Độ bền mài mòn
Độbền mài mònnlà một tính chất rất quan trọng vì:
*Độ bền mài mòn quyết định tỉ lệ bổ sung xúc tác mới và xúc tác đang hoạt động, do đó, ảnh hưởng đên tính kinh tế của công nghệ;
*Mức độ ảnh hưởng đến môi trường: vì xúc tác có độ mài mòn kém có thể bị phá vỡ và thải một lượng bụi đáng kể vào môi trường,
*Ảnh hưởng đến tính chất linh động của chất xúc tác trong thiết bị vì sự phân bố kích thước không hợp lý.
Tính chất ảnh hưởng đến độ mài mòn.
*Hàm lượng zeolit, cũng như kiểu và hàm lượng của chất nền tác động trực tiếp đến độ bền mài mòn của chất xúc tác FCC.
*Kích thước tinh thể zeolit nhỏ và độ phân tán cao của zeolit trong pha nền tạo ra độ bền mài mòn tốt cho hạt xúc tác. Hình thể học của các tinh thể zeolit cũng có thể ảnh hưởng đến độ bền mài mòn. Ví dụ, người ta có thể thay thế các tinh thể zeolit Y dạng tám mặt thông thường bằng các tinh thể zeolit Y dạng đĩa dẹt (kết tinh khi có mặt ion K+) để gia tăng độ mài mòn của hạt xúc tác (G. Edwards et al. US. Pat. No 4,175,059, 1979).
*Chủng loại và lượng chất kết dính cũng như phương pháp phối trộn chất kết dính vào chất xúc tác cũng có ảnh hưởng đáng kể đến độ bền mài mòn. Nói chung, tăng lượng chất kết dính trong hạt xúc tác làm tăng độ bền mài mòn. Oxytsilic, oxyt nhôm vô định hình và aluminosilicagel thường là các chất kết dính thông dụng của chất xúc tác FCC. Chủng loại và hình thể học của khoáng sét dùng để tạo dạng hạt xúc tác cũng ảnh hưởng đến độ bền mài mòn.
*Các điều kiện sấy phun cũng ảnh hưởng đến độ bền mài mòn của sản phẩm. Ví dụ, nhiệt độ đầu ra của thiết bị sấy phun cao và nổng độ hỗn hợp có tác dụng tốt tăng độ bền mài mòn. Trong một vài trường hợp, nồng độ của hỗn hợp được tăng cường bằng cách sử dụng các chất phụ gia giảm độ nhớt, nên làm tăng lượng pha rắn trong vật liệu sấy phun vàdo đó tạo ra một chất xúc tác có độ bền mài mòn cực kỳ tốt.
*Độ bền mài mòn của hạt xúc tác được đặc trưng định lượng bởi chỉ số mài
mòn, được xác định bằng một trong các phương pháp do các nhà sản xuất đề
nghị. Một trong các phương pháp tiêu chuẩn là ASTM D4058.
Thể tích mao quản và sự phân bô kích thước mao quản
Thể tích mao quản và sự phân bố kích thước mao quản phụ thuộc vào thành phần, phương pháp điều chê và sự xử lý nhiệt và thuỷ nhiệt chất xúc tác.
Sự phân bố kích thước mao quản trong pha nền chất xúc tác đóng vai trò quan trọng trong sự định hình tính chất xúc tác. Nếu chất nền chứa nhiều mao quản tương đối hẹp (<100) thì có thể xảy ra sự bịt tắc mao quản do sự hình thành cốc và do đó, gây cản trở khuêch tán, đổng thời độ bền thuỷ nhiệt của vật liệu
không cao. Nêu chất nền chứa nhiều mao quản tương đối rộng (>200) thì thường có bề mặt riêng thấp, và do đó, làm giảm vai trò xúc tác của chất nền, đổng thời cũng làm giảm độ bền mài mòn của hạt xúc tác.
Sự phân bố kích thước mao quản của chất nền bị biến đổi khi thêm các chất khác vào chất nền. Ví dụ, thêm 35% + 40% kaolin vào aluminosilicagel thì người ta nhận được một vật liệu có cấu trúc mao quản rộng.
Các điều kiện điều chê chất nền cũng ảnh hưởng đến cấu trúc mao quản. Nổng độ của hỗn hợp ướt, pH, nhiệt độ phản ứng, nhiệt độ và thời gian làm già, sự hiện diện của các cation khác nhau đều ảnh hưởng đên thể tích mao quản của chất nền.
Độ bền nhiệt và bển thuỷ nhiệt
Việc duy trì ổn định hoạt tính và độ chọn lọc xúc tác trong quá trình hoàn nguyên khắc nghiệt đòi hỏi độ bền nhiệt và bền thuỷ nhiệt (N&TN) cao của chất xúc tác FCC, nghĩa là, của zeolit và của chất nền. Độ bền N&TN của zeolit Y chịu tác động của tỉ số SiO2/Al2O3, độ tinh thể, dạng ion trao đổi, hàm lượng ion natri còn lại, và kích thước tinh thể. Độ bền N&TN của zeolit tăng với tỉ số SiO2/Al2O3 tăng, độ tinh thể cao và kích thước hạt tinh thể lớn.
Chất nền bền vững đảm bảo một “độ xốp” ổn định cho chất xúc tác trong quá trình hoàn nguyên, nghĩa là, bảo đảm một sự khuếch tán tốt cho các phân tử nguyên liệu và các khí hoàn nguyên đến tận các tinh thể zeolit. Chất nền tổng hợp chứa nhiều mao quản nhỏ kém ổn định hơn so với chất nền chứa ít mao quản nhỏ. Các chất nền hoạt tính có độ bền tốt duy trì một cách ổn định bề mặt riêng sau các xử lý nhiệt và thuỷ nhiệt, do đó, đảm bảo sự ổn định của hoạt tính xúc tác.
Độ bền N&TN của một chất xúc tác được xác định trong phòng thí nghiệm bằng cách xử lý nhiệt và thuỷ nhiệt chất xúc tác trong những điều kiện khắc nghiệt khác nhau. Sau khi xử lý, các tính chất vật lý (độ tinh thể, bề mặt riêng,
Khối lượng riêng
Khối lượng riêng của chất xúc tác phụ thuộc vào thành phẫn và phương pháp điều chế. Chất xúc tác được điều chế theo phương pháp kết tinh "tại chỗ" từ khoáng sét nung có khối lượng riêng cao hơn so với chất xúc tác được điều chế với chất nền bán tổng hợp. Chất xúc tác với chất liên kết xuất phát từ sol oxyt silic hoặc từ clohydrol nhôm có khối lượng riêng cao hơn so với chất xúc tác chứa chất kết dính aluminosilicat vô định hình.
Điều kiện sấy phun có ảnh hưởng mạnh đến khối lượng riêng chất xúc tác với chất nền bán tổng hợp. Ví dụ, tăng nổng độ pha rắn trong nguyên liệu sấy phun hoặc tăng nhiệt độ đầu ra làm tăng khối lượng riêng của sản phẩm sấy phun.
Khối lượng riêng cao thường biểu hiện một độ bền tốt của chất xúc tác, cũng như độ xốp và thể tích mao quản không cao. Do đó, khối lượng riêng cũng là một đặc trưng vật lý quan trọng của chất xúc tác FCC.
III.2. Vai trò chung của xúc tác
III.2.a. Vai trò
Tạo được nhiều sản phẩm và kinh tế hơn:
Tăng tốc độ phản ứng: dẫn đến cùng một thời gian sản xuất thì một quá trình sản xuất sử dụng xúc tác sẽ tạo được nhiều sản phẩm hơn quá trình sản xuất không sử dụng xúc tác.
Đơn giản hóa các bước phản ứng giảm chi phí đầu tư hơn. Phản ứng tiến hành ở điều kiện trung bình ( với nhiệt độ (T) và áp
suất (P) thấp) giảm năng lượng tiêu thụ (do chất xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa nhiệt cung cấp giảm tiết kiệm năng lượng)
Nâng cao độ chọn lọc tạo ra sản phẩm mong muốn làm giảm lượng nguyên liệu chất thải không mong muốn, hạn chế tạo sản phẩm phụ.
Thay thế nguyên liệu nguy hiểm và độc hại ( chẳng hạn: khi xúc tác chuyển pha chưa được phát hiện thì khi muốn alkin hóa một vật chất nào đó, mà muốn phản ứng xảy ra thì ta phải tiến hành trong dung môi hữu cơ (benzen, hexan,…) để hòa tan một chất phân cực và một chất không phân cực, mà các dung môi hữu cơ đó gây độc hại, từ khi xúc tác chuyển pha ra đời và phát triển, thì người ta tiến hành phản ứng này bằng xúc tác chuyển pha đề chuyển chất từ môi trường không phân cực vào môi trường phân cực.)
Sản xuất ra các sản phẩm mà nếu không có xúc tác thì không thể sản xuất được.
Kiểm soát quá trình tốt hơn (an toàn và linh hoạt hơn). Thúc đẩy sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ.
III.2.b. ảnh hưởng của xúc tác đến nền công nghiệp
27 % của GNP và 90 % của ngành công nghiệp hóa chất có sử dụng chấtxúc tác.
Ước tính mỗi năm lượng chất xúc tác tiêu thụ có giá trị khoảng 2 tỉ USD.
Chất xúc tác chiếm 2% tổng vốn đầu tư trong quá trình hóa học.
Các hóa chất được tạo ra bởi các quá trình chuyển hóa có sử dụng xúc táccó giá trị khoảng 200 tỉ usd.
Ví dụ:
– Công nghiệp Hydrogen (coal, NH3, methanol, FT,hydrogen hóa /HDT, fuel cell).
– Lọc dầu (Petroleum refining): FCC, HDW,HDT,HCr , REF . – Hóa dầu (Petrochemicals): monomers, bulk chemicals.
– Hóa chất tinh khiết (Fine Chem).
– Thực phẩm (Food): Magarine, butter,… – Dược phẩm; Nông nghiệp; Dệt nhuộm.
– Xúc tác môi trường (Environmental Catalysis): autoexhaust, deNOx,...
III.3. Vai trò của xúc tác FCC
Làm giảm năng lượng hoạt hóa từ đó dẫn đến tăng tốc độ phản ứng Ví dụ: Trong phản ứng craking xúc tác khi có mặt xúc tác ( như
xúc tác aluminosilicat, hay xúc tác chứa zeolite) ở khoảng nhiệt độ từ 400 – 5000C các olefine chuyển hóa nhanh hơn 1.103-1.104 lần so với cracking nhiệt.
Làm giảm nhiệt độ cần thiết của phản ứng
Nhằm tiết kiệm năng lượng nhiệt đầu vào.
Đồng thời tránh tạo nhiều sản phẩm khí khi nhiệt độ tăng cao, để hạn chế ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (làm chỉ số octane không cao)
Làm cho phản ứng xảy ra theo chiều có lợi, chiều thuận: do phản ứng cracking xúc tác là phản ứng tỏa nhiệt, nên khi giảm nhiệt độ và tăng áp suất thì phản ứng diễn ra theo chiều tỏa nhiệt.
Tăng tính chọn lọc (hướng phản ứng theo hướng cần thiết): nó có khả năng làm tăng hay chậm không đồng đều các loại phản ứng, giúp hướng phản ứng theo hướng có lợi.
Ví dụ: xét độ chọn lọc hình dạng của xúc tác chứa zeolite:
Với những vai trò trên phục vụ mục đích cuối cùng: tạo ra sản phẩm(chủ yếu là xang) có chỉ số octan cao, và một số sản phẩm phụ như gasoil nhẹ, gasoil nặng, khí(chủ yếu là phân tử có nhánh) là nhưng cấu tử quý cho tổng hợp hóa dầu.