tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở hzsm-5. ứng dụng trong công nghệ nhiệt phân nhựa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA-VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM LÊ NGỌC TÌNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC REFORMING TRÊN CƠ SỞ HZSM-5 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN NHỰA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC Người hướng dẫn GS. TS. PHAN ĐÌNH TUẤN TS. HUỲNH QUYỀN BÀ RỊA – VŨNG TÀU, 2012 Hiện nay rác thải từ nhựa gây ô nhiễm môi trường đang là một vấn đề bức thiết của Việt Nam ta nói riêng và thế giới nói chung. Chúng ta có thể xử lý rác thải theo một số phương pháp như chôn lấp, đốt,…Tuy nhiên với phương pháp đốt sẽ sinh ra nhiều khí độc hại cho môi trường, trong đó có cả chất dioxin. Bên cạnh đó nếu sử dụng phương pháp chôn lấp rác thải, chúng ta vô tình bỏ đi một nguồn nhựa đáng quý. Do vậy phương pháp nhiệt phân nhựa thành dầu nhiên liệu là một hướng đi mang lại giá trị kinh tế cao, đồng thời giải quyết được vấn đề về môi trường. Phương pháp này đã được nghiên cứu tại một số nước như Mỹ, Nhật Bản,…và tại Việt Nam năm 2011 đã được thử nghiệm thành công tại “Trung tâm nghiên cứu lọc hóa dầu đại học Bách khoa TP. HCM”. Bên cạnh đó hệ xúc tác Me/ZSM-5 đã được đưa vào nghiên cứu tổng hợp và ứng dụng cho một số nghiên cứu và đã mang lại những thành công bước đầu. Từ những cơ sở trên nghiên cứu “ Tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5. Ứng dụng cho quá trình nhiệt phân nhựa” đã được thực hiện. Nhằm giải quyết hai vấn đề chính: thay đổi cơ cấu sản phẩm, tăng hiệu suấ thu hồi sản phẩm lỏng và giảm hiệu suất của sản phẩm khí; Trong sản phẩm lỏng có chứa hàm lượng olefin rất lớn, với sự có mặt của xúc tác Me/ZSM-5 sẽ chuyển hóa các olefin thành các hydrocacbon no và hydrocacbon thơm, nhằm làm tăng chất lượng dầu nhiệt phân. Kết cấu đề tài bao gồm 5 chương: Chương I: Mở đầu Chương II: Tổng quan lý thuyết Chương III: Nhiên cứu thực nghiệm tổng hợp xúc tác Chương IV: Nghiên cứu thực nghiệm khảo sát hiệu suất hình thành nhiên liệu của quá trình nhiệt phân nhựa trên các chất xúc tác Chương V: Kết quả và bàn luận Chương VI: Kết luận và kiến nghị LỜI MỞ Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy giáo hướng dẫn là PGS.TS. Phan Đình Tuấn và TS. Huỳnh Quyền. Những người đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô giáo bộ môn Công Nghệ Hóa Học nói riêng, các thầy cô giáo trong khoa Hóa Học và Công Nghệ Thực Phẩm nói chung. Các thầy cô đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt bốn năm học vừa qua, đó chính là nền tảng để tôi thực hiện tốt đồ án này. Tôi xin cảm ơn các anh chị trong Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hóa Dầu - Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, đóng góp những ý kiến hữu ích để đồ án của tôi được hoàn thiện hơn. Cuối cùng, tôi muốn cảm ơn đến gia đình và các bạn trong lớp DH08H1 đã luôn ủng hộ tinh thần, động viên, giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt bốn năm học cũng như trong thời gian thực hiện đồ án này. TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2012 Lê Ngọc Tình LỜI CẢM MỤC LỤC Trang CH Ư ƠN G I : M Ở ĐẦ U 1 1 . 1 . Đ ặ t v ấ n đ ề . . . . . 1 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài 2 1.2.1. Trong nước 2 1.2.2. Ngoài nước 3 1.3. Đối tượng nghiên cứu 5 1.4. Mục tiêu nghiên cứu 5 1.5. Nội dung nghiên cứu 6 1.6. Phương pháp nghiên cứu 6 1.7. Ý nghĩa khoa học 7 1.8. Ý nghĩa thực tiễn 7 CHƯƠNG II : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 8 2.1. Tổng quan về quá trình nhiệt phân nhựa 8 2.1.1. Tổng quan về nguyên liệu 8 2.1.2. Các phương pháp xử lí plastic phế thải 10 2.1.2.1. Đối với plastic có thể tinh chế 10 2.1.2.2. Plastic phế thải phi tinh chế 10 2. 1. 3. Ph ư ơn g ph áp nh iệt ph ân pl as tic 11 2. 1. 3. 1. N hi ệt ph ân kh ôn g xú c tá c và nhiệt phân có xúc tác 11 2.1.3.1.1. Nhiệt phân không xúc tác 11 2.1.3.1.2. Nhiệt phân có xúc tác 11 2.1.3.2. Nhiệt phân - Phương pháp chiếm ưu thế trong việc xử lí plastic phi tinh chế thành dầu nguyên liệu 11 2.1.3.3. Cơ chế nhiệt phân 13 2.1.3.3.1. Nhiệt phân sơ cấp 13 2.1.3.3.1. Nhiệt phân thứ cấp 14 2.1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nhiệt phân 14 2.1.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ 14 2.1.3.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ gia nhiệt 15 2.1.3.4.3. Thời gian nhiệt phân 15 2.1.3.4.4. Ảnh hưởng của nguyên liệu 15 2.1.3.4.5. Tốc độ sục khí N 2 17 2.1.3.3.6. Hình thức của lò phản ứng 18 2.1.3.3.7. Ảnh hưởng của xúc tác – Nồng độ xúc tác 19 2.1.4. Sơ đồ công nghệ của quá trình nhiệt phân nhựa 21 2.2. Tổng quan về xúc tác zeolit 22 2.2.1. Khái niệm 22 2.2.2. Đặc điểm cấu trúc của zeolit 22 2.2.3. Tính xúc tác của zeolite 25 2.2.4. Ứng dụng của Zeolite 25 2.3. Giới thiệu về chất mang Zeolite ZSM-5 26 2.3.1. Thành phần hóa học của ZSM-5 26 2.3.2. Đặc điểm H-ZSM-5 27 2.3.3. Cấu trúc H-ZSM-5 27 2.3.4. Tính chất của ZSM-5 28 2.3.4.1. Tính axit 28 2.3.4.2. Tính chọn lọc hình học 30 2.3.5. Tổng hợp vật liệu ZSM-5 32 2.3.6. Ứng dụng của Zeolite ZSM-5 32 2.4. Phương pháp tổng hợp xúc tác – phương pháp tẩm trên chất mang 33 CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TỔNG HỢP XÚC TÁC 35 3.1. Hóa chất 35 3.2. Phương pháp tổng hợp 35 3.3. Quy trình tổng hợp xúc tác 36 3.4. Phương pháp xử lý số liệu-phân tích kết quả quá trình tổng hợp xúc tác 37 3.4.1. Thực nghiệm tổng hợp xúc tác 37 3.4.2. Phương pháp xác định bề mặt riêng xúc tác và kích thước lỗ trống 38 CHƯƠNG IV : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢO SÁT HIỆU SUẤT HÌNH THÀNH NHIÊN LIỆU CỦA QUÁ TRÌNH NHIỆT PHÂN NHỰA TRÊN CÁC CHẤT XÚC TÁC 40 4.1. Nguyên liệu 40 4.2. Thiết bị nghiên cứu 41 4.2.1. Hệ thống nhiệt phân nhựa 41 4.2.2. Hệ thống chưng cất 44 4.3. Thực nghiệm khảo sát hiệu suất hình thành nhiên liệu 45 4.3.1. Quy trình thực nghiệm 45 4.3.2. Quy hoạch thí nghiệm 46 4.3.3. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của các loại xúc tác khác nhau 46 4.4. Phương pháp xử lý số liệu-phân tích quá trình nhiệt phân và chất lượng dầu nhiệt phân từ nhựa 47 4.4.1. Phương pháp xác định khối lượng và hiệu suất sản phẩm 47 4.4.2. Đo nhiệt trị của dầu nhiên liệu 48 CHƯƠNG V: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 49 5.1. Kết quả tổng hợp xúc tác 49 5.1.1. Đánh giá hiệu quả của quy trình tổng hợp 49 5.1.2. Đánh giá hiệu quả chất xúc tác sau khi tổng hợp 50 5.2. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu suất của quá trình nhiệt phân nhựa với các xúc tác đã tổng hợp 52 5.2.1. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu suất tạo dầu từ nhựa cao su 52 5.2.2. Kết quả thực nghiệm khảo sát hiệu suất phân đoạn dầu nhẹ và dầu nặng khi chưng cất tới 350 o C 54 5.3. Kết quả đo nhiệt trị của dầu nhẹ từ nhiệt phân nhựa 59 5.4. Cơ chế xúc tác trong quá trình reforming khí nhiệt phân nhựa của các xúc tác được nghiên cứu 60 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65 6.1. Kết luận 65 6.2. Kiến nghị 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 68 DANH MỤC BẢNG Trang Bả ng 2. 1: C ơ cấ u sả n ph ẩ m nh iệt ph ân . 12 Bả ng 2. 2: Th àn h ph ần tỉ lệ nguyên liệu và hiệu suất tạo dầu 16 Bảng 2.3: Sản phẩm nhiệt phân của FT wax sau khi được hydrotreating 17 Bảng 2.4: Hiệu suất chuyển hóa hydrocacbon thơm từ n- hecxane với các xúc tác HZSM-5 tẩm kim loại 20 Bảng 3.1: Hóa chất tổng hợp xúc tác 35 Bảng 3.2: Khối lượng các chất cần để điều chế xúc tác 38 Bảng 4.1: Thành phần nguyên liệu của đệm Kim Đan 40 Bảng 4.2: Điều kiện thí nghiệm cơ sở 46 Bảng 4.3: Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các loại xúc tác 47 Bảng 5.1: Khối lượng các chất xúc tác thu được sau khi tổng hợp 49 Bảng 5.2: Diện tích bề mặt riêng và đường kính lỗ mao quản của các xúc tác 51 Bảng 5.3: Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của xúc tác Mo/ZSM-5 theo nghiên cứu của Tshabalala 51 Bảng 5.4: Thể tích, khối lượng và tỷ trọng của sản phẩm dầu khi nhiệt phân nhựa ở điều kiện nhiệt phân cơ sở 52 Bảng 5.5: Hiệu suất sản phẩm dầu/nguyên liệu khi nhiệt phân nhựa ở điều kiện nhiệt phân cơ sở 53 Bảng 5.6: Thể tích dầu nhẹ theo nhiệt độ sôi khi chưng cất 54 Bảng 5.7: Điểm sôi đầu của dầu khi chưng cất 55 Bảng 5.8: Khối lượng, thể tích và tỉ trọng của dầu nhẹ khi chưng cất tới 350 o C 56 Bả ng 5. 9: Hi ệu su ất dầ u nh ẹ và dầ u nặ ng th u đư ợc kh i nh iệt ph ân nh ựa ở điều kiện cơ sở 57 Bả ng 5. 10 : N hi ệt [...]... polymerization) 2 giai đoạn 2.1.3.1.2 Nhiệt phân có xúc tác - Nhiệt phân xúc tác phân thành 2 loại: + Trộn chất xúc tác vào plastic phế thải rồi cho nhiệt phân trong điều kiện phản ứng (xúc tác cracking) + Nhiệt phân plastic phế thải rồi cho vật chất sinh ra tiếp xúc với chất xúc tác ở trạng thái khí (xúc tác reforming) Vai trò của chất xúc tác trong phản ứng nhiệt phân xúc tác ở dạng khí là cải thiện chất... thực nghiệm tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở ZSM-5 2.1 Nghiên cứu tổng hợp xúc tác Mo/H-ZSM-5 2.2 Nghiên cứu tổng hợp xúc tác Co/H-ZSM-5 2.3 Nghiên cứu tổng hợp xúc tác Fe/H-ZSM-5 Nội dung 3: Nghiên cứu thực nghiệm khảo sát hiệu suất hình thành nhiên liệu của quá trình nhiệt phân nhựa đối với các hệ xúc tác khác nhau 3.1 Nghiên cứu thực nghiệm thực hiện phản ứng nhiệt phân nhựa với xúc tác H-ZSM-5... cho quá trình nhiệt phân nhựa  Cơ sở nghiên cứu về chất lượng của dầu nhiên liệu từ nhiệt phân nhựa 1.5 Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan nhằm xây dựng cơ sở cho quá trình nghiên cứu 1.1 Nghiên cứu tổng quan cơ chế của quá trình nhiệt phân nhựa không xúc tác và có xúc tác 1.2 Nghiên cứu tổng quan về hệ xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5 cho quá trình nhiệt phân nhựa để sản xuất... cứu tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở ZSM-5 ứng dụng trông công nghệ nhiệt phân bao gồm:  Nghiên cứu, tổng hợp, phân tích kết quả nghiên cứu thực nghiệm tổng hợp xúc tác  Nghiên cứu khảo sát thực nghiệm hiệu suất hình thành nhiên liệu của quá trình nhiệt phân nhựa  Phương pháp phân tích sản phẩm bằng phương pháp đo nhiệt trị 1.7 Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu tiến hành trên một số loại xúc tác. .. cạnh đó xúc tác làm cho sản phẩm dầu nhiên liệu có số hydrocacbon phân bố hẹp, làm tăng chất lượng dầu Vì vậy việc nghiên cứu để tìm ra loại xúc tác có hiệu suất cao với quá trình nhiệt phân nhựa là một việc quan trọng và cần thiết Trên cơ sở nhận thức đó, đồ án tốt nghiệp đại học “ nghiên cứu tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5 ứng dụng trông công nghệ nhiệt phân nhựa được thực hiện 1.2 Tổng. .. Cứu Công Nghệ Lọc Hoá Dầu Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh  Quá trình nhiệt phân: nhiệt phân trong điều kiện không có oxy ,nhiệt độ 600oC, có xúc tác và không có xúc tác  Sản phẩm: Dầu nhiệt phân 1.4 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu đặt ra trong nghiên cứu này là:  Nghiên cứu hiệu ứng của ba loại xúc tác trên đối với quá trình nhiệt phân nhựa  Cơ sở lý luận cho các nghiên cứu tối ưu xúc tác cho... thực hiện phản ứng nhiệt phân nhựa với xúc tác Mo/H-ZSM-5 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm thực hiện phản ứng nhiệt phân nhựa với xúc tác Co/H-ZSM-5 3.4 Nghiên cứu thực nghiệm thực hiện phản ứng nhiệt phân nhựa với xúc tác Fe/H-ZSM-5 1.6 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu này được thực hiện trên cơ sở phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên hệ thống pilot được xây dựng Các phương pháp được sử dụng trong nghiên... xúc tác và nhiệt phân có xúc tác 2.1.3.1.1 Nhiệt phân không xúc tác Dầu nhiệt phân không xúc tác thì sản phẩm là các mạch hydrocacbon có số phân tử cacbon phân bố rất rộng, có hàm luợng paraffin và olefin cao Nhiệt độ nhiệt phân của plastic tăng dần theo thứ tự PS > PP > PE, trường hợp là PP và PE sẽ xảy ra phản ứng nhiệt phân tại nhiệt dộ khoảng 400-450°C, PVC sẽ xảy ra sự nhiệt phân lần thứ nhất... trình này được áp dụng đối với nhiên liệu có chứa nhiều hydrocacbon Nhiệt phân là bước đầu của quá trình khí hóa được thực hiện trong điều kiện không có oxy, ở nhiệt độ trung bình [2,3] Trường Quá trình nhiệt phân nhựa bao gồm 2 phương pháp : nhiệt phân không xúc tác và nhiệt phân có xúc tác Xúc tác đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất và chất lượng dầu khi nhiệt phân Khi các phân tử khí hydrocacbon... Bảng 2.1: Cơ cấu sản phẩm nhiệt phân Kỹ thuật Tốc độ gia nhiệt phân nhiệt Carbonation Rất chậm Vài ngày 400 Conventional Chậm 5-30 phút 600 Flash Rất nhanh 1-5 giây 650 Thời gian lưu Nhiệt độ o Sản phẩm chính C Than Dầu nhiệt phân, khí, than Dầu nhiệt phân 2.1.3.3 Cơ chế nhiệt phân Trường hợp nhiệt phân nhựa cũng như nhiệt phân Biomass, nhìn chung toàn bộ quy trình qua một loạt các hướng phản ứng phức . HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM LÊ NGỌC TÌNH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC REFORMING TRÊN CƠ SỞ HZSM-5 ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ NHIỆT PHÂN NHỰA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Ngành CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT. cứu và đã mang lại những thành công bước đầu. Từ những cơ sở trên nghiên cứu “ Tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5. Ứng dụng cho quá trình nhiệt phân nhựa đã được thực hiện. Nhằm. nghiên cứu tổng hợp xúc tác reforming trên cơ sở HZSM-5 ứng dụng trông công nghệ nhiệt phân nhựa được thực hiện. 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài 1.2.1. Trong nước Trước