Reforming catalitico: reazioni

Il reforming catalitico è uno dei processi di raffinazione del petrolio  di base per la valorizzazione delle materie prime idrocarburiche leggere attraverso il quale è prodotta benzina con elevato numero di ottani partendo da una frazione idrocarburica leggera.

Oltre al miglioramento del numero di ottano, il reforming catalitico svolge un’importante funzione ausiliaria nella raffineria, in quanto è una delle principali fonti di idrogeno ad alta purezza. L’idrogeno prodotto è impiegato in altri processi di raffinazione, come l’idrodesolforazione e l’idrocracking, contribuendo alla riduzione del contenuto di zolfo nei combustibili e al rispetto delle normative ambientali sempre più stringenti.

Questo processo riveste un ruolo strategico nell’industria petrolifera moderna, poiché consente di migliorare significativamente la qualità dei carburanti senza aumentare il consumo di greggio, rispondendo al contempo alle crescenti esigenze prestazionali e ambientali del settore dei trasporti.

Il reforming catalitico è un processo utilizzato per convertire le nafte a basso numero di ottano in componenti di miscelazione della benzina ad alto numero di ottano, chiamati reformati. Il reforming è l’effetto complessivo di diverse reazioni che avvengono simultaneamente, tra cui cracking, polimerizzazione, deidrogenazione e isomerizzazione.

Evoluzione

Per aumentare il numero di ottani nella benzina negli anni ’30 del secolo scorso era usato il reforming termico. Questo processo  aveva lo svantaggio di richiedere molta energia e di dare una elevata quantità di coke quale prodotto di reazione.

Solo negli anni ’40  l’ingegnere chimico tedesco trapiantato negli Stati Uniti Vladimir Haensel lavorando presso l’Universal Oil Products company si interessò a metodi che miglioravano i processi chimici nell’industria petrolchimica.

L’ipotesi di utilizzare il platino quale catalizzatore si scontrava con gli alti costi. Haensel ebbe quindi l’idea pionieristica per la quale l’efficacia di un catalizzatore era influenzata dalla superficie di contatto.

Per la realizzazione del reforming catalitico si utilizzarono supporti in ceramica sulla cui superficie si distribuì una quantità di platino pari allo 0.01 %  Questa geniale intuizione anticipa di molti anni l’utilizzo delle nanoparticelle.

Tuttavia si riscontrarono problemi di avvelenamento del catalizzatore prevalentemente da parte di composti azotati e solforati. Pertanto si usarono catalizzatori bimetallici costituiti da platino e renio.

Un processo di reforming catalitico converte un flusso di alimentazione contenente paraffine, olefine e nafteni in aromatici da utilizzare come miscela di carburanti o come fonte di specifici composti aromatici come benzene, toluene e xilene per l’uso nella produzione petrolchimica.

Reazioni del reforming catalitico

Il reforming catalitico è dato dall’insieme di numerose reazioni come deidrogenazione e isomerizzazione di cicloalcani ramificati, deidrociclizzazione di paraffine e isomerizzazione di paraffine. Le reazioni di deidrogenazione sono la principale fonte di prodotto di reforming e sono considerate le più importanti nel processo di reforming. Si tratta di reazioni altamente endotermiche che richiedono un elevato apporto di calore per il loro mantenimento.

Per questo motivo, nel processo di reforming vengono solitamente utilizzati tre reattori, riscaldando il prodotto di ciascun reattore prima di entrare nell’altro.

A seconda del prodotto di partenza, delle condizioni di reazione e del catalizzatore  si possono ottenere prodotti diversi. Essi hanno alta concentrazione di toluene, benzene, xilene e altri derivati aromatici.

L’idrogeno che costituisce un prodotto di molte reazioni è separato e utilizzato in altri processi.

Poiché la gran parte delle reazioni coinvolte, ad eccezione dell’isomerizzazione che è debolmente esotermica, sono molto endotermiche un aumento della temperatura e un abbassamento della pressione favoriscono la formazione dei prodotti sia da un punto di vista cinetico che termodinamico.

Catalizzatori

I catalizzatori impiegati nel reforming catalitico svolgono un ruolo determinante nel controllo della selettività delle reazioni, della resa  e della stabilità operativa del processo. Storicamente, i sistemi catalitici più diffusi sono basati su metalli nobili, in particolare platino o palladio, scelti per la loro elevata attività nelle reazioni di deidrogenazione e idrogenazione, fondamentali per l’aromatizzazione degli idrocarburi naftenici e per il mantenimento dell’equilibrio redox all’interno del reattore.

Nei moderni impianti industriali si utilizzano prevalentemente catalizzatori bimetallici o multimetallici, costituiti da un metallo del gruppo VIII, come il platino, associato a un secondo metallo con funzione di promotore. Metalli quali renio, stagno, tungsteno, germanio, cobalto, nichel, rodio, rutenio e iridio sono impiegati per modulare le proprietà elettroniche e geometriche del sito attivo, migliorando la resistenza alla disattivazione per coke, aumentando la stabilità termica e ottimizzando la selettività verso le reazioni desiderate, in particolare l’isomerizzazione e la deidrogenazione rispetto al cracking indesiderato.

Il metallo catalitico è tipicamente disperso su un supporto solido ad elevata area superficiale, come allumina, silice o silice-allumina, che garantisce una distribuzione uniforme delle particelle metalliche e contribuisce alla stabilità meccanica del catalizzatore. Nei sistemi tradizionali, il supporto è spesso modificato con alogeni, in particolare cloro, allo scopo di conferire una funzionalità acida controllata. L’acidità del supporto è essenziale per promuovere le reazioni di isomerizzazione e ciclizzazione degli idrocarburi paraffinici, ma deve essere attentamente bilanciata per evitare un’eccessiva formazione di coke e una perdita di selettività

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