1
Lời cảm ơn
Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Khoa công nghệ
hoá học trường ĐHBK Hà nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt
thời gian học tập và nghiên cứu tại trường.
Đặc biệt em xin bầy tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo:PGS.TS. Lê Văn Hiếu
cùng các thầy, cô trong bộ môn Hữu cơ - Hoá dầu đã tận tình giúp đỡ trong
thời gian em làm đồ án tốt nghiệp tại bộ môn. Tuy nhiên do khả năng và thời
gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiêú sót.
Em rất mong được các thầy, cô giáo trong bộ môn, hội đồng bảo vệ tốt
nghiệp và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến để đồ án tốt nghiệp của em được
hoàn chỉnh hơn.
Em xin chân thành cảm ơn
Sinh viên:

2
Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam
độc lập – tự do – hạnh phúc
Nhiệm vụ
Thiết kế tốt nghiệp
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Xuân Anh
Khoá: 43
Khoa: Công Nghệ Hóa Học
Ngành học: Công Nghệ Hữu Cơ - Hoá Dầu
1. Đầu đề thiết kế:
Thiết kế phân xưởng Isome hoá
2. Các số liệu ban đầu:
- Công suất 350.000tấn/năm
3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

- Bản vẽ thiết kế:……………………
Sinh viên đã hoàn thành
(và nộp toàn bộ bản thiết kế cho khoa)
Ngày … tháng … năm 2003
4
Mở đầu
I. Giới thiệu Quá trình iSome hoá
Quá trình isome hoá n-parafin được dùng để nâng cao trị số octan của
phân đoạn pentan-hexan của phần xăng sôi đến 70
0
C, đồng thời cũng cho
phép nhận các izo-parafin riêng biệt như isopentan và isobutan từ nguyên liệu
cho quá trình tổng hợp cao su isopren, isobutan là nguồn nguyên liệu tốt cho
quá trình alkyl hoá, hoặc để nhận izobuten cho quá tổng hợp MTBE.
Như đã nêu trên, công nghiệp chế biến dầu dùng hai quá trình chủ đạo
để nhận xăng có trị số octan cao là quá trình reforming xúc tác và cracking
xúc tác. Nhưng do nhu cầu về xăng chất lượng cao ngày càng tăng, trong khi
đó phần C
5
- C
6
của công nghiệp chế biến dầu ngày càng có số lượng lớn mà
lại không thể đạt trị số octan cao khi áp dụng các quá trình trên. Trước đây
phân đoạn này chỉ được dùng để pha trộn vào xăng với mục đích đạt đủ áp
suất hơi bão hoà của xăng và thành phần cất, còn trị số octan của phần này
không đủ cao. Các số liệu trích dẫn ở bảng sau cho thấy rõ điều này.
Bảng 1.Trị số octan và điểm sôi của hydrocacbon C
5
, C
10

49.73
94.5
93.5
2.3-dimetylbutan
58
10.3
94
5
Các số liệu của bảng cho thấy, thích hợp nhất cho quá trình nhận xăng
chất lượng cao thì phân đoạn n-C
5
-C
6
nhận được trong khu liên hợp lọc hoá
dầu cần phải được cho quá trình isome hoá.
Công nghệ chế biến dầu mỏ ra đời vào năm 1859, và cho đến nay thế
giới đã khai thác và chế biến một số lượng dầu khổng lồ, với tốc độ tăng
trưởng hàng thập niên rất nhanh chóng (tăng gấp đôi trong khoảng 10 năm
cho đến năm 1980). Ngành công nghiệp dầu do tăng trưởng nhanh đã trở
thành ngành công nghiệp mũi nhọn của thế kỷ 20. Đặc biệt sau Đại chiến Thế
giới II, công nghiệp dầu khí phát triển nhằm đáp ứng hai mục tiêu chính là:
- Cung cấp các sản phẩm năng lượng cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ,
nhiên liệu công nghiệp và các sản phẩm về dầu mỡ bôi trơn.
- Cung cấp các hoá chất cơ bản cho ngành tổng hợp hoá dầu và hoá học,
tạo ra sự thay đổi lớn về cơ cấu phát triển các chủng loại sản phẩm của ngành
hoá chất, vật liệu.
Trong số các sản phẩm năng lượng dầu mỏ, trước hết phải kể tới nhiên
liệu xăng, một loai nhiên liệu có vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống.
Trong chiến tranh thế giới thứ hai, yêu cầu về xăng máy bay tăng lên rất
nhiều, điều đó đã thúc đẩy quá trình isome hoá nhằm chế biến n-butan thành

6
(n-
parafin) nên nó có trị số octan tương đối thấp bởi thế ta phải thực hiện isome
hoá để tăng trị số octan.
Chính vì tầm quan trọng này, trong công nghiệp chế biến dầu, quá trình
isome hoá đã được rất nhiều công ty lớn trên thế giới chú trọng nghiên cứu và
phát triển, cụ thể như: UOP, Shell, Bp Do vậy, với đề tài “ Thiết kế phân
xưởng isome hoá ” sẽ phần nào giúp sinh viên hiểu được vai trò của quá trình
isome hoá trong lọc hoá dầu và sự phát triển của nó.
II. Cơ sở lý thuyết của quá trình Isome hoá
II.1. Đặc trưng về nhiệt động học [I,224]
Các phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan là các phản ứng có tỏa
nhiệt nhẹ. Bảng 2 cho thấy nhiệt phản ứng để tạo thành các isome hoá từ các
cấu tử riêng biệt.
Bảng 2.
Cấu tử
DH
298
Kcal/ml
C
5
: 2-metylbutan(isopentan)
- 1,92
2,2.dimetylpropan(neopentan)
- 4.67
C
6
: 2-metyl pentan(isohexan)
- 1,70
3-metylpentan

H
10
+ C
�6
H
14
Để giảm tốc độ của phản ứng phụ này và duy trì hoạt tính của xúc tác,
người ta phải thực hiện quá trình ở áp suất hydro P
H
2
=2  4 MPa và tuần
hoàn khí chứa hydro.
Động học và cơ chế phản ứng isome hoá phụ thuộc vào điều kiện tiến
hành quá trình và phụ thuộc vào xúc tác.
8
II.2. Cơ chế của phản ứng isome hoá n-parafin
Phản ứng isome hóa n-parafin trên xúc tác có thể xảy ra theo các hướng
sau (phụ thuộc vào độ axit của xúc tác).[I-246], [II-135]
1. Trên xúc tác với độ axit mạnh của chất mang
Phản ứng isome hoá xảy ra trên các tâm axit. Vai trò của kim loại chỉ làm
nhiệm vụ hạn chế sự tạo cốc và ngăn ngừa sự trơ hoá các tâm axit.
Khi đó các cơ chế phản ứng được miêu tả như sau:
VD: đối với n-butan:
K,H
CH
3
¾CH
�2
¾CH
2

½ ½
CH
3
CH
3
+ CH
3
¾
+
CH¾CH
2
¾CH
3

ở đây K là tâm axit của xúc tác.
2. Với xúc tác lưỡng chức,cơ chế phản ứng như sau

Me,-H
2
K, +H
+
CH
3
¾CH
2
¾ CH
2
¾CH
3
CH

2
K ½ K, +H ½
CH
3
CH
3
CH
3
¾C=CH
2
CH
3
¾CH¾CH
3

½ Me, +H
2
½
CH
3
CH
3
CH
3
K
9
ở đây Me là tâm kim loại, K là tâm axit của xúc tác.
3. Giới thiệu chung về xúc tác
Xúc tác được coi là “cây đũa thần” trong một số phản ứng hoá học. Chỉ
cần một lượng nhỏ nó cũng có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng trăm,

giả áp suất qua lớp xúc tác tăng theo chiều tăng của tốc độ dòng, chiều dày
của lớp xúc tác và chiều giảm kích thước hạt.
3.2. Reactor lớp sôi
ở đây lớp xúc tác gồm các hạt mịn và khi dòng khí thổi từ dưới lên qua
lớp xúc tác, dần dần đạt đến tốc độ tới hạn thì lớp xúc tác bắt đầu “sôi”. Thể
tích của lớp giãn ra đáng kể, các hạt ở trạng thái chuyển động liên tục. Lớp
sôi có ưu điểm hơn lớp cố định, chẳng hạn như khả năng truyền nhiệt tốt hơn
nhiều, sự tổn thất áp suất nhỏ hơn so với lớp cố định.
3.3. Xúc tác pha lỏng
Xúc tác cho quá trình isome hoá thuộc loại xúc tác thúc đẩy phản ứng
tạo thành ion cacboni tức là xúc tác mang tính axit. Trước đây người ta dùng
xúc tác Lewis như AlCl
3
, được hoạt hoá bằng HCl. Gần đây người ta vẫn sử
dụng xúc tác trên cơ sở AlBr
3
và hỗn hợp AlCl
3
+ SbCl
3
, ưu điểm của loại
xúc tác mới này là hoạt tính rất cao, ở nhiệt độ 93
��
0
C đã hầu như chuyển hóa
hoàn toàn các parafin. Nhược điểm của loại xúc tác này là mau mất hoạt tính,
độ chọn lọc thấp và dễ bị phân huỷ. Độ axit mạnh của xúc tác dễ gây ăn mòn
thiết bị. Ngoài các xúc tác trên thì cũng còn sử dụng một số súc tác như
- H
3

225-250
o
C
ThO
2
:isome hoá olefin ở 398-440
0
C
TiO
2
: dùng để biến đổi heptilene thành metylxyclohecxene ở 450
0
C
Al
2
O
3
-Cr
2
O
3
, Al
2
O
3
-Fe
2
O
3
, Al

O
3
-V
2
O
5
: đuợc dùng để biến đổi xyclohecxane thành
metylxyclopentane.
3.4. Xúc tác lưỡng chức [XVIII]
Liên hệ với việc chế tạo xúc tác reforming người ta đã tìm ra xúc tác
mới cho quá trình isome hoá và hydroisome hoá để isome hoá
n-parafin .Thường xúc tác này gồm hai phần:
- Phần kim loại có đặc trưng hyđro hoá, kim loại thường dùng là
Pt ,Pd…
- Phần chất mang axit (alumin ,alumin + halogen ,aluminsilicat…). Loại
xúc tác này có đủ độ chọn lọc cần thiết khi isome hoá nguyên liệu
C
5�
-C
6
nhưng độ linh hoạt của nó khá thấp vì thế đòi hỏi nhiệt độ phản
ứng phải cao. Vì vậy để đảm bảo được hiệu suất của quá trình thì người
ta cho tuần hoàn.
Xúc tác reforming loại Pt/Al
2
O
3
dùng rất có hiệu quả khi isome hoá
phân đoạn C
5

phương pháp đặc biệt hợp thành xúc tác chứa zeolit. Xúc tác chứa zeolit có
hoạt tính rất cao, độ chọn lọc tốt và lại có giá thành vừa phải có khả năng tái
sinh vì thế chúng được sử dụng rộng rãi.
Thành phần hoá học của zeolit được biểu diễn dưới dạng công thức
như sau:
M
2/n
Al
2
O
3
.xSiO
2
.yH
2
O
Trong đó:x>2 và n là hoá trị của cation kim loại M.
Về cấu tạo zeolit được tạo thành từ các Sodalite. Nếu các đơn vị
này nối nhau theo các mặt bốn cạnh thì tạo nên zeolit mà người ta gọi là
zeolit loại A. Còn khi các đơn vị này nối nhau theo các mặt sáu cạnh thì
zeolit tạo thành người ta thường gọi là zeolit loại X hay Y, có cấu trúc
tương tự như các Faurazite. Ngày nay người ta đã chế tạo được hàng trăm
loại zeolit khác nhau đủ mọi kích cỡ.
Bảng 3
Zeolit
Thành phần hoá học
Đường kính trung bình
của lỗ A
A
Na

3
.4,8SiO
2
.8,9H
2
O
7,4
Mordenite
Na
8
(Al
2
O
3
)4,8(SiO
2
)
40
.24H
2
O
2,9-5,7
13
ZSM5 và 11
5,4-5,6
3.6. Zeolite cho phản ứng isome hoá
Trong tất cả các loại zeolit thì zeolit sử dụng phù hợp nhất cho quá
trình isome hoá là ZSM5,11. Vì chúng có kích thước khá phù hợp cho phép
độ chọn lọc của quá trình cao hơn.
Sau đây là một số đặc trưng của quá trình isome hóa.

2
O
3
350-500
0
C
Pha hơi
Pt/Al
2
O
3
clo hoá
80-150
0
C
Pha hơi
Pt/zeolite
250-300
0
C
Pha hơi
Pt/zeolite-X
300-330
0
C
Pha hơi
Pt/zeolite-Y
300-330
0
C

có bổ sung Clo. Độ axit của chất mang được quyết định bởi quá trình
xử lý đặc biệt để tách nước bề mặt nhằm tạo ra bề mặt riêng lớn (400m
2
/g) và
tạo ra các tâm axit.
Chất mang có thể là

-Al
2
O
3
hoặc là

-Al
2
O
3
với diện tích bề mặt khoảng
250m
2
/g được bổ sung các hợp chất Halogen như flo, clo hay hỗn hợp của
chúng. Độ axit tăng khi tăng hàm lượng halogen, có khoảng 547% clo trên
xúc tác. Dùng CCl
4
hoặc các hợp chất clo hữu cơ khác, hiện nay người ta
thường dùng axit HCl, để có ít nhất 2 nguyên tử Clo trên một nguyên tử Al.
3.8. Kim loại [XVIII]
Kim loại có đặc trưng thúc đẩy phản ứng dehydro hoá parafin thành
olefin, đồng thời hydro hoá các olefin thành các izo-parafin. Thường dùng là
các kim loại quí sau Pt, Pd, Ni, … trong đó Pt là kim loại được sử dụng nhiều

ứng phải cao hơn và phản ứng phải được thực hiện trong pha hơi. nhưng do
tăng nhiệt độ mà phản ứng isome hoá n-parafin không thuận lợi về mặt nhiệt
động. Do đó cần phải tuần hoàn nguyên liệu chưa biến đổi để nâng cao hiệu
suất của quá trình isome hoá.
4.Công nghệ isome hoá n-pentan và các hydrocacbon nhẹ khác trên xúc
tác lai hoá. ảnh hưởng của khí hydro đến quá trình [V], [VII], [XVI],
[XVI], [XVII]
Phản ứng isome hoá các parafin nhẹ giữ một vai trò quan trọng trong
công nghệ chế biến dầu khí, nhằm sản xuất ra các cấu tử có trị số octan cao.
Theo tài liệu (Huang et, al 1992) thì phản ứng isome hoá đầu tiên được tiến
hành vào những năm 30 với n-butan. ở đây, lần đầu tiên xúc tác Fiedel -
Crafts được sử dụng cho phản ứng isome hoá. Loại xúc tác này chỉ cho độ
hoạt động cao khi tiến hành phản ứng isome hoá n-butan ở nhiệt độ thấp dưới
90
0
C. Bởi nó có độ chọn lọc thấp, cấu trúc kém ổn định và độ mài mòn cao,
đặc biệt là đối với phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan. Do vậy mà xúc
tác Fiedel - Crafts không thể thoả mãn được những yêu cầu của những dây
truyền phản ứng isome hoá hiện đại.
Để giải quyết vấn đề này mà xúc tác lưỡng chức năng đã ra đời. Loại
xúc tác mới này được sản xuất từ những kim loại quý hiếm như Pt, Pd trên
những bề mặt có khả năng chống mài mòn cao. Như chúng ta đã biết rằng Pt -
Al
2
O
3
có tác dụng xúc tác cho phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan,
nhưng đặc tính này chỉ xuất hiện khi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao,
thường từ 455 - 510
0

bằng phản ứng có thể đạt được khoảng 70% ở 270
0
C trên xúc tác Pt/HZSM-5
(xúc tác hỗ trợ) hoặc xúc tác Pt-lai hoá (một hỗn hợp dạng bột của Pt/SiO
2
và
HZSM-5). Nếu so sánh thì độ chọn lọc isome hoá trên xúc tác Pt-lai hoá cũng
cao hơn Pt/HZSM-5 và hoạt tính của xúc tác Pt-lai hoá cũng cao hơn
Pt/HZSM-5 khi tiến hành phản ứng ở trong khoảng nhiệt độ và áp suất rộng.
Trong phản ứng isome hoá n-pentan thì khí hydro giữ một vai trò quan
trọng trong quá trình tái sinh trung tâm axit Bronsted và giữ ổn định hợp chất
trung gian i-nC
5
.
5. Các yêu cầu của xúc tác rắn trong công nghiệp
Chất xúc tác chỉ thực sự có tính khả thi khi chúng thoả mãn phần lớn các
yêu cầu công nghệ đặt ra:
- Có hoạt tính và độ chọn lọc cao để đảm bảo hiệu suất của thiết bị.
- Dễ sản xuất, rẻ tiền, có tính tái sinh và bền với những tác nhân gây ngộ
độc xúc tác. Đảm bảo được sản lượng lớn trong quy mô công nghiệp, phù hợp
với thực tế là lượng tạp chất rất nhiều.
17
- Độ ổn định bền cơ, bền nhiệt, bền hoá học và độ thuần khiết về thành
phần hoá học cao. Mặt khác, nó còn có khả năng dẫn nhiệt tốt có khả
năng tạo kích thước và hình dạng phù hợp đồng đều.
Tuy nhiên, trong thực tế không có loại xúc tác nào đáp ứng được các yêu
cầu trên. Vì thế trong từng trường hợp cụ thể mà ta xét xem yêu cầu nào là
quan trọng nhất để chọn xúc tác cho phù hợp.
6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình isome hoá [V]
Xúc tác trong công nghiệp có tác dụng thiết thực khi mà nó đi đôi với

N
0,5.10
-4
H
2
O
5.10
-4
*áp suất H
2

Quá trình isome hoá trong công nghiệp thường được thực hiện với áp
suất cao của H
2
. Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng thì sự có mặt của H
2
sẽ
cản trở quá trình tạo cốc trên tâm kim loại và phản ứng cracking. Do đó các
hyđrocacbon nhẹ ít được tạo ra hơn, hàm lượng cốc giảm đi, hoạt tính của xúc
tác cũng ít bị thay đổi.
Mặt khác hyđro còn đuổi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh. Do
vậy, quá trình isome hoá thực hiện ở áp suất cao của H
2
là cần thiết, giá trị của
áp suất H
2
phụ thuộc vào hoạt tính, độ chọn lọc của xúc tác và bản chất của
nguyên liệu.
Ngày nay, xúc tác cho quá trình ngày càng hoàn thiện hơn do đó áp
suất H

C.
ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần của sản phẩm khi isome hoá
được thể hiện ở hình vẽ dưới :
20

ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần của sản phẩm.
*Tốc độ thể tích
Tốc độ thể tích là nghịch đảo thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và các
sản phẩm trung gian với xúc tác trong phản ứng. Ta có thể điều chỉnh được
giá trị này bằng cách thay đổi lưu lượng của nguyên liệu hoặc lượng xúc tác.
Năng suất của quá trình cao khi khắc phục được giai đoạn chậm. Do đó
người ta cố gắng đưa vận tốc khuyếch tán xấp xỉ với vận tốc động học.
Khi nhiệt độ của phản ứng tăng lên 10
0
C thì vận tốc động học tăng lên
2-3 lần còn vận tốc khuyếch tán tăng lên 1-1,5 lần.
Với quá trình isome hoá, khi tăng tốc độ thể tích thì phản ứng isome
hoá chiếm ưu thế. Còn các phản ứng đòi hỏi thời gian lớn như phản ứng khử
H
2
xảy ra yếu hơn cho nên khi tốc độ thể tích lớn sẽ khống chế được các phản
ứng đó. Khi tốc độ phản ứng nhỏ ngoài lượng cốc tạo ra lớn thì năng suất của
quá trình cũng bị giảm.
Do đó cần phải chọn tốc độ thể tích phù hợp để đảm bảo được năng
suất là yêu cầu thiết yếu của quá trình.
III. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình Isome hoá [X], [XVIII],
[XIX]
III.1. Nguyên liệu của quá trình isome hoá
Isome hoá thường dùng nguyên liệu là phân đoạn C4, phân đoạn C5 và
C6. Đặc trưng của nguyên liệu sẽ quyết định chế độ công nghệ và chất lượng

-
-
Cyclo pentan
0.1
0.8
1.2
2.4
3.8
C
6
: n-hexan
43.2
41.6
27.7
46.6
37.8
2-metylpentan
22.4
26.3
32.5
40.5
38.2
3-metylpentan
16.9
14.3
12.5
2,2-dimetyl butan
2.0
0.5
0.75

73
RON của C
6
55.9
57.7
76.4
55.1
61.1
Từ các số liệu trong bảng thấy rằng, hàm lượng n-parafin thường không vượt
quá 65% trong nguyên liệu. Do đó, nếu cho toàn bộ nguyên liệu qua biến đổi
isome hoá là không hợp lý mà cần phải tách các isome khỏi n-parafin và chỉ
cho biến đổi n-parafin. Để hạn chế các phản ứng phụ và sự kìm hãm quá trình
nên tiến hành phản ứng ở mức độ biến đổi vừa phải, rồi sau khi tách cho tuần
hoàn trở lại nguyên liệu chưa biến đổi. Khi tiến hành thao tác như vậy, đã cho
phép tăng cao trị số octan của phân đoạn lên tối thiểu là 20 đơn vị.
22
Trong thực tế công nghiệp, người ta thường đem isome hoá phân đoạn C
5
4C
6

còn n-heptan đem isome hoá không tiện lợi vì trong điều kiện tiến hành quá
trình, các parafin cao (>C
6
) dễ bị cracking và dễ tạo cặn nhựa làm cho sản
pẩm có trị số octan tương đối thấp. Đáng tiếc là khi tiến hành isome hoá phân
đoạn C
5
4 C
6

Nguyên liệu
Lousianna
Arbian
Cấu tử
Nguyên
liệu
Sản phẩm
Nguyên
liệu
Sản phẩm
% V
n-pentan
16.3
4.8
29.1
7.1
Izo-pentan
11.6
23.1
11.3
33.3
n-pentan
19.0
4.4
30.4
4.1
2,2-dimetyl butan
1.9
20.7
0.0

0.9
Benzen
4.8
4.8
1.0
1.0
Trị số octan
98
98.5
RON + 3ml TEP/Gal
Hiêu suất, % V
>99
99
IV. quá trình isome hoá trong công nghiệp [i], [IX], [XVI], [XVIII],
[XIX], [XX]
Isome hoá thường dùng nguyên liệu là phân đoạn C
4
, phân đoạn C
5
và
C
6
hay hỗn hợp C
5
- C
6
. Đặc trưng của nguyên liệu sẽ quyết định chế độ công
nghệ và chất lượng sản phẩm. Thành phần của nguyên liệu tiêu biểu có nguồn
gốc khác nhau.
hàm lượng n-parafin thường không vượt quá 65% trong nguyên liệu.

3
nguyên liệu.
25
Bảng 7. Quá trình Izomate (Standard Oil Co. Indiana)
Nguồn nguyên liệu
Kuwait
Mid
continant
Xăng
cất
Arabia
Wyoming
C
5
: n-pentan
58.5
63.0
42.2
64.3
59.8
2-metylbutan
41.5
36.2
56.2
33.3
36.4
2.2-dimetyl propan
-
-
-

3.9
3.8
2.3-dimetyl butan
4.2
0.5
0.75
Metylcyclo pentan
5.1
14.0
17.0
7.3
18.8
Cyclohexan
4.2
2.2
4.5
-
-
Benzen
2.0
0.6-
2.0
1.4
RON của C
5
74.4
72.9
79.2
72.1
73