Reforming xúc tác – Nâng cấp naphtha và sản xuất Aromatics (BTX)

Reforming xúc tác (Catalytic Reforming) không phải là quá trình bẻ gãy phân tử để làm chúng nhỏ hơn (như cracking), mà là quá trình "tái cấu trúc" (re-form) lại hình dáng hình học của các phân tử. Quá trình này biến đổi phân đoạn Naphtha nặng (chứa chủ yếu các hydrocarbon thẳng - normal paraffins, có chỉ số Octane cực thấp, khoảng 40-50) thành hỗn hợp Reformate chứa nhiều nhánh và vòng thơm (aromatics) với chỉ số Octane vọt lên trên 100.

1. Hóa học của Reforming: Cuộc chiến của Nhiệt động lực học

Mục tiêu tối thượng của Reforming là tạo ra các vòng thơm (Aromatics). Để đạt được điều này, hỗn hợp phải trải qua bốn nhóm phản ứng chính:

1. Dehydro hóa Naphthene (Dehydrogenation of Naphthenes): Phản ứng nhanh nhất và quan trọng nhất. Ví dụ Cyclohexane mất 3 phân tử H2 để biến thành Benzene. Thu nhiệt rất mạnh.
2. Dehydro-đóng vòng Paraffin (Dehydrocyclization): Các mạch thẳng (như n-Hexane, n-Heptane) cuộn lại thành vòng và nhả H2. Đây là phản ứng khó nhất, xảy ra chậm, yêu cầu nhiệt độ cao và áp suất thấp.
3. Đồng phân hóa (Isomerization): Biến paraffin thẳng thành isoparaffin nhánh.
4. Hydrocracking (Phản ứng phụ có hại): Cắt gãy mạch tạo ra khí nhẹ (C1-C4), làm giảm hiệu suất thu hồi sản phẩm lỏng.

2. Tại sao cần nhiều tầng Lò Gia Nhiệt?

Vì phản ứng tạo vòng thơm (dehydro hóa) là phản ứng thu nhiệt khổng lồ (highly endothermic), nhiệt độ của dòng khí sẽ sụt giảm nghiêm trọng ngay khi vừa đi qua lớp xúc tác đầu tiên, làm ngừng trệ các phản ứng tiếp theo. Do đó, thiết kế công nghệ bắt buộc phải chia nhỏ lớp xúc tác thành 3 hoặc 4 reactor (thiết bị phản ứng) nối tiếp. Giữa mỗi reactor, dòng khí phải được đưa ra ngoài đi qua hệ thống lò đốt (Inter-heaters) để nung nóng lại lên ngưỡng 500-520°C trước khi đi vào reactor tiếp theo.

3. Hệ Xúc tác Lưỡng chức năng (Bifunctional Catalyst)

Sự thành công của Reforming nằm ở hệ xúc tác tinh vi mang hai chức năng hoạt động đồng thời:

• Chức năng kim loại (Metal function): Sử dụng kim loại quý là Platinum (Pt), thường được pha tạp thêm Rhenium (Re) hoặc Tin (Sn) để tăng độ bền. Pt chịu trách nhiệm cho các phản ứng cộng/tách Hydro (hydrogenation/dehydrogenation).
• Chức năng Acid (Acid function): Cung cấp bởi chất mang là r-Alumina ($Al_2O_3$) đã được clo hóa bề mặt (chlorided alumina). Tính acid này thúc đẩy quá trình đồng phân hóa mạch carbon và bẻ vòng.

Xúc tác Reforming cực kỳ nhạy cảm với ngộ độc lưu huỳnh (S), nitơ (N) và nước. Naphtha đầu vào bắt buộc phải qua trạm Hydrotreating (NHT) để làm sạch tuyệt đối (S < 0.5 ppm) trước khi nạp vào hệ thống.

4. Cách mạng công nghệ CCR (Continuous Catalyst Regeneration)

Các thế hệ máy cũ (Semi-regenerative) phải dừng nhà máy mỗi 6-12 tháng để đốt cốc bám trên xúc tác. Công nghệ hiện đại CCR của UOP hoặc Axens giải quyết triệt để vấn đề này. Các reactor được xếp chồng lên nhau (stacked), xúc tác liên tục chảy giọt xuống theo trọng lực, phần ngậm cốc dưới cùng được thổi khí gas đẩy sang tháp Tái sinh riêng biệt (Regenerator). Tại tháp này, carbon bị đốt cháy một cách cẩn thận, đồng thời hàm lượng Clo được bổ sung (chlorination) và Pt được phân tán lại (redispersion) trước khi xúc tác tươi quay trở lại đỉnh reactor. Nhờ CCR, nhà máy có thể vận hành ở áp suất cực thấp (dưới 5 bar), tối đa hóa hiệu suất sinh Aromatics và Hydrogen.