مقدمه
یکی از مهمترین واحدهای پالایشگاهی، فرایند ریفورمینگ کاتالیستی است. فرایند ریفورمینگ به منظور تبدیل هیدروکربن‌های سنگین به هیدروکربن‌های سبک‌تر و محصولات با ارزش افزوده بیشتر مانند بنزین با عدد اکتان بالا انجام می‌شود. این فرایند به منظور تولید بنزین با عدد اکتان بالا، تهیه آروماتیکها برای صنایع پتروشیمی و همچنین تولید هیدروژن برای مصارف صنعتی به‌کار می رود. خوراک معمول فرایند ریفورمینگ را عموما نفتای سنگین و بنزین تشکیل می‌دهد که شامل چهار گروه هیدروکربن یعنی پارافینها، اولفین‌ها، نفتنها و آروماتیکها (PONA) می‌باشد.
خوراک نفتا برای واحدهای ریفورمینگ حاوی پارافینها، نفتنها، آروماتیکها و در برخی موارد مقدار بسیار کمی اولفین‌ها است. برای تولید سوخت‌های موتور، خوراک‌ها معمولاً نفتای هستند که از هیدروکربن‌های دارای 6 تا 11 اتم کربن تشکیل شده‌اند. برای مناطقی که مقررات مربوط به مقدار بنزن در بنزین را دارند، ممکن است نقطه جوش اولیه خوراک برای کاهش مقدار پیش سازهای بنزن مانند سیکلوهگزان و متیل سیکلوپنتان با تقطیر افزایش یابد]1.[ درصد حجمی هیدروکربن‌ها در خوراک و در فرآورده معمولا در محدوده جدول ۱ قرار می گیرد. پارافینها و نفتنها با دو نوع فعل و انفعال حلقوی شدن و ایزومریزاسیون به ترکیباتی با عدد اکتان بالاتر تبدیل میشوند ]3-2 [
جدول ۱: درصد حجمی هیدروکربن‌های PONA در خوراک و در فرآورده فرایند ریفورمینگ
| ترکیبات | درصد حجمی | |
| خوراک | فرآورده | |
| پارافینها | ۵۵-۴۵ | ۵۰-۲۵ |
| اولفین‌ها | ۲-۰ | ۰ |
| نفتنها | ۴۰-۳۰ | ۱۰-۵ |
| آروماتیکها | ۱۰-۵ | ۶۰-۴۵ |
نفتا براساس نوع ترکیب به کمچرب یا پرچرب طبقهبندی میشوند. یک خوراک کمچرب دارای غلظت بالایی از پارافینها و غلظت نسبتاً کمی از نفتنها و آروماتیکها است، در حالی که یک خوراک پرچرب دارای غلظت کم پارافین و غلظت نسبتاً بالایی از نفتنها به همراه آروماتیکها است. سنگینی (نقطه پایان تقطیر) و نوع (کمچرب یا پرچرب) نشانگر سختی اصلاح نفتا هستند. به عنوان مثال، اصلاح نفتای سبک و کمچرب با نقطه پایان ۳۲۰ درجه فارنهایت (۱۶۰ درجه سانتیگراد) و ۶۵ درصد وزنی پارافین، نسبت به نفتای سنگین و پرچرب با نقطه پایان ۳۷۰ درجه فارنهایت (۱۸۸ درجه سانتیگراد) و ۶۰ درصد وزنی نفتنها به همراه آروماتیکها، دشوارتر است]1.[
فرایند ریفورمینگ
فرآیند ریفورمینگ شامل چندین مرحله واکنش شیمیایی است که هر یک به کاتالیستهای خاص خود نیاز دارد. این مراحل عبارتند از:
- دهیدروژناسیون نفتنها به آروماتیکها: این فرآیند شامل حذف مولکول‌های هیدروژن از نفتنها (هیدروکربن‌های حلقوی اشباع) و تبدیل آنها به آروماتیکها (هیدروکربن‌های حلقوی با پیوندهای دوگانه) می‌شود. به عنوان مثال، متیل‌سیکلوهگزان (یک نفتن) با استفاده از کاتالیست ریفرمینگ به تولوئن (یک آروماتیک) تبدیل می‌شود.
- ایزومریزاسیون پارافین‌های نرمال به ایزوپارافین‌ها: در این فرآیند، ساختار مولکولی پارافین‌های زنجیره‌ای مستقیم بدون شکستن زنجیره اصلی تغییر می‌کند و به ایزوپارافین‌های شاخه‌دار تبدیل می‌شود.
- دهیدروسیکلیزاسیون پارافینها به آروماتیکها: این فرآیند شامل حلقه‌ای شدن و حذف هیدروژن از پارافین‌های زنجیره‌ای مستقیم است که منجر به تولید آروماتیکها می‌شود.
- هیدروکراکینگ پارافینها به مولکول‌های کوچک‌تر: در این فرآیند، مولکول‌های بزرگ پارافین‌های زنجیره‌ای مستقیم با استفاده از هیدروژن به مولکول‌های کوچک‌تر مانند ایزوپنتان و اتان شکسته میشوند ]4 [.
کاتالیستهای فرایند ریفورمینگ
کاتالیستهای فرایند ریفورمینگ جزو کاتالیستهای هتروژن است که شکل این کاتالیست بسته به نوع آن، اکسترود یا کروی است. چگالی و ابعاد ذرات نیز در انواع مختلف کمی متفاوت بوده و بر اساس نوع راکتور و نحوه توزیع جریان قابل انتخاب است. استحکام ذرات کاتالیست نیز در این محصول با در نظر گرفتن شرایط عملیاتی، در سطح مطلوبی قرار دارد. این کاتالیست‌ها با شکستن مولکول‌های بزرگ هیدروکربنی موجود در نفت خام و بازآرایش آنها، زنجیره‌های مولکولی کوتاه‌تر و شاخه‌دارتر با ساختار ایزومری ایجاد می‌کنند. این ساختار ایزومری، پایداری حرارتی و مقاومت بیشتری در برابر پدیده “ضربه زدن” در موتور را به ارمغان می‌آورد و در نهایت منجر به افزایش عدد اکتان بنزین می‌شود.
این کاتالیست‌ها اساساْ فعالیت دوگانه دارند که شامل عملکرد فلزي و اسیدي هستند. عملکرد هیدروژناسیون و هیدروژن‌زدایی که به‌وسیله فلز پلاتین به عنوان بخش فلزي کاتالیست به همراه فلز دیگر تامین می‌شود و عملکرد اسیدي، که به‌وسیله پایه کاتالیست انجام می‌شود. در کاتالیست فرایند ریفورمینگ، آلومینا به عنوان پایه کاتالیست استفاده می‌شود. آلومینا به دلیل داشتن سطح ویژه بالا و پایداری حرارتی، محیط مناسبی برای تثبیت فلزات فعال فراهم می‌کند. پلاتین اصلی‌ترین فلز فعال در کاتالیستهای فرایند ریفورمینگ است که به دلیل فعالیت کاتالیستی بالا و پایداری حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.رنیوم به عنوان فلز دوم در برخی از کاتالیستهای دو فلزی به کار می‌رود و به افزایش پایداری و عمر کاتالیست کمک می‌کند. ترکیباتی مانند قلع، لانتانیوم ، ایریدیم به عنوان پروموترها به کاتالیست اضافه میشوند تا فعالیت و پایداری آن را افزایش دهند. در جدول ۲ فهرستی از کاتالیستهای دو فلزی و سه فلزی ساخته شده توسط پژوهشگران برای این فرایند، به همراه سال ساخت نشان داده شده است ]3 [.
جدول ۲: فهرست کاتالیستهای دو فلزی و سه فلزی فرایند ریفورمینگ نفتا
مزایای کاتالیست فرایند ریفورمینگ
- افزایش عدد اکتان: احتراق بنزین با اکتان بالا در موتور باعث کاهش مصرف انرژی، کارایی بیشتر، مصرف کمتر سوخت و در نتیجه کاهش آلایندگی‌های ناشی از احتراق و انتشار گازهای گلخانه‌ای است.
- عمر طولانی کاتالیست: این کاتالیست دارای طول عمر قابل توجهی هستند و دفعات تعویض کاتالیست به حداقل می‌رسد.
- پایداری: این کاتالیست‌ها برای تحمل شرایط سخت ساخته شده‌اند و در محیطی با شرایط سخت در یک پالایشگاه می‌توانند استفاده شوند.
نتیجه‌گیری
کاتالیست ریفرمینگ با انعطاف‌پذیری بالا، عملکرد بادوام و توانایی تولید بنزین با اکتان بالا و آروماتیک‌های با ارزش، نقش مهمی در ارتقاء کیفیت سوخت و کارایی پالایشگاه‌ها ایفا می‌کند. این کاتالیست با طول عمر مناسب و نیاز به احیای کم، به کاهش هزینه‌های عملیاتی پالایشگاه‌ها نیز کمک می‌کند.
مراجع
1-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.
2-U.T. Turaga, R. Ramanathan, Catalytic naphta reforming: revisiting its importance in the modern refinery, Journal of scientific & industrial research, vol.62, 2003. P 963-978.
3-M. Rahimpour, M. Jafari, D. Iranshahi, Progress in catalytic naphtha reforming process: A review, Applied Energy,Volume 109, September 2013, Pages 79-93.
4- Charles L.Wiley, Blanchard, La, recovery of rhenium values from spent catalyst, US patent 3672874, june 27(1972)