Trong thực tế công nghiệp, alkylation hoâ isoparafin bằng olefine đê vă đang phât triển hai quâ trình với hai loại xúc tâc khâc nhau lă axit H2SO4 vă HF.
Hình 1.5.Sơ đồ khối quâ trình alkylation với tâc nhđn lă olefin, xúc tâc lă axit
Nguyín liệu gồm olefin vă i-butan được cho văo thiết bị phản ứng. Hỗn hợp sau phản ứng qua thiết bị lắng. Tại đđy, axit được thu hồi vă cho hồi lưu lại thiết bị phản ứng. Hỗn hợp hydrocacbon cho qua khu vực phđn tâch. Propan, n-butan, alkylate đuợc thu hồi. I-butan cũng được thu hồi vă cho hồi lưu lại quâ trình.
Thiết bị phản ứng Phđn tâch sản phẩm Buồng lắng Axit i-butane Olefine
i-butane hồi lưu
Xúc tâc axit
LPG Propane
n-butane Akylat
Dòng i-C4 bổ sung phải đủ để bù lại lượng i-C4 tiíu thụ trong thiết bị phản ứng vă lượng i-C4 mất mât trong quâ trình chưng cất.
1.6.1. Công nghệ alkylation bằng xúc tâc H2SO4
Có 2 công nghệ chính:
Exxon/Kellogg
Stratco
Hai công nghệ đều được chia thănh 3 vùng:
• Vùng phản ứng: tạo nhũ tương axit với hydrocacbon để tiến hănh phản ứng alkylation hoâ.
• Vùng lắng: lă vùng tiến hănh phđn riíng hai pha axit với hydrocacbon. Axit được cho hồi lưu lại thiết bị phản ứng. Pha hydrocacbon cho qua vùng phđn tâch.
• Vùng phđn tâch: lă nơi tiến hănh phđn riíng alkylate với câc hydrocacbon để thu alkylate sạch hơn. Quâ trình năy được thực hiện nhờ câc thâp chưng phđn đoạn.
Hiện nay trong công nghệ alkylation với xúc tâc H2SO4 sử dụng hai loại thiết bị phản ứng:
Thiết bị phản ứng thẳng đứng: Thiết bị phản ứng thuộc loại ống chùm, bín trong ống ta cho chất tải nhiệt phản ứng đi qua. Còn câc tâc chất tham gia phản ứng đi bín ngoăi ống. Với loại thiết bị phản ứng năy do thời gian lưu trong thiết bị phản ứng không đồng đều cho nín chất lượng alkylate thấp.
Thiết bị phản ứng nằm ngang: Nhược điểm của thiết bị phản ứng thẳng đứng lă tiíu tốn axit rất lớn, mặc khâc thời gian lưu của xúc tâc cũng như của hydrocacbon không đồng đều dẫn đến chất lượng alkylate kĩm ổn định. Nhằm khắc phục những nhược điểm năy, một số tập đoăn như Stratco, Kellogg,.. đê nghiín cứu vă ứng dụng văo sản xuất dđy chuyền công nghệ alkylation loại thiết bị phản ứng nằm ngang.
1.6.1.1. Công nghệ của Strattco
Thiết bị phản ứng Stratco cho phĩp tối thiểu thời gian tiếp xúc giữa nguyín liệu vă xúc tâc, do đó giảm thiểu phản ứng tạo dầu hòa tan. Thiết bị phản ứng được đặt nằm ngang nhưng không phđn chia thănh nhiều bậc. Quâ trình được lăm lạnh bằng dòng hồi lưu nội thông qua hệ thống trao đổi nhiệt dạng ống chùm đặt trong thiết bị phản ứng. Điều năy lăm cho cấu tạo của thiết bị phản ứng loại năy phức tạp vă khó chế tạo. Dòng
hồi lưu nội chính lă hỗn hợp sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng. Dòng năy còn có tâc dụng pha loêng olefin trong thiết bị phản ứng vă điều khiển nhiệt độ phản ứng chính xâc đến 1oC. Đầu nạp liệu được bố trí một tuabin khuấy để tăng cường quâ trình tạo nhũ tương. Phản ứng xảy ra gần như tức thời khi 2 pha axit vă hydrocacbon đi qua cânh tuabin.
Câc thông số chính của công nghệ Strattco:
Tỉ lệ axit/hydrocacbon : >= 1
Thể tích thiết bị: 34 m3 với năng suất riíng 0.39-0.4 m3 alkylation/m3 thiết bị phản ứng
Thời gian lưu: 1000 s
Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
Nguyín liệu vă axit được đưa văo thiết bị phản ứng theo hai đường nạp khâc nhau nhờ tuabin tạo nhũ tương vă xảy ra phản ứng alkylation. Hỗn hợp ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa văo thiết bị lắng axit để tâch axit đưa lại thiết bị phản ứng còn alkylate được giên nở đến 0.6( bar ), -70C vă được đưa lại văo thiết bị phản ứng để lăm lạnh. Sau đó qua thiết bị tâch lỏng, phần hơi được đưa tiếp văo thiết bị phđn chia lỏng. Khí từ đđy qua mây nĩn cùng với phần lỏng qua thiết bị lăm lạnh vă văo tiếp thiết bị phđn chia lỏng. Một phần nhờ bơm bơm văo trao đổi nhiệt ở thiết bị trao đổi nhiệt vă được đưa văo thâp cất propan. Một phần khâc được đưa văo thiết bị tâch lỏng để thu khí cùng với khí từ thiết bị tâch lỏng cho văo thiết bị phđn chia lỏng. Tại thâp tâch propan ta thu được propan trín đỉnh vă sản phẩm đây được đưa văo thiết bịtâch lỏng. Lỏng đi ra từ thiết bị tâch lỏng được tuần hoăn lại thiết bị phản ứng (i-butan). Phần lỏng alkylate thu được từ thiết bị tâch lỏng được đưa văo thiết bị rửa bằng xút vă nước sau đó văo thâp tâch i-butan để thu i-butan tuần hoăn lại thiết bị phản ứng vă alkylate sản phẩm.
1.6.1.2. Công nghệ Exxon/Kellogg
Hình 1.8.Thiết bị phản ứng nằm ngang Exxon/Kellogg
Bộ phận chính của dđy chuyền lă thiết bị phản ứng nằm ngang nhiều bậc (thường khoảng 4-7 bậc). Mỗi bậc thiết bị phản ứng đều có bộ phận khuấy trộn mạnh tạo nhũ tương thích hợp vă câc bậc được phđn biệt bằng những tấm ngăn hình chữ L. Ngoăi ra
còn có 2 phòng lắng: phòng lắng đầu dùng để tâch axit, phòng lắng sau dùng để ổn định hydrocacbon. Với thiết bị phản ứng loại năy thì olefin được đưa văo từng bậc riíng lẻ, do vậy nồng độ thực tế lă rất nhỏ điều năy cho phĩp hạn chế phản ứng phụ. Mặc khâc mỗi một bậc đều có bộ phận khuấy trộn riíng nín dễ dăng tạo được nhũ tương thích hợp vă tăng cường sự hoă tan của i-butan văo pha axit để tiến hănh phản ứng.
I-butan vă axit được đưa văo cấp thứ nhất sau đó hỗn hợp nhũ tương sẽ chảy từ từ qua câc vâch ngăn kế tiếp. Sau khi tâch khỏi hydrocacbon thì axit được tuần hoăn trở lại. Tương tự lượng i-butan thừa sau khi bay hơi để lăm lạnh thiết bị phản ứng cũng được tuần hoăn trở lại. Alkylate thu được được đưa qua câc thâp chưng cất để tâch i- butan, n-butan.
Câc thông số hoạt động của quâ trình:
Nhiệt độ: 4-10oC
Âp suất : bậc đầu tiín: 1.4-1.75 bar bậc cuối cùng 0.35-0.84 bar
Thời gian lưu trong phòng lắng: 30 – 50 phút
Năng suất: 0.15-0.18 m3alkylation/m3TBPU/h
Nguyên liệu I_C4TH ACIDE I_C 4BS ACIDE mới ACIDE thải Nước ESTE ACIDE Xút Xút, nước thải Nước Propane hơi Propane lỏng Butane Alkylate nhẹ Alkylate nặng 5 3 4 2 19 20 18 11 6 4 10 4 10 7 5 11 11 4 18 18 18 4 4 10 10 8 9 5 21 1 4 13 20 14 17 16 15 12 12
Thuyết minh sơ đồ:
Nguyín liệu olefin đầu tiín được lăm lạnh trước vă được đưa văo câc bậc riíng lẽ với lưu lượng bằng nhau. Hai dòng isobutan vă axit hồi lưu được đưa văo thiết bị phản ứng ở ngăn thứ nhất.Với sự có mặt của thiết bị khuấy trộn thì sự tiếp xúc của câc chất tham gia phản ứng vă xúc tâc tốt hơn. Dưới tâc dụng của axit sulfuric thì i-butan vă olefin phản ứng với nhau rất nhanh, tạo alkylate vă tỏa nhiệt. Với hệ thống lăm lạnh tự động, nhiệt phản ứng được tâch loại bằng câch cho bay hơi i-butan từ hỗn hợp phản ứng. Hơi năy đi từ thiết bị phản ứng đến vùng lăm lạnh để trao đổi nhiệt với i-butan tuần hoăn sau đó chúng được nĩn lại, dòng hơi đi ra sau mây nĩn được trộn lẫn với dòng sản phẩm đỉnh đi ra từ thiết bị tâch i-butan (Deisobutanizer) sau đó được cho trao đổi nhiệt với dòng alkylate đi ra từ thâp tâch n-butan để đi văo thâp tâch propan. Propan đi ra từ đỉnh thiết bị tâch, sản phẩm đây chứa đa số lă isobutan, sau đó được lăm lạnh vă quay lại thiết bị phản ứng. Quâ trình tâch propan nhằm mục đích trânh sự tăng nồng độ của nó trong thiết bị phản ứng.
Sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa văo thiết bị lắng gạn (Settler), ở đó pha axit được tâch ra khỏi pha hydrocarbon vă được đưa quay trở lại thiết bị phản ứng. Sản phẩm của phản ứng alkylation chứa isobutan, n-butan vă một lượng nhỏ câc cấu tử nhẹ chưa bốc hơi hết trong thiết bị phản ứng được đưa qua thiết bị xử lý bằng KOH, thiết bị rửa bằng nước để tâch loại câc cấu tử axit trước khi đưa văo thiết bị tâch i-butan, tại đđy i-butan đi ra từ đỉnh thâp được đưa qua trộn lẫn với dòng đi ra từ mây nĩn vă qua thiết bị trao đổi nhiệt với dòng alkylation nói trín trước khi văo thâp tâch propan sản phẩm đỉnh lă propan được đưa về lưu trữ , sản phẩm đây lă i-butan được đưa đi lăm lạnh vă sau đó quay trở lại thiết bị phản ứng. Sản phẩm đây lă alkylation chứa n-butan được đưa quâ thiết bị tâch n-butan, sau thiết bị năy ta thu được n-butan ở đỉnh vă alkylation ở đây, câc sản phẩm được đưa đi thu hồi nhiệt vă văo bồn chứa.
Trong thiết bị phản ứng một phần olefin của nguyín liệu sẽ bị polyme hóa tạo dầu hòa tan trong axit lăm giảm hoạt tính xúc tâc của axit sulfuric. Như đê đề cập ở phần trín, tạp chất trong nguyín liệu cũng lăm tăng xu hướng năy. Vì vậy quâ trình lăm sạch axit sau khi sử dụng phải bắt đầu từ phđn xưởng tâch loại dầu năy, axit mới được đưa văo thay thế cho lượng axit đem đi tâi sinh vă duy trì nồng độ của axit đủ cao để giữ nguyín hoạt tính của xúc tâc. Quâ trình tâi sinh xúc tâc lă nhiệm vụ khó khăn đối với quâ trình alkylation hóa bằng axit sulfuric. Ở Mỹ đê tâi sinh axit đê sử dụng bằng phương phâp lắp đặt thím phđn xưởng sản xuất axit sulfuric. Tuy nhiín ở câc nước
khâc như Nhật Bản có quâ trình sản xuất alkylation với xúc tâc axit sulfuric với năng suất tương đối nhỏ, vì vậy quâ trình điều hănh thiết bị alkylation có lắp đặt thiết bị tâi sinh axit dễ dăng, việc thao tâc đối với những thiết bị năy tương đối đơn giản nhưng lại tăng nguồn đầu tư.
1.6.2. Công nghệ alkylation hóa dùng xúc tâc HF
Có 2 công nghệ chính lă:
UOP
Phillips
Công nghệ dùng xúc tâc HF không có hệ thống khuấy trộn cơ học. Do xúc tâc HF có độ nhớt bĩ vă khả năng hòa tan rất tốt của isobutan văo xúc tâc nín quâ trình tạo nhũ tương được thực hiện rất dễ dăng. Pha hydrocacbon được phun liín tục văo pha axit thông qua lỗ ở đây thiết bị. Nhũ tương chuyển động từ đây lín đỉnh thiết bị vă quâ trình lắng được thực hiện trong thiết bị lắng. Nhiệt độ phản ứng xấp xỉ 30oC, do đó có thể sử dụng tâc nhđn lăm lạnh lă nước.
1.6.2.1. Công nghệ Phillips 7 6 Acide HF 3 1 1 11 11 5 11 11 5 5 2 2 4 HC đi tách xút HC đi tách xút
iso- butane tuần hoàn
5
SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ PHÂN XƯỞNG ALKYL HÓA SỬ DỤNG XÚC TÁC HF
10 7 11 5 8 9 5 Propan đi tách xút 5 5 11 5 11
Hình 1.10.Sơ đồ công nghệ Phillips
Thuyết minh sơ đồ:
Hỗn hợp nguyín liệu mới vă i-butan hồi lưu được phun văo xúc tâc HF. Từ đỉnh của thiết bị phản ứng, nhũ tương được đưa văo zone lắng. Axit được tâch vă hồi lưu lại thiết bị phản ứng sau khi qua thiết bị trao đổi nhiệt. Một phần nhỏ axit được lấy ra khỏi chu trình vă được đưa đi tâi sinh. Xúc tâc sau khi được tâi sinh được hồi lưu lại chu trình. Pha hydrocacbon được đưa đến thâp chưng. Đỉnh thâp thu được propan có chứa HF. HF vă propan được phđn tâch bằng stripping.
Thời gian lưu: 20÷40 s
Năng suất riíng: ≈4÷7m3 alkylate/m3 thiết bị phản ứng/h
Tỉ lệ HF/hydrocacbon: 1÷4
1.6.2.2. Công nghệ UOP
Hình 1.11.Sơ đồ công nghệ UOP
Thuyết minh sơ đồ:
Nguyín tắc hoạt động tương tự như công nghệ Phillips. Thiết bị phản ứng thẳng đứng hoạt động như 1 thiết bị trao đổi nhiệt. Pha hydrocacbon được phđn tân văo trong pha axit qua câc lỗ. Hydrocacbon đưa văo thiết bị theo chiều cao khâc nhau, pha axit được đưa văo ở đây thiết bị. Nhiệt phản ứng tỏa ra được loại bỏ bằng tâc nhđn lăm mât lă nước.
1.6.3. Lựa chọn sơ đồ công nghệ
Trong thực tế câc công nghệ dùng xúc tâc H2SO4 được sử dụng phổ biến hơn vì xúc tâc HF rất độc vă dễ bay hơi. Do vậy ta chỉ phđn tích 2 công nghệ dùng xúc tâc H2SO4
• Công tiíu tốn cho quâ trình khuấy ít hơn.
• Thiết bị lắng axit của sơ đồ năy được bố trí riíng ở ngoăi nín lăm sơ đồ phức tạp vì tăng số thiết bị.
• Cấu tạo thiết bị phản ứng phức tạp
Với sơ đồ alkylation hóa của hêng Kellogg:
• Công nghệ alkylation của hêng Kellogg với thiết bị phản ứng nằm ngang gồm nhiều bậc vă mỗi bậc đều có bộ phận khuấy trộn mạnh do đó cho phĩp tạo được hệ nhũ tương thích hợp dẫn đến tạo điều kiện thuận lợi cho sự hòa tan i-butan văo axit để thực hiện phản ứng alkylation.
• Với việc đưa olefin văo từng bậc riíng rẽ đê hạn chế được câc phản ứng phụ không mong muốn.
• Phương phâp lấy nhiệt bằng câch cho bay hơi một phần i-C4 thừa trong thiết bị phản ứng nín không cần hệ thống chùm ống trao đổi nhiệt vă không lăm giảm hiệu suất lăm lạnh do vận chuyển.
• Việc bố trí thiết bị lắng gồm 2 buồng ngay trong thiết bị phản ứng lăm cho hệ thống sơ đồ ít phức tạp nhưng lại tăng kích thước chung của thiết bị phản ứng.
• Việc bố trí câc hệ thống khuấy ở câc bậc phản ứng lăm tăng tính phức tạp của thiết bị chính cũng như câch bố trí hệ thống khuấy vă công tiíu tốn cho quâ trình khuấy lớn hơn
So sânh ưu nhược điểm của 2 sơ đồ công nghệ alkylation dùng xúc tâc H2SO4, ta thấy sơ đồ công nghệ của hêng Exxon-Kellogg có những ưu điểm hơn vă phù hợp hơn. Vì vậy ta chọn sơ đồ công nghệ của hêng Exxon-Kellogg để sử dụng vă mô phỏng.
CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PROII VĂ HYSYS
2.1. Giới thiệu về mô phỏng
2.1.1. Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng
Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềm chuyên nghiệp.
Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng dến một quá trình đang hoạt động trong thực tế.
Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong cùng thời gian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay. Hơn nữa, chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng một mô hình mẫu để nghiên cứu sự vận hành của một phân xưởng khi thay đổi nguồn nguyên liệu hoặc các điều kiện vận hành của các thiết bị ảnh hưởng đến hiệu suất thu và chất lượng sản phẩm như thế nào ? Điều này sẽ đơn giản, nhanh chóng và tiết kiệm hơn nhiều so với thử trên phân xưởng thực tế. Vì rằng cơ sở tính toán các công cụ mô phỏng thường dựa trên các bộ cơ sở dữ liệu chuẩn hóa, nên một khi đã xây dựng một mô hình hợp lý thì bất kỳ một kỹ sư nào cũng có thể sử dụng nó để tính toán và cho các kết quả chính xác.
Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để :