Đề tài Thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thống cracking xúc tác

Thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thống cracking xúc tác MỞ ĐẦU Trong công nghệ chế biến dầu mỏ. Các quá trình chuyển hoá hoá học dưới tác dụng của nhiệt và xúc tác được sử dụng rộng rãi để chế biến các phân đoạn dầu mỏ khác nhau, thu các loại hợp chất hữu cơ làm nhiên liệu và nguyên liệu cho tổng hợp hoá học như : Sản xuất chất dẻo, cao su, sợi tơ tổng hợp, phân bón, các chất hoạt động bề mặt tẩy rửa... Hiệu quả sử dụng dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng quá trình chế biến bao gồm các quá trình cracking nhiệt, cracking xúc tác, reforming, irome hoá, polime hoá... đặc biệt là quá trình cracking xúc tác và reforming xúc tác đóng vai trò quan trọng để nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm. Chất xúc tác trong quá trình chuyển hoá có khả năng làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng, do đó có làm tăng tốc độ phản ứng lên cao. Xúc tác cũng làm giảm nhiệt độ phản ứng. Ngoài ra xúc tác còn có tính chọn lọc nó có khả năng làm tăng nhanh tốc độ, phản ứng mong muốn trong cùng một điều kiện như nhau. Tính chất này được ứng dụng để hướng các quá trình chế biến theo phản ứng có lợi để thu được sản phẩm chính của quá trình với hiệu suất và chất lượng cao nhất. Tuy nhiên trong quá trình làm việc ngoài các phản ứng có lợi xảy ra nhằm tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt và hiệu suất cao đồng thời các phản ứng phụ có hại cũng xảy ra như phản ứng tạo cốc bám trên bề mặt của xúc tác làm giảm hoạt tính của xúc tác. để đảm bảo hoạt tính cho xúc tác làm việc thì phải tiến hành tái sinh xúc tác. Trước thực trạng như vậy, yêu cầu thiết kế các phân xưởng tái sinh xúc tác chung và thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thống cracking xúc tác nói riêng là một đòi hỏi cần thiết. Với mục đích như trên bản đồ án này đề cập một số nội dung chính như sau: Cơ sở tạo cốc và tái sinh xúc tác Giới thiệu sơ đồ nguyên lý quá trình tái sinh xúc tác trong lớp xúc tác giả sôi. Tính toán và thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thống cracking xúc tác. PHẦN I TỔNG QUAN LÝ THUYẾT Chương I. cơ sở tạo cốc và tái sinh xúc tác Giới thiệu chung Trong công nghệ chế biến dầu mỏ các quá trình chuyển hoá hoá học dưới dạng tác dụng của chất xúc tác chiếm một tỷ lệ rất lớn và đóng vai trò quan trọng. Chất xúc tác trong quá trình chuyển hoá có khả năng làm giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng vì vậy tăng tốc độ phản ứng lên rất nhiều. Mặt khác khi có mặt của xúc tác có khả năng tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn . Điều này có tầm quan trọng đối với những phản ứng có hoạt ứng nhiệt dương ( như phản ứng hydro hoá, polime hoá,Ankyl hoá.. ) vì ở nhiệt độ cao về mặt nhiệt động không thuận lợi cho phản ứng này. Sự có mặt chất xúc tác trong quá trình chuyển hoá hoá học vừa có tác dụng nhanh quá trình chuyển hoá vừa có khả năng tạo ra nồng độ cân bằng nhất, có nghĩa là tăng được hiệu suất sản phẩm của quá trình. Điều quan trọng nữa là chất xúc tác có khả năng tăng nhanh không đồng đều giữa các loại phản ứng mà về phương diện nhiệt động có thể xảy ra trong cùng một điều kiện như nhau. Tính chất này gọi là tính chất chọn lựa của xúc tác. Người ta nghiên cứu kỹ từng loại xúc tác và lợi dụng tính chất lựa chọn của nó để hướng quá trình chế biến theo phản ứng có lợi, nhằm mục đích thu được các sản phẩm chính của quá trình có chất lượng cao, hiệu suất cao. Tóm lại, xúc tác có vai trò và ý nghĩa vô cùng quan trọng trong công nghệ chế biến dầu mỏ nói chung và trong quá trình cracking xúc tác nói riêng. Trong quá trình làm việc, cốc tạo ra bán trên bề mặt của xúc tác, làm giảm hoạt tính của nó. Vì thế việc khôi lại hoạt tính của xúc tác bằng quá trình tái sinh xúc tác cũng là vấn đề hết sức quan trọng cần được gải quyết đối với xúc tác cracking công nghiệp . Vì nó tiếp kiệm được nguyên vật liệu, lợi về kinh tế và đảm bảo được vệ sinh môi trường. 1.2 Quá trình sử dụng các chất xúc tác cho quá trình cracking. Trong quá trình chế biến dầu mỏ, các quá trình có xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong đó cracking xúc tác là điển hình . Xúc tác có tác dụng : Làm giảm năng lượng hoạt hoá, tăng tốc độ phản ứng Làm giảm nhiệt độ cần thiết của phản ứng Tăng tính chất chọn lọc ( Hướng phản ứng theo hướng cần thiết ) Sự phát triển và cải tiến quá trình cracking xúc tác trong công nghiệp chế biến dầu mỏ, ngoài việc cải thiện về nguyên vật liệu hệ thống thiết bị, chế độ công nghệ... thì ta thấy cái chính là do sự phát triển cải tiến trong việc sử dụng chất xúc tác . Xúc tác được dùng trong cracking thường là xúc tác rắn, xốp, có nguồn gốc thiên nhiên hay tổng hợp, với bề mặt bên trong lớn . Vào những năm 1919 –1920 người ta đã dùng xúc tác AlCl3 trong hệ thống cracking để sản xuất xăng. Xúc tác AlCl3 cho phép tiến hành cracking ở nhiệt độ thấp 200 –300 OC. Nhưng trong quá trình sử dụng người ta thấy có những nhược điểm như: Xúc tác bị mất mát nhiều do tạo phức với Hyđrô Cacbon của nguyên liệu, điều kiện tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu không tốt, cho hiệu suất và chất lượng xăng thấp. Về sau này người ta nghiên cứu sử dụng Alumo silicát vô định hình mà đầu tiên là đất sét bentonite. Năm 1936 ở Liên Xô cũ đã sử dụng xúc tác Alumôsicats ở quy mô công nghiệp. Sử dụng đất sét thiên nhiên làm xúc tác cracking người ta thấy hoạt tính của nó thấp. Vì vậy người ta tiến hành tổng hợp Alumô silicát trong các nhà máy chế tạo xúc tác. Sau đó trong công nghệ chế biến dầu mỏ người ta dùng phổ biến xúc tác Alumô silicát tổng hợp. Vì nó có hoạt tính và độ lựa chọn tương đối cao. Tuy vậy , hiện nay việc cải thiện xúc tác vẫn không ngừng phát triển. Các chất xúc tác Alumô silicát chứa zeolit đã và đang được nghiên cứu và sử dụng vào quá trình cracking xúc tác. Ở Mỹ vào năm 1972 đã sử dụng khoảng 80% chất xúc tác chứa Zeolit cho quá trình Cracking xúc tác. Hàng năm ở Mỹ tiêu thụ 130 nghìn tấn xúc tác trong đó chỉ có 14 nghìn tấn là không chứa Zeolit. Hện nay đã công bố hơn một vạn công trình nghiên cứu về Zeolit. Đã có 3 cuộc hội thảo về chuyên đề Zeolit. Năm 1967 họp ở Luân Đôn, 1970 họp ở Worecster và năm 1973 họp ở Zu-rích . Ngoài ra còn có nhiều hội nghị khác cũng có nhiều báo cáo về đề tài Zeolit. Những yêu cầu cần thiết đối với xúc tác cracking Quá trình cracking xúc tác là một quá trình không thể thiếu được trong bất kỳ nhà máy chế biến dâù nào trên thế giới. Vì quá trình này là một trong các quá trình chính để sản xuất xăng có trị số octan cao Xúc tác dùng trong quá trình cracking đòi hỏi những yêu cầu sau Hoạt tính xúc tác phải cao Hoạt tính xúc tác càng cao sẽ cho hiệu suất xăng càng lớn. Khi sử dụng xúc tác có hoạt tính cao thì thể tích vùng phản ứng yêu cầu không cần lớn lắm vẫn có thể đảm bảo năng suất yêu cầu. Hoạt tính xúc tác là yêu cầu quan trọng nhất đối với xúc tác dùng trong quá trình Cracking. Độ chọn lựa của xúc tác phải cao Xúc tác cần có độ chọn lựa cao để cho ta chất lượng xăng cao và hiệu suất lớn và trong khí Cracking có nồng độ lớn hơn các Hydrocacbon có cấu trúc nhánh. Độ ổn định phải lớn Xúc tác phải giữa được những đặc tính chủ yếu( hoạt tính , độ chọ lựa) của nó sau thời gian làm việc lâu dài. Xúc tác phải đảm bảo độ bền cơ, bền nhiệt. Trong quá trình làm việc xúc tác cọ sát với nhau và xúc tác cọ sát với thành thiết bị làm cho xúc tác dễ bị vỡ làm tổn thất áp suất qua lớp xúc tác tăng lên, làm mất mát xúc tác lớn . Vì vậy xúc tác phải đảm bảo độ bền cơ . Trong quá trình làm việc nhiệt độ có thể thay đổi. Khi nhiệt độ cao nếu xúc tác không có độ bền nhiệt thì có thể bị biến đổi cấu trúc dẫn đến làm giảm các tính chất của xúc tác. 5. Xúc tác phải đảm bảo độ thuần nhất cao Xúc tác cần đồng nhất về thành phần, về cấu trúc ,về hình dạng về kích thước. Khi kích thước không đồng đều sẽ tạo ra những vùng phân lớp và có trở lực khác nhau, do có sự phân lớp theo kích thước nên sẽ phá vỡ chế độ làm việc bình thường của thiết bị. Mặt khác khi kích thước không đồng đều làm tăng khả năng vỡ vụn dẫn đến mất mát xúc tác. Cấu trúc lỗ xốp không đồng đều sẽ làm giảm bề mắt tiếp xúc dẫn đến làm giảm hoạt tính xúc tác. 6. Xúc tác phải bền với những chất làm ngộ độc xúc tác. Xúc tác phải chống có hiệu quả tác dụng gây ngộ độc của những hợp chất như Nitơ, Lưu huỳnh, các kim loại nặng để kéo dài thời gian làm việc của xúc tác. 7. Xúc tác phải có khả năng tái sinh. Đây là yêu cầu quan trọng trong quá trình sử dụng xúc tác. Xúc tác có khả năng tái sinh thì sẽ nâng cao hiệu quả và năng suất của quá trình lượng tiêu hao xác tác giảm xuống. Xúc tác phải rễ sản suất và rẻ tiền. Theo những yêu cầu trên nếu không yêu cầu đòi hỏi quá khắt khe thì ta thấy Alumosilicát vô định hình có thể đáp ứng dụng làm chất xúc tác cho quá trình Crackimg. 1.4 Những thay đổi tính chất của xúc tác khi làm việc Xúc tác Cracking trong quá trình làm việc bị giảm hoạt tính và độ chọn lọc. Hiện tượng này người ta gọi là quá trình trơ hoá xúc tác. Quá trình trơ hoá càng nhanh , nếu ta tiến hành quá trình công nghệ ở điều kiện khó khăn , độ khắt khe tăng ( ví dụ ở nhiệt độ quá cao thời gian tiếp xúc quá dài, nguyên liệu xấu , ngoài ra còn xảy ra các quá trình khác làm tăng tốc độ trơ hoá. Chúng ta có thể phân quá trình trơ hoá xúc tác làm hai quá trình chính đó là : Sự trơ hoá do tác dụng làm thay đổi các tính chất lý hoá của xúc tác . Nguyên nhân của sự trơ hoá xúc tác có thể do : - Sự tác dụng của các độc tố như NH3, CO2 của các hợp chất Lưu huỳnh mà đặc biệt là H2S ở nhiệt độ cao . - Sự tích tụ kim loại nặng dưới dạng các Oxit làm thay đổi chức năng của xúc tác - Sự tác động của nhiệt độ cao và hơi nước. Các hợp chất khi tác dụng với xúc tác có thể chia thành ba nhóm. Nhóm không tác dụng với xúc tác ở nhiệt độ thấp hơn 620 oC như CO, CO2, NH3 . Nhóm làm giảm hoạt tính của xúc tác nhưng không làm giảm độ chọn lọc như hơi nước. Và nhóm làm giảm độ chọn lọc của xúc tác ( H2S ở nhiệt độ 425 oC ; NH3 SO2, SO3, ở nhiệt độ lớn hơn 620 oC ). Từ kinh nghiệm thao tác các công nghệ Cracking cho thấy rằng độ hoạt tính của xúc tác có thể duy trì nếu ta cho thêm hơi nước vào nguyên liệu hay việc sử lý trước và sau khi tái sinh xúc tác . Thêm hơi nước khi chế biến nguyên vật liệu có Lưu huỳnh sẽ có tác dụng âm vì khi đó lại làm tăng quá trình ăn mòn thiết bị và sản phẩm của quá trình ăn mòn lại làm nhiễm bẩn xúc tác , dẫn tới luôn làm giảm độ hoạt tính và độ chọn lọc của chất xúc tác . Tác dụng đồng thời của nhiệt độ cao và hơi nước làm giảm độ hoạt tính tổng cộng của xúc tác . Khi áp dụng quá trình ở lớp sôi ( FCC) do cần duy trì ở điều kiện để cốc Ýt lắng đọng trên xúc tác và xúc tác không bị quá nhiệt , khi tái sinh người ta phải đưa vào một lượng nhỏ hơi nước . Hơi nước cho vào còn có nhiệm vụ đẩy khí tái sinh và khí sản phẩm ra khỏi bề mặt xúc tác và cũng để chánh phần nào sự tạo cốc . Nhưng nếu cho hơi nước vào nhiều thì sẽ dẫn tới phá vỡ cân bằng nhiệt của hệ lò phản ứng và tái sinh do nhiệt tạo ra trong quá trình tái sinh không đủ để bù nhiệt thu vào của các phản ứng Cracking trong lò phản ứng . Hàm lượng cốc trên xúc tác khi ra khỏi có phản ứng phụ thuộc vào lượng xúc tác tuần hoàn trong hệ thống . Đối với đa số các quá trình (FCC) khi dùng xúc tác chứa Zeolit lượng cốc tạo ra thường chiếm vào khỏang 1,3 ¸ 1,8 % khối lượng xúc tác . Còn sau khi tái sinh là 0,1 ¸ 0,05% khối lượng . Các hợp chất cơ kim và các hợp chất có chứa Nitơ trong nguyên liệu đầu là các phần tử làm già hoá nhanh xúc tác . Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự có mặt của các hợp chất Nitơ trong nhiên liệu làm giảm hiệu suất xăng và các sản phẩm trắng .Ví dụ như khi hàm lượng Nitơ tăng từ 0,1 đến 0,4% KL , hiệu suất xăng bị giảm đi tới hai lần , còn hiệu suất Gasoil nhẹ cũng bị giảm đồmg thời làm hiệu suất cân nặng và Gasoil nặng tăng . Khi tăng nhiệt độ, tác dụng có hại của các hợp chất Nitơ sẽ giảm. Sự đầu độc xúc tác tới các kim loại cũng đã được nhiều nhà nghiên cứu đề cập tới và chỉ rõ cơ chế tác dụng của chúng đến hoạt tính xúc tác . Sự giảm nhanh nhất hoạt tính của xúc tác xẩy ra trong lúc tiếp xúc với các độc tố với xúc tác . Khi lắng đọng các ôxit kim loại nặng trên xúc tác dẫn đến làm giảm độ sâu cracking và giảm hiệu suất xăng do tăng nhanh quá trình tạo cốc . Khi hàm lượng các hợp chất lưu huỳnh trong nguyên liệu tăng , thì hàm lượng các kim loại nặng như Niken và Vanadi cũng tăng theo vì đa phần chúng đều tập trung ở phần cân nặng và phân đoạn nhựa – Asphan ( ví dụ trong dầu mỏ có Lưu huỳnh thì có tới 90% chất phức chứa Vanađi , còn trong dầu có chứa Ýt Lưu huỳnh là phức với Niken). 1.5 Cơ sở tạo cốc trong quá trình cracking xúc tác Trong quá trình làm việc của quá trình Cracking xúc tác một số phản ứng xẩy ra và tham gia kết hợp với nhau tạo ra những sản phẩm có hại bám trên bề mặt chất xúc tác . Những sản phẩm có hại đó gọi là cốc . Sảm phẩm cốc được tạo ra là do một hệ vòng thân có độ ngưng tụ cao, sự hình thành cốc có thể do các nguyên nhân sau : - Do bản chất của nguyên liệu Cracking ( nếu nguyên liệu là phân đoạn kezosen-Xôđa và Gasoil nặng thu được từ quá trình chưng cất trực tiếp thì Ýt tạo cốc ). Nếu nguyên liệu là cặn Marut Gasoil nặng của quá trình thứ cấp khác thì khả năng tạo cốc nhiều . - Do chất xúc tác của quá trình có độ chọn lọc không cao . - Do chế độ công nghệ chưa tối ưu Cốc được tạo thành trong quá trình Cracking xúc tác có thể chia thành ba phần chính : - Lượng cốc do phản ứng hoá học . - Lượng cốc do hấp thụ hoá học trên bề mặt xúc tác . - Lượng cốc do nhả hấp thụ chậm. Các gốc Hydrocacbon va chạm vào nhau tạo thành phân tử ngưng tụ các vòng thơm sẽ tạo thành cac bon ( hay gọi là cốc ) . Sơ đồ có thể biểu diễn chúng như sau cho các loại tương tự như benzen là: Naphtaxen, antraxen, phenapxen , phản ứng chính là phản ứng ngưng tụ tạo ra sản phẩm cốc .  Như vậy ta thấy rằng cốc dầu mỏ không phải là sự biến dạng củc Cacbon nhận được khi phân huỷ các Hydrocacbon thành nguyên tố, mà nó là cấu trúc Hydrocacbon . Trong quá trình cracking xúc tác thì cốc là sản phẩm không mong muốn vì nó bám trên tâm hoạt tính của xúc tác, làm giảm hoạt tính của xúc tác . Vì vậy phải tiến hành tái sinh xúc tác . 1.6 Tái sinh xúc tác Xúc tác trong quá trình Cracking làm việc được một thời gian , cốc tạo thành do một số phản ứng phụ có hại bám trên bề mặt xúc tác che phủ các tâm hoạt động cuả xúc tác . Điều đó dẫn đến giảm hoạt tính xúc tác vì vậy hiệu quả của quá trình Cracking xúc tác bị giảm .Để xúc tác làm việc bình thường ( các tính chất của xúc tác không hề thay đổi ) thì người ta phải tiến hành tái sinh Bản chất của quá trình tái sinh xúc tác là đốt cháy cốc bám trên bề mặt xúc tác bằng không khí nóng trong lò tái sinh xúc tác . Khả năng tái sinh của xúc tác là một đặc tính quan trong của nó. Kết quả của quá trình đốt cháy cốc sẽ sinh ra CO và CO2 . Các phản ứng cháy này toả nhiều nhiệt . Ngoài ra còn có các phản ứng khử các hợp chất lưu huỳnh . Các phản ứng xẩy ra khi tái sinh xúc tác có thể miêu tả như sau : C + O2 ® CO2 Q = 33,927 ¸ 34,069 MJ/kg C + 1/2O2 ® CO Q = 10,692 ¸ 10,314 MJ/kg CO + 1/2O2 ® CO2 Q = 23,650 ¸23,755MJ/kg H2 + 1/2O2 ® H2O Q = 1210,043 ¸ 1210,252MJ/kg S + O2 ® SO2 Q = 9,132 ¸ 9,222MJ.kg SO2 + 1/2O2 ® SO3 MeO + SO3 ® MeSO4 MeSO4 + 4H2 ®MeO + H2S + 3H2O Me : là kim loại Nhiệt lượng toả ra được dùng cấp nhiệt cho xúc tác vào lò phản ứng ngoài ra còn tận dụng để sản xuất hơi nước dùng trong khu liên hợp . Nhiệt độ tái sinh phụ thuộc nhiều vào chất xúc tác đang được dùng và loại lò tái sinh . Ví dụ đối với xúc tác Alumôsilicat tổng hợp tiến hành tái sinh ở nhiệt độ 540 ¸680 oC Khả năng tái sinh có thể đánh giá bằng cường độ cháy cốc . Cường độ cháy cốc càng cao, quá trình tái sinh càng nhanh, thể tích thiết bị tái sinh yêu cầu càng nhỏ. Cường độ cốc cháy phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nhiệt độ , áp suất riêng phần của Oxy, hàm lượng cốc bám trên xúc tác ... Yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng lên cường độ cháy cốc : qua nghiên cứu cho thấy nhiệt độ khoảng 540 ¸ 680 oC tiến hành tái sinh là tốt nhất . Nếu chóng ta tiến hành tái sinh ở nhiệt độ thấp hơn ví dụ 450 ¸ 500 oC thì quá trình tái sinh xẩy ra chậm ( cường độ cháy cốc thấp ) cốc bám trên xúc tác cháy không triệt để . Nếu tiến hành tái sinh ở nhiệt độ cao hơn 700 oC thì sẽ làm cháy cốc lớn và cháy cả xúc tác , làm cho tính chất của xúc tác bị biến đổi và còn làm cho thiết bị tái sinh bị biến dạng làm mất độ bền cơ và tăng quá trình Oxy hoá thiết bị . Tốc độ tái sinh có thể biểu diễn theo phương trình : Trong đó : V : Tốc độ tái sinh Áp suất riêng phần của Oxy và hơi nước . C : Hàm lượng cốc trên xúc tác . n : Bậc phản ứng theo các bon K1 ,K2 : Hằng số Vậy để tăng tốc độ tái sinh thì phải tăng nhiệt độ tái sinh (hiệu quả nhất ở vùng động học ), tăng áp suất riêng phần của Oxy trong không khí , giảm đường kính các hạt xúc tác , ví dụ xúc tác dạng cầu có đường kính D = 3 ¸ 3,5 mm có cường độ tái sinh cao hơn 30 ¸ 40% so với xúc tác có D = 5 mm . Xúc tác có đường kính lỗ xốp lớn và đồng đều thì quá trình tái sinh nhanh vì Oxy dễ khuếch tán . Tuy vậy điều này bị giới hạn bởi độ bền của xúc tác và một số tính chất khác của nó . Việc tái sinh xúc tác thường không thể đốt hết cốc nằm sâu trong xúc tác. Cốc còn lại gọi là cốc cặn. Cốc cặn thường còn lại từ 0,1 ¸ 0,3 % trọng lượng xúc tác. Người ta mong muốn lượng cốc cặn còn lại không quá 0,1%. Tóm lại mức độ tái sinh xúc tác cần phải khống chế chặt chẽ để không chỉ đảm bảo độ hoạt tính của xúc tác mà còn đảm bảo vấn đề vệ sinh môi trường, vì thế không nên có mặt của CO trong khí khói thải. Hơn nữa quá trình cháy cũng không thể xẩy ra ở nhiệt độ quá cao hay tích nhiệt cục bộ dẫn đến phá huỷ xúc tác . Sau khi tái sinh , hàm lượng cốc còn lại trên xúc tác phải là cực tiểu để khôi phục tối đa hoạt tính của xúc tác . Quá trình tái sinh xúc tác bằng phương pháp đốt cốc chưa giải quyết được việc khử các kim loại nặng hấp thụ trên xúc tác . Vì vậy để hoàn thiện quá trình tái sinh người ta tiến hành thêm quá trình trao đổi ion để khử các kim loại nặng , điều này được giải quyết sẽ nâng cao được hiệu quả quá trình tái sinh xúc tác . CHƯƠNG II Thuyết minh sơ đồ nguyên lý tái sinh xúc tác TRONG LỚP XÚC TÁC GIẢ SÔI Hệ thống Cracking xúc tác trong lớp giả sôi được đưa vào sử dụng ở quy mô công nghiệp từ năm 1941.Từ đó đến nay người ta luôn luôn cải tiến thiết bị sao cho đạt hiệu quả kinh tế cao nhất đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm tốt . Hệ thống này được sử dụng ngày càng được phổ biến trong công nghiệp chế biến dầu mỏ. Qua thực tế sử dụng hệ thống Cracking xúc tác trong lớp xúc tác giả sôi , sử dụng xúc tác dạng bụi bay dạng vi cầu người ta thấy nó có nhiều ưu điểm hơn hệ thống Cracking xúc tác trong lớp xúc tác tầng chặt . Những ưu điểm lớn đó là : 1.Các thiết bị chính của quá trình là thiết bị phản ứng và thiết bị tái sinh đều có cấu tạo rất đơn giản :( so với các dạng thiết bị khác của quá trình Cracking thực tế chúng là hình rỗng ). 2. Sự tuần hoàn xúc tác từ thiết bị phản ứng đến thiết bị tái sinh và ngược lại là nhờ sự chuyển vận liên tục của hơi và khí trong một giới hạn rộng. 3. Do có sự khuấy trộn mạnh mẽ của xúc tác và hơi nguyên liệu dẫn đến sự đồng nhất về nhiệt độ trong toàn bộ thể tích lớp xúc tác ở thiết bị phản ứng cũng như thiết bị tái sinh, khắc phục được hiện tượng quá nhiệt cục bộ 4. Hệ thống này có khả năng chế biến các dạng nguyên liệu khác nhau , như từ nguyên liệu là phân đoạn Kezoxen đến nguyên liệu nặng , là Mazuts làm tăng tính vạn năng của hệ thống 5. Hệ thống này có công suất làm việc lớn. THUYẾT MINH DÂY TRUYỀN Xúc tác đã làm việc lấy ra khỏi thiết bị phản ứng (1) cho sang tháp tái bốc hơi (10). Lượng xúc tác này được điều chỉnh bằng van (6). Tại tháp tái bốc hơi người ta thổi hơi nước quá nhiệt vào để tách hết hơi sản phẩm ra khỏi bề mặt xúc tác . Sau đó xúc tác được đưa vào thiết bị tái sinh (3). Lượng xúc tác được đưa vào thiết bị tái sinh được điều chỉnh bằng van (9). Cho thổi không khí từ thiết bị thổi không khí (8) vào thiết bị tái sinh . Không khí này sẽ đẩy xúc tác đưa qua từ tháp tái bốc hơi , tạo dạng tầng sôi trong thiết bị tái sinh , tại tầng sôi xẩy ra quá trình đốt cháy cốc tách ra khỏi bề mặt xúc tác . Xúc tác đã được đốt cháy cốc theo đường ống đến điểm trộn (7). Lượng xúc tác đi ra được điều chỉnh bằng van (11). Tại điểm trộn này xúc tác được trộn với nhiên liệu để đi vào thiết bị phản ứng (1). Để tách hết sản phẩm cháy ra khỏi xúc tác người ta thổi hơi nước vào Zon tách khí của thiết bị tái sinh . Xúc tác cuốn theo khí tái sinh qua hệ thống máy hút bụi tách khí (14). Tại đây khí tái sinh tách ra khỏi xúc tác đi ra ở đỉnh và cho vào nồi hơi tận dụng nhiệt (12). Và từ đây cho khí đi sang hệ thống lọc điện (13) để lọc sạch khí. Còn xúc tác được giữ lại và quay trở lại tầng sôi. §Sơ đồ thiết bị tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thống crácking xúc tác. Nhiệt độ chất xúc tác không quá 873 ¸ 883 K . Vì vậy người ta xử lý chất xúc tác đã bị cốc hoá ở trong thiết bị tái sinh bằng không khí theo hai giai đoạn : 1. Thổi không khí vào Zon thứ nhất để đốt , cháy từ 75 ¸ 80% lượng cốc nằm trên xúc tác 2. Thổi không khí vào Zon thứ hai để đốt cháy 20¸25% lượng cốc còn lại . Nhiệt toả ra ở giai đoạn này, để tránh quá nhiệt cho quá trình tái sinh , ta dùng một phần nhiệt đó để sản xuất hơi nước. Sau đó để đuổi hết khí tái sinh ra khỏi các mao quản của hạt xúc tác và ra khỏi không gian giữa các hạt, người ta dùng hơi nước thu được ở giai đoạn hai của tái sinh thổi ngược chiều với chất xúc tác Còn Zon thứ ba là hình trụ rỗng , trong đó chất xúc tác được đưa từ Zon thứ hai qua các lỗ vào vùng này. Vùng này thực hiện đuổi khí ra khỏi chất xúc tác . Từ Zon thứ ba này, chất xúc tác đã được tái sinh và đuổi hết khí ở dạng lơ lửng trong hơi nước đi ra được cho qua thiết bị phản ứng trong hệ thống Crácking xúc tác PHẦN II thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thốnG crAcking xúc tác Theo các số liệu đã cho : - Lượng chất xúc tác tuần hoàn Gx= 2578 T/h. - Kích thước tối đa của hạt xúc tác 150mm - Khối lượng riêng của lớp giả sôi ( tầng sôi ) của xúc tác rts= 500 kg/m3. - Nhiệt độ của xúc tác ra khỏi thiết bị phản ứng 755 K. - Lượng cốc ở trên xúc tác đã được tái sinh bằng 0,2 % khối lượng. - Lượng cốc đi vào thiết bị tái sinh với xúc tác Dg=20 T/h. - Lượng hơi nước bị hấp thụ bởi chất xúc tác Gh= 4130 kg/h. - Nhiệt độ ở trong thiết bị tái sinh Tp= 837 K. - Nhiệt độ của không khí Tk=353K . - Áp suất ở trên lớp tầng sôi p = 0,23.106 Pa Tính toán : 1. Đặc tính cháy của Cacbon. Lượng khí tái sinh § Thành phần của cốc : + Thầnh phần của cốc được thể hiện ở bảng 1. Nguyên tè Hàm lượng % ( % khối lượng ) C 86,0 H 8,5 S 5,5 Phụ thuộc vào độ dư không khí , điều kiện của quá trình đốt cháy cốc chất lượng và mức độ xử lý chất xúc tác ở trong khí tái sinh mà tỷ lệ CO2/CO sẽ khác nhau. Lượng CO2 và CO tạo ra đặc trưng cho sự cháy hoàn toàn của C. § Sau khi biết được lượng C trong cốc ( 86% khối lượng ở bảng 1) và giả thiết tỷ lệ theo thể tích ( ở điều kiện chuẩn ) CO2/CO =1,85. Ta tính được lượng C trong 1 kg cốc biến thành CO2 và CO từ đó xác định được lượng sản phẩm Oxy hoá. Vì trong 1 kg cốc chứa 0,86 kg C nên ta có : (*) Trong đó : và là lượng C biến thành CO2 và CO tương ứng trong quá trình đốt cháy 1 kg cốc. Trong quá trình đốt cháy cốc có rất nhiều phản ứng xẩy ra ở đây ta giả thiết các phản ứng sau: C + O2 = CO2 (1) C + 1/2O2 = CO (2) 2H2 + O2 = 2H2O (3) S + O2 = SO2 (4) § Xác định lượng CO2 và CO tạo ra từ và kg Cacbon Từ (1) ta thấy : Để đốt cháy 1 kmol C thì cần 1 kmol O2 để sản phẩm tạo thành là CO2. Khi đó . Tương tù ta tính lượng CO. Từ (2) ta có : Để đốt cháy 1 Kmol C tạo thành CO thì cần 1/2 Kmol O2. Khi đó: (kg/kg) Vậy lượng ( thể tích ) CO2 và CO ở điều kiện tiêu chuẩn sẽ là : Từ kết quả chấp nhận trên ta có : Vậy : (**) Từ (*) và (**) ta có hệ phương trình : Giải hệ phương trình trên ta được : Như vậy : Hoặc : Vậy thể tích CO2 và CO sinh ra khi đốt cháy 1 kg cốc là : ; Hoặc khối lượng của CO2 và CO sinh ra khi đốt cháy 1 kg cốc là : § Lượng hơi nước tạo ra khi đốt cháy Hydro trong 1 kg cốc là : Ta có phương trình : 2H2 + O2 = 2H2O (3) Từ (3) ta thấy :Để đốt cháy 1 Kmol H2 ta cần 1/2 Kmol O2 Khi đó : Trong đó :là lượng Hydrô trong 1 kg cốc (kg) Vậy khối lượng và thể tích hơi nước khi đốt cháy 1 kg cốc là : §Lượng SO2 sinh ra khi đốt cháy S trong 1 kg cốc . Ta có phương trình : S + O2 =SO2 (4) Từ (4) ta thấy ,để đốt cháy 1 Kmol S ta cần 1 Kmol O2 : Trong đó : Cs là lượng S có trong 1 kg cốc (kg) Thay số vào phương trình ta được : Vậy thể tích và khối lượng SO2 sinh ra khi đốt cháy 1 kg cốc là: §Tổng lượng sản phẩm cháy của cốc : Thay sè: Hoặc lượng thể tích là : + m3/kg § Trong khi tái sinh, ngoài các sản phẩm cháy ra còn chứa N2 và O2 thừa. Ta chấp nhận lượng khí O2 thừa trong khí tái sinh là 1,3 % thể tích Vậy thể tích của khí tái sinh ( theo m3/1kg ) cốc là : Trong đó : V: Thể tích N2 có trong không khí, tiêu tốn để oxy hoá các cấu tử cốc . V: Thể tích O2 thừa. V: Thể tích N2 trong không khí thừa. §Lượng Oxy tiêu tốn trong quá trình cháy cốc (kg/kg cốc) Lượng Oxy tiêu tốn cho quá trình đốt cháy, khi đốt 1 kg cốc được tính theo công thức : m= Trong đó : Tổng khối lượng sản phẩm khi đốt cháy 1 kg cốc . Vậy: m= 3,63 – 1 = 2,63 (kg) Hoặc tính theo thể tích : § Lượng N2 tương ứng trong không khí: Giả thiết rằng trong không khí chỉ có O2 và N2, trong đó : Lượng O2 chiém 23% khối lượng. Lượng N2 chiếm 77% khối lượng. Khi đó lượng N2 tương ứng trong không khí được tính theo công thức : Trong đó : mlà lượng oxy tiêu tốn cho quá trình cháy 1 kg cốc . Thay số vào ta có : Hoặc tính theo đơn vị thể tích : § Lượng N2 ở trong không khí thừa . Giả thiết lượng N2 trong không khí thừa chiếm 79 % còn lượng O2 trong không khí thừa chiếm 21 % Khi đó lượng N2 thừa trong không khí được tính theo công thức : Trong đó : Vlà lượng oxy thừa trong khí tái sinh. §Lượng Oxy thừa trong khí tái sinh . §Lượng Oxy thừa trong khí tái sinh , ta giả thiết rằng lượng ôxy thừa trong khí tái sinh chiếm 1,3 % thể tích của thể tích khí tái sinh. Khi đó lượng Oxy thừa được tính theo công thức : Thay số vào phương trình trên ta được : Từ đó ta tính được: Hoặc Vậy lượng Nitơ thừa trong không khí là : Hoặc § Lượng khí tái sính Thay số vào phương trình trên ta được : VKTS = 2,595 + 7,043 + 0,132 + 0,496 = 10,266 (m3/kg) Hay : mKTS = m + m+ + mKTS = 3,63 + 8,804 + 0,189 + 0,62 = 13,243 (kg/kg) Tóm lại ta được bảng 2 : Các cấu tử Lượng khí thu được khi đốt cháy 1 kg cốc Thành phần khí tái sinh(% khối lượng ) được xác định m3/kg kg/kg Èm khô CO2 1,042 2,048 15,46 16,41 CO 0,563 0,707 5,39 5,66 SO2 0,038 0,110 0,83 0,83 N2 7,539 9,424 71,16 75,52 O2 0,132 0,189 1,43 1,53 Tổng khí khô 9,314 12,478 94,27 100,00 H2O 0,952 0,765 5,76 Tổng khí ướt 10,266 13,243 100,00 § Xác định lượng không khí tiêu tốn để đốt cháy 1 kg cốc Lượng không khí tiêu tốn lý thuyết để đốt cháy 1 kg cốc được xác định : L0 = m+ m Trong đó : L0 : lượng không khí tiêu tốn lý thuyết để đốt cháy 1 kg cốc ( kg/kg). m: lượng oxy tiêu tốn cho quá trình cháy 1 kg cốc (kg/kg ). m: lượng Nitơ trong không khí để đốt cháy 1 kg cốc (kg/Kg). Ta có : Vậy Lo= 2,63 + 8,804 = 11,434 (kg/kg) § Tính lượng không khí tiêu tốn cho tái sinh xúc tác trên 1 kg cốc a. Lượng oxy tổng trong không khí tiêu tốn cho tái sinh xúc tác b. Lượng Nitơ tổng có trong không khí tiêu tốn cho tái sinh xúc tác là : + Lượng không khí tiêu tốn thực tế : Vt = 1,97 +7,54 = 9,51 (m3/kg) Hệ số thừa không khí khi tái sinh xúc tác : Hệ số thừa không khí khi tái sinh xúc tác được xác định : Lượng cốc trên xúc tác đã được tái sinh với lượng chất xúc tác tuần hoàn là GX =2578 (T/h) và lượng cốc còn lại trên xúc tác là 0,2 % khối lượng. Do đó lượng cốc trên xúc tác đã được tái sinh trong một giờ là : + Lượng cốc được đốt cháy : Trong đó : Dgc : lượng cốc được cháy (T/h) : lượng cốc đi vào thiết bị tái sinh với xúc tác Dg = 20 (T/h) Dg0 : lượng cốc trên xúc tác đã được tái sinh . Dg0 = 5,16 (T/h) Vậy : Dgc = 20 – 5,16 = 14,84 (T/h) + Lượng không khí cần thiết để đốt cốc : GK = Lt. Dgc Trong đó : GK : Lượng không khí cần thiết để đốt cháy cốc (kg/h). Lt : Lượng không khí tiêu tốn thực tế để đốt cháy 1 kg cốc (kg/kg). Dgc : Lượng cốc được đốt cháy : Dgc = 14,84 (T/h). Thay số vào công thức trên ta được : GK = 12,24.14,84 = 181600 (kg/h) Vậy lượng không khí cần thiết để đốt cháy cốc là : GK = 181600 (kg/h) + Lượng không khí tái sinh Èm : Lượng không khí tái sinh Èm được xác định theo công thức GKTSa = Dgc + GK Trong đó : Dgc = 14840 (kg/h) là lượng cốc được đốt cháy . GK = 181600 (kg/h) lượng không khí cần thiết để đốt cốc . Thay vào công thức trên ta được : GKTSa = 14840 + 181600 = 196440 (kg/h) Vậy lượng không khí tái sinh Èm là : GKTSa = 196440 (kg/h) 2. Tính lượng hơi nước tiêu tốn để tách khí tái sinh ra khỏi chất xúc tác với mục đích đuổi khí tái sinh ( nhả hấp phụ ) ra khỏi các mao quản của chất xúc tác và tạo lơ lửng, người ta cho hơi nước quá nhiệt vào thiết bị tái sinh sau khi đã đốt cốc ,với lượng hơi nước đưa vào thiết bị tái sinh là 5 ¸ 10 kg/1 tấn xúc tác . Nếu ta chấp nhận lượng hơi nước tiêu thụ là 5 kg/tấn xúc tác thì lượng hơi nước để đuổi khí tái sinh ra khỏi tất cả lượng xúc tác sẽ là : G0 = 5.GX Với GX : Lượng xúc tác tuần hoàn , GX= 2578 (T/h) Thay số vào công thức trên ta được G0 = 5.2578 = 12890 (kg/h) Vậy lượng hơi nước quá nhiệt tiêu tốn để tách khí tái sinh ra khỏi xúc tác là : G0 = 12890 ( kg/h) 3. Tính cân bằng vật chất của thiết bị tái sinh Từ các số liệu tính được là các số liệu đề bài cho ta thiết lập được bảng sau Bảng 3 : Dòng Ký hiệu Lượng (kg/h) Vào Chất xúc tác GX 2.578.000 Cốc DX 20.000 Không khí GK 181.600 Hơi nước bị hấp thụ trên chất xúc tác Gh 4.130 Hơi nước để tách khí tái sinh ra khỏi chất xúc tác GO 12.890 Tổng 2.796.620 Ra Chất xúc tác Gx 2.578.000 Cốc còn lại Dg0 5.160 Khí tái sinh Èm GKTSa 196.440 Hơi nước bị hấp thụ trên xúc tác Gh 4.130 Hơi nước để tách khí tái sinh khỏi xúc tác Go 12.890 Tổng 2.796.620 Từ bảng 3 ta có : - Tổng lượng vật chất của dòng vào thiết bị tái sinh là : = GX + Dg + Gk + Gh + Go Trong đó : : Tổng lượng vật chất của dòng vào thiết bị tái sinh (kg/h) Thay số vào công thức trên ta có : = 2.578..000 + 20.000 + 181.600 + 4.130 + 12.890 = 2.796.620 (kg/h) (1) - Tổng lượng vật chất của dòng ra thiết tái sinh là : = Gx + Dgo + GKTSa+ Ga + Go Trong đó : : Tổng lượng vật chất của dòng ra của thiết bị tái sinh (kg/h) Thay số vào ta có : = 2.578.000 + 5.160 + 196.440 + 4.130 + 12.890 = 2.796.620 ( kg/h) (2) Từ (1) và (2) ta có = = 2.796.620 (kg/h) Vậy tổng lượng vật chất của dòng vào bằng tổng lượng vật chất của dòng ra của thiết bị tái sinh. 4.Tính cân bằng nhiệt lượng của thiết bị tái sinh . Để thiết lập cân bằng nhiệt của thiết bị tái sinh và các zon cơ bản của nó. Trước hết ta cần phải biết Entanpy của mỗi dòng công nghệ ở nhiệt độ tương ứng và lượng nhiệt toả ra khi đốt cháy cốc. Entanpy của khí Èm phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất . Nếu biết được thầnh phần của khí Èm, ta sẽ xác định Entanpy của nó theo nguyên tắc cộng hợp. Bảng 4 : Trình bày những giá trị Entanpy của các cấu tử của khí Èm ở 873 K , cũng như tính số Entanpy của từng cấu tử với phần khối lượng của nó ở trong khí Èm. Cấu tử Thành phần yi(% khối lượng ) Entanpy (kj/kg) qki Qcp = qkiyi CO2 15,46 623,8 96,37 CO 5,39 651,5 35,10 SO2 0,83 379,2 3,15 N2 71,16 646,0 459,2 O2 1,43 596,3 8,52 H2O 5,76 1206,0 69,5 Tổng 100,00 671,84 §Entanpy của khí Èm ở 873 K Theo nguyên tắc cộng hợp ta xác định được Trong đó : Yi : Thành phần (% khối lượng ) của các cấu tử trong không khí Èm. q: Entanpy của từng cấu tử ( kj/kg). Tra bảng giá trị Entanpy của từng cấu tử và thay số vào công thức trên ta xác định được: ASka = 96,37 +35,1 + 3,15 + 459,2 + 8,52 + 69,5 ASka = 671,84 (kg/kg) §Entanpy của không khí ở 353 K. Tra bẳng ta xác đinh được : q = 80,68 (kj/kg) § Xác định Entanpy của cốc và của xúc tác, Entanpy của cốc và của xúc tác có thể xác định được công theo công thức : q = C.T Trong đó : C : Nhiệt dung riêng của cốc hoặc của chất xúc tác (kj/kg ). T : Nhiệt độ của xúc tác và của cốc (0K). Nhiệt dung riêng của chất xúc tác thường lấy bằng 1,13 (kj/kg.K) , còn nhiệt dung riêng của cốc là: 2,51 (kj/kg.K) . §Entanpy của hơi nước quá nhiệt và hơi nước bão hoà Entanpy của hơi nước quá nhiệt và hơi nước bão hoà được xác định theo sơ đồ I – S đối với hơi nước. Qua tra bảng ta xác định được : Entanpy của hơi nước hấp thụ trên xúc tác ở : 755 K là 3457,00 (kj/kg). 837 K là 3708,00 (kj/kg). Entanpy của hơi nước để đẩy khí tái sinh ra khỏi chất xúc tác ở : 755 K là 3512,00 (kj/Kg). 873 K là 3708,00 (kj/kg). § Lượng nhiệt toả ra do đốt cháy cốc được xác định : Qpc = yi.Qi Trong đó : Qpc : Nhiệt cháy của cốc (kj/kg). Qi : Hiệu ứng nhiệt của các phản ứng oxy hoá của các cấu tử (kj/kg). Tra bảng ta được : Thay vào công thức trên ta được : Qpc = 32913 (kj/kg) Qua kết quả tính toán và dữ liệu để cho ta có bảng 5 : Dòng lượng (kg/h) Nhiệt độ (K ) Entanpy (kj/kg) Lượng nhiệt (kw) Vào Chất xúc tác 2.578.000 755 546,00 391.000 Cốc 20.000 755 1.212,0 6.730 Không khí 181.600 353 80,68 4.068 Hơi nước bị hấp thụ trên xúc tác 4130 755 3.457,0 3.960 Hơi nước để đẩy khí tái sinh ra khỏi xúc tác 12890 783 3.512,0 125.80 Nhiệt cháy của cốc 14840 32913,0 98.233 Tổng 554.338 Ra chất xúc tác 2.578.00 873 680,2 487.500 Cốc 5160 873 1.508,00 2.160 Khí Èm 196.440 873 671,84 36.700 Hơi nước bị hấp thụ trên xúc tác 4130 873 3.707,00 4.262 Hơi nước để đẩy khí tái sinh ra khỏi xúc tác 12890 873 3.708,00 13.280 Nhiệt tổn thất 2.328 Tổng 546.230 Nhiệt thừa 8108 Tổng 554.338 Từ bảng 5 ta thấy tổng nhiệt lượng của dòng vào thiết bị tái sinh bằng tổng nhiệt lượng ra trong thiết bị tái sinh , nhiệt lượng được cân bằng Cân bằng vật chất của Zon chủ yếu của thiết bị tái sinh . Mục đích của thiết lập cân bằng vật chất ở các Zon chủ yếu trong thiết bị tái sinh nhằm xác định kích thước của chúng. Xác định lượng cốc ở Zon thổi ngược chiều(trực tiếp) xúc tác bằng không khí. Lượng cốc đốt cháy ở Zon này được tính trên cơ sở cân bằng nhiệt và được trình bày ở bẳng 6. Phương trình cân bàng nhiệt ở Zon thứ nhất của thiết bị tái sinh có dạng : Trong đó : Nhiệt mang vào gồm có : : Do xúc tác hoàn nguyên ( kw). QDg : Do cốc (Kw). QK : Do không khí ( Lt =12,24 kg/kg ) (Kw). Qh1: Do Hơi ra khi cháy nước bị hấp thụ trên xúc tác ( Kw). Qp : Nhiệt toả ra khi cháy cốc ( Kw). Nhiệt lượng mang ra gồm : Qx2 : Do chất xúc tác ( Kw). Qo c : Do cốc thừa ( chưa cháy hết ) (Kw). QKa : Do khí tái sinh ( Èm ) ( Kw). Qh2 : Do hơi nước bị hấp thụ trên chất xúc tác ( Kw).A Qm : Nhiệt tổn thất ra môi trường xung quanh ( Kw) Bảng 6 Dòng Lượng (kg/h) Nhiệt độ ( K ) Entanpy (kj/kg) Lượng nhiệt (Kw) Vào Qx1 2.578.000 755 546,00 391.000 QDg 20.000 755 1212,0 6730 Qk 12,24x 353 80,68 0,274.x Qh1 4130 755 3457,00 3960 Qp X 32913,00 9,14.x Tổng Q1 401690 + 9,414.x Ra Qx2 2.578.000 873 680,2 487.500 Qo c 20.000 - x 873 1508,00 8375 - 0,419.x Qka 13,243x 873 671,84 2,472.x Qn2 4130 873 3708,00 4162 Qm 2000 Tổng Q2 502137+2.053.x Từ bảng 6 ta được : 401690 + 9,414.x = 502137 + 2,053.x Trong đó : X : Lượng cốc đã bị cháy ở Zon thứ nhất , (kg/h). Giải phương trình trên ta được : X = 13650 (kg/h) Vậy lượng cốc đã bị đốt cháy ở Zon thứ nhất là : X = 13.650 (kg/h). § Lượng cốc cần đốt cháy ở Zon thứ hai . Lượng cốc cần đốt cháy ở Zon thứ hai được xác định như sau : X2 = - X Trong đó : X2 : Lượng cốc đốt cháy ở Zon thứ hai ,(kg/h). Dgc : Lượng cốc được đốt cháy trong thiết bị tái sính, (kg/h). X : Lượng cốc đã bị đốt cháy ở Zon thứ nhất. X = 13.650 (kg/h) Do đó : X2 = 14.840 – 13.650 = 1190 (kg/h) Vậy lượng cốc cần đốt cháy ở Zon thứ 2 là 1190 (kg/h). § Lượng không khí cần đốt cháy ở Zon thứ nhất : Lượng không khí cần đốt cháy ở Zon thứ nhất được xác định : Lx = 12,24.X Với X : Lượng cốc bị đốt cháy ở Zon thứ nhất, (kg/h). Lx: Lượng không khí cần thiết để đốt cháy cốc ở Zon thứ nhất Vậy : L x = 12,24.13650 = 167.200 (kg/h) §Lượng không khí tiêu tốn ở Zon thứ hai . Lượng không khí cần thiết để đốt cháy cốc ở Zon thứ hai được xác định : L’X = GK – LX Với : GK = 181600 (kg/h) : Lượng không khí cần thiết để đốt cháy cốc trong thiết bị tái sinh , (kg/h). LX : Lượng không khí cần thiết để đốt cháy cốc ở Zon thứ nhất Vậy : L’X = 181.600 – 167.200 = 14.400 (kg/h) § Tính lượng khí tái sinh Èm cho từng Zon + Ở Zon thứ nhất : Lượng khí tái sinh Èm ở Zon thứ nhất được xác định : G’Ka = mKTS.X Trong đó : mKTS : Lượng khí tái sinh của 1 kg cốc , mKTS = 13,24 (kg/kg). X : Lượng cốc bị đốt cháy ở Zon thứ nhất, X = 13650 (kg/h). Thay số vào công thức trên ta được : G’Ka =13,24.13650 = 180.700 (kg/h) + Ở Zon thứ hai Lượng khí tái sinh Èm ở Zon thứ hai được xác định : G”Ka = GKTS – G’Ka Trong đó : G”Ka : Lượng khí tái sinh Èm ở Zon thứ hai ,(kg/h). GKTS : Lượng khí tái sinh Èm trong toàn thiết bị tái sinh ,(kg/h). GKTS = 196.440 (kg/h) G’Ka : Lượng khí tái sinh Èm ở Zon thứ nhất , ( Kg/h ) G’X = 180.700 ( kg/h ) Thay số vào công thức trên ta được: G”Ka = 196400 - 180700 = 15740 (kg/h) Vậy lượng khí tái sinh Èm ở zon thứ hai là : 15740 ( kg/h) Qua các số liệu tính toán ở trên và giả thuyết rằng lượng hơi nước được tuần hoàn với xúc tác ( có nghĩa là không được phân phối giữa dòng xúc tác và khí tái sinh ). Khi đó ta lập được cân bằng vật chất của các Zon chủ yếu của thiết bị tái sinh ở bảng 7: Dòng Zon 1 Zon 2 Zon tách khí 3 Vào (kg/h) Ra (kg/h) Vào (kg/h) Ra (kg/h) Vào (kg/h) Ra (kg/h) Chất xúc tác 2.578.000 2.578.000 2.578.000 2.578.000 2.578.000 2.578.000 Cốc 20.000 6350 6350 5160 5160 5160 Không khí 167.200 - 14.400 - - - Hơi nước bị hấp thụ trên xúc tác 4130 4130 4130 4130 4130 4130 Khí tái sinh Èm 180.700 - 15.740 - - Hơi nước để tách khí khỏi xúc tác - - - 12.890 12.890 Tổng 2.769.330 2.769.180 2.602.880 2.603.030 2.600.180 2.600.180 Nhận xét : Qua bảng 7 cân bằng vật chất ở các Zon cơ bản của thiết bị tái sinh có sự chênh lệch bé trong cân bằng . Sự chênh lệch đó là do quy tròn số ở phần tính toán. 6. Đường kính của thiết bị tái sinh và các Zon chủ yếu của nó Trước hết ta tính tiết diện ngang của thiết bị tái sinh và của các Zon chủ yếu trong thiết bị tái sinh. Tiết diện ngang của thiết bị tái sinh và của các Zon chủ yếu trong nó được tính theo công thức : Trong đó : V : Thể tích tiết diện của khí và hơi đo qua tiết diện của thiết bị ( ở trên lớp tầng sôi ), m3/h. w: Tốc độ cho phép của khí ở trong tiết diện tự do , m/s . Thể tích của khí và hơi đi qua tiết diện được xác định bởi công thức : Trong đó : : Lượng hỗn hợp khí , Kmol/h. Tp =873 K : Nhiệt độ ở trong thiết bị tái sinh. p = 0,23.106 .Pa : áp suất tuyệt đối ở trên tầng sôi của xúc tác . - Trước hết ta tính khối lượng phân tử trung bình của khí ướt Èm . Trong đó : MKTS : Khối lượng khí tái sinh Èm tiêu tốn để tái sinh 1 kg cốc MKTS = 13,243 (kg/kg) VKTS : Lượng thể tích khí tái sinh Èm tiêu tốn để tái sinh 1 kg cốc . VKTS = 10,266 (m3/kg) Do đó: - Đối với thiết bị tái sinh : Trong đó : GKa : Lượng khí tái sinh Èm trong thiết bị tái sinh. GKa = 196.400 (kg/h) GO : Lượng hơi nước để tách khí tái sinh ra khỏi xúc tác Go = 12.890 (kg/h) Mka = 29 Mo : Khối lượng phân tử trung bình của hơi nước . Mo = 18 Thay số vào phương trình trên ta có : - Đối với Zon 1 : Trong đó :  : Lượng khí tái sinh Èm ở Zon 1 : Gka = 180700 (kg/h). MKa : Khối lượng phân tử trung bình của khí Èm : MKa = 29. Thay số vào công thức trên ta có : - Đối với Zon 2 : Trong đó : G”ka : Lượng khí tái sinh Èm ở Zon 2 : G”Ka = 15740 (kg/h) MKa : Khối lượng phân tử trung bình của khí Èm : MKa = 29 Thay số vào phương trình trên ta có : - Đối với Zon 3 tách khí : Trong đó : GO : Lượng hơi nước cần thiết để tách khí tái sinh ra khỏi xúc tác : GO = 12890 (kg/h) MO : Khối lượng phân tử trung bình của hơi nước : Mo = 18 Thay số vào phương trình ta có : Từ đó ta xác định được thể tích của khí và hơi nước đi qua tiết diện ngang của thiết bị tái sinh và các Zon chủ yếu trong nó là: VTS : Thể tích khí đo qua tiết diện ngang của thiết bị tái sinh, (m3/h). VTS = 234000 (m3/h) VZ1 ; VZ2 ; VZ3 : Thể tích khí và nước đi qua tiết diện ngang của Zon 1, Zon 2, Zon 3, (m3/h). VZ1 = 194500 ( m3/h ) VZ2 = 16940 ( m3/h ) VZ3 = 22360( m3/h ) §Tốc độ khí ở tiết diện tự do của các thiết bị tái sinh và các Zon chủ yếu trong nã Tốc độ khí ở tiết diện tự do của các Zon tách khí có thể đạt tới 0,8 m/s Còn tốc độ khí ở các Zon khác chọn là : Ở thiết bị tái sinh : w = 0,55 (m/s) Ở Zon thứ nhất : w = 0,56 (m/s) Ở Zon thứ hai : w = 0,43 (m/s) Từ các số liệu tính được và các số liệu cho ta lập được bảng 8 sau : Tiết diện V (m3/h) W (m/s) S ( m2 ) Thiết bị tái sinh 234000 0,55 119,0 Zon thứ nhất (1 ) 194500 0,56 97,0 Zon thứ hai (2) 16940 0,43 11,0 Zon tách khí (3) 22360 0,80 7,8 § Dường kính của Zon tách khí (3). Thay các giá trị của bảng (8) vào công thức: § Đường kính của Zon thứ hai. Trong Zon thứ hai có bộ phận làm lạnh hình xoắn ruột gà theo chu vi của Zon với ống đường kính dX = 0,06 m. Do đó đường kính của Zon thứ hai được xác định : Thay số vào ta có : § Đường kính của thiết bị tái sinh (Dp ) bằng đường kính của zon thứ nhất và được xác định : Trong đó : d : Chiều dày của ngăn chắn hình trụ , d = 0,02 (m) S1 : Tiết diện ngang của Zon thứ nhất , m2. Thay số vào công thức trên ta được : 7. Chiều cao của thiết bị tái sinh và của các Zon trong đó : § Chiều cao của Zon thứ nhất Chiều cao của Zon thứ nhất bằng chiêu cao của lớp xúc tác tầng sôi và được xác định theo công thức : Trong đó : S1 : Tiết diện ngang của Zon thứ nhất , S1 = 97 (m2). V1 : Thể tích của lớp tầng sôi , m3. + Thể tích lớp tầng sôi V1 được xác định : V1 = và G1 = Trong đó : V1: Thể tích lớp tầng sôi, m3 G1 : Lượng chất xúc tác ở Zon thứ nhất , kg/h. PTS : Khối lượng riêng của lớp tầng sôi , PTS = 500 kg/m3. X : Lượng cốc bị đốt cháy ở Zon 1 , kg/h. Ktp : Tốc độ riêng của tái sinh 1 tấn xúc tác , kg/T.h Trong công nghiệp Ktp = 50 ¸ 115 (kg/T.h). tuỳ đặc điểm tính chất của từng Zon mà chọn giá trị Ktp =56 (kg/T.h), và kết quả tính ta được : X = 13650 (kg/h) Do đó ta xác định được : Vậy chiều cao của Zon là 5 (m). § Chiều cao của Zon thứ hai : Chiều cao của Zon thứ hai bằng chiều cao của ngăn hình trụ và được xác định : Trong đó : S2 : Tiết diện ngang của zon thứ nhất , m2. V2 : Thể tích của lớp tầng sôi , m3. + Thể tích lớp tầng sôi V2 được xác định : và Trong đó : G2 : Lượng chất xúc tác ở zon thứ nhất , kg/h. PTS : Khối lượng riêng của lớp tầng sôi , PTS = 500 kg/m3. X2 = 1190 (kg/h) : Lượng cốc bị đốt cháy ở zon 2. Ktp : Tốc độ riêng của tái sinh 1 tấn xúc tác , Kg/T.h Ktp =56 (kg/T.h). Do đó ta xác định được : Vậy chiều cao của Zon 2 là 3,9 (m). + Chiều cao lớp tầng sôi của xúc tác ở trên zon thứ hai được xác định : h3 = h1- h2 Trong đó : h3 : Chiều cao của lớp tầng sôi ở trên Zon thứ hai, (m). h1 : Chiều cao của Zon thứ nhất : h1 = 5 (m). h2 : Chiều cao của Zon thứ hai : h2 = 3,9 (m) Vậy ta có : h3 = 5 – 3,9 = 1,1 (m) + Thể tích lớp tầng sôi này được xác định : VC = h3 – S2 Trong đó: S2 : Tiết diện ngang của Zon thứ hai : S2 =11 (m2). VC = 1,1.11 = 12,1 (m3) Lượng chất xúc tác lơ lửng trong lớp này là : GC = VC.Pts Gc =12,1.500 = 6050 (kg) § Chiều cao h4 ở dưới lớp phân phối : Chiều cao dưới lớp phân phối ta chọn là : h4 = 1 (m). § Chiều cao của Zon thứ 5 (h5). Chiều cao của Zon thứ năm có tính đến lắp ráp các xyclon nên ta chọn là 8 (m) Vậy chiều cao của thiết bị tái sinh là : Hp Hp = h5 + h1 + h4 Hp = 8 + 5 + 1 = 14 (m) Vậy Hp = 14 (m) 8. Xác định lượng hơi nước thu được Để dẫn nhiệt thừa ở trong Zon ra ngoài ta đặt bộ phận làm lạnh ống xoắn ruột gà , trong đó ta cho nước ở nhiệt độ T’2 = 373K. Từ ống xoắn ruột gà đi ra là hơi nước bão hoà có nhiệt độ T”2 = 522 K, áp suất p = 3,92.106 Pa Lượng hơi nước được tạo ra được xác định Trong đó : Gh : Lượng hơi nước được tạo ra , (kg/h) . QO : Lượng nhiệt dẫn ra từ Zon 2 được xác định từ cân bằng nhiệt của thiết bị tái sinh . Qo = QV – Qr QV = 554338 (Kw) Qr : Tổng lượng nhiệt của dòng ra của thiết bị tái sinh : Kw. Thay vào công thức ta được : Qo = 554338 – 546230 = 8108 (Kw) Vậy ta xác định được : Vậy lượng hơi nước thu được nhờ nhiệt dư của Zon là : Gh = 12230 (kg/h) PHẦN KẾT LUẬN Qua gần 3 tháng thực hiện đề tài , với sự có gắng của bản thân, cùng với kiến thức tích luỹ trong 3 năm học với sự giúp đỡ tận tình của thầy cô giáo. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo , đặc trong bộ môn Hoá dầu – hữu cơ . Đến nay đồ án em đã được hoàn thành biệt là thầy giáo PGS – TS Đỗ Văn Bá đã hướng dẫn tận tình tôi để hoàn thành đồ án này . Trong quá trình thực hiện đồ án tôi đã đáp ứng được yêu cầu nhiệm vụ của đồ án này : Phần lý thuyết : - Cơ sở tạo cốc và tái sinh xúc tác , từ đó biết được nguyên nhân làm giảm hoạt tính của xúc tác trong quá trình làm việc , và biết được bản chất của tái sinh xúc tác . - Sơ đồ công nghệ của quá trình Phần tính toán - Xác định lượng khí thu được khi đốt cháy 1 kg cốc và thành phần của khí tái sinh . - Tính cân bằng vật chất và lượng nhiệt của thiết bị tái sinh - Tính đường kính và chiều cao của các Zon và thiết bị tái sinh . Phần thuyết minh xây dựng nhà xưởng . Ở Việt nam , ngành hoá dầu là một trong những ngành còn mới . Do vậy tài liệu tham khảo còn Ýt , thực tế sản xuất chưa có , mặt khác trình độ của tôi còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi thiếu sót . Em rất mong nhận được sự giúp đỡ , chỉ bảo , góp ý của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để đồ án thêm hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! TÀI LIỆU THAM KHẢO 1/- Công nghệ chế biến dầu mỏ và khí (1 – 2)Võ Thị Liên – Bộ môn nhiên liệu. Xuất bản năm 1980 - ĐHBK – Hà Nội 2/- Dầu mỡ bôi trơn giáo sư CKASDAS- Viện hoá học công nghệ Hà Nội 1993 3/- Những quá trình và thiết bị cơ bản của nghành công nghệ hoá học (tập 1-2) –A.RKACATKNH, 1964 và 1966 4/- Robet AMevus Handbôk of petroleum refining processes 1986 Mục lục MỞ ĐẦU .........................................................................................................1 Phần I: Tổng quan lý thuyết ........................................................................3 CHƯƠNG I : CƠ SỞ TẠO CỐC VÀ TÁI SINH XÚC TÁC ...................3 Giới thiệu chung .......................................................................................3 Quá trình sử dụng xúc tác cho quá trình cracking.....................................4 Những yêu cầu cần thiết đối với xúc tác cracking.....................................5 Những thay đổi tính chất xúc tác khi làm việc .........................................7 Cơ sở tạo cốc trong quá trình crácking xúc tác ........................................9 Tái sinh xúc tác.......................................................................................14 Chương II : Thuyết minh sơ đồ nguyên lý của quá trình tái sinh xúc tác trong lớp giả sôi….17 Phần II : Thiết kế phân xưởng tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi trong hệ thống cracking xúc tác................................................................................22 Đặc tính cháy của cacbon lượng khí tái sinh............................................22 tính lượng hơi nước tiêu tốn để tách khí tái ra khỏi xúc tác....................34 tính lượng cân bằng vật chất thiết bị tái sinh............................................35 tính cân bằng nhiệt lượng của thiết bị tái sinh..........................................37 Cân bằng vật chất của các zôn chủ yếu của thiết bị tái sinh.....................41 Đường kính của thiết bị tái sinh và của các zôn chư yếu trong thiết bị tái sinh...........................................................................................................46 Chiều cao của thiết bị tái sinh và của các zôn..........................................53 Xác định lượng hơi nước thu được...........................................................57 PHẦN KẾT LUẬN ......................................................................................58