Кіріспе
Табиғи газ және мұнайды тазартуда күкіртті жоюға арналған химиялық процесс. Гидродесульфуризация (ГДС), сондай-ақ гидроөңдеу немесе гидротазалау деп те аталады, бұл табиғи газ бен бензин, реактивтік отын, керосин, дизель отыны және отын майлары сияқты тазартылған мұнай өнімдерінен күкіртті (S) жою үшін қолданылатын катализдік химиялық процесс. Күкіртті жоюдың және ультра төмен күкіртті дизель сияқты өнімдерді жасаудың мақсаты – автомобильдерде, ұшақтарда, теміржол локомотивтерінде, кемелерде, газ немесе мұнаймен жұмыс істейтін электр станцияларында, тұрғын және өнеркәсіптік пештерде, сондай-ақ отынның басқа да жану түрлерінде пайдаланудан туындайтын күкірт диоксидінің (SO2) шығарындыларын азайту. Мұнай өңдеу зауытындағы нафта ағындарынан күкіртті жоюдың тағы бір маңызды себебі – күкірт, тіпті өте төмен концентрацияда болса да, кейіннен нафта ағындарының октандық санын арттыру үшін қолданылатын катализдік реформалау қондырғыларындағы платина және рений сияқты асыл металл катализаторларын улайды. Өнеркәсіптік гидродесульфуризация процестеріне алынған күкірт сутегі (H2S) газын ұстау және жою құрылғылары кіреді. Мұнай өңдеу зауыттарында күкірт сутегі газы кейіннен қосалқы өнім – күкіртке (S) немесе күкірт қышқылына (H2SO4) айналдырылады. Шындығында, 2005 жылы әлемде өндірілген 64 миллион тонна күкірттің басым көпшілігі мұнай өңдеу және басқа да көмірсутек өңдеу зауыттарынан алынған қосалқы өнім болды. Мұнай өңдеу өнеркәсібіндегі ГДС блогы көбінесе гидротазалау қондырғысы деп те аталады.
Hydrodesulfurization (HDS), also called hydrotreatment or hydrotreating, is a catalytic chemical process widely used to remove sulfur (S) from natural gas and from refined petroleum products, such as gasoline or petrol, jet fuel, kerosene, diesel fuel, and fuel oils. The purpose of removing the sulfur, and creating products such as ultra low sulfur diesel, is to reduce the sulfur dioxide (|SO2) emissions that result from using those fuels in automotive vehicles, aircraft, railroad locomotives, ships, gas or oil burning power plants, residential and industrial furnaces, and other forms of fuel combustion. Another important reason for removing sulfur from the naphtha streams within a petroleum refinery is that sulfur, even in extremely low concentrations, poisons the noble metal catalysts (platinum and rhenium) in the catalytic reforming units that are subsequently used to upgrade the octane rating of the naphtha streams. The industrial hydrodesulfurization processes include facilities for the capture and removal of the resulting hydrogen sulfide (|H2S) gas. In petroleum refineries, the hydrogen sulfide gas is then subsequently converted into byproduct, sulfur (S) or sulfuric acid (|H2SO4). In fact, the vast majority of the 64,000,000 metric tons of sulfur produced worldwide in 2005 was byproduct sulfur from refineries and other hydrocarbon processing plants. An HDS unit in the petroleum refining industry is also often referred to as a hydrotreater.
Тарих
Органикалық заттардың катализдік сутектілігіне қатысты кейбір реакциялар бұрыннан белгілі болса да, ұсақ дисперсті никельдің көмірсутектердегі (этилен, бензол) екі байланысқа сутекті бекітуін катализдейтін қасиетін француз химигі Поль Сабатье 1897 жылы ашқан. Осы жұмысының нәтижесінде ол бу фазасындағы қанықпаған көмірсутектерді сутек пен катализдік металл қолданып қаныққан көмірсутектерге айналдыра алатынын анықтады, бұл қазіргі заманғы катализдік сутектілік процесінің негізін қалады. Сабатье жұмысынан кейін көп ұзамай, неміс химигі Вильгельм Норманн сұйық фазадағы қанықпаған май қышқылдарын немесе глицеридтерін қаныққандарға айналдыру үшін катализдік сутектілікті пайдалануға болатынын тапты. Ол 1902 жылы Германияда және 1903 жылы Ұлыбританияда патент алды, бұл қазіргі әлемдік өнеркәсіптің бастауы болды. 1950 жылдардың ортасында алғашқы асыл металл катализдік реформалау процесі (Platformer процесі) коммерцияланды. Сонымен қатар, мұндай реформаторларға арналған нафтанды катализдік гидродесульфурациялау да коммерцияланды. Келесі онжылдықтарда, төмендегі ағын схемасында көрсетілгендей, әртүрлі эксклюзивті катализдік гидродесульфурациялау процестері коммерцияланды. Қазіргі уақытта әлемдегі барлық мұнай өңдеу зауыттарында бір немесе бірнеше HDS установкалары бар. 2006 жылға қарай JP 8 авиациялық отынын өңдеу үшін миниатюралық микрофлюидті HDS установкалары енгізілді, осы арқылы отын элементтері үшін таза шикізат өндірілді. 2007 жылға қарай бұл 5 кВт отын элементтері генерациялау жүйесіне интеграцияланды.
Процесс сипаттамасы
Промышленном гидроочистке, например, на нефтеперерабатывающем заводе, реакция гидроочистки протекает в реакторе с неподвижным слоем при повышенных температурах от 300 до 400 °C и повышенном давлении от 30 до 130 атмосфер абсолютного давления, обычно в присутствии катализатора, состоящего из носителя на основе оксида алюминия, пропитанного кобальтом и молибденом (обычно называемого CoMo-катализатором). Иногда, в дополнение к CoMo-катализатору, используется комбинация никеля и молибдена (называемая NiMo) для особо сложных сырьевых потоков, таких как те, которые содержат высокое содержание химически связанного азота. Изображение ниже представляет собой схематическое изображение оборудования и потоков процесса в типичном блоке гидроочистки (HDS) нефтеперерабатывающего завода. Жидкое сырье (в нижнем левом углу схемы) подается насосом до требуемого повышенного давления и смешивается с потоком рециркуляционного газа, богатого водородом. Полученная жидкогазовая смесь предварительно нагревается при протекании через теплообменник. Предварительно нагретое сырье затем поступает в печь, где смесь полностью испаряется и нагревается до требуемой повышенной температуры перед поступлением в реактор и протеканием через неподвижный слой катализатора, где происходит реакция гидроочистки. Горячие продукты реакции частично охлаждаются при протекании через теплообменник, где предварительно нагревалось сырье для реактора, а затем поступают через водоохлаждаемый теплообменник перед регулятором давления (PC) и снижением давления до примерно 3-5 атмосфер. Полученная смесь жидкости и газа поступает в сосуд-сепаратор газа при температуре около 35 °C и давлении 3-5 атмосфер абсолютного давления. Большая часть газа, богатого водородом, из сосуда-сепаратора газа является рециркуляционным газом, который направляется через аминный контактор для удаления содержащегося в нем сероводорода (H2S). Очищенный от H2S газ, богатый водородом, затем возвращается для повторного использования в секции реактора. Любой избыточный газ из сосуда-сепаратора газа смешивается с кислым газом, полученным при отгонке жидкого продукта реакции. Жидкость из сосуда-сепаратора газа направляется в ректификационную колонну с повторным кипячением. Продукт, отбираемый с дна колонны, является конечным обессеренным жидким продуктом блока гидроочистки. Отходящий кислый газ из колонны содержит водород, метан, этан, сероводород, пропан и, возможно, некоторые бутаны и более тяжелые компоненты. Этот кислый газ направляется на центральный комплекс переработки газа нефтеперерабатывающего завода для удаления сероводорода в основном блоке аминной очистки газа нефтеперерабатывающего завода и через ряд ректификационных колонн для извлечения пропана, бутана и пентана или более тяжелых компонентов. Оставшийся водород, метан, этан и часть пропана используются в качестве топлива для нефтеперерабатывающего завода. Удаленный и восстановленный аминным комплексом очистки газа сероводород впоследствии превращается в элементарную серу в установке Клауса или в серную кислоту в процессе влажной серной кислоты или в традиционном контактном процессе. Следует отметить, что вышеописанное описание предполагает, что сырье для блока HDS не содержит олефинов. Если сырье содержит олефины (например, сырье представляет собой нафту, полученную из установки каталитического крекинга (FCC) нефтеперерабатывающего завода), то отходящий газ из колонны отгонки HDS также может содержать этилен, пропилен, бутены и пентены или более тяжелые компоненты. Аминный раствор, поступающий в и из контактора рециркуляционного газа, поступает из и возвращается в основной блок аминной очистки газа нефтеперерабатывающего завода.
HDS шикізатының шикізаттық қоспалары
Тазарту зауытының HDS шикізаты (нафта, керосин, дизель майы және ауыр майлар) тиолдар, тиофендер, органикалық сульфидтер мен дисульфидтер және көптеген басқа да органикалық күкірт қосылыстарын қамтиды. Бұл органикалық күкірт қосылыстары – мұнайдың табиғи түзілу процесінде кездесетін күкірттің ыдырауынан пайда болатын өнімдер, яғни табиғи күйде пайда болған шикізаттың биологиялық компоненттерінен туындаған. HDS процесін тазарту зауытының нафтасын күкірттен тазарту үшін қолданғанда, нафтаның каталитикалық реформалау кезінде асыл металл катализаторларының заластануын болдырмау үшін күкіртті миллиондық бөлшектерге дейін немесе одан да төмен деңгейге дейін кетіру қажет. Бұл процесс дизель майын күкіртсіздендіру үшін қолданылғанда, АҚШ және Еуропадағы ең соңғы экологиялық талаптар, «күкірттілігі өте төмен дизель» (ULSD) деп аталатын талаптар, өз кезегінде терең гидродезульфизацияны талап етеді. 2000 жылдардың басында жол көлігі үшін дизель отынының күкірт мөлшеріне қатысты мемлекеттік реттеу шектері 300-500 ppm аралығында болды. 2006 жылдан бастап жол дизелі үшін күкірт мөлшерінің лимиті 15-30 ppm аралығында белгіленді.
Тиофендер
Мұнайда кең таралған субстраттар тобы – тиофендер деп аталатын күкірт қоршаған гетероциклдер. Тиофеннің өзінен бастап, одан конденситалған туындылары – бензотиофендер мен дибензотиофендерге дейін мұнайда көптеген тиофендер кездеседі. Тиофен және оның алкил туындыларын гидрогенолиздеу оңайрақ, ал дибензотиофен, әсіресе 4,6-диметилдибензотиофен, ең қиын өңделетін субстраттар саналады. Бензотиофендер HDS-ке ұшырау деңгейі бойынша қарапайым тиофендер мен дибензотиофендердің арасында орналасады.
Катализаторлар мен механизмдер
HDS негізгі катализаторлары молибден дисульфидіне негізделген, оларға аз мөлшерде басқа металдар қосылған. Каталитикалық белсенділік орындарының мәні әлі де зерттеліп жатыр, бірақ көбінесе құрылымның базальдық жазықтықтары катализ процесіне қатыспайды, ал оның жиектері немесе шеттері маңызды. Кристаллиттердің шеттерінде молибден орталығы координациялық қанықпаған орынды (CUS) тұрақтандыра алады, бұл аниондық бос орын деп те аталады. Тиофен сияқты субстраттар осы орынға байланысып, С-S байланысының үзілуіне және С=С байланысының гидрленуіне алып келетін бірқатар реакцияларға түседі. Осылайша, сутек сульфидті алып тастау арқылы аниондық бос орынды жасау, гидрлену және гидролиз процесінде көп қызмет атқарады. Циклдің қарапайым схемасы көрсетілген:
Катализаторлар
Көптеген металдар HDS процесін катализдейді, бірақ өтпелі металдар қатарының ортасындағы металдар ең белсенді болып табылады. Практикалық болмаса да, рутений дисульфиді ең белсенді катализатор болып көрінеді, бірақ кобальт пен молибденнің екілік комбинациялары да жоғары белсенділікке ие. Кобальт модификацияланған MoS2 катализаторынан басқа, шикізаттың сипатына байланысты никель және вольфрам да қолданылады. Мысалы, NiW катализаторлары гидроденитрлеу үшін тиімдірек.
Тіректері
Металл сульфидтері жоғары беткі ауданы бар материалдарға орналастырылады. HDS катализаторы үшін γ-алюминий ең көп қолданылатын тірек. Тірек қымбат катализатордың көбірек таралуын қамтамасыз етеді, соның нәтижесінде катализдік белсенділікке ие үлесі артады. Тірек пен катализатордың өзара әрекеттесуі зор қызығушылық тудыратын сала, себебі тірек көбінесе толыққанды инертті емес, катализ процесіне қатысады.
Басқа қолданыстар
Негізгі гидрогенолиз реакциясы гидродесульфуризациядан басқа да көптеген қолданыстарға ие.
Азық-түлік өнеркәсібіндегі гидрогенациялау
Азық-түлік өнеркәсібі сұйық өсімдік майлары мен майларындағы қанықпаған май қышқылдарын толық немесе ішінара қанықтыру арқылы, маргарин мен кондитерлік майлардағы сияқты қатты немесе жартылай қатты майларға айналдыру үшін гидрогендеуді пайдаланады.