3.2.1. Sơ đồ cracking xúc tác hạt cầu chuyển động
Sơ đồ gồm hai phần chính : phần thứ nhất là quá trình cracking và tái sinh xúc tác, phần thứ hai là gia nhiệt và phân chia sản phẩm.
Hình 3.1. Sơ đồ cracking xúc tác hạt cầu chuyển động [4] I. Nguyên liệu II. Hỗn hợp khí C3, C4 III. Xăng IV. Phân đoạn 195÷350oC V. Phân đoạn >350oC VI. Nước VII. Khí nén VIII. Không khí nén IX. Hơi nước
1. Thiết bị phản ứng 2. Thiết bị tái sinh 3. Tháp chưng phân chia sản phẩm 4. Tháp tái bốc hơi 5. Lò gia nhiệt 6. Thiết bị phân ly
7. Máy nén 8. Thiết bị trao đổi nhiệt
Nguyên liệu được bơm vận chuyển qua hệ thống trao đổi nhiệt sau đó đi vào lò gia nhiệt (5). Tại lò gia nhiệt (5) nguyên liệu được gia nhiệt và bay hơi. Hơi nguyên liệu từ lò gia nhiệt (5) đi vào vung phản ứng của thiết bị phản ứng (1). Tại thiết bị phản ứng (1), hơi nguyên liệu tiếp xúc với xúc tác, nguyên liệu và xúc tác được khuấy trộn với nhau từ trên xuống dưới. Để dễ dàng tách sản phẩm ra khỏi xúc tác, người ta cho hơi nước vào sản phẩm. Hơi sản phẩm tách ra được cho vào tháp chưng phân chia sản phẩm (3) để phân thành các phân đoạn thích hợp.
được chuyển đến vùng tách sản phẩm ra khỏi xúc tác. Sau đó xúc tác được lấy ra khỏi thiết bị phản ứng chuyển sang ống vận chuyển và nhờ khí nén vào bunke-phân ly. ở đây, khí lò được tách và cho ra ngoài, còn xúc tác cho vào bunke thiết bị tái sinh (2). Xúc tác đi vào qua vùng tái sinh từ trên xuống dưới. Cốc bám trên xúc tác được đốt bằng dòng không khí đưa từ ngoài vào. Xúc tác đã tái sinh được chuyển sang ống vận chuyển, từ đó vào bunke thiết bị phản ứng.
Bảng 3.1. Chế độ công nghệ của quá trình [4]
- Nguyên liệu vào lò (5)
- Nguyên liệu trước khi vào thiết bị phản ứng (1) - Hơi sản phẩm trước khi vào tháp chưng (3) - Xúc tác vào thiết bị tái sinh (2)
- Xúc tác vào thiết bị phản ứng (1)
- Bội số tuần hoàn xúc tác, tấn/tấn nguyên liệu
Nhiệt độ, oC 200 285 480 480 590 2,1 Hàm lượng cốc trên xúc tác % trọng lượng
- Vào thiết bị tái sinh (2) - Vào thiết bị phản ứng (1)
2,45 0,65
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý quá trình cracking xúc tác một bậc trong lớp xúc tác giả sôi [4]
1. Thiết bị tái sinh 2. Xyclon lọc bụi 3. Thiết bị phản ứng 4. Tầng sôi 5. Bộ phận phân phôi không khí
6. Đường ống cho nguyên liệu và xúc tác vào thiết bị phản ứng
7. Van điều chỉnh cho xúc tác ra 8. Chỗ trộn xúc tác với nguyên liệu 9. Máy nén không khí vào hệ thống 10. Lò gia nhiệt nguyên liệu
11. Ống vận chuyển xúc tác đã bám cốc 12. Ống dẫn xúc tác đã tái sinh 13. Thiết bị nhả hấp phụ 14. Cửa lấy xúc tác đã tái sinh
Xúc tác tái sinh đi từ thiết bị tái sinh (1) qua cửa (14) theo hệ thống đường ống (12) cho xúc tác xuống điểm giao nhau (8), ở đây trộn xúc tác với nguyên liệu đã đư ợc đốt nóng đi từ lò (10) sang. Hỗn hợp nguyên liệu với xúc tác theo đường ống (6) đi vào thiết bị phản ứng (3). Hỗn hợp đi vào thiết bị phản ứng ở lối vào theo đường tốc độ tuyến tính và rơi nhanh xuống các phần nhỏ của xúc tác tạo thành lớp tầng sôi (4), ở đây xảy ra phản ứng cracking.
Chiều cao lớp xúc tác, chọn dựa theo thời gian tiếp xúc cần cho. Khí tách ra khỏi xúc tác trong xyclon lọc bụi (2). Sản phẩm cracking lấy cho sang tháp chưng cất sản phẩm, còn bụi xúc tác được giữ lại và từ xyclon (2) quay lại tầng sôi.
Xúc tác đã làm vi ệc (đã b ám cốc) lấy ra khỏi thiết bị phản ứng (3), cho sang thiết bị nhả hấp phụ (13) để tách hết hơi sản phẩm ra khỏi bề mặt xúc tác. Sau đó chúng được đưa vào van điều chỉnh (7) rồi được đưa vào thiết bị tái sinh (1) nhờ máy nén không khí vào hệ thống (9). Sau đó, xúc tác lại trở về thiết bị phản ứng.
3.3. Công nghệ FCC ngày nay
Quá trình FCC của một số hãng công nghiệp nổi tiếng gồm có [2,3,4].
3.3.1. Quá trình của hãng UOP
Hãng UOP là một trong các nhà công nghệ hàng đầu thế giới trong phát triển và cải tiến hệ thống cracking xúc tác. Quá trình cải tiến công nghệ của UOP có thể mô tả theo như sau:
- Công nghệ cracking xúc tác trong lớp giả sôi 1 bậc tái sinh (FCC).
- Công nghệ cracking xúc tác với nguyên liệu cặn nặng hai bậc tái sinh (RCC). - Công nghệ cracking xúc tác với thời gian siêu ngắn chỉ bằng phần triệu giây
phận làm lạnh xúc tác để điều chỉnh nhiệt độ lò tái sinh. Những tiến bộ trong sơ đồ công nghệ RCC của UOP bao gồm :
- Linh động trong nguyên liệu và sản phẩm.
- Giảm được các chi phí đầu tư và độ phức tạp của nhà máy lọc dầu. - Chi phí vận hành thấp.
- Thời gian hoạt động của xúc tác lâu.
Hình 3.5. Sơ đồ thiết bị phản ứng cracking với thời gian siêu ngắn (MSCC) của UOP [4]
Hình 3.6. Sơ đồ RFCC của hãng Kellog [4]
Nhà máy RFCC đầu tiên của Shell được xây dựng ở Anh năm 1988. Sau đó, đến năm 1990 Shell đã xây dựng nhà máy thứ 2 ở Singapo. Đến năm 1992 Shell xây dựng nhà máy RFCC thứ ba ở Austraylia.
Bản quyển công nghệ Shell RFCC thuộc các công ty Shell International Petroleum Maatschappij B.v. và Shell intemational Research Maatschappij B.v ricns ở Nhật Bản do công ty Shell Kosan, Tokyo nắm giữ.
Quá trình cracking xúc tác lớp sôi với nguyên liệu cặn nặng rộng của Shell ( Shell. LRFCC - Long Residue FCC) có bộ phận làm nguội xúc tác để tránh sự đốt cháy quá nhiệt xúc tác. Sơ đồ công nghệ quy trình Shell.LRFCC hay Shell Resid FCC công suất 40 00 thùng ngày được mô tả trên hình 3.7.
3.3.4. Quá trình của Stone & Webster
Quá trình S&W được phát triển bởi Total Petroleum Inc và Stone & Webster để chế biến các nguyên liệu cặn nặng cũ ng như gasoil chân không. Công nghệ này đạt được các tiến bộ sau:
Tiến bộ tron g công nghệ phun nguyên liệu dưới dạng sương rất mịn thông qua đầu phun vào trong riser. Với công nghệ, này xúc tác và nguyên liệu tiếp xúc và truyền nhiệt cho nhau đạt hiệu quả rất cao .
Tiến bộ tron g việc chọn lựa xúc tác: Total Petroleum Inc là hãng tiên phong trong sử dụng xúc tác siêu bền USY cho hiệu suất cốc thấp. Quá trình được thực hiện tốt hơn khi dùng REY cho nguyên liệu gasoil.
Tiến bộ trong việc phân tách hơi sản phẩm và xúc tác đã qua sử dụng.
Quá trình tái sinh xúc tác 2 cấp cho xúc tác hoạt động lâu dài hơn ngay cả khi hàm lượng kim loại cao (100000 ppm Ni + V). Linh động trong việc đốt cháy CO, điều chỉnh tỷ lệ xúc tác trên dầu.
3.3.5. Quá trình của hãng Exxon
3.3.6. Quá trình cracking xúc tác của hãng IFP
Hãng IFP cũng đưa ra công nghệ cracking xúc tác tầng sôi thông thường (FCC) và công nghệ cracking xúc tác cặn nặng của IFP còn đư ợc gọi là quá trình R2R. Quá trình R2R khắc phục được những hạn chế của các quá trình FCC thông thường. R2R có thể cracking các phân đoạn nặng như cặn chưng cất khí quyển cũng như gasoil có đ ộ Condrason cacbon lên tới 10% và hàm lượng kim loại cao.
Những cải tiến của quá trình R2R bao gồm [4]:
- Cải tiến trong thiết kế ống nâng (riser) và thiết bị nhả hấp phụ (stripper) (tăng cấp xúc tác, cải tiến bộ phận nạp nguyên liệu, hệ thống điều chỉnh nhiệt độ khối phản ứng MTC,...).
- Cải tiến trong thiết kế hệ thống tái sinh xúc tác hai bậc (tái sinh hai bậc giảm sự mất hoạt tính xúc tác,... ).
So với quá trình FCC thông thường thì quá trình R2R có các ưu điểm sau : - Hiệu suất cốc và khí thấp.
- Hiệu suất xăng và phần cất trung bình bằng hoặc tốt hơn quá trình FCC khi cùng chế biến nguyên liệu VGO.
Chế độ vận hành linh động, yêu cầu bảo trì thấp, độ lựa chọn cao với phần cất trung, xăng và olefin.
CHƯƠNG 4. PHÂN XƯỞNG CRACKING XÚC TÁC PHÂN ĐOẠN CẶN NHÀ MÁY LỌ C DẦU DUNG QUẤT
4.1.Tổng quan về nhà máy lọc dầu Dung Quấ t
Nhà máy lọc dầu (NMLD) Dung Quất là NMLD đầu tiên của Việt Nam được xây dựng tại hai xã Bình Thuận và Bình Trị huyện Bình Sơn tỉnh Quảng Ngãi, với tổng mức đầu tư 3 tỷ USD. Diện tích sử dụng : Diện tích tổng nhà máy được tính toán xấp xỉ là 338 hecta mặt đất và 471 hecta mặt biển, bao gồm như sau [5]:
- Nhà máy chính ( toàn bộ các phân xưởng công nghệ, phụ trợ và khu vực ngoại vi): 110 ha.
- Khu bể chứa dầu thô : 42 ha. - Khu bể chứa sản phẩm: 44 ha.
- Tuyến ống lấy nước biển và xả nước thải: 4 ha.
- Hành lang an toàn cho tuyến ống dẫn sản phẩm:40 ha. - Cảng xuất sản phẩm: 135 ha ( mặt đất và mặt biển).
Hình 4.1. Sơ đồ tổng thể vị trí nhà máy lọc dầu Dung Quất
Với công suất thiết kế 6,5 triệu tấn/năm, tương đương với 148.000 thùng/ngày với nguồn nguyên liệu là 100% dầu thô Bạch Hổ (Việt Nam) hay dầu có chất lượng tương đương dầu Bạch Hổ, hoặc dầu thô hỗn hợp 85% Bạch Hổ - 15% Dubai. Trong tương lai gần với nhu cầu ngày càng cao của thị trường, nhà máy đang có kế hoạch nâng công suất chế biến lên 10 triệu tấn/năm.
Hình 4.2. Sơ đồ các cụm phân xưởng nhà máy lọc dầu Dung Quất • Các phân xưởng công nghệ: Bao gồm 14 phân xưởng công nghệ:
- Phân xưởng 011: Chưng cất khí quyển (CDU) - Phân xưởng 012: Xử lý Naphtha bằng Hydro (NHT) - Phân xưởng 013: Reforming xúc tác liên tục (CCR) - Phân xưởng 014: Xử lý Kerosene (KTU)
- Phân xưởng 015: Cracking xúc tác tầng sôi cặn chưng cất khí quyển (RFCC) - Phân xưởng 016: Xử lý LPG (LTU)
- Phân xưởng 017: Xử lý Naphtha của phân xưởng RFCC (NTU) - Phân xưởng 018: Xử lý nước chua (SWS) - Phân xưởng 019: Tái sinh Amine (ARU) - Phân xưởng 020: Trung hòa kiềm thải (CNU)
- Phân xưởng 022: - Phân xưởng 023:
Thu hồi lưu huỳnh
Đồng phân hóa Naphtha nhẹ
(SRU) - Phân xưởng 024: Xử lý LCO bằng hydro (LCO-HDT) Ngoài ra, Nhà máy Poly Propylen cũng là 1 phân xư ởng thuộc nhà máy lọc dầu - Phân xưởng 025: Poly Propylen (PP) . • Các phân xưởng phụ trợ: Bao gồm 11 phân xưởng phụ trợ - Hệ thống cấp nước sinh hoạt, nước công nghệ, nước khử khoáng U031 - Hệ thống hơi nước và nước ngưng U032 - Phân xưởng nước làm mát U033 - Hệ thống lấy nước biển U034 - Phân xưởng khí điều khiển +
khí công nghệ U035 - Hệ thống sản xuất Nitơ U036 - Hệ thống cung cấp khí nhiên liệu U037 - Hệ thống dầu nhiên liệu U038 - Hệ thống cung cấp kiềm U039 - Hệ thống nhà máy điện U040 - Hệ thống lọc nước thẩm thấu RO (Revers e Osmosi c) • Phân xưởn g ngoại vi - Khu bể chứa trung gian U051 (gồm 23 bể) - Khu bể chứa sản phẩm U052 (gồm 22 bể) - Trạm xuất sản phẩm bằng đường bộ U053
- Phân xưởng phối trộn sản phẩm U054
- Hệ thống phân phối dầu rửa (flushing Oil) U055
- Phân xưởng thu hồi dầu thải U056
- Hệ thống đuốc đốt U057 - Phân xưởng xử lý nước thải PP U058 - Khu bể chứa dầu thô U060 - Đường ống dẫn sản phẩm U071 - Phao rót dầu không bến 1 điểm neo SPM U082
4.1.2. Sản phẩm thương mại củ a nhà máy
- Khí hóa lỏng LPG (cho thị trường nội địa) - Propylene
- Xăng mogas 92/95 - Dầu hỏa
- Nhiên liệu phản lực Jet A1 - Diesel ô tô
- Dầu đốt (FO).
4.2. Tổng quan về phân xưởng cracking xúc tác tầng sôi cặn (U015)4.2.1. Giới thiệu chung 4.2.1. Giới thiệu chung
Phân xưởng cracking cặn xúc tác tầng sôi NMLD Dung Quất nằm trong khu vực công nghệ chính của nhà máy [5].
Mục đích chính của phân xưởng RFCC là chuyển hóa cặn dầu thô các loại thành các sản phẩm có nhiệt độ sôi thấp hơn, có giá trị cao hơn, chủ yếu là LPG C3-C4, gasoilin, và LCO. Trong đó naphta được đưa tới phân xưởng NTU, LCO được đưa tới phân xưởng LCO HDT, LPG được đưa tới phân xưởng LTU, một phần được dự trữ trong các bể chứa.
• Bản quyền công nghệ
Phân xưởng RFCC NMLD Dung Quất sử dụng công nghệ cracking cặn xúc tác tầng sôi R.2.R thuộc bản quyền của IFP.
• Nguyên liệu
Phân xưởng cracking cặn xúc tác tầng sôi (RFCC) trong NMLD Dung Quất được thiết kế để xử lý cặn chưng cất khí quyển từ 2 loại dầu thô:
- Dầu thô Bạch Hổ (100% dầu Bạch Hổ)
- Dầu thô hỗn hợp Bạch Hổ và Dubai (tỷ lệ 1 tấn Dubai/5,5 tấn Bạch Hổ)
• Chế độ vận hành
Phân xưởng RFCC có thể linh hoạt hoạt động theo 2 chế độ: - Chế độ maximize RFCC naphta (tối đa xăng)
- Chế độ maximize LCO (tối đa phần cất) • Sản phầm
Các sản phẩm của phân xưởng RFCC đã tìm hi ểu ở mục 2.3. • Chất xúc tác [6]
Xúc tác mới (Fresh Catalyst)
Bảng 4.1.Tính chất của xúc tác mới [6]
Tính chất Yêu cầu
Phân bố kích thước hạt PSD, mm Giảm các hạt có PSD <40mm tránh mất mát xúc tác
Diện tích bề mặt SA, m2/g Theo nhà sản xuất
Hàm lượng Na (%kl) Hàm lượng Na càng thấp càng tốt (<0,2% khối lượng)
Hàm lượng kl đất hiếm Theo nhà sản xuất
Xúc tác cân bằng
Xúc tác cân bằng được rút ra từ phân xưởng RFCC có thể được tái sử dụng hay loại bỏ. Trong trường hợp xúc tác cân bằng có chất lượng tốt thì sẽ được sử dụng khi khởi động phân xưởng để bù vào sự mất mát hay khi rửa xúc tác.
Xúc tác sau khi tái sinh có chất lượng đảm bảo có thể được sử dụng lại: - Tổng hàm lượng kim loại Ni,V tối đa là : 3000÷5000 ppm - Hoạt tính MAT khoảng : 67 wt%
- Kích thước phân tử trung bình khoảng : 70.10-6 m - Lượng xúc tác có kích thước phân tử 0-40.10-6m : trên 10 % - SA(bề mặt riêng) : trên 125 m2/g - CRC (carbon regenerated catalyst) : dưới 0.1 wt% - Hàm lượng các nguyên tố đất hiếm : dưới 1 wt%
Xúc tác bị loại bỏ
Khu vực công nghệ chính của phân xưởng RFCC được chia thành 4 khu vực chính bao gồm [6]:
- Khu vực phản ứng - Khu vực tái sinh xúc tác - Khu vực tách sản phẩm - Khu vực thu hồi khí.
Công nghệ cracking xúc tác với 2 tầng tái sinh xúc tác, hệ thống phun nguyên liệu và hệ thống tác xúc tác độc quyền. Công nghệ này đã lo ại bỏ được nhiều hạn chế của công nghệ FCC trước đó, giúp phân xưởng FCC hoạt động linh hoạt tối đa quá trình chuyển hóa các nguyên liệu cặn dầu thô, cũng như hỗn hợp của khí dầu mỏ và cặn chưng cất chân không.
4.2.2.1. Hệ thống phản ứng
Nguyên liệu được đưa tới đáy của ống nâng D-1501 và được chia thành các dòng có lưu lượng bằng nhau được điều khiển bởi các điều khiển lưu lượng FIC-003A-F tới 6 vòi phun nguyên liệu I-1501A-F, góc tạo bởi 2 vòi phun cạnh nhau là 60 độ, vòi phun hướng một góc 45o với trục của ống nâng. Nguyên liệu được gia nhiệt để đảm bảo sự phân tán tốt và được phối trộn với dòng hơi nước phân tán trong các vòi phun nguyên liệu I- 1501A-F và được phun vào bên trong ống nâng D-1501. Các giọt nguyên liệu được phân tán nhỏ kết hợp xúc tác nóng đã tái sinh theo hư ớng ngược nhau và bị hóa hơi ngay lập tức. Sau khi các phản ứng cracking xảy ra, sản phẩm hơi di chuyển lên phía trên của ống nâng mang theo cả xúc tác. Thời gian lưu trong ống nâng xấp xỉ 2 giây theo ở các điều