MỞ ĐẦU Có thể nói năng lượng là hạt nhân cho sự phát triển của thế giới. Nghành hóa lọc dầu được phát triển từ rất sớm và trở thành nghành công nghiệp năng lượng lâu đời nhất cũng là quan trọng nhất cho sự phát triển của thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, cung cấp các sản phẩm có giá trị cao như xăng, dầu diesel, dầu hỏa, nhiên liệu cho động cơ phản lực. Ngoài ra các nhà máy lọc hóa dầu còn cung cấp nguyên liệu cho các nghành công nghiệp hóa chất khác như cao su, tổng hợp hóa dầu, dược… Mặt khác, lượng dầu mỏ ngày càng giảm, máy móc có công suất lớn hơn, đòi hỏi ngành công nghệ chế biến dầu phải không ngừng phát triển để sản xuất ra những sản phẩm có chất lượng tốt hơn, từ nguồn nguyên liệu xấu hơn. Nhu cầu các sản phẩm nhẹ khí, xăng, diezen ngày càng tăng.
Cracking xúc tác là một trong những quá trình chính yếu trong công nghệ chế biến phần cặn. Trong một nhà máy lọc hóa dầu, phân xưởng cracking xúc tác chiếm tầm quan trọng vì đây chính là phân xưởng sử dụng lượng lớn cặn chưng cất của quá trình chưng khí quyển (thường chiếm 30-40% khối lượng chưng cất khí quyển), các sản phẩm cặn của các quá trình khác để cho ra sản phẩm chất lượng cao như xăng với trị số octan cao, diesel với trị số cetane cao, cung cấp lượng lớn khí LPG, các nguyên liệu cho các quá trình khác. Sản phẩm của quá trình cracking xúc tác chiếm tới 70-80% sản phẩm của toàn nhà máy lọc hóa dầu (tính theo sản lượng xăng và diesel). Mục đích của quá trình cracking xúc tác là nhận các cấu tử có trị số Octan cao cho xăng ôtô hay xăng máy bay từ nguyên liệu là phần cất nặng hơn, chủ yếu là phần cất nặng hơn từ các quá trình chưng cất trực tiếp AD (Atmostpheric Distillation) và VD (Vacuum Distillation) của dầu thô.
Đồng thời ngoài mục đích nhận xăng người ta còn nhận được cả nguyên liệu có chất lượng cao cho công nghệ tổng hợp hoá dầu và hoá học. Ngoài ra còn thu thêm một số sản phẩm phụ khác như gasoil nhẹ, gasoil nặng, khí chủ yếu là các phần tử có nhánh đó là các cấu tử quý cho tổng hợp hoá dầu. Với đề tài: “Nghiên cứu công nghệ cracking xúc tác với nguyên liệu nặng bằng mô phỏng”, qua luận văn này em sẽ trình bày những kiến thức cần thiết về vận hành, cũng như các thông số cho người vận hành có thể dùng để tham khảo hoặc sử dụng vào thực tế vận hành phân xưởng FCC nhằm đạt được chất lượng sản phẩm theo nhu cầu sản xuất hoặc nhu cầu thương mại của thị trường. 8 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD: PGS.
LÊ VĂN HIẾU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC 1. Giới thiệu về quá trình Fluid Catalytic Cracking (FCC) và Residue Fluid Catalytic Cracking (RFCC) a. Lịch sử và sự phát triển Quá trình cracking xúc tác tầng sôi là trái tim của nhà máy lọc hóa dầu hiện đại vì khả năng đáp ứng của nó cho sự thay đổi về tính chất nguyên liệu và khả năng đáp ứng nhu cầu sản phẩm, nguyên liệu cho các quá trình khác trong nhà máy. [5, 17] Cracking nhiệt và cracking xúc tác trong nhà máy lọc hóa dầu là quá trình phân hủy các phân tử lớn trong phân đoạn nặng thành các sản phẩm nhẹ hơn và có giá trị hơn như LPG, xăng, diesel.
Quá trình cracking xúc tác được đưa vào sản suất thương mại lần đầu năm 1936 bởi Eugene Houdry với tầng xúc tác cố định.Sau đó, mô hình cracking xúc tác này được nhanh chóng thay bằng tầng xúc tác chuyển động, được sử dụng đến những năm 1960. Standard Oil of New Jersey đã phát triển quá trình cracking xúc tác theo mô hình của riêng họ , mô hình cracking xúc tác tầng sôi (FCC ), đưa vào sản xuất chỉ trong vòng 3 năm, bắt đầu năm 1939 và hoàn thành năm 1942 với sự vận hành của PCLA1 ở nhà máy lọc hóa dầu Baton Rouge, Louisiana. Sự ưu việt của quá trình trong chuyển hóa nhiệt và xúc tác đã đưa nó thành quá trình được ưu tiên lựa chọn khi xây dựng phân xưởng craking xúc tác sau này. Quá trình FCC đã chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ sau hơn 60 năm đưa vào sản xuất, nhiều mô hình đã được nghiên cứu và phát triển.1 cho thấy các mô hình của FCC và năm được đưa vào sản xuất.
9 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD: PGS. LÊ VĂN HIẾU Bảng 1.1: Sự phát triển của cracking xúc tác tầng sôi [5] Các mô hình phát triển của FCC với cải tiến về chiều cao các thiết bị và sự linh hoạt giúp dễ dàng thích ứng cho các nhà máy lọc hóa dầu vừa và nhỏ. Vào cuối những năm 1950, các thiết kế về mô hình ống phản ứng thẳng đứng, thiết bị tái sinh được thiết kế bên cạnh lò phản ứng (side by side designs) được đưa vào sản xuất nhằm tăng hiệu suất tạo xăng. Quá trình Residue fluid cracking (RFCC) được đưa vào sản xuất lần đầu vào đầu những năm 1960 nhằm sử dụng nguyên liệu là 100% cặn dầu chưng cất khí quyển và giảm sự mất mát nhiệt lớn hơn trong quá trình.
Vào đầu những năm 1980, một số thiết kế mới cho quá trình cracking cặn dầu (RFCC) được giới thiệu.Thiết bị tái sinh xúc tác được chú trọng trong những thiết kế này, và các thiết bị làm lạnh ở tầng xúc tác đậm đặc được tùy chọn. 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD: PGS. Khái niệm về cracking tầng sôi Hệ thống phản ứng tầng sôi được sử dụng rộng rãi hiện nay.Nó được phát triển với phần chính là ống phản ứng thẳng đứng. Bản chất quá trình là khi chất xúc tác được chất khí thổi từ vùng áp suất thấp đến vùng áp suất cao, và khi lực đẩy của khí cân bằng với trọng lượng của xúc tác, khi đó xúc tác sẽ ở trạng thái lơ lửng (trạng thái giả sôi).
Các điều kiện ảnh hưởng đến quá trình tạo tầng giả sôi: [5] - Áp suất tĩnh tăng lên do xúc tác giả sôi được xem như hàm của tỷ trọng của tầng xúc tác. Sau đó phụ thuộc vào lượng khí sẽ được sục vào, cùng với lượng xúc tác được thêm vào. Độ tăng áp suất tĩnh (psi) 3 Tỷ trọng tầng xúc tác (lbs/ft ) Hình 1.1: Độ tăng của áp suất tĩnh sau 10’ trong ống đứng theo mật độ xúc tác [5] - Sự thay đổi tỷ trọng tầng xúc tác theo tốc độ khí sục vào được thể hiện ở hình 1. Khi dòng khí có tốc độ nhỏ, tầng xúc tác là ổn định nhưng khi tốc độ tăng lên đến thời điểm tốc độ đó cân bằng với trọng lượng của xúc tác thì xuất hiện trạng thái lơ lửng của xúc tác trong khí.
Khí được thêm vào tiếp đến thời điểm tạo ra các bóng khí. Khi đó, tất cả các khí thêm vào sẽ tham gia vào các bóng khí này. Ở một tốc độ vừa phải, xúc tác được thêm vào cùng khí, phải được giữ lại và đưa quay về tầng xúc tác. Điều này cho phép quá trình vận hành tầng xúc tác ở tốc độ cao hơn những quá trình khác.
Các bóng khí đóng vai trong quan trọng trong hệ thống tầng giả sôi. Chúng là năng lượng để trộn các tầng xúc tác, tăng hiệu quả trao đổi nhiệt và chất. 11 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD: PGS. LÊ VĂN HIẾU Tỷ trọng Tỷ của hệ trọng lb/ft 3 của tầng xúc tác Lb/ft3 Tốc độ khí (ft/sec) Hình 1.2: Đƣờng cong giả sôi của xúc tác FCC [5] 2.
Nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác a. Các nguyên liệu dùng trong dây chuyền hiện đại Dây chuyền FCC hiện đại có thể sử dụng đa dạng các nguồn nguyên liệu, đó cũng là lý do khi nói rằng FCC là quá trình linh hoạt trong nhà máy lọc hóa dầu. Một số nguyên liệu được dùng ngày nay như: [6] - Dầu nặng từ chưng cất khí quyển; - Phần cất của chưng cất chân không; - Nguyên liệu từ quá trình sản xuất coke; - Nguyên liệu từ craking nhiệt; - Dung môi quá trình tách asphanten; - Phần trích từ trích ly dầu nhờn; - Phần sản phẩm đáy của hydrocraking; Quá trình RFCC có thể sử dụng các nguồn nguyên liệu có hàm lượng cacbon Conrandson cao và tạp chất kim loại như cặn trực tiếp của quá trình chưng cất khí 12 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT GVHD: PGS. LÊ VĂN HIẾU quyển, hoặc hỗn hợp phần cất của chưng chân không và dầu.
Tùy thuộc vào hàm lượng cặn cacbon và tạp chất kim loại mà nguyên liệu có thể được xử lý bằng hydrotreating trước khi đưa vào RFCC. Quy luật thông thường là khi tăng phần nhẹ (hay độ nhẹ) thì hiệu suất hydrocacbon loại C 3,C4 và xăng dầu sẽ tăng lên, còn hiệu suất tạo cốc và H2 sẽ giảm xuống. Nếu nguyên liệu là phần cất chân không có ít phân đoạn nặng (< 14 – 15%) sẽ làm tăng hiệu suất và chất lượng của xăng.[1, 2, 6] Trong nguyên liệu không nên có phân đoạn nhẹ có nhiệt độ sôi nhỏ hơn 200oC vì sẽ làm giảm hiệu suất tạo xăng Trong nguyên liệu không nên có các chất phi hydrocacbon, kim loại sẽ làm ngộ độc xúc tác, giảm chất lượng của xăng. Dựa theo thành phần phân đoạn có thể chia nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác thành 4 nhóm sau: [1, 2] +Nhóm 1 : nhóm nguyên liệu nhẹ, là phân đoạn kerosen-xola lấy từ quá trình chưng cất trực tiếp.
Giới hạn nhiệt độ sôi trung bình là 260-380 oC. Tỉ trọng trung bình: 0,83-0,86. Trọng lượng phân tử trung bình: 190-220 đvc. Đây là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất xăng máy bay và ôtô.
+Nhóm 2 : nhóm nguyên liệu là phân đoạn Gasoil nặng. Giới hạn nhiệt độ sôi trung bình là 300-500 oC. Tỉ trọng trung bình: 0,88- 0,92. Trọng lượng phân tử trung bình: 280-330 đvc.Đây là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất xăng ôtô và xe máy.
+Nhóm 3 : nhóm nguyên liệu có thành phần phân đoạn rộng, đó là hỗn hợp của hai nhóm trên. Giới hạn nhiệt độ sôi trung bình là 210-550 oC, có thể là phân đoạn lấy từ chưng cất trực tiếp hay là phần chiết của quá trình làm sạch dầu nhờn bằng dung môi chọn lọc. Đây là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất xăng ôtô và máy bay. +Nhóm 4 : nhóm nguyên liệu phân đoạn trung gian là hỗn hợp phân đoạn kerosenenặng và xola nhẹ.
Giới hạn nhiệt độ sôi trung bình là 300-4300C.Đây là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất xăng ôtô và máy bay.