thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng suất 5.000.000 tấn/năm

Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
[Type text] Page 1
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
LỜI MỞ ĐẦU
Trên thế giới, tại bất kỳ một quốc gia nào xăng dầu luôn là hàng hoá đặc
biệt quan trọng của nền kinh tế quốc dân và quốc phòng
Ngày nay trong bối cảnh Việt Nam đang không ngừng phát triển đổi mới
và vươn lên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, với các máy
móc,thiết bị và công nghệ mới thì vai trò của xăng dầu ngày càng được quan
tâm đặc biệt hơn.
Để đáp ứng kịp thời khối lượng xăng tiêu thụ ngày càng lớn ,người ta đã
đưa ra phương pháp cracking xúc tác vào công nghiệp chế biến dầu mỏ,vì do
quá trình chưng cất khí quyển, chưng cất chân không hay cracking nhiệt, khối
lượng xăng thu được vẫn không đáp ứng kịp thời được nhu cầu của thị trường.
Nhằm thoả mãn nhu cầu nhiên liệu ngày một tăng, nghành công nghiệp chế
biến dầu mỏ đã ra sức cải tiến, hoàn thiện quy trình công nghệ , đồng thời áp
dụng những phương pháp chế biến sâu trong dây chuyền sản xuất nhằm chuyển
hoá dầu thô tới mức tối ưu thành nhiên liệu và những sản phẩm quan trọng khác.
Một trong những phương pháp hiện đại được áp dụng rộng rãi trong các nhà
máy chế biến dầu hiện này trên thế giới là quá trình cracking xúc tác.Lượng dầu
mỏ được chế biến bằng cracking xúc tác chiếm một tỷ lượng tương đối
lớn(khoảng 50%),ngày càng phát triển về số lượng,chất lượng và cải tiến công
nghệ.
Với bản đồ án chuyên ngành thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng
suất 5.000.000 tấn/năm mà em được giao, hy vọng rằng sẽ bổ xung thêm được
kiến thức để góp phần nhỏ bé vào công cuộc đổi mới đất nước.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 2
2
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

I.1.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC
I.1.1.Sơ lược về lịch sử phát triển của qúa trình cracking xúc tác[1,131]
Qúa trình cracking xúc tác đã được nghiên cứu từ cuối thế kỷ XIX, nhưng
mãi đến năm 1923, một kỹ sư người Pháp tên là Houdry mới đề nghị đưa qúa
trình vào áp dụng trong công nghiệp. Đến năm 1936, nhà máy cracking xúc tác
đầu tiên của công ty Houdry Process Corporation được xây dựng ở Mỹ. Ban đầu
còn tồn tại nhiều nhược điểm như là hoạt động gián đoạn và rất phức tạp cho
vận hành, nhất là khi chuyển giao giữa hai chu kỳ phản ứng và tái sinh xúc tác
trong cùng một thiết bị.
Năm 1941 xuất hiện quá trình cracking với lớp xúc tác chuyển động thay
thế cho quá trình Houdry,việc tiến hành cracking và tái sinh xúc tác được tiến
hành tromg các thiết bị riêng biệt.
Năm 1942,dây chuyền cracking xúc tác lớp sôi (FCC) lần đầu tiên được
đưa vào hoạt động với công suất 12000 thùng nguyên liệu/ngày.Loại dây chuyền
này có tên Up Flow(model 1).Sau đó năm 1944 người ta tăng đường kính thiết
bị phản ứng và tái sinh,tách hơi sản phẩm ngay trong thiết bị phản ứng,tái sinh
xúc tác ở dạng tầng sôi và quá trình thổi cũng ngày được cải tiến.Dây chuyền có
thiết bị hoạt động như vậy có tên Dow Flow model 2.
Năm 1947,hãng UOP đã thiết kế FCC trong đó thiết bị phản ứng và tái sinh
chồng lên nhau trên cùng 1 trục.Năm 1951,loại Orthor flow đầu tiên của
M.W.Kellog xuất hiện.Sau đó hãng Standard oil đã thiết kế một loại FCC mới
gọi là model 4,đó là cải tiến của model 2,được áp dụng trong công nghiệp năm
1952.
Cùng với thời gian FCC ngày càng được cải tiến để có được hiệu suất,chất
lượng xăng cao hơn và có thể dùng nguyên liệu nặng hơn,chất lượng xấu hơn.
I.1.2. Mục đích của quá trình cracking xúc tác [1,106] [2,113]
Mục đích của quá trình cracking xúc tác là nhận các cấu tử có trị số octan
cao cho xăng ôtô hay xăng máy bay từ nguyên liệu là phần cất nặng hơn, chủ
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 3
3

Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
yếu là phần cất nặng hơn từ các quá trình chưng cất trực tiếp AD (Atmotpheric
Distillation) và VD (Vacuum Distillation) của dầu thô. Đồng thời ngoài mục
đích nhận xăng người ta còn nhận được cả nguyên liệu có chất lượng cao cho
công nghệ tổng hợp hoá dầu và hoá học. Ngoài ra còn thu thêm một số sản phẩm
phụ khác như gasoil nhẹ , gasoil nặng, khí (chủ yếu là các phần tử có nhánh),
đây là các cấu tử quý cho tổng hợp hoá dầu.
I.1.3.Vai trò của quá trình cracking xúc tác và các điều kiện công nghệ
[1,107]
Quá trình cracking xúc tác là quá trình không thể thiếu được trong bất kỳ
một nhà máy chế biến dầu nào trên thế giới, vì quá trình này là một trong các
quá trình chính sản xuất xăng có trị số octan cao. Xăng thu được từ qúa trình này
được dùng để phối trộn với các loại xăng khác để tạo ra các mác xăng khác
nhau. Khối lượng xăng thu từ quá trình chiếm tỷ lệ rất lớn khoảng 70-80% so
với tổng lượng xăng thu từ các quá trình chế biến khác.
Quá trình cracking xúc tác được tiến hành ở điều kiện công nghệ là :
Nhiệt độ : 470
0
C – 550
0
C
Áp suất trong vùng lắng của lò phản ứng : 0,27 MPa
Tốc độ không gian thể tích truyền nguyên liệu : 1 – 120 m
3
/m
3
. h
(tùy thuộc vào dây truyền công nghệ)
Tỷ lệ xúc tác/nguyên liệu : 4 – 9/1
Bội số tuần hoàn nguyên liệu : Có thể cần hoặc không tuỳ thuộc mức độ

biến đổi:
+Nếu mức độ biến đổi thấp hơn 60% lượng tuần hoàn có thể tối đa là
30%
+Khi mức độ chuyển hoá cao trên 70% thì phải giảm lượng tuần hoàn
thậm chí không cần tuần hoàn.
Xúc tác cho quá trình cracking thường dùng là xúc tác zeolit mang tính
axít.Sản phẩm của quá trình là một hỗn hợp phức tạp của hydrocacbon các loại
khác nhau , chủ yếu là hydrocacbon có số cacbon từ 3 trở lên, với cấu trúc
nhánh.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 4
4
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
I.2.BẢN CHẤT HOÁ HỌC CỦA QUÁ TRÌNH CRACKING XÚC TÁC
VÀ CƠ CHẾ CỦA PHẢN ỨNG
I.2.1.Bản chất hoá học của quá trình cracking xúc tác [2,100]
Cracking là quá trình bẻ gẫy mạch cacbon – cacbon (của hydrocacbon) của
những phân tử có kích thước lớn ( có trọng lượng phân tử lớn) thành những phân
tử có kích thước nhỏ hơn( có trọng lượng phân tử nhỏ hơn ).Trong công nghệ
dầu mỏ, quá trình này được ứng dụng để biến đổi các phân đoạn nặng thành các
sản phẩm nhẹ, tương ứng với khoảng sôi của các sản phẩm trắng như xăng,
kerosen, diezen.
I.2.2. Cơ chế phản ứng cracking xúc tác [1,107] [2,122] [3,84]
Có rất nhiều ý kiến tranh luận trong việc giải thích cơ chế phản ứng
cracking xúc tác. Tuy vậy, phổ biến nhất vẫn là cách giải thích các phản ứng
theo cơ chế ion cacboni. Cơ sở của lý thuyết này dựa vào các tâm hoạt tính là
các ion cacboni. Chúng được tạo ra khi các phân tử hydrocacbon của nguyên
liệu tác dụng với tâm hoạt tính axit của xúc tác loại Bronsted (H
+
) hay Lewis
(L).

Theo cơ chế này các phản ứng cracking xúc tác diễn ra theo ba giai đoạn
sau:
Giai đoạn 1 : Giai đoạn tạo ion cacboni.
Giai đoạn 2 : Các phản ứng của ion cacboni (giai đoạn biến đổi ion cacboni
tạo thành các sản phẩm trung gian ).
Giai đoạn 3 : Giai đoạn dừng phản ứng.
I.2.2.1.Giai đoạn tạo thành ion cacboni
Ion cacboni tạo ra do sự tác dụng của olefin, hydrocacbon parafin,
hydrocacbon naphten , hydrocacbon thơm với tâm axit của xúc tác.
• Từ olefin
Ion cacboni tạo ra do sự tác dụng của olefin với tâm axít Bronsted của xúc
tác.
+
H
+
(xt)
+
R
1
CH C R
2
+
(xt)
H
R
1
CH C R
2
H H
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 5

5
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Ion cacboni tạo thành do sự tác dụng của olefin với tâm axit Lewis của xúc
tác:
RH
+
R
+
H Al O Si
O
O
olefin
Al O Si
O
O
hoặc là
C
n
H
2n
+ H
+

+
C
n
H
2n+1
Trong nguyên liệu ban đầu thường không có hydrocacbon olefin, nhưng
olefin có thể tạo ra do sự phân huỷ các hydrocacbon parafin có phân tử lượng

lớn. Các olefin tạo thành đó lập tức tác dụng với tâm axit rồi tạo ra ion cacboni.
Ion cacboni tạo thành trong các phản ứng tuân theo quy tắc nhất định. Như
khi olefin tác dụng với H
+
(xt) thì xác suất tạo alkyl bậc hai lớn hơn alkyl bậc
một.
Khi olefin có liên kết đôi ở cacbon bậc 3 thì ion cacboni bậc 3 dễ tạo thành
hơn ở cacbon bậc hai.
• Từ hydrocacbon parafin:
+
H
+
R
1
CH
2
CH
2
R
2
(xt)
+
R
1
CH
2
CH R
2
H
2

+
+
XT
Ion cacboni có thể được tạo thành do sự tác dụng của parafin với tâm axít
Bronsted của xúc tác:
Ion cacboni cũng có thể được tạo ra do sự tác dụng của parafin với tâm
axit Lewis:
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 6
6
H
+
CH
2
CH
3
+
CH
2
CH
3
H
+
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
RH
+
R
+
H Al O Si
O
O

+
Al O Si
O
O
hoặc là:
• Từ hydrocacbon naphten:
Khi hydrocacbon naphten tác dụng với tâm axit của xúc tác hay các ion
cacboni khác sẽ tạo ra các ion cacboni mới tương tự như quá trình xảy ra với
parafin.
• Từ hydrocacbon thơm người ta quan sát thấy sự kết hợp trực tiếp của H
+
vào
nhân thơm:
Các hydrocacbon thơm có mạch bên đủ dài thì sự tạo thành ion cacboni
cũng giống như trường hợp parafin.
Thời gian sống của các ion cacboni được tạo ra dao động từ phần triệu giây
đến hàng phút. Các ion cacboni này tạo ra nằm trong lớp các phần tử hấp phụ,
chúng là những hợp chất trung gian rất hoạt động đối với nhiều phản ứng xảy ra
khi cracking.
I.2.2.2. Giai đoạn biến đổi ion cacboni
Giai đoạn biến đổi ion cacboni tạo thành sản phẩm trung gian. Ion
cacboni có thể biến đổi theo các phản ứng sau:
R CH
2
CH CH
3
+
CH
3
R C CH

2
+
CH
3
R CH CH
2
+
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 7
7
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
• Phản ứng đồng phân hoá: chuyển rời ion hydro(H
+
) ,nhóm metyl (CH
3
) tạo cấu
trúc nhánh.
R− C− C− C− C
+
 C− C
+
− C− C− R
Sự chuyển dời ion cacboni xác định được bởi độ ổn định của các ion đó.
Theo nguyên tắc:
Độ ổn định ion cacboni theo bậc giảm dần như sau :
C
3
+

bậc 3 > C
3

+
bậc 2 > > C
3
+
bậc 1
Độ bền của ion cacboni sẽ quyết định mức độ tham gia các phản ứng tiếp
theo của chúng. Vì các ion cacboni bậc 3 có độ bền cao nhất nên sẽ cho phép
nhận hiệu suất cao các hợp chất iso- parafin.
Đồng thời các ion cacboni nhanh chóng lại tác dụng với các phân tử trung
hoà olefin ( C
m
H
2m
) hay parafin (C
m
H
2m +2
) tạo thành các ion cacboni mới.
Phản ứng cracking theo quy tắc β: các ion cacboni có số nguyên tử cacbon
lớn xảy ra sự phân huỷ và đứt mạch ở vị trí β so với nguyên tử cacbon mang
điện. Sản phẩm phân huỷ là một phân tử hydrocacbon trung hoà và ion cacboni
mới có số nguyên tử cacbon nhỏ hơn.
R C C C C C C
+
C
C
[A]
[B]
[C]
β

β
β
Với ba vị trí ( [A] ,[B],[C] ) ở trên thì xác suất đứt mạch ở vị trí [A] lớn
hơn ở vị trí [B] và cuối cùng là ở vị trí [C] bởi vị trí nào mà tạo ra số sản phẩm
có số nguyên tử C ≥ 3 nhiều nhất thì sẽ bị cắt tại vị trí đó là nhiều nhất.
Với ion cacboni mạch thẳng:
+
β
CH
3
CH CH
2
R
+
RCH
3
CH CH
2
+
Đối với ion cacboni là đồng đẳng của benzen, ví dụ như :
C
C C
+
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 8
8
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Nếu áp dụng quy tắc vị trí β bình thường thì ở vị trí đó rất bền vững.
Người ta cho rằng proton được kết hợp với một trong những liên kết C−C trong
nhân thơm tạo thành những hợp chất trung gian, sau đó mới phân huỷ theo quy
tắc nêu ở trên. Khi phân huỷ, điện tích ion cacboni sẽ dịch chuyển theo sơ đồ

sau:
C
C C
+
C
CH C
+
+
C
C C
C
+
H
Như vậy trong hydrocacbon thơm hiệu ứng tích điện ở nhân thơm là
nguyên nhân quan trọng hơn so với nguyên nhân là sự biến đổi ion cacboni bậc
hai thành bậc ba.
Các ion cacboni là đồng đẳng của benzen, mạch bên càng dài thì tốc độ
đứt mạch xảy ra càng lớn và càng dễ.Ví dụ như Ion cacboni izo-butyl benzen có
tốc độ đứt mạch lớn hơn 10 lần so với izo-propyl benzen.
Các nhóm metyl, etyl khó bị đứt ra khỏi nhân hydrocacbon thơm (vì năng
lượng liên kết lớn) và do đó khó tạo được CH
3
+
và C
2
H
5
+
. Điều này giải thích
được tại sao xăng cracking xúc tác hàm lượng hydrocacbon thơm có mạch

nhánh ngắn rất lớn .
I.2.2.3 Giai đoạn dừng phản ứng
Giai đoạn này xảy ra khi các ion cacboni kết hợp với nhau, hoặc chúng
nhường hay nhận nguyên tử hydro của xúc tác để tạo thành các phân tử trung
hoà.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 9
9
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
CHƯƠNG II
NGUYÊN LIỆU VÀ SẢN PHẨM CỦA QUÁ TRÌNH
CRACKING XÚC TÁC
II.1.NGUYÊN LIỆU DÙNG TRONG QÚA TRÌNH CRACKING
XÚC TÁC[1,124] [2,114]
Theo lý thuyết thì bất kỳ phân đoạn chưng cất nào của dầu mỏ có điểm sôi
lớn hơn xăng đều có thể dùng làm nguyên liệu cho qúa trình cracking xúc tác.
Nhưng giới hạn việc sử dụng các phân đoạn chưng cất dầu mỏ vào làm nguyên
liệu cho cracking xúc tác có một tầm quan trọng rất lớn. Nếu lựa chọn nguyên
liệu không thích hợp sẽ không đưa đến hiệu quả kinh tế cao hoặc sẽ ảnh hưởng
đến độ hoạt tính của xúc tác.
Nguyên liệu cơ bản cho quá trình cracking xúc tác là phần cất chân không
của cặn dầu thô khi chưng cất khí quyển.Chúng thường chứa 5 đến 10%phân
đoạn sôi đến 350
0
C và có nhiệt độ sôi cuối đến 520-540
0
C.Trong nhiều trường
hợp người ta có thể dùng cả phân đoạn nhẹ của chưng cất khí quyển,phân đoạn
kerosen-gasoil của cracking nhiệt hay cốc hóa và có thể cả phần rafinat của quá
trình khử aspan mazut và gudron trong sản xuất dầu nhờn hoặc là phân đoạn
mazut của dầu ít kim loại.

Trong công nghiệp cracking xúc tác người ta có thể sử dụng một trong các
nhóm nguyên liệu sau:
• Nhóm 1:Phân đoạn kerosen-sola nhận được từ quá trình chưng cất trực
tiếp và có giới hạn sôi từ 210 đến 360
0
C.Chúng có tỷ trọng trung bình từ 0,830
đến 0,860.Trọng lượng phân tử trung bình khoảng 190-200.Đây là nhóm nguyên
liệu tốt nhất dùng để sản xuất xăng oto và xăng máy bay.
• Nhóm 2: Là nhóm nguyên liệu lấy từ phân đoạn gasoil chưng cất chân
không có nhiết độ sôi từ 300 đến 500
0
C ( hay 550
0
C),tỷ trọng trung bình từ
0,880 đến 0,920,trọng lượng phân tử trung bình 280-330.
• Nhóm 3: Là nhóm nguyên liệu có phần cất rộng,có giới hạn sôi từ 210-
500
0
C
• Nhóm 4: Là nhóm nguyên liệu có nhiệt độ sôi từ 300 đến 450
0
C.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 10
10
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Trong số các nhóm nguyên liệu trên thì nhóm gasoil chân không là phổ biến
nhất cho quá trình cracking xúc tác.Trong những năm gần đây khi nguyên liệu
tốt ngày một cạn dần và nhất là khi chế tạo được xúc tác cracking mới và công
nghệ mới có hiệu quả hơn,người ta tiến tới sử dụng nguyên liệu nặng hơn,chất
lượng xấu hơn mà vẫn cho phép nhận xăng với năng suất cao và chất lượng

tốt.Đó là xu hướng cải tiến quá trình cracking xúc tác trong hiện tại và tương lai.
II.2.ĐẶC TÍNH CHI TIẾT DẦU BẠCH HỔ [5,101]

Bảng 2.1.Đặc tính dầu Bạch Hổ
Các đặc tính Dầu Bạch Hổ
Tỷ trọng.
0
API 38,6
Lưu huỳnh,%tl 0,03 - 0,05
Điểm đông đặc,
0
C 33
Độ nhớt, ở 40
0
C, cSt 9,72
Độ nhớt, ở 50
0
C, cSt 6,58
Độ nhớt, ở 60
0
C, cSt 4,73
Cặn cacbon,%tl 0,65 -1,08
Asphanten,%tl 0,05
Wax, %tl 27
Ap suất, % hơi Reid 100
0
F,psi
2.5
V/Ni,ppm 2/2
Nitơ, %tl 0,067

Muối Nacl,mg/l 22
Độ axít, mg KOH/g 0,05
Naphta nhẹ (C
5
-95
0
C)
Hiệu suất trên dầu thô, %tl 2,3
Tỷ trọng ở 15
0
C, Kg/l 0,6825
Lưu huỳnh, %tl 0,001
Mercaptan,%tl 0,0002
Parafin,%tl 75,2
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 11
11
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Naphten,%tl 18,4
Thơm,%tl 6,4
N-parafin,%tl 42,0
Naphta nặng (C
5
-149
0
C)
Hiệu suất trên dầu thô, %tl 10,1
Tỷ trọng ở 15
0
C, Kg/l 0,7285
Lưu huỳnh, %tl 0,001

Mercaptan,%tl 0,0002
Parafin,%tl 60,5
Naphten,%tl 31,3
Thơm,%tl 8,2
N-parafin,%tl 34,9
Kerosen (149 -232
0
C)
Hiệu suất so với dầu thô,
%kh.l
14,35
Tỷ trọng ở 15
0
C,kg/l 0,7785
Lưu huỳnh, %kh.l 0,001
Độ axít, mg KOH/g 0,041
Chiều cao ngọn lửa không
khói,mm
35
Thơm,%kh.l 13,0
Gasoil (232 -432
0
C)
Hiệu suất so với dầu thô,
%kh.l
23,05
Tỷ trọng ở 15
0
C,kg/l 0,818
Lưu huỳnh, %kh.l 0,016

Độ axít, mg KOH/g 0,01
Trị số xêtan 47,6
Cặn (342 – 550
0
C) Tại 550
0
C
Hiệu suất trên dầu thô,%V 14,2
Khối lượng riêng ở 15
0
C, Kg/l
0,811
Lưu huỳnh,%Kh.l 0,07
Nitơ,ppm 1350
Asphanten,% Kh.l 0,05
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 12
12
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Hợp chất no,% Kh.l 58
Hợp chất thơm,%Kh.l 15
II.3.SẢN PHẨM THU ĐƯỢC TỪ QÚA TRÌNH CRACKING
XÚC TÁC [1,125] [2,102]
Hiệu suất và đặc tính của các sản phẩm trong cracking xúc tác phụ thuộc
vào bản chất nguyên liệu, chất lượng xúc tác và chế độ công nghệ. Sản phẩm
chính của quá trình là xăng, ngoài ra còn thu thêm một số sản phẩm phụ như khí,
gasoil nặng, gasoil nhẹ.
II.3.1. Sản phẩm khí cracking xúc tác
Hiệu suất khí cracking xúc tác chiếm khoảng 10 - 15% lượng nguyên liệu
đem cracking,có thể dao động phụ thuộc vào điều kiện cracking.Nếu cracking
xúc tác ở điều kiện cứng ( nhiệt độ cao, tốc độ nạp liệu nhỏ, bội số tuần hoàn

lớn) thì hiệu suất khí sẽ lớn,còn nếu cracking ở điều kiện mềm thì hiệu suất khí
sẽ thấp.
Thành phần của khí cracking phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu, vào
bản chất của xúc tác. Nếu nguyên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao thì khí
cracking xúc tác chứa nhiều H
2
S,nếu nguyên liệu chứa nhiều nito,trong khí sẽ có
NH
3
.
Thành phần của khí
cracking xúc tác
% khối lượng
C
1
,C
2
C
3
C
4
C
5
10-25
25-30
30-50
10-20
Sản phẩm khí được đưa đến bộ phận phân tách khí.Sau khi phân đoạn,khí
khô được sử dụng làm nhiên liệu khí,còn phân đoạn propan-propylen và butan-
butylen được dùng làm nguyên liệu cho quá trình alkyl hóa.Phân đoạn C

5
được
pha vào xăng.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 13
13
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
II.3.2. Xăng cracking xúc tác
Đây là sản phẩm chính của quá trình cracking xúc tác, hiệu suất xăng
thường dao động trong khoảng từ 30 -35% lượng nguyên liệu đem vào cracking.
Hiệu suất và chất lượng xăng phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu, xúc tác, chế
độ công nghệ.
_Nếu nguyên liệu có nhiều naphten thì xăng thu được có chất lượng cao.
_Nếu nguyên liệu có nhiều parafin thì xăng thu được có trị số octan thấp.
_Nếu nguyên liệu có nhiều lưu huỳnh thì trong xăng thu được cũng có
nhiều lưu huỳnh (thường chiếm 15% tổng lượng lưu huỳnh có trong nguyên
liệu).
Xăng cracking xúc tác có các đặc trưng sau:
_Tỷ trọng 0,72-0,77.
_ Trị số octan 87-91 (theo RON).
_Thành phần hóa học : 9-10% olefin,20-30% aren còn lại là naphten và
iso-parafin.
II.3.3. Sản phẩm gasoil nhẹ
Gasoil nhẹ là sản phẩm phụ của quá trình,có nhiệt độ sôi khoảng 175-
350
0
C.So sánh với nhiên liệu diesel thì nó có trị số cetan thấp.Tuy nhiên chất
lượng sản phẩm còn phụ thuộc vào nguyên liệu đem cracking ,chất lượng xúc
tác,chế độ công nghệ.
Sản phẩm gasoil nhẹ này thường dùng làm nhiên liệu diezel, làm nguyên
liệu pha vào mazut làm tăng chất lượng của dầu mazut.

Gasoil nhẹ cracking xúc tác có đặc tính như sau :
Tỷ trọng :0,84 -0,94.
Thành phần hoá học: 1,7 -2,4% trọng lượng lưu huỳnh, 30 -50%
hydrocacbon thơm, còn lại là naphten và parafin.
II.3.4. Sản phẩm gasoil nặng
Sản phẩm gasoil nặng là phần cặn còn lại của quá trình cracking xúc tác, có
T
s
trên 350
0
C, d
4
20
= 0,890 – 0,990.
Sản phẩm này chứa một lượng lớn tạp chất cơ học . Hàm lượng lưu huỳnh
cao hơn trong nguyên liệu ban đầu khoảng 1,5 lần. Nó được sử dụng làm nguyên
liệu cho cracking nhiệt và cốc hoá, hoặc làm nguyên liệu đốt lò, làm nguyên liệu
sản xuất bồ hóng, hoặc quay trở lại quá trình cracking.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 14
14
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
CHƯƠNG III
XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH CRACKING
Phản ứng cracking xúc tác chủ yếu xảy ra trên bề mặt xúc tác.Chiều của phản
ứng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất xúc tác.Xúc tác được dùng trong cracking
thường là xúc tác rắn,xốp,có bề mặt riêng lớn.Xúc tác đầu tiên được dùng là đất
sét thiên nhiên có tính axit,sau đó được thay thế bằng xúc tác alumino silicat có
hoạt tính và độ chọn lọc cao hơn.Xúc tác này thường được sử dụng trong công
nghiệp cracking suốt 30 năm.Đến cuối thập niên 60,người ta đã chuyển sang chủ
yếu dùng xúc tác chứa zeolit.

III.1.XÚC TÁC TRICLORUA NHÔM AlCl
3
[2,119]
Triclorua nhôm cho phép tiến hành phản ứng ở nhiệt độ 200-300 ̊ C,dễ chế
tạo.Nhược điểm là xúc tác bị mất mát do tạo phức với hydrocacbon của nguyên
liệu,điều kiện tiếp xúc giữa xúc tác với nguyên liệu không tốt,cho hiệu suất và
chất lượng xăng thấp.
III.2.ALUMINOSILICAT VÔ ĐỊNH HÌNH [2,119]
Ban đầu người ta sử dụng đất sét bentonit,song hiệu suất chuyển hóa
thấp.Sau đó dùng aluminosilicat tổng hợp,xúc tác này có hoạt tính cao hơn.Hiện
nay chủ yếu dùng zeolit hoặc xúc tác aluminosilicat chứa zeolite.
III.3.ZEOLIT VÀ XÚC TÁC CHỨA ZEOLIT[1,117]
Hiện nay trong công nghệ cracking xúc tác người ta chủ yếu dùng xúc tác
chứa zeolite bởi có hoạt tính cao,độ chọn lọc tốt,giá thành vừa phải.
Trong công nghiệp cracking xúc tác thường dùng zeolit loại X,Y có chứa các
nguyên tố đất hiếm hay ở dạng đã trao đổi ion và được xử lý bằng các phương
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 15
15
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
pháp đặc biệt,đồng thời kết hợp với các thành phần làm tăng độ bền cơ,bền nhiệt
hay điều chỉnh kích thước lỗ xốp. Zeolit có hoạt tính cracking lớn vì thế người ta
dùng nó ở dạng hỗn hợp với xúc tác vô định hình hay aluminosilicat tinh thể và
được gọi là xúc tác chứa Zeolit.Trong sản xuất thường trộn 10-20% khối lượng
zeolit ,và với hợp phần như vậy xúc tác đã hoạt động hơn hẳn aluminosilicat
thông thường,hơn nữa các chỉ tiêu kinh tế cũng đạt tốt hơn. Người ta chế tạo xúc
tác chứa zeolit ở hai dạng chính :dạng cầu và dạng bột.Xúc tác dạng bột và sau
đó cải tiến thành xúc tác vi cầu thường áp dụng cho quá trình cracking lớp
sôi(FCC),còn xúc tác dạng cầu với kích thước hạt từ 3 đến 5mm thường dùng
cho quá trình cracking xúc tác chuyển động (TCC).Ngoài yêu cầu về độ hoạt
tính cao,xúc tác còn phải đáp ứng các yêu cầu khác như phải bền nhiệt,bền

cơ,không ăn mòn,mài mòn thiết bị,dễ khuếch tán nguyên liệu tới các tâm
hoạttính và sản phẩm từ bề mặt ra bên ngoài,đảm bảo sự khuếch tán của oxi tới
bề mặt xúc tác để dễ đốt cốc khi tái sinh,đồng thời giá thành phải chấp nhận
được.
Xúc tác chứa zeolite loại X và Y có kích thước lỗ khoảng 8-10 A
o
được dùng
để cracking nguyên liệu có thành phần phân đoạn rộng (như gasoil).Khi đó các
phân tử lớn của nguyên liệu vẫn có thể dễ dàng tới bề mặt của xúc tác,còn các
phân tử nhỏ hơn có thể tiếp xúc với các tâm hoạt tính ở bề mặt trong của xúc
tác.Vì cốc là các hợp chất cao phân tử nên chúng thường tập trung ở bề mặt
ngoài của xúc tác do vậy tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình đốt cháy cốc khi
tái sinh xúc tác.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 16
16
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
CHƯƠNG IV
DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ
CRACKING XÚC TÁC
IV.1. XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CRACKING XÚC TÁC[4,25]
Kể từ khi ra đời cho đến nay, cracking xúc tác đã trải qua một thời kỳ dài
hơn 80 năm cải tiến và hoàn thiện dần các quy trình công nghệ cũng như các
loại xúc tác sử dụng từ thiết bị cracking xúc tác đầu tiên với lớp xúc tác tĩnh
hoạt động không liên tục con người đã không ngừng cải tiến thành kiểu cracking
xúc tác tầng sôi hoạt động liên tục với chất xúc tác ở dạng hạt hoặc dạng bột ở
trạng thái chuyển động. Dần dần người ta thay thế các loại xúc tác ở dạng hạt
thành dạng bột có độ lớn vào khoảng 20 -100 micron và thu được hiệu suất cao,
nâng giá trị kinh tế của một tấn dầu thô đưa vào chế biến. Ngày nay, cracking
xúc tác lớp tầng sôi là một phương pháp hiện đại nhất và được áp dụng rộng dãi
trên thế giới đặc biệt là ở Mỹ, tỷ lệ cracking xúc tác ở lớp tầng sôi chiếm vào

khoảng 72% năm 1995 và 10 năm sau đã tăng lên tới 82% so với toàn bộ
cracking xúc tác, còn ở các nước phát triển khác ở Tây âu, tỷ lệ này chiếm vào
khoảng 79%.
Trong 10 năm gần đây, xu hướng vẫn tiếp tục xây dựng phân xưởng
cracking xúc tác lớp sôi với công suất lớn từ 4,2 đến 5,2 triệu m
3
/năm. Do công
suất lớn nên vốn đầu tư cũng như chi phí sản xuất cho 1 m
3
nguyên liệu đưa vào
rẻ hơn.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 17
17
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
IV.2. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CRACKING
XÚC TÁC
Qua lịch sử phát triển của quá trình cracking xúc tác, đồng thời qua phân
tích đánh giá các yêu cầu khác như chế độ làm việc, nguyên liệu xúc tác ta
thấy quá trình FCC có rất nhiều ưu điểm và thuận lợi, hệ thống này được sử
dụng ngày càng phổ biến trong công nghiệp dầu mỏ, nó được các hãng công
nghiệp hàng đầu trong lĩnh vực này như UOP, Kellogg, Shell, IFP, Exxon
nghiên cứu để hoàn thiện hơn nhằm mục đich đạt năng suất hiệu quả cao nhất,
sử dụng nguyên liệu nặng hơn, tiết kiệm được xúc tác và phải là kinh tế nhất.
Qua thực tế dùng hệ thống cracking xúc tác lớp sôi sử dụng xúc tác dạng
bụi hay vi cầu, người ta thấy nó có nhiều ưu điểm hơn hệ thống cracking xúc tác
trong lớp xúc tác chuyển động. Những ưu điểm đó là:
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.
Sự tuần hoàn xúc tác từ thiết bị phản ứng đến thiết bị tái sinh và ngược lại

là nhờ sự vận chuyển liên tục của hơi và khí trong một giới hạn rộng.
Do 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.
Hệ thống này có khả năng chế biến các dạng nguyên liệu khác nhau, như từ
nguyên liệu là phân đoạn kerosen đến nguyên liệu nặng là mazut, làm tăng tính
vạn năng của hệ thống.
Hệ thống này có công suất làm việc lớn và có thời gian tiếp xúc ngắn (thời
gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và xúc tác là cực tiểu) dẫn đến việc đạt được hiệu
suất xăng cực đại và olefin nhẹ không xảy ra phản ứng ngưng tụ bậc hai mà đã
tạo xăng. ứng dụng phương pháp tái sinh (cháy hoàn toàn CO trong thiết bị tái
sinh) dẫn đến đạt hàm lượng cất cặn rất thấp trong xúc tác.
Với những ưu điểm nổ bật đó nên ta chọn sơ đồ công nghệ xúc tác lớp sôi
FCC với thời gian tiếp xúc ngắn cho quá trình cracking xúc tác.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 18
18
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
IV.3. SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ XÚC TÁC LỚP SÔI(FCC) VỚI
THỜI GIAN TIẾP XÚC NGẮN[1,147]
Thuyết minh sơ đồ công nghệ:
Dây truyền công nghệ FCC gồm các bộ phận chính sau :
• Thiết bị phản ứng.
• Lò tái sinh và khối tận dụng nhiệt của khí khói.
• Bộ phận phân chia sản phẩm.
IV.3.1.Thiết bị phản ứng
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 19
19
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Hinh IV.1.Cấu tạo lò phản ứng
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 20

20
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Hình IV.1.Sơ đồ FCC với thời gian tiếp xúc ngắn
Nguyên liệu mới từ bể chứa nguyên liệu được cho qua thiết bị trao đổi
nhiệt ống chùm. Nguyên liệu mới có thể đem trộn với một phần tuần hoàn HCO
( phân đoạn dầu nặng của quá trình cracking xúc tác ) và cặn đáy ở thiết bị 3,
sau đó cho qua lò đốt nóng nguyên liệu cracking.Nguyên liệu cracking 5 được
tiếp xúc với xúc tác nóng đã tái sinh 6 ở đáy của ống đứng , khi đó nguyên liệu
bay hơi cùng với hỗn hợp của hơi nóng và xúc tác được đi lên phía trên tới đỉnh
của ống đứng, đồng thời xảy ra các phản ứng cracking xúc tác. Hầu hết nguyên
liệu đều tham gia phản ứng và chuyển hoá trong ống đứng, còn thiết bị phản ứng
được được dùng như một thiết bị tách xúc tác và hơi hydrocacbon. Một bộ phận
được thiết kế đặc biệt, bố trí gần van chặn, dùng hơi nước để thổi xúc tác và dầu
điều này sẽ hạn chế mức tối đa hiện tượng trộn quay trở lại của xúc tác và hơi
khí đã làm việc.Sau khi tách khỏi xúc tác, hơi sản phẩm nóng 7 được chuyển
sang cột phân đoạn . Xúc tác đã làm việc 8 được cho qua vùng tách hơi ( còn gọi
là bộ phận rửa xúc tác) bằng cách thổi hơi nước vào.Bộ phận rửa không chỉ làm
nhiệm vụ đuổi hết hydrocacbon hấp phụ trên xúc tác mà còn làm tơi các hạt xúc
tác để chúng không dính vào nhau trước khi sang lò tái sinh.Tốc độ hơi cần
được điều chỉnh thích hợp và cần phải kiểm tra chặt chẽ thời gian lưu của xúc
tác trong bộ phận rửa để tránh phải dùng quá nhiều không khí trong lò tái sinh.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 21
21
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Áp suất trong thiết bị phản ứng được khống chế bằng bộ phận điều chỉnh áp suất
của cột phân đoạn.
IV.3.2.Lò tái sinh và khối tận dụng nhiệt của khói lò
Xúc tác có chứa cốc 8 được chuyển qua van điều khiển và khống chế bởi
độ kiểm tra mức xúc tác ở trong lò phản ứng,sau đó đi vào lò tái sinh . Xúc tác
vào lò tái sinh. Xúc tác vào lò tái sinh theo hướng tiếp tuyến với thành lò. Mục

đích của tái sinh là đốt cháy cốc bám trên xúc tác đã làm việc bằng oxy không
khí, sản phẩm tạo thành là CO và CO
2
, hơi nước do vậy mà trả lại bề mặt hoạt
tính cho xúc tác. Sau khi nén không khí để đốt được đưa vào đáy lò tái sinh, qua
lưới phân phối để trộn có hiệu quả giữa không khí và xúc tác.Sự cháy cũng xảy
ra trong lớp sôi và để đạt được điều đó thì tốc độ của không khí phải lớn hơn 1
m/s. Xúc tác đã tái sinh được chuyển vào ống đứng sau khi đã đuổi sạch khí qua
một van lá mà sự hoạt động của van này được khống chế, điều khiển tự động
nhờ bộ phận điều chỉnh nhiệt độ của thiết bị phản ứng, rồi sau đó xúc tác được
trộn với nguyên liệu cracking và hoàn thành một chu trình. Đồng thời ta tiến
hành tháo xúc tác bẩn đã già hoá ra và tiếp tục bổ xung xúc tác mới để đảm bảo
độ hoạt tính ổn định của xúc tác trong quá trình làm việc.
Khí của quá trình cháy cốc và các hạt xúc tác chuyển động từ "pha đặc”
vào “pha loãng" ở đỉnh lò tái sinh, qua hai cấp xyclon để giữ lại các hạt xúc tác
và khí tách. Sau đó, khí khói được qua buồng lắng để tách tiếp bụi xúc tác, rồi
qua bộ phận tận dụng nhiệt 12, sau đó khí khói được làm sạch bụi xúc tác bằng
lọc điện rồi đi ra ngoài theo ống khói .
IV.3.3. Bộ phận phân chia sản phẩm
Hơi sản phẩm 7 được nạp vào cột phân đoạn chính để chia thành các sản
phẩm khác nhau:
Xăng và phần nhẹ hơn được cho qua bộ phận ngưng tụ rồi vào thiết bị tách
khí.Sau khi tách khí, ta nhận được phân đoạn C
1
,C
2
. Các sản phẩm này có thể
được dùng làm khí nhiên liệu cho dây chuyền. Phân đoạn C
3
,C

4
chứa nhiều
propen và buten được dùng làm nguyên liệu cho dây chuyền alkyl hoá và sản
phẩm tiếp theo là xăng đã khử butan.
Từ cột phân đoạn chính ta còn nhận được naphta nặng , LCO, HCO. Phần
HCO có thể cho tuần hoàn lại ống đứng của thiết bị phản ứng và sản phẩm cuối
cùng là phần dầu cặn đã được làm sạch khỏi bùn xúc tác.
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 22
22
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
CHƯƠNG V : TÍNH TOÁN THIẾT BỊ
V.1. TÍNH LÒ PHẢN ỨNG
V.1.1 Tính cân bằng vật chất
G
NL
G
k
G
x
G
gnh
G
c
G
mm
G
gn
Cân bằng vật chất của lò phản ứng
Tổng lượng vật chất vào lò phản ứng bằng tổng lượng vật chất ra khỏi lò
phản ứng :G

vào
= G
ra
.
Phương trình cân bằng vật liệu của lò phản ứng có dạng:
G
NL
=G
k
+G
c
+G
x
+G
gnh
+G
gn
+ G
mm
Trong đó :
G
NL
: Lượng nguyên liệu mới vào trong lò phản ứng( năng suất của phân
xưởng ) (T/h)
G
k
: Lượng sản phẩm khí tạo thành (T/h)
G
c
: Lượng cốc tạo ra (T/h)

G
x
: Lượng sản phẩm xăng tạo thành (T/h)
G
gnh
: Lượng gasoil nhẹ (T/h)
G
gn
: Lượng gasoil nặng (T/h)
G
mm
: Lượng mất mát (T/h)
Phân xưởng cracking xúc tác có năng suất 5.000.000 tấn/năm với nguyên
liệu là lấy từ phần cặn của dầu thô Bạch Hổ. Ta coi thời gian làm việc của phân
xưởng trong 1 năm là 8000 h.
Năng suất của phân xưởng tính theo giờ sẽ là : G
NL
= = 625 (Tấn/h)
Chọn hiệu suất xăng ( tính theo % khối lượng nguyên liệu mới ) là
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 23
23
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
X
x
= 45,1% khối lượng nguyên liệu mới
Chọn hiệu suất cốc X
c
= 1,7% khối lượng nguyên liệu mới
Chọn hiệu suất khí khi cracking là X
k

= 17,7% khối lượng nguyên liệu mới
Hiệu suất gasoil nhẹ là : X
gnh
= 22% khối lượng nguyên liệu mới
Hiệu suất gasoil nặng là : X
gn
= 12,5% khối lượng nguyên liệu mới
Coi lượng mất mát là 1%.
Tổng lượng vật chất vào lò phản ứng G
vào
= 625 (Tấn/h)
Lượng sản phẩm ra khỏi thiết bị phản ứng :
Lượng khí cracking là:
G
k
= G
NL
.0,177 = 625. 0,177 = 110,625(Tấn/h)
Lượng xăng là :
G
x
= G
NL
. 0,451 = 625 . 0,451 = 281,875 (Tấn/h)
Lượng gazoil nhẹ là :
G
gnh
= G
NL
. 0,22 = 625. 0,22 = 137,5 (Tấn/h)

Lượng gazoil nặng là :
G
gn
= G
NL
. 0,125 = 625. 0,125 = 78,125 (Tấn/h)
Lượng cốc là :
G
c
= G
NL
× 0,017 = 625. 0,017 = 10,625 (Tấn/h)
Lượng mất mát là :
G
m
= G
NL
× 0,01 = 625. 0,01 = 6,25 (Tấn/h)
Vậy tổng lượng sản phẩm và mất mát là:
G
ra
= G
k
+ G
x
+ G
gnh
+ G
gn
+ G

c
+ G
m

= 110,625 + 281,875 + 137,5 + 78,125 + 10,625+ 6,25 = 625 (Tấn/h)
Kết quả tính toán cân băng vật chất cho thiết bị phản ứng như sau :
Bảng V.1: Tính toán cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng
Các thành phần Khối lượng , T/h % khối lượng theo
nguyên liệu mới
Đầu vào
Nguyên liệu mới 625 100
Đầu ra
Sản phẩm Khí 110,625 17,7
Sản phẩm Xăng 281,875 45,1
Sản phẩm Gasoil nhẹ 137,5 22
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 24
24
Cracking xúc tác 5 triệu tấn/năm
Sản phẩm Gasoil nặng 78,125 12,5
Cốc 10,625 1,7
Lượng mất mát 6,25 1
Tổng 625 100
• Xác định lượng xúc tác tuần hoàn và tiêu hao hơi nước.
Với hệ thống xúc tác dạng hạt cầu thì bội số tuần hoàn xúc tác N = 4 ÷ 9/1
Ta chọn N = 6/1 như vậy lượng xúc tác sẽ là :
G
Catalyst
= N. G
c
= 6.625 = 3750 (Tấn/h)

Xác định lượng tiêu hao hơi nước.
Hơi nước sử dụng trong quá trình là hơi quá nhiệt
Để điều chỉnh mật độ của hỗn hợp hơi nguyên liệu và xúc tác ở trong ống
vận chuyển ta dùng hơi nước và nó tiêu tốn khoảng 0,4 -2,0% trọng lượng tính
theo tải trọng của lò phản ứng. Ta chọn tiêu tốn hơi nước để điều chỉnh mật độ
hỗn hợp là 1,6% trọng lượng theo nguyên liệu. Vậy lượng hơi nước tiêu hao
trong trường hợp này là :
G
n1
= 0,016 .625 = 10 (Tấn/h.)
Hơi nước dùng để tách hơi sản phẩm cracking ra khỏi xúc tác trước khi đưa
vào lò tái sinh trong vùng tách. Tiêu tốn trong trường hợp này vào khoảng 5 -10
kg để tách được 1 tấn xúc tác có dính cốc. Ta chọn giá trị là 7 kg /1tấn xúc tác.
Như vậy lượng hơi nước tiêu tốn sẽ là :
G
n2
= 7.3750 =26250 (Kg/h)
=26,25 (tấn/h)
Vậy lượng hơi nước tiêu tốn tổng cộng là:
G
H2Ohv
= G
n1
+ G
n2
= 10 +26,25 = 36,25 (Tấn/h)
SVTH : Hoàng Văn Hiếu Trang 25
25