Теоретические основы термокаталитических процессов переработки нефти

Катализ играет важную роль в развитии современных химических процессов. До 90 % всей химической продукции мира изготавливается каталитическим путем.

Катализ представляет собой многостадийный физико-химический процесс, сопровождающийся избира­тельным изменением механизма и скорости термодинамически возмож­ных химических реакций веществом-катализатором, образующим с участниками реакций промежуточные химические соединения.

При положительном катализе происходит увеличение скорости реак­ции под влиянием катализатора, а при отрицательном катализе происходит уменьшение скорости химических реакций.

В процессе промежуточных химических взаимо­действий с реагирующими веществами катализато­р сохраняет свой состав. При этом катализатор не расходуется в процессе катализа.

Катализаторы окислительно-вос­становительного типа используют при гидрировании, дегидрировании, гидрогенолизе гетероорганических соединений нефти и др. К этим катализаторам относятся переходные металлы (с незаполненными d- или f-оболочками) пер­вой подгруппы (Си, Ag) и восьмой группы (Fe, Ni, Со, Pt, Pd) периоди­ческой системы Д. И. Менделеева, их окислы и сульфиды, их смеси (молибдаты никеля, кобальта, ванадаты, вольфраматы, хроматы), а также карбонилы металлов и др. Для этих катализаторов характерен гомолитический катализ, когда химическое взаи­модействие протекает по гомолитическому механизму

Катализаторы ионных реакций используют в каталитических реакциях крекинга, изомеризации, циклизации, алкилирования, деалкилирования, полимеризации углеводородов, других химических и нефтехимических процессах. К этому виду катализаторов жидкие и твердые кислоты и основания, окислы алюминия, циркония, алюмосили­каты, цеолиты, ионообменные смолы, щелочи и др. Для этих катализаторов хатактерен гетеролитиче­ский катализ — в случае гетеролитической природы промежуточного взаимодействия.

В процессах каталитического риформинга и гидрокрекинга используют бифункцио­нальные катализаторы, состоящие из носителя кислотного типа (окись алюминия, алюмосиликаты, промотированные галоидами, цеолитом и др.) с нанесенным на него металлом — катализатором гемолитиче­ских реакций (Pt, Pd, Со, Ni, Mo и др.). Бифункциональный (сложный) катализ, включаю­щий оба типа химического взаимодействия

Гетерогенные катализаторы представляют собой твердые микропористые материалы (различной формы - шарики, цилиндрики и др.) с активными центрами (нанесенными металлами, солями металлов и др.).

К гетерогенным катализаторам предъявляют следующие требования, они должны иметь:

-высокую каталитическую активность;

-достаточно большую селективность (избирательность) в отношении целевой реак­ции;

-высокую механическую прочность к сжатию, удару и истиранию;

-достаточную стабильность всех свойств катализатора на протяжении его службы и способность к их восстановлению, при регенерации;

-хорошую воспроиз­водимость всех свойств катализатора, при простом производстве;

-оптимальную форму и геомет­рические размеры, обусловливающие гидродинамические характери­стики реактора;

-небольшие экономические затраты на производство катализатора.

Активность катализатора характеризуется количеством продукта, образующегося в единицу времени на единицу объема катализатора или реактора.

Селективность катализатора характеризуется долей прореагировавших исходных веществ с образованием целевых продуктов. В нефтепере­работке селективность условно выражают как отношение выходов целевого и побочного продуктов, например, как бензин/газ, бензин/кокс или бензин/газ + кокс.

Стабильность катализатора это его способность сохранять свою актив­ность во времени. От нее зависят продолжительность работы установок, интервал их межремонтного пробега, технологическое оформле­ние, расход катализатора, материальные и экономические затраты и технико-экономические показатели процесса и др.

Катализаторы в процессе интенсивной и длительной эксплуатации претерпевают физико-химические изменения, которые приво­дят к снижению или потере их каталитической активности. Другими словами. катализаторы подвергаются физической и химиче­ской дезактивации.

Физическая дезактивация катализатора происходит под воздействием высокой температуры и водяного пара и при его транспортировке и циркуляции(происходит его спекание). Этот про­цесс сопровождается снижением удельной поверхности носителя катализатора и активного компонента (в результате рекристал­лизации металла с потерей дисперсности).

Химическая дезактивация катализатора вызывается:

- отравлением его активных центров гетероатомными соединениями, содержащимися в сырье;

- блокировкой его активных центров углистыми отложениями (коксом) или металлоорганическими соединениями, содержащимися в нефтяном сырье.

Разли­чают обратимую и необратимую дезактивации, в зависимости от того, восстанавливается или не восстанавливает­ся каталитическая активность катализатора после его регенерации. Следует отметить, что даже в случае обратимой дезактивации катализатор в итоге «стареет» и приходится его заменять на новый.