Thiết bị sản xuất xăng có chỉ số octane cao từ quá trình làm thơm hóa Naphta/ngưng tụ

Mô tả

Giới thiệu ngắn: Sản xuất xăng có chỉ số octane cao từ nafta/ngưng tụ

Mục tiêu: Nâng cấp các nguồn nguyên liệu naphta hoặc ngưng tụ có chỉ số octane thấp thành các thành phần pha xăng có chỉ số octane cao, chủ yếu thông qua quá trình cải chất xúc tác.

Đặc tính nguyên liệu chính:

Nafta: Phân đoạn cất phân ly nhẹ từ quá trình chưng cất dầu thô (Phân xưởng chưng cất khí quyển - ADU) hoặc các đơn vị khác, phạm vi nhiệt độ sôi khoảng ~30°C đến 200°C. Chỉ số octane thấp (RON 40-70).

Ngưng tụ: Các hydrocarbon lỏng rất nhẹ tách ra từ sản xuất khí tự nhiên. Phạm vi nhiệt độ sôi tương tự nafta nhưng thường nhẹ hơn, ít thành phần nặng hơn và có thể chứa nhiều paraffin/naphten hơn. Chỉ số octane cũng thấp.

Quy trình cốt lõi: Chuyển hóa xúc tác

Trái tim của quá trình sản xuất xăng có chỉ số octane cao từ các nguồn nguyên liệu này là Bộ phận Chuyển hóa Xúc tác (CRU - Catalytic Reforming Unit). Quy trình này biến đổi hóa học các hydrocarbon có chỉ số octane thấp thành các thành phần có chỉ số octane cao.

Lưu đồ quy trình điển hình

1. Tiền xử lý nguyên liệu (Bắt buộc):

Mục đích: Loại bỏ các chất gây nhiễm bẩn (lưu huỳnh, nitơ, nước, kim loại) có thể làm mất hoạt tính vĩnh viễn chất xúc tác chuyển hóa chứa platinum đắt tiền.

Quy trình: Hydrokhử (Hydrodesulfurization - HDS).

Các bước:

Nguyên liệu được trộn với khí giàu hydro (khí tuần hoàn).

Đi qua chất xúc tác (ví dụ: CoMo/Al₂O₃) ở nhiệt độ cao (300-400°C) và áp suất cao (20-50 bar).

Các hợp chất chứa lưu huỳnh (ví dụ: mercaptan) được chuyển hóa thành H₂S.

Các hợp chất chứa nitơ được chuyển hóa thành NH₃.

Olefin là bão hòa.

Kim loại bị giữ lại.

Đầu ra: Xăng nhẹ/ngưng tụ đã qua xử lý với hàm lượng lưu huỳnh rất thấp (<0.5 ppm, thường <0.1 ppm) và nitơ.

2. Chuyển hóa xúc tác:

Mục đích: Chuyển đổi parafin và naphten có chỉ số octan thấp thành các hợp chất thơm và parafin phân nhánh (isoparafin) có chỉ số octan cao.

Phản ứng chính:

Khử hydro: Naphten -> Hợp chất thơm + Hydro (Nguồn chính tạo chỉ số octan cao)

Chuyển vị: Parafin mạch thẳng (n-Parafin) -> Parafin mạch nhánh (i-Parafin)

Khử hydro vòng hóa: Parafin -> Naphten -> Hợp chất thơm

Thủy phân xúc tác: (Không mong muốn, tiêu hao nguyên liệu) Phân tử lớn -> Phân tử nhỏ hơn + Khí (C1-C4)

Loại quy trình:

Phương pháp cải chất bán tái sinh (SRR): Bề cố định chất xúc tác. Đơn vị được tắt định kỳ (mỗi 6-24 tháng) để tái sinh chất xúc tác. Hoạt động ở áp suất cao hơn (15-30 bar).

Phương pháp cải chất tái sinh liên tục (CCR): Chất xúc tác tuần hoàn liên tục giữa các bộ phản ứng và thiết bị tái sinh riêng biệt. Hoạt động ở áp suất thấp hơn (3-10 bar), cho phép vận hành mức độ cao hơn (chỉ số octane cao hơn, sản lượng aromatics cao hơn, sản sinh nhiều hydro hơn). Đây là thiết kế hiện đại phổ biến nhất.

Điều kiện:

Nhiệt độ: 480-530°C

Áp suất: 3-30 bar (tùy loại)

Chất xúc tác: Bạch kim (Pt) được hỗ trợ trên alumina (Al₂O₃), thường có các chất hỗ trợ như Rhenium (Re), Thiếc (Sn) hoặc Clo (Cl) (chất xúc tác hai hoặc nhiều kim loại).

Đầu ra:

Sản phẩm cải chất: Sản phẩm lỏng có chỉ số octane cao (RON 95-106). Giàu aromatics (Benzen, Toluene, Xylenes - BTX) và paraffin nhánh.

Khí giàu hydro: Sản phẩm phụ có giá trị (được sử dụng trong các thiết bị hydrofining, hydrocracking).

Khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG): Khí nhẹ (C1-C4) từ quá trình hydrocracking.

3. Phân tách sản phẩm:

Mục đích: Tách sản phẩm reformate khỏi khí nhẹ và hydro.

Quy trình:

Thiết bị ổn định hóa/tách butan: Loại bỏ các thành phần nhẹ (khí C4 và nhẹ hơn - LPG) khỏi dòng reformate lỏng.

Hệ thống thu hồi khí: Tách dòng khí giàu hydro khỏi các hydrocarbon nhẹ (C1-C4). Hydro sẽ được làm sạch và tuần hoàn lại các phản ứng reformer và hệ thống hydrofining.

4. Phân đoạn (Tùy chọn nhưng thường áp dụng):

Mục đích: Chia reformate đã ổn định thành các phân đoạn có dải nhiệt độ sôi xác định.

Quy trình:

Một thiết bị phân đoạn tách ra:

Reformate nhẹ: Thành phần có nhiệt độ sôi thấp, giàu octane cao (thường giàu benzen/toluen). Có thể cần xử lý giảm hàm lượng benzen trước khi pha trộn vào xăng do quy định môi trường.

Reformate nặng: Thành phần có nhiệt độ sôi cao hơn (giàu xylen và các hợp chất thơm nặng hơn).

Sản phẩm chủ lực:

Reformate: Thành phần chính dùng để pha trộn xăng có chỉ số octane cao (RON 95-106). Nó đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chỉ số octane của toàn bộ hỗn hợp xăng thành phẩm.

Các yếu tố cần lưu ý:

Chất lượng nguyên liệu: Giai đoạn tiền xử lý là cực kỳ quan trọng để bảo vệ chất xúc tác reforming nhạy cảm.

Cường độ quá trình: Cường độ cao (nhiệt độ cao, áp suất thấp) làm tăng sản lượng octane và aromatics nhưng đồng thời cũng làm tăng tốc độ mất hoạt tính của chất xúc tác và sản lượng khí (LPG) (giảm sản lượng lỏng).

Chất xúc tác: Các chất xúc tác gốc bạch kim là thiết yếu cho các phản ứng phức tạp; công nghệ tái sinh liên tục (CCR) cho phép vận hành tối ưu.

Hydro: Là sản phẩm phụ có giá trị lớn, rất quan trọng cho các phân xưởng hydroprocessing khác trong nhà máy lọc dầu.

Quản lý benzen: Sản phẩm reformate chứa benzen. Các quy định thường yêu cầu hàm lượng benzen trong xăng thành phẩm phải được giảm thiểu, đôi khi đòi hỏi xử lý sau reformer (ví dụ như bão hòa benzen, chiết xuất) hoặc phối trộn cẩn thận.

Tóm lại: Sản xuất xăng có chỉ số octane cao từ naphta/ngưng tụ phụ thuộc vào quá trình tiền xử lý nguyên liệu kỹ lưỡng (hydrofinishing) tiếp theo là quá trình cải chất xúc tác, trong đó các chất xúc tác platin dưới tác dụng của nhiệt độ và áp suất biến đổi các phân tử thành các hợp chất thơm và parafin phân nhánh có chỉ số octane cao. Quá trình tách và phân đoạn thu được reformate, thành phần pha trộn cơ bản có chỉ số octane cao, cùng với khí hydro có giá trị.

Phân bố sản phẩm (các thông số cụ thể cần được kiểm tra theo mẫu)

Tính chất sản phẩm

Xăng cao cấp chỉ số octane cao

Ghi chú: Hàm lượng benzen của xăng số chỉ octane cao & gt;1% (ước tính)

Tính chất điển hình của khí hóa lỏng

Tính chất chất xúc tác

Các tính chất chính của chất xúc tác

Câu hỏi thường gặp

1. Câu hỏi: Naphtha và ngưng tụ là gì, tại sao chúng được sử dụng cho xăng?

Trả lời: Naphtha là phân đoạn chưng cất nhẹ từ quá trình lọc dầu thô (thường là các hydrocarbon C5-C12). Ngưng tụ là hỗn hợp hydrocarbon lỏng rất nhẹ (C5-C10+) thu được từ sản xuất khí tự nhiên. Cả hai đều là nguyên liệu tuyệt vời cho sản xuất xăng vì chúng chứa các hydrocarbon có trọng lượng phân tử phù hợp, có thể chuyển hóa thành các thành phần xăng có giá trị cao.

2. Câu hỏi: Tại sao nafta và ngưng tụ lại đặc biệt phù hợp để sản xuất xăng có chỉ số octane cao?

Câu trả lời: Chúng chứa một lượng đáng kể paraffin (n-paraffin & isoparaffin), napthen, và các hợp chất thơm. Thông qua các quá trình xúc tác như reforming, napthen và paraffin có thể được chuyển hóa thành các hợp chất thơm có chỉ số octane cao (như benzen, toluen, xylen - BTX) và isoparaffin nhánh, giúp nâng cao đáng kể chỉ số octane.

3. Câu hỏi: Quy trình chính để chuyển hóa nafta/ngưng tụ thành xăng có chỉ số octane cao là gì?

Câu trả lời: Quy trình chính là Reforming xúc tác. Nó sử dụng chất xúc tác (thường là dựa trên platinum) ở nhiệt độ cao và áp suất trung bình để sắp xếp lại các phân tử. Các phản ứng chính bao gồm khử hydro của napthen thành hợp chất thơm, đồng phân hóa paraffin thành isoparaffin, và khử hydro vòng hóa paraffin thành hợp chất thơm – tất cả các phản ứng này đều làm tăng chỉ số octane đáng kể (RON > 90).

4. Câu hỏi: Phải chăng toàn bộ nafta/ngưng tụ đều được đưa trực tiếp vào thiết bị reforming?

A: Thường thì không. Nguyên liệu thô trước tiên được xử lý bằng hydro để loại bỏ các tạp chất như lưu huỳnh và nitơ, những chất này sẽ làm hỏng chất xúc tác reforming đắt tiền. Các phân đoạn nafta cụ thể (ví dụ: Nafta nặng, khoảng nhiệt độ sôi ~90-200°C) thường được ưu tiên sử dụng cho reforming do hàm lượng naphten cao hơn, tạo ra nhiều hợp chất thơm hơn. Các phân đoạn ngưng tụ nhẹ hơn có thể được chuyển sang quá trình isomer hóa thay vì reforming.

5. C: Ngoài reforming, còn có những quá trình nào khác có thể tham gia vào quá trình sản xuất nhiên liệu?

A: Isomer hóa: Chuyển đổi các paraffin mạch thẳng có chỉ số octane thấp (n-pentan, n-hexan) trong các phân đoạn nafta/ngưng tụ nhẹ thành các isomer mạch nhánh có chỉ số octane cao hơn.

Alkyl hóa: Kết hợp các olefin nhẹ (từ FCC, lò cốc) với isobutan để tạo thành các paraffin mạch nhánh có chỉ số octane rất cao (RON 90-98) (alkylate), thường được pha trộn vào hỗn hợp xăng.

Pha trộn: Reformate (chỉ số octane cao, hàm lượng thơm cao) được pha trộn với isomerate (chỉ số octane trung bình, hàm lượng thơm thấp), alkylate (chỉ số octane rất cao), chất oxy hóa (như ethanol) và có thể là xăng FCC đã qua xử lý để đáp ứng yêu cầu về chỉ số octane cuối cùng (RON/MON) và các tiêu chuẩn kỹ thuật.

6. C: Chính xác thì quá trình reforming làm tăng chỉ số octane như thế nào?

T: Reforming chuyển đổi các thành phần có chỉ số octane thấp:

Naphthenes (ví dụ: cyclohexane): Được chuyển đổi thành các hợp chất thơm có chỉ số octane cao (benzene - RON ~99).

Paraffins: Được chuyển đổi thành isoparaffins có chỉ số octane cao hơn thông qua quá trình isomer hóa, hoặc trực tiếp thành các hợp chất thơm thông qua phản ứng dehydrocyclization (ví dụ: n-heptane RON 0 -> Toluene RON ~120).

Quá trình này cũng sản sinh khí hydro, là sản phẩm phụ có giá trị.

7. C: Những ưu điểm chính khi sử dụng naphta/ngưng tụ để sản xuất xăng có chỉ số octane cao là gì?

T: Nguồn nguyên liệu dồi dào: Là thành phần chính của dầu thô và sản phẩm khí.

Hiệu suất và chất lượng cao: Reforming sản xuất hiệu quả reformate có chỉ số octane cao, là thành phần chính trong pha trộn xăng có chỉ số octane cao.

Tính linh hoạt: Các phân đoạn khác nhau có thể được dẫn qua các quá trình tối ưu (khử hình, đồng phân hóa).

Sản phẩm phụ có giá trị: Quá trình khử hình tạo ra khí hydro cần thiết cho các đơn vị khử lưu huỳnh (hydrotreater, hydrocracker).

8. C: Những thách thức chính trong việc sản xuất xăng có chỉ số octane cao từ các nguyên liệu này là gì?

Đ: Chất lượng nguyên liệu: Sự biến đổi về thành phần (tỷ lệ naphten/parafin, tạp chất) đòi hỏi phải lựa chọn kỹ lưỡng và xử lý sơ bộ (hydrotreating).

Độ nhạy của chất xúc tác: Các chất xúc tác khử hình đắt tiền và rất nhạy cảm với các chất độc (S, N, kim loại, nước).

Giới hạn về hợp chất thơm/benzene: Sản phẩm khử hình giàu hợp chất thơm và benzene, phải tuân thủ các quy định môi trường nghiêm ngặt (đòi hỏi bão hòa hoặc chiết tách benzene).

Mức độ nghiêm ngặt của quá trình: Khử hình ở mức độ nghiêm ngặt cao làm tăng chỉ số octane nhưng cũng làm chất xúc tác mất hoạt tính nhanh hơn (đóng cặn than) và giảm suất lượng sản phẩm lỏng.

Chi phí đầu tư và vận hành: Quá trình khử hình và các đơn vị liên quan (hydrotreater) đòi hỏi khoản đầu tư và chi phí vận hành đáng kể.