Thiết kế phân xưởng Reforming xúc tác.

Luận văn : Thiết kế phân xưởng Reforming xúc tác.

Lời cảm ơn.

Sau một thời gian nghiên cứu, cùng với sự hớng dẫn tận tình của cô giáo: PGS.TS.Đinh Thị Ngọ - ngời đã giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp Nay bản đồ án đã đợc hoàn thành

Bằng tấm lòng thành kính, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Hữu cơ - Hóa dầu, Trờng Đại học Bách Khoa

Hà Nội đã dạy bảo em những kiến thức cơ bản tạo điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

Trong quá tình thực hiện bản đồ án tốt nghiệp này, em không tránh khỏi những thiếu sót, vậy em mong đợc thầy giáo, cô giáo chỉ bảo thêm cho em để đồ án của em

Lời mở đầu

Ngành công nghiệp chế biến dầu mỏ đợc ra đời vào năm 1859 và từ đó sản lợng dầu mỏ khai thác ngày càng đợc phát triển mạnh về số lợng cũng nh về chất lợng Ngày nay với sự phát triển và tiến bộ của khoa học kỹ thuật, dầu mỏ đã trở thành nguyên liệu quan trọng hàng đầu trong công nghệ hoá học Trên cơ sở nguyên liệu dầu mỏ, ngời ta đã sản xuất đợc hàng nghìn các hoá chất khác nhau, làm nhiên liệu cho các động cơ, nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác

Trong công nghiệp chế biến dầu mỏ các quá trình chuyển hoá hoá học dới tác dụng của chất xúc tác chiếm một tỷ lệ rất lớn và đóng vai trò vô cùng quan trọng Chất xúc tác trong quá trình chuyển hoá có khả năng làm giảm năng lợng hoạt hoá của phản ứng vì vậy tăng tốc độ phản ứng lên rất nhiều Mặt khác khi có mặt của xúc tác thì có khả năng tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp hơn Điều này có tầm quan trọng lớn đối với những phản ứng nhiệt dơng (nh phản ứng hydro hoá, alkyl hoá, polyme hoá) vì ở nhiệt độ cao về mặt nhiệt động không thuận lợi cho các phản ứng này

Sự có mặt chất xúc tác trong các quá trình chuyển hoá hoá học vừa có tác dụng thúc đẩy nhanh quá trình chuyển hoá, vừa có khả năng tạo ra những nồng độ cân bằng cao nhất, có nghĩa là tăng đợc hiệu suất sản phẩm của quá trình

Trong quá trình chuyển hoá hoá học dới tác dụng của xúc tác thì quá trình reforming xúc tác chiếm một vị trí quan trọng trong công nghiệp chế biến dầu mỏ L-ợng dầu mỏ đợc chế biến bằng quá trình reforming xúc tác chiếm tơng đối lớn so với tổng lợng dầu mỏ đợc chế biến Quá trình reforming xúc tác đợc xem là một quá trình chủ yếu để sản xuất xăng ô-tô và một số cho xăng máy bay Đó là một trong những quá trình rất quan trọng và không thể thiếu trong công nghiệp chế biến dầu Xăng nhận đợc từ quá trình reforming chiếm một tỉ lệ tơng đối cao so với tổng xăng thu đợc từ tất cả các quá trình sản suất xăng Quá trình này ngày càng phát triển do

nhu cầu về xăng có chất lợng cao đợc nâng cao từng ngày Quá trình reforming xúc tác cho phép ta nhận đợc các cấu tử có trị số octan cao cho xăng và xăng có chất lợng cao

Có thể nói rằng việc nghiên cứu, phát triển ra quá trình reforming là một bớc ngoặt lớn của công nghệ chế biến dầu Trớc đây khi sử dụng xăng chng cất trực tiếp pha trộn với cấu tử có trị số octan cao làm nguyên liệu cho các động cơ thì ngời ta thấy rằng nó không đảm bảo chất lợng, nhng ngày nay khi sử dụng xăng của quá trình reforming làm xăng cho động cơ thì chất lợng đợc đảm bảo hơn Chất lợng xăng đợc tăng lên một cách rõ rệt: vào năm1957 chỉ số octan của xăng chỉ là 90 cho loại thờng

và 98 cho loại đặc biệt, mà đến năm1970 thì loại xăng thờng đã có trị số octan 94 và

100 cho loại đặc biệt

Cùng với sự gia tăng về chất lợng của xăng đó là sự gia tăng về kinh tế mà xăng

đem lại Ví dụ: khi tăng trị số octan của xăng từ 66 lên 88 thì số ôtô yêu cầu để thực hiện cùng một khối lợng công việc giảm đi 12%, còn chi phí xăng cho một năm giảm xuống khoảng 22%.[1]

Không những sản xuất ra xăng và các cấu tử xăng có chất lợng cao, quá trình reforming xúc tác còn sản xuất ra các hợp chất hydrocacbon thơm ( toluen, benzen, xylen), làm nguyên liệu cho tổng hợp hoá dầu Cũng nh xăng BTX thu đợc tỷ lệ thuận với sự phát triển của quá trình reforming xúc tác

Ngoài các sản phẩm chính là xăng và các hydrocacbon thơm, trong quá trình reforming xúc tác ngời ta còn nhận đợc một lợng lớn hydro Lợng khí hydro thu đợc

từ qúa trình này rẻ và nhiều hơn so với các phơng pháp khác ( nhiều và rẻ hơn từ 10-15 lần so với các phơng pháp khác) Lợng khí hydro thu đợc từ quá trình reforming xúc tác có thể cung cấp đủ cho ỡƠÁ3G3 33¿3333333333333ỳ 3

Sinh viên: Đỗ thị thanh tâm Đại học bách khoa hà nội 3

Dehydro vòng hoá Dehydro hoá

Hyđro

cracking

Hexan

4bjbjŽ ŽÙ Ù444444444444444444 4-/4ì ³ 4ì ³4ªæ 44444ó444444444444444

Dehydro vßng ho¸ Dehydro ho¸

Hy®ro

cracking

Hexan

6bjbjŽ ŽÙ Ù666666666666666666 6-/6ì ³ 6ì ³6ªæ 66666ó666666666666666

Nguyên liệu của quá trình là phân đoạn xăng có trị số octan thấp, không đủ tiêu chuẩn của nhiên liệu xăng cho động cơ xăng.Đó là phân đoạn xăng của quá trình ch-

ng cất trực tiếp dầu thô, hay từ phân đoạn xăng của cracking nhiệt,cốc hoá

Trong các sản phẩm thu đợc từ quá trình reforming xúc tác thì thu đợc xăng có chất lợng cao là mục đích hàng đầu của quá trình reforming vì vậy điều kiện của quá trình phải là những điều kiện tốt cho phản ứng đêhyđro hoá và phản ứng hydro hoá

Chơng I: Tổng quan lý thuyết

I Cơ sở hóa học của quá trình reforming.[1,2]

Reforming xúc tác là một quá trình biến đổi các thành phần hyđrocacbon của nguyên liệu mà chủ yếu là naphten và parafin thành các hyđrocacbon thơm có trị số octan cao Sơ đồ các phản ứng chính trong quá trình reforming xúc tác nh sau

Vậy các phản ứng chính xảy ra trong quá trình reforming gồm các phản ứng sau:

− Dehydro hoá các hyđro naphten, dehydro vòng hoá các hydro parafin, đồng phân hoá và hyđrocracking

− Ngoài ra trong điều kiện tiến hành quá trình reforming còn xảy ra các phản ứng phụ, tuy không làm ảnh hởng nhiều đến cân bằng của các phản ứng chính, nhng lại

ảnh hởng đến độ hoạt độ và độ bền của xúc tác Đó là các phản ứng:

+ Phản ứng phân huỷ và khử các hợp chất chứa oxy, nitơ, lu huỳnh thành H2S, NH3,

H2O

+phản ứng phân huỷ các halogen và các hợp chất chứa kim loại

+Phản ứng ngng tụ của các hợp chất trung gian không bền nh olefin, diolefin với các hydrocacbon thơm, dẫn đến tạo thành các chất nhựa và cốc bám trên bề mặt của xúc tác.Vì thế để phát triển quá trình reforming xúc tác, ngời ta cần phải khắc phục đợc

DehydroVòng hoá

Dehydro vòng hoá Dehydro hoá

Hyđro

cracking

Hexan

quá trình tạo cốc trên bề mặt xúc tác, hay hạn chế tới mức tối đa quá trình tạo cốc Trong thực tế sản xuất, ngời ta hay sử dụng các biện pháp khác nhau nh dùng áp suất, nồng độ hyđro cao hoặc tiến hành tái sinh liên tục xúc tác.

Sau đây là các phản ứng chính và phụ xảy ra trong quá trình reforming xúc tác:

+xyclo hexan là:72,1Kcal/mol

+ benzen là : 51,6 Kcal/ mol

− khi tăng nhiệt độ, giảm áp suất thì hiệu suất hyđrocacbon thơm sẽ tăng lên

− Nếu hàm lợng xycloalkan trong nguyên liệu cao thì quá trình refrming xúc tác sẽ làm tăng hàm lợng của hyđrocacbon thơm

− Nếu sản phẩm của quá trình reforming còn nhiều n-paraphin thì trị số octan của xăng sẽ giảm Vì vậy ngoài phản ứng đêhyđro hoá xycloalkan còn cần các phản ứng khác để đảm bảo hiệu quả của quá trình reforming xúc tác

1.2 -Đehyđro hoá dẫn suất vòng 5 cạnh thành hyđrocacnbon thơm.

− Phản ứng này có tốc độ khá lớn khi dùng xúc tác chứa pt

− Năng lợng hoạt hoá của phản ứng này khoảng 20 Kcal/ mol

− Phản ứng đồng phân hoá vòng 5 cạnh thành vòng 6 cạnh là phản ứng có hiệu ứng nhiệt thấp khoảng 5 Kcal/ mol, nên khi tăng nhiệt độ cân bằng chuyển dịch về phía vòng 5 cạnh

− Sự tạo thành hyđrocacbon thơm từ naften 5 cạnh bao gồm quá trình đồng phân hoá vòng 5 cạnh thành vòng 6 cạnh và phản ứng đêhyđro hoá vòng 6 cạnh thành hyđrocacbon thơm

− ở điều kiện nhiệt độ là 5000C ta thấy: nồng độ cân bằng của mêtyl- xyclo pentan là 95%, còn của xyclohexan chỉ là 5% nhng do phản ứng đêhyđro hoá xyclohexan thành benzen xảy ra với tốc độ nhanh nên cân bằng của phản ứng đồng phân hoá có điều kiện chuyển hoá thành xyclo hexan

− Do phản ứng đêhyđro hoá alkan có tốc độ cao mà trong quá trình reforming ta nhận

đợc nhiều hyđrocacbon thơm và hyđro

1.3-Đehyđro hoá parafin tạo ôlêfin.

C9H20 C9H18 + H2

CnH2n+2 CnH2n + H2

1.4-Đehyđro hoá đóng vòng parafin hoặc olêfin tạo hyđrocacbon thơm.

− Phản ứng xảy ra với các parafin để tạo thành xycloparafin, sau đó bị vòng hoá các naphten Đây là phản ứng quan trọng trong việc nâng cao sản phẩm chính là hyđrocacbon thơm

CH3

+ 4 H2n-C7H16

− Phản ứng loại này chỉ ở nhiệt độ cao mới nhận đợc lợng hyđrôcacbon thơm đáng kể.

− Phản ứng chỉ xảy ra khi có sự tham gia của xúc tác

− Khi tăng nhiệt độ, hằng số cân bằng của phản ứng đêhyđro vòng hoá parafin tăng lên rất nhanh( ở 5000C phản ứng xảy ra tơng đối mạnh)

− Tốc độ phản ứng tăng lên khi tăng chiều dài mạnh cacbon nên lợng hyđrocacbon thơm nhận đợc cũng tăng lên

2.1-Phản ứng izome hoá n- parafin thành izo parafin.

n-C7H10 2- metyl hexan + ∆ Q= 2 Kcal/ mol

− Phản ứng đạt cân bằng trong vùng làm việc của reactor ở điều kiện 5000C với xúc tác pt/ Al2O3

− Phản ứng này rất quan trọng vì với phản ứng này ta sẽ nhận đợc một lợng sản phẩm

có trị số octan cao Ví dụ nh trị số octan của n-C5 là 62, còn của izo-C5 là 80 Nhng phản ứng loại này sản phẩm thu đợc có chất lợng cao khi nguyên liệu là các phần nhẹ(C4- C5), còn nếu nguyên liệu là các n- parafin cao hơn C5 phản ứng izome hoá xảy ra dễ dàng hơn nhng trị số octan sẽ tăng không nhiều do có mặt của các n- parafin cha bị biến đổi trong sản phẩm Ví dụ: trị số octan của n-C7 là 0, còn trị số octan của izo C7 là 110 Hỗn hợp C7 ở điều kiện cân bằng là 55

Vậy phản ứng izome hoá tiến hành tốt nhất với các n- parafin nhẹ (C5-C6)

CH3

+ 3H2

2.2-Phản ứng hydro izome hoá.

Hepten-1 + H2 2- metyl hexan

Phản ứng này xảy ra với olefin trong nguyên liệu để tạo thành parafin Phản ứng thực hiện dễ dàng trong điều kiện của quá trình reforming Thành phần olefin cũng có thể chuyển hoá trực tiếp thành aromatic, nhng không đáng kể

Đây cũng là một phản ứng quan trọng vì nó chuyển hoá các hyđrocacbon không

no thành hydrocacbon no làm giảm sự tạo cốc gây nên sự mất hoạt tính của xúc tác

a- Phản ứng izome hoá alkyl xyclo pentan thành xyclohexan.

Ngoài ra cũng có phản ứng hydrodealkyl hoá các hydrocacbon thơm:

−Phản ứng hyđro cracking là phản ứng từ một hyđrocacbon có trọng lợng phân tử lớn tạo ra hai hay nhiều hyđrocacbon có trọng lợng phân tử thấp hơn và trong phân tử có tiêu hao một lợng hyđrô

− Ngoài ra các naphten, hyđrothơm có nhánh parafin cũng bị hyđro cracking

Trong điều kiện của quá trình reforming chủ yếu là các hyđrocacbon có trọng lợng phân tử lớn bị hyđrocracking Sản phẩm của quá trình này chủ yếu là izo- parafin nên

sẽ làm tăng hiệu suất của xăng và tăng trị số octan Nhng trong điều kiện cứng thì các hyđro cacbon có trọng lợng phân tử nhỏ cũng bị hyđro cracking Khi đó hiệu suất của xăng giảm, hiệu suất khí, cốc tăng lên Đây là phản ứng không mong muốn của quá trình reforming xúc tác

− Độ axit cũng ảnh hởng đến quá trình hyđro cracking Độ axit càng mạnh thì phản ứng hyđro cracking xảy ra càng mãnh liệt Vì vậy ta không dùng các chất có độ axit mạnh để làm xúc tác cho quá trình hyđro cracking

+ Các hợp chất chứa O, N, S trong nguyên liệu đều có hại đến xúc tác và sản phẩm của quá trình Vì vậy xúc tác của quá trình reforming phải đảm bảo để thúc đẩy các phản ứng tách các nguyên tố dị thể.

+Các hợp chất phi hyđro, olefin, các hợp chất hyđro cacbon thơm

+áp suất H2: áp suất H2 cao sẽ hạn chế quá trình tạo cốc Nhng nếu áp suất H2 quá cao thì phản ứng hyđro cracking sẽ xảy ra mạnh và ảnh hởng xấu đến phản ứng

đehyđro hoá tạo hợp chất thơm của quá trình Vì vậy khi chọn chế độ cho quá trình reforming phải tuỳ thuộc và nguyên liệu và xúc tác sử dụng

− Cơ chế của quá trình mất hoạt tính xúc tác có thể đợc hiểu nh sau:

Để hạn chế sự tạo cốc thì các nhà sản suất xúc tác phải chú ý điều khiển các chức hoạt tính của xúc tác để góp phần điều khiển đợc quá trình tạo cốc của quá trình reforming Thờng chọn áp suất hyđro vừa đủ sao cho cốc chỉ tạo ra khoảng 3-4% so với trọng lợng xúc tác trong khoảng thời gian 6 tháng đến 1 năm Nhng nếu tăng áp

- H2

cốcMonolefin

Parafin

2

suất hyđro sẽ làm cản trở quá trình tạo thành hyđrocacbon thơm do cản trở phản ứng

Sơ đồ 1: sơ đồ quá trình chuyển hóa n-hexan thành benzen

Trong đó: M: là tâm kim loại, A: là tâm axit

(-H2)

(-H2)

(+H2(-A-)

(đóng

C1 ữC5

cốc EA = 30 Kcal/molNaphten

+ Một số cách để chuyển đổi n-heptan thành toluen.

Sơ đồ 2: Sơ đồ tổng quát reforming n-C 7 H 16

Từ các sơ đồ trên ta thấy, sau quá trình reforming đã ta thu đợc các chất có trị

số octan cao: iso-parafin, xycloparafin, benzen Vậy xăng thu đợc từ quá trình reforming có chất lợng cao

* Phản ứng trên tâm axit:

Trong các điều kiện reforming thì trên chất mang có thể xảy ra các phản ứng đồng phân hóa, phá vỡ hoặc đóng vòng, mở vòng hoặc thu nhỏ vòng hydrocacbon Tất cả các phản ứng trên đều xảy ra theo cơ chế ioncacboni Giai đoạn quan trọng nhất là giai đoạn tạo ioncácboni trên tâm axit Tốc độ tạo thành ioncacboni và sự chuyển hóa tiếp theo của nó theo những hớng khác nhau đợc quyết định trớc hết bởi cấu trúc hydrocacbon tham gia phản ứng và bản chất tâm axit trên bề mặt chất mang

và những phơng pháp nghiên cứu hiện đại đồng thời cũng phổ biến một quan niệm

khác về cơ chế dehydrohoá cyclohexan Theo cơ chế này phân tử cyclohexan lần lợt

bị tách loại 6 nguyên tử hydro và liên tiếp tạo phức π trung gian

2-Nhiệt động học của phản ứng và điều kiện phản ứng.[3,4]

Xét thông số nhiệt động học của một số phản ứng quan trọng của quá trình reforming xúc tác

Bảng 1 : các thông số nhiệt động học các phản ứng hyđrocacbon C 6

Phản ứng Kp [ 5000C] ∆H [Kcal/mol]

Những phản ứng chính của quá trình reforming là thu nhiệt Phản ứng izomehoá

là trung hoà nhiệt trong khi phản ứng hyđro cracking toả nhiệt Ngoài ra hiệu ứng nhiệt của phản ứng phụ thuộc chính vào nồng độ xyclonapatran trong nguyên liệu vì

nó hấp thụ mạnh nhất vì nhiệt của phản ứng đợc lấy từ hỗn hợp nguyên liệu và khi nén nhiệt độ của hỗn hợp này giảm

Phản ứng đehyđro tạo vòng của parafin và phản ứng đehyđro hoá của naphtan là những phản ứng chính làm tăng trị số octan Cân bằng nhiệt động của những phản ứng này dịch chuyển về phía sản phẩm phản ứng khi áp suất riêng phần của hyđro thấp và nhiệt độ cao ( 5000C) Nhng trong điều kiện này lại thích hợp cho phản ứng tạo cốc và sự tạo cốc chỉ có thể ngăn chặn bằng cách phản ứng trong môi trờng hyđro: áp suất hyđro cao và sự lắng đọng cốc trên bề mặt xúc tác ít Việc tăng áp suất hyđro cũng không làm chậm phản ứng hyđro hoá tạo aromatic

Vậy, quá trình reforming xúc tác phải đợc thực hiện dới áp suất cao và hyđro sản phẩm đợc hoàn lại vùng phản ứng

Phản ứng hydrocracking thích hợp ở nhiệt độ và áp xuất riêng phần của hydro cao phản ứng này thờng không mong muốn trong quá trình reforming vì chúng tiêu thụ hydro và tạo ra hydrocacbon khí, làm giảm hiệu xuất pha lỏng (Hình 1 ) minh họa sự phụ thuộc của hiệu xuất phản ứng vào áp xuất phản ứng tại những trị số octan khác nhau

Sinh viên: Đỗ thị thanh tâm Đại học bách khoa hà nội 60 18

70 80 90 100

Hình 1: Hiệu xuất phản ứng và áp xuất tại những

trị số octan khác nhau.

Tại áp suất cao cho trớc, trị số octan có thể đợc tăng khi tăng nhiệt độ mặc dù

điều này gây ra sự mất mát hiệu xuất do phản ứng hydrocracking tăng lên Nh vậy quá trình thờng đợc thực hiện ở áp xuất thấp để đạt đợc hiệu xuất pha lỏng tăng lên Tuy nhiên, áp xuất riêng phần của hydro phải đủ cao để tránh sự tạo thành những hợp chất không no có khả năng bị polime hóa tạo thành cốc

Phản ứng hyđrocracking thích hợp ở nhiệt độ và áp suất riêng phần của hyđro cao phản ứng này thờng không mong muốn trong quá trình reforming vì chúng tiêu thụ hyđro và tạo ra hyđrocacbon khí, làm giảm hiệu suất pha lỏng

Trong thực tế, quá trình có thể đợc tiến hành trong khoảng nhiệt độ 455-510 và

áp suất 6,5-50 at.Điều kiện chỉ chuyển hoá một phần aromatic còn nếu thực hiện ở nhiệt độ cao hơn và áp suất khoảng 10 atm thì có thể chuyển hoá gần nh hoàn toàn naphten thành aromatic tại cân bằng với những quá trình làm việc ở áp suất cao từ 34 –50 atm thì vận tốc phản ứng hyđrocacking cao, mức độ chuyển hoá thành hợp chất thơm giảm, vận tốc khử hoạt tính xúc tác và hiệu xuất hyđro thấp Ngợc lại, ở áp suất thấp độ chuyển hoá các hợp chất thơm cao, hiệu suất hyđro cao, phản ứng hyđrocracking giảm, nhng lại nhanh chóng khử hoạt tính xúc tác do sự tạo thành cốc

Bảng 2: Đặc trng vận tốc và hiệu ứng nhiệt của những phản ứng reforming quan

trọng.

Loại phản ứng Vận tốc tơng

đối

ảnh hởng của sự tăng Hiệu ứng nhiệt

Hyđrocracking Thấp nhất Vận tốc tăng Toả nhiệt vừa phải

Rất nhanh Giảm độ chuyển hoá Rất thu nhiệt

+ Nhiệt độ phản ứng đợc chọn để làm cân bằng giữa sự tăng hoạt tính xúc tác và sự tăng vận tốc phản ứng khử hoạt tính khi nhiệt độ tăng:

Khoảng nhiệt độ từ 460-5250C và thờng là giữa 482-5000C Nhng quá trình hoạt

động ở áp suất thấp và nhiệt độ khá cao tạo ra sản phẩm có trị số octan cao nhất Khi xúc tác bị mất hoạt tính trong quá trìnhỡƠÁ20G20

2020¿20202020202020202020202020ỳ 20

60 70 80 90 100

21bjbjŽ ŽÙ Ù212121212121212121212121212121212121 21-/21ì³ 21ì³ 21ªæ 2121212121ó212121212121212121212121212121

222222222222 ¤ÿÿ 222222222222222222 ¤ÿÿ 222222222222222222 ¤ÿÿ 2

222222222222222222222222222222222

]2222222222t222222222222t2222t222222222222t222222222222t>222222222222t>222222222222t>2222µ2222222222222222222222ˆ>222222222222ˆ>222222222222ˆ>222222222222ˆ>22228222222À>2222| ì¥Á22G22

2222¿22222222222222222222222222ú 22

60 70 80 90 100

23bjbjŽ ŽÙ Ù232323232323232323232323232323232323 23-/23ì³ 23ì³ 23ªæ 2323232323ó232323232323232323232323232323

242424242424 Ôÿÿ 242424242424242424 Ôÿÿ 242424242424242424 Ôÿÿ 2

424242424242424242424242424242424

]2424242424t242424242424t2424t242424242424t242424242424t>242424242424t>242424242424t>2424à2424242424242424242424ˆ>242424242424ˆ>242424242424ˆ>242424242424ˆ>24248242424À>2424| an cao

Tỷ lệ mol giữa hydro và hydrocacbon nguyên liệu thay đổi từ 3-10, nhng phổ biến nhất là từ 5-8 Tỷ lệ này thì ảnh hởng bất lợi đến phản ứng thơm hóa, tăng phản ứng hydro cracking Giá trị lựa chọn thờng ở giới hạn thấp để phản ứng hydro cracking xảy ra đạt yêu cầu và sự khử hoạt tính xúc tác là thấp Tỷ lệ yêu cầu lợng hydro tuần hoàn, tơng ứng chi phí hoạt động cao Những naphten có nhánh thờng là thành phần chính của nguyên liệu Nguyên liệu có hàm lợng hydrocacbon không no cao phải đợc hydro hóa trớc khi phản ứng để giảm tiêu thụ hydro trong phản ứng và

sự khử hoạt tính xúc tác Nồng độ của tạp chất trong nguyên liệu đóng vai trò chất ngộ độc xúc tác phải đợc điều khiển nghiêm ngặt Sunfua làm ngộ độc chức năng kim loại của xúc tác nên phải duy trì nồng độ nhỏ hơn 1 ppm đối với nguyên liệu cho xúc tác mới Nguyên liệu có hàm lợng sunfua cao phải đợc hydro sunfua hóa trớc phản ứng Các hợp chất nitơ hữu cơ bị chuyển thành amoniac làm ngộ độc chức năng axit của xúc tác Nồng độ của nó phải nhỏ hơn 2 ppm Nitơ thờng đợc loại ra khỏi nguyên liệu xử lý hydro xúc tác, đồng thời với hydro desunfua hóa Nớc và các hợp chất chứa Clo cũng là thành phần không mong muốn trong nguyên liệu vì nó thay đổi độ axit của chất mang và làm đảo lộn cân bằng của những phản ứng đang xảy ra vì những hợp chất này để loại bỏ, hàm lợng của chúng cần phải điều khiển cẩn thận để duy trì

độ axit của xúc tác Những kim loại nh si, pb, Cu phải giữ nồng độ rất thấp vì chúng tạo hợp kim với chì làm khử hoạt tính của xúc tác Hàm lợng asen trong nguyên liệu phải thấp hơn 30 phần tử

III Xúc tác của quá trình.[1,5,8]

1-Lịch sử phát triển của xúc tác.

Trớc đây ngời ta sử dụng xúc tác oxít nh MoO2/Al2O3 Loại xúc tác này có u

điểm là rẻ tiền, bền với hợp chất chứa S Khi có mặt của hợp chất chứa S trong nguyên liệu thì MoO2 có thể chuyển một phần thành MoS2, dạng này cũng có hoạt tính nh xúc tác nên không cần làm sạch S ra khỏi nguyên liệu Nhng xúc tác loại này lại có nhợc điểm là hoạt tính thấp nên quá trình Refoming phải thực hiện ở điều kiện cứng: vận tốc thể tích thấp ( ~0,5h-1), nhiệt độ cao (~3400C) ở điều kiện này các phản ứng hyđro cracking xảy ra rất mạnh để tăng độ lọc cho quá trình phải thực hiện

ở áp suất thấp nhng áp suất thấp lại là tiền đề cho phản ứng tạo cốc xảy ra mạnh do vậy không thể kéo dài cho thời gian làm việc liên tục của xúc tác Vì lý do trên mà ngời ta đã phải nghiên cứu ra loại xúc tác pt/Al2O3 để thay thế cho loại xúc tác MoO2/

Al2O3

Loại xúc tác dạng pt/Al2O3 là loại xúc tác có hoạt tính cao, độ chọn lọc cao nên khi sử dụng loại xúc tác này quá trình Refoming chỉ cần thực hiện ở điều kiện mềm: vận tốc thể tích (1.5-4h ), nhiệt độ vừa phải (470-5200C ) Khi dùng xúc tác loại này còn giảm đợc sự tạo cốc Nhng sau một thời gian sử dụng xúc tác pt/Al2O3 hoạt tính của xúc tác sẽ giảm do độ axit của Al2O3 giảm nên ngời ta phải tiến hành Clo hoá để tăng độ axit Vì thế loại xúc tác này chỉ đợc sử dụng đến năm 1970

Ngày nay ngời ta cải tiến xúc tác bằng cách biến tính xúc tác: cho thêm một kim loại hoặc thay đổi chất mang Cho thêm kim loại để giảm giá thành xúc tác, xúc tác

sử dụng cho quá trình Reforming hiện nay là 0.3% pt +0.3% Re mang trên γ Al2O3 Ngoài ra còn có thêm các hợp chất halogen hữu cơ

2-Vai trò của xúc tác hai chức năng.[2,3]

2.1-Kim loại pt.

Pt là cấu tử tốt cho quá trình reforming Nó có khả năng hoạt tính tốt cho phản ứng hyđro hoá và đêhyđro hoá Trong quá trình reforming xúc tác, pt làm tăng tốc độ phản ứng đêhyđro hoá và hyđro hoá để tạo ra các hyđro cacbon thơm Ngoài ra nó còn thúc đẩy quá trình no hoá các sản phẩm trung gian nên hạn chế đợc quá trình tạo cốc.

Độ phân tán của pt trên chất mang Al2O3 cũng ảnh hởng đến hoạt tính của xúc tác Trong quá trình làm việc của xúc tác hàm lợng pt hầu nh không thay đổi nhng ta vẫn thấy hoạt tính khử hyđro lại giảm xuống đó là do các tinh thể pt bị thiêu kết tụ lại thành các tinh thể lớn Vì vậy tâm hoạt động bị giảm xuống

Vậy độ hoạt tính phụ thuộc chủ yếu vào hàm lợng kim loại pt và đặc biệt là độ phân tán của nó trên chất mang axit Ngời ta thấy rằng nếu các hạt phân tán có kích thớc nhỏ hơn 10A0 thì đó là tâm hoạt động mạnh, còn khi kích thớc hạt phân tán lớn hơn 70A0 thì xúc tác không có hoạt tính đối với các phản ứng chính của quá trình Reforming Để điều chỉnh tơng quan giữa hai xúc tác thì pt chỉ nên chiếm 1% bề mặt của chất mang

khi nghiên cứu ngời ta thất rằng nếu cho thêm nguyên tố Re vào có tác dụng kìm hãm sự thiêu kết của các tinh thể pt vì nguyên tố Re sẽ kết hợp với pt tạo thành hợp kim có độ ổn định cao hơn pt nguyên thể Do đó xúc tác của quá trình Reforming ngày nay là Al2O3 có thêm nguyên tố Re có hoạt tính cao hơn, ổn định và độ bền nhiệt cao hơn

2.2-oxit nhôm (Al 2 O 3 )

Là chất mang có tính axit, đóng vai trò chức năng axit-bazơ, thúc đẩy cho quá trình izome hoá - hyđrỏcacking Bản thân Al2O3 là một axít Lewis vì nguyên tử nhôm còn có một ô lợng tử tự do, còn AL2O3 chứa nớc là một axít Brosted vì nó mang H+ :

Chất mang có thể là Al2O3 hoặc hỗn hợp Al2O3-SiO2 Độ axit của nó quyết định bởi quá trình sử lý đặc biệt để tách nớc bề mặt nhằm tạo ra bề mặt riêng lớn ( khoảng 200-300 m2/g ) và tạo ra các tâm axit

Chất mang Al2O3 cần phải tinh khiết ( hàm lợng Fe, Na không quá 0.02% trọng ợng )

Để tăng độ axit của Al2O3 ngời ta thờng thêm vào đó các halogen hữu cơ Trớc

đây ngời ta sử dụng hợp chất Flo Ngày nay ngời ta đã thay hợp chất Flo bằng hợp chất Clo Hợp chất Clo ngoài tác dụng làm tăng độ axit của Al2O3 , còn có tác dụng làm ổn định phân tán của pt trên chất mang Chất xúc tác chứa Clo sẽ ít thúc đẩy phản ứng hyđrocracking trong điều kiện cứng

Nếu sử dụng chất mang ϕ - AL2O3 hay δ -AI2O3 với diện tích bề mặt khoảng 250

m2/g thì đợc bổ sung thêm các hợp chất halogen nh flo, clo, hay hỗn hợp của chúng

Độ axít tăng khi tăng hàm lợng của halogen, thực tế cho thấy chỉ nên không chế hàm lợng của halogen khoảng 1% so với xúc tác để tránh phân huỷ mạnh Halogen đợc đa vào xúc tác khi chế tạo hoặc khi tái sinh xúc tác Khi có Clo thì quá trình xẩy ra nhsau:

9H

+

Chức năng axít đợc thể hiện bới chất mang Độ axít của nó có vai trò đặc biệt quan trọng khi chế biến nguyên liệu parafin có trọng lợng phân tử lớn: các tâm axít kích động phản ứng hydrocracking của các parafin, phản ứng đồng phân hoá hydrocacbon naphten 5 cạnh thành 6 cạnh, tiếp theo đó là các naphten 6 cạnh bị khử hydro 5 tạo thành hydro cacbon thơm.

Để đa platin lên bề mặt chất mang trong công nghiệp ngời ta dùng phơng pháp ngâm, tẩm Tẩm Al2O3 bằng dung dịch H2PtCl6 đã axit hóa, nung và khử trong dòng khí hydro Sự phân tán platin lên chất mang có thể xảy ra theo cách sau:

3-Các yêu cầu đối với xúc tác reforming [1,2]

Xúc tác cho quá trình reforming đợc gọi là xúc tác tốt nếu nó có đầy đủ các yêu cầu sau:

+ Phải có hoạt tính cao đối với các phản ứng tạo hyđro cacbon thơm

+ Có hoạt tính đủ với các phản ứng đồng phân hoá parafin

+ Có hoạt tính thấp đối với phản ứng hyđro cracking

Cl

Cl

2

-+ OH

-+ Phải có độ bền với các chất gây ngộ độc xúc tác nh: các hợp chất của N, S, O, muối của các kim loại nặng, và các tạp chất.

+ Phải có độ ổn định cao ( khả năng bảo toàn hoạt tính ban đầu trong suốt quá trình làm việc)

Mọi xúc tác cho quá trình reforming tốt nhất cần phải tăng tốc cho các phản ứng cơ bản và cần phải hạn chế các phản ứng phụ nhất là phản ứng tạo cốc Vì thế mà t-

ơng quan giữa phản ứng tạo cốc với các phản ứng cơ bản có ý nghĩa rất quan trọng

Tỷ số phản ứng tạo cốc phải là cực tiểu để tăng tốc độ nạp liệu Những hoạt tính của xúc tác làm tăng tốc các phản ứng cơ bản là rất quan trọng, vì khi tăng nhiệt độ hay thay đổi điều kiện công nghệ chỉ hạn chế một phần rất nhỏ các phản ứng phụ Những phản ứng tạo hyđrocacbon thơm và các phản ứng isome hoá, hay hyđrocracking là các phản ứng chính tạo ra các cấu tử có trị số octan cao và có áp suất hơi bão hoà nhỏ, thích hợp cho quá trình pha trộn tạo xăng chất lợng cao với bất kỳ công thức pha trộn nào Hơn nữa khi giảm tốc độ tạo cốc sẽ làm cho xúc tác làm việc trong thời gian dài và ổn định

Để có xúc tác cho qúa trình reforming là tốt thì khi chế tạo chúng ta phải điều chỉnh tơng quan giữa 2 chất của xúc tác sao cho đạt độ chọn lọc mong muốn Độ chọn lọc của xúc tác đợc đánh giá thông qua công thức sau:

Đehydro vòng hoá

Hydrocracking +isome hoá +dehydro vòng hoá

R =

Bảng 3: Một số đặc trng của xúc tác reforming.

AΠ-64 Liên xô cũ

8815 CHLB Đức

RY-302Pháp

RD-150Mỹ-Đức

R-16MỹPt( % trọng l-

4-Các nguyên nhân làm giảm hoạt tính của xúc tác.[2,5]

Sau một thời gian làm việc, hoạt tính của xúc tác bị giảm xuống đó là do các nguyên nhân sau:

Trong quá trình làm việc xúc tác sẽ bị giảm xuống một phần do cốc tạo ra trong quá trình phản ứng bám dính lên bề mặt xúc tác làm bít đi các trung tâm hoạt tính, ngăn cách sự tiếp xúc của tác nhân phản ứng với xúc tác.

4.2-ảnh hởng của các chất chứa lu huỳnh.

Các hợp chất chứa lu huỳnh sẽ gây độc cho kim loại pt, làm ảnh hởng xấu đến chức năng hyđro hoá và đehyđro hoá Các hợp chất chứa lu huỳnh khác nhau sẽ ảnh hởng đến pt với mức độ khác nhau Trong các chất chứa lu huỳnh, thì mercaptan làm giảm mạnh nhất hoạt tính của xúc tác

Khi hàm lợng lu huỳnh trong nguyên liệu tăng lên hoạt tính xúc tác sẽ giảm xuống Khi đó không những hiệu suất bị giảm xuống mà cả chất lợng xăng cũng bị giảm xuống Ngoài ra khi hàm lợng lu huỳnh tăng lên thì tỉ trọng của khí chứa hyđro tuần hoàn cũng tăng lên, khí tạo thành tăng lên và mức độ cốc hoá cũng tăng lên Vì vậy làm giảm hoạt tính của xúc tác

Khi xúc tác tiếp xúc với nguyên liệu chứa lu huỳnh, không chỉ những kim loại trên xúc tác bị ngộ độc mà cả Al2O3 cũng bị biến đổi Nó tác dụng với hợp chất chứa

lu huỳnh tạo thành Al2(SO4)3 Do đó làm cho quá trình tái sinh xúc tác sẽ phức tạp hơn Sau khi tái sinh xúc tác thì Al2(SO4)3 bị khử bởi hydro tạo thành H2S, H2O,

Al2O3.Nhng hoạt tính của xúc tác vẫn không hoàn toàn nh xúc tác mới.Lu huỳnh ở dạng H2S còn gây ăn mòn thiết bị

Để đảm bảo thời gian làm việc lâu dài của xúc tác thì các hợp chất lu huỳnh cần

đợc tách ra khỏi nguyên liệu trớc khi đa vào quá trình reforming Hàm lợng lu huỳnh trong nguyên liệu cho phép từ 0,01-0,07% trọng lợng

Ví dụ sau cho thấy sự ảnh hởng của lu huỳnh lên hoạt tính của xúc tác: Reforming phân đoạn xăng 90-1700C chứa 25% Naften, 12% hyđrocacbon thơm ( Reforming ở điều kiện 35 at và tốc độ thể tích 2,1 h-1

Vậy phải khử H2S ra khỏi khí tuần hoàn bằng cách hấp phụ bằng dung dịch nớc monoetanolmin và tốt nhất là làm sạch lu huỳnh ngay trong nguyên liệu từ khâu đầu tiên trớc khi đa vào quá trình reforming xúc tác

4.3-ảnh hởng của hợp chất chứa nitơ.

Các hợp chất của nitơ cũng làm giảm độ hoạt tính của xúc tác vì các chất chứa nitơ thờng có tính bazơ ( nh NH3 ) sẽ làm trung hoà các tâm axit của xúc tác nên làm giảm tốc độ phản ứng hyđro hoá và đehyđro hoá ⇒ làm xấu đi các chỉ tiêu của xăng reforming Hàm lợng của nitơ trong nguyên liệu cho phép không vợt quá 10-4% trọng lợng

Khi reforming xúc tác các hợp chất nitơ sẽ bị phân huỷ và tạo thành NH3, chất NH3

sẽ gây ngộ độc xúc tác, khi tăng nhiệt độ trong các thiết bị phản ứng thì làm tăng việc giảm hoạt tính xúc tác và dẫn đến việc giảm thời gian làm việc của xúc tác.Khi tăng hàm lợng các hợp chất nitơ trong nguyên liệu làm tồi các chỉ tiêu của xăng reforming ảnh hởng của nitơ lên xúc tác pt/Al2O3 phụ thuộc vào tính chất của chất mang và độ phân tán của platin trên chất mang

Đa số các quá trình reforming đều áp dụng quá trình hyđro hoá làm sạch nguyên liệu

4.4-ảnh hởng của nớc.

Nớc có mặt trong nguyên liệu sẽ pha loãng các trung tâm axit Làm giảm độ axit của chất mang và làm tăng độ ăn mòn của thiết bị Hàm lợng H2O chứa trong nguyên liệu cho phép đợc khống chế trong giới hạn từ 10-15ppm Để tránh ăn mòn thiết bị cần tách nớc ra khỏi nguyên liệu bằng cách dùng quá trình làm khô khi dùng

“ rây phân tử” hoặc phun khí clo vào nguyên liệu chứa nớc.Chẳng hạn nh ở qúa trình khí clorua vào nguyên liệu chứa nớc Chẳng hạn nh ở quá trình Ultra-forming, với nguyên liệu chứa 15 ppm nớc, ngời ta phun clorua vào xúc tác đã tái sinh trong một thời gian cần thiết để khôi phục lại hoạt tính ban đầu của xúc tác Trong một số trờng hợp khác, ngời ta sử dụng 1,5ppm hợp chất diclopropylen phun vào khi hàm lợng nớc trong nguyên liệu tới 50ppm Ngời ta cũng thấy, xúc tác trên chất mang SiO2-Al2O3 là loại rất nhạy với nớc thì biện pháp trên rất hữu hiệu

4.5-ảnh hởng của các kim loại.

Các hợp chất chì và asen có trong nguyên liệu sẽ làm ngộ độc xúc tác rất mạnh

Sự có mặt của pb trong nguyên liệu do nhiều nguyên nhân khác nhau Các hợp chất pt trong nguyên liệu sẽ tích đọng trên xúc tác làm giảm hoạt tính của xúc tác Hàm lợng

pb cho phép trong nguyên liệu không vợt quá 0,02 ppm, còn của asen là 0,01

Vậy để đảm bảo hoạt tính của xúc tác, để xúc tác làm việc trong thời gian dài thì phơng pháp có hiệu quả nhất là làm sạch nguyên liệu trớc khi đa vào quá trình reforming bằng phơng pháp hyđro hoá

5 Tính chất của xúc tác.[2]

5.1 Độ hoạt tính.

Có nhiều phơng pháp để đánh giá hoạt tính của xúc tác.Nhng về bản chất, các

ph-ơng pháp cơ bản là giống nhau, đều dựa vào thiết bị chuẩn hoá và nguyên liệu mẫu cùng các điều kiện công nghệ của phòng thí nghiệm, để xác định hiệu suất của các sản phẩm Độ hoạt tính của xúc tác thờng đợc biểu diễn thông qua chỉ số hoạt tính,

đó là giá trị của hiệu suất xăng (% khối lợng)

5 2 Độ chọn lọc:

Khả năng của xúc tác làm tăng tốc độ các phản ứng có lợi, đồng thời làm giảm tốc độ phản ứng không mong muốn đợc gọi là độ chọn lọc của xúc tác.Trong quá trình reforming xúc tác, độ chọn lọc của xúc tác quyết định khả năng tạo các sản phẩm có giá trị đó là, xăng có chất lợng cao.Trong quá trình reforming xúc tác độ chọn lọc của chất xúc tác đợc đo bằng tỷ lệ của hàm lợng hydrocacbon (có ít nhất hơn 5 nguyên tử cacbon) trên hàm lợng hydrocacbon đợc chuyển hóa (hiệu xuất) Có hai phản ứng dẫn tới việc giảm hiệu xuất là:

+ Phản ứng hydro phân sinh ra khí C1, C2.+ Phản ứng hydrocracking tạo ra propan và butan

Để tăng tính chọn lọc của chất xúc tác thì ngời ta thêm vào một số kim loại khác (kim loại thứ hai), đặc biệt là ở áp xuất thấp

5.3 Độ bền:

Trong quá trình phản ứng thì độ bền của chất xúc tác bị thay đổi (giảm dần) Đó

là chính ảnh hởng của nhiệt độ Trong những điều kiện của reforming xúc tác, sự mất hoạt tính là do :

+ Giảm bề mặt chất xúc tác do sự thiêu kết và tạo cốc

+ Sự giảm hoạt tính axit

5.4 Tính nhạy cảm đối với tạp chất:

Chất xúc tác trong quá trình reforming xúc tác rất nhạy cảm đối với một số tạp chất, quá trình đó có thể là thuận nghịch hoặc bất thuận nghịch Trong số các tạp chất

mà trong quá trình thuận nghịch là H2O và Oxy (O2) Sự tạo thành nớc trong quá trình reforming xúc tác dẫn tới sự rửa giải Clo và giảm hoạt tính của axit của chất mang …

6-Sự thay đổi tính chất của xúc tác trong quá trình làm việc.[4,5]

Trong quá trình làm việc lâu dài của xúc tác các tính chất của xúc tác bị thay

đổi theo thời gian Sự thay đổi đó là do sự tạo cốc bám trên bề mặt hoạt tính của xúc tác cũng nh sự thay đổi hoá lý của xúc tác dới tác dụng của nhiệt độ cao và các chất

có hại chứa trong nguyên liệu

Sự thay đổi các tính chất của xúc tác reforming khi làm việc có thể chia ra làm

2 loại sau:

+ Những sự thay đổi tạm thời ( có thể khôi phục lại các tính chất ban đầu của nó bằng quá trình tái sinh xúc tác):.Đó là các thay đổi do sự tạo cốc hay sự ngộ độc thuận nghịch bởi các hợp chất của oxi, nitơ, lu huỳnh

+ Những thay đổi vĩnh viễn: Là những thay đổi không thể hồi phục lại Ví dụ: đối với xúc tác pt/ Al2O3 có sự thay đổi vĩnh viễn do thay đổi bề mặt riêng của xúc tác hay thay đổi trạng thái phân tán của pt trên chất mang

Xúc tác sau một thời gian làm việc lâu dài thì có độ chọn lọc hơn nhiều so với xúc tác mới.Hoạt tính của xúc tác giảm 1,5 lần so với xúc tác mới Ví dụ nếu trên xúc tác mới hiệu suất izo-pentan là 42,2% trọng lỡƠÁ35G35

3535¿35353535353535353535353535ỳ 35

Đehydro vòng hoá

Hydrocracking +isome hoá +dehydro vòng hoá

R =

36bjbjŽ ŽÙ Ù363636363636363636363636363636363636 36-/36ì³ 36ì³ 36ªæ 3636363636ó363636363636363636363636363636

373737373737 ¤ÿÿ 373737373737373737 ¤ÿÿ 373737373737373737 ¤ÿÿ 3

737373737373737373737373737373737

]3737373737t373737373737t3737t373737373737t373737373737t>373737373737t>373737373737t>3737µ3737373737373737373737ˆ>373737373737ˆ>373737373737ˆ>373737373737ˆ>37378373737À>3737| ì¥Á37G37

3737¿37373737373737373737373737ú 37

§ehydro vßng ho¸

Hydrocracking +isome ho¸ +dehydro vßng ho¸

R =

38bjbjŽ ŽÙ Ù383838383838383838383838383838383838 38-/38ì³ 38ì³ 38ªæ 3838383838ó383838383838383838383838383838

393939393939 ¤ÿÿ 393939393939393939 ¤ÿÿ 393939393939393939 ¤ÿÿ 3

939393939393939393939393939393939

]3939393939t393939393939t3939t393939393939t393939393939t>393939393939t>393939393939t>3939µ3939393939393939393939ˆ>393939393939ˆ>393939393939ˆ

40bjbjŽ ŽÙ Ù404040404040404040404040404040404040 40-/40ì³ 40ì³ 40ªæ 4040404040ó404040404040404040404040404040