Đề tài Thiết kế phân xưởng Isome hoá

Lời cảm ơn Em xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới các thầy cô giáo Khoa công nghệ hoá học trường ĐHBK Hà nội, đã tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường. Đặc biệt em xin bầy tỏ lòng biết ơn tới thầy giáo:PGS.TS. Lê Văn Hiếu cùng các thầy, cô trong bộ môn Hữu cơ - Hoá dầu đã tận tình giúp đỡ trong thời gian em làm đồ án tốt nghiệp tại bộ môn. Tuy nhiên do khả năng và thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp của em không tránh khỏi những thiêú sót. Em rất mong được các thầy, cô giáo trong bộ môn, hội đồng bảo vệ tốt nghiệp và các bạn sinh viên đóng góp ý kiến để đồ án tốt nghiệp của em được hoàn chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên: BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TÙ DO – HẠNH PHÓC NHIỆM VÔ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Nguyễn Xuân Anh Khoá: 43 Khoa: Công Nghệ Hóa Học Ngành học: Công Nghệ Hữu Cơ - Hoá Dầu 1. Đầu đề thiết kế: Thiết kế phân xưởng Isome hoá 2. Các số liệu ban đầu: - Công suất 350.000tấn/năm 3. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán - Giới thiệu chung - Tổng quan - Tính toán : + Tính cân bằng vật chất + Tính cân bằng nhiệt lượng - Thiết kế xây dựng - An toàn lao động - Tính toán kinh tế 4. Các loại bản vẽ đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ về kích thước bản vẽ): 1 bản vẽ dây truyền công nghệ A0 1 bản vẽ thiết bị chính A 1 bản vẽ mặt bằng xây dung A0 5. Cán bộ hướng dẫn Họ và tên cán bộ Phần: Công nghệ TS. Lê Văn Hiếu Xây dùng TS. Lê Văn Hiếu Kinh tế TS. Lê Văn Hiếu 6. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế: 10/2/2003 7. Ngày hoàn thành nhiệm vụ:……………………………………………... Ngày... tháng... năm 2003. CHỦ NHIỆM KHOA (KÝ TÊN VÀ GHI RÕ HỌ TÊN) CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (KÝ TÊN VÀ GHI RÕ HỌ TÊN) KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ: - Quá trình thiết kế:………………… - Điểm duyệt:………………………. - Bản vẽ thiết kế:…………………… SINH VIÊN Đà HOÀN THÀNH (và nép toàn bộ bản thiết kế cho khoa) Ngày ….. tháng ….. năm 2003 MỞ ĐẦU I. GIỚI THIỆU QUÁ TRÌNH ISOME HOÁ Quá trình isome hoá n-parafin được dùng để nâng cao trị số octan của phân đoạn pentan-hexan của phần xăng sôi đến 700C, đồng thời cũng cho phép nhận các izo-parafin riêng biệt như isopentan và isobutan từ nguyên liệu cho quá trình tổng hợp cao su isopren, isobutan là nguồn nguyên liệu tốt cho quá trình alkyl hoá, hoặc để nhận izobuten cho quá tổng hợp MTBE. Như đã nêu trên, 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 cracking xúc tác. Nhưng do nhu cầu về xăng chất lượng cao ngày càng tăng, trong khi đó phần C5 - C6 của công nghiệp chế biến dầu ngày càng có sè lượng lớn mà lại không thể đạt trị số octan cao 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 hơi bão hoà của xăng và thành phần cất, còn trị số octan của phần này không đủ cao. Các số liệu trích dẫn ở bảng sau cho thấy rõ điều này. Bảng 1.Trị số octan và điểm sôi của hydrocacbon C5, C10. Cấu tử Điểm sôi RON MON C5: n-pentan 36 61.7 61.9 2-metylbutan (izopentan) 28 92. 90.3 C6: n-hexan 66.75 24.8 26 2-metylpentan (izohexan) 60.3 73.4 73.4 3-metylpentan 63.25 74.5 74.3 2.2-dimetylbutan (neohexan) 49.73 94.5 93.5 2.3-dimetylbutan 58 10.3 94 Các số liệu của bảng cho thấy, thích hợp nhất cho quá trình nhận xăng chất lượng cao thì phân đoạn n-C5-C6 nhận được trong khu liên hợp lọc hoá dầu cần phải được cho quá trình isome hoá. Công nghệ chế biến dầu mỏ ra đời vào năm 1859, và cho đến nay thế giới đã khai thác và chế biến một số lượng dầu khổng lồ, với tốc độ tăng trưởng hàng thập niên rất nhanh chóng (tăng gấp đôi trong khoảng 10 năm cho đến năm 1980). Ngành công nghiệp dầu do tăng trưởng nhanh đã trở thành ngành công nghiệp mòi nhọn của thế kỷ 20. Đặc biệt sau Đại chiến Thế giới II, công nghiệp dầu khí phát triển nhằm đáp ứng hai mục tiêu chính là: Cung cấp các sản phẩm năng lượng cho nhu cầu về nhiên liệu động cơ, nhiên liệu công nghiệp và các sản phẩm về dầu mỡ bôi trơn. Cung cấp các hoá chất cơ bản cho ngành tổng hợp hoá dầu và hoá học, tạo ra sù thay đổi lớn về cơ cấu phát triển các chủng loại sản phẩm của ngành hoá chất, vật liệu. Trong số các sản phẩm năng lượng dầu mỏ, trước hết phải kể tới nhiên liệu xăng, một loai nhiên liệu có vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống. Trong chiến tranh thế giới thứ hai, yêu cầu về xăng máy bay tăng lên rất nhiều, điều đó đã thúc đẩy quá trình isome hoá nhằm chế biến n-butan thành izobutan để pha vào xăng. Sau chiến tranh, người ta lại chú ý đến quá trình này chỉ từ năm 1950 trở lại đây. Một mặt là do phải nâng cao hơn nữa chất lượng của xăng ôtô và xăng máy bay. Mặt khác người ta cần nhận izopentan để sản xuất cao su nhân tạo. Xăng loại tốt bao gồm hỗn hợp hydrocacbon thơm của reforming xúc tác và phân đoạn sôi thấp có đủ độ bốc cho động cơ xăng. Các cấu tử nhẹ của hỗn hợp cần có trị số octan đủ cao để không gây ra kích nổ. Phân đoạn nhẹ của xăng cracking xúc tác hay nhiệt phân đều thoả mãn yêu cầu này. Trong các phân xưởng hay nhà máy chế biến dầu mà không có dây chuyền cracking thì cần thiết phải có dây chuyền chế biến và sử dụng izoparrafin C5 và C6. Các cấu tử này có trị số octan đủ cao, có độ bốc và nhậy với PTE (TOC) và đó là ưu điểm so với các cấu tử khác của xăng chưa pha trộn. Để nhận được izoC5 , C6 người ta có thể dùng quá trình isome hoá. Ưu điểm của quá trình này là: Biến đổi hydrocacbon mạch thẳng thành cấu tử có cấu trúc nhánh là cấu tử có trị số octan cao. Nhờ thế làm nâng cao đáng kể hiệu suất và chất lượng xăng. Ngày nay ở nước ta ngành công nghiệp khai thác và chế biến đang trên đà phát triển mà hiện nay lượng condensate ngày càng nhiều do đó ta cần phải thực hiện chuyển chúng thành nhiên liệu có trị số ON cao. Vì thành phần chủ yếu của condensate là các cấu tử n-C54C6 (n-parafin) nên nó có trị số octan tương đối thấp bởi thế ta phải thực hiện isome hoá để tăng trị số octan. Chính vì tầm quan trọng này, trong công nghiệp chế biến dầu, quá trình isome hoá đã được rất nhiều công ty lớn trên thế giới chú trọng nghiên cứu và phát triển, cụ thể như: UOP, Shell, Bp.... Do vậy, với đề tài “ Thiết kế phân xưởng isome hoá ” sẽ phần nào giúp sinh viên hiểu được vai trò của quá trình isome hoá trong lọc hoá dầu và sự phát triển của nó. II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH ISOME HOÁ II.1. Đặc trưng về nhiệt động học [I,224] Các phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan là các phản ứng có tỏa nhiệt nhẹ. Bảng 2 cho thấy nhiệt phản ứng để tạo thành các isome hoá từ các cấu tử riêng biệt. Bảng 2. Cấu tử DH298 Kcal/ml C5: 2-metylbutan(isopentan) - 1,92 2,2.dimetylpropan(neopentan) - 4.67 C6: 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. Dùa vào đồ thị thấy rằng nếu nhiệt độ to < 200oC 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 phô nh­ phản ứng cracking và phản ứng phân bố lại: 2C5H12 « C4H10 + C6H14 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 PH2 =2 ¸ 4 MPa và tuần hoàn khí chứa hydro. Động học và cơ chế phản ứng isome hoá phụ thuộc vào điều kiện tiến hành quá trình và phụ thuộc vào xúc tác. II.2. CƠ CHẾ CỦA PHẢN ỨNG ISOME HOÁ N-PARAFIN Phản ứng isome hóa n-parafin trên xúc tác có thể xảy ra theo các hướng sau (phụ thuộc vào độ axit của xúc tác).[I-246], [II-135] 1. Trên xúc tác với độ axit mạnh của chất mang Phản ứng isome hoá xảy ra trên các tâm axit. Vai trò của kim loại chỉ làm nhiệm vụ hạn chế sự tạo cốc và ngăn ngõa sự trơ hoá các tâm axit. Khi đó các cơ chế phản ứng được miêu tả nh­ sau: VD: đối với n-butan: K,H CH3¾CH2¾CH2¾CH3 CH3¾C+¾CH3 ½ K CH3 CH3¾C+¾CH3 + CH3 ¾CH2¾ CH2¾ CH3 CH3¾CH¾CH3 ½ ½ CH3 CH3 + CH3¾+CH¾CH2¾CH3 ở đây K là tâm axit của xúc tác. ë ®©y K lµ t©m axit cña xóc t¸c. 2. Với xúc tác lưỡng chức,cơ chế phản ứng nh­ sau Me,-H2 K, +H+ CH3 CH3 ¾CH2¾ CH2¾CH3 CH3¾CH=CH2¾CH3 C H3 CH2¾+ CH CH3 ¾CH2¾+ CH¾ CH3 CH3¾C+¾CH3 CH3¾C=CH2 K ½ K, +H ½ CH3 CH3 CH3¾C=CH2 CH3¾CH¾CH3 ½ Me, +H2 ½ CH3 CH3 ở đây Me là tâm kim loại, K là tâm axit của xúc tác. 3. Giới thiệu chung về xúc tác Xóc tác được coi là “cây đũa thần” trong một số phản ứng hoá học. Chỉ cần một lượng nhỏ nó cũng có thể làm tăng tốc độ phản ứng lên hàng trăm, hàng nghìn lần. Bản chất của xúc tác là chất xúc tác chỉ có tác dụng đưa hệ nhanh chóng đạt đến trạng thái cân bằng, bằng cách làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng chứ không ảnh hưởng gì đến cân bằng hoá học. Một phản ứng không có khả năng xảy ra thì xúc tác sẽ vô tác dụng. Chất xúc tác một phần cũng thúc đẩy phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại. Sau phản ứng, chất xúc tác không thay đổi gì về thành phần hoá học, chỉ thay đổi một Ýt về tính chất vật lý. Các phản ứng hữu cơ thường xảy ra theo nhiều hướng, xảy ra theo nhiều cấp (chuyển hoá tiếp tục sản phẩm). Chất xúc tác có khả năng làm tăng nhanh không đồng đều một số phản ứng nhất định. Tính chất này được gọi là tính chọn lọc của xúc tác, nhờ đó mà hiệu quả của phản ứng tăng nhiều lần. Xóc tác được chia làm hai nhóm chính là xúc tác đồng thể và xúc tác dị thể, mỗi loại lại được chia nhỏ hơn. Với xúc tác dị thể rắn-khí, đặc trưng nhất là xúc tác Oxít, đa Oxit, ngày nay phổ biến nhất là xúc tác kim loại trên chất mang. Xóc tác rắn trong công nghiệp thưòng có các dạng sau: Bụi: có đường kính khoảng d = 1-150 mm Vi cầu: d = 10-150 mm Cầu lớn: d = 3-6 mm Trô: d = 3-4,chiều cao h = 3-5 mm Xúc tác dạng cầu Ýt vỡ vụn, chúng có độ bền cơ rất cao. Dạng bụi và dạng vi cầu dùng trong xúc tác giả sôi, dạng cầu lớn được dùng trong xúc tác chuyển động, còn dạng trụ dùng trong công nghệ xúc tác líp tĩnh. Kích thước hạt xúc tác phụ thuộc vào kiểu reactor. Khi các chất phản ứng là khí bay hơi thì chỉ có hai loại reactor được sử dụng là reactor líp cố định và líp sôi. 3.1. Reactor líp cố định Là ống đứng đựng xúc tác, dòng chất phản ứng được thổi qua líp xúc tác. Do trở lực, áp suất sẽ giảm xuống khi qua líp xúc tác, vì thế cần tạo ra một áp suất dương ở đầu vào reactor để đảm bảo tốc độ dòng thích hợp. Độ giả áp suất qua líp xúc tác tăng theo chiều tăng của tốc độ dòng, chiều dày của líp xúc tác và chiều giảm kích thước hạt. 3.2. Reactor líp sôi Ở đây líp xúc tác gồm các hạt mịn và khi dòng khí thổi từ dưới lên qua líp xúc tác, dần dần đạt đến tốc độ tới hạn thì líp xúc tác bắt đầu “sôi”. Thể tích của líp giãn ra đáng kể, các hạt ở trạng thái chuyển động liên tục. Líp sôi có ưu điểm hơn líp cố định, chẳng hạn nh­ khả năng truyền nhiệt tốt hơn nhiều, sự tổn thất áp suất nhỏ hơn so với líp cố định. 3.3. Xúc tác pha láng Xóc tác cho quá trình isome hoá thuộc loại xúc tác thúc đẩy phản ứng tạo thành ion cacboni tức là xúc tác mang tính axit. Trước đây người ta dùng xúc tác Lewis như AlCl3 , được hoạt hoá bằng HCl. Gần đây người ta vẫn sử dụng xúc tác trên cơ sở AlBr3 và hỗn hợp AlCl3 + SbCl3 , ưu điểm của loại xúc tác mới này là hoạt tính rất cao, ở nhiệt độ 930C đã hầu như chuyển hóa hoàn toàn các parafin. Nhược điểm của loại xúc tác này là mau mất hoạt tính, độ chọn lọc thấp và dễ bị phân huỷ. Độ axit mạnh của xúc tác dễ gây ăn mòn thiết bị. Ngoài các xúc tác trên thì cũng còn sử dụng một số súc tác nh­ H3PO4 ở 26-1350C C6H5SOH ở 760C để isome hóa butene 1 và butene 2 H3PO4/chất mang là đất nung ở 325-3600C để isome hoá n-anken và iso-aken Xúc tác axit rắn BEO: dùng để biến đổi xyclohecxane thành metylxyclohecxan ở 4500C. Cr2O3:dùng để biến đổi heptilene 1,5 thành hecxadiene 2,4 ở 225-250oC ThO2:isome hoá olefin ở 398-4400C TiO2 : dùng để biến đổi heptilene thành metylxyclohecxene ở 4500C Al2O3-Cr2O3 , Al2O3-Fe2O3 , Al2O3-Co, Al2O3-MnO2 (tất cả đều trộn theo tỷ lệ khối lượng là 4:1) dùng để isome hoá metylbutylene ở 294-3700C. Cr2O3-Fe2O3 : chuyển vị trí nối đôi, nối ba trong hợp chất không no ở 220-3000C mà không thay đổi cấu trúc mạch cacbon. MoS3 : dùng để biến đổi n-parafin thành iso-parafin. Al2O3-V2O5: đuợc dùng để biến đổi xyclohecxane thành metylxyclopentane. 3.4. Xúc tác lưỡng chức [XVIII] Liên hệ với việc chế tạo xúc tác reforming người ta đã tìm ra xúc tác mới cho quá trình isome hoá và hydroisome hoá để isome hoá n-parafin .Thường xúc tác này gồm hai phần: Phần kim loại có đặc trưng hyđro hoá, kim loại thường dùng là Pt ,Pd… Phần chất mang axit (alumin ,alumin + halogen ,aluminsilicat…). Loại xúc tác này có đủ độ chọn lọc cần thiết khi isome hoá nguyên liệu C5-C6 nhưng độ linh hoạt của nó khá thấp vì thế đòi hỏi nhiệt độ phản ứng phải cao. Vì vậy để đảm bảo được hiệu suất của quá trình thì người ta cho tuần hoàn. Xóc tác reforming loại Pt/Al2O3 dùng rất có hiệu quả khi isome hoá phân đoạn C5-C6 nhưng để đạt được tốc độ phản ứng cần thiết, chúng chỉ được sử dụng ở nhiệt độ từ 450-5100C. Độ hoạt tính của xúc tác lưỡng chức được tăng lên bằng cách tăng độ axit của chất mang. Xúc tác Pt/Al2O3 tạo ra ngay đươc ion cacnboni ở nhiệt độ 500C. Sau này người ta dùng xúc tác Pt/Modenit, zeolite. Với xúc tác này có thể tạo ra được phản ứng có hiệu quả ở nhiệt độ 2500C. Nhưng phổ biến nhất vẫn là xúc tác Pt/Al2O3 được bổ xung clo. Xúc tác được quan tâm nhiều nhất hiện nay là zeolite. 3.5. Zeolite và xúc tác chứa zeolite Zelit là hợp chất của Alumino-silic. Đó là hợp chất tinh thể có cấu trúc đặc biệt, cấu trúc của chúng được đặc trưng bằng mạng các lỗ rỗng, rãnh rất nhỏ thông nhau. Các zeolit được chế tạo cùng lúc với xúc tác Alumino-silicat hay với đất sét thiên nhiên, rồi sau đó được xử lý bằng các phương pháp đặc biệt hợp thành xúc tác chứa zeolit. Xúc tác chứa zeolit có hoạt tính rất cao, độ chọn lọc tốt và lại có giá thành vừa phải có khả năng tái sinh vì thế chúng được sử dụng rộng rãi. Thành phần hoá học của zeolit được biểu diễn dưới dạng công thức nh­ sau: M2/nAl2O3 .xSiO2.yH2O Trong đó:x>2 và n là hoá trị của cation kim loại M. Về cấu tạo zeolit được tạo thành từ các Sodalite. Nếu các đơn vị này nối nhau theo các mặt bốn cạnh thì tạo nên zeolit mà người ta gọi là zeolit loại A. Còn khi các đơn vị này nối nhau theo các mặt sáu cạnh thì zeolit tạo thành người ta thường gọi là zeolit loại X hay Y, có cấu trúc tương tự như các Faurazite. Ngày nay người ta đã chế tạo được hàng trăm loại zeolit khác nhau đủ mọi kích cỡ. Bảng 3 Zeolit Thành phần hoá học Đường kính trung bình của lỗ A A Na2O. Al2O3.2SiO2.4,5H2O 3,6-3,9 X Na2O. Al2O3.2,5SiO2.6H2O 7,4 Y Na2O. Al2O3.4,8SiO2.8,9H2O 7,4 Mordenite Na8(Al2O3)4,8(SiO2)40.24H2O 2,9-5,7 ZSM5 và 11 5,4-5,6 3.6. Zeolite cho phản ứng isome hoá Trong tất cả các loại zeolit thì zeolit sử dụng phù hợp nhất cho quá trình isome hoá là ZSM5,11. Vì chúng có kích thước khá phù hợp cho phép độ chọn lọc của quá trình cao hơn. Sau đây là một số đặc trưng của quá trình isome hóa. Tóm tắt điều kiện nhiệt độ làm việc của các loại xúc tác: Bảng 4 Xúc tác Nhiệt độ phản ứng khi sử dụng Nhiệt độ phản ứng khi sử dụng Fiedel Crafts AlCl3.AlBr3 80-1000C Pha lỏng gây ăn mòn Oxit Al2O3,Cr2O3,BeO 200-4500C Pha hơi Pt/Al2O3 350-5000C Pha hơi Pt/Al2O3 clo hoá 80-1500C Pha hơi Pt/zeolite 250-3000C Pha hơi Pt/zeolite-X 300-3300C Pha hơi Pt/zeolite-Y 300-3300C Pha hơi Pt/ZSM5 300-3300C Pha hơi 3.7. Chất mang có tính axit Xúc tác chỉ có tác dụng ở líp bên ngoài trên bề mặt có độ dày khoảng 100 4 300 Ao, còn ở phía bên trong chỉ làm nhiệm vụ liên kết mạng tinh thể. Nh­ vậy người ta thay líp bên trong bằng một líp chất mang rẻ tiền và dễ điều chế hơn. Mặt khác khi dùng chất mang có thể tăng độ bền cơ, độ bền nhiệt và tăng bề mặt riêng của xúc tác. Chất mang có thể là ôxit nhôm hoặc hỗn hợp Al2O3-SiO2, sau này người ta còn dùng zeolit hay modenit vì zeolit là một trong các axit rắn có đặc tính rất quý là: độ axit 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 cả là dùng xúc tác ZSM-5 của hãng Mobil-Oil (Hoa Kỳ). Tuy nhiên phổ biến hơn cả sử dụng chất mang Al2O3 có bổ sung Clo. Độ axit của chất mang được quyết định bởi quá trình xử lý đặc biệt để tách nước bề mặt nhằm tạo ra bề mặt riêng lớn (400m2/g) và tạo ra các tâm axit. Chất mang có thể là -Al2O3 hoặc là -Al2O3 với diện tích bề mặt khoảng 250m2/g được bổ sung các hợp chất Halogen nh­ flo, clo hay hỗn hợp của chúng. Độ axit tăng khi tăng hàm lượng halogen, có khoảng 547% clo trên xúc tác. Dùng CCl4 hoặc các hợp chất clo hữu cơ khác, hiện nay người ta thường dùng axit HCl, để có Ýt nhất 2 nguyên tử Clo trên một nguyên tử Al. 3.8. Kim loại [XVIII] Kim loại có đặc trưng thúc đẩy phản ứng dehydro hoá parafin thành olefin, đồng thời hydro hoá các olefin thành các izo-parafin. Thường dùng là các kim loại quí sau Pt, Pd, Ni, … trong đó Pt là kim loại được sử dụng nhiều nhất. Trong quá trình isome hoá, Pt làm tăng tốc độ khử hydrocacbon no, khử hydro vòng hoá parafin tạo hydrocacbon thơm thúc đẩy quá trình no hoá, làm giảm lượng cốc bám trên xúc tác. Hơn nữa Pt có khả năng phân ly phân tử H2SO4 dễ dàng, các anken không bị hấp phụ quá mạnh và Pt là xúc tác yếu của phản ứng nhiệt phân hydro. Vì vậy các phản ứng isome hoá n-parafin dễ dàng xảy ra trên Pt ngay cả trường hợp không có tâm axit. Platin được đưa vào xúc tác ở dạng khác nhau nhưng phổ biến là dùng dung dịch của axit platin clohiđric (H2PtCl6). Platin là cấu tử tuyệt vời cho xúc tác đồng phân hoá. Hàm lượng Pt trên xúc tác chiếm khoảng 0,340,7% khối lượng. Chất lượng tốt của một chất xúc tác là có độ hoạt tính cao, độ chọn lọc cao và độ ổn định cao. Đé hoạt tính của xúc tác được đánh giá thông qua hiệu suất và độ chuyển 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 10Ao thì có tâm hoạt tính mạnh, còn khi kích thước hạt lớn hơn 70Ao thì xúc tác không có hoạt tính đối với phản ứng isome hoá. Vì thế hàm lượng Pt chỉ chiếm tối đa 1% bề mặt chất mang. Xúc tác lưỡng chức năng có độ chọn lọc cao hơn xúc tác trong pha lỏng nhưng độ hoạt tính của nó thường thấp hơn, vì thế phải đòi hỏi nhiệt độ phản ứng phải cao hơn và phản ứng phải được thực hiện trong pha hơi. Nhưng do tăng nhiệt độ mà phản ứng isome hoá n-parafin không thuận lợi về mặt nhiệt động. Do đó cần phải tuần hoàn nguyên liệu chưa biến đổi để nâng cao hiệu suất của quá trình isome hoá. 4.Công nghệ isome hoá n-pentan và các hydrocacbon nhẹ khác trên xúc tác lai hoá. ảnh hưởng của khí hydro đến quá trình [V], [VII], [XVI], [XVI], [XVII] Phản ứng isome hoá các parafin nhẹ giữ một vai trò quan trọng trong công nghệ chế biến dầu khí, nhằm sản xuất ra các cấu tử có trị số octan cao. Theo tài liệu (Huang et, al 1992) thì phản ứng isome hoá đầu tiên được tiến hành vào những năm 30 với n-butan. Ở đây, lần đầu tiên xúc tác Fiedel - Crafts được sử dụng cho phản ứng isome hoá. Loại xúc tác này chỉ cho độ hoạt động cao khi tiến hành phản ứng isome hoá n-butan ở nhiệt độ thấp dưới 900C. Bởi nó có độ chọn lọc thấp, cấu trúc kém ổn định và độ mài mòn cao, đặc biệt là đối với phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan. Do vậy mà xúc tác Fiedel - Crafts không thể thoả mãn được những yêu cầu của những dây truyền phản ứng isome hoá hiện đại. Để giải quyết vấn đề này mà xúc tác lưỡng chức năng đã ra đời. Loại xúc tác mới này được sản xuất từ những kim loại quý hiếm nh­ Pt, Pd trên những bề mặt có khả năng chống mài mòn cao. Nh­ chóng ta đã biết rằng Pt - Al2O3 có tác dụng xúc tác cho phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan, nhưng đặc tính này chỉ xuất hiện khi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao, thường từ 455 - 5100C. Vì vậy, để cải thiện điều kiện làm việc của xúc tác, hạ thấp nhiệt độ phản ứng cho loại xúc tác này mà Pt - Al2O3 sẽ được xử lý bằng AlCl3 và bằng clorua hữu cơ. Do vậy khả năng xúc tác của Pt - Al2O3 sẽ được hoàn thiện hơn, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp isome hoá. Trong những năm gần đây, nhiều loại xúc tác lưỡng chức năng mới đã được phát hiện như: kim loại hiếm/aluminosilicat và kim loại hiếm/zeolit và chúng ngày càng được hoàn thiện hơn. Những loại xúc tác mới này cho mức độ chuyển hoá cao, gần giá trị cân bằng của phản ứng, ngay cả khi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ trung bình (260 - 3150C). Ví dô nh­ quá trình isome hoá n-pentan được tiến hành trên xúc tác Pt - Zeolit, trong thiết bị phản ứng kiểu chảy dòng ở áp suất khí quyển. Phản ứng được tiến hành ở khoảng nhiệt độ 230 - 3000C, áp suất 1at, tỷ lệ phần mol H2/n-pentan = 9/1, W/F = 10,0 g.h/mol. Thì mức độ chuyển hoá khi đạt cân bằng phản ứng có thể đạt được khoảng 70% ở 2700C trên xúc tác Pt/HZSM-5 (xúc tác hỗ trợ) hoặc xúc tác Pt-lai hoá (một hỗn hợp dạng bột của Pt/SiO2 và HZSM-5). Nếu so sánh thì độ chọn lọc isome hoá trên xúc tác Pt-lai hoá cũng cao hơn Pt/HZSM-5 và hoạt tính của xúc tác Pt-lai hoá cũng cao hơn Pt/HZSM-5 khi tiến hành phản ứng ở trong khoảng nhiệt độ và áp suất rộng. Trong phản ứng isome hoá n-pentan thì khí hydro giữ một vai trò quan trọng trong quá trình tái sinh trung tâm axit Bronsted và giữ ổn định hợp chất trung gian i-nC5. 5. Các yêu cầu của xúc tác rắn trong công nghiệp Chất xúc tác chỉ thực sự có tính khả thi khi chúng thoả mãn phần lớn các yêu cầu công nghệ đặt ra: - Có hoạt tính và độ chọn lọc cao để đảm bảo hiệu suất của thiết bị. - Dễ sản xuất, rẻ tiền, có tính tái sinh và bền với những tác nhân gây ngộ độc xúc tác. Đảm bảo được sản lượng lớn trong quy mô công nghiệp, phù hợp với thực tế là lượng tạp chất rất nhiều. Độ ổn định bền cơ, bền nhiệt, bền hoá học và độ thuần khiết về thành phần hoá học cao. Mặt khác, nó còn có khả năng dẫn nhiệt tốt có khả năng tạo kích thước và hình dạng phù hợp đồng đều. Tuy nhiên, trong thực tế không có loại xúc tác nào đáp ứng được các yêu cầu trên. Vì thế trong từng trường hợp cụ thể mà ta xét xem yêu cầu nào là quan trọng nhất để chọn xúc tác cho phù hợp. 6. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình isome hoá [V] Xúc tác trong công nghiệp có tác dụng thiết thực khi mà nó đi đôi với một khoảng nhất định nào đó của các yếu tố công nghệ. Các yếu tố công nghệ liên quan mật thiết với nhau. Do đó việc nghiên cứu ảnh hưởng của từng yếu tố là cần thiết. Các yêú tố đó là: thành phần nguyên liệu, áp suất, nhiệt độ, bội số tuần hoàn khí hyđro, vận tốc thể tích nạp liệu. *Nguyên liệu Trong công nghiệp thì người ta thường dùng nguyên liệu cho quá trình isome hoá là: C4,C5,C6 hay hỗn hợp của chúng cụ thể là phần naphta nhẹ. Đặc trưng của nguyên liệu sẽ quyết định đến chế độ công nghệ và chất lượng sản phẩm. Thông thường hàm lượng n-parafin chỉ chiếm khoảng nhỏ hơn 60%. Để đạt được hiệu suất cao thì cần phải tách phần iso-parafin ra khỏi nguyên liệu . Nguyên liệu từ các nguồn khác nhau do đó thành phần hoá học và sự phân bố hàm lượng hyđrocacbon có phân tử lượng lớn hay nhỏ cũng sẽ khác nhau. Ví dô nh­ nguyên liệu có hàm lượng chất độc lớn hơn qui định thì phải sử lý, làm sạch sơ bộ trước khi đưa vào phản ứng. Nh­ vậy nguyên liệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc chế tạo xúc tác còng nh­ xác định các yếu tố công nghệ khác. Hàm lượng cho phép của các chất độc trong công nghiệp Nguyên liệu %Trọng lượng S 2.10-3 N 0,5.10-4 H2O 5.10-4 *Áp suất H2 Quá trình isome hoá trong công nghiệp thường được thực hiện với áp suất cao của H2. Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng thì sự có mặt của H2 sẽ cản trở quá trình tạo cốc trên tâm kim loại và phản ứng cracking. Do đó các hyđrocacbon nhẹ Ýt được tạo ra hơn, hàm lượng cốc giảm đi, hoạt tính của xúc tác cũng Ýt bị thay đổi. Mặt khác hyđro còn đuổi nước và các hợp chất chứa lưu huỳnh. Do vậy, quá trình isome hoá thực hiện ở áp suất cao của H2 là cần thiết, giá trị của áp suất H2 phô thuộc vào hoạt tính, độ chọn lọc của xúc tác và bản chất của nguyên liệu. Ngày nay, xúc tác cho quá trình ngày càng hoàn thiện hơn do đó áp suất H2 ngày càng giảm dần, dao động trong khoảng 21-70 atm. Mối liên hệ giữa áp suất H2 và nhiệt độ là khá rõ rệt. Khi ở nhiệt độ cao, áp suất của H2 Ýt ảnh hưởng tới độ chuyển hoá của nguyên liệu và ngược lại. Sù ảnh hưởng của áp suất H2 lên mức độ chuyển hóa n-hecxan ở các nhiệt độ khác nhau. Hình trên chỉ ra ảnh hưởng của H2 lên mức độ chuyển hóa n-hecxan tại các nhiệt độ khác nhau. *Nhiệt độ của phản ứng Nhiệt độ quá trình phản ứng ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần sản phẩm thông qua hiệu ứng nhiệt các phản ứng và ảnh hưởng tới vận tốc phản ứng. Về nhiệt động thì nhiệt độ cao không có lợi cho phản ứng isome hoá nhưng về động học thì rất tốt. Khi tăng nhiệt độ thì các phản ứng cracking và các phản ứng đề hyđro hoá chiếm ưu thế. Nhiệt độ thấp rất có lợi cho phản ứng isome hoá nhưng hiệu suất của quá trình không cao. Nhược điểm này sẽ được khắc phục bằng cách cải thiện xúc tác tăng tính axit cho nó. Ngày nay đối với quá trình dùng xúc tác thì nhiệt độ phản ứng đã được hạ thấp xuống còn khoảng 90 -1250C. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần của sản phẩm khi isome hoá được thể hiện ở hình vẽ dưới : Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần của sản phẩm. *Tốc độ thể tích Tốc độ thể tích là nghịch đảo thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và các sản phẩm trung gian với xúc tác trong phản ứng. Ta có thể điều chỉnh được giá trị này bằng cách thay đổi lưu lượng của nguyên liệu hoặc lượng xúc tác. Năng suất của quá trình cao khi khắc phục được giai đoạn chậm. Do đó người ta cố gắng đưa vận tốc khuyếch tán xấp xỉ với vận tốc động học. Khi nhiệt độ của phản ứng tăng lên 100C thì vận tốc động học tăng lên 2-3 lần còn vận tốc khuyếch tán tăng lên 1-1,5 lần. Với quá trình isome hoá, khi tăng tốc độ thể tích thì phản ứng isome hoá chiếm ưu thế. Còn các phản ứng đòi hỏi thời gian lớn như phản ứng khử H2 xảy ra yếu hơn cho nên khi tốc độ thể tích lớn sẽ khống chế được các phản ứng đó. Khi tốc độ phản ứng nhỏ ngoài lượng cốc tạo ra lớn thì năng suất của quá trình cũng bị giảm. Do đó cần phải chọn tốc độ thể tích phù hợp để đảm bảo được năng suất là yêu cầu thiết yếu của quá trình. III. NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH ISOME HOÁ [X], [XVIII], [XIX] III.1. Nguyên liệu của quá trình isome hoá Isome hoá thường dùng nguyên liệu là phân đoạn C4, phân đoạn C5 và C6. 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 5. Bảng 5: Thành phần nguyên liệu tiêu biểu Nguồn nguyên liệu Kuwait Mid continent Xăng cất Arabia Wyoming C5: 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 - - - - - Cyclo pentan 0.1 0.8 1.2 2.4 3.8 C6: 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 Metylcyclo pentan 5.1 14.0 17.0 7.3 18.8 Cyclohexan 4.2 2.2 4.5 - - Benzen 2.0 0.6 - 2.0 1.4 RON của C5 74.4 72.9 79.2 72.1 73 RON của C6 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 khái n-parafin và chỉ cho biến đổi n-parafin. Để 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 nh­ vậy, đã cho phép tăng cao trị sè octan của phân đoạn lên tối thiểu là 20 đơn vị. Trong thực tế công nghiệp, người ta thường đem isome hoá phân đoạn C5 4C6 còn n-heptan đem isome hoá không tiện lợi vì trong điều kiện tiến hành quá trình, các parafin cao (>C6) dễ bị cracking và dễ tạo cặn nhựa làm cho sản pẩm có trị số octan tương đối thấp. Đáng tiếc là khi tiến hành isome hoá phân đoạn C5 4 C6, 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. Xong nh­ trên đã nói nó là quá trình chính để nhận isopentan để sản xuất isopren. III.2. Sản phẩm của quá trình isome hoá Đặc trưng sản phẩm của quá trình isome hoá là các isoparafin 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 88499(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 6. Từ số liệu trong bảng thấy rằng trong quá trình biến đổi izome hoá đi từ nguyên liệu là n-C5, C6 thì sản phẩm chính thu được là izopentan và 2,2 dimetylbutan. Sản phẩm thu được từ quá trình izome hoá có chất lượng cao, chính vì ưu điểm này nên có nhiều hãng tham gia nghiên cứu và thiết kế dây chuyền izome hoá để xử lý phân đoạn C5, C6 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. Bảng 6: Thành phần sản phẩm từ các nguyên liệu khác nhau. 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 Izo-pentan 11.6 23.1 11.3 33.3 n-pentan 19.0 4.4 30.4 4.1 2,2-dimetyl butan 1.9 20.7 0.0 25.2 2,3-dimetyl butan 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 Cyclo pentan 2.3 1.8 0.7 0.1 Cyclohexan 6.4 15.5 1.5 6.6 Metylcyclo pentan 10.8 2.2 5.4 0.9 Benzen 4.8 4.8 1.0 1.0 Trị sè octan 98 98.5 RON + 3ml TEP/Gal Hiêu suất, % V >99 99 IV. QUÁ TRÌNH ISOME HOÁ TRONG CÔNG NGHIỆP [I], [IX], [XVI], [XVIII], [XIX], [XX] Isome hoá thường dùng nguyên liệu là phân đoạn C4, phân đoạn C5 và C6 hay hỗn hợp C5 - C6. 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. Hàm lượng n-parafin thường không vượt quá 65% trong nguyên liệu. Do đó, nếu toàn bộ nguyên liệu qua biến đổi isome hoá là không hợp lý mà cần phải tách các isome khái n-parafin và chỉ cho biến đổi n-parafin. Để 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 nh­ vậy, đã cho phép tăng cao trị số octan của phân đoạn lên tối thiểu là 20 đơn vị. IV.1. Các quá trình pha lỏng với xúc tác AlCl3 Các quá trình isome hoá loại này đã có từ rất lâu và là loại phổ biến để isome hoá n-butan thành isobutan. Sơ đồ nguyên lý của loại này được trình bày trên hình dưới Quá trình này thực hiện hoặc không có tuần hoàn n-parafin. Chúng chỉ khác nhau bởi cột tách phân đoạn 4. Quá trình hoạt động liên tục và không cần tái sinh xúc tác. Xúc tác được dùng là hỗn hợp của AlCl3 và HCl khan. Vùng phản ứng được duy trì ở áp suất H2 để hạn chế các phản ứng phô nh­ phản ứng cracking và đa tụ. Điều kiện thao tác của quá trình như sau: t0C – 120, p = 50 - 60at; H2/RH = 10 - 18m3/m3 nguyên liệu. Bảng 7. Quá trình Izomate (Standard Oil Co. Indiana) Nguồn nguyên liệu Kuwait Mid continant Xăng cất Arabia Wyoming C5: n-pentan 58.5 63.0 42.2 64.3 59.8 2-metylbutan 41.5 36.2 56.2 33.3 36.4 2.2-dimetyl propan - - - - - Cyclo pentan 0.1 0.8 1.2 2.4 3.8 C6: n-hexan 43.2 41.6 27.7 46.6 37.8 2-metulpentan 22.4 26.3 32.5 40.2 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 Metylcyclo pentan 5.1 14.0 17.0 7.3 18.8 Cyclohexan 4.2 2.2 4.5 - - Benzen 2.0 0.6- 2.0 1.4 RON của C5 74.4 72.9 79.2 72.1 73 RON của C6 55.9 57.7 76.4 55.1 61.1 Nguyên liệu được bão hoà bằng HCl khan và H2 trong thiết bị hấp thụ, sau đó được đốt nóng đến nhiệt độ cần thiết và được nạp vào reactor. Xúc tác đã dùng được tách ra cùng cặn nhựa và phản ứng isome hoá xảy ra trong pha láng. IV.1.2. Quá trình của Shell Devlopment Co Quá trình này được dùng để chế biến phân đoạn n-butan thành izo-butan và cũng được dùng để chế biến phân đoạn C5. Trong các tài liệu hiện có, chưa thấy nói đến số liệu áp dụng cho phân đoạn C6 và nặng hơn. Đây cũng là một quá trình liên tục và không tái sinh xúc tác. Xúc tác là một dung dịch của HCl khan và tricloantimoan được hoạt hoá bằng HCl khan. Vùng phản ứng được giữ ở áp suất hydro để hạn chế các phản ứng phụ. Điều kiện thao tác của quá trình công nghệ này như sau: Bảng 8 - Nhiệt độ 0C 80 - 100 - áp suất ở reactor, at 21 - áp suất riêng phần của hydro, at 4,3 - H2/nguyên liệu, %mol 1,3 & khối lượng của H2/nguyên liệu 5 % khối lượng của AlCl3 trong xúc tác 3 - Tỷ lệ xúc tác/RH (V) 1 - Thời gian tiếp xúc (phót) 15 (~ V/H/V = 2,5) IV.1.3. Quá trình của hãng Esso Research & Engineering Co Quá trình này thực hiện ở nhiệt độ từ 25 đến 500C. Đặc điểm chính của quá trình là tiến hành ở độ chuyển hoá cao nên không cần phải tuần hoàn lại nguyên liệu chưa phản ứng. Sản phẩm của quá trình từ các loại nguyên liệu khác nhau được dẫn ra ở bảng dưới đây. Ngoài ra hãng ABB Lumunus Global đã thiết kế dây truyền isome hoá để xử lý phân đoạn C5/C6 có trị số octan thấp thành phân đoạn có trị số octan cao cho xăng. Xúc tác dùng là AlCl3 hoạt hoá nên xúc tác có độ hoạt tính rất cao và độ chọn lọc cũng lớn, do vậy mà không cần phải tách iso-parafin khái n-parafin nhưng vẫn đạt được sản phẩm có trị số octan cao và hiệu suất đạt đến 99,5% từ nguyên liệu có RON bằng 68 - 70. Cấu tử Nguyên liệu Louisiana Arbian Nguyên liệu Sản phẩm Nguyên liệu Sản phẩm % V n-pentan 16.3 4.8 29.1 7.1 Izo-hexan 11.6 23.1 11.3 33.3 n-hexan 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- metyl pentan 15.3 11.4 11.3 12.0 3- metyl pentan 9.4 6.2 8.6 5.1 Xyclopentan 2.3 1.8 0.7 0.1 Xyclohexan 6.4 15.5 1.5 6.6 Metyl cyclopenyan 10.8 2.2 5.4 0.9 Benzen 4.8 4.8 1.0 1.0 Trị sè octan 98 98.5 RON + 3ml TEP/Gal Hiệu suất, % V > 99 99 IV.2. Quá trình công nghệ của Kolleg & Root Dùng để tăng trị số ốc tan từ nguyên liệu giầu Parfin C5, C6 mạch thẳng. Nguồn nguyên liệu này lấy từ Naphtha nhẹ mạch thẳng, lấy Raffinat từ tách hydrocacbon thơm, phần nhẹ của hyđrô cracked, Condensate của khí thiên nhiên. Quá trình này cho phép nguyên liệu có thể lẫn tạp chất lưu huỳnh lên tới 100 ppm . Quá trình này tiến hành thì làm tăng trị số óc tan của nguyên liệu lên từ 10 – 18 đơn vị. Điều này nó còn phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu và vấn đề hồi lưu các cấu tử chưa chuyển hoá. Xóc tác cho phép nguyên liệu làm việc với nguyên liệu bẩn, có một hàm lượng lưu huỳnh và nước ở trong nguyên liệu. Xúc tác của quá trình cũng có thể tái sinh được. Nguyên liêu của quá trình không nhất thiết phải sử lý hyđrô trước (nếu nguyên liệu không có mặt của nước tự do). 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. Nguyên liệu và Hyđrô được gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết sau đó thì dẫn nó vào thiết bị phản ứng. Sản phẩm của quá trình thu được đưa qua tháp ổn định, ở đó thì phần phía trên đỉnh tháp là khí hyđrô mang qua máy để đưa hồi lưu trở lại thiết bị phản ứng. Còn phần nặng thì được đưa qua tháp tách Butan(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. Sơ đồ công nghệ của Kolleg & Root 1) Thiết bị phản ứng 2) Thiết bị gia nhiệt 3) Tháp ổn định tách hyđrô 4) Tháp tách Butan 5)Thiết bị nén khí tuần hoàn IV.3.Công nghệ ISOME hoá của IFP Nguyên liệu của quá trình sử dụng phân đoạnC5 C6 giầu các cấu tử parafin có trị số ốc tan thấp , thu được các cấu tử có trị số ốc tan cao. Quá trình này sử dụng xúc tác Zeolit hoặc Al-Cl. Sự lùa chọn loại xúc tác phụ thuộc vào yêu cầu nâng cao trị số ốc tan. Quá trình này có tuần hoàn các cấu tử mạch thẳng chưa chuyển hoá lại thiết bị, quá trình cải tiến được trị số ốc tan thấp trở thành trị số ốc tan khá cao. Điều này được minh hoạ ở bảng 9 dưới đây. Quá trính ISORB ISOM có dùng một thiết bị để tách I-Petan ra khỏi nguyên liệu . Mét lượng hyđrô được trộn với nguyên liệu và đem vào lò phản ứng. Các quá trình ISOME hoá nó diễn ra ở nhiệt độ trung bình đạt được cân bằng giữa iso-Parafin và n-Parafin. Thời gian làmviệc của xúc tác là khá lâu. Quá trình này làm việc trong pha khí Bảng 9 Công nghệ Zeolit Al-Cl Không tuần hoàn nguyên liệu chưa chuyển hoá 80 83 tách iso-Petan và không tuần hoàn n-Parfin 82 84 Có tách và tuần hoàn các cấu tử chưa chuyển hoá 86 88 Có tuần hoàn cấu tử mạch thẳng _ISORB 88 90 Tách iso-pentan và mạch thẳng , có tuần hoà - Hexorb 92 92 Sơ đồ công nghệ của IFP (1). Thiết bị tách iso- Petan (2). Cụm thiết bị trộn & phản ứng (3). Cụm thiết bị tách sản phẩm IV.4. Công nghệ ISOMe hoá của Shell (UCC Shell Hysomer) Nguyên liệu của công nghệ này là phân đoạn naphtha nhẹ Chứa nhiều cấu tử n-Parafin mạch thẳng từ các nhà máy lọc dầu. Nó bao gồm C5- C7 và lên tới cả C8. Trong nguyên liệu thì chỉ số ốc tan thấp nó chỉ vào khoảng trên dưới 60. Sản phẩm của quá trình rất thích hợp để pha trộn vào xăng Quá trình này có tên là quá trình Hysomer là quá trình với líp xúc tác líp cố định xẩy ra trong pha hơi. Điều kiện của công nghệ: Nhiệt độ của quá trình : 245-2470C Áp suất của quá trình : 300-500Psig Tỷ lệ H2/RH (mol) : 1-4 Thời gian làm việc xúc tác là: 5-10 năm Tốc độ nạp liệu (h-1) : 1-3 Xúc tác của quá trình này là không nhạy với các loại hợp chất của lưu huỳnh và nước. Do vậy mà hàm lượng lưu huỳnh cho phép trong nguyên liệu là 35ppm về khối lượng, và hàm lượng nước cho phép là 10-20ppm. Quá trình này tiến hành nó cho phép cải tiến chỉ số ốc tan từ 10-20 đơn vị. Trị số ốc tan của sản phẩm có thể đạt từ 79-82 theo RON. Ngoài các phản ứng chính ra quá trình này có phản ứng phụ: Aromantic bị chuyển hoá thành các Naphthenic Naphthenic bị hyđrrô hoá thành Parafin C7+ thì phản ứng Crack thành các phân tử nhẹ hơn Hiệu suất của quá trình từ 97 đến 98 % (theo LV). Sơ đồ công nghệ của Shell (1) Thiết bị phản ứng (2) Tháp tách (3) Máy nén (4) Tháp ổn định Olefin bị hyđrô hoá thành các Parafin IV.5. Công nghệ ISOME của BP Nguyên liệu là C5C6 , được hyđrô háo làm sạch các tạp chất lưu huỳnh và sấy khô trước khi đưa vào thiết bị phản ứng. Xúc tác dùng cho quá trình là AlumoPlatin được hoạt hoá bằng clo hữu cơ nên có độ hoạt tính và độ chọn lọc cao. Thời gian làm việc kéo dài. Để duy trì độ hoạt tính và độ chọn lọc ta bổ xung một lượng nhỏ Clo hữu cơ vào nguyên liệu. Chính vì có bổ sung một lượng rất nhỏ này mà ta cần chú ý tới vấn đề ăn mòn thiết bị. Sản phẩm chính của quá trình có trị số ốc tan khá cao lớn hơn 80. Ngoài ra nó cũng có các sản phẩm phụ từ C1 đến C3 được đem đi làm khí nhiên liệu. Quá trình này được tiến hành trong pha hơi Sơ đồ dây truyền công nghệ của BP Lò gia nhiệt nguyên liệu 2) Lò phản ứng 3) Tách khí 4) Cột ổn định 5) Máy nén khí 6) Ngưng tụ IV.6. Công nghệ Butamer của UOP Mục đích của quá trình này là đi sản xuất iso-Butan từ Butan để cung cấp nguyên liệu cho công nghệ alkyl hoá và sản xuất MTBE. Nguyên liệu của quá trình chính là n- Butan. Quá trình này sử dụng xúc tác là AluminoPlatin hoạt hoá bằng clo. Quá trình isome hoá được tiến hành trong pha hơi, với sự có mặt của hydro. Điều kiện nhiệt độ của quá trình là 120-2400C. Sơ đồ công nghệ Butamer: 1) Cột tách izoButan 2) Cột ổn định 3) Lò phản ứng 4)Lò đốt 5) Máy nén 6)Thiết bị tách Hiệu suất cho iso –Butan là > 50% cho mét chu trình. Độ chọn lọc của xúc tác khá cao nên Ýt xảy ra phản ứng phụ. Hiệu suất của quá trình trên 90 % tiêu hao một lượng nhỏ hyđrô. Trong công nghệ cần phải có tháp tách n và iso –Butan ra khái nhau. Đối với các cấu tử chưa chuyển hoá thì phải được tuần hoàn trở lại thiết bị. Trong công nghệ không mô tả đường tuần hoàn nguyên liệu. IV.7. Công nghệ Penex của UOP Quá trình này cũng nhằm đi sản xuất xăng có chất lượng cao từ các phân đoạn có trị số ốctan thấp. Phản ứng này muốn thu được hiệu suất cao thì ta phải thực hiện điều kiện thuận lợi cho phản ứng isome hoá và hạn chế các phản ứng phụ thì phải có sự có mặt của hyđrô. Xúc tác của quá trình thuộc loại Fidel_ Craft và xúc tác hyđrô hoá. Trong quá trình phát triển của công nghệ thì xúc tác cũng được ngày càng hoàn thiện hơn, trong công nghệ này thì hãng UOP dã sử dụng thế hệ 3 của xúc tác Fidels_ Craft. Khi đó xúc tác được biểu diễn dưới dạng HAlX4 (H+ A-) Cơ chế của nó có thể được miêu tả dưới dạng sau: RH + HAlX4 R+ + AlX4- +H2 CH3-CH2-CH2-CH3 +H+ A- ® CH3-CH2-CH+-CH3 + A+ + H2 CH3-CH2-CH+-CH3® CH3-C+-CH3 CH3 CH3-C+-CH3 D CH3-C+-CH3 CH3 CH3 CH3-C+-CH3 CH3 Đối với hệ xúc tác này thì rất nhạy với các loại tạp chất vì vậy cần phải làm sạch trước khi đưa vào thiết bị phản ứng. Qúa trình làm sạch này được sử lý bằng hyđrô hoá làm sạch và sấy khô. Sản phẩm của quá trình được đem ra thiết bị ổn định để thu hồi hydro và đem hồi lưu. Sau đó nó được đưa ra thiết bị tách khí nhẹ, khí này phải được lọc sạch HCl hình thành từ lượng Clo hữu cơ mang vào. Cần phải tách nó để tránh ăn mòn thiết bị và đảm bảo chỉ tiêu mang đi làm nhiên liệu. Tuỳ theo điều kiện và yêu cầu về sẩn phẩm thì ta có thêm quá trình tách n-Parafin tuần hoàn trở lại. Quá trình này diễn ra ở líp xúc tác cố định Nhiệt độ phản ứng :120-2600C Áp suất của quá trình này là: 2,1-7 MPa Sơ đồ công nghệ Penex của UOP (1) Thiết bị sấy khí (2) Máy nén (3) Thiết bị phản ứng (4) Thiết bị tách (5)Tháp ổn định (6) Thiết bị lọc khí IV.8. Công nghệ TIPcủa UOP(Total isomerization process) Quá trình thực hiện isome hoá nguyên liệu thuộc phân đoạn từ C5 –C6 chiếm 40 đến 50% là mạch thẳng. Trong nguyên liệu nếu có mặt của Bezen thì nó sẽ bị hydro hoá thành CycloHexan. Công nghệ này có sử dụng quá trình hấp thụ vào để tách cấu tử mạch nhánh và mạch thẳng ra khái nhau. Chất hấp phô thường dùng trong quá trình này này ở dạng sàng phân tử. Trong đó nó chỉ cho phép n-Parafin đi qua còn lại thì nó không cho đi qua. Sau khi tách ra khỏi hỗn hợp thì các cấu tử có trị số ốctan cao được đem đi pha trộn xăng. Còn phần bị hấp phụ thì đem đi tách và tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng. Quá trình nhả dùng hydro để nhả hấp phụ. Quá trình này khi tiến hành cũng cần phải có mặt của hyđrô để tránh sự tạo cốc trên xúc tác và tránh mất hoạt tính xúc tác. Điều kiện của công nghệ Nhiệt độ của quá trình 200-3700C Điều kiện áp suất của công nghệ là: 1365- 3415 KPa Công nghệ này cho phép ta đi theo hai hướng khác nhau: Thu cực đại sản phẩm xăng, theo cách này thì nguyên liệu chưa cho đi qua thiết bị phản ứng mà đưa đi tách. Cho tuần hoàn n-Parafin quay trở lại thiết bị phản ứng. Còn các cấu tử mạch nhánh được đưa đi pha trộn vào với xăng. Hướng phát triển thứ hai là thu được trị số ốc tan là cao nhất. Muốn được thì ta phải cho nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng Sản phẩm của phản ứng đem sang thiết bị tách bằng hấp phụ và cho tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng Công nghệ isome hoá của UOP(TIP) (1) Thiết bị ISOME hoá (2) Tháp tách (5) Thiết bị hấp phụ (3) Máy nén (4) Thiết bị nhả hấp phô (6) Tháp ổn định IV.9. Lùa chọn công nghệ và loại xúc tác Mục tiêu của phân xưởng isome hoá cần thiết kế là nhằm thu được xăng có trị số octan cao từ phân đoạn xăng của quá trình chưng cất trực tiếp. Nguyên liệu ở đây là phân đoạn C5 4 C6 , hay phân đoạn C5, C6 riêng biệt. Vì ở đây ta sử dụng nguyên liệu là phân đoạn là n-C54C6 nên ta chọn công nghệ thích hợp là công nghệ Penex của UOP. Đây là công nghệ được thiết kế riêng cho quá trình isome hoá xúc tác của pentan, hexan và cả hỗn hợp của chúng. Nghiên cứu công nghệ Penex Quá trình UOP Penex thì được thiết kế đặc biệt cho xúc tác đồng phân hoá pentan, hexan và hỗn hợp của chúng. Các phản ứng diễn ra với sự có mặt của hiđro và được thực hiện trên bề mặt xúc tác, tại điều kiện thích hợp mà ở đó đẩy mạnh các quá trình đồng phân hoá và qúa trình hydrocracking là bé nhất. Điều kiện thực hiện phản ứng thì không khắt khe, phản ánh áp suất làm việc vừa phải, nhiệt độ thấp và yêu cầu áp suất riêng phần của hyđro thấp. Xúc tác quá trình đồng phân hoá sẽ chuyển hoá tất cả các nguyên liệu parafin chuyển thành các cấu trúc mạch nhánh có trị số octan cao: n-pentan (nC5)thành isopentan(iC5) và n-hexan(nC6) thành 2,2 và 2,3-dimetylbutan. Phản ứng thì được điều khiển ở đó có sự cân bằng nhiệt động và thuận lợi hơn ở nhiệt độ thấp. Với các parafin C5, tham gia vào quá trình chuyển hoá bởi n-pentan và iso-pentan. Quá trình isome hoá parafin C6 thì có phần phức tạp hơn. Bởi vì sự hình thành 2 và 3-metylpentan và 2,3-dimetylbutan thì có một giới hạn bởi sự cân bằng, mạng lưới phản ứng bao gồm chủ yếu là quá trình chuyển hoá n-hexane thành 2,2-dimetylbutan. Tất cả benzen trong nguyên liệu thì được hyđro hoá tạo cyclohexan, và một cân bằng nhiệt động được thiết lập giữa metylcyclopentan và cyclohexan. Trị số octan tăng lên 14 lần. * Miêu tả quá trình công nghệ Nguyên liệu xăng nhẹ thì được đưa vào thiết bị sấy. Các thiết bị này được điền đầy bằng các rây phân tử, ở đây nước được tách ra để bảo vệ xúc tác. Nguyên liệu thì được trao đổi nhiệt bởi nhiệt của thiết bị phản ứng trước khi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt. Hỗn hợp nguyên liệu được trộn với hyđro trước khi vào thiết bị phản ứng. Có hai thiết bị phản ứng chính được chọn. Nhiệt toả ra từ thiết bị phản ứng thì được làm lạnh trước khi đưa vào thiết bị tách sản phẩm. Các thiết kế mới hơn của Penex, bao gồm cả tuần hoàn khí nén và tách sản phẩm. Hyđro nạp vào chỉ cần độ tinh khiết vừa phải, loại này được cung cấp bởi quá trình reforming xúc tác. Lượng hơi trên đỉnh tháp tách thì được thu gom trong thiết bị lọc hơi để tách HCl từ dạng clo hữu cơ thêm vào nguyên liệu trong thiết bị phản ứng để duy trì hoạt tính xúc tác. Sau khi lọc khí, lượng khí thu được ở trên đỉnh thì đưa đi làm nhiên liệu. Sản phẩm lỏng của quá trình isome hoá ở phần cuối của tháp tách thì được đưa sang phân xưởng pha trộn xăng. Sự lùa chọn phần cuối của tháp tách có các thành phần n-parafin và iso-parafin bởi quá trình tinh cất hay quá trình tách bằng rây phân tử hay sự kết hợp của cả hai phương pháp để tuần hoàn các n-parafin và metylpentan có trị số octan thấp (MeC5). Trị số octan của sản phẩm trong khoảng 87 đến 92, có thể đạt được bởi việc chọn lùa một trong các hệ thống có sự xắp xếp khác nhau. Sự phối hợp dòng chảy tuần hoàn là yêu cầu chủ yếu nhất đạt được bởi sự kết hơp quá trình Penex với một cột tách hexan. Cột tách hexan tập trung metylpentan có trị số octan thấp được tách loại theo chiều chuyển động. Dòng tách loại này được kết hợp với nguyên liệu đầu trước khi vào thiết bị phản ứng Penex. Ở trên đỉnh cột tách hexan, ở đó chủ yếu là iso-pentan, 2,2-dimetylbutan và 2,3-dimetylbutan thì được thu gom và cho qua phân xưởng pha trộn xăng. Một lượng nhỏ kéo theo dòng chảy ở dưới đáy tháp tách bao gồm các C6 naphtan và các C7, thì cũng được tách ra từ cột tách hexan và sử dụng để pha trộn vào xăng hay dùng làm nguyên liệu reforming. Việc chọn lùa quá trình tuần hoàn có hiệu suất cao bao gồm sự kết hợp quá trình Penex với qúa trình UOP Molex, quá trình Molex sử dụng các rây phân tử để tách các sản phẩm tách ra trong quá trình Penex chuyển thành dòng iso-parafin có trị số octan cao và dòng n-prafin có trị số octan thấp thì được đưa vào quá trình Penex. Các Hydrocacbon mạch thẳng thì được tách ra trong thiết bị Molex và sản phẩm đồng phân hóa được thu gom cho qua phân xưởng pha trộn xăng. Nhiều dạng thiết bị tách được chỉ ra trong hình 8. Sự chuẩn bị điều kiện tốt nhất để pha trộn vào thành phần nguyên liệu và đạt yêu cầu về trị số octan của sản phẩm. Lùa chọn dòng chảy của công nghệ Penex[7] [7] Để làm tăng thêm trị số octan, lợi Ých khác nhau của sự phối hợp dòng chảy cơ bản của quá trình Penex nhằm bảo hoà tất cả benzen chuyển thành cyclohexan. Hướng phát triển này có vai trò quan trọng đối với các quá trình lọc dầu ở đó người ta muốn loại bỏ lượng lỏng benzen trong hổn hợp xăng nghèo của chúng. §Ó lµm t¨ng thªm trÞ sè octan, lîi Ých kh¸c nhau cña sù phèi hîp dßng ch¶y c¬ b¶n cña qu¸ tr×nh Penex nh»m b¶o hoµ tÊt c¶ benzen chuyÓn thµnh cyclohexan. H­íng ph¸t triÓn nµy cã vai trß quan träng ®èi víi c¸c qu¸ tr×nh läc dÇu ë ®ã ng­êi ta muèn lo¹i bá l­îng láng benzen trong hæn hîp x¨ng nghÌo cña chóng. Một vài nguyên liệu, nh­ nguyên liệu reforming nhẹ, có thể chứa một lượng lớn benzen lỏng. Việc thực hiện quá trình Penex có thể gây ra tác hại khi quá trình sử dụng loại nguyên liệu này bởi vì benzen bị hyđrohoá ở đó phản ứng toả nhiệt lớn. Nhiệt phát ra bởi phản ứng hyđro hóa benzen là nguyên nhân mà thiết bị phản ứng làm việc tại điều kiện đó thì không thuận lợi cho việc làm tăng trị số octan (không thuận lợi cho quá trình isome hoá). Thực hiện với các ứng dụng, UOP đề nghị quá trình Penex, ở đó bao gồm hai thiết bị phản ứng. Thiết bị thứ nhất thì được thiết kế để bão hoà benzen chuyển thành cyclohexan. Thiết bị thứ hai thì được thiết kế để đồng phân hoá nguyên liệu cho trị số octan cao. Mỗi thiết bị phản ứng thì hoạt động tại điều kiện mà ở đó thuận lợi cho quá trình chuyển hoá các phản ứng theo mong muốn là lớn nhất. Các ứng dụng của quá trình Với sự đề cập trên, mục đích đầu tiên của quá trình Penex là cải thiện trị số octan của phân đoạn xăng nhẹ mạch thẳng (LSR). Mức độ cải thiện trị số octan cho nguyên liệu C5-C6 thì được đưa ra bởi các mô hình chọn lùa khác nhau được chỉ ra ở (bảng 10) Bảng 10. Dạng nguyên liệu và sản phẩm octan RON Nguyên liệu vào 69 Sản phẩm: Chọn lùa 1: không tuần hoàn Chọn lùa 2: Tuần hoàn 2 và 3-MeC5+nC6 Chọn lùa 3: Tuần hoàn nC5+nC6 Chọn lùa 4: Tuần hoàn nC5+nC6+ 2 và 3MeC5 83 88 89 92 Nếu nh­ yêu cầu về trị số octan có phù hợp bởi sự tuần hoàn của các metylpentan, sù tinh chế hầu nh­ chọn lùa quá trình tinh cất là lý do trên hết. Ở đó có giá trị thực tiễn cao, sù tinh chế có thể chọn lùa một thiết bị Molex, khi đó sẽ tách cả nC5 và nC6 để tuần hoàn. Sự tách nC5 và nC6 bằng thiết bị Molex thì có giá trị thực tiễn thấp hơn khi tách các metylpentan bởi quá trình tinh cất, và khi đó sẽ đạt được trị số RON cao hơn. Thiết kế dây chuyền Vì mục đích của quá trình là ta đi isome hoá phân đoạn n-C5,C6 để có sản phẩm có trị số octan cao pha vào xăng do đó ta không cần tách riêng từng cấu tử, do đó em lùa chọn thiết kế dây chuyền công nghệ isme hoá có tuần hoàn n-C5,C6. Đó là sự kết hợp giữa penex và molex: * Điều kiện phản ứng: - Sử dụng xúc tác Pt/ZSM-5 - Nhiệt độ phản ứng230 230 4 290oC - Áp suất14 14 4 42 kg/cm2 - Tốc độ nạp liệu thể tích1,4 1,4 4 2,2 h-1 - Tỷ lệ H2/nguyên liệu1 1 44 Sử dông Zeolit loại có mao quản trung bình làm rây phân tử để hấp phụ ( ZSMA-5). *Thuyết minh dây chuyền công nghệ: Nguyên liệu đầu được bơm từ bể chứa cho qua thiết bị sấy (1) bằng rây phân tử để tách nước để bảo vệ cho xúc tác. Hydro được bổ sung cũng được cho qua thiết bị sấy (1) để tách nước. Sau đó khí hydro bổ sung được trộn với khí hydro tuần hoàn và đem trộn với hỗn hợp nguyên liệu vào và được trộn với n-parafin tuần hoàn từ công nghệ tách Molex. Hỗn hợp sau trộn lẫn được trao đổi nhiệt với sản phẩm của từng thiết bị phản ứng trước khi đi vào thiết bị gia nhiệt. Tại thiết bị gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu được gia nhiệt tới 230OC trước khi đi vào thiết bị phản ứng. Ở thiết bị phản ứng thứ nhất (3) xẩy ra các phản ứng hydro hoá làm no hoá các hydrocacbon thơm, naphten… Sau thiết bị phản ứng thứ nhất (3) hỗn hợp được trao đổi nhiệt để hạ nhiệt độ đến 230OC vì các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng thứ nhất (3) đều toả nhiệt mạnh do đó ưu tiên xảy ra trước phản ứng đồng phân hoá. Sau khi hỗn hợp sản phẩm lò thứ nhất (3) được hạ nhiệt độ thì được cho qua lò thứ hai (3). Tại đây sẽ xẩy ra các phản ứng đồng phân hoá và có xẩy ra cả phản ứng crackinh. Sản phẩm ra khỏi lò thứ hai (3) được cho qua thiết bị ngưng tụ và vào thiết bị tách (4). Tại đây lượng hydro được tách ra tuần hoàn trở lại còn hỗn hợp sản phẩm được cho qua tháp ổn định (5). Khí nhiên liệu được tách ra ở đỉnh còn sản phẩm ISOME hoá được đưa sang hệ thống tách bằng công nghệ Molex. Công nghệ Molex ở đây sử dụng sàng phân tử là loại Zeolit 5A và dùng chất nhả hấp phụ là khí nhẹ. Sản phẩm lỏng Isome hoá được cho vào cột hấp phụ (6) nhờ van quay (7). Trong cột hấp phụ (6) xẩy ra đồng thời quá trình hấp phụ và nhả hấp phụ. Sản phẩm ra khái van quay (7) gồm có, một là gồm các sản phẩm izome hoá và chất nhả hấp phụ được đưa qua cột Rafinat (8), hai là các n-parafin cùng chất nhả hấp phụ đi qua tháp chưng cất (9). Ở cột (8) sản phẩm izome hoá được tách ra ở đáy đi vào hệ thống chứa và sẽ được đưa sang phân xưởng pha chế xăng, còn chất nhả hấp phụ được tách ra ở đỉnh và được hồi lưu lại. Ở tháp (9) n-parafin được tách ra ở đáy và hồi lưu lại thiết bị phản ứng, còn ở đỉnh thì chất nhả hấp phụ được tách hồi lưu lại cột hấp phụ (6). Tất cả chất nhả hấp phụ hồi lưu đều được cho qua thiết bị gia nhiệt (10). Sơ đồ công nghệ lùa chọn dùng cho phân xưởng isome 1. Thiết bị sấy khí 2. Máy nén khí 3. Thiết bị phản ứng 4. Thiết bị tách 5. Tháp ổn định 6. Cột hấp phô 7.Van quay 8. Cột Rafinat 9.Tháp tách 10. Thiết bị gia nhiệt 11. Lò đốt 12. Thiết bị làm lạnh hồi lưu Phần II TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ [VII], [X], [XI], [XII], [XIII] TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH I. CƠ SỞ VÀ NHIỆM VỤ CỦA QUÁ TRÌNH TÍNH TOÁN Mặt cắt của thiết bị phản ứng Tính toán lò phản ứng dùa trên các số liệu ban đầu đã cho nh­: công suất, đặc tính của nhiên liệu. Ngoài ra còn một số thông số thông số công nghệ được chọn theo tài liệu. Trình tự tính toán. Chọn các thông số ban đầu. Áp suất trong thiết bị phản ứng Nhiệt độ hỗn hợp nguyên liệu vào. Tốc độ nạp liệu. Tỷ sè H2/RH. Tính cân bằng vật chất. Tính cân bằng nhiệt lượng. Chọn và tính kích thước chính của lò phản ứng. I.1. Những số liệu cần thiết cho trước - Công suất, tấn/năm350.000 350.000 - Nhiệt độ phản ứng, oC230 230 ¸ 290 oC - Tốc độ thể tích, h-1 1,999 ¸ 2 - Áp suất, Mpa2 2 ¸ 4 - Tỷ lệ thể tích giữa khí tuần hoàn và nguyên liệu: 4 I.2. Tính Toán: * Các phản ứng chính xảy ra trong thiết bị phản ứng: - Phản ứng đồng phân hoá: n-C5 i- C i- C5 (1) n- C6 i- C6 (2) - Phản ứng chuyển hóa Naphten thành Parafin. CnH2n + H2 CnH2n+2 (3) - Phản ứng chuyển hoá Hydrocacbon thơm thành Naphten. CnH2n- 6 + 3H2 CnH2n (4) - Phản ứng Hydrocracking Naphten. CnH2n + n/3 H2 n/15(C1 + C2 + C3 + C4 + C5). (5) - Phản ứng Hydrocracking Parafin. CnH2n+2 + (n-3)/3H2 n/15(C n/15(C1 + C2 + C3 + C4 + C5). (6) Trong đó: k1¸6: Hằng số tốc độ của phản ứng thuận 1¸6. KP1¸6: Hằng số cân bằng của các phản ứng 1¸6. Ta có thể mô tả sự giảm hàm lượng của các Hydrocacbon trong hỗn hợp bằng hệ phương trình vi phân sau:[18] - (7). - (8). - (9). (10) (11) (12) VR: Đại lượng nghịch đảo của tốc độ nạp liệu theo mol,[kg xt/kmol/h] NP, NA, NN: Phần mol của Parafin, aromatic, Naphten trong hỗn hợp nguyên liệu. P: áp suất toàn phần, Mpa. PN, PP, PA: áp suất riêng phần của Naphten, Parafin và aromatic, Mpa. k3: Hằng số tốc độ của phản ứng (3) được xác định theo đồ thị (3.13),[kmol/h.Pa.kgxtác]. k4 Hằng số tốc độ của phản ứng (4) được xác định theo đồ thị (3.13), [kmol/h.Pa.kgxtác]. k5, k6: Hằng số tốc độ của phản ứng (5), (6) được xác định theo đồ thị (3.15), [kmol/h.Pa.kgxtác]. KP3, KP4: Hằng số cân bằng của phản ứng (3),(4) được xác định theo phương trình sau: (13) [18] (14) [18] Đồ Thị:[VI] 10,0 5,0 2,0 1,0 0,6 0,4 0,2 0,1 k x10 2 -15 1,25 1,30 1,35 1000 T 1 k 1 k 1,35 1,30 1,25 T 1000 -7 3 2 1 k x10 1 5 4 8 7 6 9 10 h×nh 3.13 h×nh 3.14 1,25 1,30 1,35 k 1 h×nh 3.15 T 1000 - 0,010 0,005 k x10 3 0,020 0,050 0,100 0,200 0,500 Bảng 1: Thành phần của nguyên liệu Nhiệt độ sôi, oC Cấu tử Tỷ trọng, g/cm3 % khối lượng % mol C5 – Parafin 47,5 51,78 29 Iso- pentan 0,617 42,0 21,75 36,05 n- pentan 0,625 58,0 30,03 C6- Parafin 45,2 41,26 49,72 2,2- dimetylbutan 0,650 0,9 0,37 58 2,3- dimetylbutan 0,655 5,0 2,06 60,27 Metylpentan 0,700 48,2 19,89 66,72 n- hecxan 0,647 45,9 18,94 C6 - Cyclics 7,3 6,96 71,19 Metylcyclopentan 0,780 57,0 3,89 80,72 Cyclohecxan 0,770 17,0 1,16 80,11 Benzen 00,860 26,0 1,91 Với công thức chuyển đổi từ % khối lượng sang % sè mol: [4]. Trong đó: Xi: phần mol của cấu tử i, %. ai, aj : Phần khối lượng của cấu tử i j %. Mi, Mj: khối lượng mol phần tử của của cấu tử i, j gam(g) Để tính thành phần của hỗn hợp dùng công thức: Mc.yi=Mi.yi’ Trong đó: Mc: khối lượng phân tử trung bình của hỗn hợp nguyên liệu. Mi: khối lượng phân tử trung bình của các hydrocacbon trong nguyên liệu. yi, yi’: phần khối lượng và phần mol của cấu tử i trong nguyên liệu. Mặt khác: Mc= 0,4.T50-45. Trong đó T50: nhiệt độ sôi tại 50% thể tích nguyên liệu. Ngoài ra ta tính theo công thức sau: Mc= =51,78x72+ 41,26x86+ 5,05x84+ 1,91x78= 78,5 Khối lượng của các hydrocacbon trong nguyên liệu được tính theo bảng sau: Bảng2 Hydrocacbon Công thức hoá học Công thức khối lượng Parafin CnH2n+2 MP=14.n+2 Naphten CnH2n MN=14.n Aromat CnH2n-6 MA=14.n-6 Bảng 3: Phần khối lượng của các cấu tử Cấu tử Mi Hàm lượng trong nguyên liệu % khối lượng, ai phần mol xi CnH2n+2 78,21 0,9270 0,9304 CnH2n 84 0,0540 0,0505 CnH2n-6 78 0,0190 0,0191 S 1,0000 1,0000 † Tỷ trọng của nguyên liệu rc: áp dụng công thức: [ 9] Trong đó: ri: Tỷ trọng của cấu tử thứ i có trong nguyên liệu. ai: Phần % khối lượng của cấu tử thứ i có trong nguyên liệu. Từ bảng số liệu 1 ta tính được thành phần từng cấu tử nh­ trong bảng 4: Bảng 4: % khối lượng của từng cấu tử trong toàn bộ nguyên liệu Cấu tử Tỷ trọng, g/cm3 % khối lượng (ai) % mol (xi) C5-Parafin Iso- pentan 0,617 19,95 21,75 n- pentan 0,625 27,55 30,03 C6-Parafin 2,2-dimetylbutan 0,650 0,407 0,370 2,3-dimetylbutan 0,655 2,26 2,060 Metylpetan 0,700 21,79 19,89 n-hexan 0,647 20,75 18,94 C6 - Cyclics Metylclopentan 0,780 4,16 3,89 Cyclohecxan 0,770 1,24 1,16 Benzen 0,860 1,9 1,91 Thay sè ta được: => rc = 0,6543 g/cm3. †Năng suất của thiết bị được tính theo công thức: Gc = L/24.n (kg/h). (kg/h). Với L là công suất năm, L = 350.000 tấn/năm. n: Là số ngày hoạt động trong năm. Chọn số ngày nghỉ của thiết bị phản ứng trong 1 năm để sửa chữa lớn và nhỏ là 30 ngày. Vậy số ngày hoạt động của thiết bị trong 1 năm là 365 – 30 = 335 ngày. Do đó ta có: (kg/h). (kmol/h). Bảng 5: Sè mol của các họ cấu tử trong hỗn hợp nguyên liệu trong 1h Cấu tử xi nci= nc.xi(kmol/h) CnH2n+2 0,9304 515,955 CnH2n 0,0505 28,004 CnH2n-6 0,0191 10,591 S 1,000 554,552 †Tính lượng khí tuần hoàn cần thiết : Với tỷ lệ H2/RH = 4 mol. (kmol/h). †Lượng chất xúc tác cho toàn bộ quá trình trong 1h. Thể tích xúc tác: [18] Trong đó: Vo: Tốc độ thể tích, chọn Vo = 1,8 h-1. rc : Khối lượng riêng của nguyên liệu, kg/m3. rc = 0, 6543.1000 = 654,3 kg/m3. Vậy thể tích xúc tác là : Vxt= (m3). Khối lượng xúc tác: mxt = Vxt. rxt (kg). Trong đó: rxt : Khối lượng riêng của xúc tác, thường được chọn trong khoảng 550 ¸600 kg/m3. Ta chọn rxt = 600, kg/m3. Vậy (kg) Ở đây thực hiện phản ứng ở 2 lò phản ứng do đó ta có sự phân bố xúc tác ở hai lò nh­ sau: 1: 4 Bảng 6: Phân bố xúc tác trong các lò Lò phản ứng Vxt (m3) mxt(kg) 1 9,2405 5544,3907 2 27,7215 16633,172 †Thành phần và áp suất riêng phần. Pi= P.yi Trong đó: Pi: áp suất riêng phần cấu tử i (Pa). P: áp suất chung của lò phản ứng (Pa). yi: nồng độ phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp. P= 20x105 (Pa). Bảng 7: Thành phần và áp suất riêng phần Cấu tử ni, kmol/h yi = ni/Sni Pi = 20.105. yi ,(Pa) CnH2n+2 515,955 0,1861 3,722.105 CnH2n 28,004 0,0101 0,202.105 CnH2n- 6 10,591 0,0038 0,076.105 H2 2218,208 0,8000 16,000.105 S 2772,760 1,0000 20,000.105 II. Tính toán cho từng lò phản ứng II.1. Tính toán cho lò phản ứng thứ nhất Với giả thiết là các phản ứng xảy ra trong lò phản ứng có tác dụng là làm no hoá các hydrocacbon vòng, vì rằng là phản ứng hydro hoá benzen toả nhiệt lớn hơn những phản ứng khác do đó ta phải thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn để tránh xảy ra những phản ứng Refocming. Thật vậy quá trình hai lò cho phép phản ứng xảy ra ở lò 1 gồm phản ứng (3) và (4). Nhiệt độ xảy ra ở lò này là 230oC. II.1.1. Tính cân bằng vật chất lò 1 † Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hoá hydrocacbon thơm thành Naphten: k4 được tra ở đồ thị (3.13). Tv: Nhiệt độ trung bình ở trong lò phản ứng là 230oC. Tv = 503oK Þ 1000/Tv = 1,988. Áp dụng phương trình Arrhenius về hằng số vận tốc: Trong đó: k là hằng số vận tốc phản ứng ở nhiệt độ T. kO là hằng số. E là năng lượng hoạt hoá. C là hằng số. Theo đồ thị (3.13): 1000/Tv=1,3 tra được k= 2,55.10-7 1000/Tv=1,35 tra được k= 2,00.10-7 Þ k4 = 1,35.10-7 ,[kmol/h.Pa.kgxtác]. †Tính hằng số cân bằng KP4. - Theo (14) ta có: Độ giảm tương đối hàm lượng các Hydrocacbon thơm do phản ứng chuyển hoá aromatic thành Naphten. Độ giảm này là rất lớn điều đó chứng tỏ lượng Hydrocacbon thơm chuyển hoá thành Naphten là gần nh­ hoàn toàn. Ta coi toàn bộ lượng Hydrocacbon thơm đã chuyển hoá toàn bộ thành Naphten. Vậy lượng H2 phản ứng ở phản ứng (4) là: H2(4) = 3.ar = 3. 10,591 = 31,773(kmol/h). (kmol/h). Lượng Naphten tạo ra ở phản ứng (4) là: nN(4) = ar = 10,591 (kmol/h). † Hằng số tốc độ của phản ứng chuyển hoá Naphten thành Parafin. Tv = 503oK Þ 1000/Tv = 1,988. Theo đồ thị (3.14) 1000/Tv=1,25 tra được k= 2,45.10-15 1000/Tv=1,3 tra được k= 1,45.10-15 Þ k3 = 0,975.10-15 ,[kmol/h.Pa.kgxtác]. †Hằng số cân bằng KP3. - Theo (13) ta có: . Điều đó chứng tỏ phản ứng thuận chuyển từ Naphten sang Parafin chiếm ưu thế hơn. Sự giảm hàm lượng Naphten do phản ứng (3) là: Suy ra Mặt khác DnN(3) = -0,9765.10-5.1,999 = -0,0000195 (kmol/h). (kmol/h). Lượng H2(3) tham gia phản ứng 3 chính bằng lượng lượng Naphten tham gia phản ứng: H2(3) = DnN(3).nc = 0,0000195.554,552 = 0,0108 (kmol/h). Vậy sau phản ứng (3) thì hàm lượng Naphten sẽ là: nN(3) = (yN’ - DnN(3)).nc = (0,0505 - 0,0000195).554,552 = 27,994 (kmol/h). Vậy hàm lượng Naphten tổng cộng sau phản ứng (4) là: nN tổng = nN(3) + ar = 27,994 + 10,591 = 38,585(kmol/h). (kmol/h). Vậy tổng lượng Parafin C6 là: nP6= 0,4126.554,552 + 0,0000195.554,552 = 228,818 (kmol/h) Vậy ta có khối lượng phân tử trung bình của Parafin là: MP = Mà MP = 14.n + 2 = 78,21. Þn = 5,4436. Bảng 8: Cân bằng vật chất cho lò phản ứng 1 Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi Gi=Mi.ni (kg/h) Đầu vào A 10,591 0,0038 78 826,098 N 28,004 0,0101 84 2352,336 P 515,955 0,1861 78,21 40329,769 H2 2218,208 0,8000 2 4436,416 2772,760 1,0000 47944,644 Đầu ra A 0,0000 - - 0,00 N 38,585 0,0141 84 3241,74 P5 287,14709 0,1048 72 20674,586 P6 228,818 0,0835 86 19677,502 H2 2218,208 0,7976 2 4436,416 2772,7482 1,0000 47944,644 II.1.2. Tính cân bằng nhiệt lượng lò 1 Ta có phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 Q1 : Nhiệt lượng mang vào bởi nguyên liệu và khí tuần hoàn ở 25oC. Q2 : Nhiệt lượng của lò đốt cần cung cấp để nâng nhiệt độ của nguyên liệu và khí tuần hoàn từ 25oC đến 230oC. Q3 : Nhiệt lượng mang ra khỏi lò phản ứng do các sản phẩm phản ứng và khí tuần hoàn. Q4 : Nhiệt phản ứng. Q5 : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh. Lượng nhiệt được tính theo công thức: Qi=nC-i.Ci.ti (KJ/h) Trong đó : nC-i lưu lượng của từng cấu tử i (kmol/h). Ci Nhiệt dung riêng của cấu tử i (J/mol.độ). ti: Nhiệt độ cấu tử i 0C. Cc=å nci. Ci (kJ/h.độ) Trong đó các: ni: là các thành phần phần khối của cấu tử thứ i. Nhiệt dung riêng của một chất được tính theo: Cp = a0+a1.T+a2.T2 Cp = a0+a1.T+a-2.T-2 Trong đó các giá trị a0 ;a1 ;a2 ;a-2 : là các hằng số thực nghiệm. T : Nhiệt độ tuyệt đối 0k. Ta có các công thức tính nhiệt dung riêng của các loại Hydrocacbon nh­ sau: - Đối với Parafin:[5-415] [5-415] Cp= (-2,1 + 4,8.n) + (27,60 + 69,11.n).10-3.T – (0,53 + 2,19.n).10-5.T2 (j/mol.K) Với n là số nguyên tử cacbon có trong parafin. - Đối với Naphten: + Alkylcyclopentan: Cp= (-19,49 + 3,75.n’) + (399,96 + 70,73.n’).10-3.T – (12,65 + 2,21.n’).10-5.T2 (j/mol.K) (j/mol.K) Với n’= n-5. + Akylcyclohecxan: Cp= (-25,61 + 5,56.n”) + (517,53 + 68,30.n”).10-5.T2 (j/mol.K) Với n” = n- 6. Bảng 9: Giá trị hiệu ứng nhiệt của từng phản ứng Phản ứng Q, kcal/mol 1 2 2 2 3 27 4 50 5 20 6 11 Bảng 10: Giá trị nhiệt dung riêng Cấu tử a0 a1.103 a-2.10-5 a2.106 Cp 250C J/mol.độ Cp 2300C J/mol.độ C1 6,730 10,200 -1,118 - 35,24 47,71 C2 3,890 29,600 - - 52,59 78,62 C3 0,410 64,710 - -22,582 72,98 114,07 n-C4 4,357 72,552 - -22,145 99,28 147,58 i-C4 2,296 82,407 - -38,792 96,76 142,07 n-C5 3,140 100,532 - -35,500 123,69 187,19 Benzen -5,040 95,63 - -40,600 81,9990 137,28 CycloC6 -7,701 124,675 - -41,584 105,75 186,27 n-C6 7,313 104,906 - -32,397 147,67 217,23 Ngoài ra còn có các thành phần khác ta sẽ tra được từ bảng ở [5- 436]. Bảng 11: Nhiệt dung riêng của các cấu tử khác tra được Cấu tử Cp 250C J/mol.độ Cp 2300C J/mol.độ Iso-pentan 119,41 182,88 2,2-Dimetylbutan 142,63 219,66 2,3-Dimetylbutan 141,25 217,15 Metylpentan 143,00 216,80 Metylcyclopentan 110,71 188,03 Bảng12: Nhiệt dung riêng của hyđrô A0 a1.103 a-2.10-5 a2.106 Cp 250C J/mol.độ Cp 2300C J/mol.độ 6,95 -0,2 - 0,48 29,025 29,19 Bảng 13: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nguyên liệu đầu vào và hydro tuần hoàn ở 250C và ở 2300C: Cấu tử nci,(kmol/h) Ci.nci 250C kj/h.độ Ci.nci 2300C kj/h.độ P iso- Pentan 120,61506 14402,644 22058,082 n- Pentan 166,53197 20598,339 31173,119 2,2-Dimetylbutan 2,05184 292,6543 450,707 2,3-Dimetylbutan 11,42377 1613,6077 2480,6719 Metylpentan 110,3003 15772,956 23913,125 n- Hexan 105,0321 15510,098 22816,134 N Metyl-Cyclopentan 21,57207 2388,2442 4056,1969 Cyclohexan 6,4328 680,2689 1198,2383 A Benzen 10,5919 864,3025 1454,0619 H2 2218,2080 64383,487 64749,492 136505,6 174349,83 a, Tính Q1: Lượng nhiệt mang vào của nguyên liệu và khí tuần hoàn ở 25oC: Q1= Qnl + QH Trong đó: Qnl = ni.Ci.t1 = nc.Cc.t1 QH = nH.CH.t1 Q1 = 136505,6 . 25 = 3412640 (kj/h) (kj/h) b, Tính Q2: Lượng nhiệt cần thiết để nâng nhiệt độ của nguyên liệu từ 25o đến 230oC: Q2 = Qt2 - Qt1 Từ bảng thống kê ta có: Q2= 174349,83 . 230 - 136505,6 . 25 = 36687821 (kj/h) (kj/h) c, Tính Q4: Lượng nhiệt sinh ra do quá trình phản ứng. ở thiết bị phản ứng 1 xảy ra các phản ứng (3) và phản ứng (4). Vậy Q Q4 = n3 . Q3 + n4 . Q4 Ta có: Q3 = 27 . 4,186 = 113,022 (kj/mol) (kj/mol) Q4 = 50 . 4,186 = 209,3 (kj/mol) (kj/mol) n3 = 0,0108 (kmol/h) (kmol/h) n4 = 10,591(kmol/h) (kmol/h) Q4 = 0,0108. 113,022 . 103 + 10,591. 209,3 . 103 Q4 = 2217916,9 (kj/h) d, Tính Q3: Chọn nhiệt lượng mất mát ra khỏi môi trường phản ứng = 5% nhiệt lượng của sản phẩm mang ra: Q5 = 0,05 . Q3 Vậy tổng lượng nhiệt của đầu ra là = Q3 + 0,05 . Q3 = 1,05 .Q3 1,05 . Q3 = Q1 + Q2 – Q4 Mà ta có các phản ứng là toả nhiệt do đó: 1,05 . Q3 = 3412640 + 36687821 + 2217916,9 = 42318378 (kj/h) (kj/h) Q3 = 40303217 (kj/h) Q5 = 2015160,9 (kj/h) (kj/h) Bảng 14: Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng 1 Dòng Lượng Kmol/h Nhiệt lượng Kj/h Đầu vào Q1 3412640 Q2 36687821 Q4 2217916,9 2772,760 42318378 Đầu ra Q3 40303217 Q5 2015160,9 2772,7492 42318378 II.1.3. Tính toán kích thước chính của lò phản ứng 1 Lò phản ứng là loại lò xuyên tâm. Việc lùa chọn đường kính của lò phải thoả mãn sao cho tổn thất áp suất [] tại líp xúc tác không vượt quá giá trị cho phép. Theo một số tài liệu thì tổn thất áp suất này được tính theo công thức: [] = (Pa)[6-269] [6-269] Trong đó: nP = 1 là số lò phản ứng. [] = 0,5 . 0,158 . 106 = 0,79.105 (Pa) (*) Trong đó: - H1: chiều dày của líp xúc tác. - : Tổn thất áp suất trên 1m chiều dày của líp xúc tác (Pa/m). - : Độ rỗng của líp xúc tác, m3/m3. - : Vận tốc của dòng hơi qua líp xúc tác, m/s. - : Khối lượng riêng của hỗn hợp khí, kg/m3. - : Độ nhít động học của hỗn hợp khí, m2/s. - : Đường kính tương đương của hạt xúc tác, m. *Công thức tính các giá trị trên nh­ sau: ØTính : Trong đó: VC: Thể tích hạt chất xúc tác hình cầu tương đương với thể tích một hạt xúc tác hình trụ, m3. VTT: Thể tích hình lập phương ngoại tiếp hình cầu của hạt chất xúc tác. Nếu chọn đường kính hình trụ d= 0,003 (m), và chiều cao H=0,005 (m) thì: ,m3 Đường kính tương đương của hạt xúc tác ,m Do đó: = = 0,524 (m3/m3) ØTính : Vận tốc theo phương bán kính của hỗn hợp khí ở thiết diện nhỏ nhất tại lưới của ống trung tâm được tính: [6-250] Trong đó: VG: Thể tích hỗn hợp khí đi qua tiết diện tự do trong 1 giây, m3/s. FC: là tiết diện của lưới ống, m2. *Tính VG: Trong đó: G: Hỗn hợp khí ở trong lò, kg/h. Ttb: Nhiệt độ trung bình trong lò phản ứng, oK. Z: Hệ số nén của hỗn hợp khí. Mtb: Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí, kg/kmol. Ptb: áp suất trunh bình trong lò phản ứng, Pa. (Pa). Ttb = (oK). Mtb = 0,0038.78+ 0,101.84+ 0,1861.78,21+ 0,8.2=16,18. Z = 1. G = 54820 (kg/h). (kg/h). Vậy thay số vào ta có: VG= (m3/s). ØDiện tích lưới tại ống trung tâm được tính nh­ sau: [6-271] Trong đó: -D1: Đường kính lưới, m. -H1: Chiều cao lưới, m. Đường kính của lò phản ứng được chọn là 1,4 m, đường kính lưới là 0,5 m. Chiều cao của lưới xúc tác: H1 = Hxt – 0,4[6-271] [6-271] Hxt : Chiều cao của líp xúc tác trong lò phản ứng, m. 0,4: Chiều cao của ống trung tâm không đục lỗ. Hxt =Vxt/F. Vxt: Thể tích xúc tác trong lò, m3. F: Tiết diện vòng giữa của các ống lọc. [6-271] Trong đó: -D: Đường kính của lò phản ứng, m. -D1: Đường kính lưới, m. -: Khoảng cách trong thân lò và vỏ lò, m. =0,04, m. -2.0,02: là tổng chiều dày của thân và vỏ ống trung tâm. Vậy: Hxt= 9,2405/2,578= 3,58436(m). Vậy: H1 =3,58436– 0,4 = 3,18436(m). FC = 3,14. 0,5. 3,18436= 4,99944(m2). Do đó: = VG/FC = 2,021/4,4999= 0,40408 (m/s). +Khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng: [9] Trong đó: -: khối lượng riêng của cấu tử i, kg/m3. -yi: phần mol của cấu tử i. (kg/m3). +Tính độ nhít động học của hỗn hợp theo công thức sau: [6-272] Trong đó: -yi : Phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp. - : Độ nhít động học của cấu tử i tại nhiệt độ phản ứng, m2/s. Bảng 15: Độ nhít động học của các cấu tử ở 230oC Cấu tử yi .106, m2/s yi/(.106) P5 0,1036 6,716 0,015426 P6 0,0825 5,352 0,015415 CnH2n 0,0101 0,265 0,038113 CnH2n-6 0,0038 0,277 0,013718 H2 0,8000 295 0,002712 0,085384 Từ kết quả tính toán ta được: . Thay vào (*) ta được: =105072,79,Pa/m. Chiều dày của líp xúc tác: H1 = (m). = 0,41.105072,79= 39927,661 (Pa). Ta thấy: < [] = 0,79.105, Pa. Do đó: D = 2 (m) là thoả mãn. Khi đó chiều cao là: H = Hxt + 0,2 + D +0,225 + D +0,425 H = 3,58+0,2 +1,4 + 0,225 + 1,4 + 0,425 H = 7,234(m). Qui chuẩn thành 7 (m). Vậy lò phản ứng 1 có D = 2 (m) và chiều cao H = 7 (m). II.2. TÍNH TOÁN CHO LÒ PHẢN ỨNG THỨ 2 Ở lò này thực hiện ở nhiệt độ cao hơn lò 1 và sẽ xảy ra các phản ứng isome hoá và phản ứng Cracking. Nhiệt độ phản ứng trong lò là 230oC. Độ tụt áp giữa các lò thường là: 0,15-0,35 at. II.2.1. Tính cân bằng vật chất lò 2 Bảng 16: Thành phần nguyên liệu vào lò 2: Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi Gi=Mi.ni (kg/h) N 38,585 0,0141 84 3241,74 P5 287,14709 0,1048 72 20674,586 P6 228,818 0,0835 86 19677,502 H2 2218,208 0,7976 2 4436,416 2772,7482 1,0000 47944,644 Ta chọn độ tụt áp ở lò thứ 2 là: 0,3 at. Khi đó áp chung của hỗn hợp khí nguyên liệu vào lò thứ 2 là: P2= 20 – 0,3 = 19,7 at = 19,7 . 105 Pa Bảng17: Thành phần áp suất nguyên liệu và khí tuần hoàn vào lò 2 Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi Pi=19,7.105.yi(Pa) Gi=Mi.ni (kg/h) N 38,585 0,0141 84 0,27777.105 3241,74 P 515,9552 0,1883 78,21 3,70951.105 40352,088 H2 2218,208 0,7976 2 15,71272.105 4436,416 2772,7482 1,0000 19,7.105 47944,644 †Hằng số tốc độ của phản ứng Hydrocracking Naphten. Từ Tv = 563oK ® 1000/Tv = 1,776 theo đồ thị (3.15) ta có : k5 = 0,002647 (kmol/h.kgxtác). Sự giảm hàm lượng Naphten tương đối do phản ứng (5) là: . Mặt khác => - - DNN = 0,0000373.VR2 = 0,0000373.5,9988 = 0,0002237 (kmol/h). (kmol/h). Vậy hàm lượng Naphten tham gia phản ứng Cracking là: (kmol/h). Do đó hàm lượng Naphten còn lại sau phản ứng (5) là: nN = nN tổng – nN(5) = 38,585– 0,12408 = 38,4609 (kmol/h). Lượng H2 tham gia phản ứng (5) : H2(5) = 2.nN(5) = 0,12408.2 = 0,24816 (kmol/h). (kmol/h). † Hằng số tốc độ của phản ứng hydrocracking Parafin. Theo đồ thị (3.15) ta có k6 = 0,002647 (kmol/h.kg). (kmol/h.kg). - Sù giảm tương đối Parafin phản ứng (6) là: -DNP(6) = 4,9843.10-4.VR2 =4,9843.10-4.5,9988 = 0,002989(kmol/h). Lượng Parafin bị cracking là: nP(6) = DNP(6).nc =0,002989.554,552 =1,65807 (kmol/h). (kmol/h). Lượng H2 tham gia phản ứng (6) : H2(6) = nP(6) = 1,65807. 1,65807. =1,35055 (kmol/h). Bảng 18: Thành phần các cấu tử trong nguyên liệu vào lò 2 Cấu tử ni (kmol/h) yi Mi N 38,585 0,0696 84 P5 515,9552 0,5178 72 P6 228,81816 0,4126 86 783,34841 1,0000 † Tính lượng n-C5 chuyển hóa trong phản ứng (1). Theo đồ thị(3.16). Ta có nồng độ % mol ở trạng thái cân bằng ở nhiệt độ 563oK. % n-C5 = 26. % i-C5 = 74. Trong phân đoạn C5 nồng độ phần mol của i-C5 chiếm 42%, còn n-C5 là 58%. Nh­ vậy tại trạng thái cân bằng thì n-C5 trong phân đoạn C5 chuyển hoá là: 58 – 26 = 32%. Do đó phần mol n-C5 chuyển hóa là: Lượng n-C5 đã chuyển hoá sau phản ứng (1) là: (kmol/h). => Lượng i-C5 tạo thành là: (kmol/h). Lượng n-C5 còn lại được tách cho tuần hoàn là: kmol/h. † Tính lượng n-C6 chuyển hoá trong phản ứng (2). Theo đồ thị (3.17), nồng độ phần mol của n-C6 ở trạng thái cân bằng tại nhiệt độ 563oK là : %n-C6 = 19. %i-C6 = 81. Nồng độ n-C6, i-C6 trong phân đoạn C6 theo bảng 1 của nguyên liệu là: n-C6 = 45,9%. i-C6 = 54,1%. Nh­ vậy: % n-C6 đã chuyển hoá ở trạng thái cân bằng đối với C6- Parafin: Phần mol n-C6 đã chuyển hoá so với hỗn hợp nguyên liệu: Vậy lượng n-C6 chuyển hoá sau một lần phản ứng: (kmol/h). Lượng i-C6 tạo thành là: (kmol/h). Lượng n-C6 tách tuần hoàn: (kmol/h). †Tính lượng H2 tuần hoàn. H2(th) = SH2(nguyên liệu) - H2(5) - H2(6). Thay sè ta có: H2(th) = 2218,208 – 0,2481 – 1,35055 = 2216,6093 = 2216,6093(kmol/h). (kmol/h). †Lượng C1 ¸ C5 sinh ra trong quá trình phản ứng: Theo phương trình phản ứng (5) và (6) ta có thể tính được tương đối lượng C1 ¸ C5 sinh ra: P*= =0,65136(kmol/h). *Cân bằng vật chất của lò phản ứng 2 được mô tả ở bảng sau: Bảng 19: Cân bằng vật chất của lò 2 Cấu tử nC-i (kmol/h) yi Mi Gi=Mi.ni (kg/h) Đầu vào N 38,585 0,0141 84 3241,74 P 515,9552 0,1883 78,21 40352,088 H2 2218,208 0,7976 2 4436,416 2772,7482 1,0000 47944,644 Đầu ra A 0,0000 - - 0,00 N 38,4609 0,01404 84 3230,7169 n-C5 73,6445 0,02689 72 5302,4044 n-C6 43,4768 0,01587 86 3739,0114 i -C5 212,5043 0,07759 72 15300,312 i -C6 185,3312 0,06767 86 15938,49 P* 0,65136 0,00029 44 28,6598 H2 2216,6093 0,79763 2 4433,2186 2730,6786 1,00000 47944,644 Bảng 20: Lượng tuần hoàn Cấu tử nC-i, kmol/h H2 2216,6093 n- C5 73,6445 n- C6 43,4768 2333,7307  Bảng 21: Lượng sản phẩm Cấu tử nC-i, kmol/h i-C5 212,50433 i-C6 185,3312 N 38,4609 P* 0,65136 436,9478 II.2.2. Tính cân bằng nhiệt lượng lò 2 Ta có phương trình cân bằng nhiệt: Q1 + Q2 = Q3 + Q4 + Q5 Q1 : Nhiệt lượng mang vào bởi sản phẩm và khí tuần hoàn sau lò 1. Q2 : Nhiệt lượng của thiết bị trao đổi nhiệt thu được để giảm nhiệt độ của sản phẩm và khí tuần hoàn sau lò phản ứng 1 từ 250oC đến 230oC. Q3 : Nhiệt lượng mang ra khỏi lò phản ứng do các sản phẩm phản ứng và khí tuần hoàn. Q4 : Nhiệt phản ứng. Q5 : Nhiệt lượng mất mát ra môi trường xung quanh. Lượng nhiệt được tính theo công thức: Qi=nC-i.Ci.ti (KJ/h) Trong đó : nC-i lưu lượng của từng cấu tử i (kmol/h). Ci Nhiệt dung riêng của cấu tử i (J/mol.độ). ti: Nhiệt độ cấu tử i 0C. Cc=å nci. Ci (kJ/h.độ) Trong đó các: ni: là các thành phần phần khối của cấu tử thứ i. Nhiệt dung riêng của một chất được tính theo: Cp = a0+a1.T+a2.T2 Cp = a0+a1.T+a-2.T-2 Trong đó các giá trị a0 ;a1 ;a2 ;a-2 : là các hằng số thực nghiệm. T : Nhiệt độ tuyệt đối 0k. Ta có các công thức tính nhiệt dung riêng của các loại Hydrocacbon nh­ sau: - Đối với Parafin:[5-415] [5-415] Cp= (-2,1 + 4,8.n) + (27,60 + 69,11.n).10-3.T – (0,53 + 2,19.n).10-5.T2 (j/mol.K) Với n là số nguyên tử cacbon có trong parafin. - Đối với Naphten: + Alkylcyclopentan: Cp= (-19,49 + 3,75.n’) + (399,96 + 70,73.n’).10-3.T – (12,65 + 2,21.n’).10-5.T2 (j/mol.K) (j/mol.K) Với n’= n-5. + Akylcyclohecxan: Cp= (-25,61 + 5,56.n”) + (517,53 + 68,30.n”).10-5.T2 (j/mol.K) Với n” = n- 6. Bảng 22: Giá trị hiệu ứng nhiệt của từng phản ứng Phản ứng Q, kcal/mol 1 2 2 2 3 27 4 50 5 20 6 11 Bảng 23: Nhiệt dung riêng của hỗn hợp nguyên liệu và hydro tuần hoàn vào lò 2 ở 2300C Cấu tử nci,(kmol/h) Ci 2300C j/mol.độ Ci.nci 2300C kj/h.độ P 515,9552 iso- Pentan 120,61506 199,17 24022,902 n- Pentan 166,53197 198,31 33024,955 2,2-Dimetylbutan 2,05184 239,43 491,2726 2,3-Dimetylbutan 11,42377 236,39 2700,4652 Metylpentan 110,3003 238,38 26293,407 n- Hexan 105,0321 235,73 24759,229 N 44,1050 Metyl-Cyclopentan 21,57207 207,77 4482,0296 Cyclohexan 17,0247 212,28 3614,0131 A Benzen 0 - - H2 2218,208 29,30 64993,494 2851,9825 184381,77 a, Tính Q2: Lượng nhiệt cần cung cấp của lò đốt để nâng nhiệt độ của sản phẩm lò 1 lên 230oC để làm nguyên liệu cho lò 2: Q2 = Q12 – Q1 Lượng nhiệt mang vào của nguyên liệu và khí tuần hoàn ở 230oC: Q12= Qnl + QH Trong đó: Qnl = ni.Ci.t1 = nc.Cc.t1 QH = nH.CH.t1 Theo giá trị tính toán ở bảng ta có: Q12 =184381,77. 230 =53470713 (kj/h) Mà ta có Q1 = 40303217 (kj/h) (kj/h) Q2 =53470713– 40303217 =13167496 (kj/h) b, Tính Q4: Lượng nhiệt sinh ra do quá trình phản ứng. ở thiết bị phản ứng 2 xảy ra các phản ứng (1), (2), (5) và phản ứng (6). Vậy Q Q4 = Ta có các giá trị cho trong bảng sau: Bảng 24 TT kmol/h kcal/mol kj/h 1 91,8892 2 769296,93 2 61,5552 2 515340,74 5 0,12408 20 10388,304 6 1,65807 11 76347,744 Vậy Q4 =1371373,7 (kj/h) c, Tính Q3: Chọn nhiệt lượng mất mát ra khỏi môi trường phản ứng = 5% nhiệt lượng của sản phẩm mang ra: Q5 = 0,05 . Q3 Vậy tổng lượng nhiệt của đầu ra là = Q3 + 0,05 . Q3 = 1,05 .Q3 1,05 . Q3 = Q1 + Q2 – Q4 Mà ta có các phản ứng là toả nhiệt do đó: 1,05 . Q3 = 40303217+13167496 + 1371373,7 =5482087(kj/h) (kj/h) Q3 =52230559 (kj/h) Q5 = 2611527,9 (kj/h) Bảng 25: Cân bằng nhiệt lượng của thiết bị phản ứng 2 Dòng Lượng Kmol/h Nhiệt lượng Kj/h Đầu vào Q1 40303217 Q2 13167496 Q4 1371373,7 2772,7492 54842087 Đầu ra Q3 52230559 Q5 2611527,9 2772,7492 54842087 II.2.3. Tính toán kích thước chính của lò phản ứng 2 Lò phản ứng là loại lò xuyên tâm. Việc lùa chọn đường kính của lò phải thoả mãn sao cho tổn thất áp suất [] tại líp xúc tác không vượt quá giá trị cho phép. Theo một số tài liệu thì tổn thất áp suất này được tính theo công thức: [] = (Pa)[6-269] [6-269] Trong đó: nP = 1 là số lò phản ứng. [] = 0,5 . 0,158 . 106 = 0,79.105 (Pa) (*) Trong đó: - H1: chiều dày của líp xúc tác. - : Tổn thất áp suất trên 1m chiều dày của líp xúc tác (Pa/m). - : Độ rỗng của líp xúc tác, m3/m3. - : Vận tốc của dòng hơi qua líp xúc tác, m/s. - : Khối lượng riêng của hỗn hợp khí, kg/m3. - : Độ nhít động học của hỗn hợp khí, m2/s. - : Đường kính tương đương của hạt xúc tác, m. *Công thức tính các giá trị trên nh­ sau: ØTính : Trong đó: VC: Thể tích hạt chất xúc tác hình cầu tương đương với thể tích một hạt xúc tác hình trụ, m3. VTT: Thể tích hình lập phương ngoại tiếp hình cầu của hạt chất xúc tác. Nếu chọn đường kính hình trụ d= 0,003 (m), và chiều cao H=0,005 (m) thì: ,m3 Đường kính tương đương của hạt xúc tác ,m Do đó: = = 0,524 (m3/m3) ØTính : Vận tốc theo phương bán kính của hỗn hợp khí ở thiết diện nhỏ nhất tại lưới của ống trung tâm được tính: [6-250] Trong đó: VG: Thể tích hỗn hợp khí đi qua tiết diện tự do trong 1 giây, m3/s. FC: là tiết diện của lưới ống, m2. *Tính VG: Trong đó: G: Hỗn hợp khí ở trong lò, kg/h. Ttb: Nhiệt độ trung bình trong lò phản ứng, oK. Z: Hệ số nén của hỗn hợp khí. Mtb: Khối lượng mol trung bình của hỗn hợp khí, kg/kmol. Ptb: áp suất trunh bình trong lò phản ứng, Pa. (Pa). Ttb = (oK). Mtb = 0,0038.78+ 0,101.84+ 0,1861.78,21+ 0,8.2=16,18. Z = 1. G = 54820 (kg/h). (kg/h). Vậy thay số vào ta có: VG= (m3/s). ØDiện tích lưới tại ống trung tâm được tính nh­ sau: [6-271] Trong đó: -D1: Đường kính lưới, m. -H1: Chiều cao lưới, m. Đường kính của lò phản ứng được chọn là 1,4 m, đường kính lưới là 0,5 m. Chiều cao của lưới xúc tác: H1 = Hxt – 0,4[6-271] [6-271] Hxt : Chiều cao của líp xúc tác trong lò phản ứng, m. 0,4: Chiều cao của ống trung tâm không đục lỗ. Hxt =Vxt/F. Vxt: Thể tích xúc tác trong lò, m3. F: Tiết diện vòng giữa của các ống lọc. [6-271] Trong đó: -D: Đường kính của lò phản ứng, m. -D1: Đường kính lưới, m. -: Khoảng cách trong thân lò và vỏ lò, m. =0,04, m. -2.0,02: là tổng chiều dàycuar thân và vỏ ống trung tâm. Vậy: Hxt= 27,7215/4,25245= 6,5189 (m). Vậy: H1 = 6,5189 – 0,4 = 6,1189 (m). FC = 3,14. 0,5. 6,1189 = 9,6115(m2). Do đó: = VG/FC = 2,021/9,6115= 0,21026m/s). +Khối lượng riêng của hỗn hợp phản ứng: [9] Trong đó: -: khối lượng riêng của cấu tử i, kg/m3. -yi: phần mol của cấu tử i. (kg/m3). +Tính độ nhít động học của hỗn hợp theo công thức sau: [6-272] Trong đó: -yi : Phần mol của cấu tử i trong hỗn hợp. - : Độ nhít động học của cấu tử i tại nhiệt độ phản ứng, m2/s. Bảng 26: Độ nhít động học của các cấu tử ở 230oC Cấu tử yi .106, m2/s yi/(.106) P5 0,1036 6,716 0,015426 P6 0,0825 5,352 0,015415 CnH2n 0,0101 0,265 0,038113 CnH2n-6 0,0038 0,277 0,013718 H2 0,8000 295 0,002712 0,085384 Từ kết quả tính toán ta được: . Thay vào (*) ta được: =35756,87Pa/m. Chiều dày của líp xúc tác: H1 = (m). = 0,38.35756,78= 13587,613(Pa). Ta thấy: < [] = 0,79.105, Pa. Do đó: D = 1,4 (m) là thoả mãn. Khi đó chiều cao là: H = Hxt + 0,2 + D +0,225 + D +0,425 H = 6,5189+0,2 +1,4 + 0,225 + 1,4 + 0,425 H = 10,1689(m). Qui chuẩn thành 10 (m). Vậy lò phản ứng 1 có D = 2,5(m) và chiều cao H = 10 (m). PHẦN III.XÂY DỰNG [XIV] I. GIỚI THIỆU CHUNG Phân xưởng sản xuất là phân xưởng ISOME Hoá công suất 350.000 t/năm. Đặc điểm của phân xưởng là có nhiều chất gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sinh thái và ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người. Do đó việc xác định địa điểm xây dựng nhà máy cần phải được tính toán cân nhắc cẩn thận để đảm bảo yêu cầu là giảm thiểu vấn đề ô nhiễm môi trường và sức khoẻ của người lao động trực tiếp cũng như dân trong vùng lân cận nhà máy. Ngoài ra việc xác định địa điểm xây dựng hợp lý sẽ tạo điều kiện tốt cho giai đoạn chuẩn bị đầu tư, là cơ sở phát triển sản xuất, kinh doanh của nhà máy, vốn đàu tư cũng như giá thành sản phẩm của nhà máy, trước mắt cũng như lâu dài. II. PHÂN TÍCH ĐỊA ĐIỂM XÂY DỰNG NHÀ MÁY Phân xưởng ISOME Hoá với năng xuất 350000t/năm được đặt tại Dung Quất - Quảng Ngãi. 1. Địa điểm xây dựng Địa điểm xây dựng tại Dung Quất – Quảng Ngãi là nơi được chính phủ phê duyệt xây dựng khu công nghiệp. Đối với địa điểm này có nhiều yếu tố thuận lợi cho việc xây dựng nhà máy nh­: Mạng lưới giao thông: Hướng đông cách khoảng 6 km là biển, với độ sâu rộng rất thuận tiện cho tàu trọng tải lớn cập bến và có thể nhiều tàu cập bến một lần. Hướng tây nam là mạng lưới giao thông quốc gia cả đường bộ và đường sắt. Hướng bắc giáp với khu kinh tế mở Quảng Nam. Do đó về vấn đề giao thông là hết sức thuận lợi cho việc vận chuyển nguyên liệu còng nh­ việc xuất sản phẩm ra khỏi nhà máy. Về vấn đề xây dựng thì nguyên vật liệu xây dựng được cung cấp ngay trong nội tỉnh, nguồn nhân công dồi dào, đây là một yếu tố rất thuận lợi cho quá trình xây dựng cũng như vận hành nhà máy. Với địa hình nhà máy là hướng đông giáp biển và hướng gió chủ đạo là gió tây nam vì vậy các chất khí, bụi của nhà sẽ Ýt hoặc không ảnh hưởng đến khu dân cư. 2. Khu đất xây dựng Với kích thước và hình dạng của khu đất rất thuận lợi cho việc xây dựng trước mắt cũng như việc mở rộng nhà máy sau này. Khu đất cao ráo, không bị ngập lụt, độ dốc tự nhiên của khu đất khoảng 1% với nền đất sét kết hợp với đất đá ong nên đảm bảo tính chịu tải trọng lớn. Khu đất được kiểm tra trước khi được chính phủ quy hoạch làm khu công nghiệp, dưới lòng đất không có mỏ khoáng sản . Diện tích khu đất đẵ được tính toán thoả mãn mọi yêu cầu đòi hỏi của dây truyền công nghệ trên cơ sở bố trí hợp lý các hạng mục công trình. Khu đất nằm trong khu công nghiệp do đó nó đảm bảo tốt mối quan hệ với các nhà máy lân cận trong việc sử dụng chung các công trình đảm bảo kỹ thuật, xử lý nước thải chống ô nhiễm môi trường và các công trình phục vụ công cộng khác. 3. Bảo vệ môi trường Với địa hình địa lý như trình bày ở trên cho thấy nhà máy khi hoạt động đảm bảo vệ sinh môi trường rất tốt. Vấn đề nước thải hay khí thải được xét đến một cách cẩn thận và có quy hoạch đồng bộ theo phương pháp phân khu và bố trí hướng hợp lý. III. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ TỔNG MẶT BẰNG PHÂN XƯỞNG ISOME HÓA 1.Nguyên tắc phân vùng Tuỳ theo đặc thù sản xuất của nhà máy mà người thiết kế sẽ vận dụng nguyên tắc phân vùng cho hợp lý. Trong thực tiễn thiết kế thì biện pháp phân chia khu đất thành các vùng theo đặc điểm sử dụng phổ biến nhất. Tổng mặt bằng nhà máy được chia ra làm 4 vùng chính: + Vùng trước nhà máy. + Vùng sản xuất. + Vùng phụ trợ phục vụ sản xuất. + Vùng kho tàng và phục vụ giao thông. -Vùng trước nhà máy bao gồm các nhà hành chính quản lý, hội trường, nhà ăn, gara để xe đạp, xe máy, ôtô, nhà y tế, cổng ra vào và phòng bảo vệ, nhà hoá nghiệm, tuỳ theo diện tích nhà máy, quy mô sản xuất mà vùng này chiếm từ 4-20% diện tích nhà máy. -Vùng sản xuất bao gồm phân xưởng sản xuất, phòng điều khiển trung tâm, các công trình thuộc dây truyền sản xuất. Vùng này thường chiếm từ 22-25% diện tích nhà máy. -Vùng phụ trợ sản xuất bao gồm xưởng cơ điện, lò đốt, khu thiết bị trao đổi nhiệt, nhà cứu hoả, hệ thống bơm, thiết bị tạo hơi nước, khu thiết bị ngưng tụ và làm lạnh, khu làm sạch nước thải. -Vùng kho tàng và đường giao thông bao gồm kho chứa nguyên liệu, kho chứa sản phẩm, hệ thống đường giao thông. Đường ôtô là hệ thống đường bê tông, 2 làn xe chạy mỗi làn 2,5 m, vỉa hè đi bộ chiều rộng 1 m. Diện tích phù hợp thường chiếm từ 23-37%. Các hạng mục công trình (Bảng 1) TT Tên công trình Số lượng Kích thước Diện tích (m2) dài(m) rộng(m) 1 Thiết bị sấy khí 2 12 12 144 2 Thiết bị phản ứng 2 12 12 144 3 Máy nén và bơm 1 12 12 144 4 Thiết bị tách 1 12 12 144 5 Tháp ổn định 1 12 12 144 6 Cột hấp phụ và van quay 1 12 12 144 7 Tháp chưng cất 1 12 12 144 8 Lò đốt và thiết bị nồi hơi 1 12 9 108 9 Cột Rafinat 1 12 12 144 10 Nhà điều khiển 1 12 9 108 11 Bể chứa nước 1 24 12 288 12 Nhà sản xuất nước 1 12 9 108 13 Trạm điện 1 12 12 144 14 Nhà cứu hoả 1 12 9 108 15 Nhà cơ khí 1 24 12 144 16 Phòng hoá nghiệm 1 12 9 108 17 Nhà để xe 1 30 12 360 18 Nhà hành chính 1 30 12 360 19 Nhà ăn 1 30 12 360 20 Hội trường 1 30 12 360 21 Bể chứa nguyên liệu 6 30 30 5400 22 Bể chứa xăng 4 12 12 576 23 Thiết bị chứa Hyđro 2 6 6 72 24 Bể chứa khí nhiên liệu 2 6 6 72 25 Bể chứa khí nhẹ 2 6 6 72 26 Phòng bảo vệ 4 6 6 144 27 Đất dự trữ 1900 28 Trạm nhập nguyên liệu 1 12 9 108 29 Trạm xuất sản phẩm 1 12 9 108 Tổng 12160 2. Ưu nhược điểm của nguyên tắc phân vùng + Ưu điểm: - Dễ dàng quản lý theo ngành, theo các xưởng, theo các công đoạn của quá trình sản xuất. Thích hợp với các nhà máy có những xưởng, những công đoạn có đặc điểm sản xuất khác nhau. Đảm bảo các yêu cầu về vệ sinh công nghiệp, dễ dàng sử lý các bộ phận phát sinh các điều kiện bất lợi trong quá trình sản xuất như khí độc, bụi, cháy nổ. Dễ dàng bố trí hệ thống giao thông bên trong nhà máy. Thuận lợi cho quá trình mở rộng nhà máy. Phù hợp với đặc điểm khí hậu ở việt Nam + Nhược điểm: Dây truyền sản xuất phải kéo dài, hệ thống mạng lưới kỹ thuật và mạng lưới giao thông tăng, hệ số xây dựng, hệ số sử dụng thấp. 3. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật Để đánh giá lùa chọn phương án thiết kế tổng mặt bằng nhà máy người ta dùa vào một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Diện tích nhà máy: Diện tích xây dựng: Diện tích sử dụng: Hệ số xây dựng: Hệ số sử dụng: Trong đó: F: Diện tích toàn phân xưởng A: Diện tích chiếm đất của nhà và công trình B: Diện tích kho bãi lé thiên Trong đó: F: Diện tích toàn phân xưởng A: Diện tích chiếm đất của nhà và công trình B: Diện tích kho bãi lé thiên C: Diện tích chiếm đất của đường bộ, sắt,ống kỹ thuật, rãnh thoát nước. IV.CÁC NGUYÊN TẮC VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT TRONG XÂY DỰNG IV.1 Các nguyên tắc khi xây dựng Việc xây dựng cần phải tuân theo những nguyên tắc sau : Cần bố trí các hạng mục chính trong dây chuyền một cách hợp lý để đảm bảo các hạng mục đó hoạt động thuận tiện và hợp lý nhất. Các hạng mục công trình cần được thiết kế gọn gàng, hợp lý và tiết kiệm diện tích nhất Triệt để việc bố trí mặt bằng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc tháo xả cặn và sản phẩm còng nh­ tiết kiệm năng lượng. Khi bố trí các công trình trên mặt bằng cần phải dự kiến trước các hạng mục sẽ xây dựng ở giai đoạn sau tạo điều kiện thuận lợi cho việc sản xuất. Các công trình phụ trợ cần phải đặt gần các công trình chính để giảm chi phí vận chuyển. Các công trình gây nhiễm bẩn, độc hại nên bố trí riêng biệt xa công trình chính, cuối hướng gió và Ýt người qua lại. Trạm biến thế nên đặt gần nơi sử dụng nhiều nhất nh­ máy bơm, máy nén và gần đường bộ. Đường giao thông nội bộ cần bố trí hợp lý đến từng công trình với chiều rộng đủ lớn để xe ôtô có thể ra vào được. Đảm bảo mỹ quan nhà máy. IV.2 Thông số kỹ thuật trong xây dựng *. Nhà hành chính, nhà nghỉ, sinh hoạt, nhà bảo vệ, y tế, nhà vệ sinh, nhà điều khiển trung tâm, nhà để bơm quạt. -Giằng móng bê tông cốt thép. -Nền vữa xi măng 30 mm, lát gạch đá hoa. -Tường gạch bao quanh 220mm, tường ngăn 110mm. -Kết cấu mái bằng, mái đổ bê tông cốt thép dày 9mm. *. Nhà để xe đạp , xe máy và ôtô -Tường gạch 100mm. -Dầm mái bằng bê tông cốt thép, dầm dốc về hai phía, kết cấu mái bằng tôn thép, xà gồ bằng thép. -Nền bê tông xi măng cát sỏi. -Cột bằng bê tông cốt thép, kích thước 300.400mm. *. Nhà kho, nhà sửa chữa -Mãng giằng bê tông cốt thép. -Cột phần trên vai cột 300.400mm, phần dưới vai cột 400.600mm. Chọn cột một thân nhà có cầu trục nhỏ hơn 30 tấn. -Dầm mái bằng bê tông cốt thép, nghiêng về hai phía, mái bằng fibrô ximăng, xà gồ bằng thép. -Nền kết cấu bằng bê tông xi măng cát sỏi. -Tường gạch 200 mm trát vữa xi măng. *. Bể chứa - Bể chứa là các tháp được làm bằng vật liệu CT3 và có bảo ôn. *. Giao thông trong phân xưởng Đường giao thông trong phân xưởng được trải nhựa, có chiều rộng 6m gồm 2 cổng vào phân xưởng: cổng chính và cổng phụ. Cổng chính được nối liền với đường quốc lé. Đường được bố trí thuận lợi cho việc đi lại và vận chuyển các thiết bị khi lắp đặt còng nh­ khi sửa chữa. Hai bên đường trồng cây cảnh và các vườn hoa đảm bảo cảnh quan cho môi trường nhà máy. Các đường ống chính trong nhà máy nh­ đường ống thoát nước phục vụ sản xuất, sinh hoạt, đường ống nước thải, nước mưa. IV.3 Bố trí mặt bằng Diện tích cần sử dụng cho phân xưởng là 1430 m2. Trong đó hệ số sử dụng là 65%. Do yêu cầu của dây chuyền công nghệ các thiết bị được bố trí trong nhà sản xuất được bố trí giữa phân xưởng. Để phù hợp với dây chuyền công nghệ ta bố trí các thiết bị sao cho bảo đảm sản xuất một cách liên tục thuận lợi. Công trình được bố trị lé thiên, cho nên cần đảm bảo che chắn cục bộ tạo điều kiện thuận lợi cho công nhân khi làm việc. V. TỰ ĐỘNG HOÁ 1. Mục đích Tù động điều chỉnh là quá trình ứng dụng các dụng cụ, các thiết bị và các máy móc tự động điều khiển vào quá trình công nghệ. Những phương tiện này cho phép thực hiện các quá trình công nghệ theo một chương trình tiêu chuẩn đã được tạo dựng phù hợp với công nghệ, đảm bảo cho máy móc thiết bị hoạt động theo chế độ tối ưu nhất, việc tự động hoá không chỉ làm đơn giản các thao tác trong sản xuất, tránh được nhầm lẫn, tăng năng suất lao động và cho phép giảm số lượng công nhân và còn là biện pháp hữu hiệu trong an toàn lao động. Để đảm bảo các yêu cầu trên thì việc sử dụng hệ thống tự động đo lường và các biện pháp tự động hoá trong sản xuất không chỉ là một vấn đề cần thiết mà còn có tính chất bắt buộc đối với công nghệ này. Trong khi hoạt động chỉ một thiết bị không ổn định thì chế độ công nghệ của cả dây chuyền bị phá vỡ, trong nhiều trường hợp phải ngừng hoạt động của cả dây chuyền để sửa chữa cho dù chỉ một thiết bị. Nh­ vậy từ các đặc điểm đã cho thấy đo lường tự động hoá và tự động hoá trong dây chuyền công nghệ là một vấn đề hết sức quan trọng. Nó không chỉ tăng năng suất của công nghệ, công suất của thiết bị mà là cơ sở để vận hành công nghệ tối ưu nhất, tăng hiệu quả thu hồi sản phẩm đồng thời giảm đáng kể các chi phí khác, đảm bảo an toàn cho nhà máy sản xuất, nhờ có tự động hoá mà những nơi có thể xảy ra các hiện tượng cháy nổ hay rò rỉ hơi sản phẩm độc hại ra ngoài được điều khiển tự động, tự động kiểm tra tránh được việc sử dụng công nhân. Tù động hoá đảm bảo các thao tác điều khiển các thiết bị công nghệ một cách chính xác, tránh được các sự cố xảy ra trong thao tác điều khiển, tự động báo động khi có sự cố xảy ra. 2. Hệ thống điều khiển tự động Hệ thống tự động điều chỉnh bao gồm đối tượng điều chỉnh (ĐT) và bộ điều chỉnh (BĐC). Bộ điều chỉnh có thể bao gồm bộ cảm biến và bộ khuyếch đại. Bé cảm biến dùng để phản ánh sự sai lệch các thông số điều chỉnh so với giá trị cho trước và biến đổi thành tín hiệu. Bộ khuyếch đại làm nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu của bộ cảm biến giá trị có thể điều khiển (CQĐK), cơ quan này tác động lên đối tượng nhằm xoá đi độ sai lệch của các thông số điều chỉnh. Mạch điều chỉnh được khép kín nhờ quan hệ ngược. Quan hệ này được gọi là hồi tiếp chính. 3. Các dạng điều khiển tự động + Tù động kiểm tra và tự động bảo vệ: Tù động kiểm tra các thông số công nghệ (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, nồng độ,…) kiểm tra các thông số công nghệ đó có thay đổi hay không? Nếu có thì cảnh báo chỉ thị ghi lại giá trị thay đổi đó, truyền tín hiệu tác động điều chỉnh đến đối tượng. ®t CB BK§ N C CT G PL 3 2 1 5.1 5.2 5 5.3 1 3 5.4 4 Có thể biểu diễn sơ đồ tự động kiểm tra và tự động điều chỉnh nh­ trên: 1. Đối tượng điều chỉnh 2. Cảm biến đối tượng 3. Bộ khuyếch đại 4. Yếu tố nhiễu. 5. Cơ cấu chấp hành 5.1. Cảnh cáo 5.2. Chỉ thị bằng kim hoặc bằng số 5.3. Ghi lại sự thay đổi 5.4. Phân loại + Dạng tự động điều khiển: Sơ đồ cấu tróc nh­ sau: §T CB BK§ B§ N 4 1 2 3 5 1. Đối tượng điều khiển 2. Cảm biến đối tượng 3. Bộ khuyếch đại 4. Yếu tố nhiễu Bộ đặc cho phép ta đặc tín hiệu điều khiển, nó là một tổ chức tác động có định hướng điều khiển tự động. §T CB SS B§ CCCH BK§ N + Dạng động điều chỉnh: Sơ đồ cấu trúc: 1 2 6 5 7 3 4 1. Đối tượng điều chỉnh 2. Cảm biến đối tượng 3. Bộ khuyếch đại 4. Yếu tố nhiễu 5. Bộ đặc 6. Bé so sánh 7. Cơ cấu chấp hành Trong tất cả các dạng tự động điều khiển thường được sử dụng nhất là kiểu hệ thống tự động điều khiển có tín hiệu phản hồi (mạch điều khiển khép kín). Giá trị thông tin đầu ra của thiết bị dùa trên sự khác nhau giữa các giá trị đo được của biến điều khiển với giá trị tiêu chuẩn. Sơ đồ được mô tả nh­ sau: N Đại lượng đặt Đai lượng ra x Y XĐC ΔX XCB phản hồi Sơ đồ mạch điều khiển phản hồi Y : Đại lượng đặt ĐT : Phần tử đặt trị X : Đại lượng ra ĐC : Phần tử điều chỉnh N : Tác nhân nhiễu XCB : Gía trị cảm biến O : Đối tượng điều chỉnh XĐT : Gía trị đặt trị XPH: Tín hiệu phản hồi ΔX ( trị sè ) = XĐT - XCB CB : Cảm biến SS : Phần tử so sánh Phần tử cảm biến: là phần tử làm nhiệm vụ nhận tín hiệu điều chỉnh X và dịch chuyển nó ra một dạng thông số khác cho phù hợp với thiết bị điều chỉnh. Phần tử đặt trị: là bộ phận Ên định các thông số cần duy trì hoặc giá trị phạm vi các thông số cần duy trì (XĐT). Khi thông số vận hành lệch ra khỏi giá trị đó thì thiết bị điều chỉnh tự động phải điều chỉnh lại các thông số cho phù hợp (thường trên bộ đặt trị có thiết kế các vít hoặc công tắc để người điều chỉnh dễ dàng thay đổi các giá trị (đặt các thông số điều chỉnh) cho phù hợp khi vận hành. - Phần tử so sánh: là cơ cấu tiếp nhận giá trị của phần tử định trị qui định (XĐT) so sánh với giá trị thông số nhận được từ phần tử cảm biến XCB, xác định sai lệch của hai thông số ΔX = XĐT - XCB để đưa tín hiệu vào cơ cấu điều chỉnh. - Cơ cấu điều chỉnh: có nhiệm vụ biến các tín hiệu đã nhận về sai lệch Δx để gây ra tác động điều chỉnh trực tiếp. Gía trị điều chỉnh được thay đổi liên tục tương ứng với sự thay đổi liên tục của cơ câu điều chỉnh. 4. Hệ điều khiển phản hồi Sơ đồ điều khiển nồng độ Dông cụ đo Thiết bị Bé điều khiển LC Van điều chỉnh Dòng ra Trong sơ đồ này biến được điều khiển là nồng độ, tốc độ dòng chảy là biến thao tác. Tín hiệu được điều khiển sinh ra bằng cách so sánh các giá trị của biến được điều khiển (nồng độ) với giá trị mong muốn (giá trị cài đặt). Sự sai khác giữa hai tín hiệu này được gọi là tín hiệu sai khác, hệ thống điều khiển thông tin luôn là hàm của các tín hiệu sai khác. Tín hiệu điều khiển thường được dùng bằng hơi nước hoặc được dùng bằng điện. Tín hiệu điều khiển được gửi qua van điều khiển đến các vị trí đặc biệt hoặc đóng, mở. Bất kỳ một sự thay đổi nào đó trong các tín hiệu điều khiển dẫn đến các thay đổi có thể tính trước trong tốc độ dòng chảy của chất lỏng khi ra khỏi thiết bị. Nh­ vậy về nguyên tắc thì nguyên lý điều khiển của hệ thống nh­ trên hầu nh­ là giống nhau cho tất cả các hệ thống. Hệ thống điều khiển thiết bị gia nhiệt không cần thiết tại sao giá trị nhiệt độ tại đầu ra của dòng được gia nhiệt lại thay đổi nhưng tốc độ của dòng tác nhân vẫn có thể thay đổi được một cách đơn giản để cho nhiệt độ đầu ra của dòng được gia nhiệt được tương thích với giá trị nhiệt độ được cài đặt. TC Nhiệt độ mong muốn TC Nhiệt độ TI thực Hơi tác nhân mang nhiệt Dòng vào Dòng ra Dòng tác nhân ra 5. Cấu tạo của một số thiết bị tự động cảm biến a. Bộ cảm biến áp suất Trong các bộ điều chỉnh thường sử dụng bộ cảm ứng áp suất kiểu màng, hộp xếp, Piston, ống cong đàn hồi,… việc