Tính toán thiết bị lò phản ứng cracking xúc tác

rình craking xúc tác 3 II:Nguyên liệu của quá trình cracking xúc tác 3 1:Cracking phân đoạn dầu mỏ 3 2:Nguyên liệu cơ bản của quá trình crcking xúc tác 4 III:Sản phẩm của quá trình cracking xúc tác 6 IV:Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình cracking xúc tác 7 V:Dây chuyền công nghệ cracking xúc tác 12 1- Lịch sử phát triển công nghệ cracking xúc tác 12 2- Lựa chọn công nghệ cracking xúc tác 14 3- Dây chuyền công nghệ với thời gian tiếp xúc ngắn 15 VI: Hướng phát triển và cải tiến của công nghệ cracking xúc tác trong lọc dầu 18 VIII:Trình tự tính toán lò phản ứng 20 Phần II Tính toán thiết bị lò phản ứng cracking xúc tác 20 I: Cân bằng vật chất 21 II:Xác định lượng xúc tác tuần hoàn và lượng tiêu hao hơi nước 21 III: Cân bằng nhiệt của lò phản ứng 21 IV:Đường kính lò phản ứng 25 V: Tính chiều cao lò phản ứng 26 VI: Tính áp suất ở đáy vùng tách và nhiệt độ của xúc tác lúc ra khỏi đáy vùng tách 27 VII:Lựa chọn thiết bị phân phối dòng hơi xúc tác của lò phản ứng 28 VIII: Xyclon của lò phản ứng 29 Kết luận 32 Tài liệu tham khảo 33 Phần I: Tổng quan về quá trình tính toán lò phản ứng cracking xúc tác I:Mục đớch và ý nghĩa của quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc Quá trình crackinh xúc tác là một trong những quá trình không thể thiếu được trong bất kỳ nhà máy chế biến dầu nào trên thế giới,vì đây là một trong các quá trình chính để sản xuất xăng có trị số octan cao. Do đó mục đích của quá trình crackinh xúc tác là nhận các cấu tử có trị số octan cao cho xăng ôtô hay xăng máy bay từ nguyên liệu là phần cất nặng hơn,chủ yếu là phần cất từ quá trình chưng cất trực tiếp AD và VD của dầu thô. Quá trình cracking xúc tác đã được nghiên cứu và được đưa vào trong sản xuất cách đây hơn 60 năm,cho đến nay quá trình này ngày càng được cải tiến và hoàn thiện,nhằm mục đích nhận nhiều xăng hơn với chất lượng xăng ngày càng cao hơn và từ nguyên liệu có chất lượng ngày càng kém hơn.Ngoài mục đích nhận xăng,người ta còn nhận được cả nguyên liệu có chất lượng cao cho công nghệ tổng hợp hoá dầu và hoá học. Quá trình cracking xúc tác thường được tiến hành ở điều kiện công nghệ sau: Nhiệt độ 450°-550°C;áp suất trong vùng lắng của lò phản ứng 0,27 MPa;tốc độ không gian thể tích truyền nguyên liệu tuỳ theo dây chuyền công nghệ có thể từ 1 đến 120 m3 /m3 h.Xúc tác cracking thường dùng là xúc tác zeolite mang tính axit.Sản phẩm của quá trình là một hỗn hợp phức tạp của hydrocacbon các loại khác nhau,chủ yếu là hydrrocacbon có số cacbon từ 3 trở lên,với cấu trúc nhỏnh II:Nguyờn liệu của quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc: 1:Cracking xỳc tỏc phõn đoạn dầu mỏ Để cracking xúc tác phân đoạn dầu mỏ, do quá trình rất phức tạp, nên thực tế không thể miêu tả tất cả các phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình.Ví dụ khi nguyên liệu là phần gazoil chưng cất chân không, ta có thể dùng sơ đồ sau: Gazoil LCO HCO Xăng C4 và khí Cốc LCO - phân đoạn dầu nhẹ của cracking xúc tác HCO - phân đoạn dầu nặng của cracking xúc tác Nhìn sơ đồ phản ứng chúng ta thấy rằng, các sản phẩm phụ là LCO và HCO cần phải tạo điều kiện thuận lợi để chúng chuyển hoá tiếp thành xăng, đồng thời cố gắng hạn chế quá trình tạo khí và cốc. Sự hình thành cốc là không mong muốn, vì cốc bám trên tâm hoạt tính của xúc tác, dẫn đến làm giảm hoạt tính của xúc tác. Sản phẩm cốc được tạo ra là một hệ vòng thơm có độ ngưng tụ cao, nên khác với cacbon tự do. Sự hình thành cốc có thể do các nguyên nhân sau: - Do bản chất của nguyên liệu cracking - Do chất xúc tác của quá trình có độ chọn lọc không cao - Do chế độ công nghệ chưa tối ưu. Cốc được tạo thành trong quá trình có thể phân chia thành 3 phần chính là: - Lượng cốc do phản ứng hoá học - Lượng cốc đồng phân hấp phụ hoá học trên bề mặt xúc tác - Lượng cốc do nguyên nhân nhả hấp phụ chậm và tỷ lệ % tương ứng giữa chúng là 55-75/10-20/5-10. 2:Nguyờn liệu của quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc Nguyờn liệu cơ bản của quỏ trỡnh là phần cất chõn khụng của cặn dầu thụ khi chưng cất khớ quyển.Chỳng thường chứa 5 đến 10% phõn đoạn sụi đến 350ºC và cú nhiệt độ sụi cuối tới 520-540ºC.Trong nhiều trường hợp,người ta cú thể dung cả phõn đoạn nhẹ của chưng cất khớ quyển,phõn đoạn keosen-gasoil của cracking nhiệt hay cốc hoỏ và cú thể cả phần rafinat của quỏ trỡnh khử assphan mazut và gudron trong sản xuất dầu nhờn hoặc là phõn đoạn mazut của dầu ớt kim loại.Cỏc đặc trưng quan trọng nhất của nguyờn liệu cú ảnh hưởng quyết định đến cỏc chỉ tiờu của quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc là thành phần phõn đoạn;hằng số đặc trưng K;thành phần nhúm hydrocacbon,hàm lượng nhựa –asphan,hàm lượng cỏc hợp chất nitơ,lưu huỳnh,kim loại và độ cốc hoỏ. Khi cracking trờn xỳc tỏc chứa zeolite,do cú độ hoạt tớnh cao,mà ảnh hưởng của thành phần phõn đoạn của nguyờn liệu khụng phải là yếu tố quan trọng.Theo quy luật là khi tăng phần nhẹ của nguyờn liệu,hiệu suất hydrocacbon loại C3,C4 và xăng đều tăng lờn,cũn hiệu suất H2 và cốc giảm xuống.Nếu nguyờn liệu là phần cất chõn khụng cú ớt phõn đoạn nặng(<14%-15%) sẽ làm tăng trị số octan của xăng cũng như hiệu suất xăng.Cũn nếu tăng hàm lượng nhựa- asphan và kim loại sẽ làm xấu đi cỏc chỉ tiờu của quỏ trỡnh. Trong cụng nghiệp cracking xỳc tỏc,người ta cú thể sử dụng một trong cỏc nhúm nguyờn liệu sau: Nhúm 1:Là nhúm nguyờn liệu nhẹ cú tờn là phõn đoạn kerosene- sola nhận được từ quỏ trỡnh chưng cỏt trực tiếp và cú giới hạn sụi từ 210 đến 360ºC.Chỳng cú tỷ trọng trung bỡnh là từ0,86 đến 0,83.Trọng lượng phõn tử trung bỡnh vào khoảng 190ữ200. Đõy là nhúm nguyờn liệu tốt nhất dung để sản xuất xăng ụtụ và xăng mỏy bay. Nhúm 2:Là nhúm nguyờn liệu lấy từ phõn đoạn gasoil chưng cất chõn khụng cú nhiệt độ sụi từ 300 – 500(hay 550ºC).Nhúm này cú đặc trưng là tỷ trọng trung bỡnh từ 0,880 đến 0,92,trọng lượng phõn tử trung bỡnh từ 280 đến 330. Nhúm 3:Là nhúm nguyờn liệu cú thành phần cất rộng,cú giới hạn sụi từ 210 đến 500ºC. Nhúm4:Là nhúm nguyờn liệu cú nhiệt độ sụi từ 300 đến 450ºC. Trong số cỏc nhúm nguyờn liệu kể trờn thỡ nhúm gasoil chõn khụng là phổ biến nhất trong quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc.Hiện nay,khi nguyờn liệu tốt ngày một cạn dần và nhất là khi chế tạo được xỳc tỏc cracking mới và cụng nghệ mới cú hiệu quả hơn,người ta tiến tới sử dụng nguyờn liệu ngày càng nặng hơn,chất lượng xấu hơn mà vẫn cho phộp nhận được xăng với năng suất cao và chất lượng tốt. Đú cũng là xu hướng cải tiến quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc trong hiện tại và tương lai. Trong nội dung bản đồ ỏn mụn học này,nguyờn liệu sử dụng trong quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc là phấn cặn của dầu thụ Trung Đụng.Chất lượng nguyờn liệu và cỏc sản phẩm cracking thu được của dầu thụ Trung Đụng (2-114): Bảng 1: Đặc trưng của dầu Trung Đụng và sản phẩm cracking Cỏc chỉ số Nguyờn liệu Cỏc sản phẩm cracking Phần cất chõn khụng Gazoin tuần hoàn Esxăng Gazoin xỳc tỏc Nhẹ Nặng * Tỷ trọng γ420 0,9100 0,9330 0,7600 0,9300 0,9400 γ1515 0,9131 0,9340 0,7641 0,9300 0,9429 *Giới hạn sụi cặn(ºC) 350-500 195-500 40-195 195-350 350-500 * Độ nhớt(CCT) ở 20ºC 0.7 5.1 ở 50ºC 25,0 0,5 3,5 26,0 100ºC 6,0 1,5 6,0 *Trọng lượng phõn tử 360 248 105 200 340 *Nhiệt độ sụi trung bỡnh(ºC) 420 209 111 275 403 III: Sản phẩm của quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc: Chất lượng của sản phẩm cracking xỳc tỏc thay đổi trong một khoảng rất rộng và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại nguyờn liệu,loại xỳc tỏc và cỏc thụng số cụng nghệ của quỏ trỡnh.Trong thực tế,quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc thường nhận được cỏc sản phẩm sau: a.Khớ hydrocacbon:% kh.l: C1,C2 10 – 25 C3 25 – 30 C4 30 – 50 C5 10 – 20 b.Phõn đoạn xăng: Phõn đoạn xăng là cấu tử cơ bản để chế tạo xăng thương phẩm cho ụtụ.Cỏc tớnh chất đặc trưng của phõn đoạn này được trỡnh bày trong bảng sau: d420 0,72 Thành phần hydrocacbon % Hàm lượng S,% kh.l. 0,01 – 0,2 Hydrocacbon thơm 25 – 40 Trị số octan(sạch) Olefin 15 – 30 RON 87 – 95 Naphten 2 – 10 MON 78 – 85 Parafin izo-parafin chiếm phần chớnh 35 - 60 Bảng 2: Đặc trưng của xăng cracking xỳc tỏc (1-126). c.Phõn đoạn cao hơn 195ºC: Phõn đoạn này được chia thành: -Phõn đoạn 195 - 350ºC và phần cặn cú nhiệt độ cao hơn 350oC -Phõn đoạn 195 – 270oC dựng để chế tạo nhiờn liệu kerosene -Phõn đoạn 195 – 350oC dựng để chế tạo nhiờn liệu diezen -Phõn đoạn 270 – 420oC làm nguyờn liệu để sản xuất cacbon kỹ thuật -Phõn đoạn lớn hơn 350oC hay lớn hơn 420oC được dựng làm FO hay nguyờn liệu cho quỏ trỡnh cốc hoỏ. IV:Cỏc yếu tố ảnh hưởng tới quỏ trỡnh cracking xỳc tỏc: Ảnh hưởng đến các chỉ tiêu làm việc của quá trình cracking xúc tác không chỉ là nguyên liệu và chất xúc tác mà còn có các thông số công nghệ của quá trình. Các thông số công nghệ bao gồm: nhiệt độ, áp suất, tốc độ nạp liệu không gian thể tích hay trọng lượng (còn gọi là tốc độ nạp liệu riêng), bội số tuần hoàn xúc tác và mức độ biến đổi hay độ sâu chuyển hoá. 1. Nhiệt độ Quá trình cracking xúc tác thường tiến hành ở nhiệt độ 480 á 5500C. Khi tiến hành tăng nhiệt độ, lúc đầu hiệu suất xăng tăng và sau đó đạt đến cực đại rồi giảm xuống. Điều này là do quá trình phân huỷ tăng, làm phân huỷ cả các cấu tử xăng vừa được tạo thành. Khi tăng nhiệt độ, phản ứng phân huỷ tăng nhưng đồng thời các phản ứng bậc 2 như dehydro cũng tăng, làm tăng hiệu suất hydrocacbon thơm và olefin. Khi đó trong sản phẩm khí hàm lượng C1 á C3 tăng, còn C4 giảm, tỷ trọng và trị số octan tăng lên. 390 420 450 480 510 540 425 450 475 500 5250C 30 20 10 0 4 6 8 10 Hiệu suất xăng và khí, %TL Hiệu suất cốc, %TL NC (sạch), % 95 100 90 85 80 40 50 60 70 80 %V Nhiệt độ cracking, 0C Chỉ số octan Độ chuyển hoá ảnh hưởng của hydrocacbon đến hiệu suất và chất lượng của sản phẩm với nguyên liệu là phân đoạn xola (dầu mỏ ở Liên Xô) :Bảng 3 Các thông số Nhiệt độ trung bình trong TBPƯ 415 452 480 513 Hiệu suất các sản phẩm (%TL) Khí khô 2,31 Khí béo 5,00 5,13 8,34 18,80 Xăng 30,29 7,49 9,41 9,45 Gazoil nhẹ 59,20 30,72 32,45 37,42 Gazoil nặng 53,30 46,30 28,10 Cốc 3,20 3,30 3,50 6,60 Tổng cộng 100,00 100,00 100,00 100,00 Độ sâu chuyển hoá (%TL) 40,80 46,70 53,70 71,90 Trị số octan của xăng (RON) không có pha chì 84,10 91,70 93,70 94,40 có pha 0,8 ml TEP/ 1lít xăng 93,00 98,20 98,20 98,50 Tỷ trọng của xăng 0,748 0,748 0,757 2. áp suất Quá trình cracking xúc tác thường tiến hành ở áp suất dư 1,4 á 1,8 at. ở điều kiện này phản ứng xảy ra ở pha hơi. Khi tăng áp suất, hiệu suất xăng tăng lên, hiệu suất khí C1 á C3 giảm, hàm lượng olefin và hydrocacbon thơm giảm, hàm lượng hydro-cacbon no tăng và do vậy chất lượng xăng giảm (trị số octan NO giảm). Vậy khi tăng áp suất sẽ tăng hiệu suất xăng, còn hiệu suất khí giảm, nhưng quá trình tạo cốc tăng. Việc tăng áp suất của quá trình cracking xúc tác không có hiệu quả kinh tế cao. Vì vậy chỉ tiến hành ở áp suất thường. Bảng 4:Độ chuyển hoá C, hiệu suất sản phẩm và thành phần RH của xăng phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng Nhiệt độ, 0C C, % KL SP tổng, %KL Xăng, %KL Khí, %KL Cốc, %KL Cặn, %KL Mất mát, %KL RH no, %V RHO, %V RHa, %V 400 64,5 81,5 49,2 11,6 3,7 32,3 3,2 66,8 7,7 25,3 420 70,2 76,7 49,7 16,0 4,5 27,0 2,8 61,9 8,5 29,6 435 72,1 74,4 49,1 18,2 4,8 25,3 2,6 56,5 9,6 33,9 450 75,5 69,9 47,5 22,2 5,8 22,4 2,1 50,8 10,8 38,4 470 74,4 61,9 38,6 29,5 6,5 22,5 2,9 39,6 13,9 46,5 485 74,9 59,7 33,2 32,6 7,8 24,7 2,4 28,6 15,0 56,4 500 73,8 52,5 31,3 37,2 7,2 21,0 3,2 28,6 14,8 56,4 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 kG/cm2 50 40 30 20 85 90 95 NO %V 80 % xăng % NO 3. Mức độ chuyển hoá C Đối với hydrocacbon tinh khiết, khi tham gia phản ứng, mức độ chuyển hoá được đo bằng lượng sản phẩm tạo thành theo thời gian. Nhưng đối với phân đoạn phức tạp như phân đoạn dầu mỏ, trong cracking xúc tác người ta lại đo lượng xăng là sản phẩm chính và sản phẩm như khí và cốc. Nếu gọi y là % thể tích của sản phẩm với điểm sôi cuối cao hơn điểm sôi cuối của xăng, thì độ chuyển hoá C được tính theo biểu thức: C = 100 - y Đương nhiên cách xác định như vậy chưa sát với thực tế. Để hiệu chỉnh theo sự biến đổi hoá lý trong quá trình tạo xăng và khí, người ta xác định mức độ biến đổi theo công thức sau: C = 100 - y(100 - z) ở đây z là % xăng có trong nguyên liệu. 4. Tốc độ nạp liệu riêng Tốc độ nạp liệu riêng (hay tốc độ không gian nạp liệu) là tỷ lệ giữa lượng nguyên liệu được nạp trong một đơn vị thời gian trên lượng xúc tác trong reactor (hay tỷ lệ về thể tích của chúng) và được ký hiệu bằng M/H/M hay V/H/V (V/V/H). Nếu P là áp suất trong reactor và được tính bằng (at) thì độ chuyển hoá C có liên quan với M/H/M theo biểu thức: Phương trình biểu diễn áp dụng rất đúng với trường hợp xúc tác cố định, ở đây không xảy ra sự chuyển động rối hay sự xáo trộn của hơi nguyên liệu và sản phẩm. Trong trường hợp cracking xúc tác với lớp sôi của xúc tác (FCC), độ chuyển hoá C là phù hợp với công thức sau: K là hằng số tốc độ tổng cộng của quá trình. Ta thấy khi tăng tốc độ nạp liệu riêng, sẽ làm giảm độ chuyển hoá. Còn khi giảm tốc độ nạp liệu riêng thì độ chuyển hoá tăng, vì rằng tốc độ nạp liệu là đại lượng ngược với thời gian phản ứng. Khi sử dụng xúc tác có độ hoạt tính cao, ta có thể tăng tốc độ nạp liệu và như vậy sẽ tăng được năng suất của thiết bị. M/H/M 0,2 1,0 2,0 3,0 70 50 30 10 6 10 %KL %V 2 % xăng % xăng Cốc 2 4 6 8 10 Độ chuyển hoá Độ chuyển hoá Cốc 80 60 40 20 6 10 2 %KL %V X/RH ảnh hưởng của tốc độ nạp liệu riêng ảnh hưởng của tỷ lệ X/RH Trong thực tế, nếu dùng xúc tác aluminosilicat vô định hình, tốc độ nạp liệu thể tích chỉ đạt từ 4 á 5 h-1. Nhưng nếu dùng xúc tác chứa zeolit, tốc độ nạp liệu thể tích là 80 á 120 h-1 khi tính trong ống đứng của reactor và từ 20 á 30 h-1 khi tính trong lớp sôi của reactor. Khi tăng tốc độ nạp liệu, nếu ta tăng nhiệt độ phản ứng, sẽ tăng trị số octan của xăng và tăng hiệu suất olefin trong khí. Đó là phương pháp chính để điều khiển chế độ sản phẩm propylen và buten trong quá trình cracking xúc tác. 5. Tỷ lệ lượng xúc tác/nguyên liệu (X/RH) hay bội số tuần hoàn xúc tác Khi dùng xúc tác chứa zeolit, cho phép giảm tỷ lệ /RH xuống còn 10/1 so với xúc tác vô định hình là 20/1. Nếu khi dùng công nghệ xúc tác chuyển động với kích thước hạt xúc tác từ 3 á 5 mm, tỷ lệ X/RH còn thấp hơn nữa, chỉ khoảng 2/1 á 5/1. Khi thay đổi tỷ lệ X/RH sẽ làm thay đổi nhiệt độ của reactor, thay đổi thời gian lưu của xúc tác trong reactor và lò tái sinh, đồng thời cũng làm thay đổi cả lượng cốc bám trên xúc tác trong một chu trình. Nếu ở chế độ ổn định, tăng tỷ lệ X/RH sẽ làm tăng độ chuyển hoá, tăng hiệu suất cốc/nguyên liệu, nhưng hàm lượng cốc bám trên xúc tác lại giảm xuống. Điều này được giải thích là do lượng cốc đã được dàn ra ở một lượng xúc tác lớn hơn. Khi giữ tốc độ nạp liệu M/H/M là không đổi, nếu tăng tỷ lệ X/RH thì thời gian tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu giảm, và như vậy độ hoạt tính trung bình của xúc tác tăng lên. Đó là lý do đạt hiệu quả cao của quá trình với xúc tác lớp sôi (FCC). Nhờ đạt hiệu quả cao mà cho phép giảm kích thước của thiết bị. Nhưng dễ dàng nhận thấy rằng, nếu tăng cao quá mức độ tuần hoàn xúc tác sẽ làm ảnh hưởng đến quá trình tách hơi bám trên xúc tác và làm ảnh hưởng đến quá trình tái sinh ở lò tái sinh và các trang thiết bị kèm theo. Nói chung thông số bội số tuần hoàn xúc tác rất quan trọng trong quá trình cracking xúc tác, nó ảnh hưởng không những lên hiệu suất và chất lượng sản phẩm đến các thông số khác mà còn ảnh hưởng đến việc xác định kích thước các thiết bị chính của quá trình. Vì vậy ta phải chọn được thông số này một cách tối ưu. 6. Hiệu ứng nhiệt Hiệu ứng nhiệt của quá trình bằng tổng hiệu ứng nhiệt của các phản ứng riêng biệt của quá trình, hiệu ứng nhiệt phụ thuộc vào độ sâu chuyển hoá. V:Dõy chuyền cụng nghệ cracking xỳc tỏc: 1. Lịch sử phát triển công nghệ cracking xúc tác Quá trình cracking xúc tác đã được nghiên cứu từ cuối thế kỷ 19, nhưng mãi đến năm 1923, một kỹ sư người Pháp tên là Houdry mới đề nghị đưa quá trình áp dụng vào công nghiệp. Và đến năm 1936 nhà máy cracking xúc tác đầu tiên của Công ty Houdry Praess Corporahon được xây dựng ở Mỹ. Dây chuyền cracking xúc tác đầu tiên này được đưa vào công nghệ chế biến dầu, đó là hệ thống cracking xúc tác trong lớp xúc tác tĩnh, hệ thống làm việc gián đoạn. Về sau này, hệ thống loại trên đã đi vào lịch sử vì nó có những nhược điểm sau: + Quá trình làm việc gián đoạn nên năng suất thiết bị thấp + Chế độ làm việc của hệ thống không ổn định và việc điều chỉnh các thông số kỹ thuật của hệ thống khó khăn, phức tạp trong vận hành + Trong quá trình làm việc hoạt tính của xúc tác thay đổi liên tục làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và cân bằng vật chất của hệ thống. Năm 1941, xuất hiện quá trình cracking với lớp xúc tác chuyển động thay thế cho quá trình Houdry. Việc tiến hành cracking và tái sinh xúc tác đã được thực hiện ở các thiết bị riêng biệt. + Thiết bị phản ứng (reactor) + Thiết bị tái sinh (regenerator) Xúc tác từ thiết bị phản ứng vào thiết bị tái sinh và ngược lại hoặc bằng tự chảy, hoặc bằng cưỡng bức. Xúc tác đã làm việc có chứa cốc chuyển động vào lò tái sinh, còn xúc tác đã tái sinh vào lò phản ứng tạo thành một chu trình liên tục. Dây chuyền loại này ở Nga có tên gọi là loại 43-1 và 43-102, còn ở nước khác có tên là Thermofor (TCC) hay Houdry Flow. Tuy nhiên các dây chuyền này càng về sau càng liên tục được cải tiến so với dây chuyền ban đầu ở khâu vận chuyển xúc tác (đã dùng vận chuyển bằng hơi thay cho vận chuyển bằng cơ học). Năm 1942, dây chuyền cracking xúc tác lớp sôi (FCC) đầu tiên đã được đưa vào hoạt động với công suất 12.000 thùng nguyên liệu/ngày. Loại dây chuyền này có tên là Up Flow (model I). Trong dây chuyền này, xúc tác được đưa ra từ đỉnh lò phản ứng và lò tái sinh. Sau đó, vào năm 1944 người ta đã tăng đường kính của các thiết bị phản ứng và tái sinh, quá trình tách hơi sản phẩm được thực hiện ngay trong thiết bị phản ứng, tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi và quá trình thổi cũng ngày càng được cải tiến để cho xúc tác chuyển động từ phía dưới và lấy ra ngoài ở đáy thiết bị. Dây chuyền có thiết bị hoạt động như vậy mang tên là Dow Flow model II, và đó là dạng nguyên thuỷ của thiết bị phản ứng và tái sinh lớp sôi hiện đại ngày nay. Tiếp theo, người ta cũng cải tiến cả hình dạng của xúc tác. Xúc tác phổ biến là loại có dạng hình vi cầu, nên giảm được sự mất mát xúc tác hay sự mài mòn thiết bị, nâng cao hiệu quả tách của các xyclon. Trong dây chuyền model II, tỷ lệ xúc tác/nguyên liệu đầu (X/RH) chỉ đạt giới hạn cực đại là 3, nhưng model II tỷ lệ X/RH đã có thể tăng lên từ 3 á 10. Đến năm 1946, model III là loại cân bằng áp suất đã được thiết kế bởi hãng M. W. Kellogg. Năm 1947, hãng UOP đã thiết kế loại FCC trong đó thiết bị phản ứng và thiết bị tái sinh chồng lên nhau trên cùng một trục. Đến năm 1951, loại Orthor Flow đầu tiên của M. W. Kellogg xuất hiện. Sau đó hãng Standard Oil đã thiết kế một loại FCC mới gọi là model IV, đó là cải tiến của model III và dây chuyền công nghệ model IV đầu tiên áp dụng trong công nghiệp vào năm 1952. Cùng với thời gian, FCC ngày càng được cải tiến để có được hiệu suất, chất lượng xăng cao hơn và có thể dùng nguyên liệu ngày càng nặng hơn, với chất lượng nguyên liệu ngày càng xấu hơn. 2. Lựa chọn công nghệ cracking xúc tác Qua lịch sử phát triển của quá trình cracking xúc tác, đồng thời qua phân tích đánh giá các yêu cầu khác như chế độ làm việc, nguyên liệu xúc tác... ta thấy quá trình FCC có rất nhiều ưu điểm và thuận lợi, hệ thống này được sử dụng ngày càng phổ biến trong công nghiệp dầu mỏ, nó được các hãng công nghiệp hàng đầu trong lĩnh vực này như UOP, Kellogg, Shell, IFP, Exxon... nghiên cứu để hoàn thiện hơn nhằm mục đich đạt năng suất hiệu quả cao nhất, sử dụng nguyên liệu nặng hơn, tiết kiệm được xúc tác... và phải là kinh tế nhất. Qua thực tế dùng hệ thống cracking xúc tác lớp sôi sử dụng xúc tác dạng bụi hay vi cầu, người ta thấy nó có nhiều ưu điểm hơn hệ thống cracking xúc tác trong lớp xúc tác chuyển động. Những ưu điểm đó là: + Các thiết bị chính của quá trình là thiết bị phản ứng và thiết bị tái sinh đều có cấu tạo rất đơn giản, so với các dạng thiết bị khác của quá trình cracking thực tế chúng là hình rỗng. + Sự tuần hoàn xúc tác từ thiết bị phản ứng đến thiết bị tái sinh và ngược lại là nhờ sự vận chuyển liên tục của hơi và khí trong một giới hạn rộng. + Do sự khuấy trộn mạnh mẽ của xúc tác và hơi nguyên liệu dẫn đến sự đồng nhất về nhiệt độ trong toàn bộ thể tích lớp xúc tác ở thiết bị phản ứng cũng như thiết bị tái sinh, khắc phục được hiện tượng quá nhiệt cục bộ. + Hệ thống này có khả năng chế biến các dạng nguyên liệu khác nhau, như từ nguyên liệu là phân đoạn kerosen đến nguyên liệu nặng là mazut, làm tăng tính vạn năng của hệ thống. + Hệ thống này có công suất làm việc lớn và có thời gian tiếp xúc ngắn (thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và xúc tác là cực tiểu) dẫn đến việc đạt được hiệu suất xăng cực đại và olefin nhẹ không xảy ra phản ứng ngưng tụ bậc hai mà đã tạo xăng. ứng dụng phương pháp tái sinh (cháy hoàn toàn CO trong thiết bị tái sinh) dẫn đến đạt hàm lượng cất cặn rất thấp trong xúc tác. Qua các ưu điểm đó ta chọn sơ đồ công nghệ xúc tác lớp sôi FCC với thời gian tiếp xúc ngắn cho quá trình cracking xúc tác. 3. Dây chuyền FCC với thời gian tiếp xúc ngắn Trước hết nguyên lý của quá trình cracking xúc tác có thể miêu tả bằng sơ đồ sau: Nguyên liệu Chuẩn bị xử lý Lò phản ứng Sản phẩm qua chưng tách Xúc tác đã làm việc Xúc tác đã tái sinh Lò tái sinh xúc tác Quá trình cracking xúc tác thường được tiến hành ở điều kiện công nghệ sau: - Nhiệt độ 470 á 5500C - áp suất trong vùng lắng của lò phản ứng 0,27 MPa - Tốc độ không gian thể tích truyền nguyên liệu tuỳ theo dây chuyền công nghệ có thể từ 1á 120m3/m3.h - Xúc tác là zeolit mang tính axit. a) Sơ đồ dây chuyền FCC thời gian tiếp xúc ngắn: Dây chuyền công nghệ FCC gồm ba bộ phận chính: - Reactor - Tái sinh và vận dụng nhiệt của khí khói - Phân đoạn phân chia sản phẩm. Hình II.4 . Sơ đồ dây chuyền công nghệ FCC với thời gian tiếp xúc ngắn b) Nguyên lý hoạt động: + Bộ phận Reactor - ống đứng: Nguyên liệu mới từ bể chứa nguyên liệu 1 được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm, nguyên liệu mới có thể được trộn với phần tuần hoàn (HCO) 2 và cặn đáy 3, sau đó cho qua lò đốt nóng nguyên liệu cracking. Nguyên liệu cracking 5 được tiếp xúc với xúc tác nóng đã tái sinh 6 ở đáy của ống đứng, khi đó nguyên liệu bay hơi cùng với hỗn hợp của hơi nóng và xúc tác được đi lên phía trên tới đỉnh của ống đứng, đồng thời xảy ra các phản ứng cracking xúc tác. Hầu hết nguyên liệu đều tham gia phản ứng và chuyển hoá trong ống đứng, còn reactor được dùng như một thiết bị tách xúc tác và hơi hydrocacbon. Một bộ phận được thiết kế đặc biệt, bố trí ở gần van chặn, dùng hơi nước để thổi xúc tác và dầu, làm như vậy sẽ hạn chế đến mức tối đa hiện tượng trộn quay trở lại của xúc tác và hơi khí đã làm việc. Vùng ống đứng và bộ phận tách hơi của reactor được thiết kế cho quá trình FCC với thời gian tiếp xúc ngắn giữa xúc tác và dầu. Sau khi tách khỏi xúc tác, hơi sản phẩm nóng 7 được chuyển tới cột phân đoạn. Xúc tác đã làm việc 8 được cho qua vùng tách hơi (còn gọi là bộ phận rửa xúc tác) bằng cách thổi hơi nước vào. Bộ phận rửa không chỉ làm nhiệm vụ đuổi hết hydrocacbon hấp phụ trên xúc tác mà còn làm tơi các hạt xúc tác để chúng không dính vào nhau trước khi sang lò tái sinh. Cần điều chỉnh một tốc độ hơi thích hợp cho nhiệm vụ này. Cần thiết phải kiểm tra chặt chẽ thời gian lưu của xúc tác trong bộ phận rửa để tránh phải dùng quá nhiều không khí trong lò tái sinh. áp suất trong reactor được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh áp suất của cột phân đoạn. + Lò tái sinh và khối tận dụng nhiệt của khói lò: Xúc tác có chứa cốc (cốc bám trên xúc tác) 8 được chuyển qua van điều khiển và khống chế bởi bộ kiểm tra mức xúc tác trong lò phản ứng, sau đó đi vào lò tái sinh. Xúc tác vào lò tái sinh theo hướng tiếp tuyến với thành lò. Mục đích chính của tái sinh là đốt cháy cốc bám trên xúc tác đã làm việc bằng oxy của không khí, khi đó tạo thành CO, CO2, hơi nước, nhờ vậy mà đã trả lại bề mặt hoạt tính cho xúc tác. Sau khi nén, không khí để đốt được cho vào đáy lò tái sinh, qua lưới phân phối để trộn có hiệu quả không khí và xúc tác. Sự cháy cũng xảy ra trong lớp sôi và để đạt được điều đó, tốc độ của không khí phải đạt lớn hơn 1 m/s. Xúc tác đã tái sinh được chuyển vào ống đứng sau khi đã đuổi được sạch khí qua một van lá mà sự hoạt động van này được khống chế, điều khiển tự động nhờ bộ phận điều chỉnh nhiệt độ của reactor, rồi sau đó xúc tác được trộn với nguyên liệu cracking và hoàn thành một chu trình. Đồng thời người ta tháo xúc tác bẩn đã già hoá ra, bổ sung xúc tác mới để đảm bảo độ hoạt tính ổn định của xúc tác theo thời gian làm việc. Khí của quá trình cháy cốc và các hạt xúc tác chuyển động từ “pha đặc” vào pha loãng ở đỉnh lò tái sinh, qua hai cấp xyclon để giữ lại các hạt xúc tác và tách khí. Sau đó, khí khói được qua buồng lắng để tách tiếp bụi xúc tác, rồi qua bộ phận tận dụng nhiệt 12, tiếp theo khí khói được làm sạch bụi xúc tác bằng lọc điện rồi đi ra ngoài theo ống khói. + Bộ phận phân chia sản phẩm: Hơi sản phẩm 7 được nạp vào cột phân đoạn chính để chia thành các sản phẩm khác nhau, xăng và phần nhẹ hơn được cho qua bộ phận ngưng tụ rồi vào thiết bị tách khí. Sau khi tách khí, ta nhận được phân đoạn C1, C2 ở số 16, các sản phẩm này có thể được dùng làm khí nguyên liệu cho dây chuyền. Phân đoạn C3, C4 chứa nhiều propylen và buten ở 17 được dùng làm nguyên liệu cho dây chuyền alkyl hoá và sản phẩm tiếp theo là xăng đã khử butan ở 18. Từ cột phân đoạn chính, ta còn nhận được các phân đoạn sản phẩm như naphta nặng số 19, LCO số 20 và HCO số 21. Phần HCO có thể cho tuần hoàn lại ống đứng của reactor qua đường 22, và cuối cùng là phần dầu cặn đã được làm sạch khỏi bùn xúc tác 24. Một phần sản phẩm đỉnh của thiết bị tách bùn xúc tác cũng được cho tuần hoàn cùng với HCO. VI. Hướng phát triển và cải tiến của FFC trong lọc dầu Từ thập niên 90 trở lại đây, quá trình FFC vẫn không ngừng được cải tiến cả về công nghệ và xúc tác để tạo cho FFC trong tương lai phù hợp với yêu cầu của công nghệ lọc - hoá dầu, đồng thời cho phép sử dụng được nguyên liệu nặng hơn, nhiễm bẩn hơn, nghĩa là với chất lượng nguyên liệu ngày càng xấu hơn. Từ mục tiêu đó, các nhà thiết kế và công nghệ đã đặt ra các nhiệm vụ chính sau: 1- Cải tiến về công nghệ để thích ứng với nguyên liệu có chất lượng xấu mà hiệu suất xăng hay phần cất vẫn đạt cực đại, giảm lượng cốc, nâng cao chất lượng của xăng. 2- Chế tạo và cải tiến chất xúc tác có độ bền nhiệt, bền cơ cao, bền với các độc tố, có hoạt tính cao và ổn định, dễ tái sinh và có thời gian làm việc lâu dài hơn. 3- Chọn lựa các thông số làm việc tối ưu bằng các công nghệ điều khiển và kiểm tra tiên tiến, hiện đại. 4- Cải tiến các trang thiết bị cùng với công nghệ để không những nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn cho phép kết hợp sản xuất các nguyên liệu cho tổng hợp hoá dầu và hoá học. Ví dụ như nhận etylen, propylen, buten... Chỉ trong vòng vài chục năm trở lại đây, ngoài việc nâng cao, cải tiến và áp dụng xúc tác mới có hiệu quả, người ta đã thiết kế các dây chuyền FCC hiện đại sản xuất được không những nhiều xăng với chất lượng cao hơn mà còn cho phép nhận các nguyên liệu cho tổng hợp hoá dầu. Thành công đó, trước hết phải kể đến quá trình FCC với thời gian cracking ngắn và siêu ngắn (MSCC), hay quá trình cracking sâu (DCC). VII: Trình tự tính toán lò phản ứng: 1-Cân bằng vật chất: Để tính được cân bằng vật chất ta phải biết năng suất của lò phản ứng theo nguyên liệu mới và hiệu suet của các sản phẩm cracking tính theo % trọng lượng so với nguyên liệu mới.Xác định tải trọng của lò phản ứng có tính đến phần gazoin tuần hoàn. 2-Tính lượng xúc tác tuần hoàn theo bội số tuần hoàn của xúc tác đã cho trước.Tính lượng hơI nước tiêu tốn để vận chuyển xúc tác dính cốc và điều chỉnh mật độ của hỗn hợp hơi nguyên liệu với xúc tác ở trong ống vận chuyể 3-Tính cân bằng nhiệt của lò phản ứng: Dựa vào cân bằng nhiệt để tính lượng nhiệt mà nguyên liệu mới đã mang vào lò phản ứng và hàm nhiệt của nó.Từ hàm nhiệt ta có thể xác định được nhiệt độ của nguyên liệu khí no hỗn hợp với xúc tác. 4-Xác định đường kính lò phản ứng. 5-Xác định chiều cao lò phản ứng. 6-Xác định áp suất tại vùng tách (khử hấp thụ) và xác định nhiệt độ của xúc tác khi ra khỏi vùng tách. 7-Lựa chọn cấu tạo của thiết bị phân phối dòng hơi- xúc tác và tính toán các kích thước hình học của nó. 8-Tính toán hệ thống Xyclon lọc bụi xúc tác. Phần II: Tính toán lò phản ứng cracking xúc tác I: Cân bằng vật chất Công suất của thiết bị lò phản ứng cracking xúc tác (FCC):2 triệu tấn/năm.Đổi đơn vị ta có công suất:2.000.000/(356*24) = 228,31 tấn/ h Lượng xúc tác tuần hoàn = 28,4% trọng lượng nguyên liệu mới (2-114). Vậy lượng xúc tác tuần hoàn là:0,284*228,31=64,84 T/h. Độ sâu biến đổi của quá trình crackng xúc tác là 75% thể tích theo nguyên liệu đầu,ta xác định hiệu suất của các sản phẩm cracking theo các công thức sau:(2-115) a.Tỷ số giữa lượng nguyên liệu và gazoin tuần hoàn K = = = 3,52 Gc: Khối lượng nguyên liệu mới. Dựa vào đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa hiệu suất xăng khử butan và độ sâu biến đổi(2-115) ta tìm được hiệu suất etxăng Vx = 54% theo nguyên liệu mới hay đổi sang % khối lượng ta có: Xx = (%khối lượng) Trong đó: Xx:hiệu suất etxăng ( % trọng lượng theo nguyên liệu mới) γδ và γc :tỷ trọng tương đối của etxăng và nguyên liệu mới Xx = (% khối lượng) Trọng lượng etxăng ra khỏi lò phản ứng theo nguyên liệu mới là:228,31*0,451=102,97. b.Hiệu suất cốc phụ thuộc vào độ sâu biến đổi đã cho theo đồ thị hình 58 (2-115) ta tìm được xc = 8,7% trọng lượng theo nguyên liệu mới c.Hiệu suất khí khi cracking xúc tác phần cất chân không có giới hạn sôI từ 350 – 500oC là xk=17,7% theo dự đoán(2-116) Lượng khí thoát ra khi cracking là:0,177*228,31=40,41 T/h d.Hiệu suất phần gazoin xúc tác ( gồm gazoin xúc tác nhẹ và nặng ) được xác định theo phương trình sau: x1 + x2 = 100 – ( 45,1 + 8,7 +17,7 ) = 28,5%(trọng lượng nguyên liệu mới) Trong đó:x1 :hiệu suất phần gazoin xúc tác nhẹ x2:hiệu suất phần gazoin xúc tác nặng. e.Tính toán lượng sản phẩm cracking cùng với sự phân bố lượng gazoin nhẹ và nặng trong một giờ.Ta có bảng tính toán sau: Bảng 5: Tính toán lượng nguyên liệu vào và sản phẩm ra. Các thành phần Trọng lượng T/h Thành phần % trọng lượng theo nguyên liệu mới % trọng lượng theo tảI trọng lò Vào 1.Nguyên liệu (350 – 500oC) 228,31 - 77,88 2.Gazoin xúc tác tuần hoàn 64,84 - 22,12 3.Tải trọng lò phản ứng 293,15 - 100 Ra 1.Khí 40,41 17,70 13,78 2.Etxăng 102,97 45,10 35,13 3.Gazoin nhẹ 35,85 15,70 12,23 4.Gazoin nặng 29,22 12,80 9,97 5.Cốc 19,86 8,7 6,78 Tổng 228,31 100 77,9 6.Gazoin xúc tác tuần hoàn 64,84 28,4 22,1 Tổng cộng 293,15 100 II:Xác định lượng xúc tác tuần hoàn và tiêu hao hơi nước: a.Với bội số tuần hoàn của xúc tác R = 7:1 thì lượng xúc tác tuần hoàn sẽ là: Qxt = R.Gc = 7*228,31 = 1598,31 T/h. b.Xác định tiêu hao hơi nước: Để điều chỉnh mật độ của hỗn hợp hơi nguyên liệu và xúc tác ở trong ống vận chuyển ta dùng hơi nước và nó tiêu tốn khoảng 0,4% - 2,0% trọng lượng tính theo tải trọng của lò phản ứng ( 2- 117).Hơi nước dùng hơi quá nhiệt.Chọn tiêu hao hơi nước để điều chỉnh mật độ hỗn hợp là 1,6% trọng lượng theo nguyên liệu.Vậy tiêu hao hơi nước trong trường hợp này là: Gn1 = 228,31*0,016 = 3,653 T/h = 3653 kg/h Để tách hơi sản phẩm cracking ra khỏi xúc tác dính cốc ở trong vùng tách ta phải tiêu tốn khoảng 5 – 10 kg hơi cho 1T xúc tác ( 2- 117).Thừa nhận tiêu hao hơi nước để tách 1T xúc tác dính cốc là 7 kg.Vậy lượng hơi nước tiêu tốn là: Gnt1 = 7* 1598,17 = 11187,19 kg/h. III:Cân bằng nhiệt của lò phản ứng: Phương trình cân bằng nhiệt của lò phản ứng có dạng sau: Qnl + Qg1 +Qxt1+Qn1+Qnt1 = Qk+Qδ +Q1+Q2+Qxt2+Qc+Qg2+Qn2+Qnt2+Qh+Qm Trong đó: Vế trái của phương trình là lượng nhiệt mang vào ( kcal/h ) cùng với: Qnl :nguyên liệu. Qg1 :gazoin xúc tác tuần hoàn Qxt1 :Xúc tác tuần hoàn Qn1:HơI nước đưa vào ống vận chuyển Qnt1:HơI nước đưa vào vùng tách. Vế phảI của phương trình là lượng nhiệt mang ra (kcal/h) cùng với: Qk:sản phẩm khí Qδ:hơi et xăng Q1:hơi gazoin nhẹ Q2:hơi gazoin nặng Qxt2:xúc tác tuần hoàn Qg2:gazoin tuần hoàn Qc:cốc Qn2:hơi nước đưa vào ống vận chuyển Qnt2:Hơi nước đưa vào vùng tách Qh:nhiệt tiêu hao cho phản ứng cracking Qm:mất mát nhiệt vào môi trường Dựa vào tài liệu (2-118) và thực tế công nghiệp ta có thể thừa nhận nhiệt độ của các thành phần lúc đI vào lò phản ứng như sau: Tg1= 288oC :nhiệt độ của gazoin xúc tác tuần hoàn Txt1= 600oC nhiệt độ của xúc tác. Tn1= 600oC :nhiệt độ của hơi nước đưa vào ống vận chuyển Tnt1= 230oC:nhiệt độ của hơi nước đưa vào vùng tách Theo thiết kế thiết bị cracking xúc tác người ta sử dụng tài liệu phân tích sắc ký khí của sản phẩm khí nhận được.Dựa vào tài liệu (2-118) ta có bảng thành phần các khí sản phẩm cracking. Bảng 6:Thành phần của khí cracking Cấu tử Hiệu suất % trọng lượng theo nguyên liệu Số lượng Kg/h Kmol/h H2S 0,85 1940,64 57,08 H2 0,2 456,62 228,31 CH4 2,31 5273,96 329,62 C2H4 1,25 2853,88 101,9 C2H6 0,57 1301,37 43,38 C3H6 3,22 7351,58 175,04 C3H8 2,43 5547,93 126,1 C4H8 3,95 9018,25 161,04 C4H10 2,92 6666,65 114,94 Tổng 17,7 40410,9 1337,41 Ap suất trong lò phản ứng là tương đối nhỏ,vì vậy ảnh hưởng của áp suất lên hàm nhiệt là không đáng kể.Biết thành phần của khí crackng ta có thể tìm được hàm nhiệt riêng của từng cấu tử sau đó tính hàm hàm nhiệt của hỗn hợp theo nguyên tắc hỗn hợp. +Hàm nhiệt riêng phần của cấu tử ở nhiệt độ t = hàm nhiệt riêng của cấu tử đó ở độ t * thành phần % của cấu tử đó trong khí crackng (% trọng lượng) +Thành phần % ( Xi ) theo trọng lượng của các cấu tử khí được xác định theo công thức sau: Xi = *100 Trong đó:Gi là lượng cấu tử khí thứ i ( kg/h) Bảng 7:Bảng chỉ ra hàm nhiệt của các cấu tử khí trong khoảng nhiệt độ t=300 – 500oC Cấu tử Thành phần % trọng lượng Hàm nhiệt ( kcal/kg ) 300oC 400oC 500oC Riêng Riêng phần Riêng Riêng phần Riêng Riêng phần H2S 4,80 75,3 3,62 103,2 4,95 131 6,29 H2 1,13 1035,0 11,7 1383,0 15,63 1733 19,6 CH4 13,05 188,8 24,64 269,0 35,11 357 46,6 C2H4 7,06 142,9 10,09 205,0 15,58 273 19,27 C2H6 3,22 162,6 5,24 236 7,6 316 10,18 C3H6 18,19 141,4 25,72 204,0 37,11 272 49,48 C3H8 13,73 159,1 21,84 231,0 31,72 309 42,43 C4H8 22,32 148,9 33,23 214,0 47,76 285 63,61 C4H10 16,50 159,5 26,32 231,0 38,12 308 50,82 Tổng 100 162,4 233,58 308,25 Tổng hàm nhiệt riêng phần của các cấu tử khí sẽ là hàm nhiệt của khí cracking ở nhiệt độ đã cho,bằng phép nội suy ta xác định được hàm nhiệt của khí ở các nhiệt độ trung gian. +Hàm nhiệt của khí cracking ở t=485oC là qk=297,1 kcal/kg. +Hàm nhiệt của hơI cacbua hydro được xác định theo công thức (2-120) qh = (50,2+0,109*t+0,00014*t2 )*(4- γ1515 ) – 73,8 Để xác định hàm nhiệt của cacbua hydro lỏng ta có công thức: ql = Trong đó: γ1515:tỷ trọng của sản phẩm lỏng t:nhiệt độ oC Hàm nhiệt của xúc tác :qxt= Cxt*t (kcal/kg) Với Cxt là tỷ nhiệt của xúc tác (kcal/kgoC) và tương ứng bằng 0,27 hoặc có tài liệu cho bằng 0,22 Hàm nhiệt của cốc: qc= Cc*t (kcal/kg) Với Cc là tỷ nhiệt của cốc và bằng 0,6 hoặc có tài liệu cho bằng 0,42. t: nhiệt độ của xúc tác hay cốc ( oC ) Hàm nhiệt của hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất được xác định theo giản đồ i-S.Để lựa chọn nhiệt độ của hơi nước người ta dựa vào mức độ thay đổi nhiệt độ ở trong lò phản ứng và trong ống xoắn làm lạnh của lò tái sinh Phản ứng cracking xúc tác là phản ứng thu nhiệt,dựa vào đồ thị hình 59 tài liệu (2-120) cho ta thấy hiệu ứng nhiệt của phản ứng cracking xúc tác phụ thuộc vào độ sâu biến đổi ( theo % trọng lượng ) Độ sâu biến đổi ( theo % trọng lượng ) được xác định theo bảng 5: 100 – 15,7 – 12,8 = 71,5 ( % trọng lượng ) ở độ sâu biến đổi 71,5% trọng lượng thì trị số của hiệu ứng nhiệt là 49 kcal/1kg nguyên liệu. Dựa trên cơ sở tính toán trên ta thiết lập bảng cân bằng nhiệt sau: Bảng 8: Cân bằng nhiệt của lò phản ứng cracking xúc tác. Tên Trạng thái Nhiệt độ cC Số lượng kg/h Hàm nhiệt kcal/kg Tổng cộng kcal/h Vào Qnl lỏng tnl 228310 qnl Qnl Qg1 lỏng 288 64840 154,8 10037238 Qxt1 rắn 600 1598170 162 258903540 Qn1 hơi 600 3653 885 3232905 Qnt1 hơi 230 11187,19 701 7842220,2 Tổng Qnl+280015903,2 Ra Qk khí 485 40410 297,1 12005811 Qδ hơi 485 102970 366,3 37716332,9 Q1 hơi 485 35850 343,3 12307305 Q2 hơi 485 29220 341,9 9990318 Qxt2 rắn 485 1598170 131,0 209360270 Qc rắn 485 19860 291,0 5779260 Qg2 hơi 485 64840 343,2 22253088 Qn2 hơi 485 3653 825,0 3013725 Qnt2 hơi 485 11187,19 825,0 9229431,8 Qp - - 228310 49,0 11187190 Qm - - - - 700000 Cộng 333542731,7 Từ phương trình cân bằng nhiệt ta có: Qnl+280.015.903,2 = 333.542.731,7 Vậy Qnl = 53.526.828,5 kcal/h Xác định hàm nhiệt của nguyên liệu: qnl = = = 234,45 kcal/kg ( 980 kj/kg ) Dựa vào hàm nhiệt của nguyên liệu ,muốn xác định nhiệt độ tnl ta phải biết trạng thái pha của nó,ở áp suất thường nguyên liệu có nhiệt độ bắt đầu sôi là 350oC.Nhưng áp suất ở đáy lò phản ứng cao hơn áp suất khí quyển.Vậy lúc đó áp nhiệt độ bắt đầu sôi của nguyên liệu phải cao hơn 350oC. Giả thiết rằng lúc vào bộ phận khuấy trộn nguyên liệu ở pha lỏng.Theo hàm nhiệt của các sản phẩm dầu mỏ ( 2- 350 ) ta có qnl=410oC. IV:Đường kính của lò phản ứng. Xác định đường kính của lò phản ứng theo công thức sau: Trong đó :S :Diện tích tiết diện ngang của lò phản ứng (m2) V:thể tích hơi đi qua tiết diện tự do của lò phản ứng (m3/h) w: Tốc độ cho phép của hơi ở trong tiết diện tự do của lò phản ứng (m/s).Đối với thiết bị cracking xúc tác ở trong lớp giả sôi thì tốc độ trung bình của khí ở trong tiết diện tự do của lò phản ứng (nằm trong lớp giả sôi ) bằng 0.63 m/s hoặc có thể là từ 0,5 m/s – 0,8 m/s theo (2-122). + Xác định đại lượng V theo công thức sau: V = Trong đó: :Lượng hỗn hợp hơi ở trong lò phản ứng (kmol/h) tp:nhiệt độ ở trong lò phản ứng (oC) p:áp suất tuyệt đối ở bên trên lớp giả sôi của lò phản ứng,lấy bằng p= 2at. Để tính được đại lượng ta phải xác định được trọng lượng phân tử trung bình của khí cracking: Mk = = 30,22 Dựa vào bảng 8 ta có: kmol/h Vậy V = = 114.101 m3/h Giá trị của đại lượng V vừa tình được là lớn nhất vì thể tích tổng cộng của tất cả các sản phẩm cracking sẽ lớn hơn thể tích nguyên liệu. Chọn w = 0,53 m/s do đó diện tích tiết diện ngang của lò phản ứng là: m2 Vậy đường kính của lò phản ứng là: Trong thực tế công nghiệp người ta sử dụng các lò phản ứng có đường kính từ 2,5 đến 12m. V:Tính chiều cao lò phản ứng. Xác định chiều cao lò phản ứng theo công thức: H= h + h1 + h2 + h3+ h4 + h5 h:chiều cao của lớp giả sôi ( m ) h1:chiều cao của vùng chuyển tiếp từ lớp giả sôi đến vùng tách ( nơi đặt thiết bị phân phối ) ( m ) h2:chiều cao vùng tách,thường lấy h2= 6 m h3:chiều cao vùng phân ly,chọn h3 = 6 m h4:chiều cao vùng đặt xyclon,nó phụ thuộc vào kích thước của xyclon và thường lấy h4= 6 m h5:chiều cao đỉnh lò phản ứng,đỉnh lò phản ứng có dạng bán cầu nên thường lấy nó bằng 0,5*D. h5 = 0,5*D = 0,5*8,7 = 4,35 m. Chiều cao của lớp giả sôi ở trong công nghiệp thường nằm trong khoảng 4,5 – 5,5 m.Mặt khác cũng có thể tính theo công thức sau: h = trong đó :Vp :thể tích của không gian phản ứng ( m3 ) Gkp : lượng xúc tác có trong khoảng không gian phản ứng ( kg ) ρxt :mật độ lớp giả sôi của xúc tác,thường lấy bằng 450 – 500 kg/m3. Chọn ρxt = 500 kg/m3. Mà Gkp = theo công thức ( 2- 125 ) Gl : tải trọng lò phản ứng ( nguyên liệu mới + phần gazoin tuần hoàn ) kg/h ŋ : tốc độ trọng lượng dẫn nguyên liệu ( h-1 ).Với nguyên liệu nặng nó nằm trong khoảng 1,1 – 2,3 h-1 ( 2 – 125 ).Khi tuần hoàn có dùng giá trị lớn hơn.Chọn ŋ = 1,95 h-1 Vậy Gkp= Từ đó ta tính được Vp ,h Nếu giá trị của h ( nhận được khi tính toán ) mà nằm ngoài khoảng cho phép thì ta phải giả thiết lại tốc độ trọng lượng dẫn nguyên liệu hay tốc độ cho phép của hơi ở trong tiết diện tự do của lò phản ứng để tính lại. Chiều cao vùng chuyển tiếp :h1 = h1’ + hk h1’ :chiều cao phần hình trụ vùng chuyển tiếp thường chọn h1’ = 4,5 m hk :chiều cao phần hình nón của vùng chuyển tiếp. Cho trước đường kính của vùng tách bằng 4,6 m và thừa nhận góc tạo bởi phần hình nón và thành thiết bị là 45o.Biết đường kính lò phản ứng D = 8,7 m,dựa vào hình 60 ( 2-124 ) ta tính được chiều cao hk= 2,1m. Vậy h1 = 4,5 + 2,1 = 6,6 m Tính H = 5 + 6,6 + 6 + 6 + 6 + 4,35 = 33,95 m Chiều cao của phần vỏ hình trụ là: Ht = h + h1’ +h3 + h4 = 5 + 4,5 + 6 + 6 = 21,5 m Ttrong thực tế công nghiệp tỷ số giữa chiều cao của phần vỏ hình trụ và đường kính: Ht : D = 1,4 – 4 ( 2 – 126 ) Trị số này càng nhỏ chứng tỏ lò phản ứng đó càng mạnh và càng bền vững. Ta có tỷ số: . VI: Tính áp suất ở đáy vùng tách và nhiệt độ của xúc tác lúc ra khỏi vùng tách. Muốn tính toán thuỷ lực hệ thống vận chuyển xúc tác bằng hơi ta phải xác định được áp suất ở đáy vùng tách theo công thức sau: Ph = p + *( h + h1 + h2 )*ρxt*g ( kg/m3 ) h,h1,h2 :chiều cao các lò phản ứng của lò phản ứng ( m ) p:áp suất bên trên lớp sôi,p = 2,2 *104 ( kg/m2 ) Thay số liệu vào công thức trên ta có: Ph = 2,2*104 + *( 5 + 6,6 + 6 )*500*9,81 ( kg/m2 ) Ph= 30800 kg/m3 = 3,04*104 kg/m2 = 3,04 at. Muốn xác định được nhiệt độ của xúc tác lúc đi vào lò tái sinh ta cần phảI biết nhiệt độ của xúc tác dính cốc lúc đi ra khỏi vùng tách của lò phản ứng.Hơi nước quá nhiệt t = 230oC ; p = 4 at.Cho vào vùng tách nó được đun nóng đến 485oC nhờ nhiệt của xúc tác dính cốc,còn nhiệt độ của xúc tác sẽ giảm xuống một lượng là Δt Δt = i485 hàm nhiệt của hơi nước quá nhiệt ở đỉnh vùng tách lúc ra có t = 485oC và áp suất p = 3,08 at. i230 :hàm nhiệt của hơi nước quá nhiệt lúc đi vào vùng tách ở t = 230oC và áp suất p = 4 at Gxt:lượng xúc tác ( kg/h ) Cxt:tỷ nhiệt của xúc tác ( kcal/kgoC ) Cxt = 0,27 Δt = oC Vậy xúc tác dính cốc khi ra khỏi vùng tách nó có nhiệt độ là: tc = tp – Δt = 485 – 3,3 = 481,7oC VII:Lựa chọn thiết bị phân phối dòng hơi-xúc tác của lò phản ứng. Lựa chọn tiết diện làm việc của thiết bị phân phối sao cho nó phải duy trì được trị số tốc độ dài của dòng tới và thường nằm trong khoảng 1- 2,5% tiết diện của lò phản ứng. Bộ phận phân phối có thể được cấu tạo theo dạng chùm ống hay dạng lưới nằm ngang.Chọn bộ phận phân phối có cấu tạo dạng bảy lưới nằm ngang. Theo các tài liệu thiết kế thì diện tích của các lưới chỉ được chiếm trong khoảng 60 % - 70% diện tích tiết diện ngang của lò phản ứng Chọn bằng 65%,diện tích các lưới sẽ là: Diện tích của một lưới: Đường kính của lưới: Lấy tổng tiết diện làm việc của bộ phận phân phối bằng 2,2% tiết diện của lò phản ứng thì diện tích tiết diện làm việc của bộ phân phối sẽ bằng. Tiết diện của một lưới sẽ là: Nếu chọn đường kính của các lỗ ở trong lưới phân phối do= 40mm thì số lỗ ở trong một lưới sẽ là: no = Dựa trên cơ sở tiết diện làm việc của bộ phận phân phối ta sẽ xác định được đường kính ống dẫn hỗn hợp hơi – xúc tác. Dct= + Đường kính của các ống dẫn nhánh ( cho 7 lưới phân phối ) VIII:Xyclon của lò phản ứng. Người ta đặt xyclon ở trong lò phản ứng ( hay lò tái sinh ) là nhằm mục đích thu hồi bụi xúc tác bị cuốn theo hơi sản phẩm phản ứng ( hay sản phẩm cháy).Mức độ thu hồi các hạt xúc tác có kích thước nhỏ hơn 20 μ rất thấp,với các hạt có kích thước 20μ cũng không vượt quá 90%,còn với các hạt lớn hơn có thể thu hồi 100%.Mức độ làm sạch có thể dao động trong khoảng 65% - 98%.Trong trường hợp cần làm sạch ở mức độ cao hơn 99,8% - 99,9% ta dùng hai hay ba bậc xyclon. Trong phần tính toán xyclon ta chỉ giới hạn trong phạm vi xác định số lượng và trở lực thuỷ lực của xyclon.Quá trình tính toán như sau: Để tính toán ta phải dựa vào tốc độ qui ước của dòng hơi sản phẩm đI trong tiết diện tự do của xyclon và xác định tốc độ qui ước đó theo công thức sau: ( m/s ) Trong đó : V:thể tích của dòng hơi sản phẩm ( m3/s ) S : tiết diện chung của các xyclon ( m2 ) Mức giảm áp suất trong xyclon được xác định như một trở lực cục bộ Δρ = ξ : hệ số trở lực. γh:Trọng lượng riêng của hơi sản phẩm ( N/m3 ) ρh:tỷ trọng của hơi sản phẩm ( kg/m3 ) g:gia tốc trọng trường ( m/s2 ) Trong công nghiệp hoá học người ta sử dụng rộng rãi một số loại xyclon sau: Bảng 9:Kích thước cơ bản của xyclon ЦH theo đường kính ( 524 – 13 ) Kích thước ký hiệu của xyclon Kiểu xyclon Loại ЦH – 24 Loại ЦH -15 Loại ЦH-11 Chiều cao cửa vào ( kích thước bên trong ) a 0,66*D 0,66*D 0,48*D Chiều cao ống tâm có mặt bích h1 2,11*D 1,17D 1,56*D Chiều cao phần hình trụ h2 2,11*D 2,26*D 2,08*D Chiều cao phần hình nón h3 1,75*D 2,0*D 2,0*D Chiều cao phần bên ngoài ống tâm h4 0,4*D 0,3*D 0,3*D Chiều cao chung H 4,26*D 4,56*D 4,38*D Đường kính ngoài của ống ra d1 0,6*D 0,6*D 0,6*D Đường kính trong của cửa tháo bụi d2 0,3 – 0,4*D 0,3 – 0,4D 0,3- 0,4D Chiều rộng của cửa vào b/b1 0,26D/ 0,2D 0,26D / 0,2D 0,26D / 0,2D Chiều dài của ống cửa vào l 0,6D 0,6D 0,6D Khoảng cách từ tận cùng xyclon đến mặt bích h5 0,24D – 0,32D 0,24D – 0,32D 0,24 – 0,32D Đường kính trong của xyclon D 400-1000 mm 40 – 800 mm 40 – 800 mm Hệ số trở lực của xyclon ξ 60 105 180 Góc nghiêng giữa nắp và ống vào α 24o 15o 11o Các xyclon này được tính toán để sử dụng ở nhiệt độ khoảng 400oC và áp suất dư đến 2500 N/m2.Thông thường người ta cho biết trước trị số giảm áp suất của chúng bằng: ( theo 2-131 ) Ta tính được: ( m/s ) Từ đó xác định được tiết diện chung của xyclon: ( m2 ) Chọn loại xyclon ЦH -15 và lấy ta có: Tiết diện chung của các xyclon: Nếu dùng xyclon có đường kính D = 0,8 m,tiết diện của một xyclon sẽ là: Số xyclon cần dùng là: Ta lấy chẵn là 18 xyclon khi đó tiết diện chung thực tế của xyclon là: S = 0,5*18 = 9 m2 Kiểm tra lại cách chọn: Tốc độ qui ước của hơi sản phẩm đi trong xyclon: Để xác định độ giảm áp suất theo công thức:Ta phải biết tỷ trọng của hơI sản phẩm.Xác định tỷ trọng dòng hơi sản phẩm theo công thức: ρh = Mh :Trọng lượng phân tử trung bình của dòng hơi sản phẩm.Được tin như sau: п:áp suất tuyệt đối ở trên lớp sôi của lò phản ứng ( at ) tp :Nhiệt độ trong lò phản ứng ( oC ) Vậy kg/m3 Vậy độ giảm áp suất ở trong xyclon là: Với xyclon có D = 0,8 m thì cửa vào của dòng hơi sản phẩm sản phẩm có tiết diện là Sb = l*b = 0,26D*0,6D = 0,26*0,8*0,6*0,8 = 0,09984 m2 Vậy tốc độ dòng hơi sản phẩm lúc đi vào xyclon là: Thường tốc độ hơi sản phẩm đI vào xyclon nằm trong khoảng 15 – 25 m/s.Nếu các giá trị tính được của tốc độ hơi sản phẩm và trở lực thuỷ lực của xyclon mà không nằm trong phạm vi cho phép thì ta phải thay đổi đường kính D của xyclon hay cách bố trí chúng.  Kết luận Qua hơn 3 tuần nghiên cứu và được sự hướng dẫn của thầy giáo em đã hoàn thành xong đồ án môn học.Trong quá trình làm đồ án giúp em hiểu thêm về việc áp dụng nghiên cứu vào sản xuất là một quá trình hết sức phức tạp, nó đòi hỏi phải có sự liên quan đến quá trình sản xuất,người thiết kế phải có trình độ. Về phần lý thuyết cần phải nắm được các tính chất của nguyên liệu và sản phẩm, nắm được yêu cầu về xúc tác, hiểu được cơ chế phản ứng cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình. Dựa trên cơ sở lý thuyết kết hợp với các tài liệu về thiết kế cho ta phương hướng lựa chọn công nghệ thích hợp,tính toán thiết bị lò phản ứng phù hợp với yêu cầu năng suất đặt ra. Hiện nay trên thế giới, việc nghiên cứu các phương pháp để sản xuất xăng có trị số octan cao và chất lượng tốt vẫn là vấn đề quan trọng. Nhiều hãng đã cho ra các dạng công nghệ khác nhau. Đồng thời trên thị trường tiêu thụ xăng ngày càng tăng, sản phẩm xăng được ứng dụng rộng rãi trong kinh tế, an ninh quốc phòng. Do nhu cầu sử dụng xăng ngày càng tăng cho nên việc sản xuất xăng là một yêu cầu quan trọng, không chỉ cho ra loại xăng thường mà phải sản xuất ra loại xăng có trị số octan cao và chất lượng tốt. Bản đồ án này đã được hoàn thành nhưng vì điều kiện thời gian chỉ hơn 3 tuần nên thời gian để nghiên cứu , sưu tầm tài liệu chưa thực sự đầy đủ do vậy mà trong quá trình tính toán thiết bị không tránh khỏi sai sót. Vậy em rất mong được sự chỉ bảo cùng những ý kiến đóng góp của các thầy cô và các bạn để bản đồ án được hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Hoá dầu - Hữu cơ và các bạn. Đặc biệt là thầy giáo Tiến sỹ Lê Văn Hiếu đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành bản đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn!☺ Hà Nội tháng 2 năm 2006  Tài liệu tham khảo Lê Văn Hiếu. Công nghệ chế biến dầu mỏ; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; 1998. Tính toán các công nghệ các quá trình chế biến dầu mỏ. NXB Khoa Học Kĩ Thuật. Advances FCC catalyst / Process / Hardware . Technology to meet challenges in. Fluid catalytic cracking handbook _ Reza Sadeghbeigi _ Gulf Publish Company, Houston , Texas. Trần Mạnh Trí. Dầu khí và dầu khí ở Việt Nam. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội; 1996. PGS. TS. Đinh Thị Ngọ. Hoá học dầu mỏ; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; 1999. Kiều Đình Kiểm (Tổng Công ty dầu khí Việt Nam). Các sản phẩm dầu mỏ và hoá dầu. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội, 1999. 10. Ultman’s encyclopedia of industrial chemistry , A3 (1989),482 11. Ultman’s encyclopedia of industrial chemistry , A4 (1989),486 12. Ultman’s encyclopedia of industrial chemistry , A5 (1989),335,327 13. Ultman’s encyclopedia of industrial chemistry , A13 (1989),331 14. Ultman’s encyclopedia of industrial chemistry , A18 (1989),61,62,81 13.Nhóm tác giả,hiệu đính: Pts Trấn Xoa ,Pts Nguyễn Trọng Khuông, Ks Hồ Kê Viên,Sổ tay quá trình tính toán và thiết bị công nghệ hoá chất.Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật,năm 1992