Đề tài Quá trình cracking xúc tác

QUÁ TRÍNH CRACKING XÚC TÁC 1.Giới thiệu chung : Trong công nghệ chế biến dầu mỏ, các quá trình có xúc tác chiếm một vị trí quan trọng , trong đó cracking xúc tác là điển hình . Mục đích của cracking xúc tác là biến đổi các phân đoạn dầu mỏ có nhiệt độ cao ( hay có phân tử lượng lớn ) thành các cấu tử xăng có chất lượng cao. Ngoài ra thu thêm một số sản phẩm phụ khác như gasoil nhẹ , gasoil nặng , khí ( chủ yếu là phân tử nhánh ), đây là cấu tử quý cho tổng hợp hóa dầu .Xúc tác có tác dụng : - Làm giảm năng lượng hoạt hóa , tăng tốc độ phản ứng . - Làm giảm nhiệt độ cần thiết của phản ứng . - Tăng tính chất chọn lọc ( hướng phản ứng theo hướng cần thiết ) 2.Nguyên liệu dùng cho quá trình cracking xúc tác: Nguyên liệu cho quá trình cracking xúc tác thường có khỏang nhiệt độ sôi từ 300-500oC, có thể từ các nguồn như sau: Các phân đoạn kerosen-xola của quá trình chưng cất trực tiếp Phân đoạn gasoil của quá trình chế biến thứ cấp khác Phân đoạn gasoil nặng có nhiệt độ sôi 300-550oC Phần cất từ quá trình Coking của dầu thô. DAO ( phần cặn chân không deasphaltene) (550oC ) Cặn chưng cất khí quyển ( > 380oC) của vài lọai dầu thô. Trong thực tế với sự tiến bộ của công nghệ, quá trình cracking xúc tác có thể sử dụng cặn chưng cất khí quyển làm nguyên liệu trực tiếp cho quá trình mà  không  phải  qua  chưng  cất  chân  không.  Qúa  trình  này  gọi  là  quá  trình cracking  xúc  tác  cặn  (RFCC).  Những  lọai  dầu  thô  parafin,  ít  lưu  hùynh thường có ít các chất gây nhiễm độc xúc tác và chỉ số cốc Conradson thấp rất thuân lợi cho việc dùng thẳng cặn chưng cất khí quyển làm nguyên liệu cho quá trình RFCC. Để tăng nguồn nguyên liệu, ngay cả cặn chưng cất chân không cũng được làm  nguyên  liệu  cho  quá  trình  cracking  xúc  tác  sau  khi  đã  khử  nhựa  và asphalten Như vậy, người ta có thể phân nguyên liệu cho cracking xúc tác ra làm 4 nhóm sau : Nhóm 1: Nguyên liệu là những phần cất nhẹ sẽ cho sản phẩm  có hiệu suất C3, C4 tăng còn  H2  và cốc giảm. Những phận đọan nhẹ (260- 380oC) nhận được từ chưng cất trực tiếp là nguyên liệu tốt nhất để sản xuất xăng ôtô và xăng máy bay. Tos = 260- 380oC d = 0,830 – 0,860 M = 190 – 220 đ.vC Nhóm 2: phân đoạn gasoil nặng có giới hạn nhiệt độ sôi 300 – 500oC và : d = 0,880 – 0,920 M= 280 – 330 đ.vC Chủ yếu để sản xuất xăng ôtô Nhóm 3: nhóm nguyên liệu có thành phần phân đoạn rộng , đó là hỗn hợp của 2 nhóm trên , ( nhiệt độ sôi 210 đến 550oC ) , có thể lấy từ chưng cất trực tiếp hay là phần chiết của quá trình làm sạch dầu nhờn bằng dung môi chọn lọc. Nhóm này để sản xuất xăng ôtô và máy bay . Nhóm 4: Nhóm nguyên liệu trung gian là hỗn hợp phân đoạn kerosen nặng và xôla nhẹ , nhiệt độ sôi 300 đến 430oC , để sản xuất xăng ôtô và máy bay . Trong các nhóm nguyên liệu trên , tốt nhất và chủ yếu dùng cho cracking xúc tác là phân đoạn kerosen – xôla gasoil nặng , thu được từ chưng cất trực tiếp . Phân đoạn này cho hiệu suất xăng cao , ít tạo cốc nên thời gian làm việc của xúc tác kéo dài . 3. các sản phẩm của quá trình cracking xúc tác . Chất lượng của sản phẩm cracking xúc tác thay đổi trong phạm vi rất rộng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nguyên liệu, lọai xúc tác và các thông số công  nghệ  của  quá  trình.  Hỗn  hợp  sản  phẩm  của  quá  trình  cracking  được chuyển tiếp đến thiết  bị chưng cất để phân ra các phân đọan sản phẩm: - Sản phẩm khí, - Các phân đọan xăng, dầu hỏa, - Các phân đọan gasoil nhẹ và  nặng. - Phân đọan cặn dùng làm nhiên liệu đốt lò... 3.1 sản phẩm khí cracking xúc tác : Hiệu suất khí có thể từ 10-25% nguyên liệu phụ thuổc vào nguyên liệu và điều kiện cracking. Trong điều kiện nhiệt độ cao, tốc độ nguyên liệu nhỏ, bội số tuần hòan xúc tác  lớn  thì  hiệu  suất  sản  phẩm  khí  sẽ  lớn  và  ngược  lại  thì  hiệu  suất  khí nhỏ.Nguyên liệu có hàm lượng lưu hùynh cao thì sản phẩm khí có nhiều khí H2S và khi nguyên liệu có nhiều nitơ thì sản phẩm khí cracking có nhiều NH3. Sản phẩm khí, khí khô được dùng làm nhiên liệu khí, Etylen và Propylen là  nguyên  liệu  cho  sản  xuất  nhựa  Polyetylen(PE)  và  Polypropylen  (PP), Propan-propen làm nguyên liệu cho quá trình polyme hóa và sản suất các chất họat động bề mặt và làm nhiên liệu đốt (LPG). Propan-propen, butan-buten còn làm nguyên liệu cho quá trình alkyl hóa để nhận cấu tử có trị số octan cao pha vào xăng, và làm nguyên liệu cho các quá trình tổng hợp hóa dầu. Cấu tử Hiệu suất (%) Khi dùng nguyên liệu nhẹ Khi dùng nguyên liệu nặng H2 CH4 C2H6 C2H4 C3H8 C3H6 n-C4H10 izo-C4H10 n-C4H8 izo-C4H8 n-C5H12 izo-C5H12 Anilen 0,80 3,20 2,40 0,25 11,70 10,75 5,36 23,4 12,0 1,0 6,3 15,7 7,20 6,65 7,0 7,0 7,0 10,85 13,3 7,75 19,75 11,5 3,65 18,55 18,55 18,55 Tổng 100 100 Sự phụ thuộc thành phần khí cracking xúc tác vào nguyên liệu Cấu tử Xúc tác chứa zeolit Xúc tác chứa aluminosilicat H2S 4,9 3,6 H2 0,1 3,1 CH4 1,6 8,0 C2H4 2,7 6,9 C2H6 1,8 2,8 C3H6 23,1 25,6 C3H8 7,9 5,7 n-C4H8 16,6 16,0 izo-C4H8 5,7 10,1 n-C4H10 6,4 3,0 izo-C4H10 28,1 15,2 Thành phần khí cracking phụ thuộc vào xúc tác sử dụng 3.2 Xăng cracking xúc tác Đây là sản phẩm chính của quá trình cracking xúc tác, hiệu suất xăng cracking xúc tác thường dao động trong khoảng từ 30 đến 35% lượng nguyên liệu đem cracking. Hiệu suất và chất lượng xăng phụ thuộc vào chất lượng nguyên liệu , xúc tác và chế độ công nghệ . Nếu nguyên liệu có nhiều naphten thì xăng thu được chất lượng cao . Nếu nguyên liệu có nhiều parafin thì xăng thu được có trị số octan thấp Nếu nguyên liệu có nhiều lưu huỳnh thì trong xăng có nhiều lưu huỳnh ( thường chiếm 15% tổng lượng lưu huỳnh có trong nguyên liệu .) Xăng cracking xúc tác có các đặc trưng sau : Tỷ trọng 0,72 – 0,77 Trị số octan 87 – 91 ( theo RON ) Thành phần hóa học: 9 – 10% olefin , 20 – 30% aren , còn lại là naphten và izo-parafin Phân đọan này là cấu tử cơ bản để pha trộn với những cấu tử khác từ các quá trình Reforming, alkylhóa,và các phân đọan naphta từ quá trình chưng cất trực tiếp để sản xuất các lọai xăng ô tô, xăng máy bay. 3.3 Sản phẩm gasoil nhẹ : Gasoil nhẹ là sản phẩm phụ thu được trong cracking xúc tác , Tos= 175 – 350oC . So sánh với nhiên liệu diezen thì nó có hệ số xetan thấp . Tuy nhiên chất lượng sản phẩm này còn phụ thuộc nguyên liệu đem cracking. Với nguyên liệu là phân đoạn xô la từ họ dầu parafinic thì gasloi nhẹ của cracking xúc tác nhận được có trị số xetan tương đối cao .( 45 – 46 ) Với nguyên liệu chứa nhiều hydrocacbon thơm, naphten thì trị số xetan thấp ( 25 – 35 ) Chất lượng gasoil nhẹ không chỉ phụ thuộc vào thành phần nguyên liệu mà còn phụ thuộc vào chất lượng của xúc tác và chế độ công nghệ . Cracking xúc tác ở điều kiện cứng : hiệu suất và chất lượng gasoil nhẹ thấp Cracking xúc tác ở điều kiện mềm : hiệu suất và chất lượng gasoil nhẹ cao. Sản phẩm gasoil nhẹ này thường được sử dụng để làm nhiên liệu diezen, làm nguyên liệu pha vào mazut làm tăng chất lượng của dầu mazut . Đặc tính của gasoil nhẹ thu được trong quá trình cracking xúc tác như sau : Tỷ trọng 0,83 – 0,94 1,7 – 2,4% lưu huỳnh , 30 – 50% hydrocacbon thơm , còn lại là parafin và naphten . 3.4 Sản phẩm gasiol nặng : Sản phẩm gasoil nặng là phần cặn còn lại của quá trình cracking xúc tác , Tosôi > 350oC , d204 = 0,89 – 0,99 . Sản phẩm này chứa một lượng lớn tạp chất cơ học . Hàm lượng lưu huỳnh cao hơn trong nguyên liệu ban đầu khỏng 1,5 lần . Nó được sử dụng làm nguyên liệu cho cracking nhiệt và cốc hóa , hoặc làm nguyên liệu đốt lò , làm nguyên liệu sản xuất bồ hóng , hoặc quay trờ lại quá trình cracking xúc tác. 4. Xúc tác cho quá trình cracking : 4.1 Các loại xúc tác : Xúc tác triclorua nhôm AlCl3 :Triclorua nhôm cho phép tiến hành phản ứng ở nhiệt độ thấp 200 – 300oC , dễ chế tạo. Nhược điểm là xúc tác bị mất mát do tạo phức với hydrocacbon thơm của nguyên liệu , điều kiện tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu không tốt , cho hiệu suất và chất lượng xăng thấp . Aluminosilicat vô định hình :Ban đầu người ta sử dụng đất sét bentonit , song hiệu suất chuyển hóa thấp. Sau đó dùng aluminosilicat tổng hợp, xúc tác này có hoạt tính cao hơn. Hiên nay chủ yếu sử dụng zeolit hoặc xúc tác aluminosilicat chứa zeolit . Ưu điểm của loại xúc tác chứa zeolit là giảm được giá thành của xúc tac , do zeolit tổng hợp rất đắt . dễ dàng tái sinh xúc tác vì trong quá trình phản ứng, cốc tạo thành sẽ bám trên bề mặt chất mang ( là aluminosilicat ), chứ không chui vào mao quản zeolit , điều đó cho phép quá trình đốt cháy cốc xảy ra thuận tiện và triệt để . Hiện nay trong công nghiệp sử dụng chủ yếu là zeolit X,Y có kích thước mao quản rộng ( 8 – 10Ao ) để chế tạo xúc tác dùng cho cracking các phân đoạn rộng và nặng . Ngoài ra có thể sử dụng loại zeolit mao quản trung bình như ZSM – 5 , ZSM – 11 . Các xúc tác trên được chế tạo dưới dạng hạt vi cầu để sử dụng cho quá trình cracking với lớp giả sôi (FCC) hoặc dạng cầu lớn cho thiết bị xúc tác chuyển động (RCC). Dưới đây là quy trình tổng hợp (FCC) Thành phần xúc tác cracking tầng sôi trong công nghiệp 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 4.2 Vai trò của xúc tác Xúc tác có tác dụng làm giảm năng lượng hoạt hóa của phản ứng. Ví dụ , khi có mặt xúc tác ở 400 – 500oC , các olefin chuyển hóa nhanh hơn 1000 đến 10.000 lần so với cracking nhiệt . Ngoài ra, xúc tác còn có tính chọn lọc, nó có khả năng làm tăng hay chậm không đồng đều các loại phản ứng , có nghĩa là hướng theo chiều có lợi. 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: 4.3 Yêu cầu đối với xúc tác cracking : Xúc tác cracking phải đảm bảo các yêu cầu sau đây : Hoạt tính xúc tác phải cao Độ chọn lọc phải cao Độ ổn định cao Bền cơ, bền nhiệt (để có thể làm việc ở nhiệt độ cao) Độ thuần nhất cao (về cấu trúc, hình dạng, kích thước) Phải bền với các tác nhân gây ngộ độc xúc tác Phải có khả năng tái sinh Phải dễ sản xuất và giá thành hạ. Với các yêu cầu trên thì zeolit hoặc xúc tác chứa zeolit tỏ ra có nhiều ưu điểm hơn cả. 4.4 Tái sinh xúc tác :Xúc tác cracking sau một thời gian làm việc bị mất hoạt tính . Để sử dụng xúc tác được lâu, trong công nghệ phải thực hiện việc tái sinh xúc tác. Nguyên nhân chính làm mất độ họat tính của xúc tác là do cốc tạo thành bám kín bế mặt họat tính của xúc tác , hoặc một số phản ứng phụ tạo polyme, che phủ các tâm hoạt tính của xúc tác . Để tái sinh xúc tác người ta đã tiến hành đốt cốc bằng không khí nóng trong lò tái sinh. Khi đốt cồc sẽ tạo thành CO, CO2, các phản ứng khử các hợp chất lưu hùynh. C + O2 → CO2 + Q C + 1/2O2 → CO + Q CO + 1/2O2 → CO2 + Q H2 + 1/2O2 → H2O + Q S + O2 → SO2 SO2 + 1/2O 2 → SO3 MeO + SO3 → MeSO4 MeSO4 + 4H2 → MeO + H2S + 3H2O Nhiệt lượng tỏa ra được dùng để cấp nhiệt cho xúc tác mang vào lò phản ứng cracking. Khả năng tái sinh có thể đánh giá bằng cường độ cháy cốc , cường độ cháy cốc càng cao, quá trình tái sinh xúc tác càng nhanh. Người ta thấy rằng, nhiệt độ tốt nhất để đốt cháy cốc nằm trong khoảng 540 – 680oC. Nếu quá thấp , cốc không cháy hết , nếu quá cao (700oC) xúc tác bị thiêu kết , dẫn đến giảm bề mặt , làm giảm hoạt tính của xúc tác. 5. Cơ chế phản ứng 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. Sự đứt mạch xảy ra ở vị trí ß so với cacbon mang điện tích , để tạo thành một chất trung hòa và một ion cacboni mới có số cacbon nhỏ hơn. Cracking alkyl benzen E(kcal/mol) C6H5-C2H5 50 C6H5-CH2-CH2-CH2-CH3 34 Trong dãy đồng đẳng của benzen , khi mạch bên càng dài thì tốc độ đứt mạch xảy ra càng lớn và dễ dàng . Các nhóm CH3 , C2H5 khó bị đứt khỏi nhân thơm ( vì năng lượng liên kết lớn , do đó khó tạo CH3+ và C2H5+ ( xăng cracking xúc tác chứa nhiều hydrocacbon thơm có mạch nhánh ngắn ). Cracking olefin theo C.Naccache : R-CH=CH-CH2-CH2-CH3 à R-CH2-CH+-CH2-CH2-CH2-R’ à R-CH2-CH=CH2 + [ CH2+-CH2-R’ à CH2=CH-R + H+] Đứt mạch có thế xảy ra ngay sau khi phản ứng : C=C-C-C-C + H+ à CH3-CH+-CH2-CH2-CH3 à CH3-CH=CH2 + CH2=CH2 + H+ Hoặc cũng có thể trùng hợp trước sau đó mới đứt mạch: 2C5= à C10= à C3= + C7= à C7= à C3= + C4= Crackng xycloparafin : Cracking xycloparafin chủ yếu là các phản ứng đứt vòng và tạo ra các vòng đói hoặc vòng 5 cạnh với nhánh metyl Như vậy , sau cracking có thể thu được sản phẩm là vòng nhỏ hơn hoặc vòng đói. 6. Các quá trình kèm theo quá trình cracking xúc tác Với nguyên liệu parafin , phân tử lượng của parafin càng thấp thì sự phân hủy xảy ra càng kém . Ngoài ứng dụng chính là đứt mạch C-C , còn kèm theo quá trình dehydro hóa : C4H10 à CH4 + C3H6 (60%) C2H6 + C2H4 (30%) C4H8 + H2 (10%) Với nguyên liệu là olefin, ngoài cracking , còn có các phản ứng trùng hợp . Ví dụ : 2CH3-CH2-CH=CH2 à CH3-(CH2)5-CH=CH2 CH2=CH2 + CH2=CH2 à CH2=CH-CH2-CH3 à CH2=CH-CH=CH2 + H2 Phản ứng đồng hóa : CH2=CH-CH2-CH3 à CH3-CH=CH-CH3 Phản ứng kết hợp H2 tạo parafin : R-CH=CH2 à R-CH2-CH3 Trong quá trình tiến hành cracking xúc tác vừa xảy ra các phản ứng mong muốn lẫn phản ứng không mong muốn : Các phản ứng mong muốn: Phản ứng cắt mạch (cracking ): xảy ra theo cơ chế ion cacbonium.   Hoạt tính cracking của các hydrocacbon giảm dần theo thứ tự sau: Olefin   >   Ankyl   Aromatic   >   Ankyl   naphten,   isoparafin>   n-parafin, naphten>> nhân thơm. Tốc độ cracking tăng khi số nguyên tử cacbon tăng, độ phân nhánh tăng. Phản ứng isomer hoá:Thường xảy ra trước phản ứng cracking. Nhưng sau cracking quá trình ít xảy ra do thời gian lưu trong bình FCC ngắn và mạch ngắn lên cản trở quá trình isomer hoá. Các parafin mạch dài và olefin luôn luôn isomer hóa trước khi cracking . Sự cracking ( phần lớn ) ở giữa mạch hoặc tại vị trí trên 3 nguyên tử cacbon tính từ đầu mạch. Các ankyl gắn trên nhân thơm sẽ bị cắt sát vòng , nhánh ankyl gắn trên vòng naphten sẽ cắt tại vị trí 3 nguyên tử cacbon tính từ đầu mạch . Phản ứng isomer hóa : Các phản ứng hạn chế:Phản ứng chuyển vị hydro: Phản ứng này xảy ra sự chuyển vị một phần tử hydro từ một hydrocacbon này sang một hydrocacbon khác (không no) dẫn đến hình thành các hợp chất no và thơm.       Làm giảm olefin, tăng Aromatic → tăng khả năng tạo cốc. Làm giảm chỉ số octan xăng (mất olefin). Làm xăng ổn định hơn. Phản ứng ngưng tụ: Polymer hoá olefin → đóng vòng → dehydro hoá → tạo Aromatic. Ankyl  hoá  Aromatic  →  đóng  vòng  nhánh  ankyl  →  hydro  hoá  →  poly Aromatic (cốc).   Cộng đóng vòng Diels Alder → dehydro hoá → poly Aromatic. Hai phản ứng trên cần hạn chế (tạo cốc) nhưng không loại bỏ (giảm olefin). Phản ứng tạo hydro: do phản ứng dehydro hoá, xảy ra khi có mặt của Ni làm chất xúc tác. Phản ứng tạo C1 – C2: sinh ra do phản ứng cracking nhiệt. Các phản ứng hóa học xảy ra trên từng dạng hydrocacbon riêng lẻ được trình bày trong bảng sau: Hydrocacbon Sản phẩm quá trình cracking xúc tác Parafin -Olefin và parafin -Olefin và hydro -iso-parafin -Các hợp chất olefin có trọng lượng phân tử thấp Olefin -Parafin và dien -Parafin, naphten và hydrocacbon thơm -Polyme, cốc Naphten -Olefin -Cyclohexan và olefin -Hydrocacbon thơm Hydrocacbon thơm (alkyl thơm) -Parafin và alkyl có mạch bên ngắn -Đồng phân hóa, chuyển vị nhóm alkyl -Sản phẩm ngưng tụ và cốc. Phản ứng bậc 2: Naphten+ Olefin -Hydrocacbon thơm -Parafin Hydrocacbon thơm +Olefin -Sản phẩm ngưng tụ và cốc 7. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng cracking xúc tác Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng cracking , sau đây chỉ nêu một số yếu tố điển hình : Nguyên liệu : tốt nhất là phân đoạn kerosen-xôla gasoil nặng thu được từ chưng cất trực tiếp (nhiệt độ của phân đoạn 260 – 350oC , d = 0,830 – 0,920 ) Độ chuyển hóa Độ chuyển hóa C được tính bằng: C = Tổng hiệu suất (khí +Xăng +Cốc) C= 100- y(100-z) y: là % thể tích của sản phẩm có nhiệt độ sôi cuối cao hơn điểm sôi cuối của xăng z: là % thể tích xăng đã có trong nguyên liệu.. Sơ đồ khối quá trình FCC Tốc độ nạp liệu : 0,5 – 2,5 đơn vị thể tích nguyên liệu trong 1 giờ . Là tỷ số giữa lượng nguyên liệu được nạp trong một đơn vị thời gian trên lượng xúc tác trong lò phản ứng.và được ký hiệu bằng M/H/M Khi tăng tốc độ nạp liệu sẽ làm giảm độ chuyển hoá và ngược lại vì tốc độ nạp liệu là đại lượng ngược với thời gian phản ứng. Khi sử dụng xúc tác có độ họat tính cao ta có thể tăng tốc độ nạp liệu khi ấy sẽ tăng năng suất của thiết bị. Tỷ lệ xúc tác/Nguyên liệu Tỷ  lệ  xúc  tác  zeolit/nguyên  liệu,còn  gọi  là  bội  số  tuần  hòan  xúc  tác (X/RH).  Với  lọai  xúc  tác  zeolít  thì  X/RH=10/1  còn  xúc  tác  vô  định  hình X/RH=20/1. Khi thay đổi tỷ lệ X/RH sẽ làm thay đổi thời gian lưu của xúc tác trong lò phản ứng và lò tái sinh và thay đổi cả lượng cốc bám trên xúc tác. Ở chế độ  ổn định  tỷ  lệ X/RH  tăng  sẽ làm  tăng  độ  chuyển  hóa  và giảm  hàm lượng cốc bám trên xúc tác, khi đó thời gian tiếp xúc giữa xúc tác và nguyên liệu giảm nhưng họat tính trung bình của xúc tác lại tăng lên. Nhiệt độ Nhiệt độ trong lò phản ứng khi vận hành trong khỏang 470-540oC. Khi nhiệt độ tăng lên thì tốc độ phản ứng phân hủy nhanh hơn nhưng cũng thúc đẩy  các  phản  bậc  2  như  khử  hydro  tăng  lên  dẫn  đến  tăng  hiệu  suất hydrocacbon thơm và olefin. Khi đó C1-C3  trong khí tăng, C4  giảm, tỷ trọng và trị số octan của xăng tăng lên. Khi nhiệt độ cao hiệu suất xăng giảm, hiệu suất khí tăng và cốc không tăng. Áp suất: 1,4 – 1,8 at, ở điều kiện này cracking xảy ra trong pha hơi. Khi áp suất tăng thì hiệu suất xăng tăng lên, hiệu suất C1-C3  giảm, hàm lượng olefin và hydrocacbon thơm giảm dẫn tới trị số octan của xăng giảm. Bội số tuần hoàn của xúc tác : khi tăng bội số tuần hoàn của xúc tác thì thời gian lưu của nguyên liệu trong vùng phản ứng giảm ,hoạt tính trung bình của xúc tác tăng lên , hiệu suất xăng, khí, cốc cũng tăng. Còn lượng cốc bám trên bề mặt xúc tác sau lần tuần hoàn sẽ giảm xuống . 8.Một số công nghệ tiêu biểu : Quá trình Cracking xúc tác bắt đầu phát triển công nghệ từ năm 1936 do một kỹ sư người Pháp thiết kế tên là Houdry. Sau đó công nghệ bắt đầu cải tiến dần và ngày càng đa dạng công nghệ, áp dụng cho từng loại nguyên liệu và mục đích sản phẩm. 5. Các công nghệ cracking xúc tác tiêu biểu 5.1 Cracking với lớp xúc tác cố định Dây chuyền cracking xúc tác đầu tiên do Houdry, một kỹ sư người Pháp thiết kế được đưa vào công nghiệp chế biến dầu từ năm 1936. Công nghệ này họat động theo kiểu gián đọan với lớp xúc tác cố định. Nhược điểm của công nghệ này là họat động gián đọan vì vậy rất phức tạp trong vận hành (quá trình cracking ứng xúc tác để cho sản phẩm và tái sinh xúc tác trong cùng một thiết bị). Dây chuyền này nhanh chóng được cải tiến và chỉ năm năm sau, năm 1941 đã xuất hiện quá trình cracking với lớp xúc tác chuyển động. 5.2 Cracking với lớp xúc tác tầng sôi Qúa  trình  cracking  có  lớp  xúc  tác  chuyển  động  đã  thay  thế  quá  trình Houdry. Qúa trình phản ứng xúc tác và tái sinh xúc tác được thực hiện ở các thiết bị riêng biệt: thiết bị phản ứng (lò phản ứng) và thiết bị tái sinh xúc tác (lò tái sinh). Xúc tác đã làm việc có chứa cốc chảy từ lò phản ứng vào lò tái sinh và sau khi đã tái sinh lại ngược về lò phản ứng (hoặc bằng tự chảy hoặc bằng  cưỡng  bức)  tạo  thành  một  chu  trình  liên  tục.  Năm  1942  quy  trình cracking có lớp xúc tác chuyển động (FCC) đầu tiên được đưa vào họat động có tên là Up Flow.   Năm 1944 người ta tăng đường kính của lò phản ứng và lò tái sinh, tách hơi sản phẩm được thực hiện ngay trong lò phản ứng và tái sinh xúc tác ở dạng tầng sôi và quá trình thổi cho xúc tác chuyển động từ phía dưới và lấy ra ngòai ở đáy lò. Dây truyền họat động như vậy có tên là Down Flow. Người ta đã liên tục cải tiến thiết bị và cả hình dạng của xúc tác. Hình dạng xúc tác phổ biến là dạng viên hình cầu nhằm làm giảm sự mất mát xúc tác và giảm sự mài mòn thiết bị và nâng cao hiệu quả tách của xyclon. Model I, tỷ lệ xúc tác/nguyên liệu chỉ đạt tối đa là 3 nhưng model II có thể tăng tối đa là 10. Hãng M.B.Kellog đã thiết kế lọai cân bằng áp suất Model III năm 1946. Hãng Standard-Oil (New Jersey) đã thiết kế lọai FCC mới (Model IV) từ cải tiến của Model II và đã đưa vào họat động từ 1952. Công nghệ FCC ngày càng được cải tiến nhằm đạt hiệu suất và chất lượng xăng cao hơn, với chất lượng nguyên liệu ngày càng xấu hơn. Công nghệ FCC của một số hãng công nghiệp nổi tiếng gồm có: 5.3 Công nghệ của hãng UOP Qua các bước cải tiến liên tục, hiên nay công nghệ FCC của UOP cũng áp dụng cracking nhằm chuyển hóa cặn dầu nặng. Qúa trình của UOP đựơc công ty Ashland  OilCo phát triển. Chính hãng UOP đã thiết kế 2 lọai FCC: lọai lò tái sinh đốt cháy hòan tòan 1 cấp và lọai tái sinh hai cấp. Lọai lò tái sinh đốt cháy hòan tòan một cấp: là lọai thông dụng trên tòan thế giới, nhưng UOP đã cải tiến hệ thống phân phối nguyên liệu phần cuối của ống riser, hệ thống tái sinh xúc tác, bộ phận làm lạnh xúc tác, xúc tác để nâng cao tính linh động của nguyên liệu cũng như sản phẩm của quá trình. Xúc tác sau phản ứng được đốt ở dạng tầng sôi, tốc độ cao, nhằm chuyển hóa hòan tòan CO thành CO2, không sử dụng thêm các phụ gia khác và hàm lượng cacbon còn lại trên bề mặt xúc tác sau tái sinh là thấp nhất so với các công nghệ thông thường. Lọai  Lò  tái  sinh  hai  cấp:  Cơ  bản  như  công  nghệ  FCC  thông  thường nhưng được thiết kế đặc biệt cho nguyên liệu cặn nặng hơn (RFCC, với 4-10 % cặn cacbon conradson trong nguyên liệu). Lò tái sinh xúc tác chia làm hai tầng, với bộ phận làm lạnh xúc tác được bố trí bên trong và được cải tiến để kiểm sóat lượng cốc, lượng nhiệt cho phần phản ứng. Tầng thứ nhất ở phía trên có nhiệm vụ đốt cháy một phầm hàm lượng cốc trên bề mặt xúc tác, tầng thứ hai, lượng cốc còn lại trên bề mặt xúc tác sẽ được đốt cháy hòan tòan. Điều này dẫn đến hàm lượng cacbon còn lại trên bề mặt xúc tác luôn < 0.05 % khối lượng. 5.4 Công nghệ của Kellog Sự vận chuyển xúc tác được thực hiện theo phương thẳng đứng rất thuận lợi vì có thể dùng van chặn để điều khiển quá trình tuần hòan của xúc tác. Qúa  trình  cracking  được  thực  hiện  hòan  tòan  trong  lò  phản  ứng  dạng  ống đứng (lò ống đứng). Hệ thống xyclon được đặt ngay cửa ra của ống đứng. Trong lò tái sinh xúc tác và không khí tiếp xúc ngược chiều nhau. Kiểu RFCC được trình bày  trong  hình  10. Đặc  điểm chính  của  model  này  là vòi phun nguyên  liệu  được  cải  tiến  nhằm  tăng  cường  sự  tiếp  xúc  giữa  xúc  tác  và nguyên liệu, bộ phận làm nguội được thay đổi bằng cách từ đặt ở pha đặc thay cho pha lõang trong lò tái sinh để tránh ăn mòn, mài mòn trang thiết bị do xúc tác và nhằm làm tăng tốc độ truyền nhiệt. Hình dáng bộ phận làm nguội xúc tác do Kellog thiết kế cũng tương tự của UOP chỉ khác là cách bố trí các ống trao đổi nhiệt đặt ngược chiều 5.5 Công nghệ của hãng Shell Shell có nhiều đóng góp trong việc phát triển cracking xúc tác phần cặn nặng (RFCC). Quá trình Shell LRFCC (Long Residue FCC) để cracking xúc tác cặn nặng và rộng, có bộ phận làm nguội xúc tác để tránh sự đốt cháy quá nhiệt. Thiết bị trình bày trong hình sau:   5.6 Công nghệ IFP – Total và Stone & Webster Hai hãng công nghiệp này đã hợp tác thết kế quá trình RFCC với tái sinh xúc tác 2 cấp. Qúa trình nhằm cracking xúc tác cặn nặng và có tên là ”R.2.R Process”. Qúa trình cũng có trang bị bộ phận làm nguội xúc tác, hệ thống kiểm tra và điều khiển nhiệt độ của khối lò phản ứng. Đặc điểm của công nghệ R.2.R là lò đứng, tái sinh 2 cấp, có sự cải tiến thiết bị phun nguyên liệu trực tiếp vào dòng xúc tác nóng.   5.7 Công nghệ Exxon Exxon liên tục nghiên cứu cải tiến công nghệ FCC, từ khi đưa ra model IV và đến nay đưa ra lọai model III-R, cracking có có tính linh họat. Có thể sử dụng  nguyên  liệu  khác  nhau  từ  các  phần  cất  chân  không  đến  các  lọai  cặn nặng. Thuyết minh quy trình công nghệ FCC: (sử dụng cho một quy trình đơn giản ) Nguyên liệu mới từ bể chứa nguyên liệu (1). Được cho qua thiết bị trao đổi nhiệt (2) để nâng nhiệt độ lên 200oC. Dòng nguyên liệu carcking được tiếp xúc với xúc tác nóng đã tái sinh (9) ở đáy của ống đứng (4), khi đó nguyên liệu bay hơi cùng với hỗn hợp của hơi nóng và xúc tác được đi lên phía trên tới đỉnh của ống đứng, đồng thời xảy ra các phản ứng cracking xúc tác(thời gian dòng dung dịch chạy qua ống đứng khoảng từ 3-5 giây). Hầu hết nguyên liệu đều tham gia phản ứng và chuyển hóa ống đứng. Còn reactor (5) được dùng như một thiết bị tách xúc tác và hơi hydrocacbon, nhiệt độ trong reactor khoảng 400oC, P= 3bar.Hơi sản phẩm nóng sẽ được đưa tới cột phân đoạn, xúc tác đã làm việc cho qua vùng tách hơi (còn gọi là bộ phận rửa xúc tác)bằng cách thổi hơi nước vào. Xúc tác theo ống (7) trở về thiết bị tái sinh xúc tác. Xúc tác đã làm việc được đưa vào thiết bị tái sinh xúc tác , tại đây To=700oC, P= 3,1bar không khí được đưa từ bên ngoài vào qua máy nén để tăng áp suất của dòng khí và được phân phối vào thiết bị tái sinh qua đĩa phân phối khí (8). Mục đích chính của tái sinh là đốt cháy cốc bám trên xúc tác đã làm việc bằng oxy của không khí, khi đó tạo thành CO,CO2, hơi nước, nhờ vậy mà trả lại bề mặt hoạt tính cho xúc tác.Dòng khí chứa các hạt xúc tác và bụi sẽ được đưa lên đỉnh thiết bị tái sinh qua cyclones 2 cấp để tách bớt bụi và các hạt xúc tác,sau đó dòng khí được qua máy nén khí rồi đi vào bể lọc ướt để loại bỏ bụi còn sót và cho không khí sạch thoát ra.Xúc tác sau tái sinh lại được dẫn qua đường ống (9) để tiếp tục làm việc. Hơi sản phẩm ở To= 500oC được nạp vào cột phân đoạn chính để chia thành các sản phẩm khác nhau. Ở đỉnh tháp xăng và các khí nhẹ ở To= 120oC được dẫn qua thiết bị làm mát, đi qua thiết bị trao đổi nhiệt. Khí từ C1-C4 , H2S được nén lại tạo áp suất rồi được phân tách riêng để sử dụng cho các mục đích khác nhau.Xăng một phần được đưa trở lại cột phân đoạn, phần còn lại được lấy ra làm nhiên liệu ôtô. Phần giữa tháp thu được các sản phẩm như LCO,HCO, những thành phần này được đưa qua các tripper và qua các thiết bị trao đổi nhiệt trước khi thu sản phẩm. Phần đáy tháp với To= 330oC , ta thu được phần dầu cặn đã được làm sạch khỏi bùn xúc tác một qua thiết bị trao đổi nhiệt trở lại tháp, phần sản phẩm thu được dùng để làm nguyên liệu đốt lò , làm nguyên liệu sản xuất bồ hóng , hoặc quay trờ lại quá trình cracking xúc tác. Tài liệu tham khảo Hóa học dầu mỏ và khí – PGS.TS Đinh Thị Ngọ - NXB khoa học và kỹ thuật. Công nghệ chế biến dầu mỏ - Lê Văn Hiếu – NXB khoa học và kỹ thuật. Website :