Thiết kế phân xưởng isome hóa

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG MỞ ĐẦU Dầu mỏ nguồn lượng quan trọng hầu hết quốc gia giới với hàng loạt trình chế biến khác nhằm nâng cao hiệu sử dụng dầu mỏ lên nhiều lần Trữ lượng dầu mỏ ngày trở nên khan Trong số sản phẩm lượng dầu mỏ, trước hết phải kể đến xăng – loại nhiên liệu có vai trị vơ quan trọng đời sống Cùng với phát triểu cơng nghệ dầu khí, nhu cầu xăng có chất lượng cao, gây độc hại cho mơi trường ngày tăng Trong công nghệ chế biến dầu dùng trình reforming trình cracking xúc tác để sản xuất xăng có trị số octan cao Trong đó, phần C5 C6 q trình hóa dầu ngày có số lượng lớn mà lại đạt trị số octan cao áp dụng trình Trước đây, phân đoạn dùng để pha vào xăng với mục đích đạt đủ áp suất xăng thành phần cất, trị số octan phần khơng đủ cao đa số cấu tử parafin mạch thẳng Vì q trình isome hóa đời giúp biến đổi hydrocacbon mạch thẳng sang cấu trúc mạch nhánh, từ n-C5 , n-C6 thành iso-parafin C5, C6 - cấu tử có trị số octan cao, pha vào xăng nâng cao chất lượng xăng Chính tầm quan trọng này, nhiều cơng ty lớn giới trú trọng, nghiên cứu phát triển trình này: BP, Shell, UOP… Với đề tài “Thiết kế phân xưởng isome hóa” em hiểu rõ q trình isome hóa vai trị q trình cơng nghiệp lọc hóa dầu Đồng thời, có nhìn tổng qt hoạt động phân xưởng isome hóa thực tế MỞ ĐẦU NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 CƠ SỞ HĨA HỌC CỦA Q TRÌNH ISOME HĨA 1.1.1 Giới thiệu trình isome hóa 1.1.2 Các phản ứng xảy q trình isome hóa 1.1.2.1 Phản ứng isome hóa (đồng phân hóa) 1.1.2.2 Phản ứng cracking SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG 1.1.2.3 Phản ứng đóng vịng tạo hydrocacbon thơm .6 1.2 CƠ CHẾ VÀ ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG 1.2.1 Đặc trưng nhiệt động lực học .7 1.2.2 Cơ chế phản ứng isome hóa .7 1.2.2.1 Isome hóa n-parafin 1.2.2.2 Isome hóa hydrocacbon thơm 12 1.3 XÚC TÁC QUÁ TRÌNH 15 1.3.1 Xúc tác pha lỏng 16 1.3.1.1 Xúc tác axit rắn 16 1.3.1.2 Xúc tác lưỡng chức 16 1.3.2 Nguyên nhân gây hoạt tính xúc tác 18 1.3.2.1 Ngộ độc tạp chất .19 1.3.2.2 Giảm hoạt tính ngưng tụ cốc .19 1.3.2.3 Giảm hoạt tính thiêu kết 20 1.3.3 Tái sinh xúc tác .20 1.3.3.1 Phương pháp oxy hóa 20 1.3.3.2 Tái sinh phương pháp khử .20 1.3.3.3 Tái sinh phương pháp oxyclo hóa 20 1.4 NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM .21 1.4.1 Ngun liệu q trình isome hóa 21 1.4.2 Sản phẩm trình isome hóa .23 1.5 ĐẶC TRƯNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA XĂNG ISOME HÓA 24 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ .27 2.1 CÁC LOẠI CƠNG NGHỆ ISOME HĨA 27 2.1.1 Các trình pha lỏng với xúc tác AlCl3 27 2.1.1.1 Quá trình Isomate (Standard Oil Co.Indiana) 27 2.1.1.2 Quá trình isomate (Standard Oil Co.Indiana) 28 SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG 2.1.1.3 Quá trình Shell Devlopment Co 29 2.1.1.4 Quá trình hãng Esso Research & Engineering Co 31 2.1.1.5 Công nghệ Kolleg & Root .32 2.1.2 Q trình isome hóa pha 33 2.1.2.1 Cơng nghệ isome hố IFP .34 2.1.2.2 Cơng nghệ isome hố Shell (UCC Shell Hysomer) 35 2.1.2.3 Cơng nghệ isome hóa BP 37 2.1.2.4 Công nghệ butamer UOP 38 2.1.2.5 Công nghệ TIP UOP (Total isomerization process) 40 2.1.2.6 Công nghệ Penex UOP 42 2.2 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ LOẠI XÚC TÁC 44 CHƯƠNG 3: TÍNH TỐN 48 3.1 Tính tốn chung 49 3.1.1 Các phản ứng thiết bị phản ứng 49 3.1.2 Thông số nguyên liệu .51 3.1.3 Lượng khí tuần hồn cần thiết 54 3.1.4 Lượng xúc tác cho trình 54 3.1.5 Thành phần áp suất riêng phần 55 3.2 Tính tốn lị thứ 56 3.2.1 Tính cân vật chất lò thứ 56 3.2.2 Tính cân nhiệt lượng lò thứ 60 3.2.3 Tính tốn thiết bị lị 63 3.3 Tính tốn lị thứ hai 64 3.3.1 Tính cân vật chất lị thứ .64 3.3.2 Tính cân nhiệt lượng lò thứ .71 3.3.3 Tính thiết bị lị 74 KẾT LUẬN 75 SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Isome hóa q trình nhằm biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh nhằm nâng cao trị số octan xăng Mặt khác phương pháp để tạo cấu tử cao octan pha vào xăng nhằm nâng cao chất Đặc biệt, phản ứng có ý nghĩa quan trọng lọc dầu isome hóa n-butan thành iso-buten, cấu từ ban đầu tổng hợp MTBE làm phụ gia nâng cao trị số octan xăng Ngồi ra, isome hóa cịn bao gồm phản ứng biến đổi vị trí nhóm vịng benzen 1.1 CƠ SỞ HĨA HỌC CỦA Q TRÌNH ISOME HĨA 1.1.1 Giới thiệu q trình isome hóa Q trình isome hóa hay đồng phân hóa q trình nhằm biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh Quá trình thường áp dụng để nâng cao trị số octan xăng Mặt khác, phương pháp để tạo cấu tử cao octan pha vào xăng nhằm nâng cao chất lượng xăng SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH 1.1.2 GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Các phản ứng xảy q trình isome hóa 1.1.2.1 Phản ứng isome hóa (đồng phân hóa) Đây phản ứng q trình Phản ứng làm biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành mạch nhánh Người ta chia phản ứng isome hóa thành loại: + phản ứng isome hóa n-parafin Q trình isome hóa n-parafin thành iso-parafin iso-olefin Vd: Phản ứng biến đổi n-butan thành iso-butan iso-buten: + Phản ứng isome hóa alkyl thơm Một số q trình isome hóa khác có ứng dụng hóa dầu isome hóa hydrocacbon thơm, chủ yếu m-xylen tạo p-, o-xylen sản phẩm có giá trị lọc hóa dầu  Phản ứng đồng phân hóa:  Phản ứng phân bố lại: 1.1.2.2 Phản ứng cracking SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Phản ứng cracking phản ứng bẻ gãy mạch cacbon Tốc độ phản ứng cracking tăng theo kích thước phân tử hydrocacbon, độ axit nhiệt độ Một sản phẩm cracking isome hóa tạo nên iso-parafin có trọng lượng phân tử bé 1.1.2.3 Phản ứng đóng vịng tạo hydrocacbon thơm Đây phản ứng không mong muốn Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào xúc tác nhiệt độ Các phản ứng đóng vịng dẫn đến tạo nhựa, cốc, gây ngộ độc xúc tác 1.2 CƠ CHẾ VÀ ĐỘNG HỌC CỦA PHẢN ỨNG 1.2.1 Đặc trưng nhiệt động lực học Các phản ứng isome hóa n-pentan n-hexan phản ứng tỏa nhiệt nhẹ Bảng 1.1 cho thấy nhiệt phản ứng để tạo thành isome từ cấu tử riêng Bảng 1.3.1.1.8.1: Nhiệt phản ứng tạo thành số sản phẩm isome hóa [1] Cấu tử Iso pentan 2,2-dimetyl propan Iso hexan 3-metyl pentan 2,2-dimetyl butan 2,3-dimetyl butan H298, kcal/mol -1,92 -4.67 -1.70 -1.08 -4.39 -2.53 Bảng cho ta thấy phản ứng isome hóa tỏa nhiệt nhẹ nên mặt nhiệt động học, phản ứng không thuận lợi tăng nhiệt độ Mặt khác, phản ứng isome hóa n-parafin phản ứng thuận nghịch khơng có tăng thể tích, cân phản ứng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ phản ứng 1.2.2 Cơ chế phản ứng isome hóa Các q trình chế biến dầu thực pha lỏng pha Quá trình thực pha lỏng với xúc tác Friedel – Crafts (AlCl 3) nhiệt độ 80 ÷ 100oC phổ biến Quá trình thực pha trình phổ biến với xúc tác oxyt, axit rắn xúc tác lưỡng chức nhiệt độ cao, ta xét chế trình 1.1.2.1 Isome hóa n-parafin SVTH: ĐỒN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Q trình isome hóa bao gồm n-parafin thành iso-parafin n-parafin thành isoolefin Ví dụ 1: Phản ứng biến đổi n-butan thành iso-butan iso-buten xảy theo hai cách sau: Cách 1: CH3-CH2-CH2-CH3 + M A(H ) -H -H2 + A(H ) + CH3 C H-CH2-CH3 CH3-CH=CH-CH3 + A(H ) -H2 CH2 CH3-CH=CH-CH3 + C3H-CH-C H2 + H CH3-CH CH CH3-CH-CH3 CH3 M,+H2 -H + CH3-C -CH3 + CH3 CH3 + A(H ) -H2 CH3-C=CH2 CH3 Cơ chế xyclopropan giải thích tạo thành iso-parafin iso-alken Theo chế trên, xyclopropan mở vòng tạo thành C+ bậc 1, tốc độ tạo thành C+ bậc nhỏ, sau chuyển thành C+ bậc 3với tốc độ lớn: SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG CH2 + H CH3-CH CH CH3-CH-CH2 I CH3 + + CH3-C -CH3 I CH3 M CH3-CH-CH3 I CH3 +H2 + H2 Ngồi cách phản ứng cịn xảy phản ứng tạo dime (cơ chế lưỡng phân tử): + C-C-C -C + + C-C-C-C 2C4 C-C-C-C-C -C-C I C + C-C -C I C Trong hai chế trên, chế lưỡng phân tử dễ xảy Tuy nhiên sản phẩm trung gian chế (dime) có kích thước lớn Nếu chất xúc tác có lỗ xốp nhỏ kích thước dime phản ứng không xảy Do muốn tăng độ chọn lọc, phải chọn xúc tác có kích thước phù hợp Xúc tác thường dùng công nghiệp zeolit Feriorit (có d=5 Ǻ, độ axit tương đương độ axit ZSM-5) Iso-butan cấu tử quan trọng từ đó, cách dehydro hóa thu iso-buten, nguyên liệu để sản xuất MTBE Sơ đồ phản ứng sau: n-butan izo-butan izo-buten -H2 CH3OH + MTBE H Phản ứng xảy xúc tác axit rắn, điển hình zeolit Ví dụ bảng I.2 cho biết, với xúc tác zeolit mordenit, độ chọn lọc iso-butan đạt tới 74% Bảng 3.3.2.1.1.1: Isome hóa n-butan mordenit 250oC 1at Thời gian dịng SVTH: ĐỒN THỊ THƯƠNG 20 25 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG (phút) Độ chuyển hóa (%) Độ chọn lọc (%) Iso-butan C3 C5 60 22 15 49 35 16 65 22 13 74 21 Nhiều nhà nghiên cứu rằng, oxyt zirconi sunfat hóa isome hóa butan thành iso-butan nhiệt độ 100 ÷ 150oC (bảng 1.3) Bảng 2.3.1.1.8.1: Isome hóa n-butan xúc tác SO42-/ZnO2 dòng nitơ Nhiệt độ phản ứng (oC) Hiệu suất (%) Thời gian dòng (phút) 20 35 50 150 25 Iso-C4 C3 C5 Iso-C4 C3 C5 24.7 17.9 15.5 14.4 7.5 0.7 0.6 0.5 0 36.5 23.9 19.6 16.8 8.6 2.2 1.4 1.1 4.2 1.2 1.4 0.7 Khi thêm Fe Mn vào oxyt zỉconi làm tăng đáng kể hoạt tính xúc tác, không cải thiện thời gian làm việc xúc tác Ngược lại, thêm Pt làm tăng độ chọn lọc thành iso-butan thời gian làm việc xúc tác (bảng I.4) Bảng 2.3.1.1.8.2: Isome hóa n-butan xúc tác Pt/SO42-/ZrO2 dòng hydro C4H2 Mẫu (g.h/mol) 2- Pt/SO4 /Zr O2 5/1 1/1 1/3 X 33 32 33 Thời gian phản ứng (phút) 35 65 Si X Si X Si 88 25 91 24 92 91 31 95 33 95 100 37 100 37 100 Trong đó: X: Độ chuyển hóa S: Độ chọn lọc Ví dụ 2: SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Isome hóa: n-hexan  iso-hexan Cơ chế phản ứng sau: Giai đoạn tạo olefin, tiến cho trình tâm kim loại xúc tác Pt Sau tiếp đến giai đoạn q trình đồng phân hóa, xảy tâm axit Lewis: CH3-CH2-CH2-CH2-CH 2-CH3 + CH3-C H-CH2-CH2-CH2-CH3 M -H2 A A CH3-CH=CH-CH2-CH2-CH3 + +H A CH3-CH CH-CH 2-CH3 + H CH2 CH3-CH-CH2-CH2-CH3 I + CH2 A + CH3-C -CH2-CH2-CH3 I CH3 M, +H2 -H + CH3-CH-CH2-CH2-CH3 I CH3 Tóm lại, xúc tác cho isome hóa tương tự xúc tác cho reforming, xúc tác hai chức năng, isome hóa thường xảy qua hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Tách hydro (lúc vai trò xúc tác tâm kim loại M) Giai đoạn 2: Đồng phân hóa (vai trị xúc tác tâm axit A) 1.2.2.2 Isome hóa hydrocacbon thơm Một số q trình isome hóa khác có ứng dụng hóa dầu isome hóa hydrocacbon thơm, chủ yếu m-xilen tạo p-, o-xylen sản phẩm có giá trị cho tổng hợp hóa dầu Để isome hóa alkyl benzen, vai trị axit rắn quan trọng, ta xét thông số sau: Kích thước động học phân tử: o-, m-xylen: p-xylen: benzen: toluen: SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 6.3 Ǻ 5.7 Ǻ 6Ǻ 5.7 Ǻ 10 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG 22.529 CnH2n-6 + 22.529×3 H2 22.529 nH2n Bảng 3.9: Cân hóa học lị thứ Cấu tử A Dòng vào (kmol/h) 22.529 Dòng (kmol/h) 22.529 – 22.529 = N 59.566 59.566 + 1.065 + 22.529 = 83.16 P 1097.428 1097.428 – 1.065 = 1096.363 ∑ 1179.523 1179.523 Bảng 3.10: Cân vật chất lò thứ Cấu tử Ni, kmol/h Mi Gi = Mi.Ni, kg/h PC5 22.529 59.566 610.757 yi, kmol/kmol Đầu vào 0.0038 0.0101 0.1036 A N 78 84 72 1757.262 5003.544 43974.504 PC6 486.671 0.0825 86 41853.706 H2 ∑ 4718.092 5897.615 9436.184 102025.2 A N PC5 0.00 83.16 561.776 0.8000 1.0000 Đầu 0.0143 0.0963 78 84 72 6965.440 40247.872 PC6 534.587 0.0917 86 45574.482 H2 ∑ 4651.57 5831.093 0.7977 1.0000 9303.140 102090.934 3.2.2 Tính cân nhiệt lượng lò thứ Cân nhiệt lượng thiết bị phản ứng số + Phương trình cân nhiệt: Q + Q2 Q3 + Q4 Trong đó, - Q1: Nhiệt lượng mang vào nguyên liệu khí tuần hồn 200 , kJ/h SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 53 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG - Q2: Nhiệt phản ứng, kJ/h - Q3: Nhiệt lượng mang khỏi lò phản ứng sản phẩm phản ứng khí tuần hồn, kJ/h - Q4: Nhiệt lượng mát môi trường xung quanh, kJ/h + Lượng nhiệt tính theo cơng thức: Qi ni Ci ti (kJ/h) Trong đó, - nCi : Lưu lượng cấu tử i, kmol/h - Ci : Nhiệt dung riêng cấu tử i, J/mol.độ - ti : Nhiệt độ cấu tử i, + Nhiệt dung hỗn hợp: Cc = ∑ni Ci (kJ/h.độ) Các giá trị nhiệt dung cấu tử bảng (Bảng III.8) lấy từ thư viện thông số nhiệt động áp suất MPa phần mềm Hysys 7.3, hệ nhiệt động Peng-Robinson Bảng 3.11: Nhiệt dung riêng, nhiệt dung nhiên liệu đầu hydro tuần hoàn 480oC Cấu tử yi, kmol/kmol ni, kmol/h CP, kJ/kmol.độ Ci.ni, kJ/h.độ Iso-pentan 0.2175 256.546 229.1 58774.6886 n-pentan 0.3003 354.211 253.0 89615.3830 2,2-dimetyl 0.0037 4.364 279.6 1220.1744 2,3-dimetyl 0.0206 24.298 273.1 6635.7838 Metylpentan 0.1989 234.607 319.5 74956.9365 n-hexan 0.1894 223.402 307.1 68606.7542 Metyl xyclopentan 0.0389 33.292 252.6 11590.0458 Xyclohexan 0.0116 9.928 240.9 296.2347 Benzen 0.0191 22.529 190.4 4289.5216 H2 - 4718.092 28.94 136541.5825 ∑ 1.0000 5897.615 455527.1051 Bảng 3.12: Giá trị hiệu ứng nhiệt phản ứng [5] Phản ứng SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG Q, kcal/mol 54 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG 2 27 50 20 11  Tính Q1 Lượng nhiệt mang vào ngun liệu khí tuần hồn 480 : Q1 Qng.liệu + QH Trong đó, Qng.liệu ∑ni.Ci.t1 QH nH.CH.tH Q1 455527.1051×480 218653010.4 (kJ/h)  Tính Q2 Lượng nhiệt sinh trình phản ứng Ở thiết bị phản ứng thứ xảy phản ứng (3) phản ứng (4) Q2 n3.Qpư3 + n4.Qpư4 với n độ giảm số mol phản ứng, tính theo Độ giảm số mol lượng hydro tham gia phản ứng Ta có: Q3 27×4.1868 113.0436 (kJ/mol); Q4 50×4.1868 209.3400 (kJ/mol); n3 nH2(3) 1.065 (kmol/h); n4 nH2(4) 67.587 (kmol/h) Q2 = (1.065×113.0436 + 67.587×209.340) × 1000 = 14269054.01 (kJ/h)  Tính Q3, Q4 Chọn nhiệt lượng mát ngồi mơi trường 5% nhiệt lượng sản phẩm mang ra, hay Q4 0.05×Q3 Do phản ứng xảy lò phản ứng thứ gồm phản ứng tỏa nhiệt (phản SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 55 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG ứng hydro hóa) nên ta có: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 Q1 + Q2 = 1.05 × Q3 Q3 = (Q1 + Q2)/1.05 = (218653010.4 + 14269054.01)/1.05 = 221830537.5 (kJ/h) Q4 = 0.05×Q3 = 0.05×221830537.5 = 11091526.88 (kJ/h) Bảng 3.13: Cân nhiệt lượng lò phản ứng thứ Dòng Lượng, kmol/h Nhiệt lượng, kJ/h Đầu vào Q1 - 218.65 Q2 - 14.27 ∑ 102025.2 232.92 Đầu 3.2.3 Q3 - 221.83 Q4 - 11.09 ∑ 102090.934 232.92 Tính tốn thiết bị lị Cơng thức tính chiều cao lớp xúc tác lị 1: H xt1  Vxt1 F Trong đó: - Vxt1 : thể tích lớp xúc tác lị 1, m3 - F: tiết diện, m2 F  �( D  d ) Trong đó: - D: đường kính lị phản ứng (m) Chọn D = m - d: đường kính ống lấy sản phẩm (m) Chọn d = 0.5 m F SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 17.792  �(22  0.52 )  6.1 m 56 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Chọn chiều cao lớp xúc tác nắp lò phản ứng 1.4m Vậy chiều cao lò thứ 7.5 m 3.3 Tính tốn lị thứ hai 3.3.1 Tính cân vật chất lị thứ Chọn nhiệt độ đầu vào lò 420 (693.15K) thấp nhiệt độ lò phản ứng thứ Nhiệt độ thấp tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng isome hóa phản ứng đứt mạch Điều làm sáng tỏ phần tính tốn Độ giảm áp lò thường là: 0.15 0.35 at Chọn giá trị 0,3 at P  �106  0.3  2970579.582( Pa ) 10.197 �106 Bảng 3.14: Thành phần, áp suất nguyên liệu khí tuần hồn vào lị thứ hai Cấu tử A ni, kmol/h 0.00 yi, kmol/kmol Mi, kg/kmol 78 Pi=P.yi, Pa - Gi=Mi.ni, kg/h - N 83.16 0.0143 84 42479.288 6965.440 PC5 561.776 0.0963 72 286066.814 40247.872 PC6 534.587 0.0917 86 272402.147 45574.482 H2 4651.57 0.7977 9303.140 Σ 5831.093 1.0000 2369631.33 2970579.58 102090.934  Xét phản ứng (5), (6) (5) Phản ứng hydrocracking naphten: Cn H n  n n ��� H �� � (C1  C2  C3  C4  C5 ) 15 (6) Phản ứng hydrocracking parafin Cn H n   n3 n ��� H �� � (C1  C2  C3  C4  C5 ) 15 Chọn nhiệt độ dòng nguyên liệu vào lò thứ hai là: Tr2 = 420oC = 693.15 K Hằng số tốc độ phản ứng hydrocracking naphten: SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 57 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Tr2 = 693.15 K � 1000  1.4 Tr Theo đồ thị sổ tay hóa lý ta tra k5, k6: Hình 3.1: Đồ thị xác định số tốc độ phản ứng (5), (6) � K  K  0.023 (kmolng.liệu/h.kgxt) Sự giảm hàm lượng naphten phản ứng (5) là:  dN N 52 P 42479.288  k5 N  0.023 �  3.3 �104 dVR P 2970579.582 � N N 52  3.3 �104 �VR Mặt khác: VR  mxt nC Trong đó: - mxt2 lượng chất xúc tác lò 2, mxt2 = 32025.6 kg - NC2 lượng nguyên liệu vào lò thứ 2, NC2 = 1179.523 kmol/h � VR  32025.6  27.15 1179.523 (kg.h/kmol) � N N 32  3.3 �104 �27.15  8.96 �103 � Lượng naphten tham gia phản ứng (5) là: 8.96×10-3×1179.523 = 10.57 (kmol/h) SVTH: ĐỒN THỊ THƯƠNG 58 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG ' � Lượng naphten sau phản ứng (5) là: N N 32  83.16  10.57  72.59(kmol / h) Sự giảm tương đối hàm lượng parafin C5 phản ứng (6) là: � dN P 62 P 558468.961  k6 P  0.023 �  4.3 �103 dVR P 2970579.582 (kmolng.liệu/h.kgxt) � N P 62  4.3 �10 3 �VR  4.3 �10 3 �27.15  0.1167 Vậy lượng parafin tham gia phản ứng hydrocracking (6) là: 0.1167×1179.523=137.65 (kmol/h)  Xét phản ứng (1) Tại 420oC ta tra được: - n-C5: 35% - i-C5: 65% Hình 3.2: Sự phụ thuộc nồng độ mol vào nhiệt độ phản ứng (1) Trong phân đoạn C5 nồng độ phần mol i-C5 chiếm 42%, n-C5 58% Vậy trạng thái cân n-C5 phân đoạn C5 chuyển hoá là: 58 - 35 = 23 % 23 �51.78  11.91% Do đó, phần mol n-C5 chuyển hóa là: 100 SVTH: ĐỒN THỊ THƯƠNG 59 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Lượng n-C5 chuyển hố sau phản ứng (1) là: 0.1191×1179.523=140.48 kmol/h  Xét phản ứng (2) Tại 420oC ta tra được: - n-C6 = 17% - i-C6 = 83% Hình 3.3: Sự phụ thuộc nồng độ mol vào nhiệt độ phản ứng (2) Trong phân đoạn C6 nồng độ phần mol i-C5 chiếm 44.62%, n-C5 55.38% Như vậy, % n-C6 chuyển hoá trạng thái cân bằng: 44.62-17=27.62% 27.62 �0.4126  0.114 Phần mol n-C6 chuyển hoá là: 100 Vậy lượng n-C6 chuyển hố sau phản ứng: 0.114×1179.523=134.47 kmol/h Bảng 3.15: Cân phản ứng hóa học cho lị thứ Lượng chất tham gia phản ứng (kmol/h) 140.48 n-C5 SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG Lượng chất sản phẩm (kmol/h) 140.48 i-C5 60 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG 134.47 n-C6 134.47 i-C6 n 10.57 CnH2n + 10.57× H2 n3 137.65 CnH2n+2 + 137.65 × n 10.57× 15 (C1 + C2 + C3 + C4 + C5) n 137.65 15 (C1 + C2 + C3 + C4 + C5) Bảng 3.16: Cân hóa học lị thứ Cấu tử Dòng (kmol/h) A Dòng vào (kmol/h) 0.00 N 83.16 83.16 – 10.57 = 72.59 n-C5 325.804 325.804 – 140.48 = 185.324 i-C5 235.972 235.972 + 140.48 = 376.452 n-C6 245.397 245.397 – 134.47 = 110.927 i-C6 289.19 289.19 + 134.47 = 423.66 ∑ 1179.523 1168.953 0.00 Lượng hydrocacbon C1÷C5 sinh phản ứng (5), (6) là: 5.5 N P*  10.57 �  137.65 �  54.7( kmol / h) 15 15 Bảng 3.17: Cân vật chất lò phản ứng thứ hai yi, kmol/kmol Đầu vào Mi, kg/kmol GiMi.ni, kg/h Cấu tử ni, kmol/h A 0.00 - 78 - N 83.16 0.0143 84 6965.44 n-C5 325.804 0.0558 72 23457.888 i-C5 235.972 0.0405 72 16789.984 n-C6 245.397 0.0421 86 21104.142 i-C6 289.19 0.0496 86 24470.34 H2 4651.57 0.7977 9303.14 ∑ 5831.093 1.0000 - 102090.934 Đầu SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 61 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG A 0.00 - 78 - N 72.59 0.0127 84 6097.56 n-C5 185.324 0.0324 72 13343.328 i-C5 376.452 0.0659 72 26104.544 n-C6 110.927 0.0197 86 9139.722 i-C6 423.66 0.0743 86 36034.76 H2 4492.78 0.7859 8985.56 P* 54.7 0.0091 44 2406.8 ∑ 5716.433 1.0000 - 102112.274 3.3.2 Tính cân nhiệt lượng lị thứ + Phương trình cân nhiệt: Q + Q2 Q3 + Q4 Trong đó, - Q1: Nhiệt lượng mang vào nguyên liệu khí tuần hoàn 420 , kJ/h - Q2: Nhiệt phản ứng, kJ/h - Q3: Nhiệt lượng mang khỏi lò phản ứng sản phẩm phản ứng khí tuần hoàn, kJ/h - Q4: Nhiệt lượng mát mơi trường xung quanh, kJ/h + Lượng nhiệt tính theo công thức: Qi ni Ci ti (kJ/h) Trong đó, - nCi : Lưu lượng cấu tử i, kmol/h - Ci : Nhiệt dung riêng cấu tử i, J/mol.độ - ti : Nhiệt độ cấu tử i, + Nhiệt dung hỗn hợp: Cc = ∑ni Ci (kJ/h.độ) Các giá trị nhiệt dung cấu tử bảng (Bảng III.8) lấy từ thư viện thông số nhiệt động áp suất MPa phần mềm Hysys 7.3, hệ nhiệt động Peng-Robinson Bảng 3.18: Nhiệt dung riêng, nhiệt dung nhiên liệu đầu hydro tuần hoàn 420oC SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 62 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG Cấu tử yi, kmol/kmol ni, kmol/h CP, kJ/kmol.độ Iso-pentan 0.2175 235.972 210.9 49766.495 n-pentan 0.3003 325.804 210.8 68679.483 2,2dimetylbutan 0.0037 4.794 2,3dimetylbutan 0.0206 26.691 Metylpentan 0.1989 257.705 233.8 60251.429 n-hexan 0.1894 245.397 233.5 57300.199 Metyl xyclopentan 0.0389 46.479 Xyclohexan 0.0116 36.681 189.8 6962.054 Benzen 0.0191 0.000 152.1 - H2 - 4651.57 28.77 133825.669 ∑ 1.0000 196.9 197.4 195.0 5831.093 Ci.ni, kJ/h.độ 943.939 5268.803 9063.405 392061.476  Tính Q1 Lượng nhiệt mang vào nguyên liệu khí tuần hồn 480 : Q1 Qng.liệu + QH Trong đó, Qng.liệu ∑ni.Ci.t1 QH nH.CH.tH Q1 392061.476×420 164665819.9 (kJ/h)  Tính Q2 Lượng nhiệt sinh q trình phản ứng Ở thiết bị phản ứng thứ xảy phản ứng (3) phản ứng (4) Q2 n5.Qpư5 + n6.Qpư6 với n độ giảm số mol phản ứng, tính theo Độ giảm số mol lượng hydro tham gia phản ứng Ta có: Q5 = 20×4.1868 = 83.736 (kJ/mol); Q6 11×4.1868 = 46.05 (kJ/mol); n5 nH2(3) 21.14 (kmol/h); SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 63 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG n6 nH2(4) 114.71 (kmol/h) Q2 = (21.14×83.736 + 114.71×46.05) × 1000 = 7052574.54 (kJ/h)  Tính Q3, Q4 Chọn nhiệt lượng mát ngồi mơi trường 5% nhiệt lượng sản phẩm mang ra, hay Q4 0.05×Q3 Do phản ứng xảy lò phản ứng thứ gồm phản ứng tỏa nhiệt (phản ứng hydro hóa) nên ta có: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 Q1 + Q2 = 1.05 × Q3 Q3 = (Q1 + Q2)/1.05 = (164665819.9 + 7052574.54)/1.05 = 163541328 (kJ/h) Q4 = 0.05×Q3 = 0.05×163541328 = 8177066.4 (kJ/h) Bảng 3.19: Cân nhiệt lượng lò phản ứng thứ Dòng Lượng, kmol/h Nhiệt lượng, kJ/h Đầu vào Q1 - 164.67 Q2 - 7.05 ∑ 102090.934 171.72 Đầu 3.3.3 Q3 - 163.54 Q4 - 8.18 ∑ 102112.274 171.72 Tính thiết bị lị Cơng thức tính chiều cao lớp xúc tác lò 2: H xt  Vxt F Trong đó: - Vxt1 : thể tích lớp xúc tác lị 2, m3 - F: tiết diện, m2 F  �( D  d ) Trong đó: - D: đường kính lò phản ứng (m) Chọn D = m SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 64 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH - GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG d: đường kính ống lấy sản phẩm (m) Chọn d = 0.5 m F 52.7028  �(32  0.52 )  7.7 m Chọn chiều cao lớp xúc tác nắp lò phản ứng 1.4m Vậy chiều cao lò thứ 9.1 m KẾT LUẬN Q trình isome hóa áp dụng hai nhà máy lọc dầu Việt Nam, Nhà máy lọc dầu Dung Quất Nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn Với mức độ sử dụng nhiên liệu xăng nay, nhu cầu xăng chất lượng cao, xăng không chì xã hội, ngồi reforming xúc tác, cracking xúc tác hai trình chế biến bản, q trình isome hố phương án đầy tiềm Qua thời gian kỳ học tìm hiểu, nghiên cứu hướng dẫn tận tình Nguyễn Khánh Diệu Hồng, em hoàn thành đồ án: Thiết kế cơng nghệ isome hố naphta nhẹ công suất 800000 tấn/năm Bản đồ án tập hợp kiến thức, kĩ mà em học sau năm học chuyên ngành, năm học trước việc tìm hiểu, tính tốn q trình, Tuy cịn nhiều sai sót, hạn chế song em nắm vấn đề cốt lõi trình, nắm nguyên tắc quan trọng việc tìm hiểu, tính tốn, thiết kế đối tượng cơng nghiệp hóa dầu Em mong nhận ý kiến đóng góp, bảo thầy giáo Em xin chân thành cảm ơn! SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 65 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Văn Hiếu, Công nghệ chế biến dầu mỏ NXB Khoa học kỹ thuật 2005 Đinh Thị Ngọ, Nguyễn Khánh Diệu Hồng Hoá học dầu mỏ khí NXB Khoa học kỹ thuật, 2010 McGraw – Hill Professional Handbook of Petroleum Refining Processes 2003 Steven A Treese, Peter R Pujadó, David S J Jones Handbook of Petroleum Processing Second Edition Springer Preference 2015 Tính tốn cơng nghệ q trình chế biến dầu mỏ Đại học Bách Khoa xuất năm 1972 Hướng dẫn thiết kế trình chế biến hoá học dầu mỏ - Trường Đại học Bách Khoa - Hà Nội, Khoa Đại học Tại chức xuất năm 1975 Lê Cộng Hịa Động hóa học NXB Bách Khoa – Hà Nội 2008 http://www.aspentech.com/hysys/ Mai Xuân Kỳ Thiết bị phản ứng công nghệ hóa học Tập NXB Khoa học Kỹ thuật 2006 10 Nguyễn Bin Sổ tay trình thiết bị cơng nghệ hóa chất Tập NXB Khoa học Kỹ thuật 2006 11 Gilbert F Froment, Kenneth B Bischoff Chemical Reactor Analysis and Design John Wiley and Sons 1990 12 Nguyễn Bin tập thể tác giả Sổ tay Q trình Thiết bị cơng nghệ hóa chất Tập NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2006 SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG 66 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH SVTH: ĐOÀN THỊ THƯƠNG GVHD: PGS.TS NGUYỄN KHÁNH DIỆU HỒNG 67 ... 1.2.2.2 Isome hóa hydrocacbon thơm Một số q trình isome hóa khác có ứng dụng hóa dầu isome hóa hydrocacbon thơm, chủ yếu m-xilen tạo p-, o-xylen sản phẩm có giá trị cho tổng hợp hóa dầu Để isome hóa. .. Penex, bao gồm hai thiết bị phản ứng Thiết bị thứ thiết kế để bão hoà benzen chuyển thành xyclohexan Thiết bị thứ hai thiết kế để đồng phân hoá nguyên liệu cho trị số octan cao Mỗi thiết bị phản ứng... ứng isome hóa n-parafin Q trình isome hóa n-parafin thành iso-parafin iso-olefin Vd: Phản ứng biến đổi n-butan thành iso-butan iso-buten: + Phản ứng isome hóa alkyl thơm Một số q trình isome hóa