Đồ án: Thiết Kế Phân Xưởng Reforming Xúc Tác Chuyển Động 470.000 Tấn/Năm - ĐHBK Hà Nội
Đồ án thiết kế phân xưởng reforming xúc tác chuyển động năng suất 470.000 tấn/năm. Tài liệu chuyên ngành hữu ích cho sinh viên và kỹ sư hóa dầu.
Trường đại học
Trường Đại Học Bách Khoa Hà NộiChuyên ngành
Kỹ Thuật Hóa HọcNgười đăng
Ẩn danhThể loại
Đồ án chuyên ngànhPhí lưu trữ
35 PointMục lục chi tiết
Tóm tắt
I. Tổng Quan Đồ Án Reforming Xúc Tác Xu Hướng Ứng Dụng
Reforming xúc tác đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp lọc hóa dầu, chuyển hóa naptha giá trị thấp thành xăng reformate có chỉ số octane cao. Quá trình này không chỉ nâng cao chất lượng xăng mà còn tạo ra các hydrocacbon thơm và khí hydro sạch. Xăng reformate được ưa chuộng nhờ chất lượng ổn định và thân thiện với môi trường. Khí hydro là sản phẩm phụ quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý hydro như HDS. Đồ án chuyên ngành "Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác với năng suất 470.000 tấn/năm" tập trung vào hai nội dung chính: tổng quan về reforming xúc tác và tính toán chi tiết cho quá trình này. Từ các mốc lịch sử ban đầu đến những cải tiến công nghệ hiện đại, quá trình reforming xúc tác đã trải qua một chặng đường phát triển đáng kể, với mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Nhu cầu nâng cấp phân đoạn naphta đã thúc đẩy sự ra đời của các quy trình xúc tác hiệu quả hơn, thay thế cho các quy trình nhiệt truyền thống. Các chất xúc tác đầu tiên dựa trên oxit Molypden, nhưng đã sớm bị thay thế bằng xúc tác Platin, mang lại sản lượng tốt hơn và trị số octan cao hơn. Quá trình Platforming của UOP tại nhà máy Old Dutch Refining ở Muskegon, Michigan, Hoa Kỳ, năm 1949, đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử reforming xúc tác.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Công Nghệ Reforming Xúc Tác
Reforming xúc tác là một trong những quá trình chế biến hóa học phổ biến trong các nhà máy lọc dầu hiện đại trên thế giới. Quá trình này là một quá trình biến đổi các hợp chất hydrocacon trong nguyên liệu thành các hợp chất khác có trị số octan cao hơn nhằm nâng cao trị số octan của nhiên liệu. Các quy trình nhiệt được sử dụng đầu tiên nhưng các quy trình xúc tác được giới thiệu vào những năm 1940 cung cấp sản lượng tốt hơn và trị số octan cao hơn. Các chất xúc tác đầu tiên dựa trên oxit Molypden, nhưng đã sớm bị thay thế bằng xúc tác Platin. Các phân xưởng đầu tiên được thiết kế dưới dạng công nghệ bán tái sinh hoặc lớp xúc tác cố định với 3 – 4 lò phản ứng nối tiếp nhau, sử dụng xúc tác Pt trên chất mang oxit nhôm. Sự cần thiết phải tăng sản lượng và trị số octan dẫn đến áp suất thấp hơn, vận hành ở điều kiện nghiêm ngặt hơn. Điều này cũng liên quan đến các điều kiện như nhiệt độ cao hơn dẫn đến khả năng chuyển hóa của naptha cao hơn, dẫn đến tăng sự hình thành cốc và tỷ lệ mất hoạt tính xúc tác nhanh hơn, khiến cho tuổi thọ xúc tác ngắn hơn. Vào những năm 1970, hãng UOP và Viện dầu khí Pháp đã đưa vào thương mại quá trình CCR Platforming và Aromatic hóa. Các công nghệ này đã có những cải tiến vượt bậc với sự ra đời của công nghệ tái sinh xúc tác liên tục. Hiện nay, hơn 95% các phân xưởng reforming xúc tác được thiết kế theo công nghệ tái sinh liên tục.
1.2. Nguyên Liệu Đầu Vào Sản Phẩm Của Reforming Xúc Tác
Nguyên liệu thường dùng cho quá trình reforming xúc tác là phân đoạn naptha chứa nhiều cấu tử parafin, naphten, aromatic và một lượng nhỏ olefin. Tùy thuộc vào từng vùng miền, lãnh thổ quy định hàm lượng benzen trong xăng, nhiệt độ sôi đầu của nguyên liệu có thể được tăng lên bằng cách chưng phân đoạn để giảm hàm lượng tiền chất benzen như cyclohenxane và metylcyclopentan. Nguyên liệu cho quá trình reforming xúc tác là phân đoạn xăng chất lượng thấp có giới hạn sôi từ 60 - 180℃. Nguyên liệu naphta được được lấy từ phân xưởng chưng cất dầu thô trực tiếp, cũng có thể thu được từ phân xưởng cracking xúc tác, hydrocracking, cốc hóa, cracking nhiệt,… Sản phẩm từ quá trình reforming xúc tác là các hợp chất pha xăng có trị số octan cao hoặc các chất thơm như benzen, toluen, và xylen (BTX), … để phục vụ cho ngành công nghiệp tổng hợp hữu cơ hóa dầu, và khí H2. Trong đó, xăng có trị số octan cao là sản phẩm quan trọng nhất. Xăng reformate là thành phần quan trọng trong quá trình pha xăng, vì trong xăng reformate chứa các hợp chất thơm có trị số octan cao và ổn định, hàm lượng lưu huỳnh và nhựa thấp.
1.3. Hydro Hóa Làm Sạch Nguyên Liệu Naphta Trước Reforming
Nguyên liệu trước khi đưa vào quá trình reforming xúc tác cần phải được qua công đoạn làm sạch bằng quá trình hydro hóa làm sạch hay xử lý bằng hydro. Nguyên liệu naphta, xăng, (có thể dùng cả kerosen, gasoil khi xử lý các nhiên liệu này) được trộn với hydro để tiến hành phản ứng ở nhiệt độ và áp suất cao. Khi mục đích của quá trình này là xử lý nguyên liệu cho reforming xúc tác, thì hydrosunfua hóa và demetan hóa là nhiệm vụ chính của công đoạn này. Những hydrocacbon chứa lưu huỳnh và các tạp chất khác chứa trong nguyên liệu sẽ được phản ứng với hydro trên xúc tác Co hoặc xúc tác Ni/Mo trên chất mang để các tạp chất này được tách ra một cách chọn lọc và nhờ đó các đặc tính của nguyên liệu được cải thiện. Các tạp chất khác như hợp chất chứa nito, oxy và kim loại, khi phản ứng với hydo sẽ tạo ra các hợp chất amoniac, nước và hydrogenat kim loại. Các phản ứng chính có thể xảy ra gồm: Tách lưu huỳnh, Tách nito, Tách oxy, Phản ứng với olefin, Tách kim loại, Tách halogen.
II. Cơ Sở Hóa Học Reforming Xúc Tác Phản Ứng Xúc Tác
Reforming xúc tác là quá trình then chốt chuyển đổi hydrocacbon trong naphta, đặc biệt là naphten và parafin, thành hydrocacbon thơm có chỉ số octane cao. Quá trình này sử dụng xúc tác đa chức năng, thường là platin (Pt) trên chất mang axit như gama oxyt nhôm (Al2O3). Mục tiêu chính là tạo ra xăng có chỉ số octane cao mà không cần chì, sản xuất các hydrocacbon thơm (benzene, toluene, xylene - BTX) cho công nghiệp hóa dầu, và thu khí H2 với chi phí thấp. Các phản ứng chính bao gồm dehydro hóa, dehydro vòng hóa và isome hóa. Tuy nhiên, phản ứng phụ như phân hủy các hợp chất chứa oxy, nito, lưu huỳnh, kim loại và halogen cũng xảy ra. Các phản ứng ngưng tụ tạo cốc là vấn đề cần kiểm soát để duy trì hoạt động của xúc tác. Trong thực tế, áp suất và nồng độ hydro cao, hoặc tái sinh liên tục xúc tác (quá trình CCR) được sử dụng để hạn chế tạo cốc. Phản ứng dehydro hóa là then chốt để tạo ra hydrocacbon thơm từ naphten. Khi tăng nhiệt độ và giảm áp suất, hiệu suất hydrocacbon thơm sẽ tăng lên. Tỷ số H2/RH ít ảnh hưởng đến cân bằng của phản ứng dehydro hóa, có thể bù lại bằng cách tăng nhiệt độ.
2.1. Các Phản Ứng Chính Xảy Ra Trong Quá Trình Reforming
Các phản ứng chính bao gồm: dehydro hóa, dehydro vòng hóa, isome hóa. Ngoài ra còn các phản ứng phụ, tuy không làm ảnh hưởng nhiều đến cân bằng của phản ứng chính, nhưng lại ảnh hưởng lớn độ hoạt động và độ bền của xúc tác. Đó là các phản ứng: - Phản ứng phân hủy và khử các hợp chất chứa oxy, nito, lưu huỳnh thành H2S, NH3, H2O. - Phản ứng phân hủy các hợp chất chứa kim loại và halogen. - Phản ứng ngưng tụ của các hợp chất trung gian không bền như olefin, diolefin với hydrocacbon thơm, dẫn đến tạo thành các chất nhựa và cốc bám trên bề mặt của xúc tác. Trong thực tế sản xuất người ta thường dùng áp suất và nồng độ hydro cao hoặc tiến hành tái sinh liên tục xúc tác (quá trình CCR).
2.2. Vai Trò Của Xúc Tác Lưỡng Chức Trong Reforming Xúc Tác
Xúc tác được sử dụng cho quá trình reforming là xúc tác đa chức (lưỡng chức), gồm chức năng oxy hóa – khử và chức năng axit. Chức năng oxy hóa khử có tác dụng tăng tốc các phản ứng hydro hóa – khử hydro. Còn chức năng axit có tác dụng thúc đẩy các phản ứng xảy ra theo cơ chế ion cacboni như đồng phân hóa và hydrocracking. Theo lịch sử phát triển của reforming xúc tác, năm 1940, người ta đã áp dụng quá trình reforming đầu tiên với chất xúc tác là oxyt molipden mang trên oxyt nhôm (MoO2/ Al2O3) nhằm thu được xăng có RON bằng 80. Loại xúc tác này rẻ tiền, dễ sản xuất và bền với tác dụng của lưu huỳnh. Nhưng có nhược điểm là hoạt tính không cao nên quá trình reforming cần phải thực hiện ở chế độ cứng. Ngày nay người ta cải tiến xúc tác bằng cách biến tính xúc tác: cho thêm kim loại khác hoặc thay đổi chất mang.
2.3. Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Đến Hoạt Tính Xúc Tác
Các hợp chất chứa lưu huỳnh rất dễ gây ngộ độc nguyên tử Pt gây ảnh hưởng không tốt đến chức năng đề hydro hóa, do nó làm cho kim loại bị sunfit hóa. Các hợp chất nito trong nguyên liệu cũng ảnh hưởng xấu đến hoạt tính xúc tác. Khi tiếp xúc với các hợp chất chứa nito như NH3, độ hoạt tính của xúc tác giảm, đặc biệt là chức năng axit. Một số kim loại đặc biệt như As, Pb, Cu gây ngộ độc xúc tác rất mạnh. Những kim loại này có thể có sẵn trong nguyên liệu hoặc do xâm nhập vào trong ngyên liệu khi vận chuyển hoặc chế biến. Hàm lượng nước cao trong nguyên liệu không chỉ làm pha loãng các tâm axit của xúc tác mà còn làm tăng quá trình ăn mòn thiết bị. Khi quá trình reforming xúc tác diễn ra, các cấu tử tương tác với nhau và có thể ngưng tụ tạ thành các hydrocacbon thơm đa vòng, các sản phẩm rắn giàu cacbon.
III. Công Nghệ Reforming Xúc Tác Cố Định Chuyển Động
Công nghệ reforming xúc tác đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển, từ các hệ thống với lớp xúc tác cố định đến công nghệ tái sinh xúc tác liên tục (CCR). Quá trình reforming xúc tác với lớp xúc tác cố định đầu tiên được áp dụng trong công nghiệp vào năm 1940 với xúc tác molipden. Song quá trình này không được phát triển vì sự tạo cốc quá nhanh trên xúc tác. Vào năm 1949, reforming xúc tác sử dụng xúc tác trên cơ sở Pt ra đời và quá trình này liên tục được cải tiến. Kể từ đó đến nay, nhiều nghiên cứu cải tiến đã được thực hiện theo hướng cải tiến xúc tác và cải tiến công nghệ và đã mang lại những kết quả đáng kể. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bao gồm nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ hydro trên nguyên liệu (H2/RH) và tốc độ nạp liệu. Công nghệ reforming xúc tác cố định yêu cầu các lò phản ứng phải định kỳ dừng làm việc để tái sinh xúc tác bị cốc hóa. Để giải quyết vấn đề này, công nghệ tái sinh liên tục (CCR) đã ra đời, cho phép duy trì hoạt động liên tục của phân xưởng.
3.1. Ưu Điểm Nhược Điểm Công Nghệ Xúc Tác Cố Định
Trong công nghệ reforming xúc tác cố định, nguyên liệu naphta được trộn với khí hydro, đốt nóng và nạp vào các lò phản ứng. Sản phẩm được làm lạnh, ngưng tụ và tách thành pha khí và lỏng. Pha khí chứa hydro, được tuần hoàn lại lò phản ứng. Ưu điểm của công nghệ này là đơn giản về mặt thiết kế và vận hành. Tuy nhiên, nhược điểm chính là phải dừng quá trình để tái sinh xúc tác, làm gián đoạn sản xuất. Công nghệ này thường sử dụng áp suất cao (20-45 at) để kéo dài thời gian giữa các lần tái sinh. Trong một số biến thể, quá trình tái sinh được thực hiện đồng thời trong tất cả các thiết bị phản ứng.
3.2. Công Nghệ Reforming Xúc Tác Chuyển Động CCR Hiện Đại
Công nghệ reforming xúc tác chuyển động đã trở nên rất phổ biến hiện nay. Nhờ tái sinh xúc tác liên tục mà không phải dừng quá trình để tái sinh xúc tác như các dây chuyền cũ và do vậy, xúc tác vừa mới được tái sinh được liên tục chuyển vào thiết bị phản ứng. Điều đó làm cho xúc tác có độ hoạt tính cao hơn và ổn định hơn, làm việc được trong điều kiện khắt khe hơn mà vẫn cho hiệu quả cao hơn. Quá trình này có khả năng hoạt động ở áp suất thấp và mức độ khắt nghiệt cao. Áp suất vận hành nằm trong khoảng 3,5 đến 17 bar và RON nằm trong khoảng 95 - 108.
3.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Hiệu Quả Công Nghệ Reforming
Nhiệt độ, áp suất, tỷ lệ hydro/nguyên liệu và tốc độ nạp liệu đều ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình. Nhiệt độ cao tăng hiệu suất hydrocacbon thơm nhưng cũng tăng tạo cốc, làm giảm tuổi thọ xúc tác. Áp suất cao ức chế phản ứng chính nhưng giảm tạo cốc. Tỷ lệ hydro/nguyên liệu cao ổn định xúc tác nhưng tăng chi phí. Tốc độ nạp liệu cao giảm thời gian tiếp xúc, ảnh hưởng đến độ chuyển hóa. Điều chỉnh các yếu tố này cần được tối ưu hóa để đạt hiệu suất và chất lượng sản phẩm mong muốn.
IV. Thiết Kế Phân Xưởng Reforming Thiết Bị Tính Toán
Thiết kế phân xưởng reforming xúc tác đòi hỏi sự lựa chọn và tính toán cẩn thận các thiết bị chính trong dây chuyền. Các thiết bị phản ứng, lò đốt, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị phân ly và tháp ổn định cần được thiết kế phù hợp với năng suất và yêu cầu công nghệ của quá trình. Tính toán cân bằng vật chất và năng lượng là bước quan trọng để xác định kích thước và thông số vận hành của các thiết bị. Các số liệu ban đầu về thành phần nguyên liệu, điều kiện phản ứng và yêu cầu sản phẩm cần được thu thập đầy đủ. Tính toán cân bằng vật chất ở mỗi lò phản ứng giúp xác định lưu lượng và thành phần của dòng sản phẩm. Tính toán cân bằng nhiệt lượng giúp xác định lượng nhiệt cần cung cấp hoặc loại bỏ ở mỗi lò phản ứng.
4.1. Lựa Chọn Thiết Bị Chính Trong Dây Chuyền Reforming
Dây chuyền reforming xúc tác bao gồm các thiết bị chính như lò phản ứng (reactor), lò đốt (heater), thiết bị trao đổi nhiệt (heat exchanger), thiết bị phân ly (separator) và tháp ổn định (stabilizer column). Lò phản ứng là nơi xảy ra các phản ứng reforming chính. Lò đốt cung cấp nhiệt cho các phản ứng thu nhiệt. Thiết bị trao đổi nhiệt thu hồi nhiệt từ dòng sản phẩm để làm nóng nguyên liệu. Thiết bị phân ly tách sản phẩm thành pha khí và lỏng. Tháp ổn định loại bỏ các cấu tử nhẹ khỏi sản phẩm lỏng.
4.2. Tính Toán Cân Bằng Vật Chất Năng Lượng Reforming
Tính toán cân bằng vật chất dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, xác định lưu lượng và thành phần của các dòng vật chất vào và ra khỏi mỗi thiết bị. Tính toán cân bằng nhiệt lượng dựa trên định luật bảo toàn năng lượng, xác định lượng nhiệt cần cung cấp hoặc loại bỏ ở mỗi thiết bị để duy trì điều kiện vận hành mong muốn. Các phương trình cân bằng vật chất và năng lượng cần được giải bằng các phương pháp số để đảm bảo độ chính xác.
4.3. Tính Toán Kích Thước Thiết Bị Phản Ứng Reforming
Kích thước thiết bị phản ứng (đường kính và chiều cao) phụ thuộc vào lưu lượng nguyên liệu, tốc độ phản ứng và thời gian lưu trú. Các phương trình động học phản ứng cần được sử dụng để tính toán tốc độ phản ứng. Thời gian lưu trú cần được lựa chọn phù hợp để đạt độ chuyển hóa mong muốn. Áp suất và nhiệt độ vận hành cũng ảnh hưởng đến kích thước thiết bị.
V. Ứng Dụng Thực Tiễn Reforming Xúc Tác Sản Xuất Xăng
Ứng dụng chính của reforming xúc tác là sản xuất xăng có chỉ số octane cao. Xăng reformate là thành phần quan trọng trong quá trình pha chế xăng thương phẩm. Xăng reformate có hàm lượng hydrocacbon thơm cao, giúp tăng chỉ số octane và cải thiện tính năng chống kích nổ của động cơ. Ngoài ra, reforming xúc tác còn tạo ra các hydrocacbon thơm (BTX) cho công nghiệp hóa dầu và khí hydro cho các quá trình khác trong nhà máy lọc dầu.
5.1. Vai Trò Reforming Trong Pha Chế Xăng Thương Phẩm
Xăng reformate đóng vai trò quan trọng trong pha chế xăng thương phẩm. Nó cung cấp hydrocacbon thơm, giúp tăng chỉ số octane và cải thiện tính năng chống kích nổ. Xăng reformate cũng có hàm lượng olefin thấp, giúp cải thiện độ ổn định oxy hóa của xăng.
5.2. Sản Xuất Hydrocacbon Thơm BTX Cho Hóa Dầu
Reforming xúc tác là nguồn cung cấp hydrocacbon thơm (BTX) cho công nghiệp hóa dầu. Benzen, toluene và xylene là nguyên liệu quan trọng cho sản xuất polyme, hóa chất và dung môi.
5.3. Cung Cấp Khí Hydro Cho Các Quá Trình Lọc Hóa Dầu
Reforming xúc tác tạo ra khí hydro như một sản phẩm phụ. Khí hydro được sử dụng trong các quá trình xử lý hydro như HDS, hydrocracking và hydro hóa.
VI. Kết Luận Tương Lai Reforming Xúc Tác Tối Ưu Hóa
Reforming xúc tác là quá trình quan trọng trong công nghiệp lọc hóa dầu, đóng góp vào sản xuất xăng có chất lượng cao và các sản phẩm hóa dầu khác. Các nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này tiếp tục tập trung vào việc tối ưu hóa xúc tác, cải tiến công nghệ và giảm thiểu tác động môi trường. Tương lai của reforming xúc tác hứa hẹn những tiến bộ vượt bậc, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về nhiên liệu sạch và sản phẩm hóa dầu.
6.1. Hướng Nghiên Cứu Tối Ưu Hóa Xúc Tác Reforming
Nghiên cứu tập trung vào phát triển các xúc tác mới có hoạt tính cao, độ chọn lọc tốt và tuổi thọ dài. Các xúc tác nano, xúc tác lưỡng kim và xúc tác có cấu trúc đặc biệt đang được nghiên cứu và ứng dụng.
6.2. Cải Tiến Công Nghệ Để Nâng Cao Hiệu Suất Reforming
Các công nghệ mới như reforming màng, reforming nhiệt và reforming oxy đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng. Tối ưu hóa quá trình tái sinh xúc tác cũng là một hướng quan trọng.
6.3. Giảm Thiểu Tác Động Môi Trường Của Reforming Xúc Tác
Nghiên cứu tập trung vào giảm phát thải khí nhà kính, sử dụng nguyên liệu tái tạo và phát triển các quy trình thân thiện với môi trường.
22/09/2025
