Từ két quả ứng dụng của mơ hình, nhóm tác giả đề xuất xây dựng bài thực hành cho đối tượng sinh viên năm cuối chuyên ngành Cơng nghệ Hóa học được thực hiện trên mơ hình phản ứng vi lượng giúp sinh viên có khả năng đánh giá hoạt tính của xúc tác cho một phản ứng cụ thể ví dụ như: Phản ứng dry reforming methane, phản ứng cracking, hay bất cứ một phản ứng pha khí cụ thể nào. Tiêu chí xây dựng bài thực hành nhằm giúp sinh viên có khả năng thiết kế hệ xúc tác cho một phản ứng cụ thể và tiến hành đánh giá hoạt tính của xúc tác.
Tên bài thực hành: “CRACKING xúc TÁC” và nội dung được mô tả theo các phần sau.
3.1. Mục đích bài thí nghiệm
- Chế tạo hệ xúc tác trên chất mang/xúc tác zeolite....
- Đánh giá hoạt tính của xúc tác cho một số phản ứng thuộc lĩnh vực dầu khí như : Phản ứng reforming, phản ứng cracking...
- Tính tốn độ chuyển hóa và hiệu suất hình thành sản phẩm.
3.2. Co’ sở lý thuyết
Cracking xúc tác được xem là quá trình chế biến cơ bản và không thể thiếu trong các nhà máy lọc dầu. Mục đích của q trình Cracking là chuyển hố các cấu tử nặng trong thành phần của dầu thô thành các cấu tử nhẹ hơn, nhằm cơ cấu lại tỉ lệ các sản phẩm chế biến của nhà máy lọc dầu cho phù hợp với nhu cầu của thị trường. Ngồi ra, q trình Cracking cịn góp phần gia tăng hiệu quả kinh tế của quá trình chế biến trong nhà máy.
Hiện nay có 3 giải pháp Cracking khác nhau được sử dụng trong các nhà máy lọc dâu bao gồm: Cracking nhiệt, Cracking xúc tác và Hydrocracking. Tuỳ thuộc vào đặc điểm của nguồn nguyên liệu và chất lượng sản phẩm mong muốn mà lựa chọn quá trình Cracking cho phù hợp.
Trong phạm vi nghiên cửu của bài thí nghiệm này, chỉ thực hiện khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến quá trình Cracking xúc tác, và qua đó tính tốn cân bằng vật chất dựa trên các phương trình tương quan về hiệu suất dòng của phản ứng.
3.3. Thiết bị nghiên cứu và nguyên vật liệu3.3.1. Nguyên liệu 3.3.1. Nguyên liệu
Nguyên liệu chủ yếu sử dụng cho quá trình Cracking xúc tác là các phân đoạn dầu nặng như: cặn của q trình chưng cất khí quyển (Mazut), các phân đoạn dầu nặng đã tách asphalten (DAO) hay một số phân đoạn dầu nặng từ các quá trình chế biến khác.
Sự khác nhau về thành phần và hàm lượng các tạp chất ảnh hưởng đến điều kiện làm việc để đạt được hiệu suất mong muốn. Để bảo vệ xúc tác, nguyên liệu được xử lý bang hydro để loại bỏ tạp chất, cải thiện hiệu quả cracking và hiệu suất. Nguyên liệu sử dụng cho bài thí nghiệm này là dầu nhờn động cơ 20W50, thành phần chính của nó là dầu gốc khống có nhiệt độ sơi từ 316 - 566°c. Dầu gốc này là hỗn hợp các aromatic, naphten, parafin, có tính chât tương tự phân đoạn DAO.
3.3.2. Xúc tác
Chất xúc tác sử dụng là ZSM-5, đây là chất xúc tác thuộc thế hệ mới nhất được áp dụng cho quá trình cracking xúc tác. ZSM-5 (Zeolite Scony Mobil Five) là loại zeolite giàu Si được tổng hợp đầu tiên vào năm 1972 bởi Argauer và Zadolt (hai nhà nghiên cứu thuộc hãng Mobil Oil), có cơng thức hóa học: NanAlnSÌ96-nOi92.16H2O (0 < n < 27)
Hình 3.1. Hình minh họa zeolite ZSM-5
Zeolite ZSM-5 thuộc họ vật liệu pentasil, có cấu trúc quốc tế là MFI với các dữ liệu tinh thể học như sau: ZSM-5 thuộc nhóm đối xứng Pnma, a = 20,1 Ả; b = 19,9Ả; c = 13,4Ả được xây dựng bởi các đơn vị cấu trúc thứ cấp SBU dạng 5-1. Các đơn vị cơ sở này liên kêt với nhau tạo thành khung pentasil, mỗi đơn vị pentasil bao gồm 8 vòng năm cạnh liên kết nhau, tại mỗi đỉnh của vòng năm cạnh là một tứ diện TO4. Các pentasil liên kết với nhau tạo thành chuỗi pentasil và các chuỗi này kết nối tạo nên các tấm xốp, các tấm xốp này liên kết trật tự thông qua cầu nối oxi tạo nên hệ thống mao quản ZSM-5.
Hình 3.2. Sơ đồ hình thành cấu trúc zeolite ZSM-5
Zeolite ZSM-5 có hai hệ thống mao quản giao nhau, những mao quản theo hướng thẳng đứng trong mặt cắt ngang có kích thước 5,3 5,6Ả, còn những mao quản theo hướng năm ngang theo mơ hình Zig-zag trong mặt cắt ngang có kích thước 5,1 + 5,5Ả.
Mao quản thẳng " 5JA°X 5?6A° ' " 5JA°X 5?6A° '