معرفی کاتالیست فرآیند ایزومراسیون
ایزومریزاسیون یکی از فرآیندهای کلیدی در پالایش نفت و صنایع پتروشیمی است که با هدف بهبود خواص فیزیکی و شیمیایی هیدروکربنها، بهویژه برای تولید سوختهای با عدد اکتان بالا، انجام میشود. در این فرآیند، پارافینهای خطی به ایزومرهای شاخهدار تبدیل میشوند که خواص سوختی بهتری دارند. کاتالیستها نقش اساسی در این فرآیند ایفا میکنند و انتخاب نوع مناسب آنها میتواند بازده، کیفیت محصول و کارایی فرآیند را بهطور چشمگیری بهبود بخشد.
سه نوع کاتالیست متداول در ایزومریزاسیون به کار گرفته میشوند:
- کاتالیست پلاتین بر پایه آلومینای کلرینیت (Pt/Cl-Al₂O₃): که به دلیل فعالیت بالا در فرآیند ایزومریزاسیون بهطور گسترده استفاده شده است.
- کاتالیست پلاتین بر پایه زئولیت (Pt/Zeolite): که به دلیل مقاومت بالاتر در برابر آب و گوگرد در خوراک، بهعنوان جایگزین مناسبی برای کاتالیستهای آلومینای کلرینه در ایزومراسیون شناخته میشود.
- کاتالیست پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته (Pt/Sulfated Zirconia): که به عنوان نسل جدید کاتالیستها معرفی شده و دارای مزایای قابلتوجهی نسبت به کاتالیستهای کلرینیت است.
ویژگیهای کاتالیستهای پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته
کاتالیستهای Pt/Sulfated Zirconia بهعنوان نسل جدیدی از کاتالیست ایزومراسیون شناخته میشوند که از پلاتین بهعنوان بخش فلزی و از زیرکونیا سولفاته بهعنوان پایه اسیدی استفاده میکنند. عملکرد این کاتالیستها بهصورت بایفانکشنال است، بدین معنی که پلاتین نقش فعالکننده هیدروژن و زیرکونیا سولفاته نقش اسیدی برای ایزومریزاسیون هیدروکربنها را ایفا میکند.
این کاتالیستها در دماهای پایین نیز فعال هستند، در برابر تشکیل کک مقاومت دارند و عمر مفید طولانیتری نسبت به کاتالیستهای سنتی، مانند آلومینای کلرینیت، دارند. زیرکونیا سولفاته بهطور ویژه در دماهای بالا و در شرایط سخت عملیاتی مقاوم است. این ویژگی بهویژه برای فرآیندهایی که نیاز به دماهای بالا دارند، مهم است. علاوه بر این، زیرکونیا سولفاته بهدلیل ساختار خاص خود در جذب یونهای هیدروژن و فعال کردن آنها برای واکنشهای مختلف، عملکرد فوقالعادهای دارد. ویژگیهای اسیدی این ماده بهواسطه گروههای سولفات موجود روی سطح آن بهبود یافته است.
ساختار کاتالیست پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته
کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia ترکیبی بیفانکشنال است که عملکرد فلزی و اسیدی را در یک سیستم واحد ارائه میدهد.
- عملکرد فلزی:
پلاتین در این کاتالیست بهعنوان جزء فعال فلزی عمل میکند که واکنشهای هیدروژنهکردن و دِهیدروژنهکردن را تسهیل میکند. این مرحله برای شکستن و تشکیل مجدد پیوندهای هیدروژن و کربن ضروری است. - عملکرد اسیدی:
سایتهای اسیدی زیرکونیای سولفاته از سه منبع ایجاد میشوند:
- یونهای سولفات (SO₄²⁻): که قدرت اسیدی قوی و پایدار را فراهم میکنند.
- کوردیناسیون ناقص زیرکونیوم (CUS): که بهعنوان سایتهای فعال در واکنشهای سطحی عمل میکنند.
- گروههای OH سطحی: که در تشکیل و انتقال کربوکاتیونها نقش دارند.
مکانیزم عملکرد کاتالیستهای پلاتین بر پایه زیرکونیا سولفاته
مکانیزم عملکرد این کاتالیستها بهصورت بایفانکشنال است که در آن عملکرد فلزی و اسیدی بهطور همزمان در فرآیند ایزومراسیون هیدروکربنها نقش دارند. در این فرآیند، ابتدا مولکولهای هیدروکربن به سطح پلاتین جذب میشوند. در مرحله بعد، این هیدروکربنها در اثر حضور پلاتین هیدروژنه میشوند و به اولفینها تبدیل میشوند. سپس این اولفینها به سطح اسیدی کاتالیست منتقل میشوند و در آنجا به ایزومرهای شاخهای تبدیل میشوند.
مرحله اول: جذب هیدروکربنها بر روی پلاتین
در این مرحله، مولکولهای هیدروکربن به سطح پلاتین جذب میشوند و پیوند دوگانه بین اتمهای کربن و هیدروژن شکل میگیرد. این جذب موجب میشود که مولکولهای هیدروکربن برای ادامه واکنش آماده شوند و تبدیل به اولفینها شوند.
مرحله دوم: دهیدروژناسیون و ایزومراسیون
در این مرحله، مولکولهای هیدروکربن که به اولفینها تبدیل شدهاند، به سطح اسیدی کاتالیست منتقل میشوند. در اینجا، ساختار مولکولی اولفینها تغییر میکند و به ایزومرهای شاخهای تبدیل میشوند. این تغییر ساختار بهوسیله واکنشهای اسیدی و بهویژه با حضور گروههای سولفات فعال سطح زیرکونیا سولفاته انجام میشود.
مرحله سوم: هیدروژناسیون ایزومرها
در این مرحله، ایزومرهای تولید شده با استفاده از هیدروژن جذبشده از پلاتین هیدروژنه میشوند. این مرحله برای جلوگیری از تشکیل کک و حفظ عملکرد کاتالیست ضروری است. اگر مقدار هیدروژن جذبشده کافی نباشد، ممکن است واکنش به سمت تشکیل محصولات حجیمتر و در نهایت ککرشد سوق یابد.
مزایای کاتالیست پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته
کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia مزایای متعددی نسبت به پایه آلومینای کلرینیت دارد که در زیر توضیح داده شده است:
عدم نیاز به تزریق عوامل کلرزنی
در کاتالیستهای کلرینیت، تزریق مداوم عوامل کلرزنی مانند HCl برای حفظ قدرت اسیدی ضروری است. این امر نه تنها هزینههای عملیاتی را افزایش میدهد، بلکه خطرات زیستمحیطی نیز به همراه دارد. در مقابل، Pt/Sulfated Zirconia به دلیل پایداری اسیدی ناشی از یونهای سولفات، به تزریق عوامل اضافی نیازی ندارد.
مقاومت به آب و ناخالصیها
کاتالیستهای کلرینیت به آب و ناخالصیهایی مانند نیتروژن و گوگرد بسیار حساس هستند و در حضور این مواد، فعالیت خود را از دست میدهند. اما Pt/Sulfated Zirconia مقاومت بالایی به این ترکیبات نشان میدهد و فعالیت خود را حتی در شرایط عملیاتی سخت حفظ میکند.
پایداری حرارتی بالا
زیرکونیای سولفاته پایداری حرارتی بیشتری نسبت به آلومینای کلرینیت دارد. این امر باعث میشود که Pt/Sulfated Zirconia در دماهای بالاتر بدون افت فعالیت عمل کند.
کاهش هزینههای عملیاتی
عدم نیاز به تزریق عوامل کلرزنی، کاهش حساسیت به ناخالصیها، و طول عمر بالای کاتالیست باعث کاهش هزینههای عملیاتی میشود.
سازگاری با محیطزیست
کاتالیستهای کلرینیت خطر انتشار گازهای کلری مانند HClرا دارند که به تجهیزات آسیب میزنند و برای محیطزیست مضر هستند. در مقابل، Pt/Sulfated Zirconia کاملاً سازگار با محیطزیست است و هیچ ماده کلری مضری آزاد نمیکند.
مشخصات خوراک خروجی و تأثیر کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia بر فاکتورهای خروجی
فرآیند ایزومراسیون با استفاده از کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia تأثیرات قابل توجهی بر ویژگیهای محصولات خروجی از واحد ایزومراسیون دارد. فاکتورهای مهمی مانند اندازه و توزیع ذرات، عدد اکتان، تولید محصولات جانبی و تشکیل کک، پایداری کاتالیست و افزایش حجم تولید، همگی تحت تأثیر استفاده از این کاتالیست قرار میگیرند.
- عدد اکتان (Octane Number)
عدد اکتان یک معیار مهم برای ارزیابی کیفیت سوخت است که مستقیماً به عملکرد سوخت در موتورهای احتراق داخلی وابسته است. با استفاده از کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia، عدد اکتان محصولات خروجی بهطور چشمگیری افزایش مییابد. این افزایش بهدلیل تبدیل هیدروکربنها به ایزومرهای شاخهدار است که در مقایسه با هیدروکربنهای خطی دارای عدد اکتان بالاتری هستند.
- محصولات جانبی و تشکیل کک
یکی از چالشهای بزرگ در فرآیند ایزومراسیون، تولید محصولات جانبی ناخواسته مانند کک است که میتواند باعث کاهش عملکرد کاتالیست شود. کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia با ویژگیهای خاص خود، تشکیل کک را به حداقل میرساند. این کاتالیست بهدلیل حفظ تعادل بین عملکرد فلزی و اسیدی، قادر است از تشکیل محصولات جانبی ناخواسته جلوگیری کند و عمر کاتالیست را افزایش دهد.
- پایداری کاتالیست و دما
در دماهای بالا، پایداری کاتالیست به یک چالش تبدیل میشود. کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia عملکرد بسیار خوبی در دماهای بالا نشان میدهد و قادر است واکنشهای ایزومراسیون را در دماهای بالا انجام دهد. این ویژگی باعث میشود که این کاتالیست برای کاربردهای صنعتی که نیاز به دماهای بالا دارند، ایدهآل باشد.
- حجم تولید و بازده ایزومراسیون
کاتالیست Pt/Sulfated Zirconia نهتنها تأثیر مثبتی بر کیفیت محصولات دارد، بلکه موجب افزایش حجم تولید و بازده ایزومراسیون نیز میشود. این کاتالیست قادر است بازدهی بالایی در فرآیند ایزومراسیون ایجاد کند و در نتیجه، حجم تولید محصولات ایزومر شده را افزایش دهد.
مقایسه کاتالیستهای فرآیند ایزومراسیون
سه گروه اصلی کاتالیستهای ایزومراسیون یعنی کاتالیستهای پلاتین بر پایه آلومینای کلرینه، پلاتین بر پایه زئولیت و پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته هستند که هر یک ویژگیها و عملکردهای متفاوتی در فرآیند ایزومراسیون دارند. در ادامه، این سه کاتالیست از نظر معایب و مزایا بررسی میشوند:
کاتالیستهای پلاتین بر پایه آلومینای کلرینه، بهدلیل فعالیت بالای خود، بهطور گسترده در صنعت مورد استفاده قرار میگیرند و قادرند عدد اکتان بسیار بالایی را در محصول نهایی ایجاد کنند. با این حال، این کاتالیستها به شدت به ناخالصیهای خوراک، بهویژه آب و ترکیبات گوگردی حساس هستند. برای کارایی بهینه، خوراک باید به دقت تصفیه شود و همچنین، نیاز مداوم به افزودن کلرید به فرآیند، علاوه بر افزایش هزینههای عملیاتی، باعث انتشار مواد کلری میشود که اثرات منفی زیستمحیطی به همراه دارد. این کاتالیستها در دماهای عملیاتی نسبتاً پایین (120-170°C) کار میکنند، اما حساسیت بالای آنها به تشکیل کک و کاهش فعالیت در طول زمان، از چالشهای اصلی استفاده از آنها است.
در مقابل، کاتالیستهای پلاتین بر پایه زئولیت از پایداری حرارتی و مکانیکی بیشتری برخوردارند و در برابر آب و گوگرد موجود در خوراک مقاومت بیشتری نشان میدهند. این ویژگی، هزینههای تصفیه خوراک را کاهش میدهد و عمر کاتالیست را افزایش میدهد. با این حال، فعالیت این کاتالیستها کمتر از کاتالیستهای آلومینای کلرینه است و برای جبران این کاهش، باید در دماهای بالاتر (230-280°C) کار کنند که از نظر ترمودینامیکی کمتر بهینه است. همچنین، عدد اکتان خروجی این کاتالیستها حدود 4 واحد پایینتر از آلومینای کلرینه است که میتواند بر کیفیت نهایی محصول تأثیر بگذارد.
کاتالیستهای پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته، بهعنوان گزینهای مدرن و پیشرفته، بسیاری از مشکلات دو گروه دیگر را برطرف کردهاند. این کاتالیستها در دماهای پایینتر عملکرد بهتری دارند و عدد اکتان بالاتری در محصول نهایی ایجاد میکنند. مقاومت بالای آنها در برابر تشکیل کک و ناخالصیهای خوراک، بهویژه آب و گوگرد، باعث افزایش طول عمر و کاهش هزینههای عملیاتی میشود. برخلاف کاتالیستهای آلومینای کلرینه، این کاتالیستها نیازی به افزودن کلرید ندارند و اثرات زیستمحیطی کمتری دارند. طراحی پایدار و قدرت اسیدی بالای آنها، آنها را به گزینهای کارآمدتر و سازگارتر با محیطزیست تبدیل کرده است.
در مجموع، اگرچه هر یک از این کاتالیستها بسته به شرایط عملیاتی و نوع خوراک، مزایا و معایب خاص خود را دارند، اما کاتالیستهای پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته بهدلیل عملکرد بهتر در دماهای پایین، مقاومت در برابر ناخالصیها و کاهش اثرات زیستمحیطی، گزینهای برتر برای بسیاری از فرآیندهای ایزومراسیون مدرن بهشمار میروند.
در جدول زیر پارامترهای مختلف این سه نوع کاتالیست به صورت مقایسهای آورده شده است:
Zeolite | Sulfated zirconia | Chlorinated alumina | Properties |
High | Very High | Medium | Catalytic Activity |
Very High | Higher than both | Lower than Pt/Cl | Octane Number of Product |
Very Sensitive | Very Resistant | Resistant | Sensitivity to Water and Sulfur |
120-160°C | 100-200°C | 220-300°C | Operational Temperature Range |
Prone | Minimal | Less Prone | Coke Formation |
High (requires chloride) | Low | Medium | Maintenance Cost |
Medium | High | High | Thermal and Mechanical Stability |
Low (chloride emissions) | High | Medium | Environmental Compatibility |
Medium | Very High | High | Catalyst Lifetime |
نتیجهگیری
با توجه به اطلاعات و مقایسههای انجامشده میان کاتالیستهای مختلف ایزومراسیون، میتوان دریافت که هر یک از این کاتالیستها، بسته به شرایط عملیاتی و اهداف فرآیند، جایگاه و کاربرد خاص خود را دارند. با این حال، روند توسعه فناوری و نیازهای صنعتی نشان میدهد که کاتالیستهای پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته بهعنوان یک گزینه پیشرفتهتر، برتری محسوسی نسبت به سایر کاتالیستها دارند.
این کاتالیستها به دلیل عملکرد بهتر در دماهای پایینتر، عدد اکتان بالاتر در محصول نهایی، مقاومت در برابر ناخالصیهای موجود در خوراک (مانند آب و گوگرد)، و کاهش حساسیت به تشکیل کک، گزینهای ایدهآل برای فرآیندهای ایزومراسیون مدرن به شمار میروند. همچنین، با توجه به کاهش نیاز به مواد افزودنی مانند کلرید در طول عملیات، این کاتالیستها تأثیرات زیستمحیطی کمتری داشته و در جهت توسعه فناوریهای سبز، نقش مؤثری ایفا میکنند.
بهطور کلی، پیشرفتهای اخیر در طراحی و توسعه کاتالیستهای پلاتین بر پایه زیرکونیای سولفاته، آنها را به یک فناوری پیشرو و قابل اعتماد تبدیل کرده است که میتواند چالشهای عملیاتی و زیستمحیطی کاتالیستهای قدیمیتر را برطرف کند. این ویژگیها، بهویژه در صنایعی که به افزایش بهرهوری و کاهش هزینههای زیستمحیطی توجه دارند، نقش کلیدی ایفا میکند.
همچنین میتوان به این نکته اشاره کرد که در سپتامبر 2024، واحد ایزومریزاسیون C5-C6 Penex-DIH شرکت پالایش نفت شیراز که پیشتر برای استفاده از کاتالیستهای کلرینه طراحی شده بود، با کاتالیست ایزومریزاسیون زیرکونیای سولفاته تولید شده توسط JCS Antarex Trade به بهرهبرداری رسید. این تغییر با موفقیت انجام شد و دوره گارانتی واحد نیز بهطور کامل تکمیل گردید. این تجربه موفق نشاندهنده قابلیت بالای کاتالیستهای زیرکونیای سولفاته در تطابق با شرایط مختلف عملیاتی و ارائه عملکرد بهینه در واحدهای ایزومریزاسیون است. علاوه بر این، میتوان از این نوع کاتالیست در واحدهایی که قبلاً از دو نوع کاتالیست دیگر استفاده میکردند، بهخوبی جایگزین شود و عملکرد مشابه یا بهتری را ارائه دهد.
آرتین آزما مهر، محصولات شیمیایی
https://www.instagram.com/artin.azma/?hl=en
1 thoughts on “کاتالیست فرآیند ایزومراسیون”