بخشی از مقاله
بررسي کاربرد نانوکاتاليست ها در فرآيند کراکينگ در صنايع پتروشيمي
چکيده :
ابعاد نانو، شرايطي عالي براي علم کاتاليست مهيا کرده است . سطح فعال بالا و گزينش -پذيري عالي در نانوکاتاليست ها باعث افزايش سرعت و بازده واکنش مي شود . کاتاليست بخش کليدي در صنايع شيميايي است بطوريکه در مقادير کم به واکنش اضافه شده و سرعت انجام واکنش را زياد مي کند بدين ترتيب نقش اساسي در توليد محصول ايفا مي کند. اجزاء مهم کاتاليست عبارتند از: پايه ، سايت فعال و بهبود دهنده . ورود نانوکاتاليست ها به عنوان شاخه اي از علم نانو تکنولوژي به بازار جهان توانسته است بخش اعظمي از بازار جهان را به خود اختصاص دهد. نانوکاتاليست ها توانسته اند بسياري از چالش هاي موجود در کاتاليست ها را به وسيله وجود سايت هاي فعال با يک هسته از اتم هاي فلزي، يون هاي فلزي و ايجاد حفره هايي در اطراف سايت ها برطرف نمايند. نانو کاتاليست ها به علت دارا بودن سطح تماس فعال زياد و نيز تعداد سايت هاي فعال فراوان داراي واکنش پذيري بهتري مي باشند. در اين مقاله به کاربرد نانو کاتاليست ها در صنايع پتروشيمي و توليد اوره و آمونياک هيدروژن که از شکستن متان حاصل مي شود که کاتاليست در آن نقش مهمي را ايفا مي کند مي پردازيم .
واژه هاي کليدي : نانو ، کاتاليست ، نانوکاتاليست ، صنايع پتروشيمي ، اوره ، آمونياک هيدروژن .
١- مقدمه :
کاتاليست ، گونه اي است که انرژي فعال سازي واکنش (انرژي اوليه براي انجام واکنش ) را کاهش داده و در نتيجه سرعت واکنش را افزايش مي دهد. فلزات واسطه ي جدول تناوبي عناصر، رايج ترين کاتاليست ها هستند.فناوري نانو، علم تعريف مواد در مقياس هاي اتمي و مولکولي داراي توانمندي هايي است که مي تواند تأثيرات مثبت و چشمگيري داشته باشد بطوريکه با دستکاري اتمي محصولات جديد و تغيير روش ساخت آنها مواد حاصل کوچکتر، محکم تر و سبک تر مي باشد و بر حوزه هاي وسيعي از صنعت و دانش بشري احاطه يافته است . لذا مي توان با کمک از اين پديده ي نو ظهور به نتايج بسيار درخشاني در حوزه ي صنعت نفت که به عنوان راهبردي ترين صنعت فعلي کشور است دست يافت . [٦]
براي وارد شدن به اين حوزه با ديد نانوتکنولوژي نخست بايستي کاربرد هاي اين علم را در صنايع پتروشيمي و نفت بررسي نمود و در ادامه با توجه به راهکارهايي که مي توان از اين تکنولوژي بدست آورد خواهيم توانست بر بحران موجود در حيطه ي انرژي و محيط زيست فائق آييم .
از کاربرد هاي نانوتکنولوژي در صنايع بالا دستي و پايين دستي نفت و گاز مي توان به طور خلاصه به موارد زير اشاره نمود:
اکتشاف : ساخت سنسورهاي ارسال و دريافت لرزه نگاري .
حفاري : کابرد نانو مواد ها جهت ساخت ابزار حفاري مانند: مته هاي با دوام
بهره برداري : کاربرد نانو مواد جهت ساخت اسيد ها در عمليات بهره برداري، نانو موادها جهت ساخت گلوله هاي مشبک کاري، نانو سنسورها جهت ساخت ابزار دقيق مانيتورينگ چاه ها.
مهندسي و مديريت مخازن : ساخت نانو مواد شيميايي جهت ازدياد برداشت از مخازن ، ساخت وسايل دقق آزمايش و نمونه گيري از چاه ها.
استفاده از نانو فيلتراسيون در صنايع پايين دستي : جداسازي ناخالصي ها از روغن هاي موتور و جداسازي نمک هاي موجود در نفت .
استفاده از نانو کاتاليست ها در صنايع پايين دستي : آشکارسازي مسيرهاي واکنش گوگرد زدايي و پاک کردن آب از ضايعات آلي .
ورود نانوکاتاليست ها به عنوان شاخه اي از علم نانوتکنولوژي به بازار جهاني اين ذهنيت را ايجاد کرده است که مي تواند با توجه به پتانسيل و کارايي هايي که در اين مقاله پيرامون آن بحث خواهد شد بخش اعظمي از بازار را در اختيار گيرد. در حال حاضر بازار جهاني نانوکاتاليست ها به ٥ ميليارد دلار در سال ٢٠٠٩ رسيده است . [٣]
بخش وسيعي از مصرف نانو کاتاليست ها در بخش پالايش نفت و پتروشيمي مي باشد.
٢- نانوکاتاليست ها
٢-١- نانوکاتاليست
نانو کاتاليست ها توانسته اند بسياري از مشکلات کاتاليست ها را به وسيله وجود سايت هاي فعال با يک هسته از اتم هاي فلزي، يون هاي فلزي و ايجاد حفره هايي در اطراف سايت هاي فعال که مي توانند موقعيت را به گونه اي تغيير دهند که پيوند دادن واکنش دهنده هاي خاص بر روي سايت هاي فعال تسهيل شود را برطرف نمايد.
نتايج نشان مي دهد که مقياس نانومتري فضاي مناسبي براي انجام فعاليت هاي کاتاليستي بوده و طيف وسيعي از خواص مطلوب کاتاليست با بکارگيري نانو تکنولوژي فراهم مي آيد. بدين صورت که اگر اندازه کريستاليته فلزات نجيب که به طور مناسب بر روي کاتاليست هاي پايه دار پخش شده اند يا اندازه خوشه هاي جذب شده روي سايت هاي هم شکل يک پايه ، اندازه حفرات يا کانال ها در مقياس نانو متري باشند، کاتاليست بسيار فعال تري خواهيم داشت .
همچنين نانوکاتاليست ها به علت دارا بودن سطح فعال زياد و نيز تعداد سايت هاي فعال فراوان داراي واکنش پذيري بهتري هستند و در تماس با آب نيز افزايش فعاليت را از خود نشان مي دهند در صورتيکه آب به عنوان يک بازدارنده واکنش هاي کاتاليستي شناخته مي گردد. [٥]
٢-٢- قابليت هاي نانو فناوري در کاتاليست
توليد بسياري ار محصولات در طي فرآيند هاي شيميايي صورت مي گيرد. در اين ميان کاتاليست ها از اهميت زيادي برخوردار هستند چون به علت خواص ويژه سطحي و با عوض کردن مسير واکنش شيميايي بر روي سرعت واکنش تاثير مي گذارند. کاتاليست ها نسبت به مواد اوليه ، داراي وزن کمي هستند ولي قلب بسياري از واکنش ها محسوب مي شوند و حتي از فرآيند هاي شيميايي بدون آن اقتصادي نيست .
کاتاليست ها موادي هستند که معممولا هر چه از نظر ابعادي کوچکتر شوند، مشخصات فني آنها در انجام واکنش ها بهبود مي يابد. با ورود نانوتکنولوژي به صنعت توليد کاتاليست ها، نانو کاتاليست ها پا به عرصه وجود گذاشتند.
اين کاتاليست هاي پيشرفته در اکثر موارد، خواص چشمگيري از خود نشان داده اند و پاره اي از آنان به فرآيند هاي صنعتي راه يافته اند. در ميان زمينه هاي مختلف نانو مواد، نانوکاتاليست ها از موادي هستند که به خاطر ماهيت آنها افزايش هر چه بيشتر سطح تماس مي باشد، مرتباٌ توسعه مي يابند به طوري که پيش بيني مي شود که نسل آينده کاتاليست ها، نانوکاتاليست ها باشند و در تمام فرآيندهاي شيميايي وارد شوند. [٧]
٢-٣- تاثير نانوفناوري بر کاتاليست ها
. اصلاح ساختار الکتروني در کاتاليست
. بوجود آوردن مد هاي جديد در انجام واکنش
. تغيير در خواص جريان يابي فاز مايع
. کنترل ميزان فعاليت ، قابليت انتخاب و عمر کاتاليست ها
پيشرفت هاي اين بخش مي تواند نهايتاٌ منجر به :
١- اصول اوليه طراحي کاتاليست ها براي واکنش هاي خاص شيميايي .
٢- طراحي مکان هاي کاتاليستي "خود به خود تشکيل شونده " در شکل بندي هاي از پيش تعيين شده دو يا سه بعدي، به منظور انجام واکنش هاي کاتاليستي جديد.
تلاش هاي اخير بر روي ايجاد ارتباط بين زمينه هاي مختلف کاتاليست ها، از بيو کاتاليست ها تا فرايند هاي همگن و ناهمگن متمرکز شده است . [٧]
٢-٤- انواع نانو مواد کاتاليستي
مي توان نانو مواد کاتاليستي را از نظر نوع به دسته هاي زير تقسيم کرد : [٧]
. نانو لوله هاي کربني
. نانو ذرات و نانو خوشه هاي تک فلزي و اکسيدي
. نانوذرات و نانو خوشه هاي دو فلزي
. نانو سيم ها
. نانو کامپوزيت ها
٢-٥- کاربرد نانو کاتاليست ها در فرايند هاي پالايش
تصفيه کاتاليستي
آشکارسازي مسير هاي واکنش گوگرد زدايي به کمک هيدروژن توسط ميکروسکوپ تونلي مطالعه درجاي راديو ايزوتوپ نواحي فعال کاتاليست هاي سولفيد موليبدن -کبالت و مکانيزم گوگردزدايي با هيدروژن تيوفن کاتاليست سولفيد موليبدن -نيکل (Ni-Mo) با پايه زئوليتي جديد (USY) براي کاربرد در محيط زيست کاتاليست هاي دي اکسيد تيتانيوم نانو کريستالي براي پاک کردن آب از ضايعات آلي تبديل کاتاليستي طراحي يک کاتاليست آلياژي سطحي نيکل - آهن براي رفرمينگ بخار رفرمينگ دي اکسيد کربن توسط کاتاليست هاي دو فلزي پايه دار هيدروکراکينگ آماده سازي و کاتاليستي کردن نانو ذرات دو فلزي ساختار وارونه هسته - پوسته پالاديم طلا کاتاليست هاي نيکل ، موليبدن بر روي پايه نيوبيا [٧]
٢-٦- کاربرد نانو کاتاليست ها در پتروشيمي
کاهش آلايندگي حاصل از سوخت هاي ديزلي با کمک نانو کاتاليست ها ي ارزان :
نوعي از نانو ذرات نقره که اثر زيادي بر کنترل آلاينده هاي حاصل از سوخت هاي ديزلي دارند، محققان روشي ارزان براي سنتز نانو ذرات نقره توسعه داده اند. اين مواد ويژگي هاي بي نظير کاتاليستي دارند و مي توانند به طور کامل مونو اکسيد نيتروژن ، مونواکسيد کربن و هيدروژن ها را اکسيد کنند. اين نانو ذرات باعث کاهش آلودگي آلاينده هاي موتور هاي ديزلي مي شوند.
محققان همچنين کشف کرده اند که اين نانو ذرات در دما هاي پايين جاذب بسيار عالي براي اکسيدهاي گوگرد مي باشند. بر خلاف بيشتر کاتاليست هاي اکسيدي که توسط اکسيد هاي گوگرد مسموم مي شوند اين نانو ذرات حتي با جذب مقادير اکسيدهاي گوگرد فعاليت کاتاليستي خود را حفظ مي کنند. [٧] [٨]
حذف سولفور از سوختهاي فسيلي توسط نانوکاتاليست هاي خوشه اي :
دانشمندان دانمارکي به شيوه اي دست يافته اند که مي تواند فرايندهاي تجاري مورد استفاده در حذف سولفور از سوخت هاي فسيلي را بهبود دهد. در حال حاضر اين کار توسط کاتاليستي انجام مي شود که مولکول هاي زيان آور سولفور به آن مي چسبند. [٧] [٨]
تبديل نفت خام سنگين به سبک با استفاده از فرايند هيدروکانورژن :
به گفته مهندس سيد جواد احمد پناه – مسئول پروژه هيدروکانورژن هاي پژوهشگاه صنعت نفت – پژوهشگاه صنعت نفت موفق به ثبت بين المللي فرايند صنعتي هيدروکانورژن شده است اين فرايند ترکيبي از هيدروژناسيون و کراکينگ کاتاليستي است که به منظور تبديل ته مانده هاي سنگين نفت خام به ترکيبات سبک تر مورد استفاده قرار مي گيرد.
هيدروکانورژن فرايند شکست کاتاليستي در حضور نانوکاتاليزور و هيدروژن است که از درصد تبديل بالاي (حدود ٩٥ درصد) برخوردار است و چون در فشار عملياتي پايين ، انجام مي گيرد.
تمامي فلزات سنگين را حذف و گوگرد را به حداقل مي رساند به اين ترتيب نفت سنگين که از درجه API پاييني برخوردار است به نفت سبک که به API بالا تبديل مي شود. اين فرايند که نخستين فرايند نانوتکنولوژي در نوع خود است که هم اکنون در مرحله افزايش مقياس به واحد صنعتي است داراي مزاياي فني زير است :
١- تشکيل نشدن کک و حذف تمامي فلزات سنگين
٢- کاهش حداقل ٦٠ درصد از گوگرد
٣- قابليت بازيابي کاتاليست تا ٩٥ درصد
٤- نبود واکنش هاي پليمريزاسيون
٥- سادگي عمليات نسبت به روش هاي مشابه
٦- انعطاف پذيري بالا نسبت به شدت جريان و ترکيبات فلزات و گوگرد
٧- توليد بخار مورد نياز واحد از بخش بازيابي کاتاليست
٨- ضريب بالا بازدهي سرمايه و هزينه پايين کاتاليست
٩- اين فرايند از نظر زيست محيطي در مقايسه با فرايندهاي مشابه که کاتاليست هاي دور ريز آنها حاوي فلزات سنگين هستند، يک فرايند پاک محسوب مي شود. [٧] [٨]
٢-٧- کاربرد هاي ديگر نانوکاتاليست ها در فرايندهاي مختلف
تحقيقات آزمايشگاهي وسيعي در مورد فرايندهاي مختلف شيميايي انجام شده است . از ميان اين تحقيقات ، نانو کاتاليست هاي مربوط به فرايندهاي پالايش نفت ، فرايندهاي پتروشيمي و واکنش هاي مختلف پليمريزاسيون ، بيشتر مورد توجه تحقيقات صنعتي هستند. همچنين در بعضي واکنش هاي حساس مورد استفاده در صنايع داروسازي نيز تحقيقات وسيعي در جريان است . در اين تحقيقات علاوه بر فعاليت بالاي نانوکاتاليست ، انتخاب گري بالاي آن نيز از اهميت اساسي برخوردار مي باشد.
