do an cracking ly thuyet , hóa dầu

Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

Lời mở đầuCH2 CH3
Trên thế giới, tại bất kỳ
xăng
H dầu được coi là hàng hoá
+
+ H + một quốc gia nào
đặc biệt quan trọng, là máu huyết 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, hiện đại hoá đất nước, với các máy móc,
thiết bị và công nghệ mới. 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.
Để 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.
Với bản đồ án chuyên ngành thiết kế phân xưởng cracking xúc tác năng
suất ,,,,,,,,,,,, tấn/năm. Chúng em hy vọng rằng mình sẽ bổ xung thêm được kiến
thức để góp phần nhỏ bé vào công cuộc đổi mới đất nước.
Em xin chân thành cảm ơn TS. Lê Thanh Thanh đã tận tình giúp đỡ em
trong thời gian qua để em có thể hoàn thành được bản đồ án này.

CH2 CH3

1
Page 1


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

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[1,106]
Quá 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 quá
trình vào áp dụng trong công nghiệp. Đến năm 1936, nhà máy cracking xúc tác
đầu tiên được xây dựng ở Mỹ, của công ty Houdry Process corporation. 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. Cho đến nay, sau hơn 60 năm phát triển, quá trình này
ngày càng được cải tiến và hoàn thiện, nhằm mục đích nhận nhiều xăng hơn với
chất lượng xăng ngày càng cao từ nguyên liệu có chất lượng ngày càng kém hơn
(từ những phần cặn nặng hơn).
I.1.2. Mục đích của quá trình cracking xúc tác.[1,106]
Mục đích của quá trình cracking xúc tác là nhận các cấu tử có trị số octan
cao cho xăng ôtô hay xăng máy bay từ nguyên liệu là phần cất nặng hơn, chủ yếu
là phần cất nặng hơn từ các quá trình chưng cất trực tiếp AD (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 đó 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 quá 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.
Lượng dầu mỏ được chế biến bằng cracking xúc tác chiếm tương đối lớn. Ví
dụ vào năm 1965, lượng dầu mỏ thế giới chế biến được 1.500 tấn/ngày thì trong
đó cracking xúc tác chiếm 800 tấn (tương ứng 53%).
Quá trình cracking xúc tác được tiến hành ở điều kiện công nghệ là :
Nhiệt độ
: 4700C – 5500C
Áp suất trong vùng lắng của lò phản ứng
: 0,27 Mpa

2
Page 2


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

Tốc độ không gian thể tích
: 1 – 120 m3/m3. 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.
I.2 Bản chất hoá học của quá trình cracking xúc tác và cơ chế của
phản ứng.
II.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. 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. Quá trình này có thể thực hiện dưới tác dụng của nhiệt độ
(cracking nhiệt) và xúc tác (cracking xúc tác)
II.2.2. Cơ chế phản ứng cracking xúc tác.[1,107]
Hiện nay vẫn chưa có sự nhất trí hoàn toàn trong việc giải thích bản chất,
cơ chế của các phản ứng cracking xúc tác nên còn nhiều ý kiến trong việc giải
thích cơ chế xúc tác trong quá trình cracking. 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 acid 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.
II.2.2.1. Giai đoạn tạo thành ion cacboni. [1,108]
Ion cacboni tạo ra do sự tác dụng của hydrocacbon parafin, olefin,
hydrocacbon naphten, hydrocacbon thơm với tâm axít của xúc tác.
• Từ hydrocacbon parafin:

3
Page 3


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

Cn H 2 n + H + 
→ +Cn H 2 n +1
•

Cn H 2n + LH 
→ +Cn H 2 n +1 + L

Từ olefin:

• 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:
CH 2CH 3
+ H+

+

CH2 CH 3
H

Các hydrocacbon thơm có mạch bên đủ dài thì sự tạo thành ion cacboni
cũng giống như trường hợp parafin.
II.2.2.2 Giai đoạn biến đổi ion cacboni.[1,108]
Ion cacboni được tạo ra từ giai đoạn trên lại nhanh chóng tham gia các
phản ứng biến đổi khác nhau như:
• Phản ứng đồng phân hoá: chuyển rời ion hydro (H +), nhóm metyl (CH3) tạo
cấu trúc nhánh.
R− C− C− C− C+  C− C+− C− C− R
• Phản ứng cracking theo quy tắc β (cắt mạch ở vị trí β so với cacbon
mang điện):

R – C – C = C + C+ – R + +CH3

Với ba vị trí β (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]. Đồng thời các ion cacboni nhanh chóng lại tác

4
Page 4


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

dụng với các phân tử trung hoà olefin (C mH2m) hay parafin (CmH2m +2) tạo thành
các ion cacboni mới theo phản ứng vận chuyển ion hydrit:
+

Cn H 2n+1 +C m H 2m 
→ Cn H 2n + + Cm H 2m+1

+

Cn H 2n+1 +Cm H 2m+2 
→ Cn H 2n+2 + + Cm H 2m+1

Các ion mới này lại có thể tham gia các phản ứng đồng phân hoá, cracking,
alkyl hoá hay ngưng tụ. Biến đổi của ion cacboni tiếp diễn cho đến khi nó có cấu
trúc bền vững nhất, có độ bền cao nhất. Có thể sắp xếp độ bền của các ion cacboni
theo thứ tự sau:
Ion cacboni bậc 3 > Ion cacboni bậc 2 > ion cacboni 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. Chất lượng sản phẩm được quyết định
bởi các phản ứng của ion cacboni mà đặc biệt là các phản ứng phân huỷ, đồng
phân hoá và chuyển vị hydro.
II.2.2.3. Giai đoạn dừng phản ứng.[1,109]
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.
CHƯƠNG II: Nguyên liệu, sản phẩm và xúc tác của qúa trình cracking

xúc tác
II.1. Nguyên liệu dùng trong quá trình cracking xúc tác.[1,124]
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.
Ngày nay người ta thường dùng các phân đoạn nặng thu được từ quá trình
cracking nhiệt, cốc hoá chậm, các phân đoạn dầu nhờn trong chưng cất chân
không và dầu mazút đã tách nhựa làm nguyên liệu cho cracking xúc tác. Để
tránh hiện tượng tạo cốc nhiều trong quá trình cracking xúc tác cũng như tránh
nhiễm độc xúc tác, nguyên liệu cần phải được tinh chế sơ bộ trước khi đưa vào
chế biến.

•

Ta có thể dùng các phân đoạn sau làm nguyên liệu cho cracking xúc tác:
Phân đoạn kerosen –xola của quá trình chưng cất trực tiếp

5
Page 5


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

Phân đoạn xôla có nhiệt độ sôi 300 0C – 5000C của quá trình chưng cất
chân không mazút.

•
Phân đoạn gasoil của quá trình chế biến thứ cấp khác.
•
Phân đoạn gasoil nặng có nhiệt độ sôi 3000C – 5500C.
Như vậy, người ta có thể phân nguyên liệu cho cracking xúc tác ra làm bốn
nhóm sau:
Nhóm 1: Nhóm nguyên liệu nhẹ, là phân đoạn kerosene – xôla lấy từ quá
trình chưng cất trực tiếp có:
Tos = 260 ÷ 380oC;
d = 0,830 ÷ 0,860;
M = 190 ÷ 220 đ.vC
Đó là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất xăng máy bay.
Nhóm 2: Phân đoạn gasoil nặng có giới hạn nhiệt độ sôi 300 ÷ 500 oC và:
d = 0,880 ÷ 0,920;
M = 280 ÷ 330 đ.vC
Chủ yếu để sản xuất xăng ôtô.
Nhóm 3: Nhóm nguyên liệu có thành phần phân đoạn rộng, đó là hỗn hợp
của hai nhóm trên, (Nhiệt độ sôi 210 đến 550 oC), có thể lấy từ chưng cất trực tiếp
hay là phần chiết của quá trình làm sạch dầu nhờn bằng dung môi chọn lọc.
Nhóm này để sản xuất xăng ôtô và máy bay.
Nhóm 4: Nhóm nguyên liệu trung gian là hỗn hợp phân đoạn kerosene nặng
và xôla nhẹ, nhiệt độ sôi 300 đến 430oC, để sản xuất xăng ôtô và máy bay.
Trong các nhóm nguyên liệu trên, tốt nhất là và chủ yếu dùng cho cracking
xúc tác là phân đoạn kerosene – Xôla gasoil nặng, thu được từ chưng cất trực
tiếp. Phân đoạn này cho hiệu suất xăng cao, ít tạo cốc nên thời gian làm việc của
xúc tác kéo dài.
•

II.2. Sản phẩm thu được từ quá trình cracking xúc tác.[2,115]
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.2.1. Sản phẩm khí cracking xúc tác.[2,115]
Hiệu suất khí cracking xúc tác chiếm khoảng 10 – 15% lượng nguyên liệu
đem cracking. Nó có thể dao động phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu đem
cracking. Hiệu suất này nhiều hay ít 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

6
Page 6


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

hoàn lớn) thì hiệu suất khí sẽ lớn, còn nếu cracking ở điều kiện mềm thì hiệu
suất khí sẽ ít.
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 H2S.
Thành phần của khí cracking
xúc tác:
C1,C2
C3
C4
C5

•

•
•

•
•
•

% khối lượng
10-25
25-30
30-50
10-20

II.2.2. Xăng cracking xúc tác.[2,117]
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 hoá học: 9 ÷ 10% olefin, 20 ÷ 30% aren, còn lại là naphten và izo–
paraffin
II.2.3. Sản phẩm gasoil nhẹ.[2,118].
Gasoil nhẹ là sản phẩm phụ thu được trong cracking xúc tác; có nhiệt độ sôi

trong khoảng 175 đến 350oC. Gasoil nhẹ thường được dùng làm cấu tử pha cho
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.2.4. Sản phẩm gasoil nặng.[2,118]
Sản phẩm gasoil nặng là phần cặn còn lại của quá trình cracking xúc tác, có
Ts trên 3500C, d420 = 0,890 ÷ 0,990.

7
Page 7


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

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.
II.3. Xúc tác cho quá trình cracking.[2,119]
Phản ứng cracking xúc tác chủ yếu xảy ra trên bề mặt của xúc tác. Chiều
của phản ứng phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của xúc tác, củng như phụ thuộc
vào chất lượng nguyên liệu và các thông số công nghệ của quá trình. Trong quá
trình, cốc tạo ra sẽ bám trên bề mặt của xúc tác, làm giảm hoạt tính của nó. Vì
thế việc khôi phục lại hoạt tính của xúc tác bằng quá trình tái sinh xúc tác củng
là một vấn đề hết sức quan trọng, cần được giải quyết đối với cracking công

nghiệp.
Xúc tác được dùng trong cracking thường là xúc tác rắn, xốp, có nguồn gốc
thiên nhiên hay tổng hợp, với bề mặt riêng lớn.
II.3.1. Các loại xúc tác:[2,119]
Xúc tác triclorua nhôm AlCl3: Triclorua nhôm cho phép tiến hành phản
ứng ở nhiệt độ thấp: 200 – 300oC , dễ chế tạo. Nhược điểm là xúc tác bị mất mát
do tạo phức với hydrocacbon thơm của nguyên liệu, điều kiện tiếp xúc giữa xúc
tác và nguyên liệu không tốt, cho hiệu suất và chất lượng xăng thấp.
Aluminosilicat vô định hình: 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 sử dụng zeolit hoặc xúc tác
aluminosilicat chứa zeolit .
Ưu điểm của loại xúc tác chứa zeolit là giảm được giá thành của xúc tác, do
zeolit tổng hợp rất đắt. Dễ dàng tái sinh xúc tác vì trong quá trình phản ứng, cốc
tạo thành sẽ bám trên bề mặt chất mang (là aluminosilicat), chứ không chui vào
mao quản zeolit, điều đó cho phép quá trình đốt cháy cốc xảy ra thuận tiện và
triệt để.
Hiện nay trong công nghiệp sử dụng chủ yếu là zeolit X, Y có kích thước mao
quản rộng (8–10Ao) để chế tạo xúc tác cho cracking các phân đoạn rộng và nặng.
Ngoài ra có thể sử dụng loại zeolit mao quản trung bình như ZSM–5, ZSM–11.
Các xúc tác trên được chế tạo dưới dạng hạt vi cầu để sử dụng cho quá trình
cracking với lớp giả sôi (FCC) hoặc dạng cầu lớn cho thiết bị xúc tác chuyển động
(RCC).
II.3.2. Vai trò của xúc tác. [2,119]

8
Page 8


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

Xúc tác có tác dụng làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Ví dụ, khi
có mặt xúc tác ở 400 – 500 oC, các olefin chuyển hóa nhanh hơn 1000 đến 10.000
lần so với cracking nhiệt.
Ngoài ra, xúc tác còn có tính chọn lọc, nó có khả năng làm tăng hay chậm
không đồng đều các loại phản ứng, có nghĩa là hướng theo chiều có lợi.
IV.3.3. Yêu cầu đối với xúc tác cracking:[2,120]
Xúc tác cracking phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:
• Hoạt tính xúc tác phải cao;
• Độ chọn lọc phải cao;
• Độ ổn định cao;
• Bền cơ, bền nhiệt (để có thể làm việc ở nhiệt độ cao);
• Độ thuần nhất cao (về cấu trúc, hình dạng, kích thước);
• Phải bền với các tác nhân gây ngộ độc xúc tác;
• Phải có khả năng tái sinh;
• Phải dễ sản xuất và giá thành hạ.
Với các yêu cầu trên thì zeolit hoặc xúc tác chứa zeolit tỏ ra có nhiều ưu điểm
hơn cả.
II.3.4. Tái sinh xúc tác.[2,121]
Xúc tác tái sinh sau một thời gian làm việc sẽ bị mất hoạt tính do cốc tạo
thành bám dính trên bề mặt, hoặc một số phản ứng phụ tạo polyme, che phủ các
tâm hoạt tính của xúc tác. Để xúc tác có thể làm việc được bình thường, phải tái
sinh để khôi phục lại hoạt tính của nó.
Bản chất của quá trình tái sinh là đốt cháy cốc bám trên bề mặt. Ví dụ, đối
với aluminosilicat đốt ở 540 đến 680 oC, quá trình đốt cháy cốc xẩy ra các phản
ứng sau:
2C + O2
C + O2


→

→

2CO + Q
2CO2 + Q


→

2H2 + O2
2H2O + Q
Khả năng tái sinh có thể đánh giá bằng cường độ cháy cốc, cường độ cháy
cốc càng cao, quá trình tái sinh xúc tác càng nhanh.
Người ta thấy rằng, nhiệt độ tốt nhất để đốt cháy cốc nằm trong khoảng
540 đến 680oC. Nếu quá thấp, cốc không cháy hết, nếu quá cao (700 oC) xúc tác bị
thiêu kết, dẫn đến giảm bề mặt, làm giảm hoạt tính của xúc tác.
II.3.5. Các dạng hình học của xúc tác.[2,121]
Xúc tác cracking thường được sử dụng ở các dạng sau:

9
Page 9


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

Xúc tác dạng bụi: có kích thước từ 1 đến 80 µm (phần lớn là 40 đến 80
µm).
• Xúc tác dạng vi cầu: kích thước từ 50 đến 150 µm. so với xúc tác bụi, xúc
tác vi cầu ít bị mài mòn, do vậy xúc tác ít bị tổn hao hơn.
Cả hai loại xúc tác bụi và vi cầu được sử dụng phổ biến trong hệ thống
cracking với lớp xúc tác giả sôi.
Xúc tác dạng cầu lớn: đường kính hạt xúc tác từ 3 đến 6 mm. Độ bền cơ của
lại này rất tốt. Trong quá trình làm việc ít bị mài mòn, ít bị vỡ. Dạng xúc tác này
thường dùng trong lớp xúc tác chuyển động.
Xúc tác dạng trụ: có đường kính từ 3 đến 4 mm, chiều cao từ 3 đến 5 mm.
Độ bền cơ kém, trong quá trình sử dụng dễ bị vỡ vụn, làm tiêu hao xúc tác. Loại
này được sử dụng trong hệ thống xúc tác cracking với lớp xúc tác tĩnh. Với loại
xúc tác này, độ bền cơ học lớn nhất khi chiều cao hình trụ bằng đường kính.
•

CHƯƠNG III : Các dây chuyền công nghệ cracking xúc tác
III.1. Các dây chuyền công nghệ cracking xúc tác.
III.1.1. Sơ lược về sự phát triển hệ thống cracking xúc tác. [1,131]
Năm 1936, dây chuyền cracking xúc tác đầu tiên được đưa vào công nghiệp
chế biến dầu, hoạt động theo phương thức gián đoạn với lớp xúc tác cố định do
kỹ sư người pháp Houdry thiết kế.
Năm 1941, xuất hiện quá trình cracking với lớp xúc tác chuyển động thay
thế cho quá trình Houdry. Dây chuyền cracking xúc tác loại này ở Nga có tên là
loại 43-1 và 43-102, còn ở các nước khác có tên là TCC. Các dây truyền càng về
sau càng liên tục được cải tiến so với các dây chuyền ban đầu ở khâu vận chuyển
xúc tác.
Năm 1942 dây chuyền cracking xúc tác lớp sôi FCC đầu tiên đã được đưa
vào hoạt động với công suất 12.000 thùng nguyên liệu/ngày. Loại dây chuyền
này có tên là (Up Flow). Xúc tác được đưa ra từ đỉnh của lò phản ứng và tái sinh.
Năm 1944 dây chuyền mang tên là Down Flow model II. Dây chuyền có thiết

bị phản ứng và thiết bị tái sinh có đường kính lớn hơn trước và quá trình tách
hơi sản phẩm được thực hiện ngay trong thiết bị phản ứng, tái sinh xúc tác ở
dạng tầng sôi và quá trình thổi cũng ngày càng được cải tiến để cho xúc tác
chuyển động từ phía dưới và lấy ra ngoài ở đáy thiết bị và ở đây người ta cũng
cải tiến cả hình dạng của xúc tác.
Năm 1947, hãng UOP đã thiết kế loại FCC trong đó thiết bị phản ứng và
thiết bị tái sinh chồng lên nhau trên cùng một 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 đó là cải tiến của model II và nó được
áp dụng trong công nghiệp vào năm 1952.

10
Page 10


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

III.1.2. 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
gần 40 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.
III.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

11
Page 11

Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

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.
III.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.
III.3.1. Thiết bị phản ứng.
Nguyên liệu mới từ bể chứa nguyên liệu (1) được cho qua thiết bị trao đổi
nhiệt ống chùm (2). 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 (4). Nguyên liệu cracking
được tiếp xúc với xúc tác nóng đã tái sinh ở đáy của ống đứng (5), 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 (6) 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 được
chuyển sang cột phân đoạn (7). Xúc tác đã làm việc được cho qua vùng tách hơi
(còn gọi là bộ phận rửa xúc tác) (8) 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. Áp suất trong thiết bị phản ứng được khống chế bằng bộ phận điều
chỉnh áp suất của cột phân đoạn.

12
Page 12


Đồ án công nghệ

GVHD: TS. Lê Thanh Thanh

III.3.2. Lò tái sinh và khối tận dụng nhiệt của khói lò.
Xúc tác có chứa cốc được chuyển qua van điều khiển (9) và khống chế bởi
độ kiểm tra mức xúc tác ở trong lò phản ứng,sau đó đi vào lò tái sinh (10). 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 (11) 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 (12) để giữ lại các hạt xúc tácvà
khí tách. Sau đó, khí khói được qua buồng lắng (13) để tách tiếp bụi xúc tác, rồi
qua bộ phận tận dụng nhiệt (14), sau đó khí khói được làm sạch bụi xúc tác bằng
lọc điện (15) rồi đi ra ngoài theo ống khói (16).
III.3.3. Bộ phận phân chia sản phẩm.
Hơi sản phẩm 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 (17) rồi vào thiết bị
tách khí (18). Sau khi tách khí, ta nhận được phân đoạn C 1 ,C2. Các sản phẩm này
có thể được dùng làm khí nhiên liệu cho dây chuyền. Phân đoạn C 3 ,C4 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.

13
Page 13