Đồ án tốt nghiệp: Tìm hiểu quá trình alkyl hóa tại Nhà máy Lọc dầu Nghi Sơn

Đồ án phân tích chi tiết quá trình alkyl hóa và phân xưởng alkyl hóa tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn. Tổng quan lý thuyết, công nghệ và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Trần Hoàng Trung
• Người hướng dẫn: Pgs. Ts. Bùi Thị Lệ Thủy
• Trường học: Đại học Mỏ Địa chất
• Chuyên ngành: Lọc - Hóa dầu
• Đề tài: Tìm hiểu về quá trình alkyl hóa và phân xưởng alkyl hóa trong Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về quá trình alkyl hóa tại lọc dầu Nghi Sơn

Quá trình alkyl hóa là một công nghệ lọc dầu quan trọng được áp dụng tại nhà máy lọc dầu Nghi Sơn. Quá trình này nhằm nâng cao chất lượng xăng thông qua phản ứng giữa isobutane và olefin. Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn sử dụng công nghệ alkyl hóa gián tiếp (InAlk) kết hợp với các công nghệ tiên tiến nhất. Mục đích chính của quá trình alkyl hóa là sản xuất alkylate - một thành phần xăng có chất lượng cao, octane số cao, và thân thiện với môi trường. Đây là một trong những phân xưởng quan trọng của nhà máy, góp phần tăng hiệu suất sản xuất và giá trị kinh tế của các sản phẩm dầu khí.

1.1. Định nghĩa và ý nghĩa của alkyl hóa

Alkyl hóa là quá trình phản ứng hóa học giữa isoparafin (isobutan) và olefin (propylene, butylene) dưới tác dụng của xúc tác acid. Sản phẩm chính là alkylate, một hydrocarbon branched có octane số cao (90-98 RON). Quá trình alkyl hóa không chỉ cải thiện chất lượng xăng mà còn giảm khí thải độc hại, giúp sản xuất xăng không chì môi trường.

1.2. Vị trí của phân xưởng alkyl hóa trong nhà máy

Phân xưởng alkyl hóa InAlk (Indirect Alkylation) nằm trong cấu trúc tổng thể của lọc dầu Nghi Sơn. Nó nhận nguồn isobutan từ các khối xử lý khác và olefin từ khối FCC (Fluid Catalytic Cracking). Đây là khâu quan trọng trong quy trình nâng cấp chất lượng sản phẩm xăng cuối cùng.

II. Cơ sở hóa học của quá trình alkyl hóa isoparafin bằng olefin

Cơ chế phản ứng alkyl hóa dựa trên nguyên tắc phản ứng hóa học giữa isobutan (C4H10) và olefin như propylene (C3H6) hoặc butylene (C4H8). Phản ứng này diễn ra dưới sự xúc tác của acid mạnh (H2SO4 hoặc HF) ở nhiệt độ thấp (0-10°C) và áp suất vừa phải. Sản phẩm chính là alkylate - một hydrocarbon có cấu trúc rất nhánh, không chứa olefin dư thừa. Các phản ứng mong muốn tạo ra alkylate chất lượng cao, trong khi các phản ứng không mong muốn bao gồm đa merization và condensation tạo polymer không mong muốn.

2.1. Phản ứng alkyl hóa isobutan bằng olefin

Phản ứng chính: isobutan + propylene/butylene → alkylate. Phản ứng diễn ra qua cơ chế carbocation với sự hỗ trợ của xúc tác acid. Sản phẩm là methylbutane hoặc dimethylbutane có octane số cao. Điều kiện tối ưu là nhiệt độ 0-10°C, áp suất 20-30 bar, và tỉ lệ isobutan:olefin = 5-15.

2.2. Các phản ứng không mong muốn và xúc tác

Các phản ứng không mong muốn bao gồm oligomerization (trùng hợp olefin) tạo polymer nặng, và condensation tạo gum. Xúc tác H2SO4 có tính corrosive cao nhưng hiệu quả, trong khi xúc tác HF ít corrosive hơn nhưng cần biện pháp an toàn đặc biệt do tính độc hại.

III. Các công nghệ alkyl hóa đang sử dụng tại lọc dầu Nghi Sơn

Nhà máy lọc dầu Nghi Sơn áp dụng công nghệ alkyl hóa gián tiếp (InAlk) được phát triển bởi các hãng công nghệ hàng đầu. Công nghệ này kết hợp hai quá trình chính: Selective Hydrolysis Process (SHP) và Non-Regenerative Unit (NRU). Công nghệ InAlk sử dụng xúc tác H2SO4 hoặc HF ở nhiệt độ thấp để đạt hiệu suất cao và chất lượng sản phẩm tối ưu. So với các công nghệ cũ, InAlk có ưu điểm về an toàn, hiệu quả năng lượng, và khả năng xử lý rác thải tốt hơn. Xu hướng phát triển hiện nay là giảm tác động môi trường và tăng flexibility trong xử lý nguyên liệu.

3.1. Công nghệ alkyl hóa gián tiếp InAlk

Công nghệ InAlk là hệ thống hai giai đoạn bao gồm Selective Hydrolysis Process (SHP) xử lý olefin thấp và Non-Regenerative Unit (NRU) xử lý olefin cao. Hệ thống này giảm khí thải so với công nghệ trực tiếp truyền thống. InAlk cho phép xử lý raw material đa dạng với octane output cao.

3.2. So sánh các công nghệ Kellogg Exxon Stratco UOP

Công nghệ Kellogg sử dụng H2SO4 dùng lại được. Exxon phát triển công nghệ H2SO4 không tái tạo. Stratco cải tiến quy trình tách sản phẩm. UOP nổi bật với công nghệ HF có tính corrosive thấp. Mỗi công nghệ có ưu nhược điểm riêng về chi phí, an toàn, và chất lượng sản phẩm.

IV. Nguyên lý hoạt động và điều kiện ảnh hưởng tại phân xưởng alkyl hóa

Phân xưởng alkyl hóa tại lọc dầu Nghi Sơn hoạt động dựa trên nguyên tắc cân bằng hóa học và kiểm soát quá trình chặt chẽ. Nhiệt độ phản ứng phải duy trì 0-10°C để đạt hiệu suất tối ưu. Thời gian lưu trú (residence time) trong reactor từ 15-30 phút ảnh hưởng đến độ chuyển hóa (conversion). Nồng độ isobutan phải cao hơn olefin 5-15 lần để giảm polymerization. Áp suất duy trì ở 20-30 bar để giữ nguyên liệu ở trạng thái lỏng. Các sensor đo nhiệt độ, áp suất, và thành phần được giám sát liên tục để đảm bảo chất lượng sản phẩm alkylate ổn định.

4.1. Điều kiện phản ứng nhiệt độ thời gian nồng độ

Nhiệt độ thấp (0-10°C) tăng selectivity và giảm phản ứng phụ. Thời gian lâu nâng conversion nhưng tăng chi phí năng lượng. Nồng độ isobutan cao ức chế polymerization tạo sản phẩm sạch hơn. Điều kiện tối ưu được xác định qua nghiên cứu để đạt hiệu suất kinh tế cao nhất.

4.2. Nguyên liệu sản phẩm và quản lý xúc tác

Nguyên liệu: isobutan từ khối isomerization, olefin (propylene, butylene) từ FCC unit. Sản phẩm chính: alkylate (C7-C12), octane số 90-98 RON. Sản phẩm phụ: polymer và unreacted olefin. Quản lý xúc tác bao gồm tái tạo acid và kiểm soát corrosion trong reactor.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT TRẦN HOÀNG TRUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU VỀ QUÁ TRÌNH ALKYL HÓA VÀ PHÂN XƯỞNG ALKYL HÓA TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT TRẦN HOÀNG TRUNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÌM HIỂU VỀ QUÁ TRÌNH ALKYL HÓA VÀ PHÂN XƯỞNG ALKYL HÓA TRONG NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN PGS-TS- BÙI THỊ LỆ THỦY HÀ NỘI - 2022 LỜI CẢM ƠN Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đối với cô hướng dẫn PGS. Bùi Thị Lệ Thuỷ đã hướng dẫn chỉ bảo tận tình, tạo mọi điều kiện để giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu. Em cũng xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Lọc-Hoá dầu đã trang bị cho em một lượng kiến thức lớn ở trên trường để em có thể hoàn thành tốt đồ án được giao. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến những người bạn đã giúp đỡ em giải đáp những thắc mắc ở phạm vi đồ án trong suốt quá trình thực hiện.

Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, tháng năm 2022 Sinh viên Trần Hoàng Trung MỤC LỤC MỤC LỤC. TỔNG QUAN VỀ DẦU MỎ. Thành phần hydocacbon trong dầu mỏ. Hydrocacbon loại hỗn hợp naphten-thơm.

Các thành phần phi hydrocacbon [1]. Các chất chứa lưu huỳnh. Các chất chứa oxy. Các kim loại nặng.

Các chất nhựa và asphanten. Nước lẫn trong dầu mỏ (nước khoan). Phân loại dầu mỏ. Phân loại dầu mỏ dựa vào bản chất hoá học.

Phân loại dầu mỏ theo bản chất vật lý. Ứng dụng của các phân đoạn dầu mỏ. TỔNG QUAN QUÁ TRÌNH ALKYL HOÁ. Mục đích, ý nghĩa của quá trình.

Phân loại các phản ứng alkyl hoá. Cơ sở hoá học của quá trình alkyl hoá isoparafin bằng olefin:. Cơ chế phản ứng của alkyl hoá. Phản ứng alkyl hoá isobutan bằng olefin.

Các phản ứng mong muốn. Các phản ứng không mong muốn. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình. Xúc tác của quá trình alkyl hoá.

Điều kiện ảnh hưởng đến quá trình alkyl hoá. Nhiệt độ phản ứng. Thời gian phản ứng. Nồng độ izo-butan.

26 CHƯƠNG 3: CÁC CÔNG NGHỆ ALKYL HOÁ ĐANG SỬ DỤNG. Đặc điểm chung. Quá trình alkyl hoá của hãng Kellogg. Công nghệ alkyl hóa dùng xúc tác H2SO4 của hãng Exxon: [6].

Công nghệ alkyl hoá dùng xúc tác H2SO4 của hãng Stratco. Công nghệ alkyl hóa sử dụng xúc tác HF của hãng UOP [7]. Xu hướng phát triển của công nghệ Alkyl hoá [8]. 40 CHƯƠNG 4: CÔNG NGHỆ AlKYL HOÁ NHÀ MÁY LỌC DẦU NGHI SƠN.

Giới thiệu về nhà máy lọc hoá dầu Nghi Sơn. Các sản phẩm thương mại của nhà máy. Cấu trúc của nhà máy lọc dầu. Phân xưởng alkyl hoá (InAlk).

Cơ sơ ly thuyêt cua ankyl hoa gian tiêp (bao gôm SHP va NRU) [9]. Tổng quan về phân xưởng [9]. Nguyên lý hoạt động [9]. 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

TỔNG QUAN VỀ DẦU MỎ Dầu mỏ hay dầu thô là một chất lỏng sánh đặc màu nâu hoặc ngả lục. Dầu mỏ tồn tại trong các lớp đất đá tại một số nơi trong vỏ Trái Đất. Dầu mỏ là một hỗn hợp hóa chất hữu cơ ở thể lỏng đậm đặc, phần lớn là những hợp chất của hydrocarbon, thuộc gốc alkane, thành phần rất đa dạng. Nguồn gốc Đó là giả thuyết về sự hình thành dầu mỏ từ các vật liệu hữu cơ ban đầu.

Những vật liệu đó chính là xác động vật biển, hoặc trên cạn nhưng bị các dòng sông cuốn trôi ra biển, qua thời gian dài ( hàng triệu năm ) được lắng đọng xuống đáy biển. Ở trong nước biển có rất nhiều các loại vi khuẩn hiếm khí và yếm khí, cho nên khi các động thực vật bị chết, lập tức chúng bị phân huỷ. Những phần nào dể bị phân huỷ ( như các chất albumin, các hydrat cacbon ) thì bị vi khuẩn tấn công trước tạo thành các chất dễ tan trong nước hoặc khí bay đi, các chất này sẽ không tạo nên dầu khí. Ngược lại, các chất khó bị phân huỷ ( như các protein, chất béo, sáp, dầu, nhựa ) sẽ dần lắng đọng tạo thành các hydrocacbon ban đầu.

[1] RCOOR’ + H2O RCOOH + R’OH RCOOH RH + CO2 RCH2OH R’CH=CH2 + H2O R’CH=CH2 + H2 R’CH2CH3 Dựa theo quá trình biến đổi trên, phải có hydro để làm no các olefin, tạo thành parfin. Và người ta đã đưa ra hai giả thuyết về sự tạo thành H2 : + Do tia phóng xạ trong lòng đất mà sinh ra H2. Giả thuyết này ít có tính thuyết phục. + Do các vi khuẩn yếm khí dưới đáy biển, chúng có khả năng làm lên men các chất hữu cơ để tạo thành H2.

Tác giả Jobell đã tìm thầy 30 loại vi khuẩn có khả năng lên men các chất hữu cơ tạo H2. Các vi khuẩn này thường gặp trong nước hồ ao và cả trong lớp trầm tích; đó là nguồn cung cấp H2 cho quá trình khủ. Ngoài các yếu tố vi khuẩn, nhiều nhà nghiên cứu còn cho rằng có hàng loạt các yếu tố khắc nữa như: Nhiệt độ,áp suất, thời gian, sự có mặt của các chất xúc tác ( các kim loại như Ni, V, Mo, khoáng sét,…) trong các lớp trầm tích sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng xảy ra. 1 Thuyết nguồn gốc hữu cơ dầu mỏ cho phép giải thích được nhiều hiện tượng trong thực tế.

Chẳng hạn như: dầu mỏ ở các nơi hầu như đều khác nhau, sự khác nhau đó có thể là do vật liệu hữu cơ ban đầu. Ví dụ, nếu vật liệu hữu cơ ban đầu giàu chất béo thì có thể tạo ra dầu loại parafinic… Dầu được sinh ra rải rác trong các lớp trầm tích, được gọi là “đá mẹ”. Do áp suất ở đây cao nên chúng bị đẩy ra ngoài và buộc phải di cứ đến nơi ở mới của các tầng “ đá chứa” thường có cấu trúc rỗng xốp. Sự di chuyển tiếp tục xảy ra đến khi chúng gặp điều kiện địa hình thuận lợi để có thể ở lại đấy và tích tụ thnahf mỏ dầu; đó là những cái “bẫy”, dầu có thể vào được mà không ra được, có nghĩa là nơi đó phải có tầng đá chắn hoặc nút muối.

Trong quá trình di chuyển, dầu mỏ phải đi qua các tầng đá xốp, có thể sẽ xảy ra sự hấp phụ ( giống như sắc ký), các chất có cực (như nhựa, asphenten…) bị hấp phụ và ở lại các lớp đá, kết quả là dầu sẽ nhẹ hơn và sạch hơn. Nhưng nếu trong quá trình di chuyển dầu bị tiếp xúc với oxy không khí, chúng có thể bị õy hoá dẫn đến tạo các hợp chất chứa các nguyên tố dị thể, làm xấu đi chất lượng dầu. Khi dầu tích tụ và nằm trong các mỏ dầu, quá trình biến đổi hầu như ít xảy ra nếu mỏ dầu kín. Trong trường hợp có các khe hở, oxy , nước khí quyển có thể lọt vào, sẽ xảy ra sự biến chất theo chiều hướng xấu đi do phản ứng hoá học ( oxy hoá, trùng hợp hoa, …).

Các hydrocacbon ban đầu của dầu khí thường có phân tử lượng rất lớn (C 30-C40), thậm chí cao hơn. Các chất hữu cơ này nằm trong lớp trầm tích sẽ chịu nhiều biến đổi hoá học dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, xúc tác ( là khoáng sét ). Người ta thấy rằng, cứ lún chìm sâu xuống 30 mét thì nhiệt độ trong lớp trầm tích tăng từ 0,54 đến 1,2 oC; còn áp suất tăng từ 3 đến 7,5 at. Như vậy, ở độ sâu càng lớn nhiệt độ, áp suất càng tăng và trong các lớp trầm tích tạo dầu khí, nhiệt độ có thể lên tới 100 đến 200 oC và áp suất từ 200 đến 1000 at.

Ở điều kiện như vậy, các hydrocacbon có phân tử lượng lớn, mạch dài, cấu trúc phức tạp sẽ bị phân huỷ nhiệt, tạo thành các chất có phân tử lượng nhỏ hơn, cấu trúc đơn giản hơn, số lượng vòng thơm ít hơn…. Thời gian dài cũng là yếu tố thúc đẩy quá trình cacking xảy ra mạnh hơn. Chính vì vậy, tuổi dầu càng cáo, độ lún chìm càng sâu, dầu được tạo thành càng chứa nhiều hydrocacbon với trọng lượng phân tử càng nhỏ. Sâu hơn nữa có khả năng chuyển hoàn toàn thành khí, trong đó khí metan là bền vững nhất nên hàm lượng của nó rất cao.

2 Cũng chính vì vậy, khi tăng chiều sâu của các giếng khoan thăm dò dầu khí thì xác suất tìm thấy khí thường cao hơn. Tóm lại, về bản chất, dầu và khí đều có cùng một nguồn gốc, và chính là nguồn gốc hữu cơ. Ở đâu có dầu thì thường tìm thấy khí. Cũng có khi các mỏ khí nằm riêng biệt, có lẽ là do sự “di cư”.

Thành phần hydocacbon trong dầu mỏ Hydrocabon là thành phần chính của dầu, hầu như tất cả các loại hydro-cacbon (loại trừ olefin) đều có mặt trong dầu mỏ. Chúng được chia thành các nhóm parafin, naphten, aromat, hỗn hợp naphten-aromat. Bằng các phương pháp hoá lý, người ta đã xác định được hơn 400 loại hydrocacbon khác nhau. Hydrocacbon parafinic Hydrocacbon parafinic (còn được gọi là alkan) là loại hydrocacbon phổ biến nhất.

Trong dầu mỏ, chúng tồn tại ở ba dạng: khí, lỏng, rắn. Các hydrocacbon khí (C 1-C4), khi nằm trong dầu, do áp suất cao nên chúng được hoà tan trong dầu mỏ. Sau khi khai thác, do áp suất giảm, chúng thoát ra khỏi dầu. Các khí này gồm metan, etan, propan và butan gọi là khí đồng hành.

Trong khí đồng hành, bu tan ciếm tỷ lệ cao (khác hẳn với khí thiên nhiên, CH4 chiếm tới 80%), ngoài ra còn có một lượng rất nhỏ pentan bay hơi ra cùng. [2] Trong dầu mỏ có hai loại parafin: n-parafin và izo-parafin, trong đó n-parafin chiếm đa số (25-30% thể tích), chúng có số nguyên tử cacbon từ C 1 đến C45. Một điểm cần chú ý là các n-parafin có số cacbon bằng hoặc lớn hơn C 18, ở nhiệt độ thường chúng là chất rắn. Các parafin này có thể hoà tan trong dầu hoặc tạo thành các tinh thể lơ lửng trong dầu.

Khi hàm lượng các parafin rắn quá cao, dầu có thể bị đông đặc, gây khó khăn cho vấn đề vận chuyển. Do vậy, các chất parafin rắn có liên quan đến độ linh động của dầu mỏ. Hàm lượng của chúng càng cao, nhiệt độ đông đặc của dầu càng lớn. Ví dụ, dầu Minas (Indonesia) có 13% parafin rắn, nên ở 33oC dầu đã bị đông đặc; còn dầu Libi, có 10% parafin rắn, nhiệt độ đông đặc là 18oC.

Dầu mỏ Việt Nam có nhiệt độ đông đặc khá cao: dầu Bạch Hổ đông đặc ở 33oC, dầu Đại Hùng đông đặc ở 27oC. Như vậy, dầu Minas và dầu Bạch Hổ là loại dầu điển hình có nhiều parafin rắn, ngay ở nhiệt độ thường chúng cũng không chảy lỏng.