Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

MỤC LỤC

1
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

MỤC LỤC BẢNG

2
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

LỜI CẢM ƠN
Suốt thời gian hoàn thành đồ án này, được sự hướng dẫn của cô PGS. TS. Phạm
Thanh Huyền – Bộ môn Công nghệ hữu cơ hóa dầu, em đã biết cách tìm hiểu và thực
hiện thiết kế cơ bản đối với một dây chuyền sản xuất trong công nghiệp hoá dầu.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến cô.

3
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

MỞ ĐẦU
Hiện nay, dầu mỏ trở thành nguồn năng lượng quan trọng nhất của mọi quốc gia
trên thế giới. Trong khi, trữ lượng dầu mỏ ngày càng ít đi và trở nên khan hiếm thì việc
đưa dầu mỏ qua các quá trình chế biến dầu sẽ nâng cao được hiệu quả sử dụng dầu mỏ,
qua đó tiết kiệm được trữ lượng dầu trên thế giới.
Trong những sản phẩm năng lượng dầu mỏ, trước hết phải kể đến nhiên liệu
xăng, một loại nhiên liệu vô cùng quan trọng trong đời sống. Cùng với sự phát triển
mạnh mẽ của công nghiệp dầu khí, nhu cầu về xăng chất lượng cao, ít gây ô nhiễm
môi trường ngày càng tăng. Do vậy, lượng xăng từ quá trình Reforming xúc tác và
Cracking xúc tác là không đủ, trong khi đó phần C 5 – C6 ngày càng nhiều nhưng trị số
octan lại không đáp ứng được yêu cầu do chúng chứa chủ yếu là cấu tử n – paraffin. Vì
thế, chúng ta cần có dây chuyền công nghệ để chuyển hóa n – paraffin thành các cấu tử
có trị số octan cao. Để đáp ứng nhu cầu này, người ta sử dụng công nghệ Isome hóa.
Ưu điểm chính của công nghệ này là làm biến đổi các cấu tử có trị số octan thấp thành
cấu tử có trị số octan cao, giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng xăng.
Chính vì tầm quan trọng này, trong công nghiệp chế biến dầu, quá trình isome
hóa được rất nhiều hãng nghiên cứu và phát triển như BP, Shell, UOP,…

4
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869

Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

PHẦN 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH ISOME HÓA
1. Sơ lược về quá trình isome hóa
Isome hóa là quá trình biến đổi các hydrocacbon mạch thẳng thành hydrocacbon
mạch nhánh. Ngoài ra, isome hóa còn bao gồm phản ứng biến đổi vị trí nhóm thế trong
vòng benzen.
Mục đích:
- Sản xuất xăng có trị số octan cao.
- Tạo ra các cấu tử có trị số octan cao làm phụ gia cho xăng: MTBE,.....
- Tạo ra các nguyên liệu quý cho tổng hợp hữu cơ hóa dầu: izopentan để
sản xuất cao su izopren, izobutan làm nguyên liệu cho quá trình alkyl
hóa,...
Chính bởi tầm quan trọng này nên trong công nghiệp hóa dầu, quá trình isome
hóa được nhiều hãng nổi tiếng ngiên cứu và phát triển: Shell, BP, UOP,.....

1.1. Nguyên liệu của quá trình isomer hóa
Quá trình isome hóa thường dùng nguyên liệu là phân đoạn C 4 – C6. Đặc
trưng của nguyên liệu sẽ quyết định đến chế độ công nghệ cũng như sản phẩm của quá
trình. Mỗi nguồn nguyên liệu có nguồn gốc khác nhau có thành phần khác nhau, được
quyết định bởi đặc điểm dầu thô của mỗi vùng.

Bảng 1. Thành phần nguyên liệu tiêu biểu [TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu
mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009]

Nguồn nguyên liệu

Kuwait

Xăng cất

Arabia
5

SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

n-pentan

58,4

42,2

59,8

2-metylbutan

41,5

56,2

36,4

xyclopentan

0,1

1,2

3,8

n-hexan

43,2

27,7

37,8

2-metylpentan

22,4

32,5

38,2

3-metylpentan

16,9

12,5

2,2-dimetylbutan

2,0

0,75

2,3-dimetylbutan

4,2

0,75

metylxyclopentan

5,1

17

xyclohexan

4,2

4,5

benzen

2,0

RON C5

74,4

79,2

73

RON C6

55,9

76,4

61,1

3,8

18,8

1,4

Từ bảng số liệu, ta nhận thấy rằng, nguyên liệu luôn có lẫn cả các thành phần cấu
tử izo. Chính vì vậy, nguyên liệu cần qua giai đoạn tiền xử lí trước khi qua thiết bị
isome hóa.
Để hạn chế các phản ứng phụ và sự kìm hãm quá trình, ta nên tiến hành phản ứng
ở mức độ biến đổi vừa phải rồi cho tuần hoàn lại nguyên liệu chưa biến đổi để nâng
cao hiệu suất quá trình.
Ở Việt Nam, nguồn nguyên liệu condensate rất dồi dào. Thành phần cơ bản của
condensate là các hydrocacbon no có phân tử lượng và tỷ trọng lớn hơn butan như
pentane, hexane, heptane... Ngoài ra còn chứa các hydrocacbon mạch vòng, các nhân
thơm, và một số tạp chất khác. Chất lượng của nó phụ thuộc vào mỏ khai thác, công

nghệ và chế độ vận hành của quá trình chế biến khí.

6
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

1.2. Sản phẩm quá trình isome hóa
Đặc trưng sản phẩm của quá trình isome hóa là các hydrocacbon mạch nhánh, là
những cấu tử có trị số octan cao thích hợp cho việc sản xuất xăng chất lượng cao. Sản
phẩm thu được từ quá trình isome hóa có trị số octan có thể đạt tới RON 99.
Quá trình isome hóa còn tạo ra nguồn nguyên liệu quý cho tổng hợp hữu cơ hóa
dầu như: izopentan,izobuten,o-xylen và p-xylen,......

Bảng 2. Thành phần sản phẩm từ các nguyên liệu khác nhau [TS.Lê Văn Hiếu – Công
nghệ chế biến dầu mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009]
Nguyên liệu Lousianna

Arbian

Cấu tử
Nguyên liệu

Sản phẩm

Nguyên liệu

Sản phẩm

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

%V

7
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

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

Trị số octan

98

98.5

Hiêu suất, % V

>99

99

Từ số liệu trong bảng thấy rằng trong quá trình biến đổi isome hoá đi từ nguyên
liệu là n-C5,C6 thì sản phẩm chính thu được là isopentan và 2,2 dimetylbutan. Sản
phẩm thu được từ quá trình isome hoá có chất lượng cao, chính vì ưu điểm này nên có
nhiều hãng tham gia nghiên cứu và thiết kế dây chuyền isome hoá để xử lý phân đoạn
C5, C6 có trị số octan thấp thành phân đoạn cao octan cho xăng, để đáp ứng nhu cầu sử
dụng xăng chất lượng cao như hiện nay.
2. Đặc trưng về nhiệt động
Bảng 3. Nhiệt tạo thành của một số cấu tử [TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu
mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2001]
Cấu tử

∆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
8

SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ
2,3-dimetylbutan

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền
- 2,53

Do đó, các phản ứng isome hoá là tỏa nhiệt nên về mặt nhiệt động học phản ứng
sẽ không thuận lợi khi tăng nhiệt độ. Mặt khác, phản ứng isome hoá n-parafin là phản
ứng thuận nghịch và không có sự tăng thể tích, vì thế cân bằng của phản ứng chỉ phụ

thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ thấp sẽ tạo điều kiện thuận lợi tạo thành isome và cho
phép nhận được hỗn hợp ở điều kiện cân bằng và có trị số octan cao. Mặt khác, từ
quan điểm động học ,nhiệt độ cao hơn cải thiện được hoạt tính xúc tác. Trong các quá
trình công nghiệp người ta cố gắng tiến hành ở điều kiện nhiệt độ hài hoà nhất giữa
hoạt tính xúc tác và cân bằng nhiệt động hoặc độ chọn lọc tối ưu.

Hình 1. Đồ thị sau cho thấy sự phụ thuộc giữa nồng độ cân bằng vào nhiệt độ của
phản ứng isome hoá n-pentan và n-hexan được xây dựng từ tính toán thực nghiệm [1]
Từ đồ thị cho thấy khi tăng nhiệt độ nồng độ các isome đều giảm còn nồng các nparafin lại tăng, khi đó nó làm giảm hiệu xuất của quá trình isome hoá. Dựa vào đồ thị
thấy rằng nếu nhiệt độ to < 200 oC sẽ thiết lập được một hỗn hợp cân bằng có trị số
octan cao.
Khi isome hóa còn xảy ra các phản ứng phụ như phản ứng cracking, phản ứng
phân bố lại và phản ứng tạo nhựa tạo cốc gây mất hoạt tính xúc tác.
2C5H12
C4H10 + C6H14
9
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

C6H14
C2 + C4
Để giảm tốc độ phản ứng phụ và duy trì hoạt tính xúc tác, người ta thực hiện
phản ứng ở áp suất 2 – 4 Mpa và liên tục tuần hoàn H2.
 Vai trò của hydrogen trong quá trình isome hóa :
− Thứ nhất, H2 tham gia trực tiếp vào phản ứng hydro hóa để tạo sản phẩm
chính iso – paraffin, đồng thời làm no hóa các hợp chất tiền tạo cốc giúp hạn

chế sự tạo cốc. Như vậy, sẽ hạn chế được sự giảm hoạt tính xúc tác.
− Thứ hai, phản ứng cracking sẽ bị hạn chế với sự có mặt của H 2. Do đó hạn
chế sự tạo thành hợp chất tiền tạo cốc như các olefin nhẹ.
− Ngoài ra, H2 còn có tác dụng đuổi nước và các hợp chất chứa S.
Như vậy sự có mặt của H2 là rất cần thiết. Trong quá trình isomer hóa ta thường
thực hiện với áp suất H2 cao để tăng độ chuyển hóa.
3. Cơ chế phản ứng isome hóa
Cơ chế của phản ứng isome hóa là phản ứng phân bố lại nội phân tử thông qua
các hợp chất trung gian là cacbocation. Sự hình thành cacbocation tuân theo 2 cơ chế:
3.1. Đối với xúc tác axit mạnh [TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu mỏ –
NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009]
Đây là cơ chế phản ứng đơn chức axit.
-

Sự tạo thành của cacbocation diễn ra nhờ việc tách một hydrua từ parafin:
CH3 CH2 CH2 CH2 CH3

-

CH3 CH2 CH2 CH

CH3 + H

Sự phân bố lại của cacbocation bậc 2 thành cacbocation bậc 3 bền hơn:
H3 C

CH2

CH2

+

CH CH3

H3 C

CH2

C

+

CH3

CH3

10
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ
-

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Cuối cùng là sự tạo thành isoparafin nhờ phản ứng chuyển vị hydrua:
H3 C

CH2

+

CH2 CH3 +

CH2

H3 C CH2 C CH3
CH3

H3 C

CH2

CH CH3

+

+

H3 C CH2 CH2 CH CH3

CH3

3.2. Đối với xúc tác Zeolit có tính axit yếu hơn [Robert A. Meyer – Handbook of
Petroleum Refining Processes, second Edition, USA 1996]
Phản ứng diễn ra theo cơ chế kim loại/ lưỡng chức. Trong giai đoạn đầu, olefin
được tạo thành từ phản ứng dehydro hóa các parafin trên platin. Sau đó, cacbocation
được tạo thành bởi sự proton hóa của các olefin trên các tâm axit theo sơ đồ sau:
-

Tạo olefin:
H3 C

-

CH2 CH3

2+

H3 C

CH2

CH2

CH

CH2

+

H2

Tạo cacbocation:
H3 C

-

CH2 CH2

Pt

CH2

CH2

CH

CH2

+

+

H

-

H3 C

A

CH2

CH2

+

-

CH3 +

CH

A

Phân bố lại cacbocation bậc 2 thành bậc 3:
H3 C

CH2

CH2

+

CH

CH3

H3 C

CH2 C

+

CH3

CH3

-

Tạo iso – olefin:
H3 C

CH2

CH

CH3

+

-

A

H3 C

CH3

CH2

C

CH2 +

+

H

-

A

CH3

11
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ
-

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Tạo sản phẩm isoparafin:
H3 C

CH2

C

CH2 +

H2

Pt

2+

H3 C

CH3

CH2

CH

CH3

CH3

12
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Trên các chất xúc tác loại này, cơ chế phản ứng cũng liên quan đến sự khuếch tán
giữa các tâm kim loại và tâm axit cho nên các tâm này cần phải đủ gần với các tâm
khác. Chính vì thế, việc điều chế xúc tác có ảnh hưởng rất quan trọng.
4. Xúc tác isome hóa
4.1. Xúc tác pha lỏng
Đầu tiên, tất cả các quá trình isome hóa đều sử dụng xúc tác axit Lewis, điển
hình là AlCl3 khan được hoạt hóa bằng HCl. Sau đó, người ta thay thế bằng các xúc tác
khác như AlBr3, AlCl3+SbCl3 và các loại axit sunfonic hay axit clohydric. Ưu điểm
loại xúc tác này là hoạt tính cao. Tuy nhiên chúng lại có nhược điểm là mau mất hoạt
tính, độ chọn lọc thấp, dễ bị phân hủy tạo hợp chất gây ăn mòn thiết bị. Chính những

hạn chế đó nên hiện nay hệ xúc tác này ít được sử dụng.
4.2. Xúc tác axit rắn
Qua nhiều nghiên cứu cải tiến, người ta dần thay thế xúc tác lỏng bằng xúc tác
axit rắn gồm hỗn hợp các oxit kim loại.
Bảng 4. Một số hệ xúc tác axit rắn [PGS.TS. Đinh Thị Ngọ – Nguyễn Khánh Diệu
Hồng – Hóa học dầu mỏ và khí – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2010]
Hệ xúc tác

Sự biến đổi

BeO,Al2O3-V2O5

Xyclohexen thành metylxyclopenten

Cr2O3

Hexadien-1,5 thành hexadien-2,4

ThO2

Isome hóa olefin

Al2O3-Mo2O3

n-pentan thành izopentan

MoS3

n-parafin thành izoparafin
xyclohexan thành metyl xyclopentan

13

SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Xúc tác axit rắn có ưu điểm là giá thành hợp lý, dễ sản xuất nhưng có nhược
điểm là độ chuyển hóa không cao, nhanh mất hoạt tính do sự tạo cốc trên bề mặt xúc
tác. Do đó, xúc tác axit rắn dần nhường chỗ cho các thế hệ xúc tác mới có nhiều ưu
điểm hơn, đó là xúc tác lưỡng chức gồm chức kim loại và chức axit.
4.3. Xúc tác lưỡng chức
Xúc tác lưỡng chức là loại xúc tác được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Hệ xúc tác
bao gồm thành phần chính là kim loại quý mang trên chất mang, ví dụ như:
Pt/Al2O3(Cl-), Pt/Al2O3-SiO2, kim loại/Zeolit,....
4.3.1. Chức kim loại
Chức kim loại thúc đẩy phản ứng dehydro và hydro hóa.
Thành phần của chức kim loại chủ yếu là kim loại hoặc hỗn hợp kim loại quý họ
Pt. Ngoài ra còn có các kim loại thay thế với giá thành rẻ hơn như : Fe, Mn , Ir, Cu,
Ni,.....
Ngoài ra, người ta còn sử dụng thêm chất phụ trợ kim loại để tăng hoạt tính xúc
tác, tăng độ chọn lọc sản phẩm cũng như tăng độ phân tán kim loại lên bề mặt chất
mang như một số nguyên tố Re, Sn, Cr, Ni,....
4.3.2. Chất mang axit
Yêu cầu chức năng:
-

Diện tích bề mặt riêng lớn để phân tán tốt kim loại.

-

Có tính axit đủ mạnh để thúc đẩy quá trình hình thành ion cacboni.
Một số chất mang được sử dụng phổ biến như: γ-Al 2O3, ZSM-5,ZSM-11, Zeolit,

…….
Để tăng hoạt tính axit của chất mang cần bổ sung clo sau mỗi chu kì làm việc của
xúc tác.
Ưu điểm của xúc tác lưỡng chức là có độ chọn lọc cao, nhưng hoạt tính thấp hơn
xúc tác lỏng. Vì vậy, ta phải tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao hơn. Mà về mặt nhiệt
động, tiến hành ở nhiệt độ cao không thuận lợi cho phản ứng isome hóa. Do đó, ta phải
14
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

tuần hoàn nguyên liệu để nâng cao hiệu suất quá trình.

4.4. Nguyên nhân gây mất hoạt tính xúc tác
4.4.1. Ảnh hưởng của các hợp chất chứa S
Các hợp chất chứa S gây ngộ độc tâm kim loại qua phản ứng sunfit hóa:
M+ H2S
MS +H2
Hợp chất chứa S còn tạo ra một số anhydrit có thể phản ứng với Al 2O3 tạo ra
Al2(SO4)3 gây khó khăn cho quá trình tái sinh xúc tác.
Hàm lượng S cho phép trong nguyên liệu là ≤ 2 ppm.

4.4.2. Ảnh hưởng của các hợp chất chứa N
Các hợp chất chứa N thường mang tính bazơ nên sẽ làm ngộ độc tâm axit.
Hàm lượng N cho phép là 0,5 ppm.
4.4.3. Ảnh hưởng của nước
Nước làm pha loãng tâm axit, làm giảm độ axit của xúc tác. Đồng thời, nước gây
ăn mòn thiết bị. Do đó, nguyên liệu cần được làm khô trước khi vào thiết bị isome hóa.
4.4.4. Ảnh hưởng của sự thiêu kết, sự tạo cốc
Khi nhiệt độ phản ứng cao, sẽ dẫn đến sự thiêu kết gây mất hoạt tính xúc tác.
Trong quá trình phản ứng, có xảy ra các phản ứng phụ như phản ứng ngưng tụ,
đóng vòng tạo cốc làm che phủ bề mặt tâm hoạt tính dẫn đến giảm hoạt tính xúc tác.
Chính vì thế nên ta cần tái sinh xúc tác liên tục đồng thời bổ sung clo để tăng độ
axit của xúc tác và bổ sung dòng khí H2 để hạn chế sự tạo cốc.
Để bảo vệ xúc tác ta còn phải tiền xử lí nguyên liệu để loại bỏ các hợp chất chứa
S, N bằng quá trình HDS, HDN.
4.5. Yêu cầu về xúc tác trong công nghiệp
Chất xúc tác chỉ thực sự có tính khả thi khi chúng thoả mãn phần lớn các yêu cầu
công nghệ đặt ra:
- Có hoạt tính và độ chọn lọc cao để đảm bảo hiệu suất của thiết bị.
- Dễ sản xuất, rẻ tiền, có tính tái sinh và bền với những tác nhân gây ngộ độc
15
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

xúc tác. Đảm bảo được sản lượng lớn trong quy mô công nghiệp, phù hợp với thực tế
là lượng tạp chất rất nhiều.
- Độ ổn định bền cơ, bền nhiệt, bền hoá học và độ thuần khiết về thành phần

hoá học cao. Mặt khác, nó còn có khả năng dẫn nhiệt tốt có khả năng tạo kích thước và
hình dạng phù hợp, đồng đều.
Tuy nhiên, trong thực tế không có loại xúc tác nào đáp ứng được các yêu cầu
trên. Vì thế trong từng trường hợp cụ thể mà ta xét xem yêu cầu nào là quan trọng nhất
để chọn xúc tác cho phù hợp.
5. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình isome hóa
Xúc tác trong công nghiệp có tác dụng thiết thực khi mà nó đi cùng với một
khoảng nhất định nào đó của các yếu tố công nghệ. Các yếu tố công nghệ liên quan
mật thiết tới nhau do đó việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của từng yếu tố công nghệ là
một thiết yếu. Các yếu tố công nghệ ấy là: thành phần nguyên liệu, áp suất, nhiệt độ,
bội số tuần hoàn khí hydro, vận tốc thể tích nạp liệu.
5.1. Nguyên liệu
Trong công nghiệp thì người ta thường dùng nguyên liệu cho quá trình isome
hóa là: C4, C5, C6 hay hỗn hợp của chúng cụ thể là naphta nhẹ. Đặc trưng của nguyên
liệu sẽ quyết định chế độ công nghệ và chất lượng sản phẩm. Thông thường hàm
lượng n-parafin chỉ chiếm khoảng nhỏ hơn 60%. Để đạt được hiệu suất cao thì cần
phải tách phần iso-parafin ra khỏi nguyên liệu.
Nguyên liệu từ các nguồn khác nhau do đó thành phần hóa học và sự phân bố
hàm lượng hydrocacbon có phân từ lượng lớn hay nhỏ cũng sẽ khác nhau. Ví dụ như
nguyên liệu có hàm lượng chất độc lớn hơn quy định thì phải xử lý làm sạch trước khi
đưa vào phản ứng. Như vậy nguyên liệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc chế
tạo xúc tác cũng như xác định tới các yếu tố công nghệ khác.
Hàm lượng cho phép của các chất độc trong công nghiệp:

16
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

5.2. Áp suất H2
Quá trình isome hóa trong công nghiệp thường được thực hiện với áp suất cao
của H2. Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng thì sự có mặt của H 2 sẽ cản trở quá trình
tạo cốc trên tâm kim loại và phản ứng cracking. Do đó các hydrocacbon nhẹ sẽ ít được
tạo ra hơn, hàm lượng cốc giảm đi và hoạt tính của xúc tác cũng ít bị thay đổi. Mặt
khác H2 còn đuổi nước và hợp chất chứa lưu huỳnh, do vậy quá trình isome hóa thực
hiện ở áp suất H2 cao là cần thiết, giá trị của áp suất H 2 phụ thuộc vào hoạt tính, độ
chọn lọc của xúc tác và bản chất của nguyên liệu.
Ngày nay xúc tác cho quá trình ngày càng hoàn thiện hơn, do vậy áp suất của
H2 càng giảm dần, giá trị từ 21 – 70 atm.
5.3. Nhiệt độ của phản ứng
Nhiệt độ của quá trình phản ứng ảnh hưởng trực tiếp tới thành phần sản phẩm
thông qua hiệu ứng nhiệt các phản ứng và ảnh hưởng tới vận tốc phản ứng.
Về nhiệt động thì nhiệt độ cao không có lợi cho phản ứng isome hóa nhưng về
động học thì rất tốt. Khi tăng nhiệt độ thì các phản ứng cracking và dehydro hóa được
tăng lên.
Nhiệt độ thấp có lợi cho phản ứng isome hóa nhưng hiệu suất lại thấp. Chúng ta
sẽ khác phục nhược điểm này bằng cách cải thiện xúc tác tăng tính axit cho nó. Ngày
nay đối với quá trình dùng xúc tác thì nhiệt độ của quá trình đã được giảm xuống còn
90 – 1250C.

5.4. Tốc độ thể tích
Tốc độ thể tích là nghịch đảo giữa thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và các
sản phẩm trung gian với xúc tác trong phản ứng. Ta có thể điểu chỉnh giá trị này bằng
cách thay đổi lưu lượng của nguyên liệu hoặc lượng xúc tác.
17
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869

Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Năng suất của quá trình cao khi khắc phục được giai đoạn chậm, do đó người ta
cố gắng đưa vận tốc khuếch tán xấp xỉ với vận tốc động học.
Khi nhiệt độ của phản ứng tăng lên 10 0C thì vận tốc động học tăng lên 2-3 lần,
còn vận tốc khuếch tán tăng từ 1-1,5 lần.
Với quá trình isome hóa thì khi tăng tốc độ thể tích thì phản ứng isome hóa
chiếm ưu thế. Còn các phản ứng đòi hỏi thời gian lớn như phản ứng khử H 2 xảy ra yếu
hơn cho nên khi tăng tốc độ thể tích sẽ khống chế được các phản ứng đó. Khi tốc độ
phản ứng nhỏ thì ngoài lượng cốc tạo ra lớn thì năng suất của quá trình cũng giảm.
Do đó cần phải chọn tốc độ thể tích phù hợp để đảm bảo năng suất là yêu cầu
thiết yếu của quá trình.
6. Công nghệ Isome hóa
Trong công nghiệp có rất nhiều công nghệ isome hóa của nhiều hãng khác
nhau, nhưng nhìn chung dựa vào xúc tác có thể phân ra làm hai nhóm: Công nghệ sử
dụng xúc tác trong pha lỏng và công nghệ sử dụng xúc tác pha hơi.
6.1. Công nghệ isome hóa trong pha lỏng
6.1.1. Công nghệ Izomate

Hình 2. Sơ đồ Isome hóa pha lỏng [TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu
mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009]
1.Reactor
2.Tháp tách xúc tác và khí
Thông số công nghệ:

3,4.Tháp phân đoạn

18
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ
-

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

T
= 1200C
P
= 50 – 60 at
H2/RH = 10 -18 m3/m3 nguyên liệu
Nguyên lý hoạt động: Nguyên liệu được bão hòa bằng HCl và khí H 2 trong thiết

bị hấp thụ, sau đó được đưa trực tiếp vào thiết bị phản ứng Reactor (1). Đồng thời xúc
tác cũng được bơm vào Reactor. Tại đây phản ứng isome hóa xảy ra, sau phản ứng
toàn bộ được đưa sang thiết bị tách xúc tác và khí, còn cặn nhựa xúc tác (2) được tháo
ra từ phía dưới Reactor. Sau khi xúc tác được tách cho tuần hoàn lại. Sản phẩm và
nguyên liệu chưa phản ứng được đưa sang thiết bị phân đoạn (3,4), sau khi phân đoạn
ta thu được sản phẩm và phần nguyên liệu chưa phản ứng được tuần hoàn lại để tiếp
tục phản ứng. Quá trình này được thực hiện có thể không cần tuần hoàn n-parafin.
Chúng chỉ khác nhau ở cột tách (4). Quá trình hoạt động liên tục và không cần tái sinh
xúc tác. Xúc tác được dùng là hỗn hợp AlCl 3 và HCl khan. Vùng phản ứng được duy
trì ở áp suất H2 để ngăn chặn các phản ứng phụ như phản ứng Craking và đa tụ.
6.1.2. Công nghệ Isome hóa của Kolleg & Root
Công nghệ này dùng để nâng cao trị số octan của parafin n – C 5, C6 . Nguồn
nguyên liệu lấy từ Naphta nhẹ mạch thẳng, phần Rafinat khi đã tách aromat và
codensat khí thiên nhiên.

Xúc tác cho phép làm việc với nguyên liệu lẫn tạp chất S, H 2O nên không cần
xử lí nguyên liệu trước. Quá trình có thể tái sinh xúc tác.

19
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Hình 3. Sơ đồ công nghệ Kolleg & Root [ TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu
mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009.]
1.Reactor
4.Tháp tách butan
2.Thiết bị gia nhiệt
5.Thiết bị nén khí tuần hoàn
3.Tháp ổn định tách hydro
Nguyên lý làm việc: Nguyên liệu và hydro được gia nhiệt đến nhiệt độ cần thiết
sau đó dẫn vào thiết bị phản ứng (1). Sản phẩm của quá trình thu được đưa qua tháp ổn
định (3), ở đó phần phía trên đỉnh tháp là khí hydro mang qua máy nén khí tuần hoàn
(5) rồi đưa hồi lưu trở lại thiết bị phản ứng. Còn phần nặng được đưa qua tháp tách
butan (4) (các cấu tử C4-) để đưa đi làm khí nhiên liệu. Phần nặng còn lại là sản phẩm
của quá trình. Tuỳ thuộc vào yêu cầu mà ta có thể mang đi pha trộn xăng ngay hay là
tách lấy các cấu tử chưa chuyển hoá cho tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng.
6.2. Công nghệ Isome hóa pha hơi
Đối với quá trình isome hóa pha hơi, xúc tác sử dụng là xúc tác rắn, lưỡng chức
kim loại quý trên chất mang oxit (như A12O3, đất sét hay zeolit). Quá trình này đựơc
thực hiện ở nhiệt độ cao hơn so với quá trình isome hóa trong pha lỏng nhưng bù lại
quá trình này không tạo ra môi trường ăn mòn, độ chọn lọc rất cao và xúc tác có thể tái

sinh được. Vì vậy mà tính kinh tế của quá trình sẽ cao hơn. Dưới đây là nguyên lý
20
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

chung của quá trình này:

Hình 4. Sơ đồ nguyên lý làm việc của quá trình isome hóa pha hơi. [TS.Lê Văn Hiếu –
Công nghệ chế biến dầu mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009]
6.2.1. Công nghệ Isome hóa của BP
Nguyên liệu là C5- C6 hay hỗn hợp của chúng được hydro hóa làm sạch các tạp
chất lưu huỳnh và sấy khô trước khi đưa vào thiết bị phản ứng. Tại đây, phản ứng
isome hóa xảy ra. Sau phản ứng, toàn bộ được đưa sang bộ phận tách xúc tác và khí,
còn cặn nhựa xúc tác được tháo phía dưới Reactor. Xúc tác được tuần hoàn trở lại sau
khi tách sản phẩm và nguyên liệu chưa chuyển hóa đưa sang tháp phân đoạn. Sau khi
thu sản phẩm, ta tuần hoàn nguyên liệu lại Reactor đồng thời bổ sung nguyên liệu mới.
Xúc tác dùng cho quá trình là alumoplatin được hoạt hoá bằng clo hữu cơ nên
có độ hoạt tính và độ chọn lọc cao, thời gian làm việc kéo dài. Để duy trì độ hoạt tính
và độ chọn lọc ta bổ sung một lượng nhỏ halogen hữu cơ vào nguyên liệu, chính vì thế
mà làm tăng khả năng ăn mòn kim loại, nên ta cần chú ý tới vấn đề ăn mòn thiết bị.
Sản phẩm của quá trình có trị số octan khá cao (trên 80). Ngoài ra còn thu được
một lượng lớn khí C1, C2, C3 đưa đi làm khí nhiên liệu.

21
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869

Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

.

Hình 5. Sơ đồ công nghệ Isome của BP [TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu
mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009.]
1.Lò gia nhiệt nguyên liệu
3.Tháp tách khí - lỏng
5.Máy nén khí

2. Lò phản ứng
4. Cột ổn đinh
6.Thiết bị ngưng tụ

6.2.2. Công nghệ Hysomer (Shell)
Quá trình được dùng để isome hóa phân đoạn C5 – C6 của xăng cất trực tiếp nhằm
mục đích nhận các hợp phần có trị số octan cao trong khi trị số octan của nguyên liệu
nhỏ hơn 73 mà cho phép pha trộn tạo sản phẩm có trị số octan cao hơn RON 83. Xúc
tác cho quá trình thuộc loại xúc tác đa chức năng với kim loại quý trên chất mang
zeolit với hàm lượng natri nhỏ nhất.
Nguyên liệu sau khi được cho qua quá trình hydro hóa làm sạch khỏi các tạp chất
của lưu huỳnh và được sấy khô để loại hơi nước nhằm hạn chế khả năng ăn mòn thiết
bị của các hợp chất này mới cho vào isome hóa. Xúc tác của quá trình này không nhạy
với các loại hợp chất của lưu huỳnh và nước. Do vậy mà hàm lượng lưu huỳnh cho
phép trong nguyên liệu là 35ppm về khối lượng, và hàm lượng nước cho phép là 1022
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869

Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

20ppm.

Hình 6. Sơ đồ công nghệ của Hysomer [TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu mỏ
– NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009]
1. Thiết bị phản ứng 2. Tháp tách 3. Máy nén

4. Tháp ổn định.

23
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Ưu điểm:
- Nhiệt độ và áp suất không quá cao nên thuận lợi về mặt nhiệt động, thuận
lợi cho việc gia công thiết bị, không sử dụng nhiều các máy nén đắt tiền.
- Dây chuyền hoạt động liên tục nên có khả năng tự động hóa, giảm được
số nhân công sử dụng trong phân xưởng.
- Xúc tác có thời gian làm việc khá lâu, hoạt tính cao.
Nhược điểm:
- Xúc tác có hoạt tính cao, thời gian làm việc lâu nhưng khả năng tái sinh
rất kém.

- Quá trình làm việc trong môi trường axit nên khả năng ăn mòn thiết bị
cao.
6.2.3. Công nghệ Penex của UOP
Quá trình này nhằm thu sản phẩm có trị số octan cao từ nguyên liệu là phân đoạn
naphta nhẹ có trị số octan thấp.
Xúc tác của quá trình thường nhạy với các tạp chất độc nên nguyên liệu trước khi
đưa vào thiết bị chính phải được loại các chất độc như các hợp chất chứa lưu huỳnh,
chứa oxy, chứa halogen, nước. Người ta xử lý bằng cách sử dụng khí H 2 và kết hợp với
phương pháp sấy khô.

24
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869


Thiết kế phân xưởng đồng phân naphtha nhẹ

GVHD: PGS.TS Phạm Thanh Huyền

Hình 7. Sơ đồ công nghệ Penex của UOP [TS.Lê Văn Hiếu – Công nghệ chế biến dầu
mỏ – NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội 2009]
1. Thiết bị sấy
2. Máy nén
3. Thiết bị phản ứng

4. Tháp tách
5. Tháp ổn định
6. Thiết bị lọc khí

Nguyên liệu từ bể chứa đưa qua thiết bị trao đổi nhiệt cùng với khí H 2 từ trên
xuống để đạt nhiệt độ thích hợp, sau đó được đưa vào thiết bị phản ứng. Sau khi phản

ứng xảy ra hỗn hợp được đưa sang các tháp tách để loại các tạp chất và nguyên liệu
chưa phản ứng để thu sản phẩm isome hóa tinh khiết và đưa vào bể chứa sản phẩm.
Ưu điểm:
- Xúc tác có hoạt tính và độ chọn lọc cao, bền cơ nhiệt, làm việc trong một
thời gian dài.
- Môi trường làm việc của quá trình là môi trường hơi nên hạn chế được
khả năng ăn mòn thiết bị.
- Quá trình thực hiện liên tục nên có khả năng tự động hóa cao.
- Có thể dễ dàng kết hợp với các quá trình khác như Molex, alkyl hóa.
6.2.4. Công nghệ butamer của UOP
Mục đích của quá trình này là sản xuất isobutan từ n-butan để cung cấp nguyên
liệu cho công nghệ alkyl hoá và sản xuất MTBE. Nguyên liệu của quá trình chính là nbutan.
Quá trình này sử dụng xúc tác là aluminoplatin hoạt hoá bằng Clo. Quá trình
isome hoá được tiến hành trong pha hơi, với sự có mặt của hydro với lớp xúc tác cố
định ở nhiệt độ từ 120-240oC. Sau một chu trình sẽ nhận được hiệu suất isobutan lớn
hơn 50%. Do xúc tác có độ chọn lọc cao nên đã hạn chế được các sản phẩm phụ. Hiệu
suất sản phẩm đạt được trên 90% và tiêu hao H 2 tương đối thấp, hơn nữa do ít xảy ra
các phản ứng phụ nên không cần tỷ lệ H 2/RH cao mà vẫn không ảnh hưởng đến thời
gian làm việc của xúc tác.

25
SVTH: Đặng Phương Anh – SHSV: 20115869