شرح کلی فرآیند تولید
فرآیند شکستن مولکولها در کاتالیست سیال (Fluid Catalytic Cracking) روشی است برای تبدیل هیدروکربنهای نفتی نسبتاً سنگین به محصولات سبک تر و با ارزش تر (عمدتاً بنزین با اکتان بالا) این عمل بوسیله برخورد هیدروکربنهای نفتی سنگین با کاتالیست داغی که به شکل پودرمی باشد در شرایط خاصی از دما و فشار و در مدت زمان معینی انجام میگیرد. استفاده کردن از کاتالیست باعث میشود که واکنشهای شکست مولکولی در فشار پایین انجام پذیرد و محصولاتی با کیفیت بالاتر بدست آید. کاتالیست مورد استفاده پودر دانه دانه و نسبتاً ریزی از سیلیکا، آلومینا (Sio۲ – Al۲o۳) که یک ترکیب صنعتی است، میباشد. ترکیبات اصلی کاتالیست همان Al۲o۳ وSio۲ میباشند و بطوری سنتزی (مصنوعی) ساخته میشود. کاتالیست فوق بصورت طبیعی نیز یافت میشود که کیفیت کمتری نسبت به کاتالیست مصنوعی دارد. به علت کوچک و ریز بودن ذرات، کاتالیست دارای دو خاصیت میباشد که این دو خاصیت در فرآیند بسیار اهمیت دارند، این دو خاصیت عبارتند از:
۱- وقتی که به توده کاتالیست جریان کمی از گاز یا بخار آب یا هوا تزریق گردد و یا موقعی که تودهای از کاتالیست در مسیر جریان گازی با سرعت کم، قرار گیرد، توده کاتالیست به حالت سیال (Fluidize) و روان در میآید و از بسیاری جهات مانند یک مایع عمل میکند، یعنی کاتالیست سیال شده در لولهها فشار را منتقل نموده و باعث افزایش فشار استاتیکی و جریان در لولهها میگردد. نام فرآیند FCC از همین خاصیت کاتالیست گرفته شدهاست.
۲ کاتالیست میتواند کلاً بصورت معلق باشد (معلق در گاز و هوا) و یا بوسیله جریانی از گاز باسرعت بالا، در مسیر افقی یا عمودی حمل گردد و جابجا شود. با این نوع جریان، کاتالیست بطور قابل ملاحظهای رقیق (Dilute) میشود. این نوع جریان در انتقال کاتالیست از راکتور به احیاء کننده و بالعکس مورد استفاده میباشد.
کاتالیست
کاتالیست مخلوطی از ذرات با اندازههای مختلف میباشد، کوچکترین ذرات حدود ۱۰ - ۰ یا۲۰-۱۰ میکرون و بزرگترین ذرات از ۸۰ میکرون به بالا میباشد. اندازه مطلوب و ایده آل برای ذرات کاتالیست حدود ۸۰ - ۲۰ میکرون میباشد.
وجود ذرات بسیار ریز کاتالیست تازه جبرانی Fresh cat موجب میشود که:
-کاتالیست مصرفی (کاتالیستی که از دودکش بوسیله جریان گازهای سوخته و مواد نفتی خارج میشود) افزایش یابد.
-مقدار بار سیستمهای بازیافت کاتالیست (سیکلونها- کاترل) بیشتر میشود.
-در مسیرهای برگشتی، کاتالیست بازیابی شده بخوبی روان نمیگردد.
اگر ذرات کاتالیست موجود در سیستم درشت باشند مشکلات زیر پیش میآید:
-سیال روانی در مخلوط (جامد-گاز) نخواهیم داشت و چگالی بستر سیال افزایش خواهد یافت.
-مخلوط غیر یکنواخت جامد-گاز باعث میشود که کاتالیست بخوبی احیاء نشده و پدیده نامطلوب تولید کربن (Carbon build – up)بوجود آید.
فعالیت (Activity)
عبارت فعالیت (Activity) یعنی توانایی نسبی کاتالیست برای تبدیل هیدروکربنهای نفتی سنگین به هیدروکربنهای سبک و با ارزش تحت شرایط معین (دما- فشار- زمان)؛ فعالیت کاتالیست به مرور بر اثر استفاده از آن کم میشود. کاهش فعالیت در ابتدای شروع بکار اولیه سرعت بیشتری دارد ولی بعداً کمتر میشود با افزودن کاتالیست تازه به سیستم (در احیاء کننده) کاهش فعالیت کاتالیست مورد استفاده در سیستم (راکتور احیاء کننده) جبران شده و پس از مدتی بحالت تعادل میرسد. اگر فعالیت تعادلی کاتالیست خیلی کم باشد بایستی با افزایش کاتالیست نو و تخلیه مقداری از کاتالیست مصرف شده (کاتالیست موجود در سیستم راکتور و احیاء کننده) یا Spent Catalyst, فعالیت کاتالیست موجود در سیستم را افزایش داد. مقدار معینی از غیر فعال شدن کاتالیست عادی و اجتناب ناپذیر است.
اثر نانوکاتالیست تقویت شده بر فرآیند FCC
در سالهای اخیر فناوری ساخت و بکارگیری کاتالیستهای زئولیتی بسیار مورد توجه بوده و تحقیقات فراوانی نیز بر بکارگیری این کاتالیستها در ابعاد نانو انجام گرفتهاست و نتایج حاصل از این تحقیقات گویای این مطلب است که بکارگیری نانوکاتالیستها در فرآیند FCC خواص فوق العادهای را در کاتالیستها از جمله فعالیت و پایداری بسیار شدید تر سبب میگردد. کاتالیستهای رایج SiO۲/Al۲O۳ را میتوان در ابعاد نانو تولید نموده و بکمک بخار آب حاوی آمونیاک در دمای بالا و ترکیب با اکسیدهای فلزات قلیایی خاکی کمیاب فعالتر ساخت. این نانوکاتالیستهای به اصطلاح بهبود یافته را میتوان جهت کاهش الفینها در فرآیند FCC بکار برده و به عدد اکتان بالاتری برای بنزین نهایی دست یافت. نانو کاتالیستهای مذکور را میتوان در دو حالت ساده و مرکب با اکسید گالیم ((Ga۲O۳ در فرآیند FCC بکار گرفت. واضح است که میزان حضور اکسید گالیم به همراه کاتالیست بر روی نتایج حاصل موثر خواهد بود. حضور اکسید گالیم بهمراه کاتالیست در این فرآیند اثر قابل ملاحضهای بر روی فعالیت و میزان پایداری نانوکاتالیست خواهد داشت بطوریکه میزان مناسبی از این اکسید سبب افزایش کارائی کاتالیستها در کاهش ترکیبات الفینی خواهد داشت و پایداری کاتالیست را نیز افزایش خواهد داد, که این امر بسبب وجود نقاط اسیدی بیشتر در منافذ و سطح فعال بیشتر کاتالیست میباشد . همچنین کوتاهی طول کانالهای آن نیز سبب افزایش سرعت نفوذ مولکولی و کاهش زمان اقامت مولکولها در این کانالها شده که نتیجتًا کاهش تولید کک در کانالها را شاهد خواهیم بود. در واقع سطح وسیع این نانوکاتالیست تقویت شده و حضور نقاط اسیدی زیاد و خواص الکتریکی پیچیده این ذرات سبب شکسته شدن پیوند هایC-Sگردیده و البته سبب تولید H۲Sبیشتر در گازخروجی خواهد شد. بطور کلی میتوان گفت حضور اکسید گالیم در کنار نانوکاتالیستهای زئولیتی سبب افزایش کل مکانهای اسیدی سطح نانوکاتالیست شده و افزایش فعالیت و توانایی کراکینگ و گوگردزدائی را بهمراه خواهد داشت. لذا این نانوکاتالیست تقویت شده بهترین گزینه بمنظور کاهش ترکیبات تیوفنی در فرآیند FCCخواهد بود Journal of Molecular Catalysis A: Chemical ۲۶۱, ۲۰۰۶ . علاوه بر آن به دلیل اینکه از فلزات فعال پلاتین (Pt) و رنیوم (Re) روی پایههای آلومینا و زئولیت نیز استفاده میشود، میتوان به نانوذرات Pt-Re کاتالیستی اشاره کرد .از دیگر کاتالیستهای مورد استفاده مخلوط سیلیکا- آلومینا یا سیلیکا- مگنزیا (اکسید منیزیم) میباشد که نانوکاتالیستهای سیلیکا و مگنزیا ساخته شدهاند
فرآیند شکستن مولکولها در کاتالیست سیال (Fluid Catalytic Cracking) روشی است برای تبدیل هیدروکربنهای نفتی نسبتاً سنگین به محصولات سبک تر و با ارزش تر (عمدتاً بنزین با اکتان بالا) این عمل بوسیله برخورد هیدروکربنهای نفتی سنگین با کاتالیست داغی که به شکل پودرمی باشد در شرایط خاصی از دما و فشار و در مدت زمان معینی انجام میگیرد. استفاده کردن از کاتالیست باعث میشود که واکنشهای شکست مولکولی در فشار پایین انجام پذیرد و محصولاتی با کیفیت بالاتر بدست آید. کاتالیست مورد استفاده پودر دانه دانه و نسبتاً ریزی از سیلیکا، آلومینا (Sio۲ – Al۲o۳) که یک ترکیب صنعتی است، میباشد. ترکیبات اصلی کاتالیست همان Al۲o۳ وSio۲ میباشند و بطوری سنتزی (مصنوعی) ساخته میشود. کاتالیست فوق بصورت طبیعی نیز یافت میشود که کیفیت کمتری نسبت به کاتالیست مصنوعی دارد. به علت کوچک و ریز بودن ذرات، کاتالیست دارای دو خاصیت میباشد که این دو خاصیت در فرآیند بسیار اهمیت دارند، این دو خاصیت عبارتند از:
۱- وقتی که به توده کاتالیست جریان کمی از گاز یا بخار آب یا هوا تزریق گردد و یا موقعی که تودهای از کاتالیست در مسیر جریان گازی با سرعت کم، قرار گیرد، توده کاتالیست به حالت سیال (Fluidize) و روان در میآید و از بسیاری جهات مانند یک مایع عمل میکند، یعنی کاتالیست سیال شده در لولهها فشار را منتقل نموده و باعث افزایش فشار استاتیکی و جریان در لولهها میگردد. نام فرآیند FCC از همین خاصیت کاتالیست گرفته شدهاست.
۲ کاتالیست میتواند کلاً بصورت معلق باشد (معلق در گاز و هوا) و یا بوسیله جریانی از گاز باسرعت بالا، در مسیر افقی یا عمودی حمل گردد و جابجا شود. با این نوع جریان، کاتالیست بطور قابل ملاحظهای رقیق (Dilute) میشود. این نوع جریان در انتقال کاتالیست از راکتور به احیاء کننده و بالعکس مورد استفاده میباشد.
کاتالیست
کاتالیست مخلوطی از ذرات با اندازههای مختلف میباشد، کوچکترین ذرات حدود ۱۰ - ۰ یا۲۰-۱۰ میکرون و بزرگترین ذرات از ۸۰ میکرون به بالا میباشد. اندازه مطلوب و ایده آل برای ذرات کاتالیست حدود ۸۰ - ۲۰ میکرون میباشد.
وجود ذرات بسیار ریز کاتالیست تازه جبرانی Fresh cat موجب میشود که:
-کاتالیست مصرفی (کاتالیستی که از دودکش بوسیله جریان گازهای سوخته و مواد نفتی خارج میشود) افزایش یابد.
-مقدار بار سیستمهای بازیافت کاتالیست (سیکلونها- کاترل) بیشتر میشود.
-در مسیرهای برگشتی، کاتالیست بازیابی شده بخوبی روان نمیگردد.
اگر ذرات کاتالیست موجود در سیستم درشت باشند مشکلات زیر پیش میآید:
-سیال روانی در مخلوط (جامد-گاز) نخواهیم داشت و چگالی بستر سیال افزایش خواهد یافت.
-مخلوط غیر یکنواخت جامد-گاز باعث میشود که کاتالیست بخوبی احیاء نشده و پدیده نامطلوب تولید کربن (Carbon build – up)بوجود آید.
فعالیت (Activity)
عبارت فعالیت (Activity) یعنی توانایی نسبی کاتالیست برای تبدیل هیدروکربنهای نفتی سنگین به هیدروکربنهای سبک و با ارزش تحت شرایط معین (دما- فشار- زمان)؛ فعالیت کاتالیست به مرور بر اثر استفاده از آن کم میشود. کاهش فعالیت در ابتدای شروع بکار اولیه سرعت بیشتری دارد ولی بعداً کمتر میشود با افزودن کاتالیست تازه به سیستم (در احیاء کننده) کاهش فعالیت کاتالیست مورد استفاده در سیستم (راکتور احیاء کننده) جبران شده و پس از مدتی بحالت تعادل میرسد. اگر فعالیت تعادلی کاتالیست خیلی کم باشد بایستی با افزایش کاتالیست نو و تخلیه مقداری از کاتالیست مصرف شده (کاتالیست موجود در سیستم راکتور و احیاء کننده) یا Spent Catalyst, فعالیت کاتالیست موجود در سیستم را افزایش داد. مقدار معینی از غیر فعال شدن کاتالیست عادی و اجتناب ناپذیر است.
اثر نانوکاتالیست تقویت شده بر فرآیند FCC
در سالهای اخیر فناوری ساخت و بکارگیری کاتالیستهای زئولیتی بسیار مورد توجه بوده و تحقیقات فراوانی نیز بر بکارگیری این کاتالیستها در ابعاد نانو انجام گرفتهاست و نتایج حاصل از این تحقیقات گویای این مطلب است که بکارگیری نانوکاتالیستها در فرآیند FCC خواص فوق العادهای را در کاتالیستها از جمله فعالیت و پایداری بسیار شدید تر سبب میگردد. کاتالیستهای رایج SiO۲/Al۲O۳ را میتوان در ابعاد نانو تولید نموده و بکمک بخار آب حاوی آمونیاک در دمای بالا و ترکیب با اکسیدهای فلزات قلیایی خاکی کمیاب فعالتر ساخت. این نانوکاتالیستهای به اصطلاح بهبود یافته را میتوان جهت کاهش الفینها در فرآیند FCC بکار برده و به عدد اکتان بالاتری برای بنزین نهایی دست یافت. نانو کاتالیستهای مذکور را میتوان در دو حالت ساده و مرکب با اکسید گالیم ((Ga۲O۳ در فرآیند FCC بکار گرفت. واضح است که میزان حضور اکسید گالیم به همراه کاتالیست بر روی نتایج حاصل موثر خواهد بود. حضور اکسید گالیم بهمراه کاتالیست در این فرآیند اثر قابل ملاحضهای بر روی فعالیت و میزان پایداری نانوکاتالیست خواهد داشت بطوریکه میزان مناسبی از این اکسید سبب افزایش کارائی کاتالیستها در کاهش ترکیبات الفینی خواهد داشت و پایداری کاتالیست را نیز افزایش خواهد داد, که این امر بسبب وجود نقاط اسیدی بیشتر در منافذ و سطح فعال بیشتر کاتالیست میباشد . همچنین کوتاهی طول کانالهای آن نیز سبب افزایش سرعت نفوذ مولکولی و کاهش زمان اقامت مولکولها در این کانالها شده که نتیجتًا کاهش تولید کک در کانالها را شاهد خواهیم بود. در واقع سطح وسیع این نانوکاتالیست تقویت شده و حضور نقاط اسیدی زیاد و خواص الکتریکی پیچیده این ذرات سبب شکسته شدن پیوند هایC-Sگردیده و البته سبب تولید H۲Sبیشتر در گازخروجی خواهد شد. بطور کلی میتوان گفت حضور اکسید گالیم در کنار نانوکاتالیستهای زئولیتی سبب افزایش کل مکانهای اسیدی سطح نانوکاتالیست شده و افزایش فعالیت و توانایی کراکینگ و گوگردزدائی را بهمراه خواهد داشت. لذا این نانوکاتالیست تقویت شده بهترین گزینه بمنظور کاهش ترکیبات تیوفنی در فرآیند FCCخواهد بود Journal of Molecular Catalysis A: Chemical ۲۶۱, ۲۰۰۶ . علاوه بر آن به دلیل اینکه از فلزات فعال پلاتین (Pt) و رنیوم (Re) روی پایههای آلومینا و زئولیت نیز استفاده میشود، میتوان به نانوذرات Pt-Re کاتالیستی اشاره کرد .از دیگر کاتالیستهای مورد استفاده مخلوط سیلیکا- آلومینا یا سیلیکا- مگنزیا (اکسید منیزیم) میباشد که نانوکاتالیستهای سیلیکا و مگنزیا ساخته شدهاند