Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác tầng sôi trong cracking

Đồ án tốt nghiệp trình bày cơ sở lý thuyết, nguyên lý và tính toán thiết kế chi tiết phân xưởng tái sinh xúc tác tầng sôi trong hệ thống cracking.

• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thống cracking xúc tác
• Loại tài liệu: Đồ án

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác tầng sôi

Thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác tầng sôi là một công nghệ quan trọng trong hệ thống cracking xúc tác hiện đại. Quá trình tái sinh xúc tác đóng vai trò thiết yếu để duy trì hoạt tính của chất xúc tác trong quá trình chế biến dầu mỏ. Khi xúc tác hoạt động, các phân tử cốc bám trên bề mặt xúc tác, gây giảm hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Do đó, việc thiết kế các phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi là một giải pháp kỹ thuật tiên tiến, giúp khôi phục hoạt tính xúc tác một cách hiệu quả. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm nguyên vật liệu mà còn mang lại lợi ích kinh tế đáng kể và bảo vệ môi trường.

1.1. Vai trò của xúc tác trong cracking xúc tác

Chất xúc tác giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, tăng tốc độ chuyển hoá hoá học. Xúc tác có khả năng hạ thấp nhiệt độ phản ứng, cho phép tiến hành cracking ở điều kiện nhẹ hơn. Tính chất chọn lọc của xúc tác giúp hướng phản ứng theo chiều mong muốn, nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm chính của quá trình.

1.2. Nguyên nhân cần tái sinh xúc tác

Trong quá trình làm việc, xúc tác bị tạo cốc - các lớp hợp chất bám trên bề mặt xúc tác làm giảm hoạt tính. Để duy trì hiệu suất hoạt động của xúc tác, cần tiến hành quá trình tái sinh loại bỏ cốc và khôi phục khả năng xúc tác. Điều này có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế và môi trường.

II. Cơ sở lý thuyết tạo cốc và tái sinh xúc tác

Cơ sở tạo cốc và tái sinh xúc tác là nền tảng lý thuyết để thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác tầng sôi. Quá trình tạo cốc xảy ra song song với các phản ứng chính trong cracking, là kết quả của các phản ứng phụ không mong muốn. Cốc là các sản phẩm đa polymer kết tủa trên bề mặt và lỗ xốp của xúc tác. Sự tích luỹ cốc làm giảm lưu lượng khí qua xúc tác, hạn chế khả năng tiếp xúc giữa khí và xúc tác, dẫn đến giảm tốc độ phản ứng. Quá trình tái sinh xúc tác bằng cháy oxi hóa cốc ở dạng tầng sôi là phương pháp hiệu quả nhất hiện nay.

2.1. Quá trình hình thành cốc trên bề mặt xúc tác

Cốc hình thành từ các phản ứng polime hoá không mong muốn của các hydrocarbon nặng. Cốc bám trên bề mặt xúc tác, tẩn chặn lỗ xốp, làm giảm diện tích bề mặt hoạt động. Quá trình này là nguyên nhân chính gây mất hoạt tính xúc tác trong cracking xúc tác công nghiệp.

2.2. Nguyên lý tái sinh xúc tác

Tái sinh xúc tác là quá trình loại bỏ cốc bằng cháy oxi hóa ở nhiệt độ kiểm soát. Phương pháp tầng sôi cho phép tiếp xúc tốt giữa khí cháy và hạt xúc tác. Quá trình này khôi phục hoạt tính và kéo dài tuổi thọ xúc tác hiệu quả.

III. Sơ đồ nguyên lý tái sinh xúc tác trong tầng sôi

Sơ đồ nguyên lý tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi bao gồm các bộ phận chính: lò tầng sôi, hệ thống cung cấp khí nóng, hệ thống kiểm soát nhiệt độ, và hệ thống xử lý khí thải. Xúc tác từ lò cracking được đưa vào lò tầng sôi (regenerator), nơi khí nóng cháy lên từ dưới, gây ra chuyển động gợn sóng của hạt xúc tác. Quá trình này đảm bảo tiếp xúc toàn diện giữa oxygen trong khí và cốc trên xúc tác. Nhiệt độ tái sinh thường kiểm soát từ 650-750°C để tránh kích hoạt lại xúc tác hay gây sintering (kết tủa). Xúc tác tái sinh sau đó tuần hoàn về lò cracking để tiếp tục hoạt động.

3.1. Cấu tạo lò tầng sôi

Lò tầng sôi (fluidized bed reactor) gồm chamber chính, vòi khí nóng vào từ dưới, các lỗ phân phối khí, và hệ thống tách hạt ở phía trên. Khí nóng được cấp với tốc độ kiểm soát để tạo trạng thái sôi lên của xúc tác, đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả và oxi hóa đều cốc trên xúc tác.

3.2. Quá trình điều khiển nhiệt độ

Kiểm soát nhiệt độ là yếu tố then chốt trong quá trình tái sinh xúc tác. Nhiệt độ quá thấp làm quá trình cháy cốc chậm và không hoàn toàn. Nhiệt độ quá cao gây sintering làm giảm lỗ xốp xúc tác. Cảm biến nhiệt độ liên tục theo dõi và điều chỉnh lưu lượng khí cháy để duy trì nhiệt độ tối ưu khoảng 700°C.

IV. Tính toán và thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác

Tính toán và thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi dựa trên các yếu tố như: lượng xúc tác hoạt động, tốc độ tạo cốc, thời gian tái sinh, và công suất xử lý. Trước tiên cần xác định khối lượng xúc tác cần tái sinh trên một chu kỳ, từ đó tính toán thể tích lò tầng sôi (regenerator) để đảm bảo thời gian tiền cư từ 5-10 phút. Tiếp theo, tính lưu lượng khí cháy cần thiết dựa trên phản ứng cháy cốc và hệ số dư khí. Cần xác định kích thước hạt xúc tác để tối ưu hoá điều kiện sôi và tốc độ cháy cốc. Cuối cùng, thiết kế hệ thống đường ống, bộ quạt cấp khí, bộ lọc khí thải, và hệ thống đo kiểm.

4.1. Tính toán khối lượng xúc tác và lò tầng sôi

Khối lượng xúc tác hoạt động được tính từ công suất cracking và tỉ lệ xúc tác/nguyên liệu. Thể tích lò tầng sôi được xác định sao cho tốc độ tuyến tính khí vào khoảng 0.6-1.2 m/s để đảm bảo trạng thái sôi tốt. Công thức cơ bản: Thể tích = Lưu lượng khí / Tốc độ tuyến tính khí.

4.2. Thiết kế hệ thống phụ trợ

Hệ thống cung cấp khí bao gồm bộ quạt, bộ sưởi ấm khí, và hệ thống điều chỉnh lưu lượng. Hệ thống xử lý khí thải gồm bộ tách cyclone và bộ lọc túi loại bỏ bụi xúc tác. Hệ thống đo kiểm theo dõi nhiệt độ, áp suất, hàm lượng O₂ trong khí thải để tối ưu hóa quá trình tái sinh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I. cơ sở tạo cốc và tái sinh xúc tác 1.1 Giới thiệu chung Trong công nghệ chế biến dầu mỏ các quá trình chuyển hoá hoá học dưới dạng tác dụng của chất xúc tác chiếm một tỷ lệ rất lớn và đóng vai trò quan trọng. Chất xúc tác trong quá trình chuyển hoá có khả năng làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng vì vậy tăng tốc độ phản ứng lên rất nhiều. Mặt khác khi có mặt của xúc tác có khả năng tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn.

Điều này có tầm quan trọng đối với những phản ứng có hoạt ứng nhiệt dương ( như phản ứng hydro hoá, polime hoá,Ankyl hoá. ) vì ở nhiệt độ cao về mặt nhiệt động không thuận lợi cho phản ứng này. Sự có mặt chất xúc tác trong quá trình chuyển hoá hoá học vừa có tác dụng nhanh quá trình chuyển hoá vừa có khả năng tạo ra nồng độ cân bằng nhất, có nghĩa là tăng được hiệu suất sản phẩm của quá trình. Điều quan trọng nữa là chất xúc tác có khả năng tăng nhanh không đồng đều giữa các loại phản ứng mà về phương diện nhiệt động có thể xảy ra trong cùng một điều kiện như nhau.

Tính chất này gọi là tính chất chọn lựa của xúc tác. Người ta nghiên cứu kỹ từng loại xúc tác và lợi dụng tính chất lựa chọn của nó để hướng quá trình chế biến theo phản ứng có lợi, nhằm mục đích thu được các sản phẩm chính của quá trình có chất lượng cao, hiệu suất cao. Tóm lại, xúc tác có vai trò và ý nghĩa vô cùng quan trọng trong công nghệ chế biến dầu mỏ nói chung và trong quá trình cracking xúc tác nói riêng. 3 Trong quá trình làm việc, cốc tạo ra bán trên bề mặt của xúc tác, làm giảm hoạt tính của nó.

Vì thế việc khôi lại hoạt tính của xúc tác bằng quá trình tái sinh xúc tác cũng là vấn đề hết sức quan trọng cần được gải quyết đối với xúc tác cracking công nghiệp. Vì nó tiếp kiệm được nguyên vật liệu, lợi về kinh tế và đảm bảo được vệ sinh môi trường.2 Quá trình sử dụng các chất xúc tác cho quá trình cracking. Trong quá trình chế biến dầu mỏ, các quá trình có xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong đó cracking xúc tác là điển hình. Xúc tác có tác dụng : - Làm giảm năng lượng hoạt hoá, tăng tốc độ phản ứng - Làm giảm nhiệt độ cần thiết của phản ứng - Tăng tính chất chọn lọc ( Hướng phản ứng theo hướng cần thiết ) Sự phát triển và cải tiến quá trình cracking xúc tác trong công nghiệp chế biến dầu mỏ, ngoài việc cải thiện về nguyên vật liệu hệ thống thiết bị, chế độ công nghệ.

thì ta thấy cái chính là do sự phát triển cải tiến trong việc sử dụng chất xúc tác. Xúc tác được dùng trong cracking thường là xúc tác rắn, xốp, có nguồn gốc thiên nhiên hay tổng hợp, với bề mặt bên trong lớn. Vào những năm 1919 –1920 người ta đã dùng xúc tác AlCl 3 trong hệ thống cracking để sản xuất xăng. Xúc tác AlCl3 cho phép tiến hành cracking ở nhiệt độ thấp 200 –300 OC.

Nhưng trong quá trình sử dụng người ta thấy có những nhược điểm như: Xúc tác bị mất mát nhiều do tạo phức với Hyđrô Cacbon của nguyên liệu, điều kiện tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu không tốt, cho hiệu suất và chất lượng xăng thấp. Về sau này người ta nghiên cứu sử dụng Alumo silicát vô định hình mà đầu tiên là đất sét bentonite. Năm 1936 ở Liên Xô cũ đã sử dụng xúc tác Alumôsicats ở quy mô 4 công nghiệp. Sử dụng đất sét thiên nhiên làm xúc tác cracking người ta thấy hoạt tính của nó thấp.

Vì vậy người ta tiến hành tổng hợp Alumô silicát trong các nhà máy chế tạo xúc tác. Sau đó trong công nghệ chế biến dầu mỏ người ta dùng phổ biến xúc tác Alumô silicát tổng hợp. Vì nó có hoạt tính và độ lựa chọn tương đối cao. Tuy vậy , hiện nay việc cải thiện xúc tác vẫn không ngừng phát triển.

Các chất xúc tác Alumô silicát chứa zeolit đã và đang được nghiên cứu và sử dụng vào quá trình cracking xúc tác. Ở Mỹ vào năm 1972 đã sử dụng khoảng 80% chất xúc tác chứa Zeolit cho quá trình Cracking xúc tác. Hàng năm ở Mỹ tiêu thụ 130 nghìn tấn xúc tác trong đó chỉ có 14 nghìn tấn là không chứa Zeolit. Hện nay đã công bố hơn một vạn công trình nghiên cứu về Zeolit.

Đã có 3 cuộc hội thảo về chuyên đề Zeolit. Năm 1967 họp ở Luân Đôn, 1970 họp ở Worecster và năm 1973 họp ở Zu-rích. Ngoài ra còn có nhiều hội nghị khác cũng có nhiều báo cáo về đề tài Zeolit.3 Những yêu cầu cần thiết đối với xúc tác cracking Quá trình cracking xúc tác là một quá trình không thể thiếu được trong bất kỳ nhà máy chế biến dâù nào trên thế giới. Vì quá trình này là một trong các quá trình chính để sản xuất xăng có trị số octan cao Xúc tác dùng trong quá trình cracking đòi hỏi những yêu cầu sau 1.

Hoạt tính xúc tác phải cao Hoạt tính xúc tác càng cao sẽ cho hiệu suất xăng càng lớn. Khi sử dụng xúc tác có hoạt tính cao thì thể tích vùng phản ứng yêu cầu không cần lớn lắm vẫn có thể đảm bảo năng suất yêu cầu. Hoạt tính xúc tác là yêu cầu quan trọng nhất đối với xúc tác dùng trong quá trình Cracking. Độ chọn lựa của xúc tác phải cao Xúc tác cần có độ chọn lựa cao để cho ta chất lượng xăng cao và hiệu suất lớn và trong khí Cracking có nồng độ lớn hơn các Hydrocacbon có cấu trúc nhánh.

Độ ổn định phải lớn Xúc tác phải giữa được những đặc tính chủ yếu( hoạt tính , độ chọ lựa) của nó sau thời gian làm việc lâu dài. Xúc tác phải đảm bảo độ bền cơ, bền nhiệt. Trong quá trình làm việc xúc tác cọ sát với nhau và xúc tác cọ sát với thành thiết bị làm cho xúc tác dễ bị vỡ làm tổn thất áp suất qua lớp xúc tác tăng lên, làm mất mát xúc tác lớn. Vì vậy xúc tác phải đảm bảo độ bền cơ.

Trong quá trình làm việc nhiệt độ có thể thay đổi. Khi nhiệt độ cao nếu xúc tác không có độ bền nhiệt thì có thể bị biến đổi cấu trúc dẫn đến làm giảm các tính chất của xúc tác. Xúc tác phải đảm bảo độ thuần nhất cao Xúc tác cần đồng nhất về thành phần, về cấu trúc ,về hình dạng về kích thước. Khi kích thước không đồng đều sẽ tạo ra những vùng phân lớp và có trở lực khác nhau, do có sự phân lớp theo kích thước nên sẽ phá vỡ chế độ làm việc bình thường của thiết bị.

Mặt khác khi kích thước không đồng đều làm tăng khả năng vỡ vụn dẫn đến mất mát xúc tác. Cấu trúc lỗ xốp không đồng đều sẽ làm giảm bề mắt tiếp xúc dẫn đến làm giảm hoạt tính xúc tác. Xúc tác phải bền với những chất làm ngộ độc xúc tác. 6 Xúc tác phải chống có hiệu quả tác dụng gây ngộ độc của những hợp chất như Nitơ, Lưu huỳnh, các kim loại nặng để kéo dài thời gian làm việc của xúc tác.

Xúc tác phải có khả năng tái sinh. Đây là yêu cầu quan trọng trong quá trình sử dụng xúc tác. Xúc tác có khả năng tái sinh thì sẽ nâng cao hiệu quả và năng suất của quá trình lượng tiêu hao xác tác giảm xuống. Xúc tác phải rễ sản suất và rẻ tiền.

Theo những yêu cầu trên nếu không yêu cầu đòi hỏi quá khắt khe thì ta thấy Alumosilicát vô định hình có thể đáp ứng dụng làm chất xúc tác cho quá trình Crackimg.4 Những thay đổi tính chất của xúc tác khi làm việc Xúc tác Cracking trong quá trình làm việc bị giảm hoạt tính và độ chọn lọc. Hiện tượng này người ta gọi là quá trình trơ hoá xúc tác. Quá trình trơ hoá càng nhanh , nếu ta tiến hành quá trình công nghệ ở điều kiện khó khăn , độ khắt khe tăng ( ví dụ ở nhiệt độ quá cao thời gian tiếp xúc quá dài, nguyên liệu xấu , ngoài ra còn xảy ra các quá trình khác làm tăng tốc độ trơ hoá. Chúng ta có thể phân quá trình trơ hoá xúc tác làm hai quá trình chính đó là : Sự trơ hoá do tác dụng làm thay đổi các tính chất lý hoá của xúc tác.

Nguyên nhân của sự trơ hoá xúc tác có thể do : - Sự tác dụng của các độc tố như NH3, CO2 của các hợp chất Lưu huỳnh mà đặc biệt là H2S ở nhiệt độ cao. 7 - Sự tích tụ kim loại nặng dưới dạng các Oxit làm thay đổi chức năng của xúc tác - Sự tác động của nhiệt độ cao và hơi nước. Các hợp chất khi tác dụng với xúc tác có thể chia thành ba nhóm. Nhóm không tác dụng với xúc tác ở nhiệt độ thấp hơn 620 oC như CO, CO2, NH3.

Nhóm làm giảm hoạt tính của xúc tác nhưng không làm giảm độ chọn lọc như hơi nước. Và nhóm làm giảm độ chọn lọc của xúc tác ( H2S ở nhiệt độ 425 oC ; NH3 SO2, SO3, ở nhiệt độ lớn hơn 620 oC ). Từ kinh nghiệm thao tác các công nghệ Cracking cho thấy rằng độ hoạt tính của xúc tác có thể duy trì nếu ta cho thêm hơi nước vào nguyên liệu hay việc sử lý trước và sau khi tái sinh xúc tác. Thêm hơi nước khi chế biến nguyên vật liệu có Lưu huỳnh sẽ có tác dụng âm vì khi đó lại làm tăng quá trình ăn mòn thiết bị và sản phẩm của quá trình ăn mòn lại làm nhiễm bẩn xúc tác , dẫn tới luôn làm giảm độ hoạt tính và độ chọn lọc của chất xúc tác.

Tác dụng đồng thời của nhiệt độ cao và hơi nước làm giảm độ hoạt tính tổng cộng của xúc tác. Khi áp dụng quá trình ở lớp sôi ( FCC) do cần duy trì ở điều kiện để cốc Ýt lắng đọng trên xúc tác và xúc tác không bị quá nhiệt , khi tái sinh người ta phải đưa vào một lượng nhỏ hơi nước. Hơi nước cho vào còn có nhiệm vụ đẩy khí tái sinh và khí sản phẩm ra khỏi bề mặt xúc tác và cũng để chánh phần nào sự tạo cốc. Nhưng nếu cho hơi nước vào nhiều thì sẽ dẫn tới phá vỡ cân bằng nhiệt của hệ lò phản ứng và tái sinh do nhiệt tạo ra trong quá trình tái sinh không đủ để bù nhiệt thu vào của các phản ứng Cracking trong lò phản ứng .