Đồ án tốt nghiệp i Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
Đồ án tốt nghiệp là những gì đúc kết lại sau một quá trình học tập, nghiên cứu
của sinh viên dưới sự hướng dẫn của các quý thầy cô. Sau ba tháng làm việc, em đã
hoàn thành đề tài này. Thành quả đạt được hôm nay là do sự nỗ lực của bản thân
dưới sự hướng dẫn giúp đỡ động viên tận tâm của quý thầy cô, của bố mẹ cũng như
các anh chị em, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trong Trường Đại Học Bách Khoa Đà
Nẵng đã truyền đạt kiến thức cơ bản và giúp đỡ chúng em trong những năm học vừa
qua, đặc biệt là các thầy cô trong Khoa Hóa và bộ môn công nghệ chế biến dầu và
khí. Trên hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy TS. Nguyễn Đình Lâm
đã hướng dẫn đề tài và tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đồ án tốt
nghiệp này.
Sau cùng em xin cảm ơn gia đình, bạn bè luôn là điểm tựa, nguồn động viên
giúp em vượt qua nhiều khó khăn trong thời gian qua.
Em xin trân trọng gửi đến quý thầy cô, gia đình và bạn bè của em những lời
chúc tốt đẹp nhất.
Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên những thiếu
sót là điều khó tránh khỏi. Em rất mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô giáo và
các bạn để đề tài được hoàn thiện hơn.
Đồ án tốt nghiệp ii Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU viii
1.1. Giới thiệu về quá trình đồng phân hóa 1
1.3. Nguyên liệu 1
1.4. Các phản ứng của quá trình 2
1.4.1. Các phản ứng chính 2
1.5. Sản phẩm 3
1.7. Xúc tác 5
1.7.1. Quá trình phát triển của xúc tác 5
1.7.2. Các xúc tác dùng trên thị trường 5
1.7.3. So sánh các loại xúc tác 6
3.4.2. Thiết kế tháp Stabilizer T-2301: 70
4.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển 71
4.1.1. Các nguyên tắc cơ bản của quá trình điều khiển 71
4.1.1.1. Điều khiển đóng mở 71
4.1.1.2. Điều khiển quá trình 71
Đồ án tốt nghiệp iii Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
4.1.2. Hệ thống điều khiển phân tán DCS trong các nhà máy hiện đại 71
4.1.3. Bộ điều khiển PID 72
4.1.3.1. Vai trò của bộ điều khiển PID 72
4.1.3.2. Lựa chọn khâu tác động và các thông số đặt trưng cho PID 73
4.2. Xây dựng sơ đồ điều khiển cho tháp DIH 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
Đồ án tốt nghiệp iv Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Điều kiện vận hành và RON của sản phẩm khi sử dụng các loại xúc tác
khác nhau 10
Bảng 1.2: So sánh chất lượng của hai quá trình 15
Bảng 1.3: Hiệu suất thu sản phẩm của quá trình TIP 17
Bảng1.4: Giá trị RON thu được khi sử dụng hai loại xúc tác cho từng công nghệ
19
Bảng 2.1: Tính chất nguyên liệu 23
Bảng 2.2: Tính chất nguyên liệu 24
Bảng 2.3: Thành phần của Make-up 24
Bảng 2.4: Thành phần isomerate trong mỗi trường hợp SOR và EOR 25
Bảng 2.5: Thành phần của Net Gas trong các chể độ khác nhau 26
Bảng 3.1: Kết quả tính số đĩa lý thuyết 56
Bảng 3.2: So sánh nhiệt độ thực tế và mô phỏng 65
Bảng 3.3: Thành phần của sản phẩm izomerate thu được sau khi mô phỏng 66
Bảng 3.4: Giá trị RON và BRON của các cấu tử 68
Bảng 3.5: RON của các cấu tử 69
Hình 3.6: Lựa chọn cấu tử từ Component Library 37
Hình 3.7: Nhập các thông số cho dòng Feed Naphtha (201) 38
Hình 3.8: Nhập các thông số cho dòng 549RCY 38
Hình 3.9: Biểu diển thiết bị hấp phụ DR-2303 39
Hình 3.10: Biểu diễn thiết bị giải hấp DR-2304 39
Hình 3.11: Thiết bị tách D-2301 40
Hình 3.12: Bơm nâng áp P-2301A/B 40
Hình 3.13: Nhập thông số cho dòng Make-up Gas (113) 41
Hình 3.14: Mô phỏng thiết bị DR-2301 41
Hình 3.15: Mô phỏng thiết bị DR-2302 42
Hình 3.16: Mô phỏng thiết bị MIX-2 42
Hình 3.17: Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2306 43
Hình 3.18: Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt E-2306 43
Hình 3.19: Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2307 44
Đồ án tốt nghiệp vi Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
Hình 3.20: Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt E-2307 44
Hình 3.21: Mô phỏng thiết bị MIX-3 45
Hình 3.22: Mô phỏng thiết bị trao đổi nhiệt E-2308 45
Hình 3.23: Thông số của thiết bị trao đổi nhiệt E-2308 46
Hình 3.24: Chọn phản ứng dạng cân bằng 46
Hình 3.25: Khai báo phản ứng nC5 chuyển hóa thành iC5 47
Hình 3.26: Khai báo phản ứng nC6 chuyển hóa thành 2-MP 47
Hình 3.27: Khai báo phản ứng nC6 chuyển hóa thành 3-MP 48
Hình 3.28: Khai báo phản ứng chuyển hóa thành 2,3-DMB 48
Hình 3.29: Khai báo phản ứng chuyển hóa thành 2,2-DMB 49
Hình 3.30: Khai báo phản ứng chuyển hóa CH thành MCP 49
Hình 3.31: Khai báo phản ứng chuyển hóa BZ thành CH 50
Hình 3.32: Khai báo phản ứng chuyển hóa CH thành nC6 50
Hình 3.33: Khai báo phản ứng chuyển hóa CP thành nC5 51
Hình 3.34: Tạo Set và add mô hình nhiệt động 51
CP : cyclopentane
22-DMB : 2,2-dimethylbutane
23-DMB : 2,3-dimethylbutane
2-MP : 2-methylpentane
3-MP : 3-methylpentane
nC6 : n-hexane
MCP : methylcyclopentane
CH : cyclohexane
BZ : benzene
2-MH : 2-methylhexane
3-MH : 3-methylhexane
3-EP : 3-ethylpentane
22-DMP : 2,2-dimethylpentane
23-DMP : 2,3-dimethylpentane
24-DMP : 2,4-dimethylpentane
33-DMP : 3,3-dimethylpentane
nC7 : n-heptane
MCH : methylcyclohexane
DMCP : dimethylcyclopentane
Đồ án tốt nghiệp viii Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
LỜI MỞ ĐẦU
Việt Nam là quốc gia may mắn được thiên nhiên ưu đãi, ban tặng cho nguồn
tài nguyên quý giá là dầu mỏ. Chỉ tính riêng năm 1994, thu nhập từ dầu khí đã gần 1
tỷ USD bằng một phần ba tổng kim ngạch xuất khẩu của cả nước, một con số đáng
ghi nhận vai trò và ý nghĩa của dầu khí nước ta ngay trong giai đoạn đầu mới hình
thành. Trong giai đoạn phát triển mới của đất nước, giai đoạn công nghiệp hoá -
hiện đại hoá nhằm tạo ra một sự phát triển với nhịp điệu tăng trưởng cao, dầu khí sẽ
đóng một vai trò vô cùng quan trọng góp phần hình thành nên nhiều ngành kinh tế
và kỹ thuật khác ra đời và phát triển như: Ngành năng lượng, ngành công nghiệp
1.1. Giới thiệu về quá trình đồng phân hóa
Quá trình đồng phân hoá phân đoạn C
5
– C
6
để sản xuất trực tiếp xăng
isomerat. Quá trình đồng phân hóa chuyển n-paraffin thành i-paraffin có IO cao hơn
và có độ nhạy thấp.
Quá trình đồng phân hoá paraffin nhẹ gồm hai phần:
- Đồng phân hoá n-C
4
thành i-C
4
: nguyên liệu cho quá trình alkyl hóa
- Đồng phân hoá phân đoạn C
5
- C
6
: sản xuất xăng isomerat để phối trộn vào
xăng.
Ngoài ra còn có quá trình đồng phân hóa nC
4
= iC
4
= nguyên liệu cho quá
trình sản xuất MTBE.
1.2. Vị trí của phân xưởng trong nhà máy lọc dầu
Hình 1.1: Vị trí của phân xương isomer trong nhà máy lọc dầu
1.3. Nguyên liệu
Phân đoạn C
CH
3
89.3 RON 84 RON
1.5. Sản phẩm
• Xăng isomerat rất giàu i-paraffin (chủ yếu là i-C
5
và i-C
6
)
• Fuel gas
Tuỳ vào thành phần nguyên liệu, sơ đồ công nghệ và xúc tác khác nhau mà thu
được những sản phẩm với thành phần và chất lượng khác nhau.
1.6. Nhiệt động học
Đồ án tốt nghiệp 4 Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
Phản ứng đồng phân hoá là phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt ít (ΔH = - 4 ÷ - 20
kJ/mol). Đây là một phản ứng không biến thiên số mol và không ảnh hưởng bởi sự
biến thiên áp suất. Cân bằng nhiệt động học thể hiện trong sơ đồ:
Hình 1.2: Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của phản ứng đồng phân hóa
Đồ án tốt nghiệp 5 Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
Dựa vào giản đồ ta thấy rằng quá trình isome hóa xảy ra ở nhiệt độ càng thấp
càng tốt. Do đó cần phải giảm nhiệt độ đến mức thấp nhất có thể để thu được lượng
sản phẩm isomerat có chứa nhiều cấu tử RON cao.
1.7. Xúc tác
1.7.1. Quá trình phát triển của xúc tác
Xúc tác của quá trình phải mang tính axit để xúc tiến cho sự hình thành
cacbocation, tồn tại ở giai đoạn trung gian.
Bốn loại xúc tác được phát triển liên tiếp kể từ năm 1933, các nhà nghiên cứu
đã chỉ ra rằng hexane và heptane có thể bị đồng phân hoá bởi AlCl
3
, đây là xúc tác
- Loại 4 : Xúc tác Zeolithe, hai chức, cho phép làm việc ở nhiệt độ trung
bình: 250 – 260
0
C. Chất xúc tác này có những điểm thuận lợi là dễ ứng dụng và
chống ngộ độc xúc tác (thậm chí nó có thể chống ngộ độc đối với lưu huỳnh và
nước). Do đó, phân xưởng không cần quá trình tiền xử lý nguyên liệu.
Mỗi loại xúc tác thể hiện quá trình phát triển trong công nghiệp. Chỉ thực sự
ứng dụng trong công nghiệp xúc tác loại 3 và loại 4.
1.7.2. Các xúc tác dùng trên thị trường
Một số loại xúc tác trên thị trường hiện nay:
UOP
−
2
2
4
32
ZrO/SO/Pt100LPI
chloreOAl/Pt
Mordenite/Pt
Đồ án tốt nghiệp 6 Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
AXENS
2
O
3
(Cl)] rất nhạy với chất độc và với sự có mặt của nước (tách
loại Cl) và chất hữu cơ chứa nitơ (trung hoà các tâm axit). Hàm lượng của chúng
trong nguyên liệu phải dưới 0,1 ppm.
1.7.3. So sánh các loại xúc tác
Đặc điểm của các loại xúc tác được sử dụng hiện nay:
- Xúc tác [Pt/Al
2
O
3
(Cl)] nhạy với chất gây ngộ độc, đặc biệt là nước và chất
hữu cơ chứa nitơ (trung hoà tâm axit) và lưu huỳnh. Nước và hợp chất chứa Nitơ là
những chất gây ngộ độc vĩnh cữu, yêu cầu hàm lượng của chúng trong nguyên liệu
phải thấp hơn 0,1ppm. Lưu huỳnh là chất gây ngộ độc thuận nghịch , hàm lượng
yêu cầu trong nguyên liệu giới hạn ở 5 ppm. Do đó cần phải có quá trình xử lý bằng
hydro ở nhiệt độ thấp để loại bỏ các chất gây ngộ độc xúc tác.
- Xúc tác zeolit bền với chất gây ngộ độc. Nó ít bị ngộ độc bởi một hàm
lượng lớn lưu huỳnh và nước. Chỉ có hợp chất hữu cơ chứa nitơ có khả năng trung
hoà tính axit của xúc tác sẽ dẫn đến ngộ độc tức thời.
- Xúc tác Pt/SO
4
2-
/ZrO
2
(UOP) có hoạt tính cao hơn xúc tác zeolit nhưng thấp
hơn Pt/Al
2
O
0
C sau đó giảm dần. Như vậy, xúc tác Pt/SAPO – 5 thuộc loại xúc tác
đồng phân hoá ở nhiệt độ trung bình. Điều này do số lượng tâm và độ mạnh axit
trung bình gây ra.
- Khi tăng tốc độ khí hydro, tức làm giảm thời gian tiếp xúc của nguyên liệu
với xúc tác thì độ chuyển hoá giảm nhưng tỷ lệ đồng phân/cracking tăng. Có thể khi
tốc độ dòng cao, thời gian tiếp xúc thấp thì thời gian lưu của HC trên xúc tác ngắn
nên phản ứng phụ ít xảy ra. Còn nếu giảm hàm lượng hydro và tăng hàm lượng Nitơ
trong khí mang để tốc độ dòng không đổi thì độ chuyển hoá tăng nhưng tỷ lệ đồng
phân/cracking giảm do giảm tỷ lệ hydro thì quá trình cracking tăng.
1.8. Cơ chế phản ứng
Cơ chế phản ứng khác nhau tuỳ theo xúc tác dùng là Pt/Alumine chlorée hoặc
xúc tác zeolit.
• Với xúc tác mang tính axit cao Pt/alumine chloré, cơ chế phản ứng xảy ra
như sau:
- Hình thành cacbocation:
Đồ án tốt nghiệp 8 Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
hoặc
- Sắp xếp lại cacbocation bậc 2 thành cacbocation bậc 3 bền vững hơn.
- Hình thành isoparaffin bằng sự chuyển hóa hydrua :
• Với xúc tác zeolithe có tính axit yếu: thể hiện cơ chế đa chức năng kim
loại/axit. Ban đầu, olefin tạo thành do quá trình khử hydro của paraffin trên platin.
Sau đó cacbocation được hình thành bởi sự proton hoá những olefin trên tâm axit.
- Hình thành n- olefin:
- Hình thành cacbocation:
- Sắp xếp lại cacbocation bậc hai thành cacbocation bậc ba
Đồ án tốt nghiệp 9 Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
- Hình thành iso-oleffin:
- Hình thành iso-paraffin:
Trên loại xúc tác thứ hai này, quá trình phản ứng có sự chuyển vị giữa tâm kim
trong nguyên liệu, điều kiện vận hành, NOR của isomerat thu được khác nhau như
trình bày trong bảng sau:
Bảng 1.1: Điều kiện vận hành và RON của sản phẩm khi sử dụng các loại xúc tác
khác nhau
Pt/Al
2
O
3
(Cl) Pt/zeolit
Pt/SO
−2
4
/ZrO
2
Nhiệt độ (
o
C)
Áp suất (bar)
VVH (h
-1
)
H
2
/HC (mol/mol)
RON của sản phẩm
80 – 150
20 – 30
1 – 2
0.1 – 2
83 – 84
Cl
4
(percloelylen).
Thuyết minh sơ đồ: Dòng nguyên liệu Light Naphtha và dòng Hydrogen được
cho qua thiết bị sấy để tách nước. Sau đó hợp chất clo sẽ được bơm vào dòng
nguyên liệu. Dòng nguyên liệu và dòng Hydrogen sau khi xử lý sẽ trộn lại với nhau
trước khi vào thiết bị phản ứng R1 và R2. Sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng R2 sẽ
đi vào tháp ổn định. Sản phẩm đáy thu được là Isomerat. Sản phẩm đỉnh cho qua
thiết bị tách khí axit Scrubber, thu được Off gas.
Xúc tác zeolit:
Do xúc tác zeolit không bị ngộ độc bởi nước nên không cần máy sấy nguyên
liệu và hydro. Điều kiện tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao nên trước khi vào thiết
bị phản ứng, nguyên liệu và hydro phải đi qua lò đốt. Chính vì làm việc ở nhiệt độ
cao hơn nên khả năng tạo cốc lớn hơn. Do đó quá trình yêu cầu tỷ lệ H
2
/HC phải
cao để hạn chế quá trình tạo cốc.
Đồ án tốt nghiệp 12 Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
Dòng H
2
ban đầu được bổ sung một lượng khí off gas sau đó sẽ trộn với dòng
nguyên liệu. Hỗn hợp này đi qua 1 hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và lò đốt để nâng
nhiệt độ lên cao trước khi vào thiết bị phản ứng. Sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng
được làm nguội trước khi đi qua bình tách. Sau đó sản phẩm ở đáy bình tách được
cho qua thiết bị ổn định để thu hồi Isomerat.
Công nghệ này cho sản phẩm có RON từ 78 – 80.
Hình 1.4: Sơ đồ công nghệ ISOMER sử dụng xúc tác Pt/zeolit của SHELL
1.10.2 Các công nghệ isomer hóa
1.10.2.1. Quá trình không tuần hoàn, 1 giai đoạn
Quá trình Penex của UOP
- Độ chọn lọc của xúc tác cao.
- Không yêu cầu bơm thêm hợp chất chứa clo.
- Không gây ăn mòn.
Đồ án tốt nghiệp 14 Ngành công nghệ hóa học dầu và khí
Hình 1.6: Sơ đồ đơn giản của công nghệ PAR-ISOM
Quá trình này tương tự quá trình PENEX một giai đoạn hoặc quá trình với xúc
tác zeolit. Nguyên liệu sạch nC
5
– C
6
cùng với H
2
đưa vào và H
2
hồi lưu được đưa
qua thiết bị trao đổi nhiệt, để đạt đến nhiệt độ phản ứng. Lò đốt không đòi hỏi trong
quá trình PAR- ISOM vì xúc tác PI – 242 làm việc ở nhiệt độ thấp hơn xúc tác
zeolit. Nguyên liệu sau khi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt được đưa đến thiết bị phản
ứng. Có thể dùng một hoặc hai thiết bị phản ứng liên tiếp phụ thuộc vào ứng dụng.
Dòng sản phẩm sau khi ra khỏi thiết bị phản ứng được làm lạnh và sau đó đưa đến
thiết bị tách để tách H
2
đưa đến hồi lưu từ sản phẩm lỏng. Lượng H
2
thu hồi được
đưa trực tiếp đến máy nén và trở lại thiết bị phản ứng. Sản phẩm lỏng được đưa đến
tháp ổn định. Sản phẩm Isomerat thu được có thể đưa trực tiếp đến phối trộn xăng.
1.10.2.2. Quá tình có hồi lưu:
Nhằm tăng hiệu quả của quá trình đồng phân hóa, quá trình có hồi lưu được
ứng dụng nhằm mục đích phân tách và hồi lưu những hợp chất n-paraffin chưa
,
và nhiệt độ trung bình (245 – 370
0
C). Áp suất riêng phần của hydro phải đạt giá trị
yêu cầu trong suốt quá trình đồng phân hoá để ngăn ngừa quá trình tạo cốc và khử
hoạt tính của xúc tác.
- Nguyên liệu sạch đã gia nhiệt được trộn lẫn với dòng hydro hồi lưu nóng và
n-paraffin trước khi vào thiết bị phản ứng đồng phân hoá. Sản phẩm ra khỏi thiết bị
phản ứng được làm lạnh và đưa đến bình phân tách. Sản phẩm lỏng, chứa một
lượng n-paraffin không chuyển hoá có IO thấp được bốc hơi và đi qua tháp hấp phụ
rây phân tử. Ở đó, n-paraffin bị hấp thụ và hồi lưu trở lại thiết bị phản ứng. Isomer
mạch nhánh và HC mạch vòng, có đường kính phân tử lớn hơn đường kính lỗ hấp
phụ rây phân tử không thể hấp phụ. Sản phẩm isomerat được ổn định để loại bỏ
hydro dư, 1 – 2% sản phẩm cracking và một ít propan hoặc butan đi kèm với hydro
thêm vào. Khí hydro sạch từ thiết bị tách được lưu thông đến máy nén hồi lưu qua
một lò nhiệt và sau đó dùng như khí sạch để tách n-paraffin trước đó đã bị hấp phụ
trên rây phân tử
Hình 1.8: Sơ đồ công nghệ của quá trình TIP
Bảng 1.3: Hiệu suất thu sản phẩm của quá trình TIP
Copyright: Tài liệu đại học ©