Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa, nhu cầu tiêu thụ nhiên liệu xăng tại Việt Nam ngày càng tăng mạnh. Năm 2015, các nhà máy lọc dầu trong nước chỉ đáp ứng được khoảng 30% nhu cầu xăng nội địa, phần còn lại phải nhập khẩu từ nước ngoài. Trong khi đó, trữ lượng naphtha trong nước khá lớn nhưng chưa được khai thác hiệu quả do không đáp ứng được chỉ số octan (RON) của xăng thương phẩm. Naphtha có nhiệt độ sôi từ 40 đến 210°C, được phân thành các phân đoạn nhẹ và nặng, trong đó phân đoạn nặng chứa nhiều C9+ có chỉ số RON thấp, hạn chế khả năng phối trộn vào xăng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tổng hợp và biến tính xúc tác ZSM-5 với tỷ lệ Si/Al = 100 nhằm tối ưu hóa quá trình cracking naphtha Việt Nam. Quá trình này nhằm chuyển hóa tối đa phân đoạn C9+, giảm thiểu khí và LPG (C3-C4), đồng thời tăng hiệu suất thu hồi phân đoạn C6-C8 và nâng cao trị số RON của sản phẩm lỏng. Ngoài ra, nghiên cứu còn tập trung vào việc chế tạo xúc tác dạng viên có độ bền cơ học và hoạt tính cao, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nguồn naphtha thu được từ condensat các mỏ khí tại bể Nam Côn Sơn và Cửu Long trong giai đoạn 2010-2016, với điều kiện phản ứng cracking được khảo sát trong khoảng nhiệt độ 350-450°C và tỷ lệ xúc tác/dầu (C/O) từ 1,5 đến 3,0. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao khả năng phối trộn naphtha vào xăng thương phẩm, góp phần giảm nhập khẩu xăng, tăng hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên nội địa và thúc đẩy phát triển ngành lọc hóa dầu Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết xúc tác zeolite ZSM-5: ZSM-5 là zeolite có cấu trúc xốp với tỷ lệ Si/Al cao, mang tính axit mạnh, có khả năng chịu nhiệt và chịu axit tốt, đồng thời có tính chọn lọc hình dạng (shape-selectivity) giúp tăng hiệu quả cracking và nâng cao chỉ số octan sản phẩm. Cơ chế phản ứng cracking trên xúc tác ZSM-5 chủ yếu theo cơ chế ion carbocation trên tâm axit Bronsted và Lewis, tạo ra các olefin nhẹ, paraffin mạch nhánh và hợp chất thơm.

  • Mô hình biến tính xúc tác: Việc biến tính ZSM-5 bằng các kim loại chuyển tiếp như Fe, Ni, Co, Zn nhằm tăng hoạt tính cracking, cải thiện hiệu suất thu hồi phân đoạn lỏng và tăng lượng hydro trong sản phẩm khí. Kim loại đóng vai trò xúc tác cho phản ứng hydro-dehydro hóa, hỗ trợ quá trình cracking và isomer hóa.

  • Khái niệm cracking kết hợp reforming: Quá trình cracking chuyển hóa các phân đoạn nặng C9+ thành các phân đoạn nhẹ hơn có RON cao hơn, làm nguyên liệu cho quá trình reforming tiếp theo nhằm nâng cao chỉ số octan sản phẩm cuối cùng. Sự kết hợp này giúp tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng xăng thương phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguồn nguyên liệu naphtha được lấy từ condensat các mỏ khí tại bể Nam Côn Sơn và Cửu Long, với thành phần và tính chất được phân tích chi tiết theo tiêu chuẩn ASTM. Xúc tác ZSM-5 được tổng hợp tại phòng thí nghiệm bằng phương pháp sử dụng chất tạo cấu trúc, tỷ lệ Si/Al = 100.

  • Phương pháp tổng hợp và biến tính xúc tác: Tổng hợp xúc tác ZSM-5 theo quy trình chuẩn, sau đó biến tính bằng các kim loại Fe, Ni, Co, Zn với nồng độ biến tính khác nhau (tối ưu Fe ở 0,3 %kl) bằng phương pháp trao đổi ion hoặc tẩm. Các tính chất hóa lý của xúc tác được đánh giá qua các phương pháp hấp phụ nitơ lỏng, phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ TPD-NH3 để xác định tính axit.

  • Phương pháp tạo viên xúc tác: Ép đùn được chọn làm phương pháp tạo viên hình trụ với kích thước phù hợp cho thiết bị phản ứng tầng cố định. Chất kết dính cao lanh được sử dụng với hàm lượng tối ưu 10 %kl để đảm bảo độ bền cơ học và hoạt tính xúc tác.

  • Phương pháp phân tích hoạt tính xúc tác: Đánh giá hoạt tính cracking trong phòng thí nghiệm với thiết bị phản ứng tầng cố định, khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ (350-450°C), tỷ lệ C/O (1,5-3,0), thời gian tiếp xúc và thành phần nguyên liệu đến hiệu suất chuyển hóa và cơ cấu sản phẩm. Các sản phẩm khí, lỏng được phân tích thành phần bằng phương pháp sắc ký khí.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2016, bao gồm tổng hợp xúc tác, biến tính, tạo viên, thử nghiệm hoạt tính và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tổng hợp xúc tác ZSM-5 tỷ lệ Si/Al = 100 thành công: Xúc tác có diện tích bề mặt lớn, cấu trúc tinh thể ổn định, phù hợp cho quá trình cracking naphtha. Độ chuyển hóa n-heptan trên xúc tác đạt khoảng 39,5 %kl.

  2. Biến tính xúc tác bằng Fe cho hiệu quả cao nhất: Khi biến tính bằng Fe với nồng độ 0,3 %kl, xúc tác đạt độ chuyển hóa phân đoạn C9+ cao nhất 39,5 %kl, sản phẩm lỏng có chỉ số RON đạt 84,2, tăng gần 20 đơn vị so với nguyên liệu ban đầu. So sánh với các kim loại Ni, Co, Zn, Fe cho hiệu suất thu hồi lỏng và RON tốt hơn từ 10-15%.

  3. Điều kiện phản ứng tối ưu: Nhiệt độ phản ứng 380°C và tỷ lệ xúc tác/dầu (C/O) là 2,5 cho hiệu quả cracking cao nhất, với tỷ lệ khí và LPG thấp, hiệu suất thu hồi phân đoạn C6-C8 đạt trên 45 %kl.

  4. Chế tạo viên xúc tác: Viên xúc tác hình trụ được tạo thành tốt khi sử dụng cao lanh làm chất kết dính với hàm lượng 10 %kl. Viên xúc tác có độ bền cơ học cao, giữ được hoạt tính cracking tương đương xúc tác bột, độ chuyển hóa naphtha đạt trên 35 %kl.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc biến tính xúc tác ZSM-5 bằng Fe không chỉ tăng hiệu suất cracking phân đoạn nặng mà còn nâng cao chỉ số RON sản phẩm, phù hợp với mục tiêu nâng cao chất lượng naphtha để phối trộn xăng. Nồng độ Fe biến tính tối ưu 0,3 %kl cân bằng giữa hoạt tính xúc tác và hạn chế sự tạo cốc, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về xúc tác Fe-ZSM-5.

Điều kiện phản ứng 380°C và C/O = 2,5 được xác định là điểm cân bằng giữa hiệu suất chuyển hóa và hạn chế sản phẩm khí, giúp duy trì năng suất sản phẩm lỏng cao. So với các nghiên cứu khác, nhiệt độ này thấp hơn so với cracking truyền thống, giúp kéo dài tuổi thọ xúc tác và giảm chi phí vận hành.

Việc tạo viên xúc tác bằng phương pháp ép đùn với chất kết dính cao lanh 10 %kl đảm bảo độ bền cơ học và giữ được hoạt tính xúc tác, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp trong thiết bị phản ứng tầng cố định. Kết quả này đồng nhất với các nghiên cứu về tạo viên xúc tác tầng cố định trong ngành lọc hóa dầu.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ chuyển hóa và RON sản phẩm giữa các xúc tác biến tính khác nhau, bảng phân bố sản phẩm khí-lỏng và biểu đồ ảnh hưởng nhiệt độ, tỷ lệ C/O đến hiệu suất cracking.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng xúc tác Fe-ZSM-5 trong cracking naphtha: Khuyến nghị các nhà máy lọc hóa dầu tại Việt Nam áp dụng xúc tác Fe-ZSM-5 với tỷ lệ Si/Al = 100 và nồng độ Fe biến tính 0,3 %kl để nâng cao hiệu quả cracking, tăng RON sản phẩm, giảm nhập khẩu xăng. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm.

  2. Tối ưu điều kiện vận hành: Đề xuất vận hành cracking ở nhiệt độ 380°C và tỷ lệ xúc tác/dầu 2,5 nhằm cân bằng hiệu suất và tuổi thọ xúc tác. Chủ thể thực hiện là bộ phận kỹ thuật vận hành nhà máy lọc dầu.

  3. Phát triển công nghệ tạo viên xúc tác: Khuyến khích nghiên cứu và sản xuất xúc tác dạng viên bằng phương pháp ép đùn sử dụng cao lanh làm chất kết dính 10 %kl để đảm bảo độ bền cơ học và hoạt tính. Thời gian nghiên cứu và triển khai 6-12 tháng.

  4. Tích hợp quy trình cracking kết hợp reforming: Đề xuất xây dựng quy trình công nghệ tích hợp cracking naphtha với xúc tác Fe-ZSM-5 và quá trình reforming để nâng cao chỉ số octan sản phẩm cuối cùng, giảm khí thải và tăng hiệu quả kinh tế. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu và nhà máy lọc dầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa dầu: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp, biến tính xúc tác ZSM-5 và ứng dụng trong cracking naphtha, hỗ trợ nghiên cứu phát triển xúc tác mới.

  2. Kỹ sư vận hành và quản lý nhà máy lọc dầu: Tham khảo để tối ưu hóa quy trình cracking, lựa chọn xúc tác phù hợp, nâng cao hiệu quả sản xuất và chất lượng sản phẩm.

  3. Các công ty sản xuất xúc tác: Nắm bắt công nghệ tổng hợp và biến tính xúc tác ZSM-5 dạng viên, phát triển sản phẩm xúc tác phù hợp với nhu cầu thị trường Việt Nam.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ tiềm năng và giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn naphtha nội địa, góp phần giảm nhập khẩu xăng và phát triển ngành lọc hóa dầu bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn xúc tác ZSM-5 với tỷ lệ Si/Al = 100?
    Tỷ lệ Si/Al = 100 giúp cân bằng giữa tính axit và độ bền của xúc tác, tạo điều kiện cho phản ứng cracking hiệu quả, đồng thời giảm sự tạo cốc và duy trì hoạt tính lâu dài.

  2. Lợi ích của việc biến tính xúc tác bằng Fe là gì?
    Biến tính bằng Fe tăng hoạt tính cracking, nâng cao độ chuyển hóa phân đoạn nặng C9+, tăng lượng hydro trong sản phẩm khí, giúp cải thiện chỉ số RON và hiệu suất thu hồi phân đoạn lỏng.

  3. Điều kiện phản ứng tối ưu cho cracking naphtha là gì?
    Nhiệt độ 380°C và tỷ lệ xúc tác/dầu 2,5 được xác định là điều kiện tối ưu, cân bằng giữa hiệu suất chuyển hóa và hạn chế sản phẩm khí, giúp duy trì hoạt tính xúc tác và chất lượng sản phẩm.

  4. Phương pháp tạo viên xúc tác nào được sử dụng?
    Phương pháp ép đùn với chất kết dính cao lanh 10 %kl được sử dụng để tạo viên xúc tác hình trụ có độ bền cơ học cao, phù hợp cho thiết bị phản ứng tầng cố định.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này trong ngành lọc dầu Việt Nam?
    Nghiên cứu giúp tận dụng nguồn naphtha nội địa, giảm nhập khẩu xăng, nâng cao chất lượng nhiên liệu, đồng thời phát triển công nghệ xúc tác và quy trình cracking phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công xúc tác ZSM-5 với tỷ lệ Si/Al = 100, có tính chất hóa lý và hoạt tính phù hợp cho cracking naphtha.
  • Biến tính xúc tác bằng Fe với nồng độ 0,3 %kl nâng cao hiệu suất chuyển hóa phân đoạn C9+ lên 39,5 %kl và tăng chỉ số RON sản phẩm lên 84,2.
  • Điều kiện phản ứng tối ưu là 380°C và tỷ lệ xúc tác/dầu 2,5, giúp cân bằng hiệu suất và tuổi thọ xúc tác.
  • Viên xúc tác dạng trụ được chế tạo thành công bằng phương pháp ép đùn sử dụng cao lanh 10 %kl làm chất kết dính, đảm bảo độ bền cơ học và hoạt tính.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển công nghệ cracking kết hợp reforming, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn naphtha nội địa và giảm nhập khẩu xăng.

Triển khai thử nghiệm quy mô pilot xúc tác Fe-ZSM-5 trong cracking naphtha tại các nhà máy lọc dầu trong nước, đồng thời phát triển công nghệ tạo viên xúc tác công nghiệp. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp trong ngành lọc hóa dầu được khuyến khích hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu này.