CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PHÂN XƯỞNG RFCC, NGUYÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC
1.4. Đặc tính giả lỏng của xúc tác
1.4.1. Lý thuyết về trạng thái giả lỏng
Trạng thái không giả lỏng của tầng xúc tác được gọi là tầng xúc tác cố định. Các hạt xúc tác tiếp xúc chặt chẽ với nhau và giữa chúng chứa khoảng trống. Các khoảng trống được tạo ra là do hình dạng hình cầu của hạt xúc tác mà các hình cầu đó có thể được xếp chồng sát lên nhau. Bằng cách đưa một dòng không khí, hơi hydrocarbon hoặc hơi nước vào tầng xúc tác th có thể tạo ra được trạng thái như một chất lỏng.
Một khi ở trạng thái hóa lỏng, chất xúc tác sẽ có mức và tạo ra một cột áp suất tương tự như chất lỏng. Ở trạng thái này, chất xúc tác có thể chảy qua một đường ống như trong trường hợp ống standpipe và riser của lò phản ứng. Về bản chất, nó là một dòng chất lỏng. Chính nguyên tắc này mà cho phép lưu thông xúc tác giữa lò phản ứng và tái sinh.
Khi khí ban đầu được đưa vào một tầng xúc tác cố định, ở đó không có sự thay đổi nào; đơn giản là dòng khí chỉ chảy qua các khoảng trống. Khi vận tốc của dòng khí tăng lên, nó bắt đầu tác dụng một lực lên tầng xúc tác để nâng xúc tác lên. Thể tích khoảng trống bắt đầu tăng lên khi tầng xúc tác được giãn nở. Với sự gia tăng hơn nữa về vận tốc khí, xuất hiện một thời điểm mà ở đó lực kéo (ma sát) tác dụng lên hạt xúc
tác cân bằng với lực tác dụng của trọng lực lên xúc tác. Vận tốc khí này được gọi là vận tốc chớm giả lỏng hoặc vận tốc giả lỏng tối thiểu (Umf). Bất kỳ sự gia tăng nào nữa về tốc độ dòng khí sẽ làm cho xúc tác di chuyển tự do với dòng khí, liên tục va chạm với các hạt xúc tác khác. Ở tại thời điểm này, tầng xúc tác ở trạng thái giả lỏng và có hành vi như một chất lỏng.
Trạng thái giả lỏng này sẽ thay đổi khi nhiều khí hơn được ép qua tầng xúc tác.
Bong bóng khí bắt đầu xuất hiện bên trong tầng xúc tác. Điểm tại đó xuất hiện bóng khí được xác định là tốc độ sủi bọt tối thiểu (Umb). Các bong bóng này có thể là những bong bóng nhỏ mà sẽ biến mất sau một thời gian ngắn hoặc những bong bóng này lớn hơn khi chúng đi qua tầng xúc tác. Khi vận tốc được tăng thêm, các bong bóng bắt đầu chiếm nhiều không gian hơn trong tầng xúc tác. Các bong bóng này sẽ vỡ ra ở bề mặt của tầng xúc tác và mang theo xúc tác vào khu vực không gian phía trên tầng xúc tác.
Bề mặt của tầng xúc tác bị xáo trộn dữ dội bởi những dòng bóng khí đi lên liên tục.
Khi vận tốc khí được tăng thêm, tầng xúc tác đi vào trạng thái hỗn loạn, nơi bề mặt trên của tầng xúc tác không được xác định rõ. Những dòng bong bóng khí lớn giảm.
Thiết bị tái sinh vận hành điển hình ở chế độ này. Ưu điểm của chế độ này là sự trộn lẫn các hạt chất rắn cao và do đó tốc độ truyền nhiệt và tốc độ truyền khối lớn, góp phần đốt cháy cốc khỏi chất xúc tác. Sự pha trộn chủ yếu theo hướng thẳng đứng và được dẫn động bởi các hạt xúc tác được đẩy lên trên đỉnh của các bong bóng khí sau đó rơi ra và rơi xuống phía dưới các bong bóng khí.
Cuối cùng, tốc độ dòng khí mà vượt qua tốc độ cuối của một số hạt xúc tác trong tầng xúc tác thì chế độ này được gọi là trạng thái fast fluidization. Chế độ đốt trong lò tái sinh thường hoạt động trong chế độ này. Tại thời điểm này, một trạng thái tầng sôi không được duy trì trừ khi xúc tác được quay trở lại bề mặt tầng xúc tác. Tăng tốc độ khí hơn nữa sẽ di chuyển vào chế độ vận chuyển với sự không quay lại của các hạt xúc tác, tất cả xúc tác sẽ được thổi ra khỏi bình chứa. Hiện tượng tầng sôi trong thiết bị tái sinh được tr nh bày như hình 1.11
Hình 1.11: Sự trộn lẫn xúc tác được dẫn động bởi bóng khí
Hình 1.12 Minh họa sự sụt giảm áp suất qua tầng xúc tác như là một hàm của tốc độ bề mặt dòng khí. Ban đầu, sự giảm áp suất làm tăng theo vận tốc đến điểm xuất hiện trạng thái giả lỏng, Umf. Đối với chất xúc tác điển hình của RFCC/FCC, thì giá trị này là khoảng 0,003 m / giây [7]
Một khi xúc tác ở trạng thái giả lỏng, xúc tác tạo ra một sự chênh áp suất tương tự như một chất lỏng. Chiều cao cột áp tác động bởi tầng xúc tác cân bằng với trọng lượng của chất xúc tác và khí chứa trong đó. Do tổn thất ma sát, sự tụt áp suất qua tầng xúc tác lớn hơn một chút so với trọng lượng của nó. Giữa điểm xuất hiện trạng thái giả lỏng đầu tiên và điểm bắt đầu xuất hiện sự lôi cuốn xúc tác, hành vi của tầng xúc tác có thể được mô tả theo phương tr nh sau:
( )
Ở vận tốc cao hơn, chúng tiến đến chế độ vận chuyển bằng khí nén ở đó toàn bộ tầng xúc tác bị cuốn theo do đó sự giảm áp nhanh.
Giãn đồ quan hệ giữa vận tốc dòng khí và các chế độ tầng sôi được tr nh bày như h nh 1.12.
Khi U < Umf thì tầng xúc tác ở trạng thái đứng yên (fixed bed)
Khi U- Umf < Umb thì tầng xúc tác có hành vi của chế độ tầng sôi (particulate regime)
Khi U> Umb thì tầng xúc tác có bóng khí bắt đầu hình thành (Bubbling regime)
Khi tiếp tục tăng vận tốc thì tầng xúc tác sẽ xuất hiện chế độ slug flow regime, nếu tiếp tục tăng vận tốc khí thì tầng xúc tác tồn tại ở dạng turbulent regime (chế độ đốt cốc trong thiết bị tái sinh) và fast fluidization và cuối cùng là chế độ pneumatic conveying ( chế độ tồn tại trong ống phản ứng).
Hình 1.12: Sự giảm áp suất qua tầng xúc tác
Xúc tác của RFCC/FCC là một loại bột mịn, thường nhỏ hơn hầu hết các chất xúc tác sử dụng trong nhà máy lọc dầu. Các tính chất vật lý của chất xúc tác ảnh hưởng đến các đặc tính giả lỏng là mật độ xúc tác, hình dạng hạt và phân bố kích thước hạt.
Trong hệ thống phân loại Geldart, chất xúc tác của FCC được coi là vật liệu nhóm A.
Các loại A đại diện cho ’aeratable" [7].
Mật độ khối xúc tác của RFCC/FCC (không giả lỏng) khoảng 800-880 kg /m3 và là kết quả của thành phần xúc tác và quá trình sản xuất. Xúc tác của FCC có hình dạng gần như h nh cầu. Hình dạng này hỗ trợ cho việc giả lỏng v nó có xu hướng ít bó chặt
hơn khi bị mất tính giả lỏng. Các dạng hình cầu của xúc tác c ng không có các cạnh sắc nhọn nên giảm các vấn mài mòn trong hệ thống. Chất xúc tác của RFCC/FCC là hỗn hợp các kích thước hạt dao động từ 10-130 micron mét. Sự hiện diện của xúc tác mịn (hạt <40 àm) là rất hữu ớch cho trạng thỏi giả lỏng. Xỳc tỏc mịn cú mặt trong thành phần xúc tác mới và được sinh ra trong quá trình vận hành của phân xưởng bởi sự mài mòn. Những hạt nhỏ hơn này di chuyển dễ dàng hơn trong dòng khí và hoạt động như một chất bôi trơn giữa các hạt lớn hơn để giảm vận tốc tối thiểu cần thiết cho quá trình giả lỏng. Nói chung, càng nhiều xúc tác mịn trong hệ thống xúc tác thì xúc tác càng dễ dàng giả lỏng và c ng lâu hơn để mất tính giả lỏng một khi dòng khí sục bị dừng lại. Các tính chất vật lý của khí c ng có ảnh hưởng mạnh đến quá trình giả lỏng.
Các yếu tố chính là độ nhớt và mật độ khí.
Thiết kế phân xưởng RFCC/FCC xem xét đến tất cả các thông số giả lỏng của xúc tác. Thay đổi nhiệt độ, áp suất, độ cao của mức xúc tác và vận tốc khí được xem xét đến kích cỡ và hướng thiết bị. Phân loại các lớp của các hạt trong hệ thống phân loại Geldhart được tr nh bày như hình 1.13
Hình 1.13: Phân loại các hạt của Geldart
Như vậy dựa trên các tính chất đặc trưng của nguyên liệu cặn cho phân xưởng RFCC và thành phần đặc trưng của xúc tác đã khảo sát để làm cơ sở cho các đánh giá ảnh hưởng sâu hơn của nguyên liệu và xúc tác đến vận hành ổn định và hiệu quả kinh tế của phân xưởng RFCC. Những phân tích kỹ thuật tiếp theo về tác động của nguyên liệu và xúc tác đến vận hành sẽ được đánh giá ở chương tiếp theo.
CHƯƠNG 2. CÁC KỸ THUẬT ĐÁNH GIÁ NGUYÊN LIỆU, XÚC TÁC CỦA RFCC