Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án tốt nghiệp thiết kế phân xưởng isome hóa
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa LỜI CẢM ƠN Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Bộ môn Công nghệ tổng hợp hữu cơ – hóa dầu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ cho em trong suốt thời gian học tập tại trường. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn tới thầy giáo TS. Đào Quốc Tùy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn em trong thời gian hoàn thành đồ án. Qua việc hoàn thành bản đồ án giúp em hiểu sâu thêm các kiến thức cơ bản trong chuyên ngành Hữu Cơ - Hoá Dầu cũng như các vấn đề cần thiết khi thiết kế một phân xưởng sản xuất trong công nghệ hoá dầu. Tuy nhiên do thời gian và khả năng có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những sai sót Em rất mong được các thầy cô giáo trong Bộ môn và hội đồng bảo vệ tốt nghiệp chỉ bảo và bổ sung để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy cô! Sinh viên Phan Thị Quỳnh Trang SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 2 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay năng lượng có vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế-xã hội. An ninh quốc gia, an ninh kinh tế luôn gắn liền với năng lượng của một quốc gia. Vì vậy trong các chính sách phát triển kinh tế xã hội bền vững, chính sách năng lượng luôn được đề cao hàng đầu. Trong các nguồn năng lượng đang được con người khai thác và sử dụng thì dầu mỏ là một nguồn năng lượng quan trọng của nhiều quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên vào những năm cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng nhanh. Theo dự báo của IEO (international energy organzation) thì nhu cầu sử dụng năng lượng trên thế giới sẽ tăng 60% từ năm 1999 đến 2020 và trữ lượng dầu mỏ đang ngày càng trở nên ít đi, trở nên khan hiếm hơn. Hiệu quả sử dụng của dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng của quá trình chế biến, việc đưa dầu mỏ qua các quá trình chế biến sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng của dầu mỏ lên rất nhiều và tiết kiệm được trữ lượng dầu trên thế giới. Công nghệ chế biến dầu mỏ ra đời năm 1859 và cho đến nay thế giới đã khai thác và chế biến một lượng dầu khổng lồ với tốc độ rất nhanh chóng ( tăng gấp đôi trong khoảng 10 năm cho đến năm 1980). Ngành công nghiệp dầu mỏ do tăng trưởng nhanh chóng nên đã trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của thế kỷ 20. Trong số các sản phẩm của dầu mỏ phải nói tới nguyên liệu xăng, một nguyên liệu quan trọng trong đời sống. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ và yêu cầu cao về chất lượng khí thải để bảo vệ môi trường mà nhu cầu xăng có chất lượng cao ngày càng tăng nhanh. Xu hướng chung của các quốc gia trên thế giới là thay thế xăng không pha chì cho xăng pha chì nhằm hạn chế gây ô nhiễm môi trường. SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 3 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa 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 quá trình cracking xúc tác, do nhu cầu về xăng chất lượng cao ngày càng tăng trong khi phần C5 và C6 cuả công nghiệp hóa dầu ngày càng có số lượng lớn mà lại không thể đạt được trị số octan cao trong 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 của xăng và thành phần cất, còn trị số octan của phần này không đủ cao vì đa số các cấu tử này chủ yếu là các parafin mạch thẳng. Vì thế cần thiết phải có dây chuyền chế biến và sử dụng iso-parafin C5 – C6, các cấu tử này có trị số octan đủ cao. Để nhận được iso-parafin C5 – C6 người ta dùng quá trình isome hóa. Ưu điểm của quá trình này: Biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành cấu tử có cấu trúc nhánh là cấu tử có trị số octan cao. Nhờ thế nâng cao đáng kể hiệu suất và chất lượng của xăng. Quá trình isome hóa n-parafin được dùng để nâng cao trị số octan của phân đoạn C5 và C6 của xăng sôi đến 70 0 C, đồng thời cho phép nhận các iso-parafin riêng biệt như iso- pentan và iso-butan từ nguyên liệu là n-pentan và butan tương ứng, nhằm đáp ứng nguồn nguyên liệu cho quá trình tổng hợp isopren và isobutan là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình alkyl hóa hoặc để nhận isobuten cho quá trình tổng hợp MTBE. Chính vì tầm quan trọng này mà trong công nghiệp chế biến dầu, quá trình isome hóa đã được rất nhiều công ty lớn trên thế giới chú trọng nghiên cứu và phát triển như BP, Shell, UOP… Do vậy với đề tài “ Thiết kế phân xưởng isome hóa” sẽ phần nào giúp em hiểu được vai trò của quá trình isome hóa trong lọc dầu cũng như sự phát triển của nó. SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 4 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT I. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình isome hoá I.1. Nguyên liệu của quá trình isome hoá Isome hoá thường dùng nguyên liệu là phân đoạn C 5 và 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 được trình bày ở bảng 1 dưới đây. Bảng 1. Thành phần nguyên liệu tiêu biểu [1] Nguồn nguyên liệu Kuwait Mid continent Xăng cất Arabia Wyoming C 5 : n-pentan 58.5 3.0 42.2 64.3 59.8 2-metylbutan 41.5 36.2 56.2 33.3 36.4 2,2-dimetylpropan - - - - - Xyclopentan 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 3.9 3.8 2,3-dimetyl butan 4.2 0.5 0.75 Metylxyclopentan 5.1 14.0 17.0 7.3 18.8 Xyclohexan 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 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 SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 5 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa 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.[1] Trong thực tế công nghiệp, người ta thường đem isome hoá phân đoạn C 5 -C 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 phẩm có trị số octan tương đối thấp. Đáng tiếc là khi tiến hành isome hoá phân đoạn C 5 - C 6 , trị số octan của xăng chỉ tăng lên đến một giới hạn nhất định và thường là không vượt quá 100 đơn vị theo phương pháp nghiên cứu. Vì thế nó không phải là quá trình chủ đạo để thu các cấu tử cho xăng. Song như trên đã nói nó là quá trình chính để nhận isopentan để sản xuất isopren. I.2. Sản phẩm quá trình isome hóa Đặc trưng sản phẩm của quá trình isome hoá là các iso-parafin đây là những cấu tử cao octan, rất thích hợp cho việc sản xuất xăng chất lượng cao. Sản phẩm thu được từ quá trình isome hoá có trị số octan có thể đạt tới 88 - 99 (theo RON). Với mỗi hãng khác nhau thì sản phẩm thu được có chứa %V của các cấu tử khác nhau nhưng nhìn chung nó không có sự chênh lệch nhiều về trị số octan, cụ thể như sản phẩm của quá trình isome hoá của hãng Essoresearch và Engineering Co tiến hành trong pha lỏng có kết quả như trong bảng sau Bảng 2. Thành phần sản phẩm từ các nguyên liệu khác nhau [1] SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 6 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa Cấu tử Nguyên liệu Lousianna Arbian Nguyên liệu Sản phẩm Nguyên liệu Sản phẩm % V n-pentan 16.3 4.8 29.1 7.1 Isopentan 11.6 23.1 11.3 33.3 n-pentan 19.0 4.4 30.4 4.1 2,2-dimetylbutan 1.9 20.7 0.0 25.2 2,3-dimetylbutan 2.1 5.0 0.7 4.6 2-metylpentan 15.3 11.4 11.3 12.0 3-metylpentan 9.4 6.2 6.6 5.1 Xyclopentan 2.3 1.8 0.7 0.1 Xyclohexan 6.4 15.5 1.5 6.6 Metylcyclopentan 10.8 2.2 5.4 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 Từ số liệu trong bảng thấy rằng trong quá trình biến đổi isome hoá đi từ nguyên liệu là n-C 5 ,C 6 thì sản phẩm chính thu được là isopentan và 2,2 dimetylbutan. Sản phẩm thu được từ quá trình isome hoá có chất lượng cao, chính vì ưu điểm này nên có nhiều hãng tham gia nghiên cứu và thiết kế dây chuyền isome hoá để xử lý phân đoạn C 5 , C 6 có trị số octan thấp thành phân đoạn cao octan cho xăng, để đáp ứng nhu cầu sử dụng xăng chất lượng cao như hiện nay. II.Đặc trưng về nhiệt động học [1] Các phản ứng isome hóa n-pentan và n-hexan là các phản ứng có tỏa nhiệt nhẹ. Bảng 3 cho thấy nhiệt phản ứng để tạo thành các isome hoá từ các cấu tử riêng biệt. Bảng 3. Nhiệt tạo thành của một số cấu tử [1] SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 7 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa Cấu tử ∆H 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 - 1,06 2,2-dimetyl butan(neohexan) - 4,39 2,3-dimetylbutan - 2,53 Do đó, các phản ứng isome hoá là tỏa nhiệt nên về mặt nhiệt động học phản ứng sẽ không thuận lợi khi tăng nhiệt độ. Mặt khác, phản ứng isome hoá n-parafin là phản ứng thuận nghịch và không có sự tăng thể tích, vì thế cân bằng của phản ứng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ thấp sẽ tạo điều kiện thuận lợi tạo thành isome và cho phép nhận được hỗn hợp ở điều kiện cân bằng và có trị số octan cao. Đồ thị sau cho thấy sự phụ thuộc giữa nồng độ cân bằng của isome vào nhiệt độ của phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan được xây dựng từ tính toán thực nghiệm. Từ đồ thị cho thấy khi tăng nhiệt độ nồng độ các isome đều giảm còn nồng các n-parafin lại tăng, khi đó nó làm giảm hiệu xuất của quá trình isome hoá. Dựa vào đồ thị thấy rằng nếu nhiệt độ t o < 200 o C sẽ thiết lập được một hỗn hợp cân bằng có trị số octan cao. Khi isome hoá các n-parafin còn xảy ra một số phản ứng phụ như phản ứng cracking và phản ứng phân bố lại: 2C 5 H 12 ↔ C 4 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 =2 ÷ 4 MPa và tuần hoàn khí chứa hydro. SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 8 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa Động học và cơ chế phản ứng isome hoá phụ thuộc vào điều kiện tiến hành quá trình và phụ thuộc vào xúc tác. III. Cơ chế phản ứng isome hóa Các quá trình chế biến dầu có thể được thực hiện trong pha lỏng hoặc pha hơi. Quá trình thực hiện trong pha lỏng với xúc tác Friedel – Crafts (AlCl3) ở nhiệt độ 80 – 100 0 C ít được phổ biến. Quá trình thực hiện trong pha hơi là quá trình rất phổ biến với xúc tác oxyt, axit rắn hoặc xúc tác lưỡng chức ở nhiệt độ cao. III.1. Xúc tác trong pha hơi [2] Quá trình thực hiện trong pha hơi được sử dụng rất phổ biến hiện nay, với xúc tác oxit rắn, axit rắn hoặc xúc tác lưỡng chức ở nhiệt độ cao Quá trình isome hóa bao gồm isome hóa n-parafin thành iso-parafin và n-parafin thành iso-olefin. Chẳng hạn: - Phản ứng biến đổi n-butan thành isobutan và isobuten Cách 1: Cách 2: CH 3 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 C + H CH 2 CH 3 CH 3 CH CH CH 3 CH 3 CH CH CH 3 CH 2 CH 3 CH C + H 2 CH 3 CH CH 2 CH 3 CH 3 CH CH 3 CH 3 C + CH 3 SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 9 Trun g tâm axit A(H + ) – H 2 M - H 2 A(H + ) A(H + ) -H 2 H + Cơ chế xyclopropan M, + H 2 - H + Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa CH 3 CH 3 CH 3 C CH 2 CH 3 Cơ chế xyclopropan mới giải thích được sự tạo thành iso-parafin và iso-olefin. Theo cơ chế trên, xyclopropan khi mở vòng tạo thành C + bậc 1, tuy nhiên tốc độ tạo thành rất nhỏ sau đó chuyển sang C + bậc 3 với tốc độ rất lớn: CH 2 CH 3 CH CH 2 CH 3 CH CH 2 + CH 3 C + CH 3 CH 3 CH CH 3 + H + + H 2 CH 3 CH 3 CH 3 Ngoài các phản ứng trên còn xảy ra phản ứng tạo dime (cơ chế lưỡng phân tử): C C C + C + C C C C C C C C C C C 2C 4 C C C + C C SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 10 A(H + ) -H 2 H + M Dễ Đứt mạch β [...]... C + Giai đoạn 2: Đồng phân hóa, xảy ra trên tâm axit Lewis: C C C C C C C C C H+ C SV: Phan Thị Quỳnh Trang C C A +H2 A C C+ C C C C+ C Lớp CN Hóa Dầu K55 C C C C C A A MSSV:20108038 Trang 11 Đồ án tốt nghiệp C Thiết kế phân xưởng isome hóa M, H C+ C C C C C C C C -H C C Tóm lại, xúc tác cho isome hóa tương tự như như xúc tác cho reforming, xúc tác hai 2 + chức năng,vì isome hóa thường xảy qua... Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 23 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa thường nằm trong khoảng 90 – 1500C Còn quá trình isome hóa xảy ra trong pha hơi thường sử dụng xúc tác lưỡng chức và nhiệt độ cao VI.1 Các quá trình trong pha lỏng với xúc tác AlCl3 Các quá trình isome hóa loại này ra đời từ rất sớm và là loại phổ biến để isome hóa nbutan thành isobutan Sơ đồ nguyên lý của... tính của xúc tác được đánh giá thông qua hiệu suất và độ chuyển SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 18 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa hoá của sản phẩm thu được Độ hoạt tính phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng kim loại Pt và đặc biệt là độ phân tán của Pt trên chất mang axit Qua các kết quả nghiên cứu, người ta cho rằng: Nếu các hạt phân tán có kích thước nhỏ hơn... nhất thiết phải xử lý hydro trước (nếu nguyên liệu không có mặt của SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 28 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa nước tự do) Nguyên liệu có thể chứa tạp chất lưu huỳnh Để giảm chi phí cho tái sinh và chống ăn mòn thiết bị thì chúng ta nên sử dụng nguyên liệu có 100ppm lưu huỳnh Hình 2 Sơ đồ công nghệ isome hóa của Kolleg & Root 1 Thiết. .. Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 12 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa CH H 2C H 2C CH— CH3 CH— CH3 + CH 3 + H H2C — CH— CH3 CH3 H2C+— CH— CH3 CH3 H3C — C+— CH3 H3C— C — CH3 H Xúc tác cho quá trình isome hóa xảy ra theo hai giai đoạn sau: + Giai đoạn đầu: là giai đoạn tách hydro, vai trò xúc tác là các tâm kim loại Pt + Giai đoạn sau: Giai đoạn đồng phân hóa, vai trò xúc... sàng phân tử trở lại thiết bị ban đầu Trị số octan được cải thiện một cách rõ rệt Điều này được minh họa ở bảng 9 dưới đây Điểm đặc biệt của công nghệ này là có dùng thiết bị khử isopentan ra khỏi nguyên liệu Hấp phụ và nhả hấp phụ ở pha hơi và dùng isopentan khử hấp phụ SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 31 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa Hình 4 Sơ đồ công... được cho qua quá trình hydro hóa làm sạch khỏi các tạp chất của lưu huỳnh và được sấy khô để loại hơi nước nhằm hạn chế khả năng ăn mòn thiết bị của các hợp chất này mới cho vào isome hóa Xúc tác của quá trình này không nhạy với các loại hợp chất của lưu huỳnh và nước SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 33 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa Do vậy mà hàm lượng lưu... năng ăn mòn kim loại, nên ta cần chú ý tới vấn đề ăn mòn thiết bị Sản phẩm của quá trình có trị số octan khá cao (trên 80) Ngoài ra còn thu được một lượng lớn khí C1, C2, C3 đưa đi làm khí nhiên liệu SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 35 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa Hình 6 Sơ đồ công nghệ isome hóa của BP [1] 1 Lò gia nhiệt nguyên liệu 2 Lò phản ứng 3... yếu tố công nghệ khác Hàm lượng cho phép của các chất độc trong công nghiệp: SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 21 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa Nguyên liệu S N H2O % trọng lượng 2x10-3 0,5x10-4 5x10-4 V.2 Áp suất H2 Quá trình isome hóa 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... Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 29 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa (các cấu tử C4-) để đưa đi làm khí nhiên liệu Phần nặng còn lại là sản phẩm của quá trình Tuỳ thuộc vào yêu cầu mà ta có thể mang đi pha trộn xăng ngay hay là tách lấy các cấu tử chưa chuyển hoá cho tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng VI.2 Các quá trình trong pha hơi Đối với quá trình isome hóa pha hơi, xúc . Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU SV: Phan Thị Quỳnh Trang Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 1 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome. A +H 2 A A A H + Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa C C + C C C C C C C C C C Tóm lại, xúc tác cho isome hóa tương tự như như xúc tác cho reforming, xúc tác hai chức năng,vì isome hóa thường. Lớp CN Hóa Dầu K55 MSSV:20108038 Trang 17 Đồ án tốt nghiệp Thiết kế phân xưởng isome hóa cao, là một rây phân tử, do vậy có thể cho phép ta tách được những phân tử có kích thước khác nhau. Tốt hơn