1.2. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CRACKING XệC TÁC CẶN TẦNG SễI
1.3.2. Quá trình công nghệ
1.3.3.2. Bộ phận tái sinh xúc tác
Thiết bị bộ phận tái sinh xúc tác bao gồm các thiết bị chính sau:
- Tháp tái sinh;
- Bình chứa và khử xúc tác sau sấy (Lock Hopper);
- Các thiết bị phụ (bình tách bụi xúc tác, các bình vận chuyển xúc tác).
Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động các thiết bị chính của bộ phận tái sinh xúc tác đƣợc trình bày trong hình vẽ H-1.41.
a. Tháp tái sinh xúc tác
Tháp tái sinh là thiết bị trong đó quá trình tái sinh chính của xúc tác diễn ra:
đốt coke, phân tán kim loại trên xúc tác, điều chỉnh hàm lƣợng clo và sấy khô xúc tác. Tương ứng với các quá trình này tháp tái sinh xúc tác được phân ra các vùng:
- Vùng đốt coke;
- Vùng oxyclo hóa, phân tán kim loại trên xúc tác và điều chỉnh hàm lƣợng clo.
- Vùng sấy.
Hình H-1.42 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý hoạt động tháp tái sinh xúc tác
Trong sơ đồ công nghệ của bộ phận tái sinh xúc tác, tháp tái sinh xúc tác đặt ngay sau bình tách bụi xúc tác trong tháp này đƣợc phân thành các vùng có chức năng khác nhau nhƣ đã mô tả ở trên.
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và vận hành tháp tái sinh xúc tác đƣợc trình bày trong hình vẽ H-1.42. Tái sinh xúc tác là khu vực cần yêu cầu về an toàn vận hành rất cao do trong khu vực này đồng thời sử dụng các loại khí khi kết hợp với nhau dễ gây cháy nổ (khí hydro và Ôxy, hơi hydrocac bon). Vì vậy, tháp tái sinh xúc vùng có sự dụng khí ô-xy đƣợc cách ly với các vùng khác bằng khí nit- tơ cao áp (xem hình vẽ H-1.42).
Vùng đốt coke
Các thông số công nghệ quan trọng nhất trong vùng đốt coke cần phải đƣợc kiểm soát để đảm bảo chất lƣợng xúc tác tái sinh là:
- Tốc độ tuần hoàn xúc tác;
- Hàm lƣợng ôxy trong vùng đốt coke;
- Hàm lƣợng coke bám trên xúc tác.
Các thông số công nghệ này có mối quan hệ chặt chẽ và ảnh hưởng lẫn nhau trong quá trình vận hành. Việc kiểm soát vùng đốt coke diễn ra rất quan trọng, nếu để quá trình đốt coke xảy ra ở vùng oxyclo hoá hoặc vùng sấy sẽ gây hậu quả xấu cho xúc tác và thiết bị. Trong thực tế, nhân viên vận hành chỉ điều khiển đƣợc hai thông số công nghệ của vùng đốt coke là: Tốc độ tuần hoàn xúc tác và hàm lƣợng ôxy trong vùng đốt. Xúc tác ra khỏi vùng đốt coke phải có hàm lƣợng coke không lớn hơn 0,2% khối lƣợng.
Để đảm bảo hiệu quả đốt coke cao thì hàm lƣợng ôxy trong vùng đốt coke giữ vai trò quan trọng. Hàm lƣợng ôxy trong vùng đốt coke đƣợc kiểm soát bằng hệ thống tự động (kết hợp giữa đầu đo hàm lƣợng ôxy và van xả khí).
Hàm lƣợng khí ôxy thích hợp cho quá trình đốt coke vào khoảng 0,5÷0,8%mol.
Hàm lƣợng ô Hxy trong khí đốt cao sẽ làm nhiệt độ vùng đốt cao gây tác hại xấu cho xúc tác và thiết bị. Ngƣợc lại, nếu hàm lƣợng ôxy thấp thì quá trình đốt coke diễn ra chậm hơn và coke không đƣợc đốt hoàn toàn trong vùng.
Mặc dù hàm lượng coke trên xúc tác ảnh hưởng tới chế độ vận hành của bộ phận tái sinh xúc tác nhƣng thông số này phụ thuộc chủ yếu vào điều kiện vận hành của bộ phận thiết bị phản ứng. Hàm lƣợng coke hình thành trên bề mặt xúc tác phụ thuộc vào các yếu tố sau: Tốc độ nạp liệu, yêu cầu số octan của xăng sản phẩm, chất lƣợng nguyên liệu, tốc độ tuần hoàn, áp suất phản ứng và tốc độ tuần hoàn xúc tác. Trong khoảng vận hành bình thường của thiết bị hàm lƣợng coke bám trên xúc tác sau lò phản ứng khoảng 3÷7%coke.
Nhiệt độ của vùng đốt coke là thông số quan trọng biểu thị hiệu quả quá trình đốt coke. Nhiệt độ vùng đốt coke phụ thuộc vào các yếu tố: hàm lƣợng ôxy đƣa vào, tốc độ tuần hoàn xúc tác, lƣợng coke và tốc độ khí đốt. Nhiệt độ tối đa cho phép vùng đốt coke vào khoảng 590 0C. Sơ đồ cấu tạo và nguyên hoạt động của vùng đốt coke trình bày trong hình vẽ H-1.35.
Vùng oxyclo hóa, phân tán kim loại trên xúc tác và điều chỉnh hàm lƣợng clo
Nhƣ đã phân tích ở trên, trong quá trình phản ứng xúc tác bị mất một phần hoạt tính do coke bám, hiện tƣợng kết tụ kim loại trên xúc tác và mất hàm lƣợng clo. Vì vậy, cần phải thực hiện một số biện pháp để khôi phục hoạt tính của xúc tác. Xúc tác sau khi qua vùng đốt coke đƣợc đƣa tới vùng oxyclo hóa, phân tán kim loại và điều chỉnh hàm lƣợng clo. Vùng này nằm trong tháp tái sinh ngay phía dưới vùng đốt coke.
Vùng oxyclo hóa có nhiệm vụ phân tán lại các tâm kim loại trên xúc tác bị dính kết lại trong quá trình phản ứng và hiệu chỉnh hàm lƣợng clo trong xúc tác.
Quá trình phân tán kim loại và hiệu chỉnh hàm lượng clo trong xúc tác tương đối phức tạp. Có thể tóm tắt sơ lƣợc quá trình này nhƣ sau:
Hình H-1.43 Cấu tạo nguyên lý hoạt động vùng oxyclo hoá và phân tán kim loại Kim loại (Pt) có trên xúc tác trước hết bị ô-xy hoá bằng ô-xy có mặt trong dòng khí để tạo thành liên kết sau đó đƣợc clo hoá tạo thành liên kết giữa Pt-O- Cl2 và hiệu chỉnh thành phần clo trong nền xúc tác (thành phần AlCl2). Nhờ có
các liên kết này mà các phân tử Pt đƣợc phân tán ra bề mặt xúc tác với kích thước nhỏ hơn. Hàm lượng Clo trong xúc tác sau quá trình này cũng được hiệu chỉnh phù hợp với yêu cầu.
Tuy nhiên, vào cuối giai đoạn này thì Platinium kim loại mặc dù đã đƣợc phân tán nhỏ ra trên bề mặt hạt xúc tác nhƣng vẫn còn giữ liên kết với các nguyên tử clo, vì vậy, cần phải tách tiếp liên kết clo với Platinium để trả về dạng kim loại ban đầu. Công việc này sẽ đƣợc thực hiện ở vùng khử ở ngoài tháp tái sinh. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của vùng oxyclo hoá đƣợc trình bày trong hình H-1.43
Vùng sấy là một phần của tháp tái sinh ngay dưới vùng đốt coke phía trên có dạng hình côn phần dưới có dạng hình lăng trụ, phía ngoài có thiết bị gia nhiệt và bộ phận bổ sung clo vào dòng khí. Khí nóng đi từ vùng sấy lên đƣợc tách ra ngoài tháp tái sinh để bổ sung clo và gia nhiệt tới nhiệt độ thích hợp cho phản ứng ô-xy hoá.
Vùng sấy
Nước cũng là một trong những tạp chất ảnh hưởng tới hoạt tính của xúc tác, vì vậy, xúc tác cần phải được sấy khô trước khi đưa tuần hoàn trở lại lò phản ứng. Tác nhân sấy đƣợc sử dụng là không khí. Không khí đƣợc đƣa từ bên ngoài vào vùng sấy của tháp tái sinh. Trước khi vào vùng sấy không khí đƣợc làm khô bằng máy sấy và đƣợc gia nhiệt để tăng động lực quá trình sấy.
Không khí sấy và dòng xúc tác chuyển động ngƣợc chiều nhau trong vùng sấy.
Xúc tác chuyển động từ trên xuống dưới tác động của lực trọng trường, không khí sấy được thổi từ dưới lên và được tách ra khỏi tháp tái sinh ở cuối vùng sấy rồi đƣa sang vùng oxyclo hoá.
Vùng sấy cũng là một bộ phận trong tháp tái sinh, có cấu tạo ngoài hình trụ bên trong phân thành hai ngăn. Ngăn để chứa và phân phối không khí sấy và ngăn chứa xúc tác chuyển động từ vùng trên xuống. Ngăn chứa xúc tác phía trên có dạng hình côn phía dưới là một trụ tròn. Ngăn chứa khí sấy gồm hai vùng: vùng chứa khí trước khi sấy và khí sau khi sấy. Ngăn chứa không khí sấy có hai cửa, một cửa dẫn tới vùng oxyclo hoá, một cửa khác đƣợc nối van xả ra ngoài môi trường không khí trong trường hợp cần thiết nhằm điều chỉnh áp suất trong thiết bị và lưu lượng khí chuyển sang vùng oxyclo hoá .
Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của vùng sấy đƣợc trình bày trong hình vẽ H-1.44.
Hình H-1.44 Cấu tạo nguyên lý hoạt động vùng sấy xúc tác b. Bình chứa và khử xúc tác sau sấy (Lock Hopper)
Để trả Platinium kim loại trên xúc tác về trạng thái ban đầu thì cần phải tiến hành khử liên kết giữa kim loại và clo. Để khử liên kết này, trong thực tế, người ta sử dụng khí hydro sẵn có trong phân xưởng reforming. Khí Hydro tham gia phản ứng tạo ra HCl và H2O trả platinium về dạng kim loại tự do trên nền hạt xúc tác.
Vùng khử kim loại đƣợc thực hiện ở phần trên của bình chứa và khử xúc tác sau sấy (Lock Hopper). Về mặt kết cấu, bình chứa này có thể đặt ngay dưới tháp tái sinh (theo thiết kế cũ) hoặc bố trí ngay trên đỉnh của thiết bị phản ứng (theo thiết kế mới). Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của vùng khử đƣợc trình bày trong hình vẽ H-1.45. Vùng khử kim loại trên xúc tác là trụ tròn vỏ kép chia vùng khử thành hai khoang: khoang chứa và phân phối khí (khí giàu Hydro), khoang chứa xúc tác. Phía bên ngoài có lắp đặt một thiết bị gia nhiệt khí trước khi đi vào vùng khử. Trong vùng khử, xúc tác chảy từ phía trên xuống nhờ tác dụng của lực trọng trường và chênh lệch áp suất, khí được đi từ phía dưới lên, sau khi ra khỏi vùng khử khí được tách ra khỏi thiết bị và chuyển tới thiết bị thu hồi.
Xúc tác đi qua vùng khử đã đƣợc khôi phục hoạt tính và đƣợc chuyển từng mẻ quay trở lại thiết bị phản ứng. Tốc độ tuần hoàn xúc tác phụ thuộc vào chế độ hoạt động của lò phản ứng, tính chất nguyên liệu, loại xúc tác và yêu
cầu chất lƣợng sản phẩm. Xúc tác sau khi tái sinh sẽ đƣợc chuyển vào bình chứa và vận chuyển xúc tác có cấu tạo đặc biệt (Lift Engager). Động lực của quá trình vận chuyển xúc tác từ thiết bị tái sinh sang thiết bị phản ứng là khí hydro có áp suất cao.
Hình H-1.45 Cấu tạo nguyên lý hoạt động vùng khử xúc tác c. Hệ thống cách ly
Hệ thống cách ly có nhiệm vụ cách ly môi trường của tháp tái sinh với môi trường của các vùng khác trong khu vực tái sinh xúc tác. Nguyên nhân cần phải cách ly môi trường của tháp tái sinh với các vùng khác là môi trường của tháp tái sinh chứa khí ô-xy trong khi đó các vùng còn lại của bộ phận tái sinh lại chứa hydro hoặc hydrocacbon. Nếu để các môi trường này tiếp xúc với nhau sẽ tạo ra một nguy lớn cho việc hình thành hỗn hợp gây cháy nổ mà hậu quả khó lường hết được. Để thực hiện được mục tiêu cô lập vùng tháp tái sinh xúc tác, người ta sử dụng khí trơ (Ni–tơ) cao áp và hệ thống van điều khiển để tạo ra một vùng đệm ngăn chặn khả năng thâm nhập lẫn vào nhau của các môi trường trong bộ phận tái sinh.
Trong bộ phận tái sinh có hai khu vực cần phải đƣợc cách ly:
- Vùng giữa tháp tái sinh (Regeneration Tower) và bình tách bụi xúc tác (Disangaging Hopper);
- Vùng giữa tháp tái sinh (Regeneration Tower) và vùng khử (Reduction Zone) của bình chứa và khử xúc tác (Lock Hopper).