کاتالیست ماده ای میباشد که در یک واکنش شیمیایی حضور دارد اما در انتهای واکنش بدون اینکه مصرف شود، باقی میماند. به عبارتی میتوان گفت کاتالیست با ایجاد مسیر مولکولی دیگر (مکانیسم) برای واکنش،سرعت واکنش را تغییر داده و بهبود میبخشد.کاتالیست های صنعتی تجاری، اهمیت بسیارزیادی دارند. معمولاً درباره ی کاتالیست، افزایش سرعت واکنش در ذهن ما تداعی می شود. با این وجود که کاتالیست میتواند سرعت تشکیل یک نوع محصول مشخص، را زیاد یا کند نماید.در این بخش به
انواع کاتالیست
۱.کاتالیست هموژن (همگن)
کاتالیست هموژن فرایندی است که در آن کاتالیست دست کم با یکی از واکنش دهنده ها به صورت محلول باشد. یک مثال از کاتالیز همگن فرایند اکسو (Oxo) برای تولید ایزو بوتیل آلدهید نرمال است واکنش دهنده های این واکنش ،پروپیلن مونوکسید کربن و هیدروژن هستند و کاتالیست این واکنش کمپلکسی از کبالت در فاز مایع است.
۲.کاتالیست هتروژن(ناهمگن)
یک فرایند کاتالیستی هنگامی هتروژن است که کاتالیزور در فازی متفاوت از واکنش دهنده ها قرار دارد. حداقل یکی از واکنش دهنده ها در یک فرآیند فیزیکی به نام جذب سطحی با سطح جامد کاتالیست برهم کنش می دهد به گونه ای که یک پیوند شیمیایی در واکنش دهنده ضعیف شده و سپس می شکند. سموم کاتالیستی،موادی هستند که به طور برگشت ناپذیری به کاتالیست متصل میگردد و از جذب واکنش دهنده ها جلوگیری می کنند و در نتیجه کارایی کاتالیست را کاهش می دهند یا از بین می برند. کاتالیست‌های هتروژن، که با موادی هستند که واکنش‌های مربوط به هیدروژن مانند هیدروژناسیون، دهیدروژناسیون، هیدروکراکینگ، و هیدروفرمینگ را شتاب می‌دهند. این نوع کاتالیست‌ها در بسیاری از فرآیندهای صنعتی و پژوهش‌های علمی از اهمیت بالایی برخوردارند، زیرا امکان اجرای واکنش‌ها را با کارآیی بالاتر و در شرایط ملایم‌تر فراهم می‌آورند.
کاتالیست‌های هتروژنی می‌توانند متنوع باشند و از دسته‌های مختلفی از مواد تشکیل شده‌اند:
۲.۱.کاتالیست‌های فلزی هتروژن:
مانند نیکل، پالادیوم، پلاتین و رودیوم که در واکنش‌های هیدروژناسیون و دهیدروژناسیون به کار می‌روند.
۲.۲.کاتالیست‌های فلزی-اکسیدی:
که در برگیرنده ترکیباتی از فلزات با اکسیژن هستند و در فرآیندهایی مانند هیدروکراکینگ و هیدروفرمینگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
کاتالیست‌های هتروژنی باید دارای ویژگی‌هایی از جمله پایداری شیمیایی، فعالیت بالا، انتخاب‌پذیری ویژه، و مقاومت در برابر مسمومیت کاتالیزوری باشند. علاوه بر این، توانایی احیاسازی و طول عمر طولانی از دیگر ویژگی‌های کلیدی کاتالیست‌های موثر است.
کاتالیست هتروژن در گوگردزدایی
در فرایندهای صنعتی، یکی از مسائل مهم و ضروری کاهش میزان گوگرد در محصولات نفتی است. این کاهش علاوه بر بهبود کیفیت سوخت‌ها، به کاهش آلاینده‌های زیست‌محیطی کمک می‌کند. کاتالیست‌های هتروژنی در فرایندهای گوگردزدایی، مانند فرایند گوگردزدایی هیدروژنی (Hydrodesulfurization – HDS) و گوگردزدایی اکسیداتیو(oxidative desulfurization – ODS) نقش بسزایی ایفا میکنند. این طراحی موجب گردیده تا مقادیر گوگرد موجود در ترکیبات نفتی و گاز طبیعی را کاهش دهد.
اصول اساسی فرآیند گوگردزدایی به روشODS
در فرآیند ODS، ترکیبات حاوی گوگرد با مواد اکسیدکننده واکنش داده تا به ترکیبات قابل حل یا حذف در آب یا دیگر حلال‌ها تبدیل گردد. این فرآیند میتواند هم در دما و فشار معمولی اتاق و هم در شرایط واکنش‌های دما بالا انجام شود. مهم‌ترین مزیت روش ODS در مقایسه با فرآیندهای سنتی گوگردزدایی، مانند فرآیند هیدروژنه (HDS)، توانایی آن در حذف ترکیبات گوگردی مقاوم‌تر و سخت‌تر است.
مراحل فرآیند
۱. اکسیداسیون گوگرد:
ابتدا، ترکیبات گوگردی موجود در نفت خام یا سوخت‌های فسیلی با استفاده از اکسیدکننده‌های قوی مانند پراکسید هیدروژن (H2O2) و کاتالیزورهایی مانند اسیدهای تنگستن یا مولیبدن اکسید شده و به ترکیباتی حلال در حلال‌ها یا قابل استخراج تبدیل می‌شوند.
۲. استخراج:
ترکیبات گوگردی اکسید شده سپس با استفاده از فرآیندهای استخراجی مانند استخراج با حلال یا فرآیندهای جداسازی غشایی از فاز سوخت جدا می‌شوند.
۳. پالایش:
پس از استخراج، ممکن است نیاز به مراحل پالایشی بیشتر باشد تا گوگرد به طور کامل حذف و یک سوخت با کیفیت و دوستدار محیط زیست به دست آید.
اصول اساسی فرآیند گوگردزدایی به روش HDS
فرآیند HDS تحت حضور هیدروژن و کاتالیست انجام می‌گیرد. در این فرآیند، هیدروژن با ترکیبات گوگردی واکنش داده و گوگرد را به هیدروژن سولفید (H2S) تبدیل می‌کند، که سپس میتوان آن را از محصول جدا کرد.
مراحل فرایند:
۱. آماده‌سازی فید (Feed Preparation):
در این مرحله، آماده میگردند.
۱.هیدروژن دهی( Hydrogenation):
در این مرحله نفت خام یا فرآورده‌های نفتی که شامل ترکیبات گوگردی هستند، باید به دمای مناسب برای واکنش‌دهی در واحد HDS برسد پس به نفت حرارت داده و با گاز هیدروژن تحت فشار بالا مخلوط و وارد مرحله واکنش‌دهی شود.
۳. واکنش‌دهی (Reaction):
– واردکردن به راکتور HDS: مخلوط نفت و هیدروژن تحت شرایط کنترل‌شده از نظر دما و فشار وارد راکتور HDS میشود.
– گوگردزدایی: در این مرحله ترکیبات گوگردی موجود در فرآورده‌های نفتی، با هیدروژن واکنش داده و به گوگرد آلی و گاز هیدروژن سولفید (H2S) تبدیل میگردد.
۴. جداسازی و تصفیه (Separation and Purification):
– جداسازی H2S: گاز H2S که در فرآیند واکنش تولید میشود، باید از هیدروکربن‌های پاک‌شده جدا شود. این کار اغلب با استفاده از روش‌های جذبی مانند استفاده از آمین‌ها انجام می‌پذیرد.
– بازیافت هیدروژن: هیدروژن باقیمانده پس از فرایند HDS میتواند برای استفاده مجدد در فرآیند خالص‌سازی مورد استفاده قرار بگیرد.
انواع کاتالیست‌های هتروژن در گوگردزدایی:
کاتالیست‌های مورد استفاده در فرآیندهای HDS , ODSمعمولاً بر پایه فلزاتی مانند مولیبدن (Mo), کبالت (Co), نیکل (Ni) و ولفرام (W) هستند. این فلزات بر روی حامل‌هایی مانند آلومینا (Al2O3) پراکنده میگردد تا سطح واکنشی بالایی داشته باشند.
کاتالیست‌های مبتنی بر مولیبدن و کبالت (CoMo):
این کاتالیست‌ها برای حذف گوگرد از نفت خام و فرآورده‌های سنگین نفتی استفاده می‌شوند.
کاتالیست‌های مبتنی بر مولیبدن و نیکل (NiMo):
این کاتالیست‌ها را اغلب در تصفیه نفت خام و فرآورده‌های نیمه‌سنگین استفاده میکنند.
کاتالیست‌های مبتنی بر تانگستن (W):
گاهی اوقات در شرایط خاص، از ترکیبات تانگستن استفاده میشود تا کارایی گوگردزدایی افزایش یابد.
نقش کاتالیست‌های هتروژنی در گوگردزدایی
کاتالیست‌های هیدروژناسیون در فرایندهای گوگردزدایی نقش‌های کلیدی ایفا میکنند که به شرح زیر است:
افزایش سرعت واکنش:
کاتالیست‌ها سرعت واکنش هیدروژناسیون ترکیبات گوگردی را افزایش می‌دهند بدون اینکه خود در فرایند تغییری بکنند یا مصرف شوند.
کاهش دما و فشار لازم:
استفاده از کاتالیست‌ها اجازه می‌دهد تا فرایند در دما و فشارهای نسبتاً پایین‌تری نسبت به فرایندهای بدون کاتالیست انجام پذیرد، این امر باعث صرفه‌جویی در انرژی و هزینه‌ها میشود.
افزایش بازدهی پالایش:
کاتالیست‌ها امکان پالایش سوخت‌هایی با محتوای گوگرد بالا را فراهم می‌آورند، به این طریق امکان استفاده از منابع نفتی سنگین‌تر و کم‌کیفیت‌تر وجود دارد.
انعطاف‌پذیری فرایندی:
با استفاده از کاتالیست هتروژن میتوان فرایند HDS را برای حذف انواع مختلف ترکیبات گوگردی از سوخت‌های مختلف بهینه کرد.
با این وجود، استفاده از کاتالیست هتروژن در گوگردزدایی چالش‌هایی هم دارد. مهم‌ترین این چالش‌ها کاهش فعالیت کاتالیست در طول زمان به علت مسمومیت یا گرفتگی سطح کاتالیست است. این مسئله میتواند با انتخاب دقیق مواد کاتالیست و برنامه‌ریزی دوره‌های بازیابی و تعویض کاتالیست به حداقل رسد.
بهبود و توسعه کاتالیست‌های جدید که می‌توانند با راندمان بالاتر و در شرایط سخت‌تر عمل کنند، از جمله تحت فشار و دمای بالا و در حضور ترکیبات گوگردی دشوارتر، همچنان یک موضوع تحقیقاتی فعال است. این تلاش‌ها به منظور پاسخگویی به مقررات سختگیرانه‌تر زیست‌محیطی و نیازهای صنعتی در آینده صورت می‌گیرد.
