1.3 Tổng quan về hiện tượng “catalyst pinning”
Xúc tác của phân xưởng CCR được thiết kế đi từ trên xuống theo trọng lực. Tại thiết bị phản ứng dịng cơng nghệ sẽ đi xun tâm qua lớp xúc tác để thực hiện phản ứng reforming và đi vào ống trung tâm (Center pipe) (Hình 1.25), cịn xúc tác di chuyển từ thiết bị phản ứng trên xuống thiết bị phản ứng dưới theo trọng lực. Khi lưu lượng dịng cơng nghệ tăng lên sẽ làm cho trở lực qua lớp xúc tác tăng lên và làm cho xúc tác khó di chuyển hoặc bị giữ lại (hang up/pinning) (Hình 1.26). Hiện tượng này được gọi là “Catalyst pinning” [12]. Đây là hiện tượng xúc tác trong thiết bị phản ứng bị giữ lại, không tự di chuyển theo dịng tuần hồn xúc tác, gây ra do dòng hỗn hợp nguyên liệu đi xuyên tâm thiết bị phản ứng tăng cao.
Hiện tượng “catalyst pinning” làm cho cốc tạo thành trên lớp xúc tác sẽ tăng lên, hoạt tính xúc tác giảm, nhiệt độ vùng đốt tại tháp tái sinh xúc tác tăng cao…
Phân xưởng CCR là phân xưởng rất quan trọng trong các phân xưởng công nghệ của Nhà máy lọc dầu Dung Quất. Việc tăng công suất của phân xưởng cao hơn thiết kế sẽ giúp đem lại lợi nhuận rất lớn cho Nhà máy. Tuy nhiên việc nâng công suất của phân xưởng CCR từ 100% công suất lên 112% sẽ gặp phải trở ngại về hiện tượng “catalyst pinning” [12]. Nghiên cứu giảm tỷ lệ H2/HC sẽ giảm được tổng lưu lượng dòng đi xuyên tâm qua lớp xúc tác, qua đó góp phần làm giảm được hiện tượng catalyst pinning.
Hình 1.26: Hiện tượng Catalyst pinning [12]
Có rất nhiều nguyên nhân gây ra hiện tượng Catalyst pinning như thiết kế của thiết bị phản ứng (lưới lọc bị tắc-Centerpipe plugging), tỷ trọng của xúc tác, tăng công suất phân xưởng, lớp lưới của thiết bị tái sinh bị tắt (Regenerator screen plugging), phân phối dịng khí tái sinh khơng đều trong thiết bị tái sinh,…
Dấu hiệu để nhận biết hiện tượng Catalyst Pinning:
▪ Thiết bị phản ứng: Chênh lệch nhiệt độ dịng cơng nghệ qua thiết bị phản ứng giảm; chênh áp qua thiết bị phản ứng tăng.
▪ Thiết bị tái sinh: Cốc sẽ di chuyển xuống vùng Clo hóa; Bất thường của dịng khí đến đốt cốc; nhiệt độ vùng đốt cốc tăng nhanh.
Các ảnh hưởng, mối nguy nếu bị hiện tượng Catalyst Pinning:
▪ Khả năng phân phối dòng qua thiết bị phản ứng, thiết bị tái sinh sẽ giảm. ▪ Độ chuyển hóa qua các thiết bị phản ứng giảm.
▪ Nhiệt độ vùng đốt cốc tại tháp tái sinh tăng có thể gây hỏng xúc tác, thiết bị. ▪ Xúc tác dễ bị vỡ và làm cho hàm lượng bụi xúc tác tăng gây mất mát xúc
tác, tắt nghẽn hệ thống, thiết bị.
Giới hạn Catalyst Pinning (Pinning margin) = (Lưu lượng dòng để tạo Catalyst Pinning – Lưu lượng dòng thực tế)/Lưu lượng dòng thực tế *100%
Giản đồ để tính lưu lượng dịng tối thiểu để tạo ra hiện tượng Catalyst pinning như hình bên dưới [3]:
Hình 1.27: Giản đồ để tính lưu lượng dòng tối thiểu để tạo ra hiện tượng Catalyst pinning [12]
Mỗi thiết bị phản ứng, mỗi loại xúc tác sẽ có giản đồ Catalyst Pinning khác nhau.
Trục hồnh là tỷ trọng của dịng khí ra khỏi thiết bị phản ứng.
Trục tung là lưu lượng dịng khí để có thể tạo ra hiện tượng Catalyst Pinning. Theo BSR-R&D-TER-013-18002 CCR-Platforming 105% design capacity test run report, UOP đã tính tốn giới hạn pinning xúc tác qua mỗi thiết bị phản ứng tương ứng là R-1301 ( 17% ); R-1302 ( 18% ); R-1303 ( 20% ); R-1304 ( 23% ). Các giá trị này đã rất gần với ngưỡng tối thiểu theo khuyến cáo là 20% [13]
Chương 2. ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ H2/HC ĐẾN THÔNG SỐ VẬN HÀNH VÀ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CỦA PHÂN XƯỞNG CCR
Nhằm đánh giá khả năng làm việc của phân xưởng với tỷ lệ H2/HC thấp , chúng tôi đã tiến hành chạy mô phỏng phân xưởng CCR ở công suất 110%, lần lượt giảm lưu lượng hydro tuần hoàn từ 64000 Nm3/hr xuống 62000 Nm3/hr, 60000 Nm3/hr và 58000 Nm3/hr .
2.1 Điều kiện vận hành của phân xưởng CCR
Phân xưởng CCR vận hành ở điều kiện cơng nghệ sau:
• Nhiệt độ vận hành: 482 549oC
• Áp suất vận hành:
▪ Thiết bị phản ứng: 3.5 kg/cm2
▪ Thiết bị phân tách (Seperator): 2.5 kg/cm2
• Tỷ lệ H2/HC: 2.5 mol/mol
• Chỉ số RON của xăng Reformate: 102 103.
2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ H2/HC đến thông số vận hành
Tỷ lệ hydro và nguyên liệu (H2/HC) được định nghĩa là số mol hydro nguyên chất trong khí tuần hồn trên số mol nguyên liệu (naptha) nạp vào phân xưởng. [11]
• Giảm tỷ lệ H2/HC sẽ làm giảm áp suất riêng phần hydro, thúc đẩy các phản ứng
dehyro hóa naphthen làm tăng khả năng thu được các cấu tử có trị số RON cao.
• Giảm tỷ lệ H2/HC sẽ làm giảm khả năng vận chuyển hỗn hợp sản phẩm khỏi bề
mặt xúc tác, do đó làm tăng khả năng tạo cốc bám trên xúc tác, lượng cốc này sẽ được đốt triệt để ở tháp tái sinh xúc tác.
• Khi giảm lưu lượng hydro tuần hoàn sẽ làm giảm áp suất ở thiết bị phản ứng, điều
Hình 2.1 Ảnh hưởng của áp suất lên sản lượng sản phẩm [11]
2.3 Nghiên cứu thống kê cơ sở dữ liệu vận hành tại BSR
Theo báo cáo chạy thử từ ban nghiên cứu và phát triển, để kiểm tra khả năng đáp ứng của thiết bị trao đổi nhiệt, năm 2016 phân xưởng đã thử nghiệm giảm dịng khí hydro tuần hồn xuống 42.900 Nm3/hr ở 80% cơng suất phân xưởng ( tức 112 m3/hr nguyên liệu ) tương đương với tỷ lệ H2/HC là 2.24 mol/mol thì thiết bị trao đổi nhiệt vẫn đáp ứng được giới hạn nâng, UOP, nhà cung cấp thiết bị trao đổi nhiệt và ban nghiên cứu phát triển kết luận rằng phân xưởng có thể chạy ở tỷ lệ H2/HC là 2.2 mol/mol [14]
2.4 Nghiên cứu mô phỏng giảm tỷ lệ H2/HC
2.4.1 Giới thiệu về phần mềm KBC Petro-SIM
KBC Petro-SIM là phần mềm mơ phỏng quy trình hàng đầu của KBC và là nền tảng để tối ưu hóa hiệu suất sản phẩm. Cốt lõi của Petro-SIM là các mơ hình mơ phỏng các quá trình một cách nghiêm ngặt nhằm tạo ra các kết quả đáng tin cậy.
2.4.2 Mơ hình mơ phỏng phân xưởng CCR của nhà máy lọc dầu Dung Quất
Hình 2.3 Mơ hình mơ phỏng phân xưởng CCR ở nhà máy lọc dầu Dung Quất Xây dựng mơ hình mơ phỏng dựa trên các bản vẽ sơ đồ dòng (PFD) phân xưởng
Reforming xúc tác của nhà máy lọc dầu Dung Quất kết hợp với thu thập dữ liệu thực tế trong q trình chạy thử ở 110% cơng suất phân xưởng để tinh chỉnh các thông số vận hành tại thiết bị phản ứng, các thiết bị trao đổi nhiệt, các lò đốt. Đồng thời tinh chỉnh số liệu mô phỏng khớp với thông số vận hành thực tế như RON, RVP, yield reformate, LPG, hydro…
Sau khi đã tinh chỉnh thì tiến hành mơ phỏng phân xưởng ở công suất 110%, tương ứng với lưu lượng nguyên liệu 155.8 m3/hr, cố định mục tiêu RON 103, lần lượt giảm lưu lượng hydro tuần hoàn từ 64000 Nm3/hr, 62000 Nm3/hr, 60000 Nm3/hr, 58000 Nm3/hr để đánh giá khả năng tiết kiệm nhiên liệu cho phân xưởng, ta thu được kết quả như hình 2.4
Hình 2.4 Kết quả mơ phỏng giảm lưu lượng hydro tuần hoàn
2.4.3 Kết quả mô phỏng
2.4.3.1. Mô phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hồn 64000 Nm3/hr
Mơ phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hoàn 64000 Nm3/hr, các số liệu thu thập được ghi lại như bảng II.1
Bảng 2.1: Các thông số phân xưởng ở lưu lượng hydro tuần hoàn 64000 Nm3/hr Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8 Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8
Lưu lượng hydro tuần hoàn Nm3/hr 64120 Nhiệt độ vào thiết bị phản ứng 0C 538.19 Lưu lượng khí đốt vào lị đốt Nm3/hr 12675 Lưu lượng hơi nước vào tuabin máy nén kg/hr 19600
Hàm lượng cốc trên xúc tác wt% 4.0056 Nhiệt độ ra khỏi quạt ngưng tụ 0C 45.50 Hiệu suất sản phẩm hydro wt% 4.1522 Hiệu suất sản phẩm C5+ wt% 89.34 Lưu lượng sản phẩm LPG ton/hr 3.078
C5+ RON 102.9994
Tỷ lệ H2/HC được xác định như sau:
H2/HC ratio = số mol hydro / số mol feed Trong đó:
Khối lượng riêng của nguyên liệu: mfeed = 750 kg/m3
Khối lượng phân tử của nguyên liệu: Mfeed = 115 kg/kmol
Độ tinh khiết của dịng hydro tuần hồn: 88%
Số mol hydro = 64120*0.88 / 22.4 = 2519 kmol
Số mol nguyên liệu = 155.8*750 / 115 = 1016.087 kmol
Tỷ lệ H2/HC = 2519 / 1016.087 = 2.48
2.4.3.2. Mô phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hồn 62000 Nm3/hr
Mơ phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hoàn 62000, các số liệu thu thập được ghi lại như bảng II.2
Bảng 2.2: Các thông số phân xưởng ở lưu lượng hydro tuần hoàn 62000 Nm3/hr Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8 Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8
Lưu lượng hydro tuần hoàn Nm3/hr 62117 Nhiệt độ vào thiết bị phản ứng 0C 538.63 Lưu lượng khí đốt vào lị đốt Nm3/hr 12664 Lưu lượng hơi nước vào tuabin máy nén kg/hr 19212 Hàm lượng cốc trên xúc tác wt% 4.0120 Nhiệt độ ra khỏi quạt ngưng tụ 0C 44.41 Hiệu suất sản phẩm hydro wt% 4.1555
Hiệu suất sản phẩm C5+ wt% 89.37 Lưu lượng sản phẩm LPG ton/hr 3.057
C5+ RON 102.9992
Số mol hydro = 62116*0.88 / 22.4 = 2440.27 kmol
Tỷ lệ H2/HC = 2440.27 / 1016.087 = 2.40
2.4.3.3. Mơ phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hồn 60000 Nm3/hr
Mô phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hoàn 60000, các số liệu thu thập được ghi lại như bảng II.3
Bảng 2.3: Các thông số phân xưởng ở lưu lượng hydro tuần hoàn 60000 Nm3/hr Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8 Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8
Lưu lượng hydro tuần hoàn Nm3/hr 60113 Nhiệt độ vào thiết bị phản ứng 0C 539.07 Lưu lượng khí đốt vào lị đốt Nm3/hr 12652 Lưu lượng hơi nước vào tuabin máy nén kg/hr 18827 Hàm lượng cốc trên xúc tác wt% 4.0187 Nhiệt độ ra khỏi quạt ngưng tụ 0C 43.29 Hiệu suất sản phẩm hydro wt% 4.1589 Hiệu suất sản phẩm C5+ wt% 89.41 Lưu lượng sản phẩm LPG ton/hr 3.039
C5+ RON 102.9997
Số mol hydro = 60113*0.88 / 22.4 = 2361.58 kmol
Tỷ lệ H2/HC = 2361.58 / 1016.087 = 2.324
2.4.3.4. Mô phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hoàn 58000 Nm3/hr
Mơ phỏng phân xưởng với lưu lượng hydro tuần hồn 58000, các số liệu thu thập được ghi lại như bảng 2.4
Bảng 2.4: Các thông số phân xưởng ở lưu lượng hydro tuần hoàn 58000 Nm3/hr Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8 Lưu lượng nguyên liệu m3/hr 155.8
Lưu lượng hydro tuần hoàn Nm3/hr 58109 Nhiệt độ vào thiết bị phản ứng 0C 539.53 Lưu lượng khí đốt vào lị đốt Nm3/hr 12639 Lưu lượng hơi nước vào tuabin máy nén kg/hr 18442 Hàm lượng cốc trên xúc tác wt% 4.0256 Nhiệt độ ra khỏi quạt ngưng tụ 0C 42.14 Hiệu suất sản phẩm hydro wt% 4.1621 Hiệu suất sản phẩm C5+ wt% 89.44 Lưu lượng sản phẩm LPG ton/hr 3.02
C5+ RON 102.9996
Số mol hydro = 58109*0.88 / 22.4 = 2282.85 kmol
Tỷ lệ H2/HC = 2282.85 / 1016.087 = 2.247
2.4.4 Phân tích kết quả
Với lưu lượng hydro tuần hồn là 58000 Nm3/hr thì tỷ lệ H2/HC là 2.247 vẫn nằm trong ngưỡng cho phép theo khuyến cáo từ UOP, nhà cung cấp thiết bị E-1301 và ban Nghiên cứu phát triển BSR.
Từ bảng kết quả mô phỏng trên, chúng ta thấy rằng khi giảm lưu lượng hydro tuần hồn từ 64000 Nm3/hr xuống 58000 Nm3/hr thì hàm lượng cốc bám trên xúc tác tăng lên từ 4.0056 wt% lên 4.0256 wt% làm giảm hiệu quả của xúc tác và sẽ làm giảm RON, như vậy nhiệt độ phản ứng WAIT phải tăng từ 538.19 0C lên 539.53 0C để duy trì RON mục tiêu là 103. Mặc dù nhiệt độ phản ứng tăng nhưng từ kết quả mô phỏng vẫn cho thấy được chúng ta đã giảm tiêu thụ một lượng khí đốt tương ứng là 36 Nm3/hr.
Khi giảm lưu lượng hydro tuần hoàn, áp suất riêng phần của hydro sẽ giảm, thúc đẩy cho các phản ứng đề hydro hóa, làm tăng sản lượng hydro từ 4.1522 wt% lên 4.1621 wt% như bảng kết quả mô phỏng.
Kết quả mô phỏng cũng cho thấy sản lượng xăng reformate tăng 0.0991 wt% và sản lượng LPG giảm 0,0585 tấn/hr khi giảm lưu lượng hydro tuần hoàn
Chương 3. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA VIỆC GIẢM TỶ LỆ H2/HC CỦA PHÂN XƯỞNG REFORMING XÚC TÁC
3.1. Đánh giá về mặt kỹ thuật:
Q trình mơ phỏng giảm tỷ lệ H2/HC của phân xưởng reforming xúc tác từ 2.5 mol/mol xuống 2.247 mol/mol cho thấy với dòng hydro 58000 Nm3/hr vẫn đáp ứng được giới hạn nâng hydrocacbon lỏng của thiết bị trao đổi nhiệt, hàm lượng cốc trên xúc tác tăng từ 4.0056 wt% lên 4.0256 %wt nhưng vẫn nằm trong giới hạn vận hành là 3 – 7%wt [11] và lượng cốc này sẽ được đốt ở tháp tái sinh xúc tác.
Việc giảm dịng khí hydro tuần hồn làm giảm được nhiệt độ dịng cơng nghệ ra khỏi quạt ngưng tụ khoảng 3.4 0C, giúp ổn định vận hành và nâng cao độ tin cậy của thiết bị, làm tiền đề cho việc tăng công suất phân xưởng.
3.2. Đánh giá về mặt kinh tế
Q trình mơ phỏng giảm lưu lượng hydro tuần hoàn từ 64000 Nm3/hr xuống 58000 Nm3/hr để đánh giá lợi ích kinh tế từ việc tiết kiệm nhiên liệu của phân xưởng CCR của nhà máy lọc dầu Dung Quất được tóm tắt như bảng 3.1.
Bảng 3.1 Tóm tắt kết quả mơ phỏng giảm lưu lượng hydro tuần hoàn 64000 Nm3/hr
xuống 58000 Nm3/hr của phân xưởng CCR
Các thông số cần lưu ý Đơn vị Dịng hydro tuần hồn 64000 Nm3/hr Dịng hydro tuần hồn 62000 Nm3/hr Dịng hydro tuần hồn 60000 Nm3/hr Dịng hydro tuần hồn 58000 Nm3/hr Lưu lượng khí đốt vào lị đốt Nm 3/hr 12675 12663 12652 12639
Lưu lượng hơi nước vào tuốc bin
máy nén
kg/hr 19599 19212 18827 18442
Nhiệt độ vào thiết bị phản ứng
0C 538.19 538.62 539.07 539.53
trên xúc tác Nhiệt độ ra khỏi quạt ngưng tụ 0C 45.50 44.41 43.29 42.14 Hiệu suất sản phẩm hydro wt% 4.1522 4.1555 4.1589 4.1621 Hiệu suất sản phẩm C5+ wt% 89.3421 89.3762 89.4087 89.4412 Lưu lượng sản phẩm LPG ton/hr 3.0783 3.0570 3.0386 3.0198 Với số liệu về giá nhiên liệu cập nhật 4/2022 từ Ban Điều độ sản xuất của nhà máy lọc dầu Dung Quất như trong bảng 3.2, lợi ích kinh tế từ việc giảm lưu lượng hydro tuần hoàn từ 64000 Nm3/hr xuống 58000 Nm3/hr sẽ được tính tốn như bên dưới
Bảng 3.2 Bảng giá nhiên liệu cập nhật tháng 4/2022
FG Usd/ton 991
HP Steam Usd/ton 60
Reformate Usd/ton 1108.7
LPG Usd/ton 1026.9
Hydro Usd/ton 1693
3.2.1 Lợi nhuận từ việc giảm tiêu thụ khí đốt:
Lưu lượng khí đốt tiết kiệm được:
FFG = 12675 – 12639 = 36 Nm3/hr
Tỷ trọng riêng của khí đốt :
D = 1.5 kg/m3
Khối lượng khí đốt tiết kiệm được :
MFG = 36 x 1.5 = 54 kg/hr
Lợi nhuận thu được :
MarginFG = 54/1000 x 991 x 24 x 365 = 468782.6 USD/năm
3.2.2 Lợi nhuận từ việc giảm tiêu thụ hơi nước cao áp vào tuốc bin máy nén:
FSTEAM = 19599 – 18442 = 1157 kg/hr
Lợi nhuận thu được :
MarginSTEAM = 1157/1000 x 60 x 24 x 365 = 608119.2 USD/năm
3.2.3 Lợi nhuận từ việc tăng sản lượng hydro:
Sản lượng hydro tăng thêm:
MHYDRO = (4.1621 - 4.1522)/100 x (155.8 x 0.75) = 0.01157 tấn/hr MarginHYDRO = 0.01157 x 24 x 365 x 1693 = 171563.5 USD/năm
3.2.4 Lợi nhuận từ việc tăng sản lượng reformate: