بخشی از مقاله
چکیده
هدف از این مقاله ، استفاده از جاذبهای غربال مولکولی - مولکولارسیو - نوع 13X در صنعت نفت و گاز می باشد. مولکولارسیو 13Xمصرفی درکشور اغلب از محصولات شرکت زئوخم آلمان بوده و متاسفانه تولید داخلی در کشور وجود ندارد. مولکولارسیو13X که از خانوادهای رئولیت ها میباشد، برای جذب مرکاپتانها - RSH - از خوراک گازی و پیش از ارسال گاز به خط لوله سراسری، استفاده میشود. پالایشگاههای گازی پس از فرایندهای شیرین سازی و نمزدایی، با مشکل وجود مرکاپتانها در گاز مواجه اند. امروزه دو فرایند جداسازی توسط محلول کاستیک - NaOH - و دیگری جذب سطحی توسط مولکولارسیو جاذب برای جداسازی مرکاپتانها از خوراک گاز مورد استفاده قرار میگیرند.
درفرایند جذب مولکولارسیو، ترکیبات مرکاپتان براساس اندازه و قطبیت آنها درون حفرههای جاذب قرار گرفته و در طول فرایند جذب، گاز عاری از مرکاپتان از بسترهای جاذب - راکتور - خارج و پس از مدت مشخصی، بستر دیگری در سرویس قرار داده میشود. بستر اولیه در حالت احیاء قرار گرفته و ترکیبات به دام افتاده، توسط گاز گرم احیاء شده و از مولکولارسیوها جدا میشوند. سادگی فرایند، عدم پیچیدگی دستگاهها و تجهیزات، مصرف انرژی کمتر و عدم تولید محصولات جانبی سمی و مخرب، از مزایای اصلی و مهم فرایند جذب مرکاپتان توسط مولکولارسیو، نسبت به فرایند جذب با کاستیک میباشند.
واژگان کلیدی: مولکولارسیو13X ، غربال مولکولی ، زئولیت ، مرکاپتان - RSH - ، کاستیک - - NaOH
مقدمه
امروزه پالایش، خالص سازی، نمزدایی و خشک کردن گازها و یا تجزیه و تولید یک گاز معین، توسط مولکولارسیوهای زئولیتی با بازده جذب فراوان صورت می گیرد. مولکولارسیو 13X جاذب مرکاپتان از خانواده مولکولارسیوهای زئولیتی می باشد. در فرایند جذب توسط کاستیک، مولکول های مرکاپتان جذب کاستیک شده و از گاز جدا می شوند، سپس کاستیک غنی شده توسط مرکاپتان، برای استفاده مجدد به واحد احیاء ارسال می شود. در فرایند احیاء کاستیک، محصول جانبی بسیار سمی بنام نیز تولید میشود. زئولیت ها، آلومینوسیلیکات های آبدار کریستالی ریز حفره ای می باشند که بطور بی نهایت از گسترش شبکه سه بعدی[SiO4] و[AlO4] که بصورت چهار ضلعی توسط اتم های اکسیژن مشترک، به یکدیگر متصل شده اند، ساخته می شود. نوعXوA دو نوع از زئولیت های بسیار مهم تجاری می باشند.
واحدهای ساختمانی پایه زئولیت ها چهار وجهی هایی هستند که در مرکز آنها یک اتم سیلیسیم یا آلومینیوم - که اغلب بصورت اتم T نشان داده می شود - قرار گرفته که به چهار اتم اکسیژن - در رأس های چهار وجهی - متصل می شود. هر اتم اکسیژن نیز به نوبه خود به دو اتم T متصل می شود . اتصال تعدادی از این چهار وجهی ها به هم از طریق پیوندهایT-O-T منجر به ساختارهای بلوری زئولیتی معمولی می شود . اتصال چهار تا چهار ضلعی برای تشکیل یک چهار ضلعی سه بعدی - با توجه به اتم های T که در رأس آن قرار گرفته اند - و اتصال شش چهار وجهی برای تشکیل یک شش ضلعی سه بعدی است.
واحد ساختمانی پایه زئولیت ها، قفس سودالیت - - Sodalite Cage که از ترکیب مربع ها و شش ضلعی ها تشکیل می شود - تصویر 1 شکل الف - . اتم های اکسیژن باعث اتصال قفس های سودالیت به یکدیگر می شوند. نحوه اتصال قفس های سودالیت به هم باعث تشکیل سه نوع ساختار معمولی زئولیتی - A,X,Y که ساختار پایهX,Yمشابه است - می شوند. اگر اتصال قفسهای سودالیت از طریق وجوه مربعی باشد،زئولیت نوعAو اگر از طریق وجوه شش ضلعی باشد، زئولیت نوعY و Xرا تشکیل می دهند - تصویر 1 شکل ب - .
دهانه حفره - - Aperture زئولیت ها از حلقه های متشکل از10،8،6و12 اتمی اکسیژن و برابر با آنها اتمهای T که همانآلومینا یا سیلیکات می باشد تشکیل شده اند. زئولیت نوعA هشت تا و در زئولیت نوعY و X دوازده تا را نشان می دهد. دهانه های حفره ها در سراسر ساختار یک زئولیت خاص مشابه هستند در نتیجه کانالهای منظمی که از این دهانه ها میگذرند باعث اتصال فضاهای خالی بزرگتر موسوم به ابر قفس به یکدیگر می شوند - شکل شماره -1 ج -
اساس فرایند غربالگری مولکولارسیو ها، تشکیل حفره ها با اندازه دهانههای مختلف و انتخابگری مولکول ها با توجه به اندازه و قطبیت مولکول ها در گاز می باشد. زئولیت نوعA خود به سه نوع اصلی 3A, 4A, 5A با کاربردهای متفاوت، تقسیم بندی می شوند. تشکیل هر کداماز این گروه ها بر اساس میزان و نوع یون مبادله شده و جابجا شده با سدیم موجود در ترکیب زئولیت می باشد. تشکیل زئولیت نوع A معمولی ، دهانه حفره ای حدود 4.2A دارد که همان زئولیت نوع4A می باشد. اگر سدیم با مقدار زیادی یون پتاسیم جابجایی و تبادل یونی انجام دهد، زئولیت نوع3A با دهانه حفره حدود 3 آنگستروم تشکیل می شود. اگر سدیم با مقدار زیادی یون کلسیم جابجایی و تبادل یونی انجام دهد، زئولیت نوع 5A با دهانه حفره 5 آنگستروم تشکیل می شود.
زئولیت نوعX با چهار چوب بار منفی - محتوی مقدار زیادی آلومینیوم - توسط تعداد مناسبی کاتیون ها و فعل و انفعالاتالکترواستاتیکی موازنه می شود. این مسئله به جذب مواد یا مولکول های دو قطبی - مانند - 622' +26' 1+3' +22'… یا چهارتایی - مانند CO2, CO, N2, - … کمک می کند. بنابراین اگر دو مولکول قابلیت ورود به یک زئولیت را داشته باشند، زئولیت بطور ترجیحی یکی از آنها را انتخاب می کند. این انتخاب بر مبنای برخی از فعل و انفعالات زئولیت، مانند قطبیت، که هر چه درجه قطبیت مولکول قویتر باشد، ترجیحأ انتخاب می شود.
کریستال های زئولیتی بسیار خالص، که در فرایندهای جذب مورد استفاده قرار می گیرند، باید طوری شکل گیری و متراکم شوند که استحکام فیزیکی و مقاومت سایشی زیادی را بدست آورند. پودرهای کریستالی از طریق افزودن مواد مخصوص - - Binder غیرآلی - معدنی - مانند خاک و گل و تشکیل یک مخلوط مرطوب بصورت توده و متراکم شده در می آیند. سپس ترکیب گل و زئولیت، به شکل استوانه ای و یا کروی - گرانول - قالب گیری می شود. فرایند انباشتگی یا تراکم - Agglomeration - فرایند ساخت ذرات بزرگ از ذرات کوچکتر را گویند. وقتی که ذرات ریز در حالت مرطوب بصورت متلاطم و در تماس بسیار نزدیک به هم قرار گیرند، نیروهای پیوستگی آنها باعث نگهداری همدیگر و پیوستن به هم می شوند، که یک انباشتگی - - Agglomerate را تشکیل می دهند.
انواع مولکولارسیو های زئولیتی و ساختار کریستالی
فرمول پایه ای مولکولارسیو های زئولیتیaM2/nO. Al2O3. nSiO2. bH2O است که در این فرمولM یک کاتیون می باشد. ساختار بنیادی کریستالی مولکولارسیو ها چهار ضلعی با آنیون چهار اکسیژن که کاتیون های کوچکتر سیلیکون یا آلومینیوم را احاطه نموده اند. یون های سدیم یا دیگر کاتیون ها باعث جبران کمبود بار مثبت در چهار ضلعی آلومینا می شود و هر آنیون چهار اکسیژنی با چهار وجهی آلومینا یا سیلیکا به اشتراک گذاشته می شود که این اشتراک در سهبُعد برای گسترش شبکه کریستالی انجام می گیرد و باعث ایجاد یک شبکه کریستالی بزرگ می شود. یون های سدیم در همه انواع مولکولارسیو ها، می توانند برای تشکیل محصولات کاربردی دیگر با کاتیون های دیگر مبادله شوند. ساختار کریستالی مولکولارسیو های زئولیتی مانند شانه عسل - شش ضلعی - با حفره هایی به اندازه و بزرگی مناسب تشکیل شده است. هر حفره توسط روزنه ها و تخلخل هایی به هم وصل شده اند. این حفره ها محتوی آب حاصل از جسم آبدار می باشد. آب موجود قبل از استفاده از محصول توسط حرارت دادن از حفره های محصول خارج می شود.
گونه های مختلف زئولیت های تجاری
بطور کلی زئولیت ها به سه گروه اصلی تقسیم می شوند: نوع A ، نوع X و نوع Y که X و Y تقریبأ مشابه می باشند. نوع A به گروهای 3A ،4A و 5A تقسیم می شوند. معروفترین نوع X ها نوع 13X می باشد. مشخصات انواع مولکولارسیو ها در جدول شماره 1 آمده است:
