Xúc tác nền là Zeolite ZSM-5 được nung ở 150oC trong thời gian 30 phút, nhằm đuổi khí và nước trong mao quản của xúc tác để quá trình tẩm được dễ dàng.
Muối kim loại được cho vào nước cất gia nhiệt có khuấy trong 20-30 phút để hòa tan hoàn toàn muối kim loại trong nước. Xúc tác sau khi nung được cho vào dung dịch muối kim loại có khuấy trộn. Gia nhiệt và khuấy cho tới khi dung dịch đặc sệt màu nhạt và đồng nhất. Tiến hành sấy hỗn hợp trên từ 1-2h, ở nhiệt độ 100oC nhằm đuổi hoàn toàn nước ra khỏi xúc tác. Sau đó nung ở 500oC trong thời gian 5h, mục đích của công đoạn nung này là đưa muối kim loại về dạng oxit kim loại. Thu được hỗn hợp xúc tác đã tẩm kim loại ở dạng bột.
Muối KL HZSM-5 Nung (30 phút, 120-150oC) Khuấy trộn , gia nhiệt (20 phút, 30-50 oC) Dung dịch
Muối Khuấy trộn , gia nhiệt (1-2h, 30-50 o C) Nước cất Sấy (1-2h, 100 o C) Xúc tác Nung (5h, 500 oC) Sơ đồ 3.1: Quy trình tổng hợp xúc tác
3.4. Phương pháp xử lý số liệu-phân tích kết quả của quá trình tổng hợp xúc tác 3.4.1. Thực nghiệm tổng hợp xúc tác
Khối lượng kim loại chiếm trong xúc tác:
m M
a m
X T ( 3.1) Trong đó: a
: Phần trăm khối lượng trong xúc tác
m
M
: Khối lượng kim loại trong xúc tác
m
XT : Khối lượng xúc tác cần điều chế Phần trăm khối lượng kim loại trong hỗn hợp muối :
b
M M M
Muoi
Trong đó: b
M
M
: Khối lượng mol của kim loại M
M
M u o i : Khối lượng mol muối của kim loại M Khối lượng muối của kim loại cần tẩm :
m
Muoi
b m
M (3.3)
Để tổng hợp 50g xúc tác với khối lượng kim loại cần tẩm là 5% ta cần khối lượng các chất như sau:
Bảng 3.2 : Khối lượng các chất cần để điều chế xúc tác
Tên hóa chất Xúc tác Khối lượng Heptamolybdate ngậm nước (g) Khối lượng Coban nitrate ngậm nước (g) Khối lượng Sắt III nitrat ngậm nước (g) Khối lượng ZSM-5 (g) Mo/ZSM-5 4,596 - - 47,5 Co/ZSM-5 - 12,330 - 47,5 Fe/ZSM-5 - - 34,653 47,5 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.4.2. Phương pháp xác định bề mặt riêng xúc tác và kích thước lỗ trống
Việc xác định diện tích bề mặt riêng chủ yếu dựa vào phương pháp đo BET, là phương pháp phổ biến hiện nay. Phương pháp BET dựa trên nhiều lớp mô hình phân tử hấp phụ được đề xuất bởi Stephen Brunauer, Paul Hugh Emmett và Edward Teller, trong đó khối lượng đơn lớp hấp phụ Vm tương ứng với khối lượng hấp phụ đa lớp V.
Đây là phương trình BET:
V: thể tích khí bị hấp phụ ở áp suất p.
Vm: thể tích khí bị hấp phụ trong lớp đơn phân tử. C: thừa số năng lượng.
Dựa trên lý thuyết hấp phụ đa lớp, phương trình BET càng chính xác hơn khi mô tả quá trình hấp phụ thực tế, do đó, việc xác định diện tích bề mặt riêng bằng phương pháp đo BET đảm bảo tính chính xác hơn.
Cơ sở của phương pháp đo bề mặt riêng: dựa trên sự hấp phụ khí N2.
Đầu tiên mẫu sẽ được giải hấp ở nhiệt độ 250oC trong 2 giờ. Tiếp theo sẽ thực hiện việc gia tăng áp suất tương đối với sự gia tăng liên tục của thể tích khí Vi. Và quá trình đo kết thúc khi giá trị P/Po bằng 0,3. Dựa vào các số liệu V, P, Po và phương trình BET, xác định được thể tích khí hấp phụ trên một đơn lớp Vm. Từ đó suy ra diện tích bề mặt riêng của mẫu theo phương trình BET.
Mẫu xúc tác được xác định bề mặt riêng và đường kính mao quản bằng máy NOVA 2200 (hình 3.3) tại Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hoá dầu – Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh.
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 4.1. Nguyên liệu
Nguyên liệu được sử dụng cho quá trình nhiệt phân nhựa là nhựa thải của nhà máy
đệm Kim Đan [8].
Bảng 4.1 : Thành phần nguyên liệu trong đệm Kim Đan
STT Nguyên liệu hóa chất Khối lượng (kg)
1 Cao su 7,900 2 Oxit kẽm 0,800 3 Acid stearic dạng hạt 0,160 4 Antioxydant PBN 0,080 5 Accelerator M 0,080 6 Accelerator D 0,056 7 Màu đỏ B 0,032 8 Bột đá vôi CaCO3 2,000 9 Bột đất trắng 1,200 10 Hỗn hợp chủ 100-S 0,240 Tổng cộng 12,548 6
Như vậy có thể thấy rằng thành phần cao su trong đệm của Kim Đan khá cao khoảng 62,96%. Cao su trong đệm chính là polyme của isopren:
Hình 4.1: Nhựa thải của đệm Kim Đan
4.2. Thiết bị nghiên cứu
4.2.1. Hệ thống nhiệt phân nhựa
Hệ thống thiết bị phản ứng nhiệt phân dạng tầng cố định được thiết kế và lắp đặt tại Trung Tâm Nghiên Cứu Công Nghệ Lọc Hoá Dầu Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh.
Hệ thống thiết bị thí nghiệm gồm: Thiết bị phản ứng
Thiết bị gia nhiệt
Thiết bị ngưng tụ sản phẩm Bình tách lỏng khí Thấp hấp thụ khí H2S Bình ổn định lưu lượng Bình khí nitơ Vũng -
Lưu lượng kế
1. Bảng điện điều khiển 2. Thiết bị phản ứng 3. Thiết bị ngưng tụ 4. Bình tách lỏng- khí 5. Tháp hấp thụ H2S 6. Bình ổn định lưu lượng khí 7. Bộ phận thu mẫu khí 8. Bình nitơ
9. Lưu lượng kế nitơ
Hình 4.3: Cấu tạo thiết bị nhiệt phân
Thiết bị phản ứng được thiết kế dạng ống tầng cố định. Vật liệu làm thiết bị là thép không gỉ SUS 304 dày 3mm. Chiều dài ống phản ứng là 700mm, đường kính ống là 100mm. Sau khi nhiệt phân, phần khí thoát ra qua ống phía trên nắp của thiết bị. Thiết bị phản ứng được gia nhiệt bằng điện trở xung quanh, bên ngoài được bọc cách nhiệt bằng lớp bông thủy tinh. Nhiệt độ phản ứng được đo bằng đầu dò nhiệt độ, được đặt trong một ống thép có đường kính 6mm. Ống thép được hàn bịt kín đầu tiếp xúc với nhiên liệu. Thiết bị phản ứng được điều khiển bằng bộ điều khiển nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt. Cấu tạo của bộ điều khiển nhiệt độ và tốc độ gia nhiệt bao gồm timer, đồng hồ đo nhiệt độ và kiac chỉnh lưu. Để đạt tốc độ gia nhiệt cần thiết, thời gian mở và ngắt dòng điện đi qua của bộ phận điều khiển timer được cài ở một chế độ nhất định. Tốc độ gia nhiệt càng lớn khi thời gian mở cho dòng điện đi qua càng lớn và thời gian đóng không cho dòng điện chạy qua nhỏ. Khi nhiệt độ gia nhiệt đạt đến nhiệt độ cần nhiệt phân thì bộ phận điều khiển nhiệt độ tự động ngắt và ổn định. Sai số của nhiệt độ nhiệt phân dao động trong khoảng ± 50C [2]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.2.2. Hệ thống chưng cấtHệ thống chưng cất bao gồm: Hệ thống chưng cất bao gồm: Bình chưng cất Bếp điện Bộ dò nhiệt Ống sinh hàn làm mát Ống đong 100ml 1. Bếp gia nhiệt 2. Bình chưng cất 3. Ống sinh hàn ngưng tụ 4. Bộ dò nhiệt 5. Ống đong 100ml Hình 4.4: Hệ thống chưng cất dầu
4.3. Thực nghiệm khảo sát hiệu suất hình thành nhiên liệu4.3.1. Quy trình thực nghiệm 4.3.1. Quy trình thực nghiệm Khí thải Hấp thụ H 2 S Nguyên liệu Khí Sấy ở 120 o
C Nhiệt phân Xúc tác Ngưng tụ
Khí nitơ SP cặn Dầu nhiệt phân Dầu nhẹ Chưng cất ở 350 o C Dầu nặng Sơ đồ 4.1: Sơ đồ khối quy trình thực nghiệm
Khảo sát quá trình nhiệt phân gồm hai trường hợp có xúc tác và không có xúc tác. Đối với trường hợp có xúc tác ta chọn tỉ lệ xúc tác/nguyên liệu để nghiên cứu là 10%. Sau khi nguyên liệu và xúc tác được đưa vào bình phản ứng (bình phản ứng dạng tầng cố định).
Khởi động hệ thống nhiệt phân, lượng nitơ được đưa vào 30 phút với lưu lượng 1000ml/phút để tạo môi trường trơ cho phản ứng, đồng thời ta gia nhiệt tới 150oC để làm bay hơi lượng nước có trong nguyên liệu. Sau đó ta gia nhiệt tới 600oC các mạch polymer bị bẻ gãy tạo thành sản phẩm hơi cho đi qua lớp xúc tác để reforming khí.
Khí sau khi được chuyển hóa thoát ra từ đỉnh thiết bị phản ứng được ngưng tụ lại. Sau đó qua bình phân tách lỏng khí. Phần khí được dẫn qua hệ thống làm sạch khí, hệ
thống làm sạch có chứa dung dịch Pb(CH3COO)2 0.1 M để hấp thụ khí bẩn như H2S… Sau đó, sản phẩm khí sạch được thải ra ngoài. Phần lỏng thu được là dầu nhiệt phân tuy nhiên dầu nhiệt phân này là hỗn hợp có màu đen, có chứa nhiều hợp chất hydrocacbon khác nhau. Phần lỏng này được xác định khối lượng và thể tích. Hỗn hợp dầu nhiệt phân được chưng cất ở 350oC, nhằm tách phần dầu nhẹ ra khỏi phần dầu nặng. Sau đó ta xác định thể tích và định lượng của hai phần dầu kể trên và suy ra được tỷ trọng của mỗi loại dầu.
4.3.2. Quy hoạch thí nghiệm
Dựa trên các công nghệ nhiệt phân chính hiện nay, đó là: cốc hóa chậm (carbonation), chuyển hóa chậm (conventional) và chuyển hóa rất nhanh (flash). Đồng thời cùng các kết quả nghiên cứu quá trình nhiệt phân nhựa không xúc tác ta có thể ứng dụng các điều kiện thí nghiệm làm cơ sở cho các nghiên cứu trên các hệ xúc tác. Các điều kiện thí nghiệm cơ sở được tổng hợp như sau:
Bảng 4.2: Điều kiện thí nghiệm cơ sở
Điều kiện thí nghiệm Thông số
Khối lượng nhựa cao su (kg) 0,4
Tốc độ gia nhiệt (oC/ phút) 20 Tốc độ sục khí nitơ (ml/phút) 1000
Thời gian sục khí nitơ (phút) 30
Tỷ lệ xúc tác/ nhựa (%m) 10
Thời gian nhiệt phân (phút) 90
Nhiệt độ (oC) 600
4.3.3. Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của các loại xúc tác khác nhau
Ảnh hưởng của các loại xúc tác khác nhau đến quá trình nhiệt phân nhựa được thực hiện với các thông số đã xác định ở trên.
Yếu tố đánh giá ở thí nghiệm này là hiệu suất thu hồi lỏng. Từ hiệu suất sản phẩm lỏng thu hồi được ta đánh giá được hiệu ứng của từng loại xúc tác đối với quá trình reforming khí từ quá trình nhiệt phân nhựa.
Bảng 4.3 : Điều kiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng loại xúc tác
Điều kiện thí nghiệm Thông số
Khối lượng nhựa (kg) 0,4
Tốc độ gia nhiệt (oC/ phút) 20 Tốc độ sục khí nitơ (ml/phút) 1000
Thời gian sục khí nitơ (phút) 30
Tỷ lệ xúc tác/ nhựa (%m) 10 Loại xúc tác Không xúc tác HZSM-5 Fe/ ZSM-5 Co/ ZSM-5 Mo/ZSM-5
Thời gian nhiệt phân (phút) 90
Nhiệt độ (oC) 600
4.4. Phương pháp xử lý số liệu-phân tích quá trình nhiệt phân và chất lượngdầu nhiệt phân từ nhựa dầu nhiệt phân từ nhựa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
4.4.1. Phương pháp xác định khối lượng và hiệu suất sản phẩm
Để xác định khối lượng các sản phẩm thu được chúng ta tiến hành cân khối lượng của chúng, việc xác định hiệu suất các sản phẩm được tính theo các công thức sau:
Hiệu suất tạo dầu
mDau
*100 % (4.1)
m
NgL
Trong đó: MDau: Khối lượng dầu sau khi nhiệt phân (g) mNgL: Khối lượng nhựa nguyên liệu (g)
Hiệu suất của phân đoạn dầu nhẹ
m
D a u n h e
m
D a u
Trong đó: mDaunhe: Khối lượng của phần dầu nhẹ sau khi chưng cất (g) Hiệu suất phân đoạn dầu nặng
m D a u n a n g 1 0 0 % (4.3)
D a u n a n g
m D a u
Trong đó: MDaunang: Khối lượng dầu cặn sau khi chưng cất (g) Tỷ trọng của dầu
d m
(4.4) Trong đó: d: Tỷ trọng của dầu (g/ml)
m: Khối lượng dầu (g) V: Thể tích dầu (ml)
4.4.2. Đo nhiệt trị của dầu nhiên liệu
Giá trị nhiệt trị của vật chất là lượng nhiệt tỏa ra trong suốt quá trình cháy một lượng vật chất đó. Giá trị nhiệt trị là một tính chất cho mỗi vật chất, thứ nguyên là đơn vị năng lượng/đơn vị khối lượng như là kcal/kg hoặc là kJ/kg. Thông thường giá trị nhiệt trị được xác định bằng cách sử dụng bơm Calorimeter. Nhiệt trị thường được biểu thị bằng HHV và LHV.
Giá trị HHV được đưa vào tính toán ẩn nhiệt hóa hơi của nước trong việc đốt cháy các sản phẩm.
HHV = 354,2*CF+170,8*V
Trong đó CF là hàm lượng cacbon cố định, còn V là hàm lượng cacbon không cố định.
Các tính toán LHV cho rằng hàm lượng nước của quá trình cháy là ở cuối quá trình cháy, ngược lại với HHV, theo HHV là tất cả hàm lượng nước trong quá trình cháy là ở trạng thái lỏng sau một quá trình cháy.
Trong đó H là hàm lượng hydro, O là hàm lượng oxy, W là hàm lượng nước. Mẫu được đo tại Phòng thí nghiệm trọng điểm khoa Kỹ thuật hóa học, trường Đại học Bách Khoa, Đại học quốc gia TP.HCM. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
CHƯƠNG V
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 5.1. Kết quả tổng hợp xúc tác
5.1.1. Đánh giá hiệu quả của quy trình tổng hợp
Các chất xúc tác sau khi được tổng hợp được định lượng để đánh giá hiệu suất của quá trình tổng hợp xúc tác:
Bảng 5.1 : Khối lượng và hiệu suất xúc tác tổng hợp
STT Tên xúc tác Khối lượng (g) Hiệu suất (%)
1 Mo/ZSM-5 44,853 89,7
2 Co/ZSM-5 43,011 86,0
3 Fe/ZSM-5 45,550 91,1
Quá trình tổng hợp xúc tác đạt hiệu quả tương đối cao, xúc tác Co/ZSM-5 đạt hiệu quả thấp nhất 86% sự hao hụt của quá trình là 14% so với tính toán ban đầu. Xúc tác Mo/ZSM-5 đạt hiệu quả 89,7%, xúc tác Fe/ZSM-5 đạt hiệu quả cao nhất 91,1%.
(a) (b) Hình 5.1 (a,b): Xúc tác Mo/ZSM-5 (a) (b) Hình 5.2 (a,b): Xúc tác Co/ZSM-5 (a) (b) Hình 5.3 (a,b): Xúc tác Fe/ZSM-5
5.1.2. Đánh giá hiệu quả chất xúc tác sau khi tổng hợp
Cấu trúc xốp là đặc tính quan trọng của xúc tác rắn, thường thì xúc tác rắn có bề mặt riêng khá lớn có thể đạt đến hàng trăm thậm chí hàng ngàn m2/g. Cấu trúc xốp
7
phản ánh qua hàng loạt các thông số: bán kính mao quản, thể tích mao quản và đặc biệt là bề mặt riêng của xúc tác. Với chất xúc tác có bản chất hóa học xác định thì tốc độ phản ứng tăng khi bề mặt riêng tăng. Chính vì thế các mẫu xúc tác dùng trong thí nghiệm phản ứng nhiệt phân được xác định bề mặt riêng và đường kính lỗ mao quản. Kết quả đo bề mặt riêng và đường kính lỗ mao quản của các mẫu xúc tác:
Bảng 5.2: Diện tích bề mặt riêng và đường kính lỗ mao quản của xúc tác tổng hợp
Xúc tác Diện tích bề mặt riêng (m2/g) Đường kính lỗ mao quản (A0) HZSM-5 289.979 15,8 Fe/ ZSM-5 240.829 13 Co/ ZSM-5 170.532 10,8 Mo/ ZSM-5 242.884 13,6
Các loại xúc tác tổng hợp có bề mặt riêng nhỏ hơn xúc tác nền HZSM-5, chứng tỏ việc tẩm kim loại lên nền HZSM-5 đạt hiệu quả. Trong đó xúc tác Co/ZSM-5 đạt hiệu quả tẩm tốt nhất khi bề mặt riêng giảm xuống chỉ còn 170.532 (m2/g) và đường kính lỗ mao quản cũng đã giảm xuống 9,8 (A0) thấp nhất trong các loại xúc tác đã tổng hợp. Sau đó là tới xúc tác Fe/ ZSM-5 với bề mặt là 240.829 (m
2
/g), đường kính lỗ mao quản là 13 (A0). Xúc tác Mo/ZSM-5 đạt hiệu quả thấp nhất nhưng bề mặt riêng và đường kính lỗ mao quản cũng đã giảm xuống khá thấp so với xúc tác HZSM-5, bề mặt riêng của Mo/ZSM-5 là 242.884 (m2/g) và đường kính lỗ trống là 13,6 (A0).
Theo nghiên cứu Thạc sĩ Tshabalala [21] kết quả đo diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp cho xúc tác Mo/ZSM-5 cho kết quả như sau:
Bảng 5.3: Diện tích bề mặt riêng và thể tích lỗ xốp của xúc tác Mo/ZSM-5 theo nghiên cứu của Tshabalala
Kết quả cho thấy khi tẩm kim loại vào HZSM-5 xúc tác: diện tích bề mặt và thể tích