Thiết kế phân xưởng isome hoá
Mục lục Trang MỞ ĐẦU 4 Phần I. TỔNG QUAN VỀ LÝ THUYẾT 6 I. Nguyên liệu và sản phẩm của quá trình isome hoá 6 I.1. Nguyên liệu của quá trình isome hoá 6 I.2. Sản phẩm của quá trình isome hoá 8 II. Đặc trưng về nhiệt động 9 III. Xúc tác cho quá trình isome hoá 10 III.1. Xúc tác pha lỏng 12 III.2. Xúc tác axit rắn 12 III.3. Xúc tác lưỡng chức 13 III.4. Zeolit và xúc tác chứa zeolit 13 III.5. Chất mang có tính axit 14 III.6. Kim loại 15 III.7. Lựa chọn xúc tác 16 III.8. Các yêu cầu về xúc tác rắn trong công nghiệp 16 IV. Cơ chế phản ứng isome hoá 17 IV.1. Xúc tác trong pha hơi 17 IV.2. Xúc tác trong pha lỏng 19 V. Các quá trình isome hoá trong công nghiệp chế biến dầu 21 V.1. Sơ lược về quá trình isome hoá 21 V.2. Một số quá trình isome hoá trong công nghiệp 21 V.3. Lựa chọn công nghệ và loại xúc tác 38 Phần II. TÍNH TOÁN CÔNG NGHỆ VÀ TÍNH THIẾT BỊ CHÍNH 45 I. Cơ sở và nhiệm vụ thiết kế 45 I.1. Những số liệu cho trước 45 I.2. Tính toán 45 II. Tính toán cho từng lò phản ứng 53 II.1. Tính toán cho lò phản ứng thứ nhất 53 II.2. Tính toán cho lò phản ứng thứ hai 65 III. Tóm tắt phần kết quả tính toán 78 Phần III. XÂY DỰNG CÔNG NGHIỆP 79 I. Giới thiệu chung 79 II. Phân tích địa điểm xây dựng nhà máy 79 II.1. Địa điểm xây dựng 79 II.2. Khu đất xây dựng 80 II.3. Bảo vệ môi trường 80 III. Phân tích thiết kế tổng mặt bằng phân xưởng isome hoá 80 III.1. Nguyên tắc phân vùng 80 III.2. Ưu, nhược điểm của nguyên tắc phân vùng 82 III.3. Các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật 83 IV. Các nguyên tắc và thông số kỹ thuật trong xây dựng 83 IV.1. Các nguyên tắc khi xây dựng 83 IV.2. Thông số kỹ thuật trong xây dựng 84 IV.3. Bố trí mặt bằng 85 V. Tự động hoá 85 V.1. Mục đích 85 V.2. Hệ thống điều khiển tự động 86 V.3. Các dạng điều khiển tự động 86 V.4. Hệ điều khiển phản hồi 89 V.5. Cấu tạo của một số thiết bị tự động cảm biến 90 Phần IV. TÍNH TOÁN KINH TẾ 93 I. Mục đích và nhiệm vụ của việc tính toán kinh tế 93 II. Các loại chi phí 93 II.1. Chi phí đầu tư xây dựng cơ bản 93 II.2. Chi phí mua máy móc thiết bị 93 II.3. Các loại chi phí khác 94 II.4. Tính khấu hao 94 III. Chi phí lưu động 95 III.1. Chi phí mua nguyên vật liệu 95 III.2. Nhân công sản xuất trực tiếp 95 III.3. Các chi phí chung 96 IV. Xác định hiệu quả kinh tế 97 Phần V. AN TOÀN LAO ĐỘNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG 99 I. Khái quát 99 I.1. Nguyên nhân do kỹ thuật 99 I.2. Nguyên nhân do tổ chức 99 I.3. Nguyên nhân do vệ sinh 99 II. Những yêu cầu về phòng chống cháy nổ 100 II.1. Phòng chống cháy 100 II.2. Ngăn ngừa khả năng xuất hiện những nguồn gây cháy 100 II.3. Ngăn ngừa khả năng xuất hiện những nguồn cháy 101 III. An toàn về trang thiết bị trong nhà máy hoá chất từ khâu thiết kế đến khâu vận hành 101 III.1. Khi thiết kế tổng mặt bằng về xí nghiệp 101 III.2. Cơ sở kỹ thuật an toàn phòng chống cháy trong công nghiệp 102 III.3. An toàn cháy nổ trong nhà máy nói chung và trong phân xưởng nói riêng 103 III.4. An toàn về điện 104 IV. An toàn lao động và phòng chống độc hại với công nhân, môi trường 104 PHẦN KẾT LUẬN 106 Tài liệu tham khảo 107 MỞ ĐẦU Hiện nay, dầu mỏ đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng của nhiều quốc gia trên thế giới, trử lượng dầu mỏ đang ngày càng ít đi và trở nên khan hiếm. Hiệu quả sử dụng của dầu mỏ phụ thuộc vào chất lượng của quá trình chế biến, việc đưa dầu mỏ qua các quá trình chế biến sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng của dầu mỏ lên nhiều lần và như vậy tiết kiệm được trử lượng dầu trên thế giới. Trong số các sản phẩm năng lượng dầu mỏ, trước hết phải kể đến nhiên liệu xăng, một loại nhiên liệu có vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ dầu khí, nhu cầu về xăng có chất lượng cao, ít gây độc hại cho môi trường ngày càng tăng mà tạm thời chưa có loại nhiên liệu nào có thể thay thế được. Xu hướng chung của nhiều quốc gia trên thế giới là thay thế xăng không pha chì cho xăng pha chì nhằm làm giảm quá trình gây ô nhiễm môi trường như hiện nay. Trong công nghệ chế biến dầu, chỉ dùng hai quá trình chủ đạo để nhận xăng có trị số octan cao là quá trình reforming xúc tác và quá trình cracking xúc tác, do nhu cầu về xăng chất lượng cao ngày càng tăng, trong đó phần C5 và C6 của công nghiệp hoá dầu ngày càng có số lượng lớn mà lại không thể đạt được 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 của xăng và thành phần cất, còn trị số octan của phần này không đủ cao vì đa số các cấu tử này chủ yếu là các parafin mạch thẳng. Vì thế cần thiết phải có dây chuyền chế biến và sử dụng iso-parafin C5-C6, các cấu tử này có trị số octan đủ cao. Để nhận được iso-C5, 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 sản phẩm xăng. Quá trình isome hoá n-parafin được dùng để nâng cao trị số octan của phân đoạn C5 và C6 của xăng sôi đến 70oC, đồng thời cũng cho phép nhận các iso-parafin riêng biệt như iso-pentan và iso- butan từ nguyên liệu là n-pentan và n-butan tương ứng nhằm đáp ứng nguồn nguyên liệu cho quá trình alkyl hoá, hoặc để nhận isobuten cho quá trình tổng hợp MTBE. 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: BP, Shell, UOP Do vậy, với đề tài “ Thiết kế phân xưởng isome hoá ” sẽ phần nào giúp em hiểu được vai trò của quá trình isome hoá trong lọc hoá dầu và sự phát triển của nó. Chính vì tầm quan trọng này, trong công nghiệp chế biến dầu, quá trình isome hoá đó được rất nhiều công ty lớn trên thế giới chú trọng, nghiên cứu và phát triển cụ thể như: BP, Shell, UOP
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Thiết kế phân xưởng isome hoá, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
`
Môc lôc
Trang
Më ®Çu 4
PhÇn I. Tæng quan vÒ lý thuyÕt 6
I. Nguyªn liÖu vµ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh isome ho¸ 6
I.1. Nguyªn liÖu cña qu¸ tr×nh isome ho¸ 6
I.2. S¶n phÈm cña qu¸ tr×nh isome ho¸ 8
II. §Æc trng vÒ nhiÖt ®éng 9
III. Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh isome ho¸ 10
III.1. Xóc t¸c pha láng 12
III.2. Xóc t¸c axit r¾n 12
III.3. Xóc t¸c lìng chøc 13
III.4. Zeolit vµ xóc t¸c chøa zeolit 13
III.5. ChÊt mang cã tÝnh axit 14
III.6. Kim lo¹i 15
III.7. Lùa chän xóc t¸c 16
III.8. C¸c yªu cÇu vÒ xóc t¸c r¾n trong c«ng nghiÖp 16
IV. C¬ chÕ ph¶n øng isome ho¸ 17
IV.1. Xóc t¸c trong pha h¬i 17
IV.2. Xóc t¸c trong pha láng 19
V. C¸c qu¸ tr×nh isome ho¸ trong c«ng nghiÖp chÕ biÕn dÇu 21
V.1. S¬ lîc vÒ qu¸ tr×nh isome ho¸ 21
V.2. Mét sè qu¸ tr×nh isome ho¸ trong c«ng nghiÖp 21
V.3. Lùa chän c«ng nghÖ vµ lo¹i xóc t¸c 38
PhÇn II. TÝNH TO¸N C¤NG NGHÖ Vµ TÝNH THIÕT BÞ CHÝNH 45
I. C¬ së vµ nhiÖm vô thiÕt kÕ 45
I.1. Nh÷ng sè liÖu cho tríc 45
I.2. TÝnh to¸n 45
II. TÝnh to¸n cho tõng lß ph¶n øng 53
II.1. TÝnh to¸n cho lß ph¶n øng thø nhÊt 53
II.2. TÝnh to¸n cho lß ph¶n øng thø hai 65
III. Tãm t¾t phÇn kÕt qu¶ tÝnh to¸n 78
PhÇn III. X©y dùng c«ng nghiÖp 79
I. Giíi thiÖu chung 79
II. Ph©n tÝch ®Þa ®iÓm x©y dùng nhµ m¸y 79
II.1. §Þa ®iÓm x©y dùng 79
II.2. Khu ®Êt x©y dùng 80
II.3. B¶o vÖ m«i trêng 80
III. Ph©n tÝch thiÕt kÕ tæng mÆt b»ng ph©n xëng isome ho¸ 80
III.1. Nguyªn t¾c ph©n vïng 80 III.2. ¦u, nhîc ®iÓm cña nguyªn t¾c ph©n vïng 82
III.3. C¸c chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt 83
IV. C¸c nguyªn t¾c vµ th«ng sè kü thuËt trong x©y dùng 83
IV.1. C¸c nguyªn t¾c khi x©y dùng 83
IV.2. Th«ng sè kü thuËt trong x©y dùng 84
IV.3. Bè trÝ mÆt b»ng 85
V. Tù ®éng ho¸ 85
V.1. Môc ®Ých 85
V.2. HÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng 86
V.3. C¸c d¹ng ®iÒu khiÓn tù ®éng 86
V.4. HÖ ®iÒu khiÓn ph¶n håi 89
V.5. CÊu t¹o cña mét sè thiÕt bÞ tù ®éng c¶m biÕn 90
PhÇn IV. TÝnh to¸n kinh tÕ 93
I. Môc ®Ých vµ nhiÖm vô cña viÖc tÝnh to¸n kinh tÕ 93
II. C¸c lo¹i chi phÝ 93
II.1. Chi phÝ ®Çu t x©y dùng c¬ b¶n 93
II.2. Chi phÝ mua m¸y mãc thiÕt bÞ 93
II.3. C¸c lo¹i chi phÝ kh¸c 94
II.4. TÝnh khÊu hao 94
III. Chi phÝ lu ®éng 95
III.1. Chi phÝ mua nguyªn vËt liÖu 95
III.2. Nh©n c«ng s¶n xuÊt trùc tiÕp 95
III.3. C¸c chi phÝ chung 96
IV. X¸c ®Þnh hiÖu qu¶ kinh tÕ 97
PhÇn V. An toµn lao ®éng vµ b¶o vÖ m«I trêng 99
I. Kh¸i qu¸t 99
I.1. Nguyªn nh©n do kü thuËt 99
I.2. Nguyªn nh©n do tæ chøc 99
I.3. Nguyªn nh©n do vÖ sinh 99
II. Nh÷ng yªu cÇu vÒ phßng chèng ch¸y næ 100
II.1. Phßng chèng ch¸y 100
II.2. Ng¨n ngõa kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn nh÷ng nguån g©y ch¸y 100
II.3. Ng¨n ngõa kh¶ n¨ng xuÊt hiÖn nh÷ng nguån ch¸y 101
III. An toµn vÒ trang thiÕt bÞ trong nhµ m¸y ho¸ chÊt tõ kh©u thiÕt kÕ ®Õn kh©u vËn hµnh 101
III.1. Khi thiÕt kÕ tæng mÆt b»ng vÒ xÝ nghiÖp 101
III.2. C¬ së kü thuËt an toµn phßng chèng ch¸y trong c«ng nghiÖp 102
III.3. An toµn ch¸y næ trong nhµ m¸y nãi chung vµ trong ph©n xëng nãi riªng 103
III.4. An toµn vÒ ®iÖn 104
IV. An toµn lao ®éng vµ phßng chèng ®éc h¹i víi c«ng nh©n, m«i trêng 104
PhÇn kÕt luËn 106
Tµi liÖu tham kh¶o 107
Më ®Çu
HiÖn nay, dÇu má ®· trë thµnh nguån n¨ng lîng quan träng cña nhiÒu quèc gia trªn thÕ giíi, trö lîng dÇu má ®ang ngµy cµng Ýt ®i vµ trë nªn khan hiÕm.
HiÖu qu¶ sö dông cña dÇu má phô thuéc vµo chÊt lîng cña qu¸ tr×nh chÕ biÕn, viÖc ®a dÇu má qua c¸c qu¸ tr×nh chÕ biÕn sÏ n©ng cao ®îc hiÖu qu¶ sö dông cña dÇu má lªn nhiÒu lÇn vµ nh vËy tiÕt kiÖm ®îc trö lîng dÇu trªn thÕ giíi.
Trong sè c¸c s¶n phÈm n¨ng lîng dÇu má, tríc hÕt ph¶i kÓ ®Õn nhiªn liÖu x¨ng, mét lo¹i nhiªn liÖu cã vai trß v« cïng quan träng trong ®êi sèng. Cïng víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ dÇu khÝ, nhu cÇu vÒ x¨ng cã chÊt lîng cao, Ýt g©y ®éc h¹i cho m«i trêng ngµy cµng t¨ng mµ t¹m thêi cha cã lo¹i nhiªn liÖu nµo cã thÓ thay thÕ ®îc. Xu híng chung cña nhiÒu quèc gia trªn thÕ giíi lµ thay thÕ x¨ng kh«ng pha ch× cho x¨ng pha ch× nh»m lµm gi¶m qu¸ tr×nh g©y « nhiÔm m«i trêng nh hiÖn nay.
Trong c«ng nghÖ chÕ biÕn dÇu, chØ dïng hai qu¸ tr×nh chñ ®¹o ®Ó nhËn x¨ng cã trÞ sè octan cao lµ qu¸ tr×nh reforming xóc t¸c vµ qu¸ tr×nh cracking xóc t¸c, do nhu cÇu vÒ x¨ng chÊt lîng cao ngµy cµng t¨ng, trong ®ã phÇn C5 vµ C6 cña c«ng nghiÖp ho¸ dÇu ngµy cµng cã sè lîng lín mµ l¹i kh«ng thÓ ®¹t ®îc trÞ sè octan cao khi ¸p dông c¸c qu¸ tr×nh trªn. Tríc ®©y ph©n ®o¹n nµy chØ ®îc dïng ®Ó pha trén vµo x¨ng víi môc ®Ých ®¹t ®ñ ¸p suÊt cña x¨ng vµ thµnh phÇn cÊt, cßn trÞ sè octan cña phÇn nµy kh«ng ®ñ cao v× ®a sè c¸c cÊu tö nµy chñ yÕu lµ c¸c parafin m¹ch th¼ng. V× thÕ cÇn thiÕt ph¶i cã d©y chuyÒn chÕ biÕn vµ sö dông iso-parafin C5-C6, c¸c cÊu tö nµy cã trÞ sè octan ®ñ cao. §Ó nhËn ®îc iso-C5, C6 ngêi ta cã thÓ dïng qu¸ tr×nh isome ho¸. u ®iÓm cña qu¸ tr×nh nµy lµ: BiÕn ®æi hydrocacbon m¹ch th¼ng thµnh cÊu tö cã cÊu tróc nh¸nh lµ cÊu tö cã trÞ sè octan cao. Nhê thÕ lµm n©ng cao ®¸ng kÓ hiÖu suÊt vµ chÊt lîng s¶n phÈm x¨ng.
Qu¸ tr×nh isome ho¸ n-parafin ®îc dïng ®Ó n©ng cao trÞ sè octan cña ph©n ®o¹n C5 vµ C6 cña x¨ng s«i ®Õn 70oC, ®ång thêi còng cho phÐp nhËn c¸c iso-parafin riªng biÖt nh iso-pentan vµ iso- butan tõ nguyªn liÖu lµ n-pentan vµ n-butan t¬ng øng nh»m ®¸p øng nguån nguyªn liÖu cho qu¸ tr×nh alkyl ho¸, hoÆc ®Ó nhËn isobuten cho qu¸ tr×nh tæng hîp MTBE.
ChÝnh v× tÇm quan träng nµy, trong c«ng nghiÖp chÕ biÕn dÇu, qu¸ tr×nh isome ho¸ ®· ®îc rÊt nhiÒu c«ng ty lín trªn thÕ giíi chó träng, nghiªn cøu vµ ph¸t triÓn cô thÓ nh: BP, Shell, UOP…
Do vËy, víi ®Ò tµi “ ThiÕt kÕ ph©n xëng isome ho¸ ” sÏ phÇn nµo gióp em hiÓu ®îc vai trß cña qu¸ tr×nh isome ho¸ trong läc ho¸ dÇu vµ sù ph¸t triÓn cña nã.
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: BP, Shell, UOP…
PhÇn I
TæNG QUAN VÒ Lý THUYÕT
I. Nguyªn liÖu vµ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh isome ho¸
I.1. Nguyªn liÖu cña qu¸ tr×nh isome ho¸
Isome ho¸ thêng dïng nguyªn liÖu lµ ph©n ®o¹n C5 vµ C6. §Æc trng cña nguyªn liÖu sÏ quyÕt ®Þnh chÕ ®é c«ng nghÖ vµ chÊt lîng s¶n phÈm. Thµnh phÇn cña nguyªn liÖu tiªu biÓu cã nguån gèc kh¸c nhau ®îc tr×nh bµy ë b¶ng 1 díi ®©y.
B¶ng 1: Thµnh phÇn nguyªn liÖu tiªu biÓu
Nguån nguyªn liÖu
Kuwait
Mid continent
X¨ng cÊt
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
-
-
-
-
-
Xyclopentan
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
Metylxyclopentan
5.1
14.0
17.0
7.3
18.8
Xyclohexan
4.2
2.2
4.5
-
-
Benzen
2.0
0.6
-
2.0
1.4
RON cña C5
74.4
72.9
79.2
72.1
73
RON cña C6
55.9
57.7
76.4
55.1
61.1
Tõ c¸c sè liÖu trong b¶ng thÊy r»ng, hµm lîng n-parafin thêng kh«ng vît qu¸ 65% trong nguyªn liÖu. Do ®ã, nÕu cho toµn bé nguyªn liÖu qua biÕn ®æi isome ho¸ lµ kh«ng hîp lý mµ cÇn ph¶i t¸ch c¸c isome khái n-parafin vµ chØ cho biÕn ®æi n-parafin. §Ó h¹n chÕ c¸c ph¶n øng phô vµ sù k×m h·m qu¸ tr×nh nªn tiÕn hµnh ph¶n øng ë møc ®é biÕn ®æi võa ph¶i, råi sau khi t¸ch cho tuÇn hoµn trë l¹i nguyªn liÖu cha biÕn ®æi. Khi tiÕn hµnh thao t¸c nh vËy, ®· cho phÐp t¨ng cao trÞ sè octan cña ph©n ®o¹n lªn tèi thiÓu lµ 20 ®¬n vÞ.
Trong thùc tÕ c«ng nghiÖp, ngêi ta thêng ®em isome ho¸ ph©n ®o¹n C5 -C6 cßn n-heptan ®em isome ho¸ kh«ng tiÖn lîi v× trong ®iÒu kiÖn tiÕn hµnh qu¸ tr×nh, c¸c parafin cao (>C6) dÔ bÞ cracking vµ dÔ t¹o cÆn nhùa lµm cho s¶n phÈm cã trÞ sè octan t¬ng ®èi thÊp. §¸ng tiÕc lµ khi tiÕn hµnh isome ho¸ ph©n ®o¹n C5 - C6, trÞ sè octan cña x¨ng chØ t¨ng lªn ®Õn mét giíi h¹n nhÊt ®Þnh vµ thêng lµ kh«ng vît qu¸ 100 ®¬n vÞ theo ph¬ng ph¸p nghiªn cøu. V× thÕ nã kh«ng ph¶i lµ qu¸ tr×nh chñ ®¹o ®Ó thu c¸c cÊu tö cho x¨ng. Xong nh trªn ®· nãi nã lµ qu¸ tr×nh chÝnh ®Ó nhËn isopentan ®Ó s¶n xuÊt isopren.
I.1.1.Chän thµnh phÇn nguyªn liÖu cô thÓ
B¶ng 2: Thµnh phÇn vµ tû träng cña c¸c cÊu tö.
NhiÖt ®é s«i, oC
CÊu tö
Tû träng
% khèi lîng
% mol
C5 – Parafin
47,5
51,78
29
Isopentan
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- hexan
0,647
45,9
18,94
C6 - Vßng
7,3
6,96
71,19
Metylxyclopentan
0,780
57,0
3,89
80,72
Xyclohecxan
0,770
17,0
1,16
80,11
Benzen
00,860
26,0
1,91
I.2. S¶n phÈm qu¸ tr×nh isome hãa
§Æc trng s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh isome ho¸ lµ c¸c iso-parafin ®©y lµ nh÷ng cÊu tö cao octan, rÊt thÝch hîp cho viÖc s¶n xuÊt x¨ng chÊt lîng cao. S¶n phÈm thu ®îc tõ qu¸ tr×nh isome ho¸ cã trÞ sè octan cã thÓ ®¹t tíi 88÷99 (theo RON). Víi mçi h·ng kh¸c nhau th× s¶n phÈm thu ®îc cã chøa %V cña c¸c cÊu tö kh¸c nhau nhng nh×n chung nã kh«ng cã sù chªnh lÖch nhiÒu vÒ trÞ sè octan, cô thÓ nh s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh isome ho¸ cña h·ng Essoresearch vµ Engineering Co tiÕn hµnh trong pha láng cã kÕt qu¶ nh trong b¶ng sau
B¶ng 3: Thµnh phÇn s¶n phÈm tõ c¸c nguyªn liÖu kh¸c nhau.
CÊu tö
Nguyªn liÖu Lousianna
Arbian
Nguyªn liÖu
S¶n phÈm
Nguyªn liÖu
S¶n phÈm
% V
n-pentan
16.3
4.8
29.1
7.1
Isopentan
11.6
23.1
11.3
33.3
n-pentan
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-metylpentan
15.3
11.4
11.3
12.0
3-metylpentan
9.4
6.2
6.6
5.1
Xyclopentan
2.3
1.8
0.7
0.1
Xyclohexan
6.4
15.5
1.5
6.6
Metylcyclopentan
10.8
2.2
5.4
0.9
Benzen
4.8
4.8
1.0
1.0
TrÞ sè octan
98
98.5
RON + 3ml TEP/Gal
Hiªu suÊt, % V
>99
99
Tõ sè liÖu trong b¶ng thÊy r»ng trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi isome ho¸ ®i tõ nguyªn liÖu lµ n-C5, C6 th× s¶n phÈm chÝnh thu ®îc lµ isopentan vµ 2,2 dimetylbutan. S¶n phÈm thu ®îc tõ qu¸ tr×nh isome ho¸ cã chÊt lîng cao, chÝnh v× u ®iÓm nµy nªn cã nhiÒu h·ng tham gia nghiªn cøu vµ thiÕt kÕ d©y chuyÒn isome ho¸ ®Ó xö lý ph©n ®o¹n C5, C6 cã trÞ sè octan thÊp thµnh ph©n ®o¹n cao octan cho x¨ng, ®Ó ®¸p øng nhu cÇu sö dông x¨ng chÊt lîng cao nh hiÖn nay.
II. §Æc trng vÒ nhiÖt ®éng häc
C¸c ph¶n øng isome hãa n-pentan vµ n-hexan lµ c¸c ph¶n øng cã táa nhiÖt nhÑ. B¶ng 4 cho thÊy nhiÖt ph¶n øng ®Ó t¹o thµnh c¸c isome ho¸ tõ c¸c cÊu tö riªng biÖt.
B¶ng 4. NhiÖt t¹o thµnh cña mét sè cÊu tö
CÊu tö
(H298 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 ®ã, c¸c ph¶n øng isome ho¸ lµ táa nhiÖt nªn vÒ mÆt nhiÖt ®éng häc ph¶n øng sÏ kh«ng thuËn lîi khi t¨ng nhiÖt ®é. MÆt kh¸c, ph¶n øng isome ho¸ n-parafin lµ ph¶n øng thuËn nghÞch vµ kh«ng cã sù t¨ng thÓ tÝch, v× thÕ c©n b»ng cña ph¶n øng chØ phô thuéc vµo nhiÖt ®é. NhiÖt ®é thÊp sÏ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi t¹o thµnh isome vµ cho phÐp nhËn ®îc hçn hîp ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng vµ cã trÞ sè octan cao. §å thÞ sau cho thÊy sù phô thuéc gi÷a nång ®é c©n b»ng cña isome vµo nhiÖt ®é cña ph¶n øng isome ho¸ n-pentan vµ n-hexan ®îc x©y dùng tõ tÝnh to¸n thùc nghiÖm.
Tõ ®å thÞ cho thÊy khi t¨ng nhiÖt ®é nång ®é c¸c isome ®Òu gi¶m cßn nång c¸c n-parafin l¹i t¨ng, khi ®ã nã lµm gi¶m hiÖu xuÊt cña qu¸ tr×nh isome ho¸. Dùa vµo ®å thÞ thÊy r»ng nÕu nhiÖt ®é to < 200oC sÏ thiÕt lËp ®îc mét hçn hîp c©n b»ng cã trÞ sè octan cao.
Khi isome ho¸ c¸c n-parafin cßn x¶y ra mét sè ph¶n øng phô nh ph¶n øng cracking vµ ph¶n øng ph©n bè l¹i:
2C5H12 ( C4H10 + C 6H14
§Ó gi¶m tèc ®é cña ph¶n øng phô nµy vµ duy tr× ho¹t tÝnh cña xóc t¸c, ngêi ta ph¶i thùc hiÖn qu¸ tr×nh ë ¸p suÊt hydro =2 ( 4 MPa vµ tuÇn hoµn khÝ chøa hydro.
§éng häc vµ c¬ chÕ ph¶n øng isome ho¸ phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn tiÕn hµnh qu¸ tr×nh vµ phô thuéc vµo xóc t¸c
III. Xóc t¸c cña qu¸ tr×nh
Xóc t¸c lµm t¨ng tèc ®é ph¶n øng lªn hµng tr¨m, hµng ngh×n lÇn. B¶n chÊt cña xóc t¸c lµ chÊt xóc t¸c chØ cã t¸c dông ®a hÖ nhanh chãng ®¹t ®Õn tr¹ng th¸i c©n b»ng, b»ng c¸ch lµm gi¶m n¨ng lîng ho¹t ho¸ cña ph¶n øng chø kh«ng ¶nh hëng g× ®Õn c©n b»ng ho¸ häc. Mét ph¶n øng kh«ng cã kh¶ n¨ng x¶y ra th× xóc t¸c sÏ v« t¸c dông. ChÊt xóc t¸c mét phÇn còng thóc ®Èy ph¶n øng x¶y ra theo chiÒu ngîc l¹i. Sau ph¶n øng, chÊt xóc t¸c kh«ng thay ®æi g× vÒ thµnh phÇn ho¸ häc, chØ thay ®æi mét Ýt vÒ tÝnh chÊt vËt lý.
C¸c ph¶n øng h÷u c¬ thêng x¶y ra theo nhiÒu híng, x¶y ra theo nhiÒu cÊp (chuyÓn ho¸ tiÕp tôc s¶n phÈm). ChÊt xóc t¸c cã kh¶ n¨ng lµm t¨ng nhanh kh«ng ®ång ®Òu mét sè ph¶n øng nhÊt ®Þnh. TÝnh chÊt nµy ®îc gäi lµ tÝnh chän läc cña xóc t¸c, nhê ®ã mµ hiÖu qu¶ cña ph¶n øng t¨ng nhiÒu lÇn.
Xóc t¸c ®îc chia lµm hai nhãm chÝnh lµ xóc t¸c ®ång thÓ vµ xóc t¸c dÞ thÓ, mçi lo¹i l¹i ®îc chia nhá h¬n. Víi xóc t¸c dÞ thÓ r¾n-khÝ, ®Æc trng nhÊt lµ xóc t¸c oxit, ®a oxit, ngµy nay phæ biÕn nhÊt lµ xóc t¸c kim lo¹i trªn chÊt mang.
Xóc t¸c r¾n trong c«ng nghiÖp thêng cã c¸c d¹ng sau:
Bôi: cã ®êng kÝnh kho¶ng d = 1-150 (m
Vi cÇu: d = 10-150 (m
CÇu lín: d = 3-6 (m
Trô: d = 3-4, chiÒu cao h = 3-5 mm
Xóc t¸c d¹ng cÇu Ýt vì vôn, chóng cã ®é bÒn c¬ rÊt cao. D¹ng bôi vµ d¹ng vi cÇu dïng trong xóc t¸c gi¶ s«i, d¹ng cÇu lín ®îc dïng trong xóc t¸c chuyÓn ®éng, cßn d¹ng trô dïng trong c«ng nghÖ xóc t¸c líp tÜnh. KÝch thíc h¹t xóc t¸c phô thuéc vµo kiÓu reactor. Khi c¸c chÊt ph¶n øng lµ khÝ bay h¬i th× chØ cã hai lo¹i reactor ®îc sö dông lµ reactor líp cè ®Þnh vµ líp s«i.
*Reactor líp cè ®Þnh
Lµ èng ®øng ®ùng xóc t¸c, dßng chÊt ph¶n øng ®îc thæi qua líp xóc t¸c. Do trë lùc, ¸p suÊt sÏ gi¶m xuèng khi qua líp xóc t¸c, v× thÕ cÇn t¹o ra mét ¸p suÊt d¬ng ë ®Çu vµo reactor ®Ó ®¶m b¶o tèc ®é dßng thÝch hîp. §é gi¶m ¸p suÊt qua líp xóc t¸c t¨ng theo chiÒu t¨ng cña tèc ®é dßng, chiÒu dµy cña líp xóc t¸c vµ chiÒu gi¶m kÝch thíc h¹t.
* Reactor líp s«i
®©y líp xóc t¸c gåm c¸c h¹t mÞn vµ khi dßng khÝ thæi tõ díi lªn qua líp xóc t¸c, dÇn dÇn ®¹t ®Õn tèc ®é tíi h¹n th× líp xóc t¸c b¾t ®Çu “s«i”. ThÓ tÝch cña líp gi·n ra ®¸ng kÓ, c¸c h¹t ë tr¹ng th¸i chuyÓn ®éng liªn tôc. Líp s«i cã u ®iÓm h¬n líp cè ®Þnh, ch¼ng h¹n nh kh¶ n¨ng truyÒn nhiÖt tèt h¬n nhiÒu, sù tæn thÊt ¸p suÊt nhá h¬n so víi líp cè ®Þnh.
III.1. Xóc t¸c pha láng
Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh isome ho¸ thuéc lo¹i xóc t¸c thóc ®Èy ph¶n øng t¹o thµnh ion cacboni tøc lµ xóc t¸c mang tÝnh axit. Tríc ®©y ngêi ta dïng xóc t¸c Lewis nh AlCl3 ®îc ho¹t ho¸ b»ng HCl. GÇn ®©y ngêi ta vÉn sö dông xóc t¸c trªn c¬ së AlBr3 vµ hçn hîp AlCl3 + SbCl3 , u ®iÓm cña lo¹i xóc t¸c míi nµy lµ ho¹t tÝnh rÊt cao, ë nhiÖt ®é 93 0C ®· hÇu nh chuyÓn hãa hoµn toµn c¸c parafin. Nhîc ®iÓm cña lo¹i xóc t¸c nµy lµ mau mÊt ho¹t tÝnh, ®é chän läc thÊp vµ dÔ bÞ ph©n huû. §é axit m¹nh cña xóc t¸c dÔ g©y ¨n mßn thiÕt bÞ. Ngoµi c¸c xóc t¸c trªn th× còng cßn sö dông mét sè xóc t¸c nh
H3PO4 ë 26-1350C
C6H5SO3H ë 760C ®Ó isome hãa buten-1vµ buten-2
H3PO4/chÊt mang lµ ®Êt nung ë 325-3600C ®Ó isome ho¸ n-anken vµ iso-anken
III.2. Xóc t¸c axit r¾n
BeO: Dïng ®Ó biÕn ®æi xyclohexan thµnh metylxyclopentan ë 4500C.
Cr2O3: Dïng ®Ó biÕn ®æi hexadien-1,5 thµnh hexadien-2,4 ë 225-250oC
ThO2: Isome hãa olefin ë 398- 4400C
TiO2 : Dïng ®Ó biÕn ®æi heptylen thµnh metylxyclohexen ë 4500C
Al2O3-Cr2O3, Al2O3-Fe2O3 , Al2O3-Co, Al2O3-MnO2 (tÊt c¶ ®Òu trén theo tû lÖ khèi lîng lµ 4:1) dïng ®Ó isome ho¸ metylbutylen ë 294-3700C.
Cr2O3-Fe2O3 : ChuyÓn vÞ trÝ nèi ®«i, nèi ba trong hîp chÊt kh«ng no ë 220-3000C mµ kh«ng thay ®æi cÊu tróc m¹ch cacbon.
MoS 3 : Dïng ®Ó biÕn ®æi n-parafin thµnh iso-parafin.
Al2O3-V2O5: §îc dïng ®Ó biÕn ®æi xyclohexan thµnh metylxyclopentan.
III.3. Xóc t¸c lìng chøc
Liªn hÖ víi viÖc chÕ t¹o xóc t¸c reforming ngêi ta ®· t×m ra xóc t¸c míi cho qu¸ tr×nh isome ho¸ vµ hydroisome ho¸ ®Ó isome ho¸ n-parafin. Xóc t¸c nµy gåm hai phÇn:
- PhÇn kim lo¹i cã ®Æc trng hydro ho¸, kim lo¹i thêng dïng lµ Pt, Pd.
- PhÇn chÊt mang axit (alumin, alumin + halogen, aluminsilicat…).
Lo¹i xóc t¸c nµy cã ®ñ ®é chän läc cÇn thiÕt khi isome ho¸ nguyªn liÖu C5 -C6 nhng ®é linh ho¹t cña nã kh¸ thÊp v× thÕ ®ßi hái nhiÖt ®é ph¶n øng ph¶i cao. V× vËy ®Ó ®¶m b¶o ®îc hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh th× ngêi ta cho tuÇn hoµn.
Xóc t¸c reforming lo¹i Pt/Al2O3 dïng rÊt cã hiÖu qu¶ khi isome ho¸ ph©n ®o¹n C5-C6 nhng ®Ó ®¹t ®îc tèc ®é ph¶n øng cÇn thiÕt, chóng chØ ®îc sö dông ë nhiÖt ®é tõ 450-5100C.
§é ho¹t tÝnh cña xóc t¸c lìng chøc ®îc t¨ng lªn b»ng c¸ch t¨ng ®é axit cña chÊt mang. Xóc t¸c Pt/Al2O3 t¹o ra ngay ®îc ion cacboni ë nhiÖt ®é 500C. Sau nµy ngêi ta dïng xóc t¸c Pt/Modenit, zeolit. Víi xóc t¸c nµy cã thÓ t¹o ra ®îc ph¶n øng cã hiÖu qu¶ ë nhiÖt ®é 2500C. Nhng phæ biÕn nhÊt vÉn lµ xóc t¸c Pt/Al2O3 ®îc bæ xung clo. Xóc t¸c ®îc quan t©m nhiÒu nhÊt hiÖn nay lµ zeolit.
III.4. Zeolit vµ xóc t¸c chøa zeolit
Zelit lµ hîp chÊt cña Alumino-silic. §ã lµ hîp chÊt tinh thÓ cã cÊu tróc ®Æc biÖt, cÊu tróc cña chóng ®îc ®Æc trng b»ng m¹ng c¸c lç rçng, r·nh rÊt nhá th«ng nhau. C¸c zeolit ®îc chÕ t¹o cïng lóc víi xóc t¸c Alumino-silicat hay víi ®Êt sÐt thiªn nhiªn, råi sau ®ã ®îc xö lý b»ng c¸c ph¬ng ph¸p ®Æc biÖt hîp thµnh xóc t¸c chøa zeolit. Xóc t¸c chøa zeolit cã ho¹t tÝnh rÊt cao, ®é chän läc tèt vµ l¹i cã gi¸ thµnh võa ph¶i cã kh¶ n¨ng t¸i sinh v× thÕ chóng ®îc sö dông réng r·i.
Thµnh phÇn ho¸ häc cña zeolit ®îc biÓu diÔn díi d¹ng c«ng thøc nh sau:
M2/nAl2O3 .xSiO2.yH2O
Trong ®ã: x>2 vµ n lµ ho¸ trÞ cña cation kim lo¹i M.
B¶ng 5. Mét sè xóc t¸c zeolit thêng dïng
Zeolit
Thµnh phÇn ho¸ häc
§êng kÝnh trung b×nh lç 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
Mordenit
Na8(Al2O3)4,8(SiO2)40.24H2O
2,9-5,7
ZSM5 vµ 11
5,4-5,6
VÒ cÊu t¹o zeolit ®îc t¹o thµnh tõ c¸c sodalit. NÕu c¸c ®¬n vÞ nµy nèi nhau theo c¸c mÆt bèn c¹nh th× t¹o nªn zeolit mµ ngêi ta gäi lµ zeolit lo¹i A. Cßn khi c¸c ®¬n vÞ nµy nèi nhau theo c¸c mÆt s¸u c¹nh th× zeolit t¹o thµnh ngêi ta thêng gäi lµ zeolit lo¹i X hay Y, cã cÊu tróc t¬ng tù nh c¸c faurazit. Ngµy nay, ngêi ta ®· chÕ t¹o ®îc hµng tr¨m lo¹i zeolit kh¸c nhau ®ñ mäi kÝch cì.
III.5. ChÊt mang cã tÝnh axit
Xóc t¸c chØ cã t¸c dông ë líp bªn ngoµi trªn bÒ mÆt cã ®é dµy kho¶ng 100 ( 300 Ao, cßn ë phÝa bªn trong chØ lµm nhiÖm vô liªn kÕt m¹ng tinh thÓ. Nh vËy ngêi ta thay líp bªn trong b»ng mét líp chÊt mang rÎ tiÒn vµ dÔ ®iÒu chÕ h¬n. MÆt kh¸c khi dïng chÊt mang cã thÓ t¨ng ®é bÒn c¬, ®é bÒn nhiÖt vµ t¨ng bÒ mÆt riªng cña xóc t¸c.
ChÊt mang cã thÓ lµ oxit nh«m hoÆc hçn hîp Al2O3-SiO2, sau nµy ngêi ta cßn dïng zeolit hay modenit v× zeolit lµ mét trong c¸c axit r¾n cã ®Æc tÝnh rÊt quý: §é axit cao, lµ mét r©y ph©n tö, do vËy cã thÓ cho phÐp ta t¸ch ®îc nh÷ng ph©n tö cã kÝch thíc kh¸c nhau. Tèt h¬n c¶ lµ dïng xóc t¸c ZSM-5 cña h·ng Mobil-Oil (Hoa Kú). Tuy nhiªn phæ biÕn h¬n c¶ sö dông chÊt mang Al2O3 cã bæ sung Clo. §é axit cña chÊt mang ®îc quyÕt ®Þnh bëi qu¸ tr×nh xö lý ®Æc biÖt ®Ó t¸ch níc bÒ mÆt nh»m t¹o ra bÒ mÆt riªng lín (400m2/g) vµ t¹o ra c¸c t©m axit.
ChÊt mang cã thÓ lµ -Al2O3 hoÆc lµ -Al2O3 víi diÖn tÝch bÒ mÆt kho¶ng 250m2/g ®îc bæ sung c¸c hîp chÊt halogen nh flo, clo hay hçn hîp cña chóng. §é axit t¨ng khi t¨ng hµm lîng halogen, cã kho¶ng 5(7% clo trªn xóc t¸c. Dïng CCl4 hoÆc c¸c hîp chÊt clo h÷u c¬ kh¸c, hiÖn nay ngêi ta thêng dïng axit HCl, ®Ó cã Ýt nhÊt 2 nguyªn tö clo trªn mét nguyªn tö Al.
III.6. Kim lo¹i
Kim lo¹i cã ®Æc trng thóc ®Èy ph¶n øng dehydro ho¸ parafin thµnh olefin, ®ång thêi hydro ho¸ c¸c olefin thµnh c¸c iso-parafin. Thêng dïng lµ c¸c kim lo¹i quÝ sau Pt, Pd, Ni, trong ®ã Pt lµ kim lo¹i ®îc sö dông nhiÒu nhÊt.
Trong qu¸ tr×nh isome ho¸, Pt lµm t¨ng tèc ®é khö hydrocacbon no, khö hydro vßng ho¸ parafin t¹o hydrocacbon th¬m thóc ®Èy qu¸ tr×nh no ho¸, lµm gi¶m lîng cèc b¸m trªn xóc t¸c. H¬n n÷a, Pt cã kh¶ n¨ng ph©n ly ph©n tö H2SO4 dÔ dµng, c¸c anken kh«ng bÞ hÊp phô qu¸ m¹nh vµ Pt lµ xóc t¸c yÕu cña ph¶n øng nhiÖt ph©n hydro. V× vËy, c¸c ph¶n øng isome ho¸ n-parafin dÔ dµng x¶y ra trªn Pt ngay c¶ trêng hîp kh«ng cã t©m axit.
Platin ®îc ®a vµo xóc t¸c ë d¹ng kh¸c nhau nhng phæ biÕn lµ dïng dung dÞch cña axit platin clohidric (H2PtCl6). Platin lµ cÊu tö tèt cho xóc t¸c ®ång ph©n ho¸. Hµm lîng Pt trªn xóc t¸c chiÕm kho¶ng 0,3(0,7% khèi lîng.
ChÊt lîng tèt cña mét chÊt xóc t¸c lµ cã ®é ho¹t tÝnh cao, ®é chän läc cao vµ ®é æn ®Þnh cao. Bé ho¹t tÝnh cña xóc t¸c ®îc ®¸nh gi¸ th«ng qua hiÖu suÊt vµ ®é chuyÓn ho¸ cña s¶n phÈm thu ®îc. §é ho¹t tÝnh phô thuéc chñ yÕu vµo hµm lîng kim lo¹i Pt vµ ®Æc biÖt lµ ®é ph©n t¸n cña Pt trªn chÊt mang axit. Qua c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu, ngêi ta cho r»ng: NÕu c¸c h¹t ph©n t¸n cã kÝch thíc nhá h¬n 10Ao th× cã t©m ho¹t tÝnh m¹nh, cßn khi kÝch thíc h¹t lín h¬n 70Ao th× xóc t¸c kh«ng cã ho¹t tÝnh ®èi víi ph¶n øng isome ho¸. V× thÕ hµm lîng Pt chØ chiÕm tèi ®a 1% bÒ mÆt chÊt mang.
Xóc t¸c lìng chøc n¨ng cã ®é chän läc cao h¬n xóc t¸c trong pha láng nhng ®é ho¹t tÝnh cña nã thêng thÊp h¬n, v× thÕ ph¶i ®ßi hái nhiÖt ®é ph¶n øng ph¶i cao h¬n vµ ph¶n øng ph¶i ®îc thùc hiÖn trong pha h¬i. nhng do t¨ng nhiÖt ®é mµ ph¶n øng isome ho¸ n-parafin kh«ng thuËn lîi vÒ mÆt nhiÖt ®éng. Do ®ã, cÇn ph¶i tuÇn hoµn nguyªn liÖu cha biÕn ®æi ®Ó n©ng cao hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh isome ho¸.
III.7. Lùa chän xóc t¸c
Trong tÊt c¶ c¸c lo¹i zeolit th× zeolit sö dông phï hîp nhÊt cho qu¸ tr×nh isome ho¸ lµ ZSM5,11. V× chóng cã kÝch thíc kh¸ phï hîp cho phÐp ®é chän läc cña qu¸ tr×nh cao h¬n.
Sau ®©y lµ mét sè ®Æc trng cña qu¸ tr×nh isome hãa.
Tãm t¾t ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é lµm viÖc cña c¸c lo¹i xóc t¸c:
B¶ng 6. §Æc trng cña xóc t¸c isome hãa
Xóc t¸c
NhiÖt ®é ph¶n øng khi sö dông
NhiÖt ®é ph¶n øng khi sö dông
FiedelCrafts AlCl3.AlBr3
80-1000C
Pha láng g©y ¨n mßn
Oxit Al2O3,Cr2O3,BeO
200-4500C
Pha h¬i
Pt/Al2O3
350-5000C
Pt/Al2O3 clo ho¸
80-1500C
Pt/zeolite
250-3000C
Pt/zeolite-X
300-3300C
Pt/zeolite-Y
300-3300C
Pt/ZSM5
300-3300C
III.8. C¸c yªu cÇu cña xóc t¸c r¾n trong c«ng nghiÖp
ChÊt xóc t¸c chØ thùc sù cã tÝnh kh¶ thi khi chóng tho¶ m·n phÇn lín c¸c yªu cÇu c«ng nghÖ ®Æt ra:
- Cã ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cao ®Ó ®¶m b¶o hiÖu suÊt cña thiÕt bÞ.
- DÔ s¶n xuÊt, rÎ tiÒn, cã tÝnh t¸i sinh vµ bÒn víi nh÷ng t¸c nh©n g©y ngé ®éc xóc t¸c. §¶m b¶o ®îc s¶n lîng lín trong quy m« c«ng nghiÖp, phï hîp víi thùc tÕ lµ lîng t¹p chÊt rÊt nhiÒu.
- §é æn ®Þnh bÒn c¬, bÒn nhiÖt, bÒn ho¸ häc vµ ®é thuÇn khiÕt vÒ thµnh phÇn ho¸ häc cao. MÆt kh¸c, nã cßn cã kh¶ n¨ng dÉn nhiÖt tèt cã kh¶ n¨ng t¹o kÝch thíc vµ h×nh d¹ng phï hîp, ®ång ®Òu.
Tuy nhiªn, trong thùc tÕ kh«ng cã lo¹i xóc t¸c nµo ®¸p øng ®îc c¸c yªu cÇu trªn. V× thÕ trong tõng trêng hîp cô thÓ mµ ta xÐt xem yªu cÇu nµo lµ quan träng nhÊt ®Ó chän xóc t¸c cho phï hîp.
IV. C¬ chÕ ph¶n øng isome hãa
Trong c¸c qu¸ tr×nh chÕ biÕn dÇu, tïy theo lo¹i xóc t¸c thùc hiÖn c¸c ph¶n øng trong pha láng hoÆc pha h¬i.
IV.1. Xóc t¸c trong pha h¬i
Qu¸ tr×nh thùc hiÖn trong pha h¬i ®îc sö dông rÊt phæ biÕn hiÖn nay, víi xóc t¸c oxit r¾n, axit r¾n hoÆc xóc t¸c lìng chøc ë nhiÖt ®é cao
Qu¸ tr×nh isome hãa bao gåm isome hãa n-parafin thµnh iso-parafin vµ n-parafin thµnh iso-olefin. Ch¼ng h¹n:
Ph¶n øng biÕn ®æi n-butan thµnh isobutan vµ isobuten
C¸ch 1: C¸ch 2:
CH3 CH2 CH2 CH3
CH3 C+H CH2 CH3 CH3 CH CH CH3
CH3 CH CH CH3 CH2 CH3 CH C+H2
(
CH2 CH CH3 CH3
CH3 CH CH3 CH3 C+ CH3
( (
CH3 CH3
CH3 C CH2
(
CH3
C¬ chÕ xyclopropan míi gi¶i thÝch ®îc sù t¹o thµnh iso-parafin vµ iso-olefin. Theo c¬ chÕ trªn, xyclopropan khi më vßng t¹o thµnh C+ bËc 1, tuy nhiªn tèc ®é t¹o thµnh rÊt nhá sau ®ã chuyÓn sang C+ bËc 3 víi tèc ®é rÊt lín:
CH2
CH3 CH CH2
CH CH CH2+ CH3 C+ CH3 CH3 CH CH3 + H+
( ( (
CH3 CH3 CH3
Ngoµi c¸c ph¶n øng trªn cßn x¶y ra ph¶n øng t¹o dime (c¬ chÕ lìng ph©n tö):
C C C+ C + C C C C C C C C C C C 2C4
(
C
C C C
(
C
Trong hai c¬ chÕ trªn, c¬ chÕ lìng ph©n tö dÔ x¶y ra h¬n. Tuy nhiªn s¶n phÈm trung gian cña c¬ chÕ nµy (dime) cã kÝch thíc lín h¬n, nªn nÕu chÊt xóc t¸c cã lç kÝch thíc nhá h¬n kÝch thíc cña dime th× ph¶n øng nµy kh«ng x¶y ra. Do vËy, muèn t¨ng ®é chän läc, ph¶i chän xóc t¸c cã ®é chän läc phï hîp. Xóc t¸c thêng dïng trong c«ng nghiÖp lµ zeolit feriorit (d=5Ao, ®é axit t¬ng ®¬ng víi ZMS-5).
Isome hãa n- hexan thµnh isohexan:
C¬ chÕ ph¶n øng nµy x¶y ra qua hai giai ®o¹n nh sau:
+ Giai ®o¹n 1: T¹o olefin, xóc tiÕn cho qu¸ tr×nh nµy lµ c¸c t©m kim lo¹i trong xóc t¸c Pt.
+ Giai ®o¹n 2: §ång ph©n hãa, x¶y ra trªn t©m axit Lewis:
C C C C C C C C+ C C C C
C C C C C C C C C C
(
C C+
C C+ C C C C C C C C
( ( C C
IV.2. Xóc t¸c trong pha láng
Qu¸ tr×nh x¶y ra víi xóc t¸c láng t¬ng ®èi phøc t¹p. ChÊt xóc t¸c tiªu biÓu cho qu¸ tr×nh nµy lµ clorua nh«m khan ®îc ho¹t hãa b»ng axit clohydric. Sau nµy ngêi ta ®· dïng c¸c chÊt xóc t¸c kh¸c nh AlCl3 + SbCl3 hay AlBr3 vµ c¸c axit sunfonic hay axit clohydric.
H H
CH3CH2CH2CH3
CH3CH2CHCH3
H2C H
CH3CH2CH+CH3 (3)
H2C — CH— CH3
H H
CH
CH
H2C CH— CH3
H2C CH— CH3
CH3
H
H2C — CH— CH3 H2C+— CH— CH3
CH3 CH3
H3C — C+— CH3 H3C— C — CH3
H
Tãm l¹i, xóc t¸c cho qu¸ tr×nh isome hãa x¶y ra theo hai giai ®o¹n sau:
+ Giai ®o¹n ®Çu: lµ giai ®o¹n t¸ch hydro, vai trß xóc t¸c lµ c¸c t©m kim lo¹i Pt.
+ Giai ®o¹n sau: Giai ®o¹n ®ång ph©n hãa, vai trß xóc t¸c lµ c¸c t©m axit.
V. C¸c qu¸ tr×nh isome hãa trong c«ng nghiÖp chÕ biÕn dÇu
V.1. S¬ lîc vÒ qu¸ tr×nh isome hãa
Qu¸ tr×nh isome hãa n- parafin ®îc dïng ®Ó n©ng cao trÞ sè octan cña ph©n ®o¹n pentan, hexan cña phÇn x¨ng s«i ®Õn 70oC, ®ång thêi còng cho phÐp nhËn c¸c iso-parafin riªng biÖt nh isopentan, isobutan lµ nguyªn liÖu cho qu¸ tr×nh tæng hîp cao su isopren, isobutan, lµ nguån nguyªn liÖu tèt cho qu¸ tr×nh ankyl hãa, hoÆc ®Ó nhËn isobuten cho qu¸ tr×nh tæng hîp MTBE.
V.2. Mét sè qu¸ tr×nh isome hãa trong c«ng nghiÖp
Trong c«ng nghiÖp hiÖn nay, cã rÊt nhiÒu c«ng nghÖ isome hãa ®Ó s¶n xuÊt x¨ng cã trÞ sè octan cao. Nhng nh×n chung dùa vµo xóc t¸c cã thÓ ph©n ra thµnh hai nhãm lµ qu¸ tr×nh isome hãa sö dông xóc t¸c pha láng vµ isome hãa sö dông xóc t¸c trong pha h¬i. Qu¸ tr×nh pha láng tiÕn hµnh víi xóc t¸c cã ®é axit m¹nh nh xóc t¸c Friden- Craf. NhiÖt ®é qu¸ tr×nh thêng n»m trong kho¶ng 90-150oC. Cßn qu¸ tr×nh trong pha h¬i thêng sö dông xóc t¸c lìng chøc vµ nhiÖt ®é cao.
V.2.1. C¸c qu¸ tr×nh trong pha láng víi xóc t¸c AlCl3
C¸c qu¸ tr×nh isome hãa lo¹i nµy ra ®êi tõ rÊt sím vµ lµ lo¹i phæ biÕn ®Ó isome hãa n-butan thµnh isobutan. S¬ ®å nguyªn lý cña lo¹i nµy ®îc tr×nh bµy díi ®©y:
H×nh 1. S¬ ®å isome hãa trong pha láng
1. Reactor; 3,4. Th¸p ph©n ®o¹n; 2. ThiÕt bÞ t¸ch xóc t¸c vµ khÝ.
Nguyªn t¾c ho¹t ®éng nh sau: Nguyªn liÖu ®îc b¶o hßa b»ng HCl vµ khÝ H2 trong thiÕt bÞ hÊp thô, sau ®ã ®îc ®a trùc tiÕp vµo thiÕt bÞ ph¶n øng Reactor (1). §ång thêi xóc t¸c còng ®îc b¬m vµo Reactor. T¹i ®©y ph¶n øng isome hãa x¶y ra, sau ph¶n øng toµn bé ®îc ®a sang thiÕt bÞ t¸ch xóc t¸c vµ khÝ, cßn cÆn nhùa xóc t¸c (2) ®îc th¸o ra tõ phÝa díi Reactor. Sau khi xóc t¸c ®îc t¸ch cho tuÇn hoµn l¹i. S¶n phÈm vµ nguyªn liÖu cha ph¶n øng ®îc ®a sang thiÕt bÞ ph©n ®o¹n (3,4), sau khi ph©n ®o¹n ta thu ®îc s¶n phÈm vµ phÇn nguyªn liÖu cha ph¶n øng ®îc tuÇn hoµn l¹i ®Ó tiÕp tôc ph¶n øng. Qu¸ tr×nh nµy ®îc thùc hiÖn cã thÓ kh«ng cÇn tuÇn hoµn n-parafin. Chóng chØ kh¸c nhau ë cét t¸ch (4). Qu¸ tr×nh ho¹t ®éng liªn tôc vµ kh«ng cÇn t¸i sinh xóc t¸c. Xóc t¸c ®îc dïng lµ hçn hîp AlCl3 vµ HCl khan. Vïng ph¶n øng ®îc duy tr× ë ¸p suÊt H2 ®Ó ng¨n chÆn c¸c ph¶n øng phô nh ph¶n øng Craking vµ ®a tô.
ChÕ ®é c«ng nghÖ cña qu¸ tr×nh:
To = 120oC; P = 50- 60at
H2/RH= 10-18 m3/ m3nguyªn liÖu.
Nguyªn liÖu ®îc b¶o hßa b»ng HCl khan vµ khÝ H2 trong thiÕt bÞ hÊp thô, sau ®ã ®îc ®èt nãng ®Õn nhiÖt ®é cÇn thiÕt vµ ®îc n¹p vµo Reactor. Xóc t¸c ®· dïng ®îc t¸ch ra cïng cÆn nhùa vµ ph¶n øng isome hãa x¶y ra trong pha láng.
V.2.1.1. Qu¸ tr×nh isomate (standard oil co. indiana)
+ Nguyªn liÖu cho qu¸ tr×nh: Nguyªn liÖu ®îc b¶o hßa b»ng HCl khan vµ khÝ H2 trong thiÕt bÞ hÊp thô, sau ®ã ®îc ®èt nãng ®Õn nhiÖt ®é cÇn thiÕt vµ ®îc n¹p vµo thiÕt bÞ ph¶n øng reactor. Ph¶n øng x¶y ra ë pha láng. xóc t¸c sau khi dïng ®îc t¸ch ra cïng cÆn nhùa.
Díi ®©y lµ b¶ng nguyªn liÖu dïng cho c«ng nghÖ nµy.
B¶ng 7. Nguyªn liÖu cho c«ng nghÖ qu¸ tr×nh isomate
(standard oil co. indiana)
Nguån nguyªn liÖu
Kuwait
Mid continant
X¨ng cÊt
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-dimetylpropan
-
-
-
-
-
xyclopentan
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
40.2
38.2
3-metylpentan
16.9
14.3
12.5
2.2-dimetylbutan
2.0
0.5
0.75
3.9
3.8
2.3-dimetylbutan
4.2
0.5
0.75
Metylcyclopentan
5.1
14.0
17.0
7.3
18.8
Xyclohexan
4.2
2.2
4.5
-
-
Benzen
2.0
0.6-
2.0
1.4
RON cña C5
74.4
72.9
79.2
72.1
73
RON cña C6
55.9
57.7
76.4
55.1
61.1
V.2.1.2. Qu¸ tr×nh cña Shell Devlopment Co
Qu¸ tr×nh nµy ®îc dïng ®Ó chÕ biÕn ph©n ®o¹n n-butan thµnh iso-butan vµ còng ®îc dïng ®Ó chÕ biÕn ph©n ®o¹n C5. Trong c¸c tµi liÖu hiÖn cã, cha thÊy nãi ®Õn sè liÖu ¸p dông cho ph©n ®o¹n C6 vµ nÆng h¬n. §©y còng lµ mét qu¸ tr×nh liªn tôc vµ kh«ng t¸i sinh xóc t¸c. Xóc t¸c lµ mét dung dÞch cña
HCl khan vµ tricloantimoan ®îc ho¹t ho¸ b»ng HCl khan. Vïng ph¶n øng ®îc gi÷ ë ¸p suÊt hydro ®Ó h¹n chÕ c¸c ph¶n øng phô.
§iÒu kiÖn thao t¸c cña qu¸ tr×nh c«ng nghÖ nµy nh sau:
B¶ng 8. ChÕ ®é c«ng nghÖ cña c«ng nghÖ Shell Devlopment Co
- NhiÖt ®é 0C
80 - 100
- ¸p suÊt ë reactor, at
21
- ¸p suÊt riªng phÇn cña hydro, at
4,3
- H2/nguyªn liÖu, %mol
1,3
-% khèi lîng cña H2/nguyªn liÖu
5
-% khèi lîng cña AlCl3 trong xóc t¸c
3
- Tû lÖ xóc t¸c/RH (V)
1
- Thêi gian tiÕp xóc (phót)
15 (~ V/H/V = 2,5)
V.2.1.3. Qu¸ tr×nh cña h·ng Esso Research & Engineering Co
Qu¸ tr×nh nµy thùc hiÖn ë nhiÖt ®é tõ 25 ®Õn 500C. §Æc ®iÓm chÝnh cña qu¸ tr×nh lµ tiÕn hµnh ë ®é chuyÓn ho¸ cao nªn kh«ng cÇn ph¶i tuÇn hoµn l¹i nguyªn liÖu cha ph¶n øng. S¶n phÈm cña qu¸ tr×nh tõ c¸c lo¹i nguyªn liÖu kh¸c nhau ®îc dÉn ra ë b¶ng díi ®©y.
Ngoµi ra h·ng ABB Lumunus Global ®· thiÕt kÕ d©y chuyÒn isome ho¸ ®Ó xö lý ph©n ®o¹n C5- C6 cã trÞ sè octan thÊp thµnh ph©n ®o¹n cã trÞ sè octan cao cho x¨ng. Xóc t¸c dïng lµ AlCl3 ho¹t ho¸ nªn xóc t¸c cã ®é ho¹t tÝnh rÊt cao vµ ®é chän läc còng lín, do vËy mµ kh«ng cÇn ph¶i t¸ch iso-parafin khái n-parafin nhng vÉn ®¹t ®îc s¶n phÈm cã trÞ sè octan cao vµ hiÖu suÊt ®¹t ®Õn 99,5% tõ nguyªn liÖu cã RON b»ng 68 - 70.
B¶ng 9. Nguyªn liÖu vµ s¶n phÈm cña cña h·ng Esso Research & Engineering Co
CÊu tö
Nguyªn liÖu Louisiana
Arbian
Nguyªn liÖu
S¶n phÈm
Nguyªn liÖu
S¶n phÈm
% V
n-pentan
16.3
4.8
29.1
7.1
Iso-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 xyclopenyan
10.8
2.2
5.4
0.9
Benzen
4.8
4.8
1.0
1.0
TrÞ sè octan
98
98.5
RON + 3ml TEP/Gal
HiÖu suÊt, % V
> 99
99
V.2.1.4. C«ng nghÖ cña Kolleg & Root
Dïng ®Ó t¨ng trÞ sè octan tõ nguyªn liÖu giµu parafin n- C5- C6. Nguån nguyªn liÖu nµy lÊy tõ Naphta nhÑ m¹ch th¼ng, lÊy phÇn Rafinat khi ®· t¸ch c¸c hydrocacbon th¬m, Condensat cña khÝ thiªn nhiªn.
Qu¸ tr×nh nµy tiÕn hµnh sÏ lµm t¨ng trÞ sè octan cña nguyªn liÖu lªn tõ 10 - 18 ®¬n vÞ. Tuy nhiªn ®iÒu nµy cßn phô thuéc vµo b¶n chÊt cña nguyªn liÖu vµ vÊn ®Ò håi lu c¸c cÊu tö cha chuyÓn ho¸.
Xóc t¸c cho phÐp lµm viÖc víi nguyªn liÖu bÈn, cã mét hµm lîng lu huúnh vµ níc ë trong nguyªn liÖu. Xóc t¸c cña qu¸ tr×nh còng cã thÓ t¸i sinh ®îc. Nguyªn liÖu cña qu¸ tr×nh kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i xö lý hydro tríc (nÕu nguyªn liÖu kh«ng cã mÆt cña níc tù do). Nguyªn liÖu cã thÓ chøa t¹p chÊt lu huúnh. §Ó gi¶m chi phÝ cho t¸i sinh vµ chèng ¨n mßn thiÕt bÞ th× chóng ta nªn sö dông nguyªn liÖu cã 100ppm lu huúnh.
H×nh 2. S¬ ®å c«ng nghÖ isome hãa cña Kolleg & Root
1. ThiÕt bÞ ph¶n øng ; 2. ThiÕt bÞ gia nhiÖt
3. Th¸p æn ®Þnh t¸ch hydro ; 4. Th¸p t¸ch Butan
5.ThiÕt bÞ nÐn khÝ tuÇn hoµn
Nguyªn lý lµm viÖc: Nguyªn liÖu vµ hydro ®îc gia nhiÖt ®Õn nhiÖt ®é cÇn thiÕt sau ®ã dÉn vµo thiÕt bÞ ph¶n øng (1). S¶n phÈm cña qu¸ tr×nh thu ®îc ®a qua th¸p æn ®Þnh (3), ë ®ã phÇn phÝa trªn ®Ønh th¸p lµ khÝ hydro mang qua m¸y nÐn khÝ tuÇn hoµn (5) råi ®a håi lu trë l¹i thiÕt bÞ ph¶n øng. Cßn phÇn nÆng ®îc ®a qua th¸p t¸ch butan (4) (c¸c cÊu tö C4-) ®Ó ®a ®i lµm khÝ nhiªn liÖu. PhÇn nÆng cßn l¹i lµ s¶n phÈm cña qu¸ tr×nh. Tuú thuéc vµo yªu cÇu mµ ta cã thÓ mang ®i pha trén x¨ng ngay hay lµ t¸ch lÊy c¸c cÊu tö cha chuyÓn ho¸ cho tuÇn hoµn trë l¹i thiÕt bÞ ph¶n øng.
V.2.2. C¸c qu¸ tr×nh trong pha h¬i
§èi víi qu¸ tr×nh isome hãa pha h¬i, xóc t¸c sö dông lµ xóc t¸c r¾n, lìng chøc kim lo¹i quý trªn chÊt mang oxit (nh Al2O3, ®Êt sÐt hay zeolit). Qu¸ tr×nh nµy ®ù¬c thùc hiÖn ë nhiÖt ®é cao h¬n so víi qu¸ tr×nh isome hãa trong pha láng nhng bï l¹i qu¸ tr×nh nµy kh«ng t¹o ra m«i trêng ¨n mßn, ®é chän läc rÊt cao vµ xóc t¸c cã thÓ t¸i sinh ®îc. V× vËy mµ tÝnh kinh tÕ cña qu¸ tr×nh sÏ cao h¬n. Díi ®©y lµ nguyªn lý chung cña qu¸ tr×nh nµy:
(\
H×nh 3. S¬ ®å nguyªn lý lµm viÖc cña qu¸ tr×nh isome hãa pha h¬i.
V.2.2.1. C«ng nghÖ isome ho¸ cña IFP
Nguyªn liÖu cña qu¸ tr×nh sö dông ph©n ®o¹n C5 - C6 giµu c¸c cÊu tö parafin cã trÞ sè octan thÊp, sau khi thùc hiÖn qu¸ tr×nh isome hãa sÏ thu ®îc c¸c cÊu tö cã trÞ sè octan cao.
Qu¸ tr×nh nµy sö dông xóc t¸c zeolit hoÆc Al- Cl. Sù lùa chän lo¹i xóc t¸c phô thuéc vµo yªu cÇu n©ng cao trÞ sè octan. Qu¸ tr×nh nµy cã tuÇn hoµn c¸c cÊu tö n-parafin cha chuyÓn ho¸ b»ng sµng ph©n tö trë l¹i thiÕt bÞ ban ®Çu. TrÞ sè octan ®îc c¶i thiÖn mét c¸ch râ rÖt. §iÒu nµy ®îc minh häa ë b¶ng 10 díi ®©y.
§iÓm ®Æc biÖt cña c«ng nghÖ nµy lµ cã dïng mét thiÕt bÞ khö isopentan ra khái nguyªn liÖu. HÊp phô vµ nh¶ hÊp phô ë pha h¬i vµ dïng isopentan ®Ó khö hÊp phô.
H×nh 4. S¬ ®å c«ng nghÖ isome hãa cña IFP
ThiÕt bÞ t¸ch isopentan ; 2. Côm c¸c thiÕt bÞ trén vµ ph¶n øng;
3. Côm thiÕt bÞ t¸ch s¶n phÈm.
ChÕ ®é c«ng nghÖ:
- NhiÖt ®é ph¶n øng : 230(290oC
- ¸p suÊt : 14(42kg/cm2
- Tèc ®é n¹p liÖu thÓ tÝch : 14(22h-1
- Tû lÖ H2/nguyªn liÖu : 1/4
B¶ng 10. TrÞ sè octan cña s¶n phÈm isome hãa theo c«ng nghÖ IFP ë c¸c chÕ ®é vµ xóc t¸c kh¸c nhau
C«ng nghÖ
Zeolit
Al-Cl
Kh«ng tuÇn hoµn nguyªn liÖu cha chuyÓn ho¸
80
83
T¸ch isopentan vµ kh«ng tuÇn hoµn
n-parafin
82
84
Cã t¸ch vµ tuÇn hoµn c¸c cÊu tö cha chuyÓn ho¸
86
88
Cã tuÇn hoµn c¸c cÊu tö
n-parafin
88
90
T¸ch isopentan vµ n-parafin, cã tuÇn hoµn n-parafin
92
92
¦u ®iÓm cña c«ng nghÖ nµy lµ xóc t¸c cã ho¹t tÝnh cao vµ bÒn c¬ nhiÖt, qu¸ tr×nh thùc hiÖn ë pha h¬i nªn tr¸nh ®îc sù ¨n mßn thiÕt bÞ, qu¸ tr×nh lµm viÖc liªn tôc nªn dÔ tù ®éng hãa cã kh¶ n¨ng liªn hîp ®îc víi c¸c ph©n xëng kh¸c trong khu läc dÇu, lîng hydro n¹p vµo kh«ng yªu cÇu ®é tinh khiÕt qu¸ cao.
Nhîc ®iÓm cña c«ng nghÖ lµ nhiÖt ®é ph¶n øng cao nªn dÔ x¶y ra c¸c ph¶n øng phô t¹o cèc t¹o nhùa.
V.2.2.2. C«ng nghÖ isome ho¸ cña Shell (UCC Shell Hysomer)
Qu¸ tr×nh ®îc dïng ®Ó isome hãa ph©n ®o¹n C5- C6 cña x¨ng cÊt trùc tiÕp nh»m môc ®Ých nhËn c¸c hîp phÇn cã trÞ sè octan cao trong khi trÞ sè octac cña nguyªn liÖu nhá h¬n 73 mµ cho phÐp pha trén t¹o s¶n phÈm cã trÞ sè octan cao h¬n 83 (theo RON).
Xóc t¸c cho qu¸ tr×nh thuéc lo¹i xóc t¸c ®a chøc n¨ng víi kim lo¹i quý hiÕm trªn chÊt mang zeolit víi hµm lîng natri nhá nhÊt.
Nguyªn liÖu sau khi ®îc cho qua qu¸ tr×nh hydro hãa lµm s¹ch khái c¸c t¹p chÊt cña lu huúnh vµ ®îc sÊy kh« ®Ó lo¹i h¬i níc nh»m h¹n chÕ kh¶ n¨ng ¨n mßn thiÕt bÞ cña c¸c hîp chÊt nµy míi cho vµo isome hãa. Xóc t¸c cña qu¸ tr×nh nµy kh«ng nh¹y víi c¸c lo¹i hîp chÊt cña lu huúnh vµ níc.
Do vËy mµ hµm lîng lu huúnh cho phÐp trong nguyªn liÖu lµ 35ppm vÒ khèi lîng, vµ hµm lîng níc cho phÐp lµ 10-20ppm.
Ngoµi c¸c ph¶n øng chÝnh ra qu¸ tr×nh nµy cßn cã c¸c ph¶n øng phô:
+ Aromatic bÞ chuyÓn ho¸ thµnh c¸c naphtenic.
+ Naphtenic bÞ hydr« ho¸ thµnh parafin.
+ C7+ ph¶n øng cracking thµnh c¸c ph©n tö nhÑ h¬n.
§iÒu kiÖn cña c«ng nghÖ:
- NhiÖt ®é cña qu¸ tr×nh : 245-2470C
- ¸p suÊt cña qu¸ tr×nh : 300-500 Psi
- Tû lÖ H2/RH : 1/4
- Thêi gian lµm viÖc xóc t¸c lµ : 5-10 n¨m
- Tèc ®é n¹p liÖu : 1- 3h-1
HiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh tõ 97 ®Õn 98 % (theo LV).
S¬ ®å c«ng nghÖ ®îc m« t¶ nh h×nh 5.
¦u, nhîc ®iÓm cña c«ng nghÖ:
¦u ®iÓm:
- NhiÖt ®é vµ ¸p suÊt kh«ng qu¸ cao nªn thuËn lîi vÒ mÆt nhiÖt ®éng, thuËn lîi cho viÖc gia c«ng thiÕt bÞ, kh«ng sö dông nhiÒu c¸c m¸y nÐn ®¾t tiÒn.
- D©y chuyÒn ho¹t ®éng liªn tôc nªn cã kh¶ n¨ng tù ®éng hãa, gi¶m ®îc sè nh©n c«ng sö dông trong ph©n xëng.
- Xóc t¸c cã thêi gian lµm viÖc kh¸ l©u, ho¹t tÝnh cao.
Nhîc ®iÓm:
- Xóc t¸c khã ho¹t tÝnh cao, thêi gian lµm viÖc l©u nhng kh¶ n¨ng t¸i sinh rÊt kÐm.
- Qu¸ tr×nh lµm viÖc trong m«i trêng axit nªn kh¶ n¨ng ¨n mßn thiÕt bÞ cao. Do vËy ph¶i sö dông vËt liÖu ®¾t tiÒn.
H×nh 5. S¬ ®å c«ng nghÖ cña SELL
1. ThiÕt bÞ ph¶n øng ; 2. Th¸p t¸ch; 3. M¸y nÐn ; 4.Th¸p æn ®Þnh.
V.2.2.3. C«ng nghÖ isome hãa cña BP
Nguyªn liÖu lµ C5- C6 hay hçn hîp cña chóng ®îc hydro hãa lµm s¹ch c¸c t¹p chÊt lu huúnh vµ sÊy kh« tríc khi ®a vµo thiÕt bÞ ph¶n øng.
Xóc t¸c dïng cho qu¸ tr×nh lµ alumoplatin ®îc ho¹t ho¸ b»ng clo h÷u c¬ nªn cã ®é ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cao, thêi gian lµm viÖc kÐo dµi. §Ó duy tr× ®é ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc ta bæ sung mét lîng nhá halogen h÷u c¬ vµo nguyªn liÖu, chÝnh v× thÕ mµ lµm t¨ng kh¶ n¨ng ¨n mßn kim lo¹i, nªn ta cÇn chó ý tíi vÊn ®Ò ¨n mßn thiÕt bÞ.
S¶n phÈm cña qu¸ tr×nh cã trÞ sè octan kh¸ cao (trªn 80). Ngoµi ra cßn thu ®îc mét lîng lín khÝ C1, C2, C3 ®a ®i lµm khÝ nhiªn liÖu.
H×nh 6. S¬ ®å c«ng nghÖ isome hãa cña BP
Lß gia nhiÖt nguyªn liÖu ; 2. Lß ph¶n øng
3. T¸ch khÝ ; 4. Cét æn ®Þnh
5. M¸y nÐn khÝ ; 6. Ngng tô
V.2.2.4. C«ng nghÖ butamer cña UOP
Môc ®Ých cña qu¸ tr×nh nµy lµ s¶n xuÊt isobutan tõ n-butan ®Ó cung cÊp nguyªn liÖu cho c«ng nghÖ alkyl ho¸ vµ s¶n xuÊt MTBE. Nguyªn liÖu cña qu¸ tr×nh chÝnh lµ n- butan.
Qu¸ tr×nh nµy sö dông xóc t¸c lµ aluminoplatin ho¹t ho¸ b»ng clo. Qu¸ tr×nh isome ho¸ ®îc tiÕn hµnh trong pha h¬i, víi sù cã mÆt cña hydro víi líp xóc t¸c cè ®Þnh ë nhiÖt ®é tõ 120-240oC. Sau mét chu tr×nh sÏ nhËn ®îc hiÖu suÊt isobutan lín h¬n 50%. Do xóc t¸c cã ®é chän läc cao nªn ®· h¹n chÕ ®îc c¸c s¶n phÈm phô. HiÖu suÊt s¶n phÈm ®¹t ®îc trªn 90% vµ tiªu hao H2 t¬ng ®èi thÊp, h¬n n÷a do Ýt x¶y ra c¸c ph¶n øng phô nªn kh«ng cÇn tû lÖ H2/RH cao mµ vÉn kh«ng ¶nh hëng ®Õn thêi gian lµm viÖc cña xóc t¸c. S¬ ®å ®îc tr×nh bµy ë h×nh 7.
H×nh 7. S¬ ®å c«ng nghÖ isome hãa n-butan
1. Cét t¸ch iso-butan ; 2. Cét æn ®Þnh;
3. Lß ph¶n øng ; 4. Lß ®èt nãng;
5. M¸y nÐn ; 6. ThiÕt bÞ t¸ch;
I. Nguyªn liÖu; II. H2; III. KhÝ ®èt; IV. S¶n phÈm;
C¸c th«ng sè vÒ c«ng nghÖ:
- NhiÖt ®é ph¶n øng : 150÷200oC
- ¸p suÊt lµm viÖc : 3,8Mpa
- VËn tèc n¹p liÖu : 1÷3h-1
- Xóc t¸c : Pt/Al2O3
- Thêi gian lµm viÖc cña xóc t¸c : >12 th¸ng
Nguyªn t¾c ho¹t ®éng: Hçn hîp nguyªn liÖu míi vµ s¶n phÈm cña ph¶n øng ®· æn ®Þnh ®îc ®a vµo th¸p t¸ch isobutan (1), t¹i ®©y s¶n phÈm t¸ch ra cã ®é tinh khiÕt cao, n-butan ®îc trén víi khÝ chøa H2 tuÇn hoµn qua thiÕt bÞ ®èt nãng (4) ®Õn nhiÖt ®é ph¶n øng råi ®îc n¹p vµo lß ph¶n øng (3) bªn trong
cã chøa xóc t¸c. S¶n phÈm cña ph¶n øng ®îc lµm l¹nh råi ®îc dÉn vµo thiÕt bÞ t¸ch ¸p suÊt cao (6). KhÝ H2 t¸ch ra ®îc bæ sung mét lîng nhá H2 råi qua m¸y nÐn quay l¹i lß ph¶n øng. S¶n phÈm láng sau khi t¸ch ®îc ®a vµo cét æn ®Þnh (2), t¹i ®©y sÏ t¸ch mét phÇn tiÕp khÝ H2 vµ C1, C2. S¶n phÈm chÝnh ®îc cho qua th¸p t¸ch (1).
¦u, nhîc ®iÓm cña c«ng nghÖ:
¦u ®iÓm:
- Xóc t¸c cã ho¹t tÝnh vµ ®é chän läc cao, cã thÓ ®iÒu chØnh ®îc ho¹t ®é cña nã nªn hiÖu suÊt ph¶n øng lµ kh¸ cao, Ýt ph¶n øng phô t¹o cèc t¹o cÆn nªn lîng khÝ H2 kh«ng cÇn sö dông nhiÒu.
- Qu¸ tr×nh lµm viÖc ë pha h¬i nªn kh¶ n¨ng ¨n mßn lµ kh«ng ®¸ng kÓ
- NhiÖt ®é, ¸p suÊt ph¶n øng kh«ng qu¸ cao nªn Ýt tiªu tèn n¨ng lîng cho qu¸ tr×nh.
- Xóc t¸c cã kh¶ n¨ng t¸i sinh nªn ®¶m b¶o ®îc tÝnh kinh tÕ cña qu¸ tr×nh.
Nhîc ®iÓm:
Tèn nhiÒu thiÕt bÞ b¬m, m¸y nÐn. §èi víi s¬ ®å dïng mét ph¶n øng sÏ gÆp khã kh¨n trong vÊn ®Ò b¶o ®¶m ®îc møc ®é chuyÓn hãa khi t¸i sinh xóc t¸c.
V.2.2.5. C«ng nghÖ TIP cña UOP (Total isomerization process)
Qu¸ tr×nh thùc hiÖn isome hãa nguyªn liÖu thuéc ph©n ®o¹n tõ C5 –C6 chiÕm 40 ®Õn 50% ( m¹ch th¼ng). Trong nguyªn liÖu nÕu cã mÆt cña benzen th× nã sÏ bÞ hydro ho¸ thµnh xyclohexan.
C«ng nghÖ nµy cã sö dông qu¸ tr×nh hÊp phô vµo ®Ó t¸ch cÊu tö m¹ch nh¸nh vµ m¹ch th¼ng ra khái nhau. ChÊt hÊp phô thêng dïng trong qu¸ tr×nh nµy ë d¹ng sµng ph©n tö. Trong ®ã nã chØ cho phÐp n-parafin ®i qua, cßn c¸c cÊu tö kh¸c bÞ gi÷ l¹i. Sau khi t¸ch ra khái hçn hîp c¸c cÊu tö cã trÞ sè octan cao ®îc ®em ®i pha trén x¨ng. Cßn phÇn bÞ hÊp phô ®îc ®em ®i t¸ch vµ tuÇn hoµn trë l¹i thiÕt bÞ ph¶n øng. Qu¸ tr×nh nµy khi tiÕn hµnh cÇn ph¶i cã mÆt cña khÝ hydro ®Ó tr¸nh sù t¹o cèc trªn xóc t¸c vµ tr¸nh mÊt ho¹t tÝnh xóc t¸c.
§iÒu kiÖn cña c«ng nghÖ:
+ NhiÖt ®é cña qu¸ tr×nh: 200-3700C
+ §iÒu kiÖn ¸p suÊt cña c«ng nghÖ lµ: 1365- 3415 KPa
Qu¸ tr×nh nµy khi tiÕn hµnh còng cÇn ph¶i cã mÆt cña hydro ®Ó tr¸nh sù t¹o cèc trªn xóc t¸c vµ tr¸nh mÊt ho¹t tÝnh xóc t¸c.
Nguyªn liÖu s¹ch ®îc ®a qua thiÕt bÞ hÊp phô thay v× ®a trùc tiÕp vµo thiÕt bÞ ph¶n øng. Nh vËy, c¸c hîp chÊt m¹ch nh¸nh ®îc ®a trùc tiÕp vµo bÓ chøa s¶n phÈm. Do ®ã sÏ lµm gi¶m ®îc qu¸ tr×nh cracking t¹o c¸c s¶n phÈm nhÑ.
§èi víi nh÷ng nguyªn liÖu chøa Ýt n-parafin th× viÖc ®a thiÕt bÞ hÊp phô vµo sÏ gi¶m ®îc kÝch thíc thiÕt bÞ ph¶n øng.
§èi víi nguyªn liÖu cã hµm lîng benzen cao th× cã thÓ tiÕn hµnh trong c¶ hai thiÕt bÞ (thiÕt bÞ ph¶n øng vµ thiÕt bÞ hÊp phô), benzen trong thiÕt bÞ ph¶n øng sÏ ®îc chuyÓn hãa thµnh xyclohexan, v× thÕ s¶n phÈm sÏ chøa Ýt benzen.
¦u, nhîc ®iÓm cña c«ng nghÖ:
¦u ®iÓm:
- Xóc t¸c cã ho¹t tÝnh cao, bÒn c¬, cã kh¶ n¨ng t¸i sinh nªn hiÖu qu¶ kinh tÕ cao.
- Sö dông xóc t¸c trong pha h¬i nªn m«i trêng lµm viÖc cã nång ®é axit nhá nªn kh¶ n¨ng ¨n mßn kh«ng ®¸ng kÓ.
- Qu¸ tr×nh thùc hiÖn liªn tôc nªn cã kh¶ n¨ng tù ®éng hãa cao.
Nhîc ®iÓm:
NhiÖt ®é ph¶n øng t¬ng ®èi cao cßn t¹o cèc, t¹o cÆn nªn lµm gi¶m ho¹t tÝnh xóc t¸c.
H×nh 8. S¬ ®å c«ng nghÖ isome hãa TIP cña UOP
V.2.2.6. C«ng nghÖ Penex cña UOP
Qu¸ tr×nh nµy nh»m thu s¶n phÈm cã trÞ sè octan cao tõ nguyªn liÖu lµ ph©n ®o¹n naphta nhÑ cã trÞ sè octan thÊp.
Xóc t¸c cña qu¸ tr×nh thêng nh¹y víi c¸c t¹p chÊt ®éc nªn nguyªn liÖu tríc khi ®a vµo thiÕt bÞ chÝnh ph¶i ®îc lo¹i bá c¸c chÊt ®éc nh c¸c hîp chÊt chøa lu huúnh, chøa oxy, chøa halogen, níc. Ngêi ta xö lý b»ng c¸ch sö dông khÝ H2 vµ kÕt hîp víi ph¬ng ph¸p sÊy kh«.
C¸c ®iÒu kiÖn c«ng nghÖ:
- NhiÖt ®é ph¶n øng: 370÷480oC
- ¸p SuÊt : 20÷70atm
- Xóc t¸c : Pt/Al2O3 cã bæ sung halogen.
- Tèc ®é n¹p liÖu : 2h-1
S¬ ®å c«ng nghÖ lo¹i nµy ®îc m« t¶ ë h×nh 9.
H×nh 9. S¬ ®å c«ng nghÖ Penex cña UOP.
1. ThiÕt bÞ sÊy khÝ ; 2. M¸y nÐn ; 3. ThiÕt bÞ ph¶n øng;
Các file đính kèm theo tài liệu này:
Thiết kế phân xưởng isome hoá.doc
