Nguyên liệu sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt E-1301 được đưa đến lò gia nhiệt thứ nhất (H-1301) để nâng nhiệt độ dòng nguyên liệu lên đến nhiệt độ phản ứng theo yêu cầu từ 482 – 5490C và đi vào cụm 4 thiết bị phản ứng chồng lên nhau (Hình 1.6). Trước tiên dịng ngun liệu đi vào thiết bị phản ứng thứ nhất (R-1301). Lần lượt sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng thứ nhất (R-1301) sẽ qua lò gia nhiệt thứ hai (H- 1302), sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng thứ hai (R-1302) sẽ qua lò gia nhiệt thứ ba (H-1303), sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng thứ ba (R-1303) sẽ qua lò gia nhiệt thứ tư (H-1304) rồi đi vào thiết bị phản ứng thứ 4 (R-1304). Sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng thứ tư sẽ trao đổi nhiệt với dịng ngun liệu tại E-1301 và đi đến bình tách 2 pha.
Hình 1.6: Dịng ngun liệu vào và ra thiết bị phản ứng
Sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng thứ tư (R-1304) sau khi trao đổi nhiệt với dòng nguyên liệu vào tại E-1301 sẽ đi đến thiết bị làm mát bằng khơng khí E-1303 và đi vào bình tách 2 pha D-1301 (Hình 1.7).
• Pha khí được đưa đến máy nén khí tuần hồn C-1301.
• Pha lỏng được bơm P-1301 bơm đến thiết bị thu hồi lỏng và tháp tách
Hình 1.7: Dịng sản phẩm ra thiết bị phản ứng đến bình tách 2 pha
Dịng khí từ bình tách 2 pha D-1301 sẽ được đưa đến máy nén khí tuần hồn C- 1301 (Hình 1.8) để nén lên áp suất khoảng 6 Kg/cm2g và sau đó :
• Tuần hoàn quay lại khu vực phản ứng (đến thiết bị trao đổi nhiệt E-1301) • Đến cụm thu hồi lỏng.
• Đến thiết bị thu gom xúc tác (Catalyst collector) dưới đáy thiết bị phản ứng thứ tư (R-1304)
Hình 1.8: Máy nén khí H2 tuần hồn
Dịng lỏng từ bình tách 2 pha D-1301 và dịng khí từ máy nén C-1301 sẽ được đưa qua cụm thu hồi lỏng (Hình 1.9) để thu hồi lượng xăng Reformate kéo theo dịng khí.
Hình 1.9: Cụm thu hồi lỏng (Recovery Plus System)
Dịng lỏng và khí sẽ được làm lạnh xuống khoảng -18 ÷ -22oC và được đưa qua tháp hấp thụ (Hình 1.10) để thu hồi lượng lỏng kéo theo. Sản phẩm lỏng sau khi thu hồi sẽ được đưa qua tháp tách debutanizer, sản phẩm khí sẽ được đưa đến thiết bị hấp phụ khí HCl và đưa đến phân xưởng NHT để nâng áp và cấp cho các phân xưởng tiêu thụ khí H2.
Hình 1.10. Tháp hấp thụ
Dịng lỏng từ thiết bị tách 2 pha D-1301 và từ cụm thu hồi lỏng được đưa đến tháp tách Debutanizer (hình 1.11). Sản phẩm chính bao gồm: sản phẩm đáy là xăng Reformate và sản phẩm đỉnh là LPG. Mục đích của tháp debutanizer là ổn định áp suất hơi bão hòa cho xăng Reformate trước khi được đưa vào phối trộn xăng thương phẩm.
Hình 1.11: Tháp tách Debutanizer
Dịng sản phẩm LPG sau khi ra khỏi Debutanizer sẽ được đưa qua thiết bị hấp phụ HCl trước khi được đưa ra bể xuất sản phẩm (Hình 1.12)
1.2.4.2. Khu vực tái sinh (Regeneration)
Hình 1.13: Sơ đồ khu vực tái sinh xúc tác tại phân xưởng CCR của Nhà máy Lọc dầu Dung Quất
a) Mô tả thiết bị khu vực tái sinh :
Khu vực tái sinh gồm các thiết bị chính :
• Tháp đốt cốc (Regeneration tower) ;
• Bình làm kín bằng N2 để ngăn cách môi trường oxy và hydrocacbon (N2 seal
drum) ;
• Bình chứa để nâng xúc tác sau khi tái sinh qua khu vực phản ứng (Lock Hopper) ; • Hệ thống nâng xúc tác bẩn và xúc tác đã tái sinh (Spent lift gas & Regenerated lift
gas) ;
• Tháp trung hịa (Vent Gas tower) ;
• Các thiết bị gia nhiệt dịng khí để đốt cốc (Regeneration Gas Heater)…
b) Mô tả công nghệ khu vực tái sinh :
Xúc tác sau khi tham gia quá trình phản ứng và đi ra khỏi thiết bị phản ứng cuối cùng (Reactor #4) và đến bộ phận gom xúc tác, tại đây sẽ dùng dịng khí H2 để đẩy lượng Hydrocarbon cuốn theo xúc tác, tránh kéo theo qua khu vực tái sinh (Hình 1.14)
Hình 1.14 Thiết bị thu gom xúc tác
Sau đó xúc tác được nâng đến thiết bị tách bụi bằng dịng khí N2. Tại đây ngồi nhiệm vụ tách bụi, thiết bị này cịn có nhiệm vụ tạo môi trường ngăn cách giữa khu vực phản ứng (môi trường hydrocacbon) và thiết bị tái sinh (mơi trường khí Oxy) để tránh nguy cơ cháy nổ (Hình 1.15)
Hình 1.15 Thiết bị tách bụi xúc tác
Sau đó xúc tác sẽ đi đến thiết bị tái sinh xúc tác (Hình 1.16) để thực hiện quá trình đốt cốc. Cốc hình thành tại cụm thiết bị phản ứng sẽ được đốt tại khu vực này với sự có mặt của khí O2 và nhiệt độ cao.
Hình 1.16: Tháp tái sinh xúc tác CCR
Quá trình tái sinh gồm 4 giai đoạn: đốt cốc, oxy clo hóa, làm khơ và khử xúc tác sau tái sinh. Hàm lượng cốc/xúc tác sau tái sinh nhỏ hơn 0.1 % wt
• Giai đoạn oxy hóa
Đây là phương pháp tái sinh chất xúc tác bằng cách đốt cháy cốc bám trên bề mặt chất xúc tác bằng oxy khơng khí ở nhiệt độ 400 - 500 oC. Chất xúc tác sau khi đã tái sinh chứa ít hơn 0,2% cốc.
Quá trình diễn ra tại đỉnh của tháp tái sinh. Xúc tác đi vào thiết bị tái sinh từ trên xuống vào vùng đốt. Dịng khí nóng chứa hàm lượng nhỏ oxy được đưa vào tháp từ ngoài vào trong và di chuyển xuyên tâm. Quá trình đốt cốc diễn ra khi xúc tác di chuyển xuống và lượng cốc phải được đốt hết khi xúc tác rời khỏi vùng đốt.
Dịng khí đốt nóng sẽ nhập chung với dịng khí đi lên từ vùng Chlorination. Là dịng khí giàu oxy để cung cấp oxy cho q trình đốt cốc. Hỗn hợp khí sau đó được đưa tuần hoàn lại bởi máy nén.
Máy nén hồi lưu dịng khí từ vùng đốt về lại thiết bị, một phần dịng khí được làm lạnh tại để giảm bớt nhiệt độ sinh ra do q trình đốt cốc. Dịng đi ra sẽ được đưa đết thiết bị trao đổi nhiệt để nâng lên nhiệt độ thích hợp vào vùng đốt trong trường hợp nhiệt tổn thất trong đường ống nhiều.
Xúc tác sau khi rời khỏi vùng đốt đi vào vùng Reheat. Tại vùng này xúc tác tiếp xúc với dịng khí đốt nóng từ máy nén. Mục đích của vùng này là để nâng nhiệt độ của xúc tác đến nhiệt độ yêu cầu của vùng chlorination.
Hình 1.17 Vùng đốt cốc
• Giai đoạn clo hóa
Chất xúc tác sau một thời gian sử dụng thì hàm lượng Clo bị giảm xuống và do đó làm giảm tính axit dẫn đến làm giảm hoạt tính. Để khắc phục hiện tượng này người ta tiến hành Clo hóa chất xúc tác
Hợp chất chloride + O2 → HCl + CO2 + H2O HCl + O2 Cl2 + H2O
Gốc-OH + HCl → gốc-Cl + H2O
Xúc tác đi xuống vùng chlorination bởi một tấm ngăn hình khun. Dịng chroride hữu cơ được bơm đưa vào tháp nhập chung với dịng khí nóng đi lên từ vùng sấy, đi qua lớp xúc tác và qua vùng reheat.
Hình 1.18: Vùng chlorination
• Giai đoạn sấy
Giai đoạn này để sấy khô xúc tác bị ẩm trong vùng đốt coke. Vùng sấy nằm bên dưới vùng Chlorination.
Xúc tác đi xuống vùng này qua ống hình trụ, dịng khí khơ nóng đi từ dưới lên trên qua lớp xúc tác. Dịng khí được nâng đến nhiệt độ thích hợp bởi lị đốt rồi đi vào tháp.
Hình 1.19 Vùng sấy
• Giai đoạn làm lạnh
Vùng làm lạnh dùng để tiền gia nhiệt cho dịng khí đi lên vùng sấy.
Khí ra khỏi vùng làm lạnh được đưa qua thiết bị gia nhiệt để đưa vào vùng sấy.
Hình 1.20: Vùng làm lạnh
• Giai đoạn khử
Xúc tác sau khi tái sinh sẽ được khử để chuyển tâm kim loại từ trạng thái oxit kim loại sang trạng thái khử bằng dịng khí H2
Hình 1.21: Vùng khử
Xúc tác sau khi ra khỏi thiết bị đốt cốc sẽ đi xuyên qua thiết bị ngăn cách bằng ni tơ, thiết bị này có tác dụng ngăn cách môi trường oxy và môi trường hydro nhằm tránh khả năng cháy nổ (hình 1.22)
Hình 1.22 Thiết bị ngăn cách mơi trường ơ xy và hydro
Xúc tác ra khỏi thiết bị đốt cốc T-1351 được đưa đến thiết bị D-1358 (Hình 1.23). Tại đây xúc tác sẽ được nâng theo mẻ thông qua điều khiển chênh lệch áp suất giữa các vùng trong thiết bị và sử dụng dịng khí H2 để nâng xúc tác đến thiết bị khử xúc tác.
Hình 1.23: Thiết bị vận chuyển xúc tác đã tái sinh
Xúc tác sau khi tái sinh sẽ được khử để chuyển tâm kim loại từ trạng thái oxit kim loại sang trạng thái khử bằng dịng khí H2 (Hình 1.24). Quá trình khử được tiến hành ở 2 giai đoạn: nhiệt độ thấp (377oC) và nhiệt độ cao (492oC). Xúc tác sau khi được thực hiện xong quá trình khử sẽ đi vào thiết bị phản ứng thứ nhất và tham gia lại vào quá trình phản ứng ban đầu.
Hình 1.24: Xúc tác được khử sau khi tái sinh.
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 công 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