Đồ án Thiết kế phân xưởng sản xuất alkyl hoá với năng suất 100.000 tấn/năm

– CH2 – CH2 – CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3- C- CH2- C+H- CH2- CH3 CH3 – C - CH2 – CH2 – C+H – CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3– C - CH – C+H – CH3 CH3– C - C+ – CH2 – CH3 CH3 CH3 Sự dịch chuyển nguyên tử hydro xảy ra dễ dàng nhất tại nhóm (- CH2 -) sau đó đến nhóm (= CH -) và không xảy ra đối với nhóm (- CH3 ) Thứ hai là quá trình đồng phân phân hoá với sự dịch chuyển nhóm metyl (- CH3 ) tới nguyên tử cac bon mang điện tích, quá trình này diễn ra với tốc độ lớn: -CH3 CH3 CH3 CH3 CH3- C- C+H- CH2- CH2- CH3 CH3 – C+ - CH – CH2 – CH2 – CH3 CH3 -CH3 CH3 CH3- C- CH2- CH2- C+H- CH3 CH3 – C+ - CH2 – CH2 – CH – CH3 CH3 CH3 CH3 -CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 – C+ - CH- CH- CH3 -CH3 CH3 CH3 – C+ - CH2- C+- CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 – C - CH- C+H- CH3 đ CH3 -CH3 CH3 CH3 CH3- C - C+ - CH2 - CH3 CH3 – C+ - C – CH2– CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 Sự dịch chuyển nhóm metyl của nguyên tử cacbon bậc 4 có xác suất lớn nhất. Sau đó cacbocation izo octyl được tạo ra sẽ tác dụng với izobutan tạo thành các alkylate và cacbocation mới. Từ cơ sở của quá trình alkyl hoá izobutan bằng buten ta thấy rõ thực chất của quá trình là phải tạo ra ion caboni C4+H9, mà phản ứng chính là sự chuyển ion hyđrit ở izo C4H10. Chỉ có các acid mạnh mới có hoạt tính xúc tác thúc đẩy tốc độ vận chuyển ion hyđrit. Do vậy, xúc tác alkyl hoá trong công nghiệp thường là H2SO4 hay HF. Tốc độ vận chuyển H+ giảm xuống khi nồng độ acid giảm. Trong công nghiệp vẫn tồn tại các quá trình ứng với xúc tác acid trên. [1-189] 4.3. Các phản ứng phụ: Các ion izo octan có khả năng trao đổi ion hydrit với izobutan để tạo thành izo octan sản phẩm . Tất nhiên, riêng đối với buten 1 và 2 trong điều kiện alkyl hoá nó có thể trùng hợp tạo RH nặng làm giảm nồng độ của xúc tác. Ngoài ra có các phản ứng khác: [1-189] Phản ứng polyme hoá 2 C3H6 đ C6H12 Phản ứng chuyển hoá hyđro 2 izo C4H10 + C6H12 đ C8H18 + C6H14 Phản ứng oligome hoá: C8H18 + C4H8 đ C12H26 đC20H42 Phản ứng phân bố lại 2C8H18 đC7H16 + C9H20 Phản ứng cracking C12H26 đC7H14 + C5H12 đizo C4 + C8H18 Các phản ứng phụ này làm xuất hiện các cấu tử khác, là nguyên nhân chính làm cho trị số octan của xăng alkylate không ổn định. *ảnh hưởng của các hướng phản ứng đến trị số octan của alkylate [11-28] Hình 3: Đồ thị miêu tả ảnh hưởng của các hướng phản ứng đến trị số octan của alkylate [11-29] - Hướng 1: những cation RON: 102-103 - Hướng 2: Oligome hoá đ + olefin RON: 88-89 Phần nhẹ và phần nặng cuối được sản xuất bởi hướng phản ứng này. Hướng 3: những cation nặng C12+-C20+ những parafin C12- C20 những parafin C12 – C20 RON: 86-88 II. Chế độ công nghệ của quá trình Chế độ công nghệ ở đây chuyền khác nhau sẽ được điều chỉnh khác nhau. Các thông số công nghệ chính của alkyl hoá izo parafin bằng olefin là: nhiệt độ, nồng độ acid, tỷ lệ izobutan. olefin và thời gian phản ứng. ở mỗi loại dây chuyền sẽ có các thông số thích hợp [1-192] Nhiệt độ phản ứng [1-192] Nhiệt độ là thông số rất quan trọng của quá trình alkyl hoá . Nó ảnh hưởng khá phức tạp đến quá trình này. Nếu nhiệt độ tăng lên thì độ nhớt của các tác nhân (RH và cả acid) giảm xuống, điều đó cho phép tăng cường khuấy trộn cho các tác nhân phản ứng tiếp xúc với nhau tốt hơn, nhờ vậy mà đỡ công khuấy trộn. Song khi tăng nhiệt độ, các phản ứng phụ như polyme hoá, oligome hoá và oxy hoá lại tăng lên và có tốc độ mạnh tương đương với tốc độ phản ứng alkyl hoá. Vì thế mà độ chọn lọc của quá trình lại giảm xuống, giảm nồng độ acid và tăng tiêu hao acid, làm giảm chất lượng alkylate (ON giảm, độ ổn định thấp). Nếu hạ thấp nhiệt độ đến một giới hạn nhất định sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình alkyl hoá: độ chọn lọc tăng, giảm tiêu hao xúc tác và hiệu suất cũng như chất lượng alkylate tăng lên. Yếu tố hạn chế khi giảm nhiệt độ phản ứng là làm tăng độ nhớt của tác nhân và acid, làm tăng tiêu tốn năng lượng khuấy trộn và chất thải nhiệt. Trong trường hợp này, cũng khó tạo thành nhũ tương tốt thích hợp cho phản ứng alkyl hoá. Hình 4. ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng alkylate [1-193] Trong công nghiệp alkyl hoá, nhiệt độ thích hợp đối với các xúc tác như sau: Xúc tác acid H2SO4 : t0 = 4-100C Xúc tác acid HF : t0 = 20 - 350C Giá trị cụ thể của nhiệt độ phản ứng được chọn cần phải tính đến các ảnh hưởng của các thông số khác và các chỉ tiêu kinh tế của quá trình sao cho đảm bảo chỉ tiêu chất lượng và hiệu suất alkylate. Ví dụ theo thời gian phản ứng, nồng độ xúc tác giảm, độ hoạt tính của xúc giảm người ta có thể tăng nhiệt độ lên 2-30C trong khoảng cho phép để bù lại hoạt tính của xúc tác nhằm duy trì hiệu suất không đổi của alkylate. Nồng độ acid Trong quá trình alkyl hoá izobutan bằng các olefin, người ta sử dụng xúc tác H2SO4 hoặc HF với nồng độ từ 87-98%. Nâng cao nồng độ acid trong giới hạn này sẽ tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thiện tính chất của alkylate mà trước hết là tính chống kích nổ của nó Hình 5: Sự phụ thuộc giữa nồng độ acid và chất lượng alkylate. Đường cong phụ thuộc chuyển qua cực đại rất rõ ràng ở nồng độ acid 95-96%. Người ra giải thích điều đó có thể là do nồng độ này sẽ thuận lợi cho quá trình vừa alkyl hoá vừa đoòng phân hoá để cho ra nhiều 2,2,4 trimetylpentan. Nồng độ acid cao tạo điều kiện vận chuyển ion hydro nhưng nếu dùng H2SO4 quá đặc phải chú ý đến tính oxy hoá mạnh của nó. Còn khi nồng độ H2SO4 thấp hơn, quá trình vận chuyển ion hyđrit từ izobutan bị dừng lại và nồng độ olefin tăng lên. Khi đó tăng cường quá trình polyme hoá. Vì thế hệ thống sẽ đạt được khả năng phản ứng cực đại khi nồng độ của olefin hoà tan vào bằng đúng lượng ion cacboni tạo ra và tham gia phản ứng alkyl hoá [4-214] Trong quá trình làm việc, nồng độ acid giảm xuống do hai nguyên nhân chính sau [4-215] Do tích luỹ trong acid các hợp chất cao phân tử (este phức tạp của H2SO4, hydrocacbon cao phân tử) Do pha loãng bởi nước được tạo ra từ các phản ứng phụ hay sẵn có trong nguyên liệu tích luỹ lại. Chẳng hạn một phần của olefin có thể tác dụng với H2SO4 tạo ra nước theo phương trình: CnH2n + H2SO4 = CnH2n + 2H2O + SO2 Ngoài ra cấu trúc của reactor và bộ phận khuấy trộng cũng gây ảnh hưởng đến nồng độ acid vì rằng nếu các bộ phận này không đủ khả năng cho phép nhận nhũ tương tốt sẽ tạo điều kiện tiến hành các phản ứng không mong muốn và như vậy sẽ làm giảm nồng độ acid cũng như hiệu suất và chất lượng của alkylate . Bảng 14: Độ hoà tan của izobutan trong acid. [11-11] Acid Nồng độ acid Độ hoà tan (% khối lượng) H2SO4 99,5% cân bằng 0,1 0,4 HF 99,5% cân bằng 2,4-3,6 > 3,6 Thời gian phản ứng. [1-193] Thời gian phản ứng của quá trình alkyl hoá được xác định bởi 2 yếu tố cơ bản: Tốc độ lấy nhiệt khỏi vùng phản ứng phải đủ để giữ nhiệt độ phản ứng đã chọn. Thời gian đủ dể izobutan hoà tan vào pha acid (tạo nhũ tương tốt): Nhờ vậy mà đảm bảo tiến trình các phản ứng mong muốn và hạn chế phản ứng phụ. Do thiết bị hoạt động theo dòng liên tục, nên thời gian phản ứng được khống chế qua tỷ lệ giữa acid và RH trong thiết bị phản ứng. Tỉ lệ này thường trong khoảng từ 1/1-2/1, tại khoảng này sẽ cho chất lượng alkylate là tốt nhất. Trong thực tế, để đạt hiệu suất cực đại , thời gian tiếp xúc trong reactor với xúc tác H2SO4 là 20-30 phút, còn trên xúc tác HF là 10-20 phút. Nồng độ izobutan. [1-194] Do khả năng hoà tan izobutan trong pha acid rất nhỏ (trong HF là 0,3%, trong H2SO4 là 0,1%). Nên muốn tăng tốc độ phản ứng, nồng độ izobutan cần phải đạt cực đại trong vùng phản ứng. Độ hoà tan cũng còn phụ thuộc vào cường độ khuấy trộn, nên người ta thường thiết kế các bộ phận khuấy trộn đặc biệt trong reactor. Olefin hầu như hoà tan tức thời trong acid nên lượng lefin dưa vào cần phải được khống chế sao cho vừa đủ để hạn chế phản ứng phụ. Điều này được khống chế qua tỷ lệ giữa izobutan /buten. Trong công nghiệp tỷ lệ này thay đổi từ 5/1-15/1 nghĩa là sử dụng một lượng dư rất lớn izobutan . Ngoài ra, khi quan sát mối quan hệ giữa nòng độ izobutan trong dòng chất sản phẩm ra khỏi reactor và chất lượng của alkylate, người ta thấy rằng chất lượng của alkylate mà cụ thể là tính chống kích nổ của sản phẩm tăng lên hầu như tỷ lệ thuận với nồng độ izobutan trong dòng chất ra khỏi reactor. Vì vậy, hàm lượng izobutan khi đó được dùng đẻ đánh giá chất lượng alkylate. Sự phụ thuộc giữa tính chống kích nổ của alkylate vào nồng độ izobutan trong dòng sản phẩm ra khỏi reactor được xác định theo bảng 15, thông qua chỉ số F, trong đó F được tính theo phương trình của Smith và Pinkerton như sau: CIS: % thể tích của izobutan trong sản phẩm alkylate. I/O: tỷ lệ izo C4/olefin trong nguyên liệu nạp vào reactor. (V.O)0: tốc độ nạp nguyên liệu riêng của olefin. Bảng 15: Giá trị RON của alkyl hoá phụ thuộc vào F và nguyên liệu. Tác nhân alkyl hoá F=4 F=10 F=20 F=40 F=200 Propylen Penten Butylen 88 89,6 94,2 88,8 90,7 94,8 89,6 91,6 95,9 90,3 92,5 95,8 92 94,4 97 III. Các công nghệ alkyl hoá izobutan bằng olefin 1.Đặc trưng chung: Công nghệ alkyl hoá izobutan bằng các olefin bắt đầu xuất hiện từ chiến tranh thế giới lần thứ hai nhưng phả đến những năm gần đây mới đạt tới mức độ hoàn thiện. Ban đầu, xúc tác được sử dụng là AlCl3 nhưng hiện nay người ta đã thay thế bằng xúc tác lỏng H2SO4 và HF, thế hệ công nghệ dùng xúc tác AlCl3 hầu như không còn tồn tại. Hình 6: Đồ thị biểu diễn năng suất alkylate ở Mỹ [11-8] 1.1 Công nghệ alkyl hoá izobutan bằng các olefin dùng xúc tác H2SO4 [4-217] Đặc điểm nổi bật của quá trình dùng H2SO4 là tiến hành ở nhiệt độ thấp, do đó dể lấy nhiệt khỏi vùng phản ứng người ta có hai phương pháp chính: Làm lạnh bằng dòng sản phẩm ra khỏi về reactor hay bằng các tác nhân lạnh khác như: NH3, CH3OH Cho bay hơi một phần izobutan bên trong reactor Sản phẩm phản ứng được tách acid bằng cách đơn giản, acid bị tiêu hao được thay thế bằng acid mới. Dùng xúc tác H2SO4 trong quá trình alkyl hoá thì không cần quan tâm đặc biệt đến an toàn và môi trường. 1.2. Công nghệ alkyl hoá izobutan bằng các olefin dùng xúc tác HF [4-217] Đa số các quá trình dùng xúc tác acid HF đều tiến hành ở t0 = 20-450C, nghĩa là ở khoảng nhiệt độ vừa phải. Điều đó cho phép có thể dùng nước để làm nguội reactor. Acid sau khi lắng được đưa chưng cất để tách tái sinh xúc tác. Do vậy mà việc tiêu hao acid nhỏ và không có acid thải ra môi trường. Như vậy việc lựa chọn dây chuyền alkyl hoá dùng xúc tác loại nào thích hợp hơn là tuỳ thuộc vào trình độ lao động, hiệu quả kinh tế và vấn đề môi trường ở mỗi quốc gia. 2.Các quá trình công nghệ alkyl hoá izobutan bằng olefin: Công nghệ alkyl hoá izobutan bằng các olefin nhẹ dùng xúc tác H2SO4: Các dây chuyền công nghệ loại này được nhiều hãng sản xuất nhưng trong khuôn khổ của bài viết này tôi chỉ giới dây chuyền công nghệ của hai hãng nổi tiếng là hãng Stratco.Inc và hãng Kellogg (Exxon Research and Engineering Co). Nhìn chung các dây chuyền công nghệ này khác nhau ở phương thức làm lạnh ở vùng phản ứng. Sơ đồ công nghệ gồm các bộ phận chính: Thiết bị phản ứng. Thiết bị làm lạnh. Bộ phận tách propan. Nguyên liệu olefin trước tiên được trộn lẫn với izobutan và được đưa vào thiết bị phản ứng. Nhiệt phản ứng được lấy ra bằng cách làm lạnh dòng sản phẩm ra hoặc cho bay hơi trực tiếp một phần izobutan. Hỗn hợp phản ứng sau khi sử lý H2SO4 được tách ra ở tháp chưng thành izobutan và alkylate, phần đỉnh quay trở lại phản ứng 2.1.1. Công nghệ alkyl hoá dùng xúc tác H2SO4 của hãng kellog [14-55] Hình 8: Sơ đồ công nghệ alkyl hoá dùng xúc tác H2SO4 của hãng Kellogg Sơ đồ công nghệ gồm các thiết bị chính sau: Thiết bị alkyl hoá thiết bị làm lạnh Tháp khử propan thiết bị phân ly Tháp tách izobutan Tháp tách bu tan Với công nghệ dùng xúc tác H2SO4 của hãng Kellogg, alkyl hoá izobutan được tiến hành với propylen, putylen và pentylen thành xăng mogas có trị số octan cao và áp suất hơi bão hoà thấp. Nguyên lý hoạt động của quá trình Nhiên liệu olefin và izobu tan tuần hoàn đi vào thiết bị phản ứng (1) (gồm 5 thiết bị loại thùng có khuấy nối tiếp nhau và làm lạnh tự động. Hỗn hợp được khuấy trộn kỹ và có sự tiếp xúc với H2SO4 được ho vào tư bên trái của hệ thống và đi qua lần lượt từng thiết bị. Nhiệt của phản ứng được lấy ra bằng cách cho bay hơi một phần hydrocacbon có trong hỗn hợp phản ứng để giữ cho nhiệt độ của phản ứng ở 400F (khoảng 4-50C). Phần hydrocacbon bay hơi được đưa đến thiết bị làm lạnh nén ép (2) và phần ngưng được trở lại thiết bị phản ứng (1). Propan được tách ra ở đỉnh tháp (3), ở đây một phần propan được chuyển hoá để làm nhiên liệu tiếp tục cho nhà máy. Sản phẩm phản ứng được đưa đến thiết bị phân ly (4), ở đó hydrocacbon được tách ra khỏi xúc tác acid H2SO4 và acid được đưa đi tái sinh. Hydrocacbon mới được tách ra được đưa đến tháp tách izobutan (5) cùng với một phần izobutan mới cất được. Phần cất ở đỉnh tháp (5) giàu izobutan được đưa trở lại thiết bị phản ứng (1). Phần đáy được đưa đến thiết bị tách butan (6) để lấy ra phần đáy là sản phẩm alkyl . Phần đỉnh của tháp (6) là sản phẩm butan. Đặc tính chủ yếu của quá trình là: Sử dụng công nghệ tự làm lạnh với hiệu quả cao. Nó cho phép làm lạnh cho nhiệt độ thấp hơn để cho sản phẩm có chất lượng cao hơn nhưng năng suất thấp hơn. Sử dụng hệ thống phản ứng từng bậc với nồng độ izobutan trung bình. Sử dụng vận tốc bề mặt thấp trong phản ứng để thu được sản phẩm chất lượng cao và loại trừ vấn đề ăn mòn trong thiết bị cất phân đoạn và sự hình thành este. Lò phản ứng hoạt động ở áp suất thấp, độ tin cậy của thiết bị cao, nhất là ở những van của thiết bị khuấy trộn. Sử dụng 5 lò phản ứng đơn liên kết với nhau bên trong một thiết bị chính để làm hạ giá thành của dây chuyền công nghệ. Sản lượng thu được của quá trình : Alkylate: 1,78bbl C+5/bbl nhiên liệu butylen Izobutan lỏng: 1,17bbl/bbl butylen nhiên liệu Chất lượng alkylate: RON 96, MON 94 Những tiêu tốn cho một barrel alkylate: - Nước làm lạnh (200F): 1,000 gal 2,1 - Năng lượng điện Kwh 10,5 - Hơi nước ; 60psig, lb 200 - H2SO4: lb 19 - NaOH 0,1 2.1.2. Công nghệ alkyl hoá dùng xúc tác H2SO4 của hãng Stractco.Inc [14-56] Hình 9.1. Sơ đồ công nghệ alkyl hoá izobuan bằng olefin nhẹ dùng xúc tác H2SO4 của hãng Stractco.Inc. Sơ đồ công nghệ gồm các thiết bị chính sau: Thiết bị phản ứng Thiết bị phân ly Tháp tách lỏng khí Tháp tách izobutan Thiết bị nén ép Tháp tách propan Với công nghệ dùng xúc tác H2SO4 của hãng Statco.Inc, alkyl hoá izobutan được tiến hành với propylen, butylen và amylen thành các hydrocacbon mạch nhánh có trị số octan cao mà chủ yếu là izo octan . Quá trình sử dụng phương pháp làm lạnh dòng chảy. Sản phẩm là xăng mogas có trị số octan cao và xăng máy bay. Nguyên lý hoạt động của quá trình: Nhiên liệu olefin, izobutan và xúc tác được trộn lẫn và khuất trộn đều trước khi đến thiết bị phản ứng (1). ở đây chất lỏng được tuần hoàn trở lại với mức độ cao để tăng cường sự tiếp xúc giữa hydrocacbon với xúc tác acid từ thiết bị phân ly (2) đến. Toàn bộ thể tích của dung dịch trong thiết bị phản ứng khoảng 10F. Sản phẩm của dung dịch trong thiết bị phản ứng (1) được duy trì ở nhiệt độ đều nhau. Nhiệt độ bên trong khối phản ứng khoảng 10F. Sản phẩm đi ra khỏi thiết bị phản ứng được đưa qua nồi chưng (3) và tháp tách izobutan (4). Phần bay hơi của nồi chưng (3) được đưa đến thiết bị nén ép (5), ở đây có thiết bị làm lạnh tại chỗ, sau đó đi tiếp qua thiết bị tách propan (6). Phần cất đỉnh tháp từ thiết bị izobutan (4), dòng chất làm lạnh tái sinh (6) và toàn bộ lượng izobutan tái sinh được đưa trở lại thiết bị phản ứng. Hàm lượng izobutan và hầu hết các hydrocacbon khác được duy trì xuyên suốt trong pha lỏng của thiết bị phản ứng, đó là quá trình hoạt hoá cho phản ứng alkyl hoá. công nghệ tái sinh xúc tác tại chỗ cũng được sử dụng . Sản phẩm alkylate thu được của quá trình có RON = 92-96 và MON = 90-94. Nếu nhiên liệu đầu chỉ có izobutan và butylen thì alkylate thu được có RON cao khoảng 98. Những tiêu tốn cho 1 bb alkylate. - Năng lượng điện, Kwh 13,5 - Hơi nước, 150psig, lb 180 - Nước làm lạnh (200F), 103 gal 1,85 - Acid, lb 15 - NaOH, lb 0,1 Trên thế giới, để nâng cao năng suất, trong các nhà máy lớn người ta thường bố trí 4 thiết bị phản ứng nằm ngay trong một dây chuyền trong đó có hai thiết bị phản ứng thứ cấp. Cách bố trí này không những cho năng suất cao mà chất lượng tốt, đồng thời giảm chi phí do tiêu hao xúc tác. Thuyết minh dây chuyền : Hỗn hợp hydrocacbon có chứa olefin được qua thiết bị trao đổi nhiệt với alkylate để hạ nhiệt độ và được chia làm 4 phần bằng nhau đi vào 4 thiết bị phản ứng. Lượng izobutan từ tháp tách izobutan (15) cũng được làm lạnh và cùng với izobutan từ thùng chứa (11) tuần hoàn vào thiết bị phản ứng (1). Xúc tác acid tuần hoàn từ thiết bị lắng tách acid (5) và (6) được đưa sang thiết bị phản ứng (2) cùng với lượng nhiên liệu vào để tiếp tục phản ứng . Sản phẩm của thiết bị phản ứng (2) được đưa sang thiết bị phân ly (5) để tách riêng xúc tác và alkylate, acid có nồng độ thấp (dưới 88%) được thải ra ngoài. Hỗn hợp alkylate từ thiết bị (5) được đưa sang thiết bị phản ứng (3) cùng với lượng acid tuần hoàn từ thiết bị lắng tách (6), acid mới và hydrocacbon nhiên liệu vào tiếp tục phản ứng . Hỗn hợp từ thiết bị phản ứng (3) được đưa toàn bộ qua thiết bị phản ứng (4) cùng với lượng nhiên liệu để tiếp tục phản ứng, ở đây sẽ thu được sản phẩm alkylate có chất lượng cao nhất. Sản phẩm của thiết bị phản ứng (4) được đưa sang thiết bị phân ly (6), tại đây acid sẽ được tách ra và tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng (3) còn lượng alkylate tách ra từ thiết bị (6) được sử dụng để làm lạnh cho các thiết bị phản ứng rồi được đưa vào thiết bị tách lỏng – hơi (10). Tại thiết bị (1)), phần hơibay lên qua máy nén (8), qua trao đổi nhiệt (9) được ngưng tụ rồi vào thiết bị chứa sản phẩm ngưng (7), lượng hơi còn sót trong thiết bị (7) bay hơi lên và quay trở lại qua máy nén (7), lượng hơi còn sót trong thiết bị (7) bay hơi lên và quay trở lại qua máy nén (8), qua trao đổi nhiệt (9) rồi vào (7). ở đáy thiết bị (7), sản phẩm lỏng sẽ chia làm 2 phần: một phần được bơm đưa vào tháp tách propan (12) để tách propan, một phần được đưa vào thùng chứa (11) cùng với lượng sản phẩm đáy của tháp tách propan (12). Tại thùng chứa (11) phần hơi lên qua máy nén (8), thiết bị trao đổi nhiệt (9) vào (7) rồi tiếp tục như trên. Sản phẩm lỏng của thùng chứa (11) được cho vào thiết bị phản ứng (1) để làm tác nhân lạnh cho phản ứng . Phần lỏng ở thiết bị (10) qua trao đổi nhiệt để làm lạnh cho nhiên liệu vào thiết bị phản ứng, cho xút vào để trung hoà acid có trong hỗn hợp. Sản phẩm từ thiết bị lắng tách (13) được rửa bằng nước rồi được bơm đưa vào thiết bị lắng tách (14). ở đây nước được thải ra ngoài còn sản phẩm được đun nóng và đưa vào tháp tách izobutan (15), từ đây izobutan được tách ra ở đỉnh tháp và tuần hoàn trở lại thiết bị phản ứng (1). ở tháp (15) ngoài hỗn hợp alkylate được đưa từ hệ thống thiết bị phản ứng, người ra còn đưa thêm vào phân đoạn izobutan (có lẫn n butan). Sản phẩm đáy tháp (15) được đưa sang tháp (16) để tách n butan, sau đó sản phẩm đáy tháp (16) được đưa qua tháp chưng cất lại (17) để tách alkylate nhẹ. Công nghệ alkyl hoá izobutan bằng các olefin nhẹ dùng xúc tác HF. Các quá trình công nghệ này được sản xuất chủ yếu bởi hai hãng Philíps Petroleum Co và UOP. Sơ đồ công nghệ gồm các thiết bị chính sau: Thiết bị phản ứng Thiết bị tái sinh xúc tác HF Thiết bị tách Bộ phận trung hoà Hình 1.1. Sơ đồ của công nghệ alkyl hoá izobutan bằng olefin dùng xúc tác HF như sau: Khi hoạt động, nhiên liệu olefin cùng với izobutan được trộn với dung dịch xúc tác HF trong thiết bị phản ứng. Hỗn hợp phản ứng đi vào thiết bị tách propan và izobutan , n butan và sản phẩm alkyl hoá. Izobutan tách ra được đưa trở lại phản ứng. Propan, n butan và sản phẩm alkyl hoá được trung hoà bằng KOH để khử hết HF trước khi đi vào bồn chứa. Công nghệ alkyl hoá izobutan bằng olefin nhẹ dùng xúc tác HF của hãng UOP [14-56] Hình 12. Sơ đồ công nghệ alkyl hoá dùng xúc tác HF hãng UOP Sơ đồ công nghệ gồm các thiết bị chính sau: Thiết bị phản ứng Thiết bị phân ly Tháp tách lỏng khí Tháp tách propan Tháp tách HF Với công nghệ dùng xúc tác HF của hãng UOP, alkyl hoá izobutan với các olefin nhẹ (propylen, butylen, amylen) tạo thành các parafin mạch nhánh để sản xuất xăng mogas có trị số octan cao. Phản ứng alkyl hoá thực hiện ở nhiệt độ thấp với sự có mặt izobutan dư. Khi hoạt động , nhiên liệu izobutan và olefin được trộn kỹ với nhau cho tiếp xúc vưói xúc tác acid HF trong thiết bị phản ứng (1). Hỗn hợp alkylate – acid tạo thành được đưa đến thiết bị phân ly (2). ở đây sau khi lắng, acid được tái sinh để tiếp tục quay lại thiết bị phản ứng. Bơm acid hoạt động liên tục và luôn đảm bảo duy trì lượng acid HF ở mức thấp nhất có thể cho phép. Sự cải tiến thiết kế cho phép giảm bớt số thiết bị và tiêu tốn xúc tác acid ở mức thấp, khoảng 5-6lb HF cho một barel sản phẩm alkylate. Hàm lượng izobutan và các cấu tử nhẹ luôn ổn định trong tháp tách lỏng khí (3), sản phẩm đáy của tháp là xăng alkyl hoá, sản phẩm đỉnh tháp đi vào tháp tách propan (4) và sản phẩm propan không phụ thuộc vào hàm lượng acid ở tháp tách acid HF (5). Acid được tái sinh trong lò tái sinh xúc tác đặt bên, trong nhà máy và hoàn nguyên trở lại, bảo đảm được vấn đề môi trường và tiết kiệm được chi phí sản xuất. Sản phẩm alkylate thu được là một loại nhiên liệu mô tô có trị số octan cao. Với sự xử lý nhiên liệu đầu một cách đúng đắn và thêm vào đúng mức acid thì sản phẩm thu được có trị số octan tối thiểu là 97 RON và 94-95 MON. Độ ổn định của sản phẩm phụ thuộc nhiên liệu, điều kiện làm việc và cấu trúc của lò phản ứng. Hiện nay có hơn 100 dây chuyền công nghệ loại này của UOP đã được lắp đặt và đi vào hoạt động với công suất từ 600-25000bpsd alkylate/năm. Công nghệ alkyl hoá izobutan bằng olefin dùng xúc tác HF của hãng Phillíp Petroleum Co [14-55] Sơ đồ công nghệ gồm các thiết bị chính sau: Thiết bị phản ứng phân ly Thiết bị cất phân đoạn Tháp khử HF Với công nghệ này, alkyl hoá izobutan được thực hiện với propylen, butylen và penten thành xăng mô tô và xăng máy có chất lượng cao. Khi hoạt động , nhiên liệu vào gồm olefin và izobutan được sấy khô và làm thành từng mẻ liệu để đưa đến thiết bị liên hợp lò phản ứng – thiết bị phân ly (1). Tại đây dựa vào sự sai khác về trọng lượng mà HF đã tham gia phản ứng được tách ra và tuần hoàn trở lại, đi qua thiết bị làm lạnh trước khi tiếp tục với hydrocacbon trong lò phản ứng dạng ống. Phần hydrocacbon tách ra ở thiết bị phân ly được đưa qua thiết bị cất phân đoạn (2). Tại đây hoàn thành việc phân chia sản phẩm propan, izobutan , n butan và sản phẩm alkylate. Một lượng HF hoà tan được tách khỏi propan ở tháp khử HF (3). Sản phẩm alkylate sau khi dây chuyền làm việc ổn định có chất lượng như sau: Thông số buten Hỗn hợp propylen – butylen Trọng lượng , 0API 70,1 71,1 Rvp, Psi 6-7 6-7 ASTM 10%,0F 185 170 ASTM 90%,0F 236 93,5 Hiện nay có khoảng 107 dây chuyền công nghệ loại này đã được lắp đặt và đi vào hoạt động trên toàn thế giới. 3. So sánh ưu nhược điểm của hai quá trình alkyl hoá dùng xúc tác H2SO4 và HF [1-193] Loại xúc tác HF H2SO4 1. Hãng thiết kế Phillips UOP Strat Co Kellogg 2. Đặc điểm + T0phản ứng = 25- 400C + thời gian phản ứng ngắn hơn + Reactor nhỏ hơn, tiêu hao xúc tá acid nhỏ hơn + Cần chú ý đến môi trường và an toàn + T0phản ứng = 2- 100C + RON cao hơn khi nhiên liệu là olefin C4 + Tỷ số izo C4/olefin nhỏ + Không cần chú ý đặc biệt về môi trường và an toàn Chỉ tiêu + Tỷ lệ C5+ alkylate/C4 + RON/MON + 1,7 –2,0 + 95-96/92-93 + 0,05- 0,15b/ thùng alkylate 1,7 – 2,0 95-97/92-94 20-30lb/thùng alkylate Điều kiện phản ứng + nhiệt độ + áp suất Tỷ lệ izo C4/olefin 25-400C 6-8Kg/cm2 8/1 –15/1 2-100C 3-4KG/cm2 4/1-12/1 4. Nhận xét và đánh giá chung các công nghệ Qua nghiên cứu và phân tích các công nghệ alkyl hoá izobutan bằng olefin nhẹ dùng xúc tác H2SO4 cũng như HF đều có những ưu nhược điểm riêng. Để đánh giá hiệu quả của hai phương pháp này người ta dựa vào các yếu tố chính sau: Chất lượng sản phẩm alkylate Chi phí do tiêu hao acid Chi phí cho việc làm lạnh Nhìn chung thì sản phẩm alkylate của quá trình alkyl hoá sử dụng xúc tác HF có giá thành thấp hơn của quá trình sử dụng xúc tác H2SO4 mặc dù chất lượng sản phẩm không thua kém. Tuy nhiên acid HF rất độc hại cho con người và môi trường nên ít được sử dụng hơn. Hiện nay 4/5 lượng alkylate sản xuất được trên thế giới sử dụng phương pháp alkyl hoá với xúc tác H2SO4. Điều đó cho thấy phương pháp này vẫn chiếm ưu thế mặc dù đó là phương pháp đắt tiền hơn. Phần III Tính toán công nghệ I. Lựa chọn công nghệ và các số liệu ban đầu Lựa chọn công nghệ: Qua phần giới thiệu về các công nghệ sản xuất xăng alkyl hoá dùng xúc tác H2SO4 gồm 4 thiết bị phản ứng nối tiếp nằm ngang, trao đổi nhiệt bằng cách cho bay hơi một phần propan và izobutan trong hỗn hợp phản ứng. Ưu điểm của dây chuyền công nghệ này là sử dụng xúc tác H2SO4 nên ít độc hại cho môi trường. Thiết bị phản ứng nằm ngang nên dễ dàng cho quá trình khuất trộn, hạn chế sự phân ly nhũ tương trong