ số lƣợng cõng nhƣ chất lƣợng Do đòi hỏi công nghệ lọc hoá dầu phải có phƣơng pháp hoá học khác làm tăng hiệu suất sản phẩm dầu mỏ thƣơng phẩm, đồng thời thu đƣợc sản phẩm dầu mỏ có chất lƣợng cần thiết Chính công nghiệp chế biến dầu mỏ trình chuyển hoá hoá học dƣới tác dụng nhiệt đƣợc sử dụng nhằm chế biến diầu mỏ phân đoạn dầu mỏ khác để thu loại nhiên liệu loại nguyên liệu cho công nghiệp tổn hợp hoá học đóng vai trò tƣơng dối quan trọng: Tuỳ theo mục đích thu sản phẩm, nguyên liệu sử dụng chế dộ công nghệ mà trình chia trình chuyển hoá hoá học dƣới tác dụng nhiệt nhƣ sau: - Quá trình cracking nhiệt - Quá trình nhiệt phân ( pyrôly) - Quá tlmh cốc hoá - Quá trình vibrekirlg Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt Đây trình biến đổi nguyêu liệu dầu mỏ dƣới tác dụng nhiệt độ cao thành sản phẩm rắn, lỏng khí Thành phần số lƣợng nhƣ chất lƣợng sản phẩm cuối đƣợc định thông số công nghệ trình nhƣ: nhiệt độ, áp suất, thời gian phản ứng Quá trình biến đổi nguyên liệu trình phức tạp xảy hàng loạt phản ứng vừa nối 'tiếp vừa song song Trong trình chế biến nhiệt khử cấu trúc có hai vấn đề quan trọng cần phải giải + Ngăn ngừa tạo thành cốc ống phản ứng hay thiết bị trao đổi nhiệt + Đảm bảo hiệu sử dụng cao trang thiết bị dây chuyền Trong qúa trình chuyển hoá hoá học dƣới lác dụng nhiệt trình cracking nhiệt chiếm vị trí tƣơng đói quan trọng công nghệ lọc dầu Quá trình crácking nhiệl lrình phân huỷ dƣới tác dụng đơn nhiệt, hiđrôcacbon bị phân huỷ gãy đứt mạch cacbon tạo hidrocacbon có phâh tử lựong bé Quá trình thực nhiệt độ 420 ~ 5500C điều kiện áp suất tƣơng đối cao: 20 - 70 at Mục đích trình nhằm tăng hiệu suất sản phẩm trắng dầu trắng (xăng, gasoil) mỏ chế biến, để thu số khí chủ yếu khí olêfin Để điều chỉnh theo mong muốn tăng hiệu suất cao lên, muốn tăng hiệu suất khí olêfin ta điều chỉnh cho áp suất thấp xuống Trƣớc chiến tranh giới thứ hai cracking nhiệt độ trình hoá học chủ yếu để tăng lƣợng xăng, nhƣng thập kỷ gần không đƣợc dùng để sản xuất xăng mà chủ yếu để sản xuất hidrocacbon để cung cấp cho công nghiệp hoá dầu Trong phải kể đến CH4, C2H2, C7H6, butadien, isopre, styren hàng năm ngƣời ta sản xuất hàng triệu C2H4, – triệu dầu mỏ Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt Nguyên liệu cracking nhiệt phổ biến phân đoạn gasol nặng trình cracking xúc tác hay cặn trình làm Chất lƣợng nguyên liệu thông số quan trọng xác định chất lƣợng sản phẩm điều kiện cracking không thay đổi, nhƣng ta dùng nguyên liệu có thành phần khác cho kết khác Đồng thời hàm lƣợng RH nguyên liệu có ảnh hƣởng định đên chất lƣợng sản phẩm Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt PHẦN II: QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT I KHÁI NIỆM, MỤC ĐÍCH VÀ NGUYÊN LIỆU SỬ DỤNG Khái niệm: Cracking nhiệt trình phân huỷ dƣới tác dụng nhiệt, thực điều kiện nhiệt độ khoảng 470 đến 5400C, áp suất 20 đến 70at Mục đích: Mục đích trình nhằm thu hồi xăng từ phần nặng, số olêfin sử dụng công nghiệp tổng hợp dầu Nguyên liệu sử dụng: Nguyên liệu từ phần gasoil đến cặn nặng dầu, cặn mazút Thành phần số lƣợng nhƣ chất lƣợng sản phẩm cuối đƣợc định thông sô công nghệ trình nhƣ nhiệt độ , áp suất, thời gian phản ứng Quá trình biến đổi nguyên liệu trình phức tạp, xảy hàng loạt phản ứng vừa song song vừa nối tiếp trình chế biến nhiệt khử cấu trúc có hai vấn đề quan trọng cần lƣu ý dó là: - Ngăn ngừa tạo cốc suốt phản ứng hay thiết bị trao đổi nhiệt - Đảm bảo hiệu sử dụng cao thiết bị , dây truyền Muốn ta nghiên cứu động học trình, chế trình II CÁC PHẢN ỨNG TRONG QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT Phản ứng cracking nhiệt đƣợc biểu diễn bình thƣờng nhiệt độ thay đổi từ 850 - l3500F áp suất 1000Psia.Trong điều kiện phản ứng quan trọng đƣợc diễn hydrocacbon liên kết C – C, phản ứng dellydro hoá , lsornehoá polime hoá Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt Trƣớc tiên phản ứng quan trọng nhất, phản ứng cracking nhiệt thuận nghịch thu nhiệt phân tử parafin mạch bên tạo chuỗi phân tử có khối lƣợng phân tử nhẹ hơn, thƣờng thƣờng cho ta parafin nhẹ olêfin Ví dụ: R – CH2 – CH2 – CH2 – R’ R – CH = CH2 + CH3 – R’ Các olcfin đƣợc tạo phản ứng dehydro hoá parafin R – CH2 – CH3 R – CH = CH2 + H2 Các phản úng phản ứng thu nhiệt xảy theo chế gốt tự do, olêfin tự bẻ gãy mạch Phán ứng izome hoá CH3 - CH2 – CH = CH2 CH3 – CH = CH2 – CH3 Phản ứng dehydro hoá CH3 - CH2 – CH = CH2 CH2 = CH – CH = CH2 + H2 Phản ứng polillle hoá ch3 2c h c h c h = c h ch3 ch3 c ch2 c = ch2 ch3 ch3 Hai phản ứng đầu hai phản ƣng thu nhiệt phản ứng polime hoá lại phản ứng toả nhiệt Các naphten vòng đơn bền vững parafin olefin nhiệt độ cao vòng đơn bị phân huỷ, phán ứng dehydro hoá xuất thay vòng naphtenic không no vòng thơm Các hợp chất thơm hydrocacbon khó nóng chảy độ bền hợp chất thơm phụ thuộc vào độ bền mạch bên Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt Cốc hoá tạo phản ứng phụ nhƣng đóng vai trò quan trọng trình cracking nhiệt, mặc dừ chế trình cốc hoá tạo khó hiểu Kết thoái biến kéo dài phân tử có khối lƣợng phân tử lớn tạo lƣợng khí tăng (khí khô) hợp chất policylic có tỷ lệ H2/C thấp Ở nhiệt độ áp suất thƣờng đƣợc ứng dụng trình cracking nhiệt olefin tạo trìmh cracking nhiệt parafin có xu hƣớng tới phản ứng polime hoá sản phẩm có khối lƣợng phân tử cao Các phân tử chúng tự bẻ gãy mạch poly hoá lại, thành phần H2 chúng tiếp tục bị giảm Ngoài olefin tham gia phản ứng ngƣng tụ với hợp chất vòng Những hợp chất bị chuyển hoá tạo thành than có khối lƣợng phân tử cao cốc dầu mỏ có tỷ H2/CO III CƠ CHẾ CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING NHIỆT Sự chuyển hoá hoá học phân đoạn dầu mỏ dầu mỏ dƣới tác dụng nhiệt trình phức tạp Nguyên liệu dầu mỏ gồm số lƣợng lớn cấu tử riêng biệt Dƣới tác dụng nhiệt độ cao biến đổi phức tạp nên theo dõi đƣợc cấu tử riêng biệt nguyên liệu Vì thực tế phải theo dõi hiệu suất sản phẩm có giá trị trình nhƣ: sản phẩm xăng, khí gasoil, cốc hay theo thành phần nhóm xăng Và nghiên cứu chuyển hoá hoá học dƣới tác dụng nhiệt, hydrocacbon riêng lẻ đƣa đến kết luận đặc trƣng dạng hydrocacbon dãy hydrocacbon Sự biến đổi hydrocacbon parafin: Sự tính toán nhiệt động học cho thấy hydrocacbon pentan trở lên Khi tăng nhiệt độ phản ứng phân huỷ đút mạch vị trí liên kết C - C tạo thành hydrocacbon parafin olêfin có trọng lƣợng phân tử nhỏ CnH2n+2 CmH2m + CqH2q+2 Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 Thiết kế phân xƣởng Cracking nhiệt Nếu parafin tạo thành phân huỷ đƣợc tiếp tục phân huỷ Các hydrocacbon có trọng lƣợng phân tử thấp nhƣ Etan, propan, butan có độ bền nhiệt cao nên điều kiện nhiệt độ cao bị phân huỷ bị phân huỷ bị phân hủy thành olêfin hydro CnH2n+2 CqH2q+2 + H2 Sự phân huỷ parafin xảy tất vị trí liên kết mạch C- C Vị trí đứt mạch đầu mạch hay mạch phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ áp suất nhiệt độ cao áp suất thấp vị trí đứt mạch C – C nghiêng cuối mạch nhƣ hiệu suất sản phẩm khí tăng, hiệu suất sản phẩm lỏng lại giảm C – C- C – C - C – C – C - / C Khi nhiệt độ gần 4500C áp suất tƣơng điối cao vị trí đứt mạch cacbon C – C- C – C -/ C – C- C – C cho ta hiệu suất sản phẩm lỏng tăng lên.Vì với mục đích tăng hiệu suất sản phẩm xăng ngƣời ta thƣờng cracking nhiệt điều kiện áp suất cao Trong dẫy parafin metal chất có độ bền cao có liên kết C - H, phân huỷ để tạo thành C hydro cần nhiệt độ cao (gần 15000C) 1500 C CH4 C 2H2 Còn êtan điều kiện nhiệt độ phân huỷ có thấp hơn: 700 C C2H6 C2H4 H2 Khi trọng lƣợng phân tử tăng vai trò phản ứng khử hydiro giảm Ví dụ propan xảy theo hai chiều hƣớng: C2H6 6000C C2H4 + CH4 C3H6 + H2 Hoàng Văn Thắng - HD1 - K44 10