مقدمه
یکی از فرایندهای مهم تولید بنزین در پالایشگاههای نفت، فرایند ایزومریزاسیون نفتای سبک است. در این واحد پالایشی، ترکیبات هیدروکربنی با ساختار شیمیایی خطی واکنش شیمیایی داده و به ترکیبات شاخه‌دار تبدیل میشود که در اصطلاح ایزومر نامیده میشوند. فرایند ايزومريزاسيون نفتای سبک یک فرایند ساده و مقرون به صرفه برای ارتقا عدد اکتان است.
استفاده از ترکیباتی چون بنزن، مواد آروماتیک و اولفین در اجزاي بنزین دارای محدودیت است، لذا فرایند ایزومریزاسیون نفتای سبک مورد اهمیت است. این فرایند عدد اکتان نفتاي سبک را ارتقا میدهد و همچنین، به‌طور همزمان مقدار بنزن را کاهش میدهد. عدد اکتان مقیاسی براي نشان دادن بهسوزي و مقاومت بنزین در مقابل احتراق خود به خود (بدون جرقه) و تحمل تراکم بیشتر در زمان متراکم شدن و افزایش خواص ضد کوبشی سوخت است]۱ [.
فرایند ایزومریزاسیون نفتای سبک
شمایی از یک واحد فرایند ایزومریزاسیون نفتای سبک در شکل 1 نشان داده شده است. در این فرایند، خوراک به همراه جریان جبرانی هیدروژن وارد راکتور شده و محصولات واکنش به یک برج تفکیک انتقال مییابد و جریان ایزومرات از پایین برج خارج میشود. با توجه به محدودیت ورود ترکیبات اکسیژندار و گوگردی به راکتور، معمولا یک بستر محافظ برای جذب این ترکیبات و حذف آنها از خوراک به کار میرود ]۲[.
شکل 1- شماتیک واحد ایزومری
برای انجام واکنشهای ایزومریزاسیون نفتای سبک از کاتالیست استفاده میشود. این کاتالیست‌ها اساساْ فعالیت دوگانه دارند که شامل هر دو عملکرد اسیدي و فلزي هستند. بخش فلزي کاتالیست واکنش‌هاي هیدروژناسیون و هیدروژن‌زدایی را به عهده دارد در صورتی‌که بخش اسیدي، واکنش هیدروکراکینگ را انجام میدهد. واکنش در محل فلزي شروع شده و سپس در محل اسیدي ادامه مییابد به این ترتیب که ابتدا در محل فلزي آلکان‌ها هیدروژن‌زدایی میشوند و آلکن شکل می‌گیرد. پس از آن، آلکن‌ها در بخش اسیدي مجدد بازآرایی شده و نرمال آلکن‌ها به ایزوآلکن تبدیل میشود. در نهایت، با هیدروژنه کردن آلکن‌ها، ایزوآلکان تشکیل میشود.
در یک کاتالیست ایده‌آل بین بخش‌هاي اسیدي و فلزي، اندازه منافذ، پراکندگی زیاد فلز روي سطح کاتالیست و اسیدیته ملایم تعادل وجود دارد. پارامتر مهم در این نوع کاتالیست‌ها، مقاومت سایت اسیدي است و هرچه اسیدیته بیشتر باشد، عملیات در دماي کمتری انجام میشود و این امر از نظر ترمودینامیکی مفید است]۱[.
یک نوع طبقه‌بندي برای کاتالیست فرایند ایزومریزاسیون نفتای سبک براساس دماي عملیاتی شناخته شده است، که به صورت کاتالیست دمای پایین، دماي بالا و دماي متوسط مشخص شده است. که به ترتیب شامل کاتالیست آلومیناي کلرینه‌شده، کاتالیست‌های زئولیتی و کاتالیست زیرکونیاي سولفاته‌شده هستند. در شکل ۲ میزان بهبود عدد اکتان و دمای بستر واکنش برای این سه دسته کاتالیست مقایسه شده است]۲[.
شکل ۲- مقایسه میزان بهبود عدد اکتان و دمای بستر واکنش برای سه دسته کاتالیست
در جدول 2 مقایسه فرایندی میان سه کاتالیست فرایند ایزومری انجام شده است. مطابق این جدول، کاتالیست آلومینای کلرینه‌شده برای فعالیت نیازمند تزریق کلر و استفاده از تجهیزات تکمیلی مانند خشک‌کن و اسکرابر در فرایند است. همچنین، با توجه به نیاز به خنثی‌سازی جریان اسیدی با سود سوزآور، جریان پساب قلیایی در این فرایند تولید میشود که نیازمند فرایند تصفیه مناسب میباشد. از سوی دیگر، کاتالیست‌های زئولیتی با توجه به نیاز به عملیات واکنش در دمای بالا نیازمند کوره پیشگرم و استفاده از آلیاژهای خاص در فرایند است. این در حالی است که فرایندهای ایزومریزاسیون نفتای سبک که از کاتالیست زیرکونیای سولفاته‌شده استفاده میکنند نیاز به تجهیزات خاص یا آلیاژ خاص ندارند.
جدول 2- مقایسه تجهیزات فرایند ایزومریزاسیون نفتای سبک در زمان استفاده از کاتالیست‌های مختلف ]3[.
| شرایط | نوع کاتالیست | ||
| آلومینای کلرینه‌شده | زیرکونیاي سولفاته‌شده | زئولیتی | |
| تزریق مواد شیمیایی | کلر | خیر | خیر |
| حساسیت به آلودگی | بله | خیر | خیر |
| تجهیزات | خشک کن و اسکرابر | کوره مشعل‌دار | |
| سیستم برای سود سوزآور مصرفی | بله | خیر | خیر |
| منبع گرما | بخار با فشار متوسط | بخار با فشار متوسط | کوره مشعل‌دار |
| استفاده از مواد در بدنه | کربن استیل | کربن استیل | آلیاژ |
| کمپرسور برگشتی | خیر | بله | بله |
کاتالیست‌های زیرکونیای سولفاته‌شده دارای تخلخل در اندازه مزو هستند و از ویژگیهایی همچون پایداری حرارتی بالا، پایداری مکانیکی، فعالیت و واکنشپذیری بهتر نسبت به انواع دیگر کاتالیست، بی‌نیاز به ترکیبات اسیدی مثل هیدروکلریک اسید، خواص سطحی بهبودیافته و مناسب برای واحدهای صنعتی برخوردارند. کاتالیست‌های زیرکونیای سولفاته در ساختارها و شکلهای مختلف و با افزودن فلزات متنوعی عرضه میشوند. به عنوان مثال، از فلزات نیکل، پالادیوم و پلاتین در ساختار این کاتالیزورها استفاده میشود. بسته به میزان پلاتین موجود در کاتالیزور، عدد اکتان محصول نهایی بنزین میتواند متفاوت باشد]4[.
نتیجه‌گیری
در پالایشگاههای نفتی ایران از کاتالیست‌های آلومینای کلرینه‌شده و زئولیتی برای فرایند ایزومریزاسیون نفتا استفاده شده است، اما با توجه به این که کاتالیست‌های آلومینای کلرینه‌شده در مقابل سموم موجود در خوراك مقاوم نیستند و موجب خوردگی در تجهیزات فرایندی می‌گردد و همچنین کاتالیست‌های زئولیتی در دماهای بالاتر، منجر به تولید محصولاتی با عدد اکتان پایین‌تری می‌گردند، لذا استفاده از کاتالیست‌های زیرکونیای سولفاته‌شده با ارتقادهنده‌های فلزی و گزینش‌پذیری مناسب نسبت به ایزومرها و افزایش عدد اکتان چند واحدی برای این فرایند ضروری به نظر می‌رسد.
مراجع
۱-مروري بر کاتالیستهاي فرایند ایزومریزاسیون نفتا، سعید سطانعلی، شادی نجفی ، علی حکمت ناظمی و علی عباسی، نشریه فرایند نو، شماره 6، سال ۱۳۹۸.
2-Sullivan, D., Metro, S., Pujadó, P.R. (2014). Isomerization in Petroleum Processing. In: Treese, S., Jones, D., Pujado, P. (eds) Handbook of Petroleum Processing. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-05545-9_7-1
3-Hand book of petroleum processing Springer, 2014, https://doi.org/10.1007/978-3-319-05544-9_7-1.
4- Hydroisomerization and Cracking of n-Octane and n-Hexadecane over Zirconia Catalysts, V. M. Benitez, J. C. Yori, J. M. Grau, C. L. Pieck, and C. R. Vera, Energy and fuels, 20, 422-426, 2006