LỜI MỞ ĐẦU 4 Chương 1 : TỔNG QUAN 5 1.1. Mục đích của phân xưởng 5 1.2. Nguyên liệu . 6 1.2.1. Nguồn nguyên liệu 6 1.2.2. Thành phần và tính chất dòng nguyên liệu 6 1.3. Sản phẩm 8 1.3.1. Khí khô 8 1.3.2. LPG 9 1.3.3. Xăng 9 1.3.4. LCO………………………………………………………………...11 1.3.5. HCO và slurry 11 1.3.6. Cốc (coke) 12 1.4. Cơ sở hóa học. 12 1.4.1. Cracking nhiệt. 13 1.4.2. Cracking xúc tác. 14 1.5. Xúc tác 19 1.5.1. Vai trò của xúc tác trong quá trình cracking 19 1.5.2. Những yêu cầu cần thiết đối với xúc tác cracking. 20 1.5.3. Thành phần xúc tác. 22 1.5.4. Đặc điểm xúc tác RFCC 27 1.5.5. Cơ chế xúc tác 30 1.5.6. Các tạp chất trong xúc tác 30 1.5.7. Qúa trình tái sinh xúc tác. 33 Chương 2. Công nghệ Craking xúc tác cặn dầu 35 2.1. Sơ lược về sự phát triển của craking 35 2.2. Các công nghệ RFCC trên thế giới. 37 2.2.1. Công nghệ RFCC của Khartoum Refinery Company. 37 2.2.2. Công nghệ RFCC của hãng Toyo Engineering Corporation…...38 2.2.3. Công nghệ RFCC của hãng M.W. Kellogg . 39 2.2.4. Công nghệ RFCC của UOP. 40 2.2.5. Công nghệ RFCC của Shell. 41 2.2.6. Công nghệ RFCC của IFP 42 2.2.7. Công nghệ RFCC của Technip FMC 46 2.3. So sánh và lựa chọn công nghệ 48 2.4. Thuyết minh sơ đồ công nghệ. 49 2.4.1. Cụm phản ứng – tái sinh, xử lý khói thải 50 2.4.2. Cụm chuẩn bị nguyên liệu và chưng cất 53 2.4.3. Cụm thu hồi và xử lý khí. 54 Chương 3. Cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng 56 3.1. Thông số 56 3.2. Cân bằng vật chất 57 3.2.1. Thiết bị phản ứng 57 3.2.2. Thiết bị phân tách sản phẩm 60 3.2.3. Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 61 3.2.4. Thiết bị tách ba pha 61 3.2.5. Tháp chưng tách C3, C4 và naphta nhẹ 62 3.2.6. Xác định lượng xúc tác tuần hoàn và tiêu hao hơi nước 63 3.3. Cân bằng nhiệt lượng 64 3.3.1. Cân bằng nhiệt lượng với lò tái sinh stripper. 64 3.3.2. Cân bằng nhiệt lượng đối với thiết bị phản ứng 68 Chương 4. Thiết bị phản ứng 71 4.1. Cấu tạo thiết bị phản ứng 71 4.1.1. Hệ thống phun nhiên liệu và hơi nước 71 4.1.2. Hệ thống MTC 72 4.1.3. Stripper. 74 4.1.4. Hệ thống phân tách đầu ra riser (ROSS) và các xyclone tách xúc tác 74 4.2. Tính toán thiết bị phản ứng. 77 4.2.1. Chế độ thủy động 77 4.2.2. Động học quá trình 78 4.2.3. Mô tả quá trình 80 4.2.4. Các thông số cần thiết 82 4.2.5. Tính toán lò phản ứng 84 4.2.6. Tính toán riser 86 4.2.7. Tính toán xyclone 87 KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 90
ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU Chương : TỔNG QUAN 1.1 Mục đích phân xưởng .5 1.2 Nguyên liệu 1.2.1 Nguồn nguyên liệu 1.2.2 Thành phần tính chất dòng ngun liệu 1.3 Sản phẩm 1.3.1 Khí khô 1.3.2 LPG 1.3.3 Xăng 1.3.4 LCO……………………………………………………………… 11 1.3.5 HCO slurry 11 1.3.6 Cốc (coke) .12 1.4 Cơ sở hóa học 12 1.4.1 Cracking nhiệt 13 1.4.2 Cracking xúc tác 14 1.5 Xúc tác 19 1.5.1 Vai trò xúc tác trình cracking 19 1.5.2 Những yêu cầu cần thiết xúc tác cracking 20 1.5.3 Thành phần xúc tác 22 1.5.4 Đặc điểm xúc tác RFCC .27 1.5.5 Cơ chế xúc tác .30 1.5.6 Các tạp chất xúc tác 30 1.5.7 Qúa trình tái sinh xúc tác .33 Chương Công nghệ Craking xúc tác cặn dầu 35 2.1 Sơ lược phát triển craking 35 2.2 Các công nghệ RFCC giới 37 2.2.1 Công nghệ RFCC Khartoum Refinery Company .37 2.2.2 Công nghệ RFCC hãng Toyo Engineering Corporation… 38 NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN 2.2.3 Công nghệ RFCC hãng M.W Kellogg 39 2.2.4 Công nghệ RFCC UOP 40 2.2.5 Công nghệ RFCC Shell 41 2.2.6 Công nghệ RFCC IFP 42 2.2.7 Công nghệ RFCC Technip FMC 46 2.3 So sánh lựa chọn công nghệ .48 2.4 Thuyết minh sơ đồ công nghệ .49 2.4.1 Cụm phản ứng – tái sinh, xử lý khói thải .50 2.4.2 Cụm chuẩn bị nguyên liệu chưng cất .53 2.4.3 Cụm thu hồi xử lý khí 54 Chương Cân vật chất cân lượng 56 3.1 Thông số 56 3.2 Cân vật chất 57 3.2.1 Thiết bị phản ứng 57 3.2.2 Thiết bị phân tách sản phẩm 60 3.2.3 Thiết bị ngưng tụ sản phẩm đỉnh 61 3.2.4 Thiết bị tách ba pha 61 3.2.5 Tháp chưng tách C3, C4 naphta nhẹ .62 3.2.6 Xác định lượng xúc tác tuần hoàn tiêu hao nước 63 3.3 Cân nhiệt lượng 64 3.3.1 Cân nhiệt lượng với lò tái sinh - stripper 64 3.3.2 Cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng 68 Chương Thiết bị phản ứng 71 4.1 Cấu tạo thiết bị phản ứng .71 4.1.1 Hệ thống phun nhiên liệu nước 71 4.1.2 Hệ thống MTC 72 4.1.3 Stripper 74 4.1.4 Hệ thống phân tách đầu riser (ROSS) xyclone tách xúc tác .74 4.2 Tính tốn thiết bị phản ứng 77 4.2.1 Chế độ thủy động 77 NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN 4.2.2 Động học trình .78 4.2.3 Mô tả trình .80 4.2.4 Các thông số cần thiết 82 4.2.5 Tính tốn lò phản ứng 84 4.2.6 Tính tốn riser 86 4.2.7 Tính tốn xyclone 87 KẾT LUẬN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 LỜI MỞ ĐẦU NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Dầu mỏ người biết đến từ thời cổ xưa Đến kỷ XVIII, dầu mỏ sử dụng làm nhiê liệu đốt cháy, thắp sáng trải đường Tuy nhiên đến kỷ XIX, sản phẩm dầu dầu mỏ xem nhiên liệu cho phương tiện giao thơng nèn kinh tế quốc dân mà chủ yếu xăng diesel Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật nhu cầu đời sống người, dầu mỏ ngày quan hết Ngày đối mặt với tính trạng cạn kiệt, sử dụng hợp lý hơn, đa dạng Với lĩnh vực nhiên liệu, xăng nhân tố vô quan trọng Động xăng có ưu điểm nhỏ gọn, cháy sạch, tiếng ồn nhỏ nên sử dụng cách rộng rãi Tuy nhiên lượng xăng thu từ chưng cất dầu thô không nhiều chất lượng chưa đạt yêu cầu động Mặt khác phần nặng ứng dụng chưng lại lớn Vì vậy, ý tưởng chuyển hóa phần nặng thành xăng đưa thực vào năm 1936 với cộng nghệ Houdry- công nghệ cracking xúc tác Cho đến ngày nay, cơng nghệ cracking xúc tác hồn thiện nhiều, cho hiệu chất lượng sản phẩm cao Công nghệ ngày cho phép xử lý phân đoạn nặng, chất lượng xấu thành sản phẩm đạt yêu cầu thị trường Trong bối cảnh nguồn dầu thô dần cạn kiệt, để trì bền vững ngành cơng nghiệp lọc dầu đáp ứng nhu cầu nhiên liệu cho thị trường việc áp dụng cơng nghệ để cracking phần cặn dầu nặng, chất lượng xấu thành sản phẩm nhẹ vơ cần thiết Hiểu tính cáp thiết quan trọng phân xưởng RFCC nghành cơng nghiệp lọc dầu Vì vậy, em xin tìm hiểu thực đồ án mang tên: “ Thiết kế phân xưởng cracking cặn dầu mỏ” Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Mục đích phân xưởng NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Mục đích phân xưởng craking xúc tác tầng sôi phần dầu cặn ( Residue Fluid Catalytic Craking) chuyển hóa nguyên liệu cặn nặng thành sản phẩm phân đoạn nhẹ, có giá trị như: C 3-C4 LPG, xăng, nguyên liệu Diesel (Light cycle oil) Nhờ phản ứng hóa học dạng với có mặt xúc tác FCC, phân tử hydrocacbon mạch dài nguyên liệu bẻ gãy thành phân tử mạch ngắn Xúc tác tái sinh nóng cung cấp nhiệt cho q trình cracking, làm bay nguyên liệu dầu nguyên tử hóa tạo điều kiện thuận lợi cho trình cracking nhanh có tính chọn lọc Sự hóa ngun liệu phản ứng cracking xảy reactor-riser khoảng giây Các sản phẩm phản ứng khí đốt, dầu cặn (slurry) cốc tạo thành reactor-riser Phần lớn thiết bị phân xưởng FCC dùng để chứa xúc tác, phân tách sản phẩm tách cốc khỏi xúc tác, phần nhỏ hệ thống sử dụng trực tiếp cho phản ứng cracking Tại Việt Nam, nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất công nghệ RFCC AXENS kết hợp tầng tái sinh xúc tác, hệ thống phun nhiên liệu đồng nhất, dòng điều khiển nhiệt (mixed temperature control), hệ thống tách cuối riser thiết bị phân phối khơng khí, nước Cơng nghệ thực nghiệm RFCC AXENS chuyển hóa cặn chưng cất thành sản phẩm với độ linh hoạt cao [3] Phần tháp chưng cất phân tách sản phẩm từ thiết bị phản ứng Các sản phẩm gồm dầu cặn (clarified oil), LCO xăng nặng Để tối đa sản phẩm xăng, phần xăng nặng trộn với xăng nhẹ từ phân xưởng thu hồi khí Để tối đa sản phẩm Diesel, phần xăng nặng trộn với LCO Phần lỏng đỉnh tháp chưng cất xử lý phân xưởng thu hồi khí Sản phẩm phân xưởng gồm xăng nhẹ, khí đốt LPG xử lý amine Phân xưởng RFCC thiết để chạy hai chế độ Tối đa xăng RFCC (max gasoline) Tối đa LCO (max distillate) NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Hình 1.1: Sơ đồ phân xưởng RFCC [1] 1.2 Nguyên liệu 1.2.1 Nguồn nguyên liệu Phân xưởng thiết kế để xử lý 100% nguyên liệu nóng trực tiếp từ phân xưởng chưng cất khí đồng thời có khả xử lý 100% nguyên liệu nguội từ bể chứa Thêm vào đó, phân xưởng xử lý khí RFCC xử lý dòng cơng nghệ: Off-gas tháp stabilizer phân xưởng CDU Dòng LPG từ phân xưởng CDU Phân xưởng RFCC xử lý dòng off-gas từ phân xưởng xử lý xăng (NHT) [1] 1.2.2 Thành phần tính chất dòng ngun liệu Dầu thô Việt Nam thuộc loại nhẹ vừa phải tỷ trọng nằm khoảng 0,830 ÷ 0,850 Đặc tính định hiệu suất sản phẩm trắng (xăng, kerosene, điêzen) dầu thô cao hay thấp Dầu nhẹ, tổng hiệu suất sản phẩm trắng cao dầu có giá trị cao Đối với dầu thơ Việt Nam, tổng hiệu suất sản phẩm trắng chiếm từ 50 đến 60% [2] NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Sau tính chất dòng ngun liệu vào phần xưởng RFCC nhà máy lọc hóa dầu Dung Quất Bảng 1.1: Thơng số phần cặn khí [3] Cut range, TBP °C Vol% on Crude Wt% on Crude API Gravity SG at 15/4°C Nitrogen wt ppm Sulphur wt% Conradson Carbon wt% Vanadium wt ppm Nickel wt ppm Sodium wt ppm Viscosity @ 50°C cSt Viscosity @ 100°C cSt Pour point °C Asphaltenes wt% Wax content wt% Hydrogen wt% Neutralization No mg KOH/gm Characterization "K" factor (D1160 @ 760 mmHg) °C IBP 10% 30% 50% vol% above @ 550°C Crude (Sour) Blend 100% (Sweet) Bach Ho 370+ 46.6 50.0 26.95 0.893 1800 0.55 2.66 10.5 1.6 43.4 8.8 50 2.0 N/A 12.7 0.05 12.58 370+ 47.3 50.1 28.9 0.882 1300 0.05 1.57 1.6 43.4 52 1.0 41 12.84 0.05 12.78 263 379 435 475 32.4 262 379 437 480 32.5 ASTM Test method D1266 1.57 D189 D2787 D2788 D445 D97 D128 D1018 D3242 Về hàm lượng lưu huỳnh (S), dầu thô Việt Nam chứa Trong dầu Bạch Hổ chứa 0,03 ÷ 0,05% lưu huỳnh Khi dầu thô chứa 0,5% S liệt vào dầu thơ lưu huỳnh có giá trị cao thị trường giới Nguyên nhân chi phí để sản xuất sản phẩm đạt chất lượng cao theo quy định hàm lượng lưu huỳnh, dầu hàm lượng lưu huỳnh thấp nhiều so với dầu thơ có hàm lượng lưu huỳnh cao NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Hàm lượng kim loại nặng, hợp chất chứa nitơ dầu thô thấp Các kim loại nặng có hại, làm giảm chất lượng giá trị dầu thô, thường quan tâm niken vanadi Trong dầu Bạch Hổ , hàm lượng vanadi có 0,09 ppm niken 2,64 ppm [2] Trong đó, số loại dầu thơ giới hàm lượng kim loại nặng chứa đến hang nghìn ppm, dầu thô Vênêzuêla chứa đến 1350 ppm Mặt khác, hợp chất chứa nitơ dầu thuộc loại chất có hại, gây ngộ độc xúc tác, làm cho sản phẩm ổn định tồn chứa, dầu thơ Bạch Hổ chứa có 0,04 ppm [2] Vì dầu thơ Bạch Hổ xem loại dầu sạch, lưu huỳnh, kim loại nặng, nitơ, chất nhựa asphanten nên chúng có giá trị cao Theo nghiên cứu Viện dầu mỏ Mỹ UOP, cặn chưng cất khí dầu thơ Bạch Hổ sử dụng trực tiếp làm nguyên liệu cho q trình cracking xúc tác mà khơng cần xử lý chưng cất chân không tốn kém, điều có ý nghĩa quan trọng việc giảm tối thiểu đầu tư cho xây dựng nhà máy lọc dầu 1.3 Sản phẩm Sản phẩm phân xưởng RFCC: Khí khơ: sử dụng làm khí nhiên liệu nhà máy Hỗn hợp C3/C4: làm nguyên liệu cho phân xưởng LTU, sau đưa sang phân xưởng thu hồi Propylen phân xưởng PRU Xăng: đưa xử lý phân xưởng NTU, sau đưa đến bể chứa trung gian để pha trộn xăng Light Cycle Oil (LCO) đưa sang bể chứa trung gian, làm nguyên liệu cho phân xưởng LCO Hydrotreater Sau đưa đến bể chứa trung gian để pha trộn dầu Diesel Decant Oil (DCO) làm phối liệu chế biến FO dầu nhiên liệu cho nhà máy 1.3.1 Khí khơ Các khí nhẹ từ tháp hấp thụ dầu gọi khí khơ Các cấu tử khí khơ hydro, metan, etan, etylen H 2S Ngay sau xử lý với amin để tách H2S khí axit khác, khí trộn vào hệ khí nhiên liệu (fuel gas) nhà NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN máy lọc dầu Tuỳ thuộc vào thành phần hydro khí, số nhà máy lọc dầu thu hồi hydro Hydro thu hồi sử dụng trình xử lý hydro Khí khơ sản phẩm khơng mong muốn phân xưởng FCC Khí tạo chủ yếu cracking nhiệt, dehydro hoá tạp chất kim loại, cracking xúc tác khơng chọn lọc (chất xúc tác có lực axit q cao…) 1.3.2 LPG Dòng sản phẩm từ phần tháp tách butan tháp ổn định hỗn hợp hydrocacbon C3 C4 thường gọi khí hố lỏng từ dầu mỏ LPG (liquefied petroleum gas) LPG chứa nhiều olefin (propylen butylen) Vì vậy, sau tách thu hồi olefin làm nguyên liệu cho tổng hợp hóa dầu, nguyên liệu dùng làm sản phẩm hóa chất,pha trộn vào xăng, nguyên liệu cho ankyl hóa, sản xuất MTBE…[2] Bảng 1.2 Thông số LPG [3] Thông số Khối lượng riêng Mercaptan ( ppm) COS (ppm) Lưu huỳnh (ppm) Butadien (ppm) Bạch Hổ ( Tối đa xăng) 0,566 7,1 5,0 332 1647 Bạch Hổ ( Tối đa LCO) 0,565 7,1 5,0 383 1063 1.3.3 Xăng Xăng sản phẩm trình,hiệu suất xăng cracking xúc tác thường thu từ 30 ÷ 60% lượng nguyên liệu đem cracking Hiệu suất xăng chất lượng xăng phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu, xúc tác chế độ công nghệ Nếu ngun liệu có hàm lượng hydrocacbon naphten cho hiệu suất chất lượng xăng cao Nếu nguyên liệu có hàm lượng lớn parafin nhận xăng có trị số octan thấp Trong nguyên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao xăng nhận có hàm lượng lưu huỳnh lớn, thường chiếm khoảng 15% trọng lượng lưu huỳnh chứa nguyên liệu Chất lượng xăng biểu thị số Octan RON MON Giá trị thước đo đặc tính chống kích nổ xăng xác định theo tiêu chuẩn ASTM D2699 Xăng nhận từ q trình có tỷ trọng khoảng 0,72 ÷ 0,77 [1] NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 Trang | ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Bảng 1.3 Thơng số tính chất sản phẩm xăng [3] Thông số Khối lượng riêng RON MON TVP (g/cm2) RVP (kPa) Lưu huỳnh (%kl) Olefin (%kl) Bạch Hổ ( Tối đa xăng) 0,732 91,8 71,6 363 34 10 35 Bạch Hổ ( Tối đa LCO) 0,715 91,7 79,2 531 51 10 45 Xăng RFCC sản phẩm chủ yếu có giá trị phân xưởng RFCC Hiệu suất xăng gia tăng nhờ: Tăng tỉ số chất xúc tác/nguyên liệu Tăng hoạt tính xúc tác cách tăng lượng chất xúc tác chất xúc tác có hoạt tính cao Tăng nhiệt độ sôi cuối xăng cách giảm tốc độ hồi lưu đỉnh tháp chưng cất Xăng RFCC có tỉ trọng nhẹ, pha với nhiều loại xăng với tỉ lệ để tạo thành xăng thương phẩm Xăng RFCC có octan tương đối cao, trình để sản xuất xăng octan cao Tuy nhiên xăng RFCC có hàm lượng olefin cao, olefin dễ gây phản ứng trùng ngưng, ngưng tụ tạo nhựa gây tắc đường ống tắc vòi phun ảnh hưởng tới thành phần xăng trình tồn chứa bảo quản Hàm lượng lưu huỳnh phụ thuộc vào nguyên liệu thường không đáp ứng tiêu chuẩn hàm lượng lưu huỳnh Để làm xăng thương phẩm xăng RFCC cần phối trộn với loại xăng khác xăng reformat, alkylat 1.3.4 LCO LCO phần sản phẩm thu tháp chưng cất sản phẩm RFCC Nó có khoảng nhiệt độ sơi cao xăng, từ 220 – 350 oC LCO chứa vòng thơm nhẹ LCO có hàm lượng aromatic cao, cỡ từ 50 – 75 %kl Trong đó, 30 – 50% aromatic tồn dạng phân tử chứa vòng thơm [1] NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 10 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN stripping Các chân nhúng vào tầng xúc tác stripper nhằm ngăn chặn dòng ngược Hình 4.5 Cấu tạo xyclone [10] Hầu hết phân xưởng RFCC sử dụng loại xyclone cấp hay hai cấp để tách cúc tác cong lại từ sản phẩm Các xyclone giữ lại tuần hoàn xúc tác đến stripper qua chắn van lật/ xả Hình 4.6 Hệ thống xyclone hai cấp [12] NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 76 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Hình 4.7 Trickle van [9] 4.2 Tính tốn thiết bị phản ứng 4.2.1 Chế độ thủy động Hình 4.8 Các chế độ thủy động lớp xúc tác [12] Khi có dòng khí hay dòng chất lỏng qua theo hướng ngược chiều với trọng lực lớp vật liệu rời làm cho lớp vật liệu dãn phía phụ thuộc vào vận tốc dòng liên tục, lớp vật liệu rời tạo nên trạng thái khác mô tả bảng 4.1 NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 77 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Bảng 4.1 Các chế độ tầng sôi [12] Trong thiết bị phản ứng có hai phận quan trọng riser khơng gian tách Chế độ thủy động hai không gian nà khác Để đạt chuyển động riser, vận tơc khí phải lớn ut tức hạt rắn bị hồn tồn theo dòng khí Ở khơng gian tách chế độ thuye dộng giả lỏng Tuy nhiên, để xác định xác vận tốc khí cần thiết ban đầu phải kết hớp yếu tố động học 4.2.2 Động học mô tả trình Ta có mơ hình động học sau: Hình 4.9 Mơ hình động học chuyển hóa [12] NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 78 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Phương trình tốc độ phản ứng, ( kmol/kgxt.s) [12] Các phản ứng phản ứng thu nhiệt tăng thể tích Phương trình số tốc độ phản ứng: k= ko e-E/RT Trong đó: k o số trước lũy thừa E lượng hoạt hóa Bảng 4.2 Thơng số động học nhiệt động học [12] STT Phương trình Cặn khí quyển→ xăng Cặn khí quyển→ LPG Cặn khí → Dry Gas Cặn khí quyển→ Coke Xăng→ LPG Xăng→ Dry Xăng → Coke LPG → Khí khơ LPG → Coke ko 18579,9 3061,1 532,14 39,04 65,4 0,00 0,00 0,32 0,19 E (kJ/ kmol) 57540 52500 49560 31920 73500 45360 66780 39900 31500 (kJ/ kmol) 45000 159315 159315 159315 42420 42420 42420 2100 2100 Đơn vị k o m6/kgxt.kmolcặn kq với phản ứng 1,2,3,4 đơn vị m 3/kgxt.s với phản ứng 5, 6,7,8,9 4.2.3 Mô tả q trình 4.2.3.1 Tại riser NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 79 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Quá trình chuyển động hạt rắn theo dòng khí vận tốc cao xem chuyển động lý tưởng Một ưu điểm lớp tầng sơi, lớp tần sơi làm việ với hạt xúc tác nhỏ (dp =10-800 µm) mà tổn thất áp lực lớp gần khơng đáng kể Các hạt xúc tác có bề mặt riêng bên ngồi đủ lớn lớp tầng sơi tạo vận tốc phản ứng hiệu dụng lớn đơn vị khối lượng xúc tác [8] Mặt khác, hạt xúc tác rắn có kích thước nhỏ, cấu trúc rỗng nên hệu ứng khuyếch tán khơng ảnh hưởng nhiều đến q trình bỏ qua, q trình tính tốn khơng xét đến yếu tố Hình 4.10 Mơ hình riser [8] Ban đầu, nước nâng với xúc tác tái sinh từ lên trên, gặp nguyên liệu nước, nhiệt độ cao, nguyên liệu bị hóa bắt đầu xảy phản ứng Theo chiều cao riser ( từ lên), thơng số bị thay đổi NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 80 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Theo chiều cao riser thơng số thời gian, vận tốc, thể tích khí, nồng độ xăng tăng Trong khí nhiệt độ giảm,… Chiều cao riser: H= ug τ Thể tích khối khí tăng dần: Vhơi = H.S.ε , với S tiết diện ngang riser Vận tốc khí tăng dần với tiết diện, thể tích khối khí tăng khiến vận tốc khối khí tăng Nồng độ xăng: Cxăng = nxăng / Vhơi Nồng độ xăng thay đổi từ (mol/m3), sau tăng dần đến lúc phải giảm để tạo sản phẩm nhẹ Vì phải tính tốn để đạt lượng xăng tốt Nhiệt độ giảm dần phản ứng thu nhiệt Như vậy, để đơn giản q trình tính tốn Gỉa sử phần không gian rỗng riser không đổi nên vận tốc khí lấy giá trị trung bình khơng đổi Nhiệt độ lấy trung bình khơng đổi Sai số tính tốn chủ yếu yếu tố đơn giản hóa 4.2.3.2 Tại khơng gian tách Hình 4.11 Khơng gian tách tầng sơi [11] NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 81 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Hơi nước cung cấp để loại hydrocacbon khỏi xúc tác đồng thời để làm tơi xúc tác tránh gây hại cho trình tái sinh Chế độ thủy động khu vực tương tự pha đặc lò tái sinh Giả sử khơng phản ứng xảy khu vực Phần lớn hạt xúc tác nặng có kích thước lớn tiếp tục rơi xuống stripper, phần lại bị theo nước hỗn hợp khí sau phản ứng tạo thành chế độ bọt khí 4.2.4 Các thơng số cần thiết 4.2.4.1 Nhiệt độ khí nguyên liệu nước tiếp xúc với xúc tác nóng từ lò tái sinh Nhiệt độ dòng xúc tác vào 734oC Nhiệt độ đầu riser: 522 oC Giả sử nhiệt độ trung bình riser 530 oC 4.2.4.2 Nhiệt độ khối khí riser Khối lượng mol trung bình phần ngun liệu cặn khí 380kg/kmol Ở nhiệt độ, áp suất trung bình riser 530 oC 30psi (234430 Pa) Gỉa thiết khí riser khí lý tưởng, theo phương trình Claperon- Mendeleep, ta có: ρNL = = = 13,3440 (kg/m3) Lưu lượng thể tích nguyên liệu: VNL = GNL / ρNL= 348300/ (13,3440 3600)= 7,2504 (m3/s) Trước xảy phản ứng, nguyên liệu bị hóa nhiệt xúc tác, lúc hỗn hợp hới gồm nguyên liệu nước, lưu lượng thể tích chúng: Vhơi (min) = , với n tổng số mol nguyên liệu nước Vhơi (min) = = 8,7449 (m3/s) NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 82 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Thành phần mol phân đoạn sản phẩm: Bảng 4.3 Thành phần mol phân đoạn sản phẩm Sản phẩm Khí khô LPG Xăng LCO HCO H2O Tổng: Thành phần mol ( kmol/h) 654,7587 1075,1184 1894,8168 221,6800 124,6028 188,8890 4105,6906 Thể tích lớn riser là: Vhơi (max) = = = 32,4785 (m3/s) Vhơi TB = (Vhơi (min) + Vhơi (max) ) /2 = (8,7449 + 32,4785)/2= 20,6117 (m3/s) Tổng lượng riser: Ghơi = GNL + GH2O( nl) = 348300 + 3400 = 351700 (kg/h) Khối lượng riêng hơi: ρH = Ghơi / Vhơi TB = 351700/ (20,6117×3600) = 4,7397 (kg/m3) 4.2.4.3 Thơng số khối khí sau phản ứng Lưu lượng từ riser ra: Ghơi = 351700 (kg/h) Lượng nước từ stripper vào hai không gian: phần để loại hydrocacbon khỏi xúc tác sau hệ ROSS, lại để loại hydrocacbon khỏi xúc tác sau xúc tác rơi xuống từ dipleg Tuy nhiên lối thiết bị buồng tụ nối với đầu xyclon nên không gian ngồi cylone, khí áp suất đạt cân bằng, lượng hới nước từ stripper lên qua hệ thống ROSS GH2O (ROSS) = GH2O ( stripper) = 7350 (kg/h) Lưu lượng khối lượng xylone: Ghơi (xyclone) = Ghơi + GH2O (ROSS) = 351700 + 7350 = 359050 (kg/h) NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 83 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Khi tiếp xúc với nước có nhiệt độ thấp diễn trao đổi nhiệt, nhiệt độ toàn lượng bị giảm, từ 522oC xuống 480 oC Độ giảm áp sau khỏi ROSS khơng Tồn lượng nước dùng trì chế độ tầng sơi Nên lưu lượng thể tích vào xyclone là: Vhơi (xyclone) = (nhơi (xyclone))× R×T)/P Vhơi (xyclone) = = 33,4852 (m3/s) 4.2.5 Tính tốn lò phản ứng 4.2.5.1 Đường kính lò Đường kính lò phản ứng xác định theo cơng thức sau : D =1,128 × Trong : S : diện tích tiết diện ngang lò phản ứng , m2 S tính : S= Trong : V : Thể tích qua mặt cắt ngang lò phản ứng, m3/h Vận tốc cho phép tiết diện tự lò phản ứng , m/s Đối với thiết bị cracking xúc tác vận tốc trung bình tiết diện tự lò phản ứng 0,63 m/s Khi V xác định theo cơng thức : : Là lượng hỗn hợp lò phản ứng , kmol/h : Là nhiệt độ lò phản ứng , 0C : áp suất tuyệt đối bên lớp giả sơi lò phản ứng, ta lấy at = 130203,0291 (m3 /h) Tiết diện ngang lò phản ứng : NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 84 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN S = = = 57,4087 (m2) Đường kính lò phản ứng : Dlò = 1,128 × = 1,128 × = 8,5467 (m) Ta quy chuẩn đường kính lò Dlò = 9,0 m Tính lại: Với Dlò = 9,0 (m) Tiết diện ngang lò: S= (Dlò /1,128)2 = ()2 = 63,66 (m2) Thể tích qua mặt cắt ngang lò phản ứng: V= S× 3600×ω = 63,66× 3600× 0,63 = 144380,88(m3 /h) Nên ss= (144380,88-130203,0291) /144380,88 = 9,8 % ( thỏa mãn) 4.2.5.2 Chiều cao lò Chiều cao tồn lò phản ứng xác định theo công thức sau : Htl = H1 + H2 + H3 +H4 Trong : H1 : Chiều cao vùng tách, thường chọn H1 = m H2 : Chiều cao vùng đặt cyclon, phụ thuộc vào kích thước cyclon thường chọn H2 = m H3 : Chiều cao đỉnh lò phản ứng Do đỉnh lò phản ứng có dạng bán cầu nên ta thường lấy H3 = 0,5 × D = 0,5 × 9,0 = 4,5 m Ta có: H4 = H N + H T HN : Chiều cao phần hình nón vùng chuyển tiếp HT : Chiều cao phần hình trụ vùng chuyển tiếp Thường chọn HT = (m.) Cho đường kính vùng tách D = m góc tạo phần hình nón thiết bị 450, ta tính được: NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 85 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN D D1 HN = Vậy: = = 2,5 (m) H4 = HN + HT = 2,5 + = 7,5 (m) Như chiều cao lò phản ứng : H = H1 + H2 + H3 +H4 = + + 4,5 + 7,5 = 24 (m) 4.2.6 Tính tốn ống đứng Theo việc lựa chọn công nghệ RFCC xúc tác tái sinh cấp, ta chọn thời gian lưu nguyên liệu sản phẩm ống đứng : =2s Tốc độ nguyên liệu sản phẩm ta chọn giá trị v =15 m/s chiều dài ống đứng : Hống = .v = 2×15= 30 (m) Thể tích ống đứng : Vống = × Vhơi TB Vống = × 20,6117 = 41,2234 (m3) Mặt khác, ta có: Vống = π× (d2/4)× Hống 4.Vong d= H = = 1,3227 (m) Quy chuẩn đường kính ống đứng d= 1,4m 4.2.7 Tính tốn xyclon Ta đặt cyclon lò phản ứng nhằm mục đích thu hồi bụi xúc tác bị theo sản phẩm phản ứng Mức độ làm dao động khoảng 65 - 98% Trong trường hợp cần làm mức độ cao ta dùng cyclon hai hay ba bậc Trong đồ án ta giới hạn việc tính số lượng trở lực thuỷ lực cyclon NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 86 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Để tính tốn ta phải dựa vào tốc độ quy ước dòng sản phẩm tiết diện tự cyclon tốc độ quy ước xác định theo cơng thức : y = ,m/s [7] Trong : V : thể tích dòng sản phẩm , m3/s S : tiết diện chung cyclon, m2 Mức giảm áp suất cyclon xác định trở lực cục : p == sp = sp , N/m2 [7] Trong : : Là hệ số trở lực sp : Trọng lượng riêng sản phẩm, N/m3 g : Là gia tốc trọng trường , m/s2 sp : Tỷ trọng sản phẩm , Kg/m3 Ta chọn =65 ,m ta tính theo cơng thức : = ,m/s [7] Ta chọn loại cyclon theo [4,130] có : NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 87 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Đường kính ống D1 = 0,6 D1 Chiều rộng ống vào B =0,26 h'1 Chiều cao ống vào h1’ =0,66 h'2 Chiều cao ống :h2’ =1,74 h'3 Chiều cao phần hình trụ : h3’ = 2,26 D h4’ = 2,00 Chiều cao phần hình nón: Chiều cao chung cyclon: H =4,56 h'4 Đường kính đáy hình nón : d =0,25 Hệ số trở lực thuỷ lực d : = 105 Thay gía trị vào ta tính được:= = 3,485 (m/s) Tiết diện chung cyclon : S = V/ = 33,4852 / 3,485 = 9,6084 (m2) Nếu ta dùng cyclon có D = 1,2 m tiết diện cyclon s = π × D2 /4 = π × 1,22 /4 = 1,1310 (m2) Số cyclon cần dùng : n = = = 8, 4956 Quy chuẩn số xyclone xyclone KẾT LUẬN NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 88 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Với tình hình nguồn dầu mỏ ngày cạn kiệt, trình cracking xúc tác phần cặn khí ngày trọng ngành cơng nghiệp chế biến dầu mỏ ngày Nó ngày giải đáp ứng kịp thời nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu thị trường mặt số lượng chất lượng Sau thời gian học kỳ nghiên cứu tìm hiểu cơng nghệ cracking xúc tác cặn dầu, em hoàn thành đồ án kỹ sư mang đề tài : “ Thiết kế phân xưởng cracking xúc tác cặn dầu mỏ” với công suất 60.000 thùng/ ngày Nội dung đồ án bao gồm phần sau: Mục đích phân xưởng; chất, chế cracking xúc tác cặn dầu Các công nghệ giới Lựa chọn cơng nghệ tính tốn cân băng lượng, vật chất Tính tốn thiết kế thiết bị phản ứng Trong trình làm đồ án này, em ln nỗ lực tìm hiểu kiến thức để đưa vào đồ án cho đồ án thiết kế phân xưởng hồn thiện Tuy nhiên vấn đề thời gian có hạn phân xưởng RFCC phân xưởng khó nên chắn đồ án thiếu xót Vì em mong bảo em nhiều hơn! Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Hồng Liên hướng dẫn, bảo em tận tình, cung cấp cho em kiến thức bổ ích để em hoàn thiện đồ án này! Em xin chân thành cảm ơn! Bách Khoa! Một tình yêu, tương lai! Bách Khoa, ngày tháng năm 2019 Sinh viên Nguyễn Cơng Minh TÀI LIỆU THAM KHẢO NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 89 ĐỒ ÁN KỸ SƯ PGS TS NGUYỄN HỒNG LIÊN Nguyễn Hữu Phú, Cracking xúc tác, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2005 Lê Văn Hiếu, Công nghệ chế biến dầu mỏ, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 Dung Quat Refinery, Operating Manual – Residue Fluidised Catalytic Cracking Unit, 2008 Đào Văn Tường, Động học xúc tác, nhà xuất khoa học kỹ thuât, 2006 Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng, Hóa học dầu mỏ khí, nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2010 Mai Xuân Kỳ, Thiết bị phản ứng cơng nghệ hóa học, Tập 2, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2006 Nguyễn Hữu Tùng, Kỹ thuật tách hỗn hợp (Tập 2) - Tính tốn thiết kế, Nhà xuất Bách khoa, Hà Nôi, 2008 Robert A Meyers, Handbook Of Petroleum Refining Processes, Third Edition McGraw – Hill Reza Sadeghbeigi, Fuild Catalytic Cracking Handbook, Thirt Editions An Expert Guide to the Practial Operation Design And Optimization of FCC Units, 2012 10 Reza Sadeghbeigi, Fuild Catalytic Cracking Handbook Second Edition, Desig, Operation and Troubleshooting of FCC Facilities 2000 11 Robert H Perry, Perry’s Chemical Engineers Handbooks, th Edition, McGraw – Hill,1997 12 Gillbert F Froment, Kenneth B Bishchoff, Chemical Reactor Analysis and Design, John Wiley and Sons,1990 NGUYỄN ĐÌNH HẢI- 20132930 T r a n g | 90 ... chứa Thêm vào đó, phân xưởng xử lý khí RFCC xử lý dòng cơng nghệ: Off-gas tháp stabilizer phân xưởng CDU Dòng LPG từ phân xưởng CDU Phân xưởng RFCC xử lý dòng off-gas từ phân xưởng xử lý xăng... thành sản phẩm nhẹ vô cần thiết Hiểu tính cáp thiết quan trọng phân xưởng RFCC nghành cơng nghiệp lọc dầu Vì vậy, em xin tìm hiểu thực đồ án mang tên: “ Thiết kế phân xưởng cracking cặn dầu mỏ”... LIÊN Hình 1.1: Sơ đồ phân xưởng RFCC [1] 1.2 Nguyên liệu 1.2.1 Nguồn nguyên liệu Phân xưởng thiết kế để xử lý 100% nguyên liệu nóng trực tiếp từ phân xưởng chưng cất khí đồng thời có khả xử lý