Ж.Х.ТАШМҰХАМБЕТОВА

Е.А. ӘУБӘКІРОВ

МҰНАЙХИМИЯЛЫҚ КАТАЛИТИКАЛЫҚ ӨНДІРІСТІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ

Оқу құралы

Алматы 2012

әл-Фараби атындағы Қазақ Ұлттық университеті

Ташмұхамбетова Ж.Х., Әубәкіров Е.А.

МҰНАЙХИМИЯЛЫҚ КАТАЛИТИКАЛЫҚ ӨНДІРІСТІҢ ТЕОРИЯЛЫҚ НЕГІЗДЕРІ

Оқу құралы

Алматы

«Қазақ университеті»

2012

ҚР Білім және Ғылым министрлігінің жоғары және ЖОО-дан кейінгі білім берудің гуманитарлық және жаратылыстану мамандықтары бойынша оқу-әдістемелік Кеңестің ғылыми секциясының отырысынды бекітілген

(Қаулы №__ ___ ________2012 жылы)

Пікір білдірушілер:

Химия ғылымдарының докторы, профессор А.К.Жармагамбетова;

Химия ғылымдарының докторы, профессор А.К.Баешова;

Химия ғылымдарының докторы, доцент Б.С.Селенова

Ж.Х. Ташмұхамбетова, Е.А. Әубәкіров «Мұнайхимиялық каталитикалық өндірістің теориялық негіздері»; Оқу құралы. – Алматы: Қазақ университеті, 2012. – б.

Оқу құралы органикалық заттардың химиялық технологиясы мамандығына бейімделген студенттер үшін арналған. Оқу құралында мұнай және мұнай өнімдерін өңдеу теориясы мен практикасы, мұнай өңдеудің екіншілік процестерінде: гидрокрекинг, риформинг, изомерлеу, алкилдеу және дегидрлеу процестеріндегі шикізат және катализатор талаптары қарастырылған. Әр түрлі ғылыми мектеп өкілдерінің теориялық тәсілдерін негізге ала отырып, катализатор мен реагирлеуші заттың фазааралық шекарасындағы процестерге және катализатор қасиеттеріне басты көңіл бөлінді.

1-тарау. МҰНАЙХИМИЯЛЫҚ ӨНДІРІСТЕГІ КАТАЛИЗ ЕРЕКШЕЛІГІ. КАТАЛИЗДІҢ АНЫҚТАМАСЫ ЖӘНЕ НЕГІЗГІ ТҮСІНІКТЕРІ

Қазіргі кезде каталитикалық процестер мұнай химиясында және мұнай өңдеуде кең таралған. Мұнайхимиялық және мұнай өңдеудегі каталитикалық процестердің үлесі мұнай негізіндегі барлық процестердің 90 % құрайды. Мұнай және мұнайөндірісінің қалдықтарын өңдеу процестері Бұл ретте мұнай және мұнай өндірісінің қалдықтарын өңдеу процесінде мқсатты өнімнің шығымын көбірек алу көбінесе катализаторды пайдаланауға негізделген.

Мұнай өңдеудегі негізгі каталитикалық процестерге каталитикалық крекинг, каталитикалық риформинг, гидротазалау, гидрокрекинг, алкилдеу, изомерлеу және т.б. процестер жатады.

Егер каталитикалық крекинг, риформинг, гидрокрекинг және гидротазалау екіншілік өңдеу процестерінде шикізатты дайындау және мұнай негіздегі негізгі өнімдерді алу мақсатында пайдаланылса, ал каталитиалық гидрлеу, изомерлеу және алкилдеу процестері тұтыну аумағын кеңейту мақсатымен мұнай көмірсутектерінің арнайы қодасиеттері негізінде өнімдер және жартылай өнімдерді беру үшін қолданылады.

Мұнай өңдеудің негізгі өнімдері әр түрлі отын түрлері болып табылады және 5%-ке жуығы олефинді қатардың жеке көмірсутектері (этилен, пропилен, бутилен, изобутилен), бутадиен, ароматы көмірсутектер (бензол, толуол, ксилол) өндірісіне шығындалады.

Мұнай өңдеудің өнімдері іс жүзінде өнеркәсіптің барлық саласында, транспорта, құрылыста, ауыл шаруашылығында, энергетикада, тұрмыстық қажеттіліктер және т.б. үшін қолданылады. Мұнай өңдеу өнеркәсібі қатты, сұйық және назтәрізді мұнай өнімдерінің 500-ден астам түрін алуға мүмкіндің береді. Олардың қатарында әр түрлі отын түрлері және тұтқыр өнімдерден тысқары полимер материалдары, синтетикалық талшықтар, еріткіштер, лактар және сырлар, медициналық препараттар, синтетикалық жуғыш заттар, құрылыс материалдары және көптеген т.б. заттар ерекше мәнге ие.

Мұнай өңдеу өндірісі өнімдерінің көлем және сапа талабына тұтыну саласы бойынша көңіл бөлінеді, сондықтан оларды негізгі арналған бағыттары бойынша жіктеу қабылданған.

Мотор отындары арналуы бойынша бензин, дизель отындары және реактивті отындар болып бөлінеді.

Энергетиклық отындар газтурбиналы, қазандық және кеме отындарын пайдалануға арналған.

Мұнайлы майлар тікелей тұтынуға және көлік жабдықтарын түрлі сылау үшін жүзеге асырылады.

1. Катализ анықтамасы

Катализ процестің үш түрін біріктіреді: ферментативті, гомогенді және гетерогенді катализ.

Ферментативті катализ – тасымалдағыштары табиғи ақуыз болатын арнайы және үлкен ион-органикалық комплекс негізінде күрделі катализторлармен жүзеге асырылатын процестер тобы. Ерекше белгілері – орасан белсенділік және жоғары химиялық ерекшелік.

Гомогенді катализ – катализатор да, реагирлеуші зат та бір фазалық жағдайда – сұйық немесе газтәрізді болатын процестер тобы. Активтілігі катализатордың және сонымен қатар молекуланың жеке иондық беті бойынша шартталған. Процесс аралық тұрақсыз стехиометриялық құрамды қосылыстардың түзілуі арқылы жүреді.

Гетерогенді катализ – катализатор да, реагирлеуші зат та әр түрлі фазада болатын процестер тобы. Көпшілік жағдайда катализатор - қатты, ал реагирлеуші зат – сұйық немесе газ түрінде болады. Процесс аралық тұрақсыз қосылыстардың стехиометриялық емес құрам кезеңі бойынша ағады.

Катализ туралы қазіргі түсінік каталитик-ғалым Боресков Г.К. жасаған анықтама бойынша толық бейнеленеді.

Негізінен қазіргі анықтамаға келесі сәйкес келеді: катализ – бұл реакцияға қатысушылармен химиялық әрекеттесіп аралық қосылыс түзетін, бірақ әрбір аралық циклден кейін өзінің химиялық құрамын сақтап қалатын заттар (катализатор) қатысуымен химиялық реакцияның жылдамдығының өзгеруі.

Каталитикалық процестер реагирлеуші заттар мен катализатордың өзара аралық әрекетінің сипаты бойынша және аралық өнім түзілудің типі бойынша жіктеледі.

Катализ қайтымды реакция типін жеделдету бағытына байланысты тура және кері болып бөлінеді:

1.2 Катализатордың негізгі қасиеттері

Катализатор көрсететін негізгі қасиеттер:

- жоғары активтілік;

- селективтілік;

- термотұрақтылық;

- уатылуға тұрақтылық;

- кең меншікті бет;

- гидродинамикалық факторларға тұрақтылық;

- каталитикалық улармен улануға тұрақтылығы;

- регенерациялану қабілеттілігі және басқалары.

1. Катализатор әрекетінің айырмашылығына катализді рекцияның жылдамдығын арттыру ортақ болып табылады. Бірдей реакциялар катализатордың әр түрлі табиғаты бойынша және олардың қатысуынсыз ағуы мүмкін. Өзгешелігі процестің ағынының жылдамдығымен реттеледі.

Мысалы, хромды катализатор қатысында этиленді гидрлеу жылдамдығы 1-ге тең, никелді катализатор – 13, платина – 100, палладий – 1000, родий – 1800. Бұл ретте родий жоғары активтілік көрсететінің байқауға болады. Катализатордың табиғатына тәуелді берілген реакция жылдамдығы бойынша оның активтілігі анықталынады.

Катализатор активтілігі (a) бірлік бет ауданына, бірлік көлемге немесе катализатордың бірлік массасына төселген реакция жылдамдығы бойынша анықталады:

,

r- реакция жылдмдығы; s-катализатор бетінің бірлік ауданы; V- катализатордың бірлік көлемі; m- катализатордың бірлік массасы.

Активтілік ( ) катализді рекция жылдамдығының (k_кат) катализді емес реакция жылдамдығына (k_{кат.емес}) қатынасы бойынша айқын анықталынады:

k- реакция жылдамдығының константасы.

2. Катализдің маңызды және арнайы шегі катализатор көмегімен реакцияны берілген бағытқа бұру болып табылады. Селективтілік немесе талғампаздылық - катализатордың берілген шартқа сәйкес көптеген термодинамикалық мүмкін реакция бағытын жүзеге асыру қабілеттілігі.

Селективтілік (S) бастапқы заттардың мақсатты өнімге айналу үлесі бойынша сипатталады.

Мысалы:

А,В - бастапқы реагенты; R – мақсатты өнім; D – қосымша өнім.

Сонда: ;

m_R және m_D – сәйкесінше мақсатты және қосымша өнімдердің массасы.

Осылайша катализ процесін анықтау арқылы термодинамикалық тұрғыдан мүмкін реакция бағытының біреуін талғамды жылдамдатуға болады.

3. Катализатордың активтілігін сақтайтын маңызды қасиеттеріне тұрақтылығы жатады.

Гомогенді катализ жағдайында катализатор активті орталықтардың концентрациясын төмендететін реакция өнімінің аймағынан бұзылуы салдарынан активтелінбеуі мүмкін.

Гетерогенді катализде катализатор тұрақтылығының төмендеуі физикалық және химиялық өзгерістер бойынша шартталған. Ұзақ температуралық әрекет меншікті бетінің және активті орталықтар санының төмендеуімен бірге жүретін катализатордың рекристаллизациясына әкеледі. Рекристаллизация процесін сақтап қалу үшін катализатор құрылымының ішіне орнату арқылы кристалдық торларын күшейтетін промотор деп аталатын арнайы заттар қосады.

Катализатор құрылымы механикалық және термиялық әрекеттер салдарынан бұзылуы мүмкін. Химиялық өзгерістер каталитикалық у деп аталатын катализатор бетіне реакция өнімдерінің және қоспалардың хемосорбциялануымен байланысты. Уақыт өте катализатор кокспен бітеліп қалуы мүмкін, нәтижесінде катализатордың активті беті кокс төгінділерімен блокирленеді, сәйкесінше катализатордың жалпы активтілігі төмендейді. Активті орталықтары бітелген катализатордың белсенділігін жоғары температурада су буында немесе ауа оттегісімен өңдеу арқылы қайта қалпына келтіруге болады.