Chơng 4
Công nghệ quá trình cracking xúc tác

4.1. Mở đầu
Cracking xúc tác pha lu thể FCC (fluid catalytic cracking) là một quá trình chuyển
hoá gas oil chng cất trực tiếp dới áp suất khí quyển, gas oil chân không, một số dầu cặn
và dầu nặng của nhiều công đoạn khác nhau trong nhà máy lọc dầu để tạo ra gasolin có giá
trị octan cao hơn, dầu đốt và các khí giàu olefin nhẹ. Đặc điểm của quá trình FCC là: vốn
đầu t tơng đối thấp, hoạt động lâu dài khá ổn định và khá đa dạng (nghĩa là nhà máy lọc
dầu có thể điều chỉnh hiệu suất các sản phẩm theo nhu cầu thị trờng bằng cách thay đổi các
tham số vận hành. Gasolin của FCC có giá trị octan khá tốt. Ngoài ra, các gasolin đó còn
đợc bổ sung các alkylat sản xuất từ các khí giàu olefin. Các alkylat có giá trị octan khá cao
và độ nhạy octan khá tốt.
Trong một hệ thống FCC điển hình, các phản ứng cracking đều đợc thực hiện trong
một reactơ ống đứng (vertical reactor riser), trong riser (raizơ) một dòng nguyên liệu lỏng
đợc tiếp xúc với chất xúc tác nóng, dạng bột. Nguyên liệu (gas oil) bị hoá hơi và cracking
thành các sản phẩm nhẹ khi di chuyển từ dới lên phía trên reactơ và mang theo chất xúc tác
bột. Các phản ứng xảy ra rất nhanh chỉ trong vài giây, đồng thời cốc cũng đợc hình thành,
bám vào bề mặt chất xúc tác làm cho hoạt tính xúc tác giảm dần. Chất xúc tác đã tham gia
phản ứng và các sản phẩm cracking đợc phân riêng. Chất xúc tác đợc chuyển qua thiết bị
hoàn nguyên để đốt cháy cốc và phục hồi hoạt tính xúc tác. Sau đó, chất xúc tác lại đợc
chuyển đến đáy của reactơ ống đứng để tiếp tục thực hiện một chu trình cracking xúc tác
tiếp theo. Để đạt đợc một quy trình hoàn hảo nh trên, công nghệ cracking xúc tác phải trải
qua bao nhiêu thời gian thử thách, cải tiến và hoàn thiện dần.
Một vài nét về lịch sử phát triển công nghệ FCC
Cracking xúc tác bắt đầu phát triển trong những năm cuối của thập kỷ 30 thế kỷ trớc.
Trong thế chiến thứ II, do yêu cầu quốc phòng công nghệ này đợc u tiên phát triển đặc
biệt, hơn 30 cơ sở cracking đợc xây dựng và hoạt động.
Phân xởng FCC quy mô công nghệ đầu tiên đợc đa vào vận hành ở Mỹ tháng 5-

dụng nhiệt
thải
Khí xả sau
hoàn nguyên
Thiết bị
thu hồi b
ụ
i Hình 4.1. Sơ đồ hệ thống cracking xúc tác theo mẫu thiết kế số 2.

C
ột chng cất chính
HCO
LCO
Khí và xăng
Dầu sệt
Hơi nớc
Nớc
đã xử lý

Sơ đồ này gồm một reactơ áp suất thấp kết nối trực tiếp phần phía trên của thiết bị
hoàn nguyên chất xúc tác có áp suất cao hơn. Mẫu thiết kế này là một bớc chuyển tiếp
quan trọng từ công nghệ cracking trong lớp chất xúc tác ổn định đến cracking trong hệ xúc
tác pha lu thể. Giữa thập kỷ 50 thế kỷ trớc mẫu thiết kế kiểu reactơ ống đứng (reactor
riser) đã đợc giới thiệu (hình 4.3).
B
Dầu sệt
Dầu đã lắng gạn
Cột chng cất
HCO
LCO
Khí và xăng

Hơi nớc
Bộ phận làm
sạch chất xúc tác
(
bằn


156
Trong nhiều năm, ngời ta hết sức quan tâm đến việc hoàn thiện một hệ reactơ
cracking, bao gồm: ống phản ứng, hệ xyclon, đầu phun nguyên liệu, Mọi cải tiến đều
nhằm tăng cờng sự tiếp xúc tốt giữa nguyên liệu cracking và chất xúc tác, thực hiện phản
ứng cracking hoàn toàn trong ống phản ứng (riser), nâng cao hiệu suất sản phẩm mong
muốn, giảm thiểu các sản phẩm phụ không cần thiết.
Bên cạnh sự quan tâm cải tiến reactơ phản ứng, ngời ta còn chú ý cải tiến hệ thống
hoàn nguyên xúc tác. Trong thời kỳ đầu (khoảng 20 năm) hoạt động của các nhà máy lọc
dầu, các thiết bị hoàn nguyên xúc tác đều phát ra khí xả chứa chủ yếu CO và CO
2
. Với biện
pháp đốt cháy không hoàn toàn, chất xúc tác sau khi hoàn nguyên còn chứa hàng chục phần
trăm lợng cacbon trên bề mặt của nó. Trong những năm đầu của thập kỷ 1970 ngời ta phải
cải tiến việc chế tạo chất xúc tác và lắp đặt thêm các thiết bị phụ trợ (lò đốt CO) để chuyển
hoá CO thành CO
2
, nhằm giảm thiểu độ độc hại của khí thải. Năm 1973, một hệ thống FCC
của UOP đợc lắp đặt thiết bị hoàn nguyên xúc tác mới, có hiệu quả cao trong việc chuyển
hoá trực tiếp CO thành CO
2
. Từ đó về sau, các cơ sở FCC đều đợc thiết kế theo công nghệ
hoàn nguyên xúc tác cải tiến, do đó, hiệu suất cốc giảm, phát thải CO thấp hơn (đáp ứng tiêu
chuẩn môi trờng) và cải thiện chất lợng, độ chọn lọc sản phẩm.

Khí xả sau hoàn nguyên
Thiết bị hoàn nguyên
xúc tác 2 giai đoạn
Không khí sơ cấp
Không khí thứ cấp

nghiệp. Từ đó về sau, việc xử lý dầu cặn dần dần phát triển, hơn một nửa các nhà máy mới
đều đợc xây dựng theo công nghệ xử lý dầu cặn hoặc dầu chứa nhiều hợp phần nặng. Hình
4.4 giới thiệu một mô hình hệ thống RCC đợc thiết kế năm 1983.
Trong sơ đồ đó có nhiều cải tiến so với công nghệ FCC thông thờng, đặc biệt là sự
cải tiến về thiết bị hoàn nguyên hai giai đoạn nhằm đốt cháy tốt hơn lợng cốc nhiều hơn từ
nguyên liệu dầu cặn. Thiết bị hoàn nguyên xúc tác này khống chế tốt hơn sự cân bằng nhiệt
của quá trình, bởi vì một giai đoạn hoạt động trong chế độ cháy hoàn toàn, và một giai đoạn
khác trong chế độ cháy không hoàn toàn. Bộ phận làm nguội chất xúc tác cũng là một cải
tiến của công nghệ RCC. Nó không những góp phần vào việc khống chế nhiệt độ hoàn
nguyên mà còn duy trì sự tuần hoàn chất xúc tác trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt.
Nhìn chung, trong 4 - 5 thập kỷ vừa qua công nghệ cracking xúc tác luôn đợc cải tiến
và hoàn thiện.Do thực trạng ngày càng khó khăn về nguồn nguyên liệu, do nhu cầu sản
phẩm và yêu cầu nghiêm ngặt về bảo vệ môi trờng mà công nghệ cracking xúc tác đang
đợc phát triển theo ba hớng sau đây:
- Có khả năng chế biến các nguồn nguyên liệu đa dạng.
- Quan tâm đặc biệt đến công nghệ chế biến dầu nặng.
- Cracking sâu để tạo ra nguồn olefin cho sản xuất vật liệu Polyme.
Do đó trong chơng này chúng tôi giới thiệu một số công nghệ đại diện cho ba xu
hớng đó.
4.2. Công nghệ FCC của UOP
4.2.1.Giới thiệu công nghệ FCC của UOP
Một hệ thống FCC của UOP bao gồm các bộ phân chủ yếu sau đây: Cụm thiết bị phản
ứng (reactor) và hoàn nguyên xúc tác (regenerator); tháp chng cất chính và phân xởng khí
(hình 4.5).
Tuỳ thuộc vào mục đích của nhà lọc dầu, có thể một phần dầu nặng đợc hoàn lu trở
lại reactơ để tạo ra hiệu suất sản phẩm mong muốn.
Độ chuyển hoá đợc định nghĩa là: 100% - % thể tích lỏng của các sản phẩm nặng
hơn gasolin.
Nói chung độ chuyển hoá không bao giờ đạt đến 100%. Một số sản phẩm đáy tháp
chng cất đợc gọi là dầu lắng gạn (clarified oil) hoặc dầu sệt (slurry oil) thờng đợc sử

LCO
Naphta
Tháp chng
cất chính
Reactơ
Tái sinh
Đ
ến hệ xử lý khí xả
Nguyên liệu mới
Không khí

Hình 4.5. Sơ đồ chung của hệ thống FCC của UOP.
Một hệ thống FCC hiện đại bao giờ cũng gắn liền với một hệ thống xử lý khí xả (khí
sau thiết bị hoàn nguyên). Khí xả chứa nhiều nhiệt d, bụi-xúc tác, nitơ, oxyt cacbon (CO,
CO
2
), oxyt sulfua, oxyt nitơ và hơi nớc.
Sau thiết bị hoàn nguyên khí còn có nhiệt độ 700 ữ 780
o
C, áp suất: 0,7 ữ 2,8 atm.
Nhiệt độ của khí có thể đợc sử dụng trong sản xuất hơi nớc chạy tuabin phát điện. CO
đợc đốt cháy thành CO
2
ở lò đốt CO. Bụi xúc tác đợc loại bỏ bằng máy lọc bụi tĩnh điện.
Cụm thiết bị phản ứng Cracking- Hoàn nguyên xúc tác
Quả tim của công nghệ FCC là cụm thiết bị phản ứng và hoàn nguyên xúc tác
(Reactơ-Regeneratơ, hình 4.6).
Trong khi vận hành, nguyên liệu ban đầu và một phần dầu nặng hoàn lu (tuỳ thuộc
vào mục tiêu sản phẩm) đợc đa vào ống phản ứng riser cùng với một lợng nhất định chất
xúc tác đã hoàn nguyên. Nguyên liệu có thể đợc gia nhiệt bằng cách trao đổi nhiệt hoặc ống dẫn chất xúc tác
đã tham gia phản ứng
Thiết bị hoàn nguyên
Buồng đốt kiểu ống đứng
Bộ phận làm nguội
chất xúc tác
Buồng đốt
ống dẫn chất
xúc tác tuần hoàn
ống dẫn chất
xúc tác nguội
Không khí
ox
y
hoá cốc
Khí đẩ
y
N
g
u
y
ên liệu
ống dẫn chất
xúc tác tái sin
h
Tách hydrocacbon

2
bên trong
regeneratơ thì nhiệt của khí xả đợc cung cấp cho lò hơi. Khí xả sau regeneratơ đi qua
xyclon để giảm lợng chất xúc tác bị cuốn theo trớc khi bị thải ra môi trờng.
Để duy trì hoạt tính chất xúc tác ở mức độ cần thiết và để bù lại lợng chất xúc tác bị
mất trong hệ thống khí xả, một lợng chất xúc tác mới đợc bổ sung vào hệ thống cung cấp
chất xúc tác. Ngoài ngăn đựng chất xúc tác mới, còn có một ngăn khác để lấy ra chất xúc
tác đã hoạt động nhằm đảm bảo hoạt tính xúc tác cần thiết cho phản ứng cracking và để tháo
toàn bộ chất xúc tác khi hệ thống ngừng hoạt động để sửa chữa, bảo dỡng v.v
Sự cân bằng nhiệt
Sơ đồ cân bằng nhiệt trong công nghệ FCC đợc mô tả nh trên hình 4.7

Xúc tác đã sử dụn
g

Q
RX
Nhiệt phản ứng
Q
FD
Q
RG
Nhiệt đốt
cháy cốc


Tổn thất nhiệt Tổn thất
nhiệt

Khôn
g
khí cho tái sinh
Gia nhiệt sơ bộ
Hình 4.7. Sơ đồ cân bằng nhiệt của tổ hợp FCC.
Giống nh mọi quá trình công nghệ khác, hệ thống FCC về cơ bản là đoạn nhiệt. Biểu
thức cân bằng nhiệt tổng quát có thể đợc viết nh sau:
Q
RG
= (Q
P
Q
FD
) + (Q
FG
Q
A

reactơ-regeneratơ. Nhiệt lợng toả ra do qúa trình đốt cháy cốc đảm bảo cho các nhu cầu
nhiệt của reactơ và regeneratơ. Nhiệt cần tiêu tốn để:
- Nâng nhiệt độ của nguyên liệu đến nhiệt độ phản ứng;
- Hoá hơi nguyên liệu;
- Cung cấp cho các phản ứng thu nhiệt cho các yêu cầu nhiệt của các bộ phận phụ trợ
và cho tổn thất;
- Nâng nhiệt độ không khí đến nhiệt độ của khí xả và các tổn thất nhiệt của
regeneratơ;
Sự luân chuyển của chất xúc tác chính là cơ chế vận chuyển nhiệt lợng từ regeneratơ
đến reactơ. Nh vậy toàn bộ nhiệt lợng cung cấp cho reactơ là do biến thiên entanpy giữa
chất xúc tác đã hoàn nguyên và đã phản ứng (Q
RC
Q
SC
).
Do đó, tốc độ luân chuyển chất xúc tác là một tham số vận hành quan trọng và quyết
định, vì nó không chỉ cung cấp nhiệt mà còn tác động đến độ chuyển hoá thông qua nồng độ
của chất xúc tác và nồng độ nguyên liệu (thờng đợc biểu diễn dới thuật ngữ
tỉ số chất
xúc tác/dầu
). Trong thực tế, tỉ số đó không phải là một tham số đợc khống chế trực tiếp: sự
thay đổi tỉ số chất xúc tác/dầu là hệ quả của các thay đổi của các tham số vận hành khác. Ví
dụ, tăng tỉ số chất xúc tác/dầu là do sự gia tăng nhiệt độ của reactơ, do sự giảm nhiệt độ
trong regeneratơ hoặc do sự tăng nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu. Các điều kiện quá trình
thay đổi làm cho tỉ số chất xúc tác/dầu tăng thì độ chuyển hoá của quá trình cracking xúc
tác cũng tăng theo.
Thiết bị chng cất chính
Sản phẩm cracking ở dạng hơi đợc dẫn vào thiết bị chng cất chính để phân riêng
thành các hợp phần. Tại đó gasolin và các sản phẩm nhẹ giàu olefin và một số sản phẩm nhẹ
khác đợc tách ra từ đỉnh tháp và dẫn đến phân xởng khí. LCO đợc xử lý để tách riêng các

của tháp chính

gasolin có chất lợng cha
ổn định đến từ bình chứa
sản phẩm đỉnh tháp chính
LCO đến và đi từ
hệ thống FCC
Gasolin có chất
lợng ổn định đã
khử C
4
Khí đỉnh
thá
p
chính
Hình 4.8. Sơ đồ một phân xởng khí FCC.
Khí từ bình chứa sản phẩm đỉnh tháp chính đợc nén và đa vào bình chứa áp suất cao
cùng với sản phẩm đáy của tháp hấp thụ sơ cấp và khí đỉnh tháp tách (stripper). Khí từ bình



đợc tách ra ở đỉnh tháp và chuyển trở về bình chứa (bình tách) áp suất cao. Sản phẩm lỏng
ở đáy tháp tách đợc đa đến tháp khử C
4
, tại đó sản phẩm olefin C
3
- C
4
đợc tách ra ở đỉnh
tháp đợc dẫn đến bộ phận akylhoá hoặc ngng tụ xúc tác để sản xuất gasolin. Sản phẩm
đáy tháp khử C
4
là gasolin có chất lợng ổn định, đợc chuyển đến bộ phận xử lý tiếp theo
(nếu cần) hoặc đến kho lu trữ.
Trên đây là sơ đồ tối thiểu của một phân xởng khí.
đôi khi trong phân xởng này
còn có thêm tháp tách gasolin, phân chia gasolin thành phân đoạn nhẹ và nặng. Khí H
2
S
trong khí nhiên liệu hoặc trong sản phẩm C
3
- C
4
có thể đợc loại bỏ bằng hấp thụ trong một
hệ chứa amin. Do đó phân xởng khí có thể gồm 6 hoặc 7 tháp xử lý.
4.2.2. Phân tích các u điểm của hệ thống FCC-UOP hiện đại
Một hệ thống FCC hiện đại phản ánh sự kết hợp tối u nhất các đặc điểm cơ khí và
công nghệ quá trình.
Cơ sở lý thuyết về lu thể hoá, dòng lu thể, truyền nhiệt, chuyển khối, động học,

định của chất xúc tác còn ít cốc, và vùng đốt trong ống đứng (combustor riser) có trao đổi
nhiệt và tốc độ chuyển vận cao của chất xúc tác. Sự kết hợp hai chế độ đốt cháy cốc đó đảm
bảo hiệu suất bảo toàn chất xúc tác khá cao và nhiệt độ nh nhau của khí xả và chất xúc tác
đã hoàn nguyên. Nhờ cải thiện hiệu quả thiết bị hoàn nguyên mà lợng chất xúc tác bị mất
giảm đáng kể. Điều đó không những có ý nghĩa kinh tế lớn đối với sự tiêu hao chất xúc tác
toàn bộ mà còn giảm sự hao phí lợng chất xúc tác hàng ngày. Mô hình thiết bị hoàn nguyên
kiểu combustơ đã đợc triển khai trong những năm 1970. Trớc đó, các thiết bị hoàn nguyên
hoạt động chủ yếu dựa trên chế độ cháy cốc không hoàn toàn. Một phần cốc, khoảng vài
chục phần trăm, còn bám lại trên chất xúc tác đã hoàn nguyên. Khí xả thoát ra sau hoàn
nguyên còn chứa một lợng CO và CO
2
tơng đơng nhau. Ngời ta phải sử dụnglò đốt CO
bổ sung để giảm mức độ tác hại của CO để đáp ứng tiêu chuẩn môi trờng về khí thải. Nhiệt
toả ra do sự đốt cháy CO thành CO
2
cũng có tác động đáng kể đến cân bằng nhiệt của tổ hợp
FCC. Chế độ cháy hoàn toàn còn làm cho nhiệt độ của thiết bị hoàn nguyên cao hơn, và do
đó lợng chất xúc tác từ regeneratơ đến reactơ cũng ít hơn do nhiệt độ reactơ tăng và do sự
cháy hoàn toàn hơn nên lợng các bon lu lại trên bề mặt chất xúc tác giảm xuống. Lợng
cacbon còn lại càng thấp thì hoạt tính xúc tác càng cao. Nh vậy, sự cháy hoàn toàn của cốc
dẫn đến giảm tốc độ tuần hoàn của chất xúc tác nhng lại làm tăng hoạt tính xúc tác. Vì
lợng cốc cần thiết cho cân bằng nhiệt giảm, hiệu suất cốc giảm dẫn đến sự gia tăng các sản
phẩm FCC. Để hỗ trợ cho sự cháy của CO, ngời ta thờng cho một lợng nhỏ các kim loại
quý vào chất xúc tác FCC. Các chất trợ xúc tác đó đã đợc sử dụng rộng rãi để chế tạo các
chất xúc tác cho nhiều nhà máy lọc dầu cũ, xem nh là một biện pháp trung gian làm cho cơ
chế cháy cốc hoàn toàn hơn. Trong các nhà máy mới với thiết bị hoàn nguyên kiểu
combustơ, cốc đợc oxy hoá trong chế độ cháy hoàn toàn không cần phải sử dụng chất trợ
xúc tác đắt tiền (kim loại quý Pt).
Thiết bị hoàn nguyên - oxy hoá hoàn toàn (regenerator-combustor) đã chứng tỏ sự u
việt của nó trải qua thời gian làm việc lâu dài. Nó thể hiện là một thiết bị rất hiệu quả để đốt

Nếu một tổ hợp FCC không thể vận hành trong điều kiện phản ứng khắc nghiệt thì
ngời ta có thể sản xuất theo phơng án các sản phẩm chng cất. Thay đổi các điều kiện vận
hành có thể chuyển dịch từ sự phân bố sản phẩm gasolin bình thờng đến một phân bố và
lợng gasolin xấp xỉ với lợng LCO và HCO. Để thực hiện phơng án đó, ngời ta giảm
nhiệt độ sôi cuối của gasolin để chuyển một phần sản phẩm vào phần dầu LCO.
Giới hạn sự điều chỉnh đó đợc quyết định bởi điểm chớp cháy của phần dầu CO
(cycle oil)
Sự phân bố điển hình cho ba phơng án đợc dẫn ra trong bảng 4.1.
Nguồn nguyên liệu cho ba phơng án sản phẩm trên là gas oil chân không Trung
Đông. Các hiệu suất sản phẩm đó đặc trng cho một nguồn nguyên liệu cụ thể. Nói chung,
sự phân bố hiệu suất sản phẩm FCC luôn phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu. Ví dụ:
nguyên liệu với thừa số K
UOP
thấp hơn, hàm lợng hydro thấp hơn thì khó cracking hơn và
có sự phân bố sản phẩm hạn chế hơn.

166
Bảng 4.1. Sự phân bố các sản phẩm và tính chất sản phẩm
Phơng án các sản phẩm chng
cất

Gasolin tối đa Gasolin tối thiểu
Phơng án
Gasolin
Phơng án
olefin nhẹ
Hiệu suất sản phẩm
H
2
S (%kl)

3,4 3,4 3,2 3,6
C
4
=
/C
4

no
1,6 1,6 1,8 2,1
Gasolin
ASTM điểm sôi 90% (
o
C)
193 132 193 193
ASTM điểm sôi 90% (
o
F)
380 270 380 380
RONC 90,5 91,3 93,2 94,8
MONC 78,8 79,3 80,4 82,1
LCO
ASTM điểm sôi 90% (
o
C)
354 354 316 316
ASTM điểm sôi 90% (
o
F)
670 670 600 600
Điểm chớp cháy,

Các số liệu trong bảng 4.1 chỉ ra một vài nhận xét:
Khi độ khắc nghiệt cracking tăng từ thấp đến cao thì cốc và các sản phẩm nhẹ tăng,
octan của gasolin tăng và nói chung sản phẩm lỏng càng nghèo hydro hơn. Nh vậy, độ khắc
nghiệt phản ứng cao dẫn đến cracking sâu một lợng gasolin thành các sản phẩm C
3
- C
4
.
4.2.3. Khả năng chế biến các nguồn nguyên liệu đa dạng
Các hệ thống FCC trớc đây đợc thiết kế để chế biến gas oil chân không (VGO). Đó
là một nguồn nguyên liệu có thừa số K
UOP
bằng 12 hoặc lớn hơn, nên dễ cracking. Giữa
những năm 1990 rất nhiều nhà lọc dầu phải chế biến các nguồn nguyên liệu tồi hơn. Thực
vậy, các nhà lọc dầu ngày càng muốn chế biến nhiều hơn phần dầu không chng cất đợc để
tăng cờng khả năng cạnh tranh của mình.
Trong phần này chúng ta xét hai vấn đề quan trọng: hydro-xử lý (hydro treating) các
nguyên liệu cho FCC nhằm cải thiện hiệu suất sản phẩm và giảm thiểu ô nhiễm môi trờng;
và cracking các dầu cặn, dầu đợc tách chiết bằng các dung môi khác nhau.

Hydro-xử lý các nguyên liệu FCC
Bảng 4.2. Hydro-xử lý nguyên liệu FCC

Nguyên liệu ban đầu Khử lu huỳnh vừa phải Hydro-xử lý vừa phải
Mật độ,
o
API
18,4 (0,944) 22,3 (0,920) 26,3 (0,897)
Thừa số K
UOP

tâm thì bộ phận hydro-xử lý sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng hơn.

Cracking các nguyên liệu có nhiệt độ sôi cao
Khi các nhà lọc dầu tìm cách mở rộng khoảng chất lợng của nguyên liệu cracking thì
ngời ta thờng gặp những dạng nguyên liệu nặng nh sau:
- Phân đoạn chng cất sâu ở tháp chng cất chân không.
- Các dầu chiết bằng dung môi của sản phẩm đỉnh tháp chân không.
- Dầu cặn chng cất khí quyển.
Bất cứ xuất phát từ dạng nguyên liệu nào nói trên, ngời ta phải giải quyết những vấn
đề cơ bản sau đây: (tuy nhiên với mức độ khác nhau tuỳ thuộc vào từng dạng nguyên liệu cụ
thể):

Lợng cốc tăng: nguyên liệu nặng luôn có nồng độ tạp chất cao, hàm lợng cacbon
Conradson cao. Các tạp chất này tạo ra một lợng cốc trên chất xúc tác lớn hơn so với
cracking nguyên liệu bình thờng. Việc đốt cháy cốc đó đòi hỏi một lợng không khí tăng
cờng cho thiết bị hoàn nguyên. Trong những hệ thống FCC thông thờng, việc hoàn
nguyên đó dẫn đến sụt giảm năng suất thiết bị.

Cần phải hạn chế tạp chất kim loại
Kim loại trong nguyên liệu nặng hầu nh đều lắng đọng trên chất xúc tác. Các kim
loại đó tạo ra hai hiệu ứng quan trọng.
(i) Xúc tác cho các phản ứng dehydro hoá,tạo ra nhiều khí nhẹ (H
2
, ) và tạo thêm một
lợng cốc.
(ii) Kim loại đầu độc các tâm hoạt tính xúc tác, dẫn đến sự suy giảm hoạt tính xúc tác.
Để khắc phục hiệu ứng này ngời ta phải thay thế dần dần chất xúc tác (thêm và lấy bớt chất
xúc tác) trong quá trình cracking.

Tạp chất lu huỳnh và nitơ

cần đợc hydro - xử lý tiếp tục để giảm mức độ tạp chất kim loại và tăng hàm lợng hydro
của dầu.

Dầu cặn chng cất khí quyển (atmopheric residue)
Nhiều nhà lọc dầu đã lựa chọn dầu cặn chng cất khí quyển làm nguyên liệu bổ sung
cho các hệ thống FCC đã có. Sự lựa chọn đó xuất phát từ ý đồ muốn chuyển hoá hết các
phần nặng nhất của dầu thô. Dầu cặn từ chng cất khí quyển đợc bổ sung từ một lợng
tơng đối nhỏ vào nguồn nguyên liệu tổng đến thay thế toàn bộ. Để cải thiện quá trình chế
biến nguồn nguyên liệu có nhiệt độ sôi cao đó, một số nhà máy đợc sửa chữa để nâng cấp
công nghệ. Một số nhà máy đã tiến hành bổ sung dần dần lợng dầu cặn nhờ biến đổi các
điều kiện vận hành và kĩ thuật chế biến, và nhờ căn cứ vào các kinh nghiệm tích lũy đợc
trong quá trình cracking dầu có nhiệt độ sôi cao.
Thực vậy, hiện nay trong các nhà máy đợc thiết kế theo công nghệ cracking gas oil
thông thờng, ngời ta đã tiến hành chế biến nguồn nguyên liệu có thành phần biến đổi
trong một khoảng khá rộng. Bảng 4.3 giới thiệu một công thức pha chế nguyên liệu gồm bốn
loại: từ nguồn dầu ngọt, dầu chua đến dầu nhiều tạp chất thậm chí có đến 4% cacbon
conradson.

170
Bảng 4.3. Nguyên liệu cracking pha chế

A B C D
Mật độ,

o
API (tỉ trọng)
28,2
(0,886)
24,5
(0,907)

19,1
(0,9396)
21,2
(0,9267)
22,4
(0,9194)
Thừa số K
UOP
11,8 11,7 11,9 12,2
Lu huỳnh, %kl 1,1 2,1 0,55 0,1
Nitơ, %kl 0,14 0,19 0,23
Cặn cacbon Conradson, %kl

3,8 5,6
Cặn cacbon Rambottom, %kl 5,0 5,5 Kim loại, ppm (kl)
Niken 13 15 2,5 2,2
Vanadi 31 45 3,7 1
Theo bảng 4.4 thấy rằng: công nghệ RCC có thể chế biến cả những nguồn nguyên liệu
rất khó xử lý, chứa hàm lợng cacbon Conradson và kim loại tạp chất khá cao. Trên bề mặt
chất xúc tác cân bằng có khi hàm lợng kim loại đạt đến 10.000 ppm của niken và vanadi,
đôi khi có thể lên đến 15.000 ppm.
4.2.4. Giá thành công nghệ
Vốn đầu t cho một hệ thống công nghệ FCC có công suất 35.000 thùng dầu/ngày làm
việc (BPSD: barrels per stream day), hoạt động trong chế độ cốc 5,5%kl, nguyên liệu mới,
đợc dẫn ra trong bảng 4.5.

171

























K
1K
1
E
P
P

Bảng 4.6. Chi phí vận hành điển hình

Thu hồi năng lợng Không thu hồi năng lợng
Thiết bị điện, kWh/1000 thùng
300
1200
Hơi nớc:
42 bar
10,5 bar
3,2 bar
12
14
2,3
34
32
14
2,3
34
Nớc đã xử lý 175 175
Nớc làm lạnh
Vật liệu:
Chất xúc tác 0,16 0,16
Giá trị dơng:tiêu thụ.
Giá thị âm: thu hồi.
4.2.5. Tình hình thị trờng
FCC là một trong những quá trình đợc áp dụng rộng rãi nhất trong các nhà máy lọc
dầu. Hơn 450 hệ thống FCC đã đợc xây dựng nhiều nơi trên thế giới kể từ khi công nghệ
này đợc thơng mại hoá. Vào cuối năm 1994, khoảng 350 hệ thống đang hoạt động và
khoảng 20 hệ thống mới đang đợc thiết kế và xây dựng. Công suất hoạt động của các cơ sở
FCC đợc giới thiệu trong bảng 4.7.

Tập đoàn công nghiệp Stone&Webster (S&W) kết hợp với Viện Dầu mỏ Pháp IFP
(Institut Fran
ỗais de Pétrole) sáng chế ra công nghệ cracking xúc tác pha lu thể RFCC
(residual fluid catalytic cracking) áp dụng đặc biệt cho nguyên liệu nặng. Hệ thống RFCC
đã đợc triển khai trong nhiều năm đầu của thập kỷ 1980 bởi hãng dầu mỏ Total tại các nhà
máy lọc dầu Kansas, Oklahama, Và nhiều nơi khác trên thế giới (bảng 4.8).
Bảng 4.8. Các hệ thống RFCC của S&W-IFP đã xây dựng
Nhà máy lọc dầu Địa điểm Công suất, BPSD Hoạt động từ năm
A Kansas 20.000 1981
B Oklahoma 25.000/40.000* 1982
C Canada 19.000 1985
D Nhật Bản 40.000 1987
E Australia 25.000 1987
F Canada 25.000 1987
G Trung Quốc 23.000 1987
H Trung Quốc 21.000 1989
I Trung Quốc 28.000 1990
J Trung Quốc 21.000 1990
K Trung Quốc 21.000 1991
L Nhật Bản 30.000 1992
M Nhật Bản 31.600 1994
N Uruguay 9.000 1994
0 California 31.000

P Singapore 24.000 1995
Q Hàn Quốc 50.000 1995
R Hàn Quốc 30.000 1995
S Thái Lan 37.000 1996
T Malaysia 55.000


Hỗn hợp phản ứng di chuyển lên phía trên ống phản ứng, sau đó chất xúc tác, hơi nớc
và hydrocacbon chuyển qua một bộ phận cuối của ống phản ứng (đợc gọi là bộ phận
Ramshorn do S&W-IFP sáng chế). Bộ phận này nhanh chóng tách chất xúc tác khỏi hơi
nớc và hơi hydrocacbon. Hơi đợc làm nguội nhanh bên trong ống thoát khí của Ramshorn
để giảm thiểu các phản ứng phân huỷ nhiệt các sản phẩm phản ứng.
Chất xúc tác và không khí để đốt cháy cốc đi ngợc chiều nhau trong khu vực hoàn
nguyên giai đoạn 1. Không khí cháy đợc phân phối vào buồng hoàn nguyên bằng các vòng
cấp không khí. Không khí phân tán đều qua lớp xúc tác tạo ra một "lớp sôi" (tầng sôi) và
phản ứng cháy cốc. Chất xúc tác đợc hoàn nguyên một phần đi ra khỏi buồng hoàn nguyên
giai đoạn 1 qua một van ở phần phía đáy, van này còn có nhiệm vụ giữ ổn định mức (lớp)
chất xúc tác trong buồng hoàn nguyên, chất xúc tác đợc chuyển đến khu vực hoàn nguyên
giai đoạn 2 trong một ống dẫn bằng không khí phun qua các lỗ van. Khí cháy đi vào buồng
hoàn nguyên giai đoạn 2. Điều kiện cháy trong buồng hoàn nguyên giai đoạn 1 không khắc

175

Hình 4.9
ngang

176


Không kh
í

Không khí
phân tán
Khí xả sau reactơ
Đến khí xả sau hoàn nguyên giai đoạn 1

Khí xả sau hoàn nguyên giai đoạn 2
(1) Hệ thống làm nguội xúc tác và tái sinh hơi nớc
chỉ sử dung cho nguyên liệu có CRC > 7%kl
= Số dòng hơi nớc

NNF = Thờng không có dòng
Nguyên liệu
Hồi lu ổn định
Hồi lu bổ sung
Thụ động
hoá kim loại

Hồi lu MTC
Hơi nớc làm
sạch xúc tác
Đến van khí xả sau hoàn nguyên giai đoạn 1

Van khí xả sau hoàn
nguyên giai đoạn 2
Vòng loại kh
í


P-101
Bơm tuần hoàn
nớc cấp cho
thiết bị làm
nguội chất
xúc tác (1).
CY-101
Hệ xyclon sơ
cấp cho
regenerator giai
đoạn 1.
V-105
Bộ phận làm
nguội hơi nớc
bằng nhiệt từ
thiết bị làm nguội
chất xúc tác (1)
V-104
Buồng tháo
vật liệu (chất
xúc tác).
E-101
Thiết bị làm
nguội chất xúc
tác (1)
V-101
Bộ phận
regenerator giai
đoạn 1.
H-102 TC: kiểm tra nhiệt độ;
FC: kiểm tra dòng chảy;
PDC: kiểm tra chênh lệch áp suất;
LC: kiểm tra mức lu thể;
PC: kiểm tra áp suất;
HC: van khống chế nhiệt. 177
nghiệt vì ngời ta muốn thực hiện một sự đốt cháy cốc không hoàn toàn. Nhiệt độ thấp bảo
đảm duy trì bề mặt riêng và tính chất xúc tác của vật liệu rắn, phần còn lại đợc đốt cháy ở
buồng hoàn nguyên giai đoạn 2. Nhờ đó, hệ thống RFCC có khả năng chế biến đa dạng các
nguyên liệu khác nhau từ dầu cặn đến dầu gas oil bình thờng. Đối với nguyên liệu nặng,
70% lợng cốc đợc đốt cháy trong buồng hoàn nguyên giai đoạn 1, trong khi đó, chỉ 50%
cốc đợc đốt cháy đối với gas oil. Hầu nh toàn bộ hydro của cốc đợc cháy trong buồng
hoàn nguyên giai đoạn 1 ở nhiệt độ thấp nên đã hạn chế tối đa sự suy giảm hoạt tính xúc tác
vì tác động thuỷ nhiệt.
Trong buồng hoàn nguyên giai đoạn 2, phần cacbon còn lại trên chất xúc tác đợc đốt
cháy hoàn toàn trong điều kiện d oxy, làm cho nhiệt độ cao hơn ở buồng hoàn nguyên giai
đoạn 1. Vòng phân phối không khí của buồng hoàn nguyên thứ 2 cung cấp một phần không

và
khống chế lợng xúc tác trong stripper. Các ống dẫn xúc tác đợc cấp khí (không khí) để
bảo đảm dòng chất xúc tác chảy đều đặn. Tốc độ dòng khí đợc điều chỉnh để duy trì mật độ

178

Trích đoạn Mô tả quá trình

---