Luận văn nghiên cứu công nghệ chế tạo chất xúc tác co moal2o3 có hoạt tính và độ bền cơ học cao cho quá trình chuyển hoá khí co với hơi nước nhằm thay thế chất xúc tác nhập ngoại

Luận văn nghiên cứu công nghệ chế tạo chất xúc tác Co MoAl2O3 có hoạt tính và độ bền cơ học cao, ứng dụng trong quá trình chuyển hóa khí CO với hơi nước, thay thế chất xúc tác n...

• Tác giả: Ts. Vũ Thị Thu Hà
• Trường học: Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam
• Chuyên ngành: Hóa học Công nghiệp
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 hiệu quả cao thay thế nhập khẩu
• Loại tài liệu: Nghiên cứu khoa học
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung về nghiên cứu chế tạo chất xúc tác Co Mo Al2O3

Nghiên cứu chế tạo chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 nhằm thay thế sản phẩm nhập khẩu là một trong những nhiệm vụ quan trọng của Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam. Chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 được sử dụng rộng rãi trong quá trình chuyển hóa khí CO với hơi nước, đặc biệt trong ngành công nghiệp hóa chất và sản xuất phân đạm. Mục tiêu chính của nghiên cứu là tạo ra chất xúc tác có hiệu quả cao, độ bền cơ học tốt, và có thể sản xuất trong nước, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu.

1.1. Bối cảnh và mục tiêu nghiên cứu

Việc nhập khẩu chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 từ Trung Quốc đã gây ra nhiều vấn đề về chi phí và độ bền. Chất xúc tác nhập khẩu thường có độ bền cơ học thấp, dễ vỡ vụn trong quá trình vận hành, dẫn đến tăng chi phí bảo trì và thay thế. Nghiên cứu này nhằm phát triển công nghệ xúc tác hiệu quả, tạo ra sản phẩm có chất lượng tương đương hoặc vượt trội so với sản phẩm nhập khẩu.

1.2. Tầm quan trọng của chất xúc tác Co Mo Al2O3

Chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa khí CO với hơi nước, giúp tăng hiệu suất sản xuất hydro và giảm thiểu tác động môi trường. Việc nghiên cứu và sản xuất trong nước không chỉ giúp giảm chi phí mà còn thúc đẩy sự phát triển của công nghệ hóa học và công nghiệp xúc tác tại Việt Nam.

II. Quy trình chế tạo chất xúc tác Co Mo Al2O3

Quy trình chế tạo chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 bao gồm nhiều bước quan trọng, từ tổng hợp chất mang Al2O3 đến tạo pha hoạt tính Co-Mo. Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số kỹ thuật để đảm bảo chất xúc tác có hiệu suất cao và độ bền cơ học tốt.

2.1. Tổng hợp chất mang Al2O3

Chất mang Al2O3 được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa và sol-gel. Quá trình này được tối ưu hóa để đạt được diện tích bề mặt riêng cao và cấu trúc xốp phù hợp. Các yếu tố như tốc độ khuấy, nhiệt độ phản ứng, và pH môi trường được nghiên cứu kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng của chất mang.

2.2. Tạo pha hoạt tính Co Mo

Pha hoạt tính Co-Mo được tạo ra bằng cách tẩm các hợp chất của coban và molypden lên chất mang Al2O3. Quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ và áp suất phù hợp để đảm bảo sự phân bố đồng đều của các nguyên tố hoạt tính trên bề mặt chất mang.

III. Ứng dụng và hiệu quả của chất xúc tác Co Mo Al2O3

Chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 được ứng dụng rộng rãi trong quá trình chuyển hóa khí CO với hơi nước, đặc biệt trong sản xuất hydro và phân đạm. Nghiên cứu này đã chứng minh rằng chất xúc tác được chế tạo trong nước có hiệu suất tương đương với sản phẩm nhập khẩu, đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian vận hành.

3.1. Hiệu quả trong quá trình chuyển hóa khí CO

Chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 được thử nghiệm trong điều kiện thực tế tại Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc. Kết quả cho thấy, chất xúc tác có khả năng chuyển hóa khí CO với hiệu suất cao, đạt yêu cầu kỹ thuật và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhập khẩu.

3.2. Giảm chi phí và tăng tính tự chủ

Việc sản xuất chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 trong nước giúp giảm đáng kể chi phí nhập khẩu và tăng tính tự chủ trong sản xuất. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp hóa chất tại Việt Nam.

IV. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu chế tạo chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 đã đạt được những kết quả tích cực, mở ra hướng phát triển mới cho ngành công nghiệp xúc tác tại Việt Nam. Chất xúc tác được chế tạo có hiệu quả cao, độ bền cơ học tốt, và có thể thay thế sản phẩm nhập khẩu. Đề xuất tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này để ứng dụng rộng rãi hơn trong các ngành công nghiệp khác.

4.1. Kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chứng minh rằng chất xúc tác Co-Mo/Al2O3 được chế tạo trong nước có chất lượng tương đương với sản phẩm nhập khẩu, đồng thời giảm thiểu chi phí và thời gian vận hành. Đây là bước tiến quan trọng trong việc phát triển công nghệ xúc tác tại Việt Nam.

4.2. Đề xuất phát triển

Đề xuất tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ xúc tác để ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác như lọc dầu, xử lý khí thải, và sản xuất hóa chất. Đồng thời, cần tăng cường hợp tác quốc tế để tiếp thu công nghệ tiên tiến và nâng cao năng lực sản xuất trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Vấn đề chế tạo chất xúc tác chuyển hoá khí CO nhằm thay thế sản phẩm nhập ngoại tại Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc đã được nghiên cứu ở Viện Hoá học Công nghiệp từ những năm 70 của thế kỷ trước. Tuy nhiên, tại thời điểm đó, quá trình được nghiên cứu là quá trình chuyển hoá khí CO ở nhiệt độ từ 400-500°C, sử dụng xúc tác trên cơ sở Fe-Cr. Từ những kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, các tác giả đã đưa ra được một hệ xúc tác có hoạt tính đạt yêu cầu, có khả năng chịu ngộ độc và có thể thay thế được xúc tác nhập ngoại. Các tác giả đã dự kiến xây dựng một dây chuyền pilot sản xuất xúc tác tại Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc nhưng có lẽ do thiếu kinh phí nên dự án này đã không được triển khai.

Ngày nay, công nghệ chuyển hoá khí CO của Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc đã được cải tiến, với quá trình chuyển hoá CO ở nhiệt độ trong khoảng 250°C — 380°C. Xúc tác hiện đang được sử dụng ở nhà máy là xúc tác trên cơ sở Co-Mo mang trên chất mang Al;O:. Chất xúc tác này đã được đối tác Trung Quốc cung cấp kèm thiết bị và công nghệ, với tổng khối lượng khoảng 50 tấn. Do xúc tác có độ bền cơ học không cao lại phải làm việc trong điều kiện có hơi nước, nên trong quá trình vận hành, xúc tác bị vỡ vụn nhiều, trở lực trong thiết bị tăng lên dẫn tới việc phải đưa ra phương án thay xúc tác.

Việc thay xúc tác rất tốn kém (trên dưới 5 tỷ VNĐ cho một lần thay) đồng thời vừa tốn nhiều thời gian và công sức do phải qua lại nhiều lần để đàm phán với đối tác Trung Quốc vừa phải phụ thuộc hoàn toàn vào phía đối tác. Thực tế, năm 2005, Công ty đã phải thay mới một mẻ xúc tác. Vì những lý do đó, về lâu dài, Công ty muốn chủ động trong việc cung cấp chất xúc tác, tránh bị phụ thuộc vào đối tác Trung quốc. Để có thể thực hiện được dự định này, Công ty Phân đạm và Hóa chất Hà Bắc đã đề nghị Viện Hoá học Công nghiệp hợp tác nghiên cứu công nghệ chế tạo chất xúc tác cho quá trình chuyển hoá CO với hơi nước nhằm thay thế một phần xúc tác nhập ngoại.

Công nghệ sản xuất các chất xúc tác dị thể nói chung, xúc tác Co-Mo/Al;O; nói riêng khá phổ biến trên thế giới nhưng chưa được nghiên cứu sâu và có hệ thống ở Việt Nam. Việc nghiên cứu trên cơ sở tận dụng kinh nghiệm của nước ngoài là giải pháp tốt nhất để có thể nắm bắt nhanh chóng và có hiệu quả công nghệ này. Viện Nghiên cứu quá trình Xúc tác và Môi trường (RCELYON - Cộng hoà Pháp) là đối tác hợp lý để hợp tác thực hiện nhiệm vụ này. Mục tiêu chính của Nhiệm vụ là : 1.

Hợp tác nghiên cứu với Viện Nghiên cứu quá trình xúc tác IRC - CNRS, Cộng hoà Pháp nhằm mục đích xây dựng qui trình công nghệ chế tạo chất xúc tác Co-Mo/Al;O; công nghiệp sử dụng trong quá trình chuyển hoá khí CO với hơi nước, thay thế sản phẩm nhập ngoại 2. Tạo ra chất xúc tác Co-Mo/Al;O; có hoạt tính, độ bên cơ học cao, chịu được điều kiện làm việc ở áp suất và nhiệt độ cao, trong môi trường có hơi nước, tương đương các chất xúc tác thương phẩm mà Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc đang sử dụng. Vì thế, các nội dung chính của nhiệm vụ bao gồm : a. Tổng quan về vấn đề chuyển hoá CO với hơi nước trên xúc tác Co- Mo/Al;O;, công nghệ sản xuất chất mang xúc tác Al;O;, công nghệ sản xuất xúc tác Co-Mo/Al;O; và yêu cầu chất lượng đối với xúc tác Co- Mo/Al;O; của quá trình chuyển hoá CO với hơi nước b.

Xác định các tính chất hoá lý của xúc tác Trung Quốc đang được sử dụng tại Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc (để đối chứng) c. Xay dung qui trình tổng hợp chất mang oxit nhôm hoạt tính d. Nghiên cứu công nghệ chế tạo chất xúc tác Co-Mo/Al;O; cho quá trình chuyển hoá CO với hơi nước e. Xây dựng qui trình đánh giá hoạt tính xúc tác.

Chế tạo thử xúc tác và thử nghiệm hoạt tính xúc tác ở các điều kiện thực tế g. Đào tạo chuyên sâu tại Pháp về công nghệ điểu chế chất xúc tác Co- Mo/ALO; công nghiệp và qui trình đánh giá hoạt tính xúc tác quá trình chuyển hoá CO với hơi nước cho các cán bộ Việt Nam h. Tổ chức hội thảo, lớp học chuyên đề về xúc tác dị thể nói chung và xúc tác cho quá trình chuyển hoá CO với hơi nước nói riêng Các kết quả dự kiến của Nhiệm vụ là : - _ Công nghệ điều chế chất xúc tác Co-Mo/Al;O; cho quá trình chuyển hóa CO với hơi nước -_ Qui trình đánh giá hoạt tính xúc tác Co-Mo/Al;O; trong quá trình chuyển hóa CO với hơi nước - _ 20 kg xúc tác Co-Mo/ALO, - 2 báo cáo khoa học chuyên đề công bố trên tạp chí quốc gia - _ 1 báo cáo tổng kết Nhiệm vụ - Dao tao chuyên sâu cho 2 cán bộ KH & CN của Viện Hóa học công nghiệp về lĩnh vực công nghệ sản xuất chất xúc tác dị thể. CHUONG I TONG QUAN TAI LIEU 10 I.

GIGI THIEU CHUNG Khí tổng hợp (CO + H,) 1a mot trong nhiing nguén nguyén liéu quan trong trong tổng hợp hoá học. Khí tổng hợp có thể thu được bằng cách chuyển hoá khí metan hoặc khí hoá than đá [1]. Ở Việt nam, quá trình khí hoá than đá để sản xuất khí tổng hợp từ lâu đã được ứng dụng ở Công ty Phân đạm và Hoá chất Hà Bắc. Nhìn chung, chất lượng của khí tổng hợp thu được từ quá trình khí hoá than đá thường không tốt bằng khí tổng hợp thu được từ quá trình chuyển hoá metan vì có tỷ lệ CO/H; cao [2, 3].

Chính vì vậy, cần phải có quá trình chuyển hoá khí CO dư với hơi nước tạo H; để giảm tỷ lệ CO/H; trong khí tổng hợp. Trong các quá trình đã được thương mại hoá, người ta sử dụng quá trình chuyển hoá hai giai đoạn liên tiếp, trước hết sử dụng xúc tác Fe-Cr rồi đến xúc tác Cu-Zn. Tuy nhiên, các xúc tác này không thể áp dụng trong quá trình chuyển hoá khí CO là sản phẩm của quá trình khí hoá than vì chúng rất dễ bị ngộ độc bởi lưu huỳnh, clo và các tạp chất khác [4]. Để khác phục vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm tìm ra chất xúc tác thích hợp cho quá trình.

Một số nhà khoa học đã báo cáo rằng dạng sulfit của CoMo và NiMo mang trên y-AlL,O; thể hiện hoạt tính xúc tác rất tốt ngay cả khi có mặt lưu huỳnh [3, 5, 6]. Các chất xúc tác này được sử dụng rộng rãi trong các quá trình hydro khử lưu huỳnh, hydro khử nitơ, xử lý bằng hydro và phản ứng Eisher Tropsch [7 - 18]. PHAN UNG CHUYEN HOA CO VOI HOI NUGC (WATER GAS SHIFT REACTION - WGS) Phản ứng chuyển hóa CO với hơi nước (phương trình 1), là phương pháp quan trọng để nâng cao sản lượng khí hydro (sử dụng cho quá trình công nghiệp sản xuất phân đạm urê) từ các quá trình công nghiệp như quá trình reforming hơi nước của khí tự nhiên hoặc quá trình khí hóa than và các vật liệu chứa cacbon. Hỗn hợp khí tổng hợp chứa chủ yếu là hydro, cacbon monoxit (CO) được tạo thành ở nhiệt độ cao nhờ quá trình cháy của khí tự nhiên, than, sinh khối, dầu mỏ và chất thải hữu cơ.

Sau đó, hơi nước được thêm vào hỗn hợp nguyên liệu CO + H; trước khi được đưa vào thiết bị phản ứng WGS để chuyển hóa CO thành CO; và H;,. Tuy nhiên, cân bằng nhiệt động ưu tiên độ chuyển hóa cao của CO và hơi nước thành CO; và H; ở nhiệt độ thấp. Vì vậy, phản ứng thường được tiến hành ở nhiệt độ thấp trong sự có mặt của chất xúc tác để làm tăng tốc độ phản ứng. CO + H,O & > CO, +H, AH = - 41 kJ/mol (1) Phản ứng WGS là thuận nghịch và nhiều phương trình hằng số cân bằng đã được đưa ra, điển hình là phương trình của Moe [19]: K,, = exp [- 4,33 + 4577,8/T(K)] (2) 11 Trong số các quá trình thương mại, có quá trình WGS hai giai đoạn sử dụng xúc tác Fe-Cr rồi đến xúc tác Cu-Zn.

Năm 1912, Bosh và Wild [20] đã phát triển xúc tác Fe-Cr cho phản ứng WGS và ứng dụng cho quá trình sản xuất amoniac năm 1915. Phản ứng WGS đã được ứng dụng rộng rãi trong quá trình tổng hợp amoniac để sản xuất hydro từ khí CO và để bảo vệ xúc tác tổng hợp amoniac khỏi sự phân hủy bởi CO [21]. Xúc tác Fe-Cr làm việc ở nhiệt độ cao, trong khoảng 320 — 450°C. Xúc tác này là một dung dịch rắn của Fe;O; và Cr;O; và luôn bị mất hoạt tính bởi CI và S (khi hàm lượng các khí này lớn hon 50 ppm) [22].

Xtic tac Cu-Zn lam việc ở nhiệt độ thấp, khoảng 200 — 250°C [23]. Xúc tác này cũng luôn bị mất hoạt tính bởi một lượng rất nhỏ CI và S. Đối với phản ứng WGS khí tổng hợp thu được từ quá trình khí hóa than (một quá trình rất quan trọng bổ sung cho công nghệ sản xuất khí tổng hợp từ khí thiên nhiên, rất thích hợp cho các vùng nhiều than), các chất xúc tác này không thể áp dụng được vì trong nguyên liệu còn chứa nhiều tạp chất là các hợp chất chứa lưu huỳnh và clo. Rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm tìm ra xúc tác hiệu quả cho quá trình WGS khí tổng hợp thu được từ quá trình khí hóa than.

Trong số các xúc tác được thử nghiệm bao gồm xúc tác Fe [24], Ni [25], Li-Mg [26], Cu/Mn [27] và xúc tác Mo [28 — 31] xúc tác trên cơ sở Mo thể hiện hoạt tính cao ở nhiệt độ khoảng 350 — 400°C và bền đối với các hợp chất chứa lưu huỳnh, chẳng hạn, xúc tác Mo/Al,O; [31] hoặc NiMo/Al,O; [28] được xúc tiến bởi K. Người ta cũng báo cáo rằng xúc tác MoS;/Al;O; [32] và Ni-MoS/TiO; [29] cũng thể hiện hoạt tính cao. Mới đây, cacbit của kim loại chuyển tiếp cũng có ứng dụng làm xúc tác cho phản ứng này. Với cacbit Mo, Patt và các cộng sự đã báo cáo rằng xúc tác này có hoạt tính WGS cao và bền trong trường hợp cacbit Mo có mật độ tâm hoạt tính cao hơn 25% so với mật độ tâm hoạt tính của xúc tác Cu-Zn [33].