Ngày nay, quá trình reforming xúc tác được sử dụng rất phổ biến cho ngành tổng hợp hoá dầu và các ngành công nghiệp khác. Mục đích chính của quá trình là biến đổi các hydrocacbon có trong phân đoạn xăng thành những hydrocacbon thơm là họ có trị số octan cao nhất. Quá trình này cho phép sản xuất ra các cấu tử cao octan cho xăng đạt tới 98÷100. Ngoài việc sản xuất ra xăng có trị số octan cao thì quá trình reforming xúc tác còn sản xuất ra nguồn nguyên liệu BTX rất quan trọng cho công nghiệp hoá dầu. Bên cạnh đó còn sản xuất ra nhiều khí hydro. Đây là nguồn khí hydro được sử dụng làm nguyên liệu sạch và rẻ tiền phục vụ cho các quá trình chế biến dầu mỏ và tổng hợp hữu cơ Có thể nói quá trình reforming ra đời là một bước ngoặc lớn trong công nghệ chế biến dầu. Việc tìm hiểu và tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng thiết bị phản ứng reforming là cơ sở để thiết kế chế tạo thiết bị xây dựng dây chuyền công nghệ trong tương lai. Trong bài này sẽ tính toán cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng thứ 2 của Reforming xúc tác có năng suất 2 triệu tấnnăm, nguyên liệu lấy từ dầu thô Bạch hổ Việt Nam.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HÓA HỌC ****OoO**** BÀI TẬP LỚN HỌC PHẦN: CHẾ BIẾN DẦU Đề tài 22: Tính cân vật chất cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ Reforming xúc tác có suất triệu tấn/năm, nguyên liệu lấy từ dầu thô Bạch Hổ Việt Nam Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện: MSSV: PGS TS Lê Văn Hiếu Nguyễn Ngọc Khang 20142261 Hà Nội, 05/2018 BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU MỤC LỤC PHẦN 1: SVTH: Nguyễn Ngọc Khang – 2014226 Trang BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU MỞ ĐẦU Ngày nay, trình reforming xúc tác sử dụng phổ biến cho ngành tổng hợp hoá dầu ngành cơng nghiệp khác Mục đích q trình biến đổi hydrocacbon có phân đoạn xăng thành hydrocacbon thơm họ có trị số octan cao Quá trình cho phép sản xuất cấu tử cao octan cho xăng đạt tới 98÷100 Ngồi việc sản xuất xăng có trị số octan cao q trình reforming xúc tác cịn sản xuất nguồn nguyên liệu BTX quan trọng cho công nghiệp hố dầu Bên cạnh cịn sản xuất nhiều khí hydro Đây nguồn khí hydro sử dụng làm nguyên liệu rẻ tiền phục vụ cho trình chế biến dầu mỏ tổng hợp hữu Có thể nói q trình reforming đời bước ngoặc lớn công nghệ chế biến dầu Việc tìm hiểu tính tốn cân vật chất cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng reforming sở để thiết kế chế tạo thiết bị xây dựng dây chuyền công nghệ tương lai Trong tính tốn cân vật chất cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng thứ Reforming xúc tác có suất triệu tấn/năm, nguyên liệu lấy từ dầu thô Bạch hổ Việt Nam SVTH: Nguyễn Ngọc Khang – 2014226 Trang BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU CÁC SỐ LIỆU BAN ĐẦU 1.1 Sơ đồ công nghệ Lựa chọn sơ đồ công nghệ gồm thiết bị phản ứng phản ứng nối tiếp riêng lẻ Tái sinh xúc tác cố định Hình 1.1 Sơ đồ cơng nghê lựa chọn để tính tốn 1.2 Đặc tính nguyên liệu Dầu khai thác mỏ Bạch Hổ dầu nhiều paraffin Hàm lượng paraffin thay đổi theo phạm vi rộng từ 13 – 27% [1] Nguyên liệu sử dụng cho trình reforming xúc tác phân đoạn xăng chưng cất trực tiếp dầu thơ Bạch Hổ tầng đáy Bảng 1.1 Đặc tính nguyên liệu sử dụng Khối lượng riêng [2] Thành phần cất [3] ρ27293 0,8519 60oC 355oC Hàm lượng (%klg) [2] Paraffin Naphten Aromatic 62,61 26.00 11.39 438oC 1.3 Điều kiện cơng nghệ q trình reforming xúc tác Năng suất thiết kế: 2.000.000 tấn/năm Giả thiết điều kiện phản ứng: - Nhiệt độ phản ứng: 470oC - 530 oC SVTH: Nguyễn Ngọc Khang – 2014226 Trang BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU - GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU Tốc độ thể tích: 1,5 h-1 Áp suất: 40 at = 3922722,37 Pa Phân bố lượng xúc tác thiết bị phản ứng phản ứng là:1,5: :6,5 1.4 Các phản ứng trình reforming Trong trình reforming xúc tác thường xảy phản ứng sau: - Phản ứng dehydro hóa naphten thành Hydrocacbon thơm: CnH2n ↔ CnH2n-6 + 3H2 (1) - Phản ứng chuyển hóa hydrocacbon naphten thành parafin: CnH2n + H2 ↔ CnH2n+2 (2) - Phản ứng hydro cracking naphten CnH2n + H2 ↔ (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12) (3) - Phản ứng hydro cracking paraffin CnH2n + H2 ↔ (CH4 + C2H6 + C3H8 + C4H10 + C5H12) (4) - Ta mơ ta giảm hàm lượng hydrocacbon chuyển hóa hố học phản ứng phương trình vi phân sau: (5) (6) (7) (8) Trong đó: PP, PA, PN, PH2: Lần lượt áp suất paraffin, thơm, naphten, hydro (Pa) P: Áp suất chung hệ (Pa) NN, NP: phần mol hydrocacbon naphten paraffin nguyên liệu bị chuyển hóa (kmol/kmol) VR: đại lượng nghịch đảo tốc độ nạp liệu theo mol (kg xúc tác/h.nguyên liệu) K1, K2, K3, K4 số tốc độ phản ứng (1), (2), (3), (4) xác định đồ thị (kg xúc tác/h.Pa.nguyên liệu) Kp1, KP2: số tốc độ phản ứng (1), (2) xác định theo phương trình: KP1 = 9,813 1012.e46,15 - 25600/T (9) KP2 = 98,1-1.10-3.e(4450/T) - 7,12 (10) Để tính tốn đầy đủ thiết bị phản ứng phản ứng vấn đề không đơn giản tốn nhiều thời gian Do xét đến hai phản ứng (1) (2) SVTH: Nguyễn Ngọc Khang – 2014226 Trang BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU 1.5 Tính tốn thành phần hỗn hợp - Khối lượng trung bình nguyên liệu: Me = 0,4 - 45 Trong đó: nhiệt độ sơi 50% thể tích nguyên liệu Vậy ta tính được: Me = 0,4 x 395 - 45 = 113 Dựa vào thành phần nguyên liệu ta có: (14n +2) x 0,6261 + 14n x 0,26 + (14n – 6) x 0,1139 = 113 Từ tính được: n= 8,0308 khối lượng phân tử trung bình hydrocacbon Bảng 1.2 Thành phần ngun liệu Hydrocacbon Cơng thức hóa học Cơng thức khối lượng Khối lượng phân tử Parafin (P) CnH2n +2 Mp = 14n + 114,431 Naphaten (N) CnH2n MN = 14n 112,431 Aromatic (A) CnH2n – MA = 14n - 108,431 - Thành phần hỗn hợp tính theo cơng thức: Me.yi = Mi.yi’ Trong đó: Me: khối lượng phân tử trung bình nguyên liệu Mi: khối lượng phân tử trung bình hydrocacbon nguyên liệu yi, yi’ phần khối lượng phần mol cấu tử i nguyên liệu Bảng 1.3 Thành phần nguyên liệu Cấu tử Khối lượng phân tử Cn H2n + 114,431 Cn H2n 112,431 Cn H2n – 108,431 Tổng 1.6 Tính lưu lượng vào thiết bị Hàm lượng nguyên liệu yi phần khối lượng yi' =yi Me/Mi 0,6261 0,618 0,26 0,261 0,1139 0,121 1,000 1,000 Gc = Trong đó: L: suất năm, L = 2.000.000 tấn/năm Trong thời gian hoạt động năm 8000h (thời gian lại để sửa chữa bảo dưỡng thiết bị) Vậy ta tính lượng nguyên liệu vào thiết bị là: Gc = = 250000 (kg/h) NC = Gc/Me = 250000/113 = 2212,39 (kmol/h) SVTH: Nguyễn Ngọc Khang – 2014226 Trang BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU Vậy ta có bảng sau: Bảng 1.4 Thành phần cấu tử nguyên liệu Cấu tử y’i (phần mol) P (CnH2n + 2) 0,618 N (CnH2n) 0,261 A (CnH2n – 6) 0,121 Tổng 1,000 1.7 Tính lượng tuần hồn cần thiết - Ni = NC y’i (kmol/h) 1367.26 577,43 267.70 2212,39 Gi = GC y’i (kg/h) 154500 65250 30250 250000 Lưu lượng thể tích nguyên liệu tính theo cơng thức sau: Gr = (Gc/Pc).Ni Trong đó: Gc suất thiết bị, (kg/h) Pc tỷ trọng nguyên liệu Pc=733(kg/m3) Ni tỷ lệ H2/RH, (m3/m3) = 1500 - Vậy lưu lượng thể tích nguyên liệu : Gr = (250000/733).1500 = 511596,18 (kg) - Năng suất khí tuần hồn tính: N'r = Gr/22,4 = 511596,18/22,4 = 22839,12 (kmol/h) Ta giả thiết thành phần khí tuần hồn bảng sau Bảng 1.5 Thành phần khí tuần hoàn Cấu tử H2 CH4 C2H6 C3H8 C4H10 % mol 86 Từ xác định thành phần cấu tử khí tuần hồn C5H12 Bảng 1.6 Thành phần cấu tử khí tuần hoàn Cấu tử Khối lượng phân tử Mi Y’i H2 0,86 CH4 16 0,04 C2H6 30 0,05 C3H8 44 0,03 C4H10 58 0,01 C5H12 72 0,01 Tổng 1,00 - Lượng hydrocacbon khí tuần hồn Mi.Y’i 1,72 0,64 1,50 1,32 0,58 0,72 6,48 P* = 22839.12 - 19641.64= 3197,48 (kmol/h) SVTH: Nguyễn Ngọc Khang – 2014226 Trang Mri =N’r Y’i 19641.64 913.56 1141.96 685.17 228.39 228.39 22839.12 BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU - Tính tốn lượng xúc tác cho q trình Thể tích xúc tác: Vxt = Gc / ρc V0 (m3) Trong đó: V0 tốc độ thể tích = 1,5h-1 ρC: Khối lượng riêng nguyên liệu thể lỏng; ρC = 733 (kg/m3) Vxt = (m3) - Lượng xúc tác: mxt = Vxt x ρxt Trong đó: ρxt: khối lượng riêng xúc tác; ρxt = 550 ÷ 650 (kg/m3) Chọn ρxt = 600 (kg/m3) Vậy mxt = 600 = 136425,654 (kg) 1.8 Tính tốn phân bố áp suất cấu tử hỗn hợp ngun liệu thành phần khí tuần hồn Pi = P.y’i Trong đó: Pi: áp suất riêng phần cấu tử i (Pa) P: áp suất chung thiết bị phản ứng phản ứng (Pa) y’i: nồng độ phần mol cấu tử i hỗn hợp Chọn P = 40 at =3922722,37(Pa) Bảng 1.7 Thành phần áp suất Cấu tử Paraffin Ni (kmol/h) 1367,26 Y'i = Ni/Σ Ni 0,0546 Pi= 3922722,37 Y'i (Pa) 214094,14 Napthen 577,43 0,0230 90417,61 Aromatic 267,70 0,0107 41918,14 H2 P* 19641,64 3197,48 0,7841 0,1276 3075611,04 500681,45 Tổng 25051,51 1,0000 3922722.37 Phân bố xúc tác thiết bị phản ứng phản ứng theo tỷ lệ sau: 1,5 : : 6,5 Bảng 1.8 Sự phân bố xúc tác thiết bị phản ứng phản ứng Thiết bị phản ứng phản ứng Tổng VXT (m3) 34,11 45,48 147,80 SVTH: Nguyễn Ngọc Khang – 2014226 Trang MXT = VXT x 600 (kg) 20463,85 27285,13 88676.67 136425,65 BÀI TẬP CHẾ BIẾN DẦU GVHD: PGS TS LÊ VĂN HIẾU PHẦN 2: TÍNH TỐN THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THỨ NHẤT 1.9 Tính cân vật chất 1.9.1 Q trình chuyển hóa napthen thành aromatic - Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành aromatic Tr1 = 8030K → 1000/ Tr1 = 1000/803 = 1,245 (oK-1) Tra phụ lục [4] ta K1 = 3,145.10-7 (kmol/h.kg xúc tác.Pa3) - Phương trình tính số cân phản ứng: KP1 = 9,813.1012.e46,15 - 25600/T = 9,813.1012.e46,15 - 25600/803 = 14,866.1020 (Pa3) - Độ giảm tương đối hàm lượng naphten phản ứng thơm hoá: → NN1 = - 0.0282 VR1 Mà VR1 = mxt1/NC mxt1: Lượng xúc tác vào thiết bị mxt1 = 20463,85kg VR1: Tỷ lệ xúc tác nguyên liệu VR1 = 20463,85/2212,39 = 9,25(kg/kmol) NN11 = 0,0282.9.25 = 0.2608 (kmol/h) - Lượng naphten sau phản ứng là: NN1s = (NN1 – N11).ncl = (0,261 - 0,2608) 2212,39 = 0.4425 (kmol/h) - Lượng naphten tham gia phản ứng (1) là: 0,2608 2212,39 = 576,99 (kmol/h) 1.9.2 Q trình chuyển hóa paraffin thành napthen - Hằng số tốc độ phản ứng chuyển hoá naphten thành parafin (2) Tr2 = 8030K → 1000/Tr2 = 1000/803 = 1,245 Tra đồ thị phụ lục [4] ta K2 = (kmol/h.kg xúc tác.Pa2) KP2 = 98,1-1.10-3.= 98,1-1.10-3 = 0,0021.10-3 [Pa2] Do KP2