Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu trữ lượng condensate dồi dào, với sản lượng chế biến đạt gần 500.000 tấn năm 2009, đóng góp quan trọng vào nguồn nhiên liệu trong nước. Tuy nhiên, công nghệ hiện tại của các nhà máy chế biến condensate chủ yếu sản xuất xăng A83 với chỉ số octane thấp, không đáp ứng được yêu cầu bảo vệ môi trường và tiêu chuẩn nhiên liệu mới. Theo lộ trình của Chính phủ, từ ngày 1/1/2014, việc sản xuất và lưu thông xăng A83 bị cấm nhằm giảm thiểu ô nhiễm khí thải. Điều này đặt ra thách thức lớn cho các nhà máy chế biến condensate vừa và nhỏ, buộc phải tìm kiếm công nghệ mới để nâng cao chỉ số RON của xăng sản xuất từ naphtha.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp và đánh giá hiệu quả xúc tác Mo, Cr trên chất mang zeolite H-ZSM5 nhằm tăng chỉ số RON cho naphtha theo nguyên lý thơm hóa không sử dụng hydrogen (MUP non-hydrogen RIPP). Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Trung tâm Lọc hóa dầu, Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh, trong năm 2013. Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc phát triển công nghệ sản xuất xăng sạch, thân thiện môi trường, đồng thời giúp các nhà máy chế biến condensate tại Việt Nam chủ động về nguồn xúc tác và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính:

  • Lý thuyết xúc tác zeolite H-ZSM5: Zeolite H-ZSM5 với tỷ lệ Si/Al cao có tính acid mạnh, thích hợp cho các phản ứng cracking, isomer hóa và thơm hóa hydrocarbon. Cấu trúc mao quản của H-ZSM5 tạo điều kiện thuận lợi cho sự chọn lọc hình dạng, giúp tăng hiệu quả xúc tác.
  • Lý thuyết xúc tác kim loại Mo và Cr trên zeolite: Mo và Cr được biết đến có khả năng xúc tác các phản ứng dehydro hóa, cracking và vòng hóa olefin. Sự kết hợp Mo và Cr trên H-ZSM5 tạo ra xúc tác có hai chức năng acid và kim loại, cần thiết cho quá trình tăng RON không sử dụng hydrogen. Các phản ứng chính bao gồm dehydro hóa naphthene, cracking parafin dài, vòng hóa olefin và isomer hóa parafin ngắn.

Các khái niệm chính bao gồm: chỉ số RON (Research Octane Number), xúc tác tầng cố định, phương pháp tẩm ướt xúc tác, phân tích XRD, BET, TEM, TPD-NH3, và phân tích GC-MS.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là naphtha thu được từ nhà máy chế biến condensate của Công ty Saigon Petro. Xúc tác được tổng hợp bằng phương pháp tẩm ướt với các hàm lượng Mo (5%, 10%, 15%) và Cr (1%, 3%, 5%) trên chất mang zeolite H-ZSM5 (Si/Al = 27). Các mẫu xúc tác được xử lý nhiệt ở 500°C và đánh giá tính chất bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), đo diện tích bề mặt riêng (BET), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và giải hấp NH3 theo chu trình nhiệt độ (TPD-NH3).

Phản ứng tăng RON được tiến hành trên mô hình thiết bị phản ứng xúc tác tầng cố định tại Trung tâm Lọc hóa dầu, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Nguyên liệu là n-hexane và naphtha, với điều kiện vận hành: nhiệt độ 350-500°C, áp suất khí quyền, lưu lượng 18 ml/h, khối lượng xúc tác 1-3 g. Sản phẩm được phân tích thành phần bằng sắc ký khí khối (GC-MS) tại Trung tâm phân tích sắc ký Hải Đăng, TP. Hồ Chí Minh.

Thời gian nghiên cứu từ tháng 6 đến tháng 12 năm 2013, với quy trình tổng hợp xúc tác, khảo sát tính chất, thực nghiệm phản ứng và phân tích sản phẩm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tối ưu hàm lượng Mo trên zeolite H-ZSM5:

    • Xúc tác 10% Mo/H-ZSM5 giữ được cấu trúc tinh thể zeolite với các peak đặc trưng trên phổ XRD, trong khi 15% Mo làm giảm độ kết tinh.
    • Diện tích bề mặt riêng BET của xúc tác 10% Mo đạt khoảng 290 m²/g, gần bằng mẫu 5% Mo nhưng cao hơn mẫu 15% Mo.
    • Phân tích TEM cho thấy các tâm Mo phân tán tốt trên bề mặt zeolite ở mẫu 10% Mo.
    • Mật độ acid trung bình và yếu tăng theo hàm lượng Mo, với mẫu 10% Mo có peak acid yếu ở 221.4°C và acid mạnh ở 457.5°C, phù hợp cho phản ứng isomer hóa và thơm hóa.

  2. Ảnh hưởng của Cr trên xúc tác 10% Mo/H-ZSM5:

    • Tẩm thêm 3% Cr lên xúc tác 10% Mo/H-ZSM5 không làm thay đổi cấu trúc zeolite, tăng cường hoạt tính xúc tác cho phản ứng dehydro-vòng hóa methane.
    • Xúc tác 10% Mo, 3% Cr/H-ZSM5 cho hiệu suất chuyển hóa n-hexane cao hơn so với xúc tác chỉ có Mo.

  3. Hiệu quả tăng RON trên nguyên liệu naphtha:

    • Naphtha ban đầu có chỉ số RON khoảng 69. Sau 2 giờ phản ứng với xúc tác 10% Mo, 3% Cr/H-ZSM5 ở 380°C, chỉ số RON tăng lên 77.
    • Hàm lượng aromatic trong sản phẩm tăng từ 2.73% (trong đó benzene chiếm 2%) lên mức đáp ứng tiêu chuẩn Euro 2.
    • Hiệu suất thu hồi lỏng đạt khoảng 57%, xúc tác có thể tái sinh sau phản ứng.

  4. Ảnh hưởng của nhiệt độ và khối lượng xúc tác:

    • Nhiệt độ tăng từ 380°C đến 500°C làm tăng hàm lượng aromatic và khí trong sản phẩm, tuy nhiên nhiệt độ tối ưu để cân bằng hiệu suất và chất lượng sản phẩm là 380°C.
    • Khối lượng xúc tác từ 1g đến 3g không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất phản ứng, trừ khi lượng xúc tác quá nhỏ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy xúc tác Mo, Cr/H-ZSM5 có khả năng duy trì cấu trúc zeolite và tăng mật độ acid trung bình, yếu, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng isomer hóa và thơm hóa, từ đó nâng cao chỉ số RON của naphtha. Việc tẩm ướt đồng thời Mo và Cr giúp xúc tác có chức năng kim loại và acid đồng thời, phù hợp với cơ chế phản ứng tăng RON không sử dụng hydrogen.

So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả tương đồng với báo cáo của Bin Li và Guojun Shi về vai trò của Mo và Cr trong xúc tác zeolite. Sự gia tăng hàm lượng aromatic và chỉ số RON phù hợp với tiêu chuẩn Euro 2, đáp ứng yêu cầu môi trường và kỹ thuật hiện hành.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD, BET, TEM minh họa cấu trúc và phân tán kim loại; biểu đồ TPD-NH3 thể hiện mật độ acid; bảng số liệu phân tích GC-MS so sánh thành phần nguyên liệu và sản phẩm; biểu đồ biến thiên RON và hiệu suất thu hồi theo nhiệt độ và khối lượng xúc tác.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng xúc tác Mo, Cr/H-ZSM5 trong các nhà máy chế biến condensate vừa và nhỏ:

    • Triển khai công nghệ tăng RON không sử dụng hydrogen với xúc tác tổng hợp trong nước để giảm phụ thuộc nhập khẩu.
    • Mục tiêu nâng chỉ số RON sản phẩm lên trên 77 trong vòng 2 giờ phản ứng, áp dụng trong 1-2 năm tới.

  2. Tối ưu điều kiện vận hành phản ứng:

    • Duy trì nhiệt độ phản ứng khoảng 380°C để cân bằng hiệu suất và chất lượng sản phẩm.
    • Khối lượng xúc tác nên duy trì ở mức 2g/lưu lượng 18 ml/h để đảm bảo hiệu quả phản ứng.

  3. Nghiên cứu mở rộng xúc tác và cơ chế phản ứng:

    • Khảo sát thêm các tỷ lệ Mo, Cr khác nhau và các kim loại khác để nâng cao hiệu suất và độ bền xúc tác.
    • Thực hiện phân tích sâu cơ chế phản ứng để tối ưu hóa thiết kế xúc tác.

  4. Phát triển quy trình tái sinh xúc tác:

    • Xây dựng quy trình tái sinh xúc tác sau phản ứng nhằm kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí vận hành.
    • Thời gian tái sinh và chu kỳ sử dụng xúc tác cần được xác định rõ ràng trong 6-12 tháng tiếp theo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và kỹ sư tại nhà máy chế biến condensate:

    • Hiểu rõ công nghệ tăng RON không sử dụng hydrogen và lựa chọn xúc tác phù hợp để nâng cao hiệu quả sản xuất.

  2. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật hóa dầu:

    • Tham khảo phương pháp tổng hợp xúc tác và phân tích tính chất xúc tác zeolite Mo, Cr/H-ZSM5.

  3. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý môi trường:

    • Nắm bắt xu hướng công nghệ nhiên liệu sạch, hỗ trợ định hướng phát triển công nghiệp lọc hóa dầu bền vững.

  4. Các doanh nghiệp cung cấp xúc tác và thiết bị công nghiệp:

    • Phát triển sản phẩm xúc tác phù hợp với yêu cầu thị trường Việt Nam, mở rộng ứng dụng công nghệ MUP non-hydrogen RIPP.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ tăng RON không sử dụng hydrogen có ưu điểm gì so với công nghệ truyền thống?
    Công nghệ này có thiết kế đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp, không cần nguồn hydrogen đắt đỏ, phù hợp với nhà máy quy mô vừa và nhỏ. Sản phẩm đạt chỉ số RON cao và tiêu chuẩn môi trường Euro 2 trở lên.

  2. Tại sao chọn zeolite H-ZSM5 làm chất mang xúc tác?
    Zeolite H-ZSM5 có cấu trúc mao quản phù hợp, tính acid cao, giúp xúc tác có khả năng cracking, isomer hóa và thơm hóa hiệu quả, tăng độ chọn lọc sản phẩm.

  3. Vai trò của Mo và Cr trong xúc tác là gì?
    Mo xúc tác phản ứng dehydro hóa và isomer hóa, Cr hỗ trợ phản ứng dehydro hóa alkane, tăng hiệu suất tạo aromatic và cải thiện độ bền xúc tác.

  4. Nhiệt độ phản ứng tối ưu là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ 380°C là tối ưu, cân bằng giữa hiệu suất thu hồi lỏng và chất lượng sản phẩm, tránh tạo nhiều khí và coke.

  5. Xúc tác có thể tái sinh và sử dụng lại không?
    Có, xúc tác sau phản ứng có thể tái sinh để duy trì hoạt tính, giúp giảm chi phí vận hành và tăng tuổi thọ xúc tác.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công xúc tác Mo, Cr trên zeolite H-ZSM5 với cấu trúc ổn định và mật độ acid phù hợp cho phản ứng tăng RON.
  • Xúc tác 10% Mo, 3% Cr/H-ZSM5 cho hiệu quả cao trong việc nâng chỉ số RON của naphtha từ 69 lên 77, đáp ứng tiêu chuẩn Euro 2.
  • Nhiệt độ phản ứng 380°C và khối lượng xúc tác 2g là điều kiện tối ưu cho quá trình.
  • Công nghệ tăng RON không sử dụng hydrogen phù hợp với các nhà máy chế biến condensate vừa và nhỏ tại Việt Nam, giúp giảm chi phí và bảo vệ môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng xúc tác, tối ưu quy trình và phát triển công nghệ tái sinh xúc tác trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm quy mô pilot tại các nhà máy chế biến condensate trong nước, đồng thời phát triển nguồn xúc tác nội địa để chủ động công nghệ.