Склад, будова і властивості каталізаторів риформінгу

Технологія переробки нафти і газу. Частина 1

Каталізатор для процесу риформінгу повинен мати здатність, з одного боку, здійснювати реакції дегідрування шестичленних нафтенових вуглеводнів, а, з іншого боку, прискорювати реакції циклізації і ізомеризації. Тобто він повинен бути біфункціонального.

В даний час переважна більшість установок каталітичного риформінгу працює з використанням бі і поліметалічних каталізаторів. Їх основними складовими частинами є носій і активний компонент.

Важливе значення в каталітичних системах відіграє носій активної речовини або як його ще називають - матриця. Матриця повинна забезпечувати збереження каталітичних властивостей каталізатора в умовах високих температур, охороняти його від впливу каталітичних отрут, створювати певну форму, гранулометричний склад і необхідну механічну міцність частинок, забезпечувати доступність активних металів для молекул сировини. Речовина матриці сприяє рівномірному розподілу активних металів в порах каталізатора і інтенсивному протіканню масо-і теп-лообменних процесів. Воно суттєво впливає на термічну стабільність каталізатора.

Матриця у каталізаторів риформінгу повинна бути активною, яка виконує не тільки функції підведення до активних металів молекул сировини і відведення від нього продуктів реакцій, а й володіти кислотністю, необхідної для протікання ізомеризації і циклізації вуглеводнів. Найбільш часто в якості матриці в каталізаторах риформінгу бензинових фракцій використовується активний оксид алюмінію. Молекули оксиду алюмінію, з'єднуючись між собою, утворюють частинки твердої фази переважно сферичної форми з ефективним діаметром близько 3-8 нм. Зростаючись, вони формують гідрогель, в якому в проміжках між частинками твердої фази знаходиться вода або водні розчини прореагировавших вихідних компонентів. При сушінні гідрогелю вода видаляється, а структурна сітка з пов'язаних між собою сферичний зберігається. Пори цієї структури розглядаються як зазори між частинками. Матриця може бути мелкопористой (рис. 5.1, а), крупнопористой (рис. 5.1, б), а також містити весь набір пір. Її пористу структуру можна регулювати умовами осадження компонентів (температура, швидкість її зміни, рН середовища і т.д.). На хімічні та адсорбційні властивості матриці в значній мірі впливає наявність гідроксильних груп (= Al-OH). Вони займають в основному положення, що виходять на її внутрішню і зовнішню поверхню. Кількість цих груп можна регулювати температурою розжарювання оксиду алюмінію. Чим вище її значення, тим більша ймовірність протікання реакції дегідроксілірованія (2НО- ® Н2О + О2).

Склад, будова і властивості каталізаторів риформінгу

Перевагою оксиду алюмінію є його термічна стабільність, відносна легкість отримання та доступність сировини. Оксид алюмінію отримують прожарювання гідроксидів алюмінію: гіббсіта, бойеріта (тригідрат) і беміт, діаспора (моногідрати). Термічна обробка гідроксидів алюмінію призводить до утворення різних форм оксиду алюмінію. Структура оксиду алюмінію залежить від типу вихідного гідроксиду, залишкового вмісту води, присутності оксидів лужних і лужноземельних металів, а також умов термічної обробки. Існує більше десятка форм оксиду алюмінію. Прокалке до 600о С отримують # 947; -, # 951; -, # 961; - модифікації, при 900-1000оС # 963; -, # 967; -, # 952; - модифікації; при температурі вище 1000оС # 940; оксиди (ко-Рунда). У промисловості зазвичай використовується # 947; - (рідше # 951; - і # 961; -) Аl2O3. Первинні кристалічні частинки розміром 2-8 нм упаковані так, що утворюються пори мають або щелевидную, або пляшковидний форму.

Дегидрирование шестичленних нафтенових і дегидроциклизация парафінових вуглеводнів - основний напрямок їх перетворення в умовах каталітичного риформінгу. Швидкості дегідрування шестичленних нафтенових вуглеводнів на платинових каталізаторах риформінгу дуже великі і набагато перевищують швидкості їх дегідрування на інших металевих і оксидних каталізаторах (табл. 5.4).

Склад, будова і властивості каталізаторів риформінгу

Використовувані для промотування метали можна розділити на дві групи. До першої з них належать іридій і реній, добре відомі як каталізатори гідродегідрогенізаціі і гідрогенолізу. Інша, більш велика група, промоторів, включає метали, які практично не активні в зазначених реакціях. Такими металами є мідь, кадмій, германій, олово, свинець і ін. Деякі з цих металів (наприклад, мідь, свинець) давно відомі як каталітичні отрути для платини. Однак їх використання дозволяє зменшити необоротну дезактивація платини сірчистими сполуками, присутніми в сировину процесу.

Протягом останніх років патентна література відбила прагнення поліпшити каталізатори риформінгу за рахунок переходу від біметалевих до поліметалічних каталітичним системам. Здебільшого такі системи містять, поряд з платиною, ще два елементи, з яких один належить до першої групи Періодичної системи, а інший до другої. Так, якщо алюмоплатіновий каталізатор промотують ренієм, то в каталізатор вводять ще один з наступних металів: мідь, срібло, кадмій, цинк, індій, рідкоземельні елементи (лантан, церій, неодим і ін.).

Для максимальної активності каталізатора метал повинен бути добре розподілений (розсіяний) на носії і мати можливо мінімальний розмір часток (близько 1 10-6 мм). Висока дисперсність і нанометровий розмір часток підтримуються протягом служби каталізатора і під час регенерації.

Спрощене зображення хімічної структури основи каталізатора після хлорування таке:

Склад, будова і властивості каталізаторів риформінгу

Надлишок води в газі рецикла призводить до порушення балансу OH- щодо Cl- за рахунок вимивання хлору водою, надлишку OH- і ослаблення активно-

Склад, будова і властивості каталізаторів риформінгу

І, навпаки, якщо кількість води в газі рецикла занадто низька, каталізатор стає занадто сухим і баланс -OH щодо -Cl зсувається до Cl-. Іншими словами, каталізатор перехлорірован (або пересушене). Перехлорірованіе каталізатора може статися через неконтрольовану добавки хлорорганічних з'єднання. Якщо каталізатор пересушене (він експлуатувався деякий час з дефіцитом води в ВСГ), то він буде проявляти дуже високу кислотну функцію, що проявиться в підвищеної активності в реакціях гідрокрекінгу

При перезволоженні каталізатора (кількість води в ВСГ вище 50 ppm об.) Може виникнути ситуація, коли вода витіснить хлор з перших реакторів в останній з подальшим тимчасовим посиленням кислотної функції і збільшенням внеску реакцій гідрокрекінгу в цьому реакторі.

Вважається, що введення хлору активує кислотні властивості каталізатора риформінгу. У той же час встановлено, що від кількості хлору на каталізаторі екстремально залежить активність останнього. Залежно від типу каталізатора оптимальну кількість хлору коливається від 0,5 (для АП-64) до 1,1% (для КР-104, R-56, RG-582). При вмісті хлору понад 1,2% різко збільшується частка реакцій гідрокрекінгу, знижується частка ароматизації і зростає кількість коксу на каталізаторі. В останні роки з'явилися повідомлення про використання в якості матриці каталізаторів риформінгу висококислотних цеолітів типу морденита. У цьому випадку від добавки кислотного промотора можна буде відмовитися.

До тимчасових отрут відносяться ті, які можна видалити з каталізатора без його вивантаження з реакторів риформінгу. Найбільш поширеними з них є сірка, азот, вода, органічні оксиди, галогени.

Сірка є найбільш поширеним забруднювачем, що знаходяться в сировині. Максимально допустима концентрація в сировину риформінгу - 0,5 ppm мас. в перерахунку на чисту сірку.

Отруєння викликається сірководнем, або що утворюється при розкладанні на каталізаторі сірчистими сполуками, які містяться в сировині. Сірководень реагує з платиною з утворенням сульфіду:

, знижує активність каталізатора, зменшуючи загальну кількість активного металу.

Така ж реакція відбувається між сірководнем та іншими металами каталізатора, ще більше пригнічуючи його активність. Це виражається в зменшенні виходів каталізата, водню, збільшенні виходу газів і зниженні перепаду температури в реакторах. При вмісті сірководню в газі ВСГ 5 ppm об. температура на вході в реактор повинна бути знижена до 480 ºС. Відповідно повинен бути зменшений витрата сировини в реактори риформінгу для підтримки заданого рівня октанового числа каталізата.

· Знижується октанове число каталізата;

· Збільшується вихід водню;

· Збільшується перепад температури в реакторах.

Крім того, відкладення хлориду амонію скупчуються в АВО, сепараторах.

Видалення азоту здійснюється попередньої гідроочищення сировини риформінгу, тому його присутність зазвичай це пов'язано з низькою активністю каталізатора попередньої гідроочищення.

При виявленні азотного забруднення необхідно:

· Збільшити уприскування хлорорганічних з'єднання в регенератор для збільшення рівня хлору в придатним для регенерації каталізатора CR 201 до 1,4 ÷ 1,5% мас;

· Не підвищувати октанове число каталізата шляхом збільшення температури на вході в реактори. Це тільки збільшить втрату хлору.

При збільшенні вмісту води в ВСГ більше 50 ppm об. температура на вході реактори повинна бути знижена з метою зменшення вимивання хлору з каталізатора. Прийнято наступні значення:

50 ppm води - температура не більше 480 С 100 ppm води - температура не більше 460 ° С

У разі збільшення вмісту води в ВСГ також необхідно відрегулювати уприскування хлорорганічних з'єднання для компенсації втрат хлору.

Іноді хлор і фтор присутні в сирій нафті через особливості методів нафтовидобутку. Максимально допустимі кількості їх в сировині риформінгу: 0,5 ppm мас. для фтору і 1,0 ppm мас. для хлору.

Підвищений присутність хлору в сировину змінює кислотну функцію каталізатора і прискорює реакції гідрокрекінгу. Фтор має подібну дію. Хлор і фтор видаляються на етапі попередньої гідроочищення.

Постійні отрути це забруднювачі, які незворотньо руйнують каталізатор. Вони викликають втрату активності, яка не може бути відновлена ​​навіть регенерацією. При цьому потрібна заміна каталізатора. До них відносяться: миш'як, свинець, мідь, ртуть, залізо, кремній, нікель, хром. Метали уловлюються на каталізаторах попередньої гідроочищення.

Регенерація каталізатора риформінгу включає наступні етапи: випал коксу, оксіхлорірованіе, прогартовує, відновлення і сульфідування (в разі необхідності).

На практиці втрата активності каталізатора відбувається, головним чином, в результаті відкладень коксу на повержності і в порах його носія (матриці). Регенерація каталізатора проводиться шляхом їх випалу в потоці, що містить кисень, при підвищених температурах. Це сприяє міграції і відповідно злиття частинок металу. В результаті цього активність каталізатора повністю не відновлюється. Випал коксу під час регенерації призводить до ще більшого вимивання хлору з каталізатора. Тому потрібно етап його оксіхлорірованія. Він каталізаторів риформінгу здійснюється подачею хлорорганічних з'єднання (дихлоретан).

Прогартовування каталізаторів проводять для досягнення більш рівномірного розподілу хлору на поверхні матриці.

Для перекладу металу каталізатора з оксидної в металеву форму проводять відновлення (циркуляцією водородсодержащего газу при підвищених температурах).

Метою сульфидирования є придушення високої активації свіжого або регенерованого каталізатора в небажані реакції гідрогенолізу. Сульфідування проводять тільки для сучасних каталізаторів ріфомінга з періодичної регенерацією, наприклад RG 582, R-56, R86.

В даний час в світі існує велика кількість промислових каталізаторів риформінгу. Основні фірми виробляють каталізатори риформінгу - ЮОП, ФИН, Крітеріон, Акзо-Нобель і ін. Перші дві з перерахованих вище є найбільш значущими в даний час.

Досить значними виробниками каталізаторів є в останні роки Китай, Японія і Росія.

Технологія синтезу каталізаторів риформінгу постійно розвивається. Їх властивості все більш і більш оптимізуються. Щороку виробляють їх фірми заявляють про освоєння випуску поліпшених промислових зразків. Це не дивно, так як каталізатор є однією з найбільш важливих складових процесу.

Схожі статті