Thiết kế và thực hiện phân xưởng cracking xúc tác
MỤC LỤC
ĐỘNG HỌC CHO QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC
Phản ứng xảy ra trong vùng động học hay vùng khuếch tán hoàn toàn phụ thuộc vào bản chất của xúc tác được sử dụng, phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu và vào chế độ công nghệ của quá trình. Các nghiên cứu đã cho thấy, nếu quá trình cracking xúc tác nguyên liệu là gazoil nhẹ (nguyên liệu mẫu) trên xúc tác dạng cầu khi kích thước hạt xúc tác từ 3 ÷ 5 mm và nhiệt độ là 450 ÷ 5000C thì phản ứng xảy ra ở vùng trung gian giữa động học và khuếch tán.
CRACKING XÚC TÁC CÁC HỢP CHẤT HYDROCACBON RIÊNG LẺ.[1,2,3]
Như đã nói trên , Olefin không có mặt trong thành phần nguyên liệu mà nó được tạo ra do các phản ứng của quá trình và tính hấp phụ chọn lọc cao nhất của xúc tác là hydrocacbon olefin trong quá trình cracking xúc tác, cho nên ở điều kiện cracking xúc tác các hydrocacbon olefin chuyển hóa với tốc độ nhanh hơn hàng nghìn đến hàng chục nghìn lần so với khi cracking nhiệt. Các hydrocacbon thơm mà có gốc alkyl đính bên thì rất khó bị cracking ngay cả khi có mặt của chất xúc tác , vì vòng benzen có độ bền cao .Vì vậy mà trong quá trình cracking xúc tác, các hợp chất alkyl thơm do vòng thơm có độ bền cao hơn nên trước tiên sẽ xảy ra quá trình cắt nhánh alkyl (3- trang92 ).
CRACKING PHÂN ĐOẠN DẦU MỎ [1]
Sự phát triển và cải tiến quá trình cracking xúc tác trong công nghiệp chế biến dầu mỏ, ngoài việc cải thiện về nguyên liệu, hệ thống thiết bị, chế độ công nghệ v.v.., thì ta thấy rằng cái chính là do sự cải tiến trong việc sử dụng các chất xúc tác. Nhưng trong quá trình sử dụng người ta thấy có nhiều nhược điểm sau: Xúc tác bị mất mát nhiều do tạo phức với các hydrocacbon của nguyên liệu, điều kiện tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu không tốt, cho hiệu suất và chất lượng xăng thấp.
VAI TRề CỦA XÚC TÁC TRONG QUÁ TRèNH CRACKING [1,2,3]
Hàng năm ở Mỹ tiêu thụ 130 nghìn tấn xúc tác, trong đó chỉ có 14 nghìn tấn là không chứa zeolit.
NHỮNG YÊU CẦU CẦN THIẾT ĐỐI VỚI XÚC TÁC Xúc tác cho quá trình cracking đòi hỏi những yêu cầu sau
Quá trình cracking xúc tác thường dùng zeolit loại X, Y có chứa các nguyên tố đất hiếm hay ở dạng đã trao đổi ion và được xử lý bằng các phương pháp đặc biệt, đồng thời kết hợp với các hợp phần làm tăng độ bền cơ, bền nhiệt hay điều chỉnh kích thước lỗ xốp. Zeolit có hai loại kích thước lỗ xốp: kích thước “cửa sổ” và kích thước lỗ lớn, khi đưa chúng vào trộn lẫn với aluminosilicat, chúng ta sẽ điều chỉnh được cấu trúc lỗ của chúng để nhận được kích thước lỗ trong giới hạn thích hợp nhất, nhằm tăng độ chọn lọc của xúc tác.
NHỮNG THAY ĐỔI TÍNH CHẤT CỦA XÚC TÁC KHI LÀM VIỆC [1,3]
Nói tóm lại, xúc tác chứa zeolit cho quá trình cracking có nhiều ưu điểm hơn hẳn các xúc tác khác, nên hiện giờ ở các nước công nghiệp chế biến dầu mỏ và khí tiên tiến, người ta lần lượt thay thế xúc tác chứa zeolit cho aluminosilicat tổng hợp. Hơn nữa, cũng cần phải tránh sự tạo cốc quá ít, vì điều đó dẫn tới phá vỡ cân bằng nhiệt của hệ lò phản ứng và tái sinh, do nhiệt tạo ra trong quá trình tái sinh không đủ để bù nhiệt thu vào của các phản ứng cracking trong lò phản ứng.
TÁI SINH XÚC TÁC [1,2,3]
Khi hàm lượng các hợp chất lưu huỳnh trong nguyên liệu tăng thì hàm lượng các kim loại nặng như niken và vanadi cũng tăng theo, vì đa phần chúng đều tập trung ở phần cặn nặng và phân đoạn nhựa - asphan. Vì vậy để hoàn thiện quá trình tái sinh người ta tiến hành thêm quá trình trao đổi ion để khử các kim loại nặng, điều này giải quyết được sẽ nâng cao được hiệu quả của quá trình tái sinh xúc tác.
CÁC DẠNG HÌNH HỌC CỦA XÚC TÁC [1,2,3]
Sau khi tái sinh, hàm lượng cốc còn lại trên xúc tác phải là cực tiểu (lượng cốc cặn còn lại từ 0,1 đến 0,3% KL xúc tác) để khôi phục tối đa hoạt tính của xúc tác. Vậy để tăng tốc độ tái sinh thì ta phải tăng nhiệt độ tái sinh (hiệu quả nhất ở vùng động học), tăng áp suất riêng phần của oxy trong không khí, giảm đường kính các hạt xúc tác.
NGUYÊN LIỆU CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC [1,2,3]
Nói tóm lại, trước khi đưa nguyên liệu vào quá trình cracking xúc tác, chúng ta phải nghiên cứu kỹ chất lượng của nguyên liệu, loại xúc tác dùng và tuỳ theo điều kiện kỹ thuật, hiệu quả của các phương pháp làm sạch nguyên liệu yêu cầu nguyên liệu dùng mà người ta quyết định phương pháp làm sạch nguyên liệu cho thích hợp. Trong những năm gần đây, khi nguyên liệu tốt ngày một cạn dần và nhất là khi chế tạo được xúc tác cracking mới và công nghệ mới có hiệu quả hơn, người ta tiến tới sử dụng nguyên liệu ngày càng nặng hơn, chất lượng xấu hơn mà vẫn cho phép nhận được xăng với năng suất cao và chất lượng tốt.
CÁC SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC [1,2,3]
Sản phẩm khí
Trong số các nhóm nguyên liệu kể trên thì nhóm gazoil chân không là phổ biến nhất trong quá trình cracking xúc tác. Đó là xu hướng cải tiến quá trình cracking xúc tác trong hiện đại và trong tương lai.
Xăng cracking xúc tác
Chất lượng gazoil nhẹ không chỉ phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu mà còn phụ thuộc vào chất lượng xúc tác và chế độ công nghệ. Gazoil nhẹ dùng làm cấu tử pha cho nhiên liệu diezen, có thể làm nguyên liệu sản xuất bồ hóng hay làm cấu tử pha loãng mazut.
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC
NHIỆT ĐỘ [1,2,3]
ÁP SUẤT [1,2,3]
Đối với hydrocacbon tinh khiết, khi tham gia phản ứng, mức độ chuyển hoá được đo bằng lượng sản phẩm tạo thành theo thời gian. Nhưng đối với phân đoạn phức tạp như phân đoạn dầu mỏ, trong cracking xúc tác người ta lại đo lượng xăng là sản phẩm chính và sản phẩm như khí và cốc.
TỐC ĐỘ NẠP LIỆU RIÊNG [1]
Khi sử dụng xúc tác có độ hoạt tính cao, ta có thể tăng tốc độ nạp liệu và như vậy sẽ tăng được năng suất của thiết bị. Khi tăng tốc độ nạp liệu, nếu ta tăng nhiệt độ phản ứng, sẽ tăng trị số octan của xăng và tăng hiệu suất olefin trong khí.
TỶ LỆ LƯỢNG XÚC TÁC/NGUYÊN LIỆU (X/RH) HAY BỘI SỐ TUẦN HOÀN XÚC TÁC [1,3]
Nhưng dễ dàng nhận thấy rằng, nếu tăng cao quá mức độ tuần hoàn xúc tác sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình tách hơi bám trên xúc tác và làm ảnh hưởng đến quá trình tái sinh ở lò tái sinh và các trang thiết bị kèm theo. Nói chung thông số bội số tuần hoàn xúc tác rất quan trọng trong quá trình cracking xúc tác, nó ảnh hưởng không những lên hiệu suất và chất lượng sản phẩm đến các thông số khác mà còn ảnh hưởng đến việc xác định kích thước các thiết bị chính của quá trình.
HIỆU ỨNG NHIỆT
Khi thay đổi tỷ lệ X/RH sẽ làm thay đổi nhiệt độ của reactor, thay đổi thời gian lưu của xúc tác trong reactor và lò tái sinh, đồng thời cũng làm thay đổi cả lượng cốc bám trên xúc tác trong một chu trình. Khi giữ tốc độ nạp liệu M/H/M là không đổi, nếu tăng tỷ lệ X/RH thì thời gian tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu giảm, và như vậy độ hoạt tính trung bình của xúc tác tăng lên.
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ CRACKING XÚC TÁC [1,2,3]
Sau đó, vào năm 1944 người ta đã tăng đường kính của các thiết bị phản ứng và tái sinh, quá trình tách hơi sản phẩm được thực hiện ngay trong thiết bị phản ứng, tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi và quá trình thổi cũng ngày càng được cải tiến để cho xúc tác chuyển động từ phía dưới và lấy ra ngoài ở đáy thiết bị. Cùng với thời gian, FCC ngày càng được cải tiến để có được hiệu suất, chất lượng xăng cao hơn và có thể dùng nguyên liệu ngày càng nặng hơn, với chất lượng nguyên liệu ngày càng xấu hơn.
LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CRACKING XÚC TÁC
+ Do sự khuấy trộn mạnh mẽ của xúc tác và hơi nguyên liệu dẫn đến sự đồng nhất về nhiệt độ trong toàn bộ thể tích lớp xúc tác ở thiết bị phản ứng cũng như thiết bị tái sinh, khắc phục được hiện tượng quá nhiệt cục bộ. + Hệ thống này có công suất làm việc lớn và có thời gian tiếp xúc ngắn (thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và xúc tác là cực tiểu) dẫn đến việc đạt được hiệu suất xăng cực đại và olefin nhẹ không xảy ra phản ứng ngưng tụ bậc hai mà đã tạo xăng.
DÂY CHUYỀN FCC VỚI THỜI GIAN TIẾP XÚC NGẮN
Nguyên liệu mới từ bể chứa nguyên liệu (1) được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, nguyên liệu mới có thể được trộn với phần tuần hoàn (HCO) (6),(là phân đoạn dầu nặng của quá trình cracking xúc tác ) và dầu cặn từ thiết bị (5), sau đó cho qua lò đốt nóng nguyên liệu cracking. Xúc tác đã tái sinh được chuyển vào ống đứng sau khi đã đuổi được sạch khí qua một van lá mà sự hoạt động van này được khống chế, điều khiển tự động nhờ bộ phận điều chỉnh nhiệt độ của reactor, rồi sau đó xúc tác được trộn với nguyên liệu cracking và hoàn thành một chu trình.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN VÀ CẢI TIẾN CỦA FFC TRONG LỌC DẦU [1]
Phân xởng cracking xúc tác có năng suất 3.000.000 tấn/năm với nguyên liệu là lấy từ phần cặn của dầu thô Bạch Hổ. Để điều chỉnh mật độ của hỗn hợp hơi nguyên liệu và xúc tác ở trong ống vận chuyển ta dùng hơi nớc và nó tiêu tốn khoảng 0,4 -2,0% trọng lợng tính theo tải trọng của lò phản ứng.
Cân bằng nhiệt lợng của lò phản ứng
QNL : Nhiệt lợng do nguyên liệu mới mang vào QH2Ohv1 : Nhiệt lợng do hơi nớc đa vào ống vận chuyển QH2Ohv2 : Nhiệt lợng do hơi nớc mang vào vùng tách QXtv : Nhiệt lợng do xúc tác mang vào. Trong bảng 2 dới đây theo tài liệu [4-118] sẽ chỉ ra thành phần của khí cracking ( Ngời ta xác định đợc bằng cách phân tích sắc ký khí của sản phẩm khí nhận đợc khi cracking).
Tính toán thiết bị phản ứng
Ta đặt cyclon ở trong lò phản ứng nhằm mục đích thu hồi bụi xúc tác bị cuốn theo hơi sản phẩm phản ứng. Mức độ làm sạch có thể dao động trong khoảng 65 – 98% .Trong trờng hợp cần làm sạch ở mức độ cao hơn ta có thể dùng cyclon hai hay ba bậc.
XÂY DỰNG
CHỌN ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG
Việc chọn địa điểm xây dựng là vấn đề hết sức quan trọng, khó khăn với công việc thiết kế, đòi hỏi những nhà thiết kế và quản lý đều phải tìm hiểu và kết hợp những số liệu, những thông số kỹ thuật của nhiều ngành, nhiều lĩnh vực khác nhau như: địa chất, thuỷ văn, kinh tế, công nghiệp, xây dựng. Mặc dù còn nhiều điểm chưa phù hợp khi chọn Dung Quất làm địa điểm xây dựng nhà máy lọc dầu, tuy nhiên, nếu xét một cách tổng thể thì cũng có nhiều thuận lợi như: nằm trong quy hoạch phát triển khu công nghiệp, có cảng.
CÁC NGUYÊN TẮC KHI THIẾT KẾ XÂY DỰNG Việc xây dựng cần phải tuân theo những nguyên tắc sau
BỐ TRÍ MẶT BẰNG
Do quá trình sản xuất hầu hết được tiến hành trong các thiết bị kín, kích thước thiết bị rất cao và to, vận chuyển bằng đường ống, các quá trình được cơ khí hoá tự động hoá toàn bộ, việc điều khiển được tiến hành trong phòng điều khiển trung tâm. Bên trong có nhà điều khiển trung tâm và đặt các thiết bị phụ trợ cho quá trình sản xuất như thiết bị làm lạnh nồi hơi, bơm, các thiết bị chính như thiết bị phản ứng, thiết bị tái sinh, thiết bị tách sản phẩm được đặt ở ngoài trời.
TÍNH TOÁN KINH TẾ I. MỤC ĐÍCH
TÍNH TOÁN KINH TẾ
Để điều khiển phân xởng hoạt động đợc liên tục thì cần phải có ngời vận hành phân xởng và mỗi ngày làm việc đợc chia làm 3 ca. Nh vậy phơng án xây dựng này có hiệu quả kinh tế tốt cho phép thời gian thu hồi vốn là 8 năm 8 tháng và khả năng sinh lời cao.
AN TOÀN
Các biện pháp phòng cháy trong nhà máy: Phải có các thiết bị phòng cháy đặt cố định trên các bể chứa xăng dầu, khi có sự cố về cháy nổ xảy ra nó tự động làm việc và các thiết bị lưu động nhằm hỗ trợ với các thiết bị cố định nhằm dập tắt ngay sau khi có cháy nổ xảy ra. Bản đồ án này đã được hoàn thành nhưng vì điều kiện cũng như tài liệu tham khảo còn hạn chế, và vì bước đầu làm quen với công tác thiết kế phân xưởng cho nên chắc hẳn còn thiếu sót là điều không thể tránh khỏi.