Thiết kế phân xưởng cracking nhiệt công suất 1,2 triệu tấn/năm

Đặc điểm động học

Chú ý rằng đa số các phản ứng hóa học dới tác dụng của nhiệt đều là các phản ứng bậc 1 và bậc 2, các phản ứng bậc 1 là các phản ứng đơn phân tử gồm các loại phản ứng sau: phân hủy, đồng phân hóa, khử hydro. Năng lợng hoạt hóa không phải đặt trng cho vật chất mà đặt trng cho phản ứng hóa học đã cho và biểu thị sự phụ thuộc tốc độ của nó vào nhiệt độ.

Sự biến đổi của các hydrocacbon parafin

Trong dãy parafin, metan là chất có độ bền nhiệt cao nó chỉ có liên kết C - H phân hủy nó tạo thành cacbon và hydro ở điều kiện nhiệt độ rất cao ( gÇn 1500OC ). Năng lợng hoạt hóa của các phản ứng giữa các gốc tự do chỉ vào khoảng 10 đến 20 kcal/mol, nghĩa là nhỏ hơn nhiều lần năng lợng hoạt hóa của phản ứng trực tiếp.

Giai đoạn phát triển chuỗi

Khi tốc độ tạo thành bằng tốc độ mất đi của các gốc tự do, phản ứng chuỗi coi nh kết thúc. Sự mất các gốc tự do có thể do các gốc va chạm với nhau, phản ứng với nhau tạo thành phân tử trung hoà.

Giai đoạn tái hợp các gốc tự do

Trong điều kiện cracking bình thờng (nhiệt độ gần 500OC, áp suất gần 70 at) các olefin tạo thành khi phân hủy các parafin của nguyên liệu. Khử ngng tụ : ở điều kiện nhiệt độ tơng đối cao (600 oC đến 700oC) đối với các phân tử olefin có trong lợng phân tử thấp C2 đến C4 phản ứng cũng xảy ra tơng tự nh trên.

Sự biến đổi của các hydrocacbon naphten

Khi ngng tụ các diolefin sẽ tạo thành các olefin vòng sau đó khử hydro sẽ tạo thành hydrocacbon thơm. Các hydrocacbon thơm xảy ra phản ứng alkyl hóa với olefin, đồng thời ngng tự với diolefin.

Sự biến đổi của các hydrocacbon thơm

Phản ứng khử hydro vòng hoá tạo hydrocacbon thơm. Phản ứng này xảy ra ở điều kiện nhiệt độ cao và áp suất thấp. Khử vòng các naphten đa vòng. Phản ứng này xảy ra đồng thời với phản ứng khử alkyl. Nếu ở điều kiện nhiệt độ cao sẽ đồng thời xảy ra phản ứng khử hydro. Phản ứng phân huỷ naphten đơn vòng. ở điều kiện nhiệt độ cao khoảng 5500C đến 6000C các naphten đơn vòng sẻ phân hủy tạo thành olefin. Sự phân hủy này không mang đặc tính chuỗi. Nhiệt động học và động học phản ứng phân hủy cạnh tranh với phản ứng khử hydro. Cho nên trong sản phẩm vừa có hydrocacbon thơm vừa có olefin. bền nhng cũng vẫn bị phân hủy. Và sự phân hủy này đợc giải thích theo cơ chế chuỗi, sự giải thích này khá phù hợp với kết quả thực nghiệm. Những gốc này khi gặp phân tử benzen ban. đầu, sẻ lấy hydro của chúng để tạo thành các phân tử tơng ứng CH4, C2H6 hay C2H4. Đồng thời biến phân tử benzen đó thành gốc phenyl C6H5- , gốc phenyl này nếu gặp các phân tử benzen sẽ tách hydro nguyên tử ra và tạo thành diphenyl, hydro nguyên tử tách ra là gốc tự do và tiếp tục phát triển phản ứng chuỗi. Sơ đồ phân hủy benzen nh sau. ở nhiệt độ cao, sự biến đổi của hydrocacbon thơm xảy ra theo quy luật sau:. - Các gốc thơm ngng tụ với nhau, khử hydro tạo thành gốc mới có phân tử lợng lớn hơn và nhiều vòng thơm hơn, cuối cùng phát triển thành hợp chất cao phân tử gọi là cacbonit hay còn gọi là cốc. Nh vậy cốc dầu mỏ khác với các bon nguyên tố ở chỗ chúng có hệ vòng thơm với độ ngng tụ cao. Côc tạo ra thờng lắng đọng, bám vào thành ống hay thiết bị trao đổi nhiệt, làm giảm tốc độ truyền nhiệt cũng nh giảm năng suất của bơm, tăng chi phí vận hành. Nếu nh quá trình của chúng ta không nhằm mục đích sản xuất cốc thì sự có mặt của hydrocacbon thơm là hoàn toàn không có lợi cho quá trình. Sơ đồ có thể biểu diễn chung nh sau cho các loại tơng tự nh benzen là naphtalen, antraxen, phenantren, phản ứng chính là phản ứng ngng tụ tạo ra sản phẩm cốc. Vì ta thấy rằng năng l- ợng liên kết Cvòng- Cthẳng bền hơn liên kết Cthẳng- Cthẳng. Do đó trong sản phẩm th- ờng có mặt hydrocacbon thơm có chứa gốc metyl. 5) Sự biến đổi các hợp chất của lu huỳnh. Đồng thời trong nghiên cứu cũng nh trong thiết kế quá trình ngời ta phải dùng nguyên liệu là các “cấu tử giả” tơng đơng hoặc là về thành phần hóa học hoặc là về thành phần công nghệ để có thể hạn chế bớt sự phức tạp do thành phần của nguyên liệu đầu.

Mức độ chuyển hoá C

Từ bảng trên ta thấy rằng nguyên liệu càng có giới hạn sôi tăng (càng nặng) thì độ bền nhiệt của nguyên liệu càng kém, quá trình phân hủy xảy ra càng dể hơn, nh vậy tốc độ phản ứng phân hủy xảy ra càng mạnh, và cho ta hiệu suất xăng thu đợc càng cao. Nếu quá trình cracking nhiệt xảy ra ở điều kiện nhiệt độ vừa phải thì ta thấy sự phân hủy xảy ra để thay đổi cấu trúc rất ít, nh khi cracking nguyên liệu mang đặc tính parafin rắn thì sản phẩm thu đợc chủ yếu có thành phần parafin và olefin mạch thẳng.

Nguyên liệu

Nếu cracking nguyên liệu là gasoil chứa hàm lợng lớn các hydrocacbon vòng thì xăng thu đợc chứa hàm lợng lớn hydrocacbon naphten và hydrocacbon thơm. Ngoài nhóm dầu ra trong phân đoạn cặn còn có nhóm chất nhựa và nhóm asphanten, nhng các nhóm này ở dạng keo và quánh, đóng góp không đáng kể vào việc tạo ra thành phần của xăng nên không đợc quan tâm đến nhiều.

Sản phẩm

Hỗn hợp nguyên liệu mới và thành phần tuần hoàn lấy ra ở đáy tháp (3) cho qua bơm (1) và qua lò (4) ở đây đốt nóng đến nhiệt độ 505oC đến 510 oC sản phẩm cracking lấy ra khỏi lò (4) cho làm lạnh tức thời ở thiết bị làm lạnh bằng cách cho trao đổi với nguyên liệu ban đầu hay cặn cracking có nhiệt độ thấp làm lạnh ngay lối ra khỏi lò (4) để tránh khỏi cracking nhiệt ở nhiệt độ thấp, qua thiết bị bay hơi (5) thiết bị này làm nhiêm vụ tách riêng phần hơi cho tuần hoàn trở lại để trộn với nguyên liệu mới và tách riêng phần cặn cracking hỗn hợp ở thiết bị (5) là khí, xăng và sản phẩm trung gian qua lại thiết bị (3) trộn với nguyên liệu. Đây là hổn hợp nguyên liệu mới và phần lỏng tuần hoàn phần khí và xăng cho qua thiết bị ngng tụ làm lạnh (6) rồi cho qua tháp tách (7) tại đây sẽ tách riêng khí ra ở đỉnh tháp và đáy tháp là xăng và một phần xăng cho hồi lu trở lại đỉnh tháp chng phần chính lấy ra ở bể chứa sản phẩm và cạnh sờng tháp chng trên lối vào nguyên liệu ta lấy ra phân đoạn gasoil. Sơ đồ này ta cracking nguyên liệu tơng đối nhẹ nên chỉ dùng một lò đốt,. độ sâu chuyển hoá của nguyên liệu là 75% còn đối với nguyên liệu nặng sơ đồ sẽ phức tạp hơn nếu chung ta dùng sơ đồ cho loai nguyên liệu có giới hạn độ sôi rộng có nghĩa là dùng cho cả nguyên liệu nhẹ và nguyên liệu nặng thì việc đốt nóng nguyên liệu ở giới hạn nhiệt độ sôi rộng không thể nào hợp lý đợc vì cho nguyên liệu nhẹ và nguyên liệu nặng. Nh vậy độ sâu chuyển hóa của nguyên liệu sẽ không lớn và làm tăng hệ số tuần hoàn. Ngoài ra đối với nguyên liệu có giới hạn nhiệt độ sôi rộng chế độ công nghệ không thể chọn tối u đợc vì vậy ta phải chọn thích hợp cho từng loai nguyên liệu nặng, và nhẹ riêng. c) Sơ đồ nguyên lý cracking nhiệt nguyên liệu là phần nặng (mazútt hay gudrôn).

Tính quá trình cháy

Tính chuyển thành phần của nhiên liệu sang % trọng lợng (thành phần của khí theo thể tích và theo mol ở điều kiện tiêu chuẩn là nh nhau. Xác định thể tích sản phẩm cháy khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu (ở điều kiện tiêu chuẩn).

Xác định bề mặt đun nóng của các ống bức xạ và kích thớc của buồng đốt

Ngời ta bố trí các ống phía trên và phía dới ngọn lửa để nhận trực tiếp nhiệt bức xạ, còn ở buồng đối lu là nhận nhiệt từ khí khói chủ yếu do truyền nhiệt đối lu. Để đảm bảo cho sự đốt nóng đồng đều cho từng ống theo chu kỳ và theo chiều dài ta sử dụng đèn khí loại có năng suất q = 60.000 (kcal/h) cho một đèn.

Kiểm tra tốc độ của nguyên liệu lúc đi vào ống xoắn của lò

Theo tiêu chuẩn chọn bớc ống bức xạ S = 0,25 m, khi đó khoảng cách giữa các hàng đứng của ống bức xạ là. Theo tiêu chuẩn thì khoảng cách từ tờng bức xạ đến màn ống giao động trong khoảng 0,6 đến 1,0 m.

Tính bề mặt đối lu đun nóng của lò

Xác định chúng bằng đồ thị, phụ thuộc vào nhiệt độ của khói lò trong buồng đối lu, lực hút của khí 3 nguyên tử và nhiệt độ của tờng. Trong buồng đối lu của lò sự truyền nhiệt từ khói lò đến nguyên liệu ở trong ống là nhờ các dòng khuấy trộn giao nhau có chỉ số ngợc dòng bằng 1 đơn vị.

Thời gian lu của hổn hợp hơi khí ở trong ống xoắn phản ứng

Mất mát áp lực trong ông xoắn phản ứng (Bức xạ của lò)

Để đơn giản tính toán ta coi trọng lợng của phân tử trung bình của khí cacbua hydro ở trong ông xoắn phản ứng tơng ứng với etylen MCP=30.

Cân bằng nhiệt lợng của lò phản ứng Theo định luật bảo toàn năng lợng thì

+ Nhiệt lợng cần thiết để cấp cho phản ứng cracking (Q ). Nhiệt mất mát vao môi trờng xung quanh lấy bằng 7% từ nhiệt cháy làm việc QPH của khí nhiên liệu, trong đó buồn bức xạ 5% còn buồng đối lu 2%. Vậy hiệu suất của lò là:. Vậy nhiệt lợng mà khí đốt cần cung cấp cho lò là:. d)Nhiệt lợng do khí nhiên liệu mang vào lò phản ứng (QKC ). Chấp nhận nhiệt độ của nguyên liệu trớc khi vào lò phản ứng là t=250C, với thành phần của khí nhiên liệu đợc tính ở phần trớc tra sổ tay [5] ta đợc các nhiệt dung riêng của khí nhiên liệu ở 250C.

An toàn

Khi thiết kế phải đảm bảo các thiết bị an toàn thuận lợi và nhẹ nhàng khi thao tác phải phù hợp với thể lực, thần kinh và các đặc điểm cơ bản của ngời sử dông. Khi sử dụng cần phải sử dụng dòng điện an toàn, cách ly dây dẫn, che chắn cơ học, các thiết bị điện đều phải có dây nối đất, phải sử dụng găng và ủng bằng cao su.