1. hh hh CC
1.1.1. Mô hình Riser
Nguyên lý
Nguyên liệu cho quá trình FCC là hỗn hợp đa cấu tử phức tạp từ parafin, hydrocacbon vòng no, hydrocacbon đa nhân,… vì vậy tại riser sẽ xảy ra hàng nghìn, hàng vạn phản ứng khác nhau và việc xét từng phản ứng là không thể thực hiện được. Để nghiên cứu quá trình CC, người ta sử dụng phương pháp “cấu tử đại diện”, xét trên cơ sở sản phẩm mong muốn để xác định số cụm phản ứng (gọi tắt là lump) trong quá trình tính toán.
Mô hình động học cracking xúc tác đầu tiên được đưa ra năm 1968 bởi Weekman g m 3 cụm phản ứng (gas oil, gasoline, light gas + coke). Tuy nhiên, mô hình trên còn thiếu chính xác, đến năm 1988, en và Woei đề xuất đưa ra mô hình 4 cụm phản ứng cho quá trình cracking xúc tác tầng sôi ( CC). au đó, các mô hình lần lượt được cải tiến thành 5 cụm phản ứng (Corella và rances năm 1991), 8 cụm phản ứng (Hagelberg năm 2002), 10 cụm phản ứng (Jacob năm 1976),…Mỗi loại mô hình có nh ng ưu nhược điểm khác nhau, càng nhiều cụm phản ứng, độ chính xác càng cao nhưng việc tính toán sẽ phức tạp hơn.
Do công nghệ thông tin phát triển, việc tính toán trở nên nhanh chóng vì vậy trong các việc mô phỏng hiện nay thường áp dụng mô hình 21 cụm phản ứng (H2.7). Mô hình này cho kết quả tương đối chính xác so với thực tế. Các phần mềm mô phỏng như UNI M, H , Prosim, Pro II,…đều sử dụng mô hình 21 cụm phản ứng để xây dựng modun FCC.
Trong phần mô hình hóa này sẽ sử dụng mô hình 7 cụm phản ứng do Han và Chung đề xuất năm 2001, mô hình này có ưu điểm: (1) Tính toán đơn giản hơn so với mô hình 10 cụm phản ứng và 21 cụm phản ứng; (2) 7 cụm phản ứng tương đương với 7 sản phẩm mong muốn (khí khô; LPG; xăng hay gasoline; LCO; HCO và slurry; Coke; nguyên liệu hay RS) giống như trong vận hành thực tế; (3) Mô hình này cho phép tối ưu hóa theo từng sản phẩm cụ thể.
36 Xây dựng mô hình Mô hình 7 cụm phản ứng (H2.8). Nguyên liệu (RS) Coke Khí khô (DG) LPG Gasoline (G) LCO HCO H2.8. Mô hình 7 cụm phản ứng k1 k2 k3 k4 k5 k6 k7 k9 k13 k10 k8 k12 k11 k15 k16 k14 k18 k17 H2.7. Mô hình 21 cụm phản ứng
37
Với mô hình 7 cụm phản ứng trên sẽ có 18 phản ứng, mỗi phản ứng đại diện cho một quá trình chuyển hóa từ phân đoạn này sang phân đoạn kia và được đặc trưng động học bằng hằng số phản ứng k.
* Các tác giả Han và Chung [8] đ đề xuất phương trình động học của 7 cụm phản ứng như sau: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) Trong đó:
: lần lượt là phần mol của RS, HCO, LCO, Gasoline, LPG, Dry Gas và Coke.
r, h, l, g, p, d, c: lần lượt là ký hiệu của RS, HCO, LCO, Gasoline, LPG, Dry Gas và Coke.
: tỷ lệ khối lượng nguyên tử của sản phẩm i đối với sản phẩm j.
: Hệ số ảnh hưởng của xúc tác. o quá trình xây dựng mô hình không nghiên cứu tác động ảnh hưởng của dòng xúc tác nên chọn
Để tính toán quá trình cần tiến hành giải quyết 7 phương trình cân bằng trên, bao g m rất nhiều thông số về n ng độ và hằng số tốc độ phản ứng. Nếu phân tích cụ thể, thấy rằng quá trình FCC thực chất bao g m 18 phản ứng bậc nhất từ phân
38
đoạn này sang phân đoạn kia, tương ứng với mỗi phản ứng là một hằng số tốc độ phản ứng k (từ k1 đến k18):
Khi đó tốc độ phản ứng đơn giản bậc nhất được xác định:
: n ng độ mol của cấu tử A.
Hằng số tốc độ phản ứng được xác định theo công thức
E: năng lượng hoạt hóa của phản ứng; T (K): Nhiệt độ phản ứng.
: Hằng số tốc độ phản ứng khi T lớn vô cùng
Do vậy, khi biết giá trị k0 và E, có thể tính được các hằng số tốc độ phản ứng k, từ đó xác định được độ chuyển hóa của cấu tử A.
Ví dụ: với nguyên liệu là R thì xảy ra 6 phản ứng song song thành các sản phẩm HCO, LCO, Xăng, LPG, ry Gas và Coke tương ứng với hằng số tốc độ phản ứng k1, k2, k3, k4, k5, k6.
o đó độ giảm n ng độ R là do quá trình tạo các sản phẩm, cụ thể:
(8)
Phương trình này hoàn toàn tương tự như phương trình (1) của Han và Chung với
Nhìn vào sơ đ có thể thấy quá trình CC được có 18 phản ứng song song, mỗi phản ứng đại diện cho một quá trình chuyển hóa từ các phân đoạn này sang các phân đoạn khác.
Trên cơ sở nghiên cứu, người ta đ xác định được động học của từng phản ứng theo bảng B2.1, như sau:
B A
39
B2.1: Động học của quá trình FCC tại 500o
C STT Phản ứng H ng số tố độ phản ứng k (m3. (kg.cat.h)-1) Nă ng hoạt hóa E (kJ.mol-1) 1. RS HCO 14,93 50,73 2. RS LCO 5,78 50,73 3. RS G 11,69 50,73 4. RS LPG 3,59 16,15 5. RS DG 0,35 16,15 6. RS Coke 11,55 16,15 7. HCO LCO 5,78 50,73 8. HCO G 0,94 46,24 9. HCO LPG 0,135 59,75 10. HCO DG 0,0135 59,75 11. HCO Coke 0,3227 59,75 12. LCO G 0,5742 46,24 13. LCO LPG 0,0086 59,75 14. LCO DG 0,0009 59,75 15. LCO Coke 0,0596 59,75 16. G LPG 0,0003 78,49 17. G DG 0,0001 78,49 18. LPG DG 0,0033 59,75
40
Đối với Riser: sử dụng thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng (P R) như trong hình 2.9. Kích thước của thiết bị P R được lựa chọn dựa vào thông số của Riser điển hình có đường kính từ 60-180 cm, và cao từ 25 đến 30 m