نقش استیل در واحد ایزومریزاسیون

مقدمه

تولید هیدروکربن سبک (C4-C7) در پالایشگاه‌ها، کارخانه‌های پتروشیمی و کارخانه‌های فرآوری گاز همچنان در کاربردهای تجاری رو به افزایش است، زیرا تقاضای جهانی برای بنزین و پتروشیمی‌ها در دهه گذشته رشد قابل توجهی را تجربه کرده است. با پیشرفت علم مواد و متالورژی و تولید انواع ورق استیل ضد اسید نظیر ورق استیل 316، طراحی و ساخت تجهیزات مورد استفاده در واحدهای ایزومریزاسیون رشد چشمگیری را نشان می دهد. مقررات سختگیرانه فزاینده ای در اکثر مناطق جهان وضع شده که باعث افزایش تقاضا برای سوخت های پاک و در نتیجه، تولید بنزین با درصد بیشتری از فرآیندهای ایزومریزاسیون C5-C6 می شود. این مقررات شامل بسیاری از ابتکارات سوخت پاک، از جمله حذف تدریجی سرب، به حداقل رساندن محتوای بنزن، آروماتیک و الفین، و افزودن اکسیژن به بنزین است. هرچند راه اندازی واحد پلمریزاسیون نیاز به صرف هزینه اولیه بالایی دارد، ولی تناسب بهینه قیمت ورق استیل 316 و کیفیت بالای آن موجب گردیده است تا هزینه نگهداری واحدها به حداقل ممکن رسیده و در نتیجه عملیات ایزومریزاسیون را مقرون به صرفه نماید.

اهمیت ایزومریزاسیون

ایزومریزاسیون نفتای سبک نقش کلیدی در برآوردن تقاضای اکتان در استخر بنزین برای سوخت های پاک و گریدهای بنزین درجه یک دارد. مواد اولیه نفتای کم اکتان بسته به پیکربندی فرآیند، نوع کاتالیزور و شرایط عملیاتی به ایزومریت با عدد اکتان بین 80 تا 93 تبدیل می‌شوند. ایزومریزاسیون شامل ایزومریزاسیون اسکلتی یک پارافین به پارافین بسیار شاخه دار با همان عدد کربن است. معمولاً فرآیند ایزومریزاسیون، فرآیندی توام با انواع فرآیندهای شیمیایی است که می تواند تجهیزات آن واحد را دستخوش آسیب نماید. برای کاهش اثر تخریبی این واکنش ها، استفاده از مواد مقاومی نظیر انواع ورق استیل ضد اسید (ورق استیل 316) و مشکلات این واحد را حل می نماید. لذا طراحان این واحدها، مساله قیمت ورق استیل 316 را در درجه آخر اهمیت قرار می دهند و تمرکزخود را بر کیفیت این آلیاژ معطوف می دارند.

واحد ایزومریزاسیون

پارافین های با شاخه های زیاد اعداد اکتان بالاتری دارند. با این حال، به دلیل ماهیت خود ایزومریزاسیون ممکن است برخی از اجزای نفتن را نیز تحت تأثیر قرار دهد و همچنین باعث اشباع آروماتیک ها شود. بر اساس شیمی آن، فرآیند ایزومریزاسیون یکی از اقتصادی ترین ابزارهای موجود برای کاهش محتوای بنزن در بنزین است. چندین فناوری ایزومریزاسیون به صورت تجاری در واحدهای مختلف جهان در حال استفاده هستند که همه آنها مجوزهای مختلف را کسب نموده اند. اینها واحدهای فرآیند بستر ثابت هستند که از کاتالیزورهای با فعالیت بالا استفاده می کنند. شرایط واکنش باعث افزایش ایزومریزاسیون و به حداقل رساندن هیدروکراکینگ می شود. اولین فرآیند ایزومریزاسیون تجاری به دهه 1930 برای ایزومریزاسیون بوتان معمولی به ایزوبوتان بر می گردد. ایزومریزاسیون پارافین های C5-C6 برای ترکیب سوخت موتور در اواخر دهه 1950 معرفی شد. شرکتUOP  فرآیند Butamer™ را برای ایزومریزاسیون -nبوتان به ایزوبوتان توسعه داد که معمولاً به عنوان ماده اولیه برای تولید آلکیلات سوخت موتور استفاده می شود. ایزوبوتان تولید شده از ایزومریزاسیون همچنین می تواند از طریق هیدروژن زدایی کاتالیزوری با استفاده از فرآیندی مانند فرآیند UOP Oleflex به ایزوبوتیلن تبدیل شود. ایزوبوتیلن برای تولید اجزای مخلوط بنزین مانند MTBE و ETBE و برای ساخت مواد پتروشیمی مانند لاستیک استفاده می شود.

تاریخچه

در دهه 1930، ولادیمیر ایپاتیف و تیمش از کمپانیUOP  کشف کردند که می‌توانند مولکول‌های بوتان معمولی در بنزین را با استفاده از یک کاتالیزور کلرید آلومینیوم با کلرید هیدروژن به عنوان یک کوکاتالیزور، به ایزوبوتان تبدیل کنند. در حالی که در آن زمان از نظر علمی جالب بود، پالایشگاه ها به دلیل نوسانات زیاد، ایزوبوتان را در بنزین خود نمی خواستند. اما قبل از پایان دهه، سوخت هوانوردی با اکتان بالا از فرآیندهای آلکیلاسیون و ایزومریزاسیون تولید می شد و به عامل مهمی در تلاش جنگ در طول جنگ جهانی دوم تبدیل شد. فرآیند UOP Butamer™  فرآیند غالبی بود که در آن زمان مانند امروز برای ایزومریزاسیون -nبوتان استفاده می شد. متعاقباً از آلکیلاسیون HF برای تولید سوخت موتور با اکتان بالاتر برای اتومبیل ها با ترکیب ایزوبوتان با ایزوبوتیلن برای تشکیل مولکول های ایزواکتان بسیار شاخه دار با هشت اتم کربن استفاده شد. این بنزین دارای عدد اکتان بالا بود و در موتورهای احتراقی به طور تمیز می سوخت. تقاضا برای سوخت های با اکتان بالا برای استفاده در خودرو در اواخر دهه 1950 و 1960 به عنوان بخشی از توسعه اقتصادی پس از جنگ افزایش یافت. مشخص شد که بخش نفتای مستقیم نفت خام سبک ، که عمدتاً از پنتان ها و هگزان ها تشکیل شده است، بر کیفیت بنزین تأثیر منفی می گذارد. کاتالیزوری مشابه آنچه در فرآیند بوتامر استفاده شد توسط دانشمندان UOP  برای نفتای غنی از پنتان و هگزان استفاده شد و دریافتند که اکتان را بین 12 تا 20 عدد افزایش می دهد. این فرآیند UOP، به نام فرآیند Penex™، به زودی تقریباً در تمام پالایشگاه ها مورد استفاده قرار گرفت. در طول نیم قرن گذشته، هم در طرح جریان و هم در کاتالیزورهای مورد استفاده در فرآیندهای ایزومریزاسیون نفتا، تحولاتی صورت گرفته است. بهبود طرح جریان شامل استفاده از یک حلقه بازیافت برای گردش هیدروکربن های واکنش نداده خارج شده از راکتور به ورودی راکتور و استفاده از شکنش کننده ها مانند deisopentanizers (DIP)  و deisohexanizers (DIH) می باشد.

سیدرحیم کیاحسینی