19. Каталитический риформинг. Химические основы процесса. Превращения алканов, циклоалканов.
Целевыми в процессах каталитического риформинга являются реакции образования аренов за счет:
дегидрирования шестичленных цикланов
дегидроизомеризация циклопентанов
дегидроциклизации алканов
В процессе параллельно протекают и нежелательные реакции гидрокрекинга с образованием как низко-, так и высокомолекулярных углеводородов, а также продуктов уплотнения - кокса, откладывающегося на поверхности катализаторов.
Наиболее важные реакции риформинга, ведущие к образованию аренов из цикланов и алканов, идут с поглощением тепла, у реакций изомеризации тепловой эффект, близкий к 0, а реакции гидрокрекинга экзотермичны.
В условиях каталитического риформинга наиболее легко и быстро протекают реакции дегидрирования гомологов циклогексана. Относительно этой реакции скорость ароматизации из 5-членных цикланов примерно на порядок ниже. Наиболее медленной из реакций ароматизации является дегидроциклизация алканов, скорость которой лимитируется наиболее медленной стадией циклизации (на 2 порядка ниже).
Относительные скорости и тепловые эффекты реакций каталитического риформинга
Типы реакций |
Относительная скорость |
Δ, кДж/моль |
|
С6 |
С7 |
||
Дегидрирование циклогексана |
100 |
120 |
- 221 |
Изомеризация алканов |
10 |
13 |
+ 4,6 |
Изомеризация циклопентанов |
10 |
13 |
+ 15,6 |
Гидрокрекинг циклоалканов |
5 |
3 |
+ 43,9 |
Гидрокрекинг алканов |
3 |
4 |
+ 56,4 (на 1 моль Н2) |
Дегидроциклизация алканов |
1 |
4 |
- 260 |
Превращения цикланов и алканов в арены - обратимые реакции, протекающие с увеличением объема и поглощением тепла. Следовательно, по правилу Ле-Шателье, равновесная глубина ароматизации увеличивается с ростом температуры и понижением парциального давления водорода. Однако промышленные процессы каталитического риформинга вынужденно осуществляют либо при повышенных давлениях с целью подавления реакций коксообразования (при этом снижение равновесной глубины ароматизации компенсируют повышением температуры), либо с непрерывной регенерацией катализатоpa при пониженных давлениях.
20. Каталитический риформинг. Влияние гетероатомных соединений и металлов, коксообразование на катализаторах.
Соединения, содержащие гетероатомы N, S, О и металлы (Pb, As, Сu). Эти соединения необратимо сорбируются на платиновом катализаторе и быстро отравляют его. Поэтому присутствие гетероатомных соединений в сырье риформинга нежелательно: содержание серы должно быть не более 1 мг/кг; азота—до 0,5 мг/кг; концентрация Pb, As, Сu не должна превышать нескольких миллиграммов на тонну. Для удаления гетероорганических и металлорганических соединений сырье риформинга предварительно подвергают гидроочистке.
Коксообразование на катализаторе. Закоксовывание катализатора снижает его активность. Механизм образования кокса изучен недостаточно. На платине при умеренных температурах (<427°С) кокс образуется, по-видимому, в результате диссоциативной адсорбции углеводородов. Поверхностные соединения обеднены водородом, прочно удерживаются на поверхности и находятся в квазиравновесии с газофазным водородом. При более высокой температуре (>477°С) и атмосферном давлении происходит диссоциация связей С—С, и на поверхности металла образуется углерод. Возможность образования углерода на катализаторе в нормальных условиях риформинга не очевидна, так как процесс осуществляется под давлением водорода. Однако существование поверхностных соединений в реальных условиях риформинга доказано экспериментально.
Модифицированный оксид алюминия по характеру действия аналогичен алюмосиликатному катализатору каталитического крекинга, хотя и обнаруживает меньшую активность. Коксообразование на кислотных центрах катализатора риформинга, как и при крекинге, протекает за счет полимеризации, перераспределения водорода, циклизации, конденсации и других реакций непредельных и ароматических соединений. Образовавшийся кокс состоит из полициклических ароматических колец, связанных с алкеновыми и циклоалкановыми фрагментами. При всех отличиях механизма коксообразования на платине и оксиде алюминия действие их взаимосвязано: ненасыщенные углеводороды, образующиеся на платине, служат источником кокса на Аl2O3. Углеродистые отложения с платины могут мигрировать на Аl2O3. С другой стороны, продукты уплотнения, в частности полициклические арены, образующиеся на кислотных центрах, достаточно подвижны и могут блокировать металлические центры катализатора. Таким образом, на коксообразование влияют обе функции катализатора. Степень дезактивации катализатора зависит от закоксованности как платины, так и Аl2O3, так как важнейшие реакции риформинга протекают по бифункциональному механизму.