Trang Chính
Quá trình Cracking xúc tác là quá trình quan trong trong nhà máy lọc dầu để sản xuất xăng có chỉ số octan cao từ các phân đoạn nặng hơn. Đáp ứng yêu cầu chất lượng sản phẩm đề ra.
Giới thiệu chung:
Cơ sở lý thuyết của quá trình
Xúc tác cho quá trình Cracking
Xúc tác cho quá trình cracking tầng sôi trong công nghiệp thuộc lọai axit rắn, có thành phần khá phức tạp như sau:
Thành phần xúc tác cracking tầng sôi trong công nghiệp.
Điều chế xúc tác FCC
Quy trình sản xuất xúc tác FCC hiện đại được mô tả theo sơ đồ sau (Grace-Davison):
Hợp phần zeolit Y:
Là Alumosilicat tinh thể ngậm nước với cấu trúc kiểu Faujazit vi lỗ xốp 3 chiều đồng nhất và có kích thước cửa sổ ~ 8 Å.
Về thành phần hóa học của zeolít được biểu diễn bằng công thức: M2/nO.Al2O3.x SiO2.y.H2O
Ở đây: x > 2 và n là hóa trị của cation kim lọai M
Zeolit được tạo thành từ các đơn vị cấu trúc
Khi các đơn vị cấu trúc cơ bản nối với nhau theo các mặt 4 cạnh ta có lọai zeolit A, nếu nối với nhau theo các mặt 6 cạnh ta có lọai zeolit X hoặc Y có cấu trúc tương tự
Zeolit Y có thể ở dạng khoáng tự nhiên, nhưng hiện nay chủ yếu được tổng hợp từ oxyt silic và oxyt nhôm, đôi khi từ quá trình tinh thể hóa đất sét nung (Qui trình Engelhard).
Dạng Na-Zeolit được điều chế bằng phương pháp kết tinh gel alumosilicat natri. Silicat Natri (Thu được khi xử lý oxyt silic với dung dịch xút nóng) cho tác dụng với aluminat natri (thu được khi hòa tan oxyt nhôm ngậm nước trong dung dịch hydroxyt natri)sẽ tạo thành hydrogel vô định hình. Gel này sau đó sẽ được tinh thể hóa trong điều kiện kiểm sóat nghiêm ngặt để tạo Zeolit (Alumosilicat tinh thể) với các ion aluminat và silicat được xắp xếp theo cấu trúc đã định.
Cấu trúc cơ bản của Aluminosilicat và đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolit.
Zeolit dạng Faujazit có khung tinh thể 3 chiều tạo thành từ các tứ diện SiO4 hoặc AlO4. Liên kết -Si-O-Al- tạo thành các lỗ xốp bề mặt có đường kính cố định từ các hốc, kênh có kích thước 4-8Å. Các cation dễ dàng được trao đổi và được đưa ra khỏi Zeolit. Cấu tạo Faujazit được mô tả như hình:
Các Zeolit Y được đưa vào xúc tác FCC dưới các dạng khác nhau:
+ Trao đổi một phần hoặc hòan tòan với dất hiếm, phần còn lại có thể decation tạo các dạng REHY hoặc REY.
+ Biến tính bằng phương pháp xử lý nhiệt và (hoặc) xử lý hóa học tạo các dạng zeolit decation siêu bền: H-USY, RE-H-USY hoặc dạng dealumin: H-DY, RE-H-DY.
Vai trò của đất hiếm chủ yếu làm tăng độ bền nhiệt cho tinh thể (với zeolit dạng decation NH4Y, ở nhiệt độ > 500oC tinh thể có thể bị phá hủy nhưng với dạng REY, ở nhiệt độ > 900oC vẫn bảo toàn được tính chất tinh thể.
Một lọai zeolit mới hiện nay thường được đưa thêm vào xúc tác FCC, đó là ZSM-5 nhằm tăng chỉ số octan của xăng và tăng olefin. ZSM-5 có tỷ lệ Si/Al = 50, kích thước lỗ xốp tương đối nhỏ (5.5Å), hạn chế các phân tử có kích thước lớn đi qua, do đó không làm xảy ra cac phản ứng cracking đối với chúng (Các parafin mạch nhánh, các Alkyl benzen...) nhờ thế không làm giảm các hợp phần cho chỉ số octan cao. Hơn nữa nó còn tăng olefin, không làm tăng hàm lượng cốc. Hiện tại, 40% các cụm FCC ở Tây âu đưa ZSM-5 như một phụ gia tăng chỉ số octan.
Hợp phần pha nền (Matrix):
Trong quá trình sản xuất chất xúc tác, hợp phần này đóng vai trò là chất pha lõang và chất kết dính. Chất pha lõang phải là chất trơ như cao lanh,đóng vai trò tải nhiệt, hạn chế sự quá nhiệt của các tinh thể zeolit trong quá trình tái sinh, tăng độ bền cơ học của chất xúc tác, làm giảm lượng Na đầu độc xúc tác... chất kết dính có thể là các gel của oxyt xilic, các polymer chứa nhôm, hợp chất chứa đất sét, cũng có thể là alumosilicat vô định hình. Chất kết dính đóng vai trò gắn kết các hợp phần trong xúc tác FCC, tạo tính đồng bộ vật lý cho xúc tác.
Các nhà sản xuất xúc tác chia pha nền thành 2 phần: Phần họat động là các alumosilicat vô định hình, oxit nhôm; phần không họat động là các chất trơ nhơ oxit silic, cao lanh. Pha họat động có tính axit thấp hơn do đó có họat tính xúc tác và độ chọn lựa thấp hơn so với các Zeolit. Oxit nhôm có họat tính xúc tác thấp hơn Al-Si vô định hình, nhưng người ta thường đưa vào trong trường hợp cracking các phân đọan nặng. Việc đưa pha nền vào hệ đã điều chỉnh tính axit của xúc tác và tổng thể, so với các zeolit hoặc Al-Si vô định hình riêng lẻ. Đặc tính của xúc tác FCC phụ thuộc chủ yếu vào 2 thành phần Zeolit và pha nền họat động. Tỷ lệ các hợp phần này được xem xét thận trọng trong quá trình sản xuất nhằm đảm bảo các nhu cầu riêng biệt của nhà máy lọc dầu về hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Cơ chế hình thành trung tâm hoạt động trên bề mặt xúc tác
Xúc tác cho quá trình Cracking là xúc tác axít. Các trung tâm hoạt động trên bề mặt chất xúc tác là các tâm axit Bronsted và Lewis. Các trung tâm này hình thành do trong mạng tinh thể của xúc tác này, bốn nguyên tử Oxi liên kết với Nhôm nên không cân bằng và hình thành một điện tích âm. Các ion như Na+, Mg2+ hay proton sẽ trung hòa điện tích này và hình thành tâm axít Bronsted.
Khi tiến hành xử lý nhiệt ở khoảng nhiệt độ 400 – 500oC thì xuất hiện các tâm axít Lewis theo sơ đồ sau:
Các giai đoạn phản ứng cracking khi có mặt chất xúc tác
Sự khác nhau cơ bản giữa cracking nhiệt và cracking xúc tác là phản ứng cracking khi có mặt chất xúc tác xảy ra theo những cơ chế nhất định và dễ khống chế. Do đó sản phẩm của cracking xúc tác sẽ có tính chọn lọc cao hơn so với cracking nhiệt.
Các giai đoạn phản ứng cracking khi có mặt chất xúc bao gồm:
Bước 1. Hấp phụ các ion Hydride trên các tâm Lewis:
Bước 2. Phản ứng giữa các proton từ Bronsted với các olefin:
Bước 3. Phản ứng giữa các ion cacboni sinh ra từ bước 1 và 2 với các hydrocacbon bằng cách tạo ra các ion hydride
Các ion hydride này không bền sẽ bị phân hủy thành các mạch ngắn hơn,
ví dụ như:
Quá trình bẻ rảy mạch các ion cacbonni tuân theo một số qui luật sau: Các parafin mạch dài và các olefin luôn đồng phân hoá trước khi bị cracking. Sự cracking thường xảy ra ở giữa mạch và thực tế không bao giờ ít hơn 3 nguyên tử C tính từ đầu mạch. Các nhánh ankyl gắn trên vòng thơm sẽ bị cắt sát vòng và các nhánh ankyl gắn ở vòng no sẽ bị cắt ở vị trí từ 3 nguyên tử C trở lên tính từ đầu mạch.
Cơ chế phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình cracking xúc tác
Cơ chế phản ứng cracking xúc tác là cơ chế ion cacboni. Các tâm họat tính là ion cácboni được tạo ra khi các phân tử hydrocacbon của nguyên liệu tác dụng với tâm axít của xúc tác.
Tâm axít xúc tác có 2 lọai: Lọai Bronsted (H+) và Lewis (L).
Tâm Bronsted là khi tham gia phản ứng có khả năng cho proton hoạt động (H+) còn tâm Lewis thì thiếu electron nên có xu hướng nhận thêm điện tử.
Phản ứng cracking xúc tác sản ra theo các giai đọan sau:
- Giai đọan 1: tạo ion cacboni:
Ví dụ: trong trường hợp đối với các hydrocacbon mạch thẳng (Alcan):
Trường hợp phân hủy izo-propyl-benzen: Trên tâm axít kiểu xúc tác Lewis:
Trên tâm axít kiểu xúc tác Bronsted:
Giai đọan 2: Các phản ứng của ion cacboni tạo các sản phẩm:
Khi các ion cacboni được tao ra sẽ lập tức tham gia vào các phản ứng biến đổi khác như
Phản ứng đồng phân hóa:
Phản ứng cắt mạch theo quy tắc ß (cắt mạch ở vị trí ß so với cácbon mang điện tích).
Các ion tiếp tục tham gia các phản ứng đồng phân hóa, cắt mạch tiếp,alkyl hóa hay ngưng tụ. Biến đổn các ion cacboni tiếp diễn cho đến khi có cấu trúc bền vững nhất.
Độ bền của các ion cacboni có thể xắp xếp theo thứ tự:
Ion cácboni bậc 3> Ion cácboni bậc 2 >Ion cácboni bậc 1
Độ bền của cacboni sẽ quyết định sẽ quyết định mức độ tham gia các phản ứng tiếp theo của chúng.Chất lượng sản phẩm được quyết định bởi các phản ứng của các ion cacboni, đặc biệt là phản ứng phân hủy, đồng phân hóa và chuyển vị hydro.
- Giai đọan 3: giai đọan dừng phản ứng
Khi các ion cacboni kết hợp với nhau, nhường hay nhận nguyên tử hydro của xúc tác để tạo thành phân tử trung hòa và chúng chính là cấu tử của sản phẩm cracking xúc tác.
Congnghedaukhi
Giới thiệu chung:
Cơ sở lý thuyết của quá trình
Xúc tác cho quá trình Cracking
Xúc tác cho quá trình cracking tầng sôi trong công nghiệp thuộc lọai axit rắn, có thành phần khá phức tạp như sau:
Thành phần xúc tác cracking tầng sôi trong công nghiệp.
Điều chế xúc tác FCC
Quy trình sản xuất xúc tác FCC hiện đại được mô tả theo sơ đồ sau (Grace-Davison):
Hợp phần zeolit Y:
Là Alumosilicat tinh thể ngậm nước với cấu trúc kiểu Faujazit vi lỗ xốp 3 chiều đồng nhất và có kích thước cửa sổ ~ 8 Å.
Về thành phần hóa học của zeolít được biểu diễn bằng công thức: M2/nO.Al2O3.x SiO2.y.H2O
Ở đây: x > 2 và n là hóa trị của cation kim lọai M
Zeolit được tạo thành từ các đơn vị cấu trúc
Khi các đơn vị cấu trúc cơ bản nối với nhau theo các mặt 4 cạnh ta có lọai zeolit A, nếu nối với nhau theo các mặt 6 cạnh ta có lọai zeolit X hoặc Y có cấu trúc tương tự
Zeolit Y có thể ở dạng khoáng tự nhiên, nhưng hiện nay chủ yếu được tổng hợp từ oxyt silic và oxyt nhôm, đôi khi từ quá trình tinh thể hóa đất sét nung (Qui trình Engelhard).
Dạng Na-Zeolit được điều chế bằng phương pháp kết tinh gel alumosilicat natri. Silicat Natri (Thu được khi xử lý oxyt silic với dung dịch xút nóng) cho tác dụng với aluminat natri (thu được khi hòa tan oxyt nhôm ngậm nước trong dung dịch hydroxyt natri)sẽ tạo thành hydrogel vô định hình. Gel này sau đó sẽ được tinh thể hóa trong điều kiện kiểm sóat nghiêm ngặt để tạo Zeolit (Alumosilicat tinh thể) với các ion aluminat và silicat được xắp xếp theo cấu trúc đã định.
Cấu trúc cơ bản của Aluminosilicat và đơn vị cấu trúc cơ bản của zeolit.
Zeolit dạng Faujazit có khung tinh thể 3 chiều tạo thành từ các tứ diện SiO4 hoặc AlO4. Liên kết -Si-O-Al- tạo thành các lỗ xốp bề mặt có đường kính cố định từ các hốc, kênh có kích thước 4-8Å. Các cation dễ dàng được trao đổi và được đưa ra khỏi Zeolit. Cấu tạo Faujazit được mô tả như hình:
Các Zeolit Y được đưa vào xúc tác FCC dưới các dạng khác nhau:
+ Trao đổi một phần hoặc hòan tòan với dất hiếm, phần còn lại có thể decation tạo các dạng REHY hoặc REY.
+ Biến tính bằng phương pháp xử lý nhiệt và (hoặc) xử lý hóa học tạo các dạng zeolit decation siêu bền: H-USY, RE-H-USY hoặc dạng dealumin: H-DY, RE-H-DY.
Vai trò của đất hiếm chủ yếu làm tăng độ bền nhiệt cho tinh thể (với zeolit dạng decation NH4Y, ở nhiệt độ > 500oC tinh thể có thể bị phá hủy nhưng với dạng REY, ở nhiệt độ > 900oC vẫn bảo toàn được tính chất tinh thể.
Một lọai zeolit mới hiện nay thường được đưa thêm vào xúc tác FCC, đó là ZSM-5 nhằm tăng chỉ số octan của xăng và tăng olefin. ZSM-5 có tỷ lệ Si/Al = 50, kích thước lỗ xốp tương đối nhỏ (5.5Å), hạn chế các phân tử có kích thước lớn đi qua, do đó không làm xảy ra cac phản ứng cracking đối với chúng (Các parafin mạch nhánh, các Alkyl benzen...) nhờ thế không làm giảm các hợp phần cho chỉ số octan cao. Hơn nữa nó còn tăng olefin, không làm tăng hàm lượng cốc. Hiện tại, 40% các cụm FCC ở Tây âu đưa ZSM-5 như một phụ gia tăng chỉ số octan.
Hợp phần pha nền (Matrix):
Trong quá trình sản xuất chất xúc tác, hợp phần này đóng vai trò là chất pha lõang và chất kết dính. Chất pha lõang phải là chất trơ như cao lanh,đóng vai trò tải nhiệt, hạn chế sự quá nhiệt của các tinh thể zeolit trong quá trình tái sinh, tăng độ bền cơ học của chất xúc tác, làm giảm lượng Na đầu độc xúc tác... chất kết dính có thể là các gel của oxyt xilic, các polymer chứa nhôm, hợp chất chứa đất sét, cũng có thể là alumosilicat vô định hình. Chất kết dính đóng vai trò gắn kết các hợp phần trong xúc tác FCC, tạo tính đồng bộ vật lý cho xúc tác.
Các nhà sản xuất xúc tác chia pha nền thành 2 phần: Phần họat động là các alumosilicat vô định hình, oxit nhôm; phần không họat động là các chất trơ nhơ oxit silic, cao lanh. Pha họat động có tính axit thấp hơn do đó có họat tính xúc tác và độ chọn lựa thấp hơn so với các Zeolit. Oxit nhôm có họat tính xúc tác thấp hơn Al-Si vô định hình, nhưng người ta thường đưa vào trong trường hợp cracking các phân đọan nặng. Việc đưa pha nền vào hệ đã điều chỉnh tính axit của xúc tác và tổng thể, so với các zeolit hoặc Al-Si vô định hình riêng lẻ. Đặc tính của xúc tác FCC phụ thuộc chủ yếu vào 2 thành phần Zeolit và pha nền họat động. Tỷ lệ các hợp phần này được xem xét thận trọng trong quá trình sản xuất nhằm đảm bảo các nhu cầu riêng biệt của nhà máy lọc dầu về hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
Cơ chế hình thành trung tâm hoạt động trên bề mặt xúc tác
Xúc tác cho quá trình Cracking là xúc tác axít. Các trung tâm hoạt động trên bề mặt chất xúc tác là các tâm axit Bronsted và Lewis. Các trung tâm này hình thành do trong mạng tinh thể của xúc tác này, bốn nguyên tử Oxi liên kết với Nhôm nên không cân bằng và hình thành một điện tích âm. Các ion như Na+, Mg2+ hay proton sẽ trung hòa điện tích này và hình thành tâm axít Bronsted.
Khi tiến hành xử lý nhiệt ở khoảng nhiệt độ 400 – 500oC thì xuất hiện các tâm axít Lewis theo sơ đồ sau:
Các giai đoạn phản ứng cracking khi có mặt chất xúc tác
Sự khác nhau cơ bản giữa cracking nhiệt và cracking xúc tác là phản ứng cracking khi có mặt chất xúc tác xảy ra theo những cơ chế nhất định và dễ khống chế. Do đó sản phẩm của cracking xúc tác sẽ có tính chọn lọc cao hơn so với cracking nhiệt.
Các giai đoạn phản ứng cracking khi có mặt chất xúc bao gồm:
Bước 1. Hấp phụ các ion Hydride trên các tâm Lewis:
Bước 2. Phản ứng giữa các proton từ Bronsted với các olefin:
Bước 3. Phản ứng giữa các ion cacboni sinh ra từ bước 1 và 2 với các hydrocacbon bằng cách tạo ra các ion hydride
Các ion hydride này không bền sẽ bị phân hủy thành các mạch ngắn hơn,
ví dụ như:
Quá trình bẻ rảy mạch các ion cacbonni tuân theo một số qui luật sau: Các parafin mạch dài và các olefin luôn đồng phân hoá trước khi bị cracking. Sự cracking thường xảy ra ở giữa mạch và thực tế không bao giờ ít hơn 3 nguyên tử C tính từ đầu mạch. Các nhánh ankyl gắn trên vòng thơm sẽ bị cắt sát vòng và các nhánh ankyl gắn ở vòng no sẽ bị cắt ở vị trí từ 3 nguyên tử C trở lên tính từ đầu mạch.
Cơ chế phản ứng hoá học xảy ra trong quá trình cracking xúc tác
Cơ chế phản ứng cracking xúc tác là cơ chế ion cacboni. Các tâm họat tính là ion cácboni được tạo ra khi các phân tử hydrocacbon của nguyên liệu tác dụng với tâm axít của xúc tác.
Tâm axít xúc tác có 2 lọai: Lọai Bronsted (H+) và Lewis (L).
Tâm Bronsted là khi tham gia phản ứng có khả năng cho proton hoạt động (H+) còn tâm Lewis thì thiếu electron nên có xu hướng nhận thêm điện tử.
Phản ứng cracking xúc tác sản ra theo các giai đọan sau:
- Giai đọan 1: tạo ion cacboni:
Ví dụ: trong trường hợp đối với các hydrocacbon mạch thẳng (Alcan):
Trường hợp phân hủy izo-propyl-benzen: Trên tâm axít kiểu xúc tác Lewis:
Trên tâm axít kiểu xúc tác Bronsted:
Giai đọan 2: Các phản ứng của ion cacboni tạo các sản phẩm:
Khi các ion cacboni được tao ra sẽ lập tức tham gia vào các phản ứng biến đổi khác như
Phản ứng đồng phân hóa:
Phản ứng cắt mạch theo quy tắc ß (cắt mạch ở vị trí ß so với cácbon mang điện tích).
Các ion tiếp tục tham gia các phản ứng đồng phân hóa, cắt mạch tiếp,alkyl hóa hay ngưng tụ. Biến đổn các ion cacboni tiếp diễn cho đến khi có cấu trúc bền vững nhất.
Độ bền của các ion cacboni có thể xắp xếp theo thứ tự:
Ion cácboni bậc 3> Ion cácboni bậc 2 >Ion cácboni bậc 1
Độ bền của cacboni sẽ quyết định sẽ quyết định mức độ tham gia các phản ứng tiếp theo của chúng.Chất lượng sản phẩm được quyết định bởi các phản ứng của các ion cacboni, đặc biệt là phản ứng phân hủy, đồng phân hóa và chuyển vị hydro.
- Giai đọan 3: giai đọan dừng phản ứng
Khi các ion cacboni kết hợp với nhau, nhường hay nhận nguyên tử hydro của xúc tác để tạo thành phân tử trung hòa và chúng chính là cấu tử của sản phẩm cracking xúc tác.
Congnghedaukhi
