اصلاح کاتالیزوری (Catalytic Reforming) در فرآیند تولید سوخت بنزین خودرو
اصلاح کاتالیزوری (Catalytic Reforming) یکی از فرآیندهای کلیدی در صنعت پالایش نفت است که نقش حیاتی در تولید سوخت بنزین با کیفیت بالا برای خودروها ایفا می‌کند. این فرآیند، نافتای سنگین با اکتان پایین را از طریق واکنش‌های شیمیایی به ریفرمیت (Reformate) با اکتان بالا تبدیل می‌کند، که این محصول به عنوان جزء اصلی در مخلوط بنزین استفاده می‌شود. فرآیند با استفاده از کاتالیزورهای مبتنی بر پلاتین و در شرایط دما و فشار بالا انجام می‌شود و شامل واکنش‌هایی مانند دهیدروژناسیون، ایزومریزاسیون، دهیدروسیکلیزاسیون و هیدروکراکینگ است. علاوه بر تولید بنزین با اکتان بالا، این فرآیند هیدروژن به عنوان محصول جانبی تولید می‌کند که در سایر واحدهای پالایشگاه مانند هیدروکراکینگ و هیدروتریتینگ استفاده می‌شود. همچنین، ریفرمیت منبع مهمی از ترکیبات آروماتیک مانند بنزن، تولوئن و زایلن است که برای صنایع پتروشیمی کاربرد دارد. با این حال، چالش‌هایی مانند غیرفعال شدن کاتالیزور به دلیل کک و حساسیت به ناخالصی‌ها وجود دارد. در این مقاله، به بررسی تاریخچه، شیمی، انواع فرآیندها، مزایا، چالش‌ها و نقش آن در تولید بنزین پرداخته می‌شود، تا درک جامعی از این فناوری ارائه شود.
فهرست اصلاح کاتالیزوری (Catalytic Reforming) در فرآیند تولید بنزین
مقدمه‌ای بر اصلاح کاتالیزوری
اصلاح کاتالیزوری فرآیندی است که از دهه ۱۹۴۰ میلادی توسعه یافته و توسط ولادیمیر هانسل در شرکت یونیورسال اویل پروداکتس (UOP) معرفی شد. این فرآیند ابتدا با نام Platforming شناخته می‌شد و اولین واحد آن در سال ۱۹۴۹ در میشیگان ساخته شد. هدف اصلی آن تبدیل هیدروکربن‌های خطی کم‌اکتان به هیدروکربن‌های شاخه‌دار و آروماتیک با اکتان بالا است، که این کار با استفاده از کاتالیزورهای پلاتینی انجام می‌شود. در پالایشگاه‌های مدرن، این فرآیند بخش عمده‌ای از تولید بنزین را تشکیل می‌دهد و تا ۳۷ درصد از استخر بنزین را تأمین می‌کند. فرآیند در دماهای ۴۹۵ تا ۵۲۵ درجه سانتی‌گراد و فشارهای ۵ تا ۴۵ اتمسفر عمل می‌کند و نیاز به پیش‌تصفیه خوراک برای حذف گوگرد و نیتروژن دارد تا کاتالیزورها مسموم نشوند. تولید هیدروژن خالص به میزان ۳۰۰ تا ۱۲۰۰ فوت مکعب در هر بشکه خوراک، این فرآیند را به منبع مهمی برای هیدروژن در پالایشگاه تبدیل کرده است. علاوه بر بنزین، ریفرمیت برای تولید مواد شیمیایی مانند پلاستیک‌ها استفاده می‌شود، اما محتوای بنزن آن به دلیل سرطان‌زا بودن، نیاز به مقررات سخت‌گیرانه دارد. این فرآیند انواع مختلفی مانند نیمه‌احیاکننده، چرخه‌ای و احیای مداوم کاتالیزور دارد که هر کدام مزایای خاص خود را در عملیات پالایشگاهی ارائه می‌دهند. در کل، اصلاح کاتالیزوری نه تنها کیفیت سوخت را بهبود می‌بخشد، بلکه کارایی کلی پالایشگاه را افزایش می‌دهد.
در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های تکنولوژیکی مانند استفاده از کاتالیزورهای دوفلزی (مانند پلاتین-رنیوم) اجازه عملیات در فشارهای پایین‌تر و بازده بالاتر را داده است. این فرآیند با چالش‌هایی مانند تشکیل کک روی کاتالیزور مواجه است که نیاز به احیای دوره‌ای دارد، و در واحدهای احیای مداوم (CCR)، این مشکل با جابجایی مداوم کاتالیزور حل می‌شود. اهمیت آن در تولید بنزین بدون سرب و با اکتان بالا، پس از ممنوعیت افزودنی‌های سربی، بیشتر شد. امروزه، بیش از نیمی از بنزین جهان از طریق این فرآیند تولید می‌شود و نقش آن در تأمین آروماتیک‌ها برای صنایع پتروشیمی حیاتی است. با این حال، مسائل زیست‌محیطی مانند انتشار گازهای گلخانه‌ای و نیاز به انرژی بالا، پژوهشگران را به سمت کاتالیزورهای کارآمدتر سوق داده است. فرآیند شامل مراحل پیش‌گرمایش، واکنش در راکتورها، جداسازی محصولات و تثبیت ریفرمیت است، که همه این‌ها برای بهینه‌سازی بازده طراحی شده‌اند. در نهایت، اصلاح کاتالیزوری به عنوان پلی بین نفت خام و سوخت مدرن عمل می‌کند و بدون آن، تولید بنزین با استانداردهای فعلی غیرممکن است.
شیمی و واکنش‌های اصلاح کاتالیزوری
واکنش‌های اصلی
واکنش‌های اصلی در اصلاح کاتالیزوری شامل چهار دسته عمده هستند: دهیدروژناسیون نفتن‌ها به آروماتیک‌ها، ایزومریزاسیون پارافین‌های نرمال به ایزوپارافین‌ها، دهیدروسیکلیزاسیون پارافین‌ها به آروماتیک‌ها و هیدروکراکینگ پارافین‌ها. واکنش دهیدروژناسیون، مانند تبدیل متیل‌سیکلوهگزان به تولوئن، بسیار اندوترمیک است و هیدروژن تولید می‌کند، که این واکنش سریع و اصلی‌ترین منبع افزایش اکتان است. ایزومریزاسیون، مانند تبدیل اکتان نرمال به ۲،۵-دی‌متیل‌هگزان، بدون مصرف یا تولید خالص هیدروژن انجام می‌شود و اکتان را بهبود می‌بخشد. دهیدروسیکلیزاسیون، مانند تبدیل هپتان نرمال به تولوئن، هیدروژن تولید می‌کند اما کندتر است. هیدروکراکینگ، تنها واکنشی که تعداد کربن را تغییر می‌دهد، هیدروژن مصرف می‌کند و محصولات سبک‌تری مانند متان و اتان تولید می‌کند، که گاهی نامطلوب است زیرا بازده ریفرمیت را کاهش می‌دهد. این واکنش‌ها در حضور فشار هیدروژن بالا برای جلوگیری از تشکیل کک انجام می‌شوند و تعادل آن‌ها با شرایط عملیاتی مانند دما و فشار کنترل می‌شود.
هیدروکراکینگ اگرچه اکتان را افزایش می‌دهد، اما می‌تواند منجر به از دست دادن بازده شود، بنابراین در عملیات به حداقل رسانده می‌شود. واکنش‌های جانبی مانند هیدروژنولیز نیز رخ می‌دهند که هیدروکربن‌های سبک تولید می‌کنند. تولید خالص هیدروژن بین ۵۰ تا ۲۰۰ متر مکعب در هر متر مکعب خوراک است، که این هیدروژن برای فرآیندهای دیگر مانند هیدروگوگردزدایی استفاده می‌شود. شیمی فرآیند بر پایه کاتالیزورهای دوعملکردی است، جایی که پلاتین دهیدروژناسیون را کاتالیز می‌کند و آلومینای کلریده سایت‌های اسیدی برای ایزومریزاسیون فراهم می‌کند. در شرایط شدید، واکنش‌های نامطلوب مانند کک‌سازی افزایش می‌یابد، بنابراین کنترل دقیق ضروری است. این واکنش‌ها نه تنها اکتان را تا ۹۰-۱۰۲ افزایش می‌دهند، بلکه ترکیبات آروماتیک مفید برای پتروشیمی تولید می‌کنند، اما محتوای بنزن نیاز به پردازش اضافی دارد تا با استانداردهای زیست‌محیطی مانند حداکثر ۱ درصد در اتحادیه اروپا مطابقت کند.
کاتالیزورها
کاتالیزورهای اصلاح کاتالیزوری معمولاً بر پایه پلاتین (Pt) روی پایه سیلیکا یا سیلیکا-آلومینا هستند و اغلب با رنیوم (Re) یا ایریدیوم (Ir) ترکیب می‌شوند تا پایداری افزایش یابد. پلاتین نقش اصلی در دهیدروژناسیون دارد، در حالی که پایه اسیدی کلریده ایزومریزاسیون و سیکلیزاسیون را تسهیل می‌کند. کاتالیزورها قبل از استفاده کلریده می‌شوند و خوراک باید هیدروتریت شود تا سطوح گوگرد و نیتروژن زیر ۱ ppm باشد، زیرا این ناخالصی‌ها کاتالیزور را مسموم می‌کنند. کاتالیزورهای دوفلزی مانند Pt/Re برای فرآیندهای نیمه‌احیاکننده و Pt/Sn برای راکتورهای متحرک استفاده می‌شوند، که اجازه عملیات در فشارهای پایین‌تر و بازده بالاتر را می‌دهند. غیرفعال شدن به دلیل کک و از دست دادن کلر رخ می‌دهد، بنابراین احیا هر ۶ تا ۲۴ ماه لازم است، و کاتالیزورها ۳-۴ بار احیا می‌شوند قبل از بازیافت فلزات گران‌بها.
پیشرفت‌ها شامل افزودن پروموترهایی مانند ژرمانیوم، کبالت یا نکل برای بهبود فعالیت و انتخاب‌پذیری است. در فرآیندهای زیست‌توده، کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل روی پایه‌های آلومینا یا بیوچار استفاده می‌شوند، اما در پالایش نفت، پلاتین غالب است. مزایای این کاتالیزورها شامل تولید هیدروژن بالا و اکتان عالی است، اما هزینه بالا و حساسیت به مسمومیت چالش‌هایی هستند. جدول زیر انواع کاتالیزورها را مقایسه می‌کند:
| نوع کاتالیزور | ترکیب اصلی | کاربرد | مزایا | معایب |
|---|---|---|---|---|
| Pt روی آلومینا | پلاتین + آلومینای کلریده | فرآیندهای نیمه‌احیاکننده | فعالیت بالا در دهیدروژناسیون | حساس به گوگرد |
| Pt/Re | پلاتین + رنیوم | عملیات فشار پایین | پایداری بیشتر، کک کمتر | هزینه بالاتر |
| Pt/Sn | پلاتین + قلع | راکتورهای متحرک (CCR) | انتخاب‌پذیری بالا | فعالیت کمتر در برخی واکنش‌ها |
| Pt/Ir | پلاتین + ایریدیوم | فرآیندهای شدید | مقاومت به کک | گران‌قیمت |
این کاتالیزورها فرآیند را کارآمد می‌کنند، اما نیاز به مدیریت دقیق دارند.
انواع فرآیندهای اصلاح کاتالیزوری
انواع فرآیندهای اصلاح کاتالیزوری بر اساس روش احیای کاتالیزور طبقه‌بندی می‌شوند: نیمه‌احیاکننده (SRR)، چرخه‌ای و احیای مداوم کاتالیزور (CCR). در SRR، رایج‌ترین نوع، سه راکتور ثابت وجود دارد و احیا هر ۶-۲۴ ماه با خاموشی واحد انجام می‌شود. فرآیند چرخه‌ای شامل راکتور اضافی برای احیای چرخشی است، که دوره‌های عملیاتی را طولانی می‌کند. CCR، مدرن‌ترین، کاتالیزور را به طور مداوم جابجا و احیا می‌کند، مانند فرآیندهای UOP CCR Platformer یا Axens Octanizing، که اجازه شدت بالاتر و بازده بیشتر را می‌دهد. همه انواع شامل پیش‌گرمایش خوراک، مخلوط با گاز هیدروژن بازیافتی، واکنش در راکتورها با گرمایش میانی به دلیل اندوترمیک بودن، و جداسازی محصولات هستند. گازهای سبک به پردازش گاز می‌روند و ریفرمیت تثبیت می‌شود.
CCR در حال افزایش است زیرا خاموشی کمتری نیاز دارد و بازده آروماتیک تا ۹۰ درصد می‌رسد. در مقایسه، SRR ساده‌تر اما کمتر انعطاف‌پذیر است. جدول مقایسه:
| نوع فرآیند | روش احیا | مزایا | معایب |
|---|---|---|---|
| نیمه‌احیاکننده (SRR) | درجا، هر ۶-۲۴ ماه | هزینه سرمایه پایین | خاموشی‌های مکرر |
| چرخه‌ای | چرخشی با راکتور اضافی | عملیات طولانی‌تر | پیچیدگی بیشتر |
| احیای مداوم (CCR) | مداوم خارج از راکتور | شدت بالا، بازده بیشتر | هزینه سرمایه بالا |
این انواع بر اساس نیاز پالایشگاه انتخاب می‌شوند و همه برای تولید بنزین ضروری هستند.
مزایا و چالش‌های اصلاح کاتالیزوری
اصلاح کاتالیزوری مزایایی مانند تولید ریفرمیت با اکتان ۹۰-۱۰۲، که تا ۳۷ درصد بنزین را تشکیل می‌دهد، و هیدروژن به عنوان محصول جانبی برای سایر فرآیندها دارد. این فرآیند ارزش خوراک کم‌اکتان را افزایش می‌دهد و آروماتیک‌ها برای پتروشیمی تأمین می‌کند. عملیات در حالت‌های مختلف (شدت بالا برای آروماتیک‌ها یا متوسط برای بنزین) انعطاف‌پذیری می‌دهد. CCR بازده را بهبود می‌بخشد و انرژی مصرفی را کاهش می‌دهد. همچنین، بدون سرب بودن بنزین را تضمین می‌کند و با استانداردهای زیست‌محیطی سازگار است.
چالش‌ها شامل اندوترمیک بودن بالا، نیاز به انرژی زیاد و راکتورهای متعدد است. غیرفعال شدن کاتالیزور توسط کک نیاز به احیا دارد، که در SRR خاموشی ایجاد می‌کند. حساسیت به ناخالصی‌ها پیش‌تریتینگ را الزامی می‌کند و هیدروکراکینگ بازده را کاهش می‌دهد. مسائل ایمنی مانند خطر آتش از نشت هیدروژن و انتشار بنزن سرطان‌زا وجود دارد. هزینه کاتالیزورهای گران‌بها نیز بالا است.
جدول مزایا و معایب:
| مزایا | معایب |
|---|---|
| تولید اکتان بالا و هیدروژن | انرژی‌بر و اندوترمیک |
| منبع آروماتیک‌ها | غیرفعال شدن کاتالیزور |
| انعطاف‌پذیری عملیاتی | حساس به ناخالصی‌ها |
| بهبود کیفیت بنزین | هزینه بالا و مسائل ایمنی |
نقش اصلاح کاتالیزوری در تولید بنزین
اصلاح کاتالیزوری نقش مرکزی در تولید بنزین خودرو دارد، زیرا نافتای سنگین را به ریفرمیت با اکتان بالا تبدیل می‌کند، که با اجزایی مانند آلکیلیت، نافتای مستقیم و کراکد گازولین مخلوط می‌شود. این فرآیند اکتان را افزایش می‌دهد تا بنزین تابستانی و زمستانی با مشخصات volatility و distillation مطابقت کند. در ایالات متحده، این فرآیند برای تولید بنزین بدون سرب ضروری است و هیدروژن تولیدشده در هیدروتریتینگ برای کاهش گوگرد استفاده می‌شود. ریفرمیت تا ۴۰ درصد بنزین را تشکیل می‌دهد و ترکیبات آروماتیک آن کیفیت سوخت را بهبود می‌بخشد.
با مقررات زیست‌محیطی، پردازش اضافی برای کاهش بنزن لازم است، اما همچنان منبع اصلی اکتان است. در پالایشگاه‌های مدرن، ادغام با واحدهای دیگر مانند ایزومریزاسیون کارایی را افزایش می‌دهد و تولید بنزین با اکتان بالا را اقتصادی می‌کند.
سوالات متداول
اصلاح کاتالیزوری نافتای کم‌اکتان را به ریفرمیت با اکتان بالا برای مخلوط بنزین تبدیل می‌کند با بازآرایی مولکول‌ها.
معمولاً در سه راکتور ثابت سری با دما و فشار بالا.
هیدروژن واکنش‌ها را کنترل می‌کند، از غیرفعال شدن کاتالیزور توسط کک جلوگیری می‌کند و فعالیت را حفظ می‌کند.
هیدروژن خالص که بازیافت یا در واحدهای دیگر مانند هیدروتریتینگ استفاده می‌شود.
برای بهینه‌سازی تغییرات شیمیایی و حداکثرسازی بازده ضروری است.
اصلاح کاتالیزوری فرآیندی اساسی در تولید بنزین است که کیفیت سوخت را بهبود می‌بخشد، هیدروژن تولید می‌کند و ارزش اقتصادی ایجاد می‌کند. با وجود چالش‌ها، پیشرفت‌ها آن را کارآمدتر کرده و نقش آن در آینده انرژی پایدار باقی می‌ماند.
منابع
- Catalytic Reforming – en.wikipedia.org
- Catalytic Reforming – sciencedirect.com
- Catalytic reforming boosts octane for gasoline blending – eia.gov
- Catalytic Reforming – blog.epcland.com
- chemistry catalytic reforming – e-education.psu.edu
- Reforming catalyst Catalytic reforming – nefthim.com
- Catalytic Reforming – ogst.ifpenergiesnouvelles.fr
- catalytic reforming options and practices – digitalrefining.com
- catalytic reforming yields advantages and disadvantages – fsc432.dutton.psu.edu
- catalytic reforming benefits and limits – fsc432.dutton.psu.edu
- 3questions to xavier decoodt on catalytic reforming – blog.axens.net
