در این بخش قصد داریم تا نحوه‌ی تولید اتیلن از اتانول را با هم بررسی کنیم. این بخش از دو قسمت تشکیل شده که تو قسمت اول مقاله‌ای با موضوع "آبگیری (آبزدایی) از اتانول برای تولید اتیلن (Dehydration of Ethanol to Ethylene)" رو ترجمه و بررسی کردیم.

امیدوارم که این متن براتون مفید باشه؛ پس با ما همراه باشید:

این مقاله مرور بروزی است برای بررسی نوشته‌ها (مقالات و...) موجود در مورد موضوع تبدیل اتانول به اتیلن. فرایند تبدیل اتانول به اتیلن دارای چشم‌انداز توسعه‌ی وسیعی است. در مقایسه با روند تبدیل نفت به اتیلن، آبگیری از اتانول و تبدیل آن به اتیلن از لحاظ اقتصادی امکان‌پذیر است. محققان علاقه خود را به فرآیند تولید اتیلن، کاتالیزورهای مورد نیاز و مکانیسم واکنش تولید اتیلن نشان داده‌اند.

یک راکتور بستر سیال مقاوم در برابر ساییدگی که کارآمد باشد، همراه با یک کاتالیزور پایدار، مسئله‌ی تحقیقات آینده است. همچنین درک عمیق از سطح نسبتاً زیاد کاتالیزور آلومینای فعال و کاتالیزور غربال مولکولی استفاده شده و ترویج و توسعه‌ی آبگیری از اتانول برای تولید اتیلن و ارائه پشتیبانی قوی برای این فرایند جهت رقابت در بازار از مهمترین مسائل مربوط به این فناوری می‌باشد.

اتیلن یکی از پرمصرف‌ترین محصولات شیمیایی در جهان است و همچنین یکی از مواد اولیه مهم در صنعت پتروشیمی. در حال حاضر حدود 75% از محصولات پتروشیمی از جمله استالدهید، استیک اسید، اکسید اتیلن، اتیلن گلیکول، اتیل بنزن، کلرواتانول، وینیل کلرید، وینیل استات و ... از اتیلن تولید می‌شوند. همچنین از اتیلن می‌توان به عنوان ماده‌ی خام و اولیه برای پلیمریزاسیون و تولید انواع مهم محصولات شیمیایی آلی مانند پلی اتیلن، پلی وینیل کلرید، پلی استایرن و ... استفاده کرد. همچنین تولید اتیلن به عنوان یکی از شاخص‌های ارزیابی سطح توسعه‌ی پتروشیمی کشورها در جهان در نظر گرفته می‌شود.

در حال حاضر اصلی‌ترین روش تولید اتیلن روش شکست حرارتی هیدروکربن‌ها است. حدود 99% از اتیلن مورد نیاز جهانی از این روش تولید می‌شود. با توجه با اینکه شکست حرارتی نیاز به انرژی دارد و این انرژی هم اکنون از سوخت های فسیلی تأمین می‌شود و با توجه به مضرات و تجدید ناپذیری سوخت‌های فسیلی، دانشمندان دنبال راه‌هایی برای جاگزینی با این روش هستند. هم اکنون آبگیری از اتانول برای تولید اتیلن بیشتر مدنظر است.

فرایند تولید اتیلن

تعدادی از شرکت‌ها و کشورها، فناوری آبگیری از اتانول برای تولید اتیلن را بررسی و توسعه داده‌اند. فرآیند آبگیری از اتانول و تولید اتیلن معمولاً شامل دو بخش است:

• واکنش آبگیری از اتانول
• خالص‌سازی اتیلن تولیدی

خوراک برای آبگیری از اتانول پس از پیش‌گرم کردن در معرض جریان بخار قرار گرفته و به اتیلن خام تبدیل می‌شود. سپس به ترتیب وارد برج های زیر می شود:

• برج شستشو با آب (مرحله خنک کننده)؛
• برج شستشوی قلیایی؛
• خشک‌کن؛
• برج جداکننده اجزای سبک و برج جداکننده اجزای سنگین برای جداسازی محصولات فرعی سبک و سنگین و... ؛
• در نهایت اتیلن تولیدی از بالای برج جداکننده اجزای سنگین، خارج می‌شود. در شکل زیر نمودار کلی این فرایند نشان داده شده است:

هم‌اکنون کاتالیزورهای پایه آلومینا، دربسیاری از راکتورهای صنعتی برای تولید اتیلن استفاده می‌شوند. افزودن کاتالیزور در بخش آبگیری صورت می‌گیرد. در این فرایند اتانول با غلظت 95% (وزنی / وزنی) به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود و شرایط عملی واکنش شامل دمای واکنش 300- 500 درجه سانتی‌گراد، فشار 0.1 تا 0.2 مگا پاسکال و سرعت فضایی 0.1-1 H-1 می‌باشد. بازده تولید اتیلن می تواند به 94- 99% برسد که بستگی به شرایط واکنش دارد و دانشمندان درحال بررسی و یافتن بهترین شرایط برای انجام این واکنش هستند.

راکتور تولید اتیلن

آبگیری از اتانول و تولید اتیلن واکنشی گرماگیر است و نیاز به حرارت نسبتاً زیادی دارد؛ در همین حال انتخاب دمای واکنش نقش مهمی در انتخاب‌پذیری واکنش و تولید محصول هدف یعنی اتیلن دارد. محصول جانبی این واکنش اتر می‌باشد که در درجه حرارت زیر 573 کلوین تولید می شود در حالی که اتیلن در درجه حرارات بالای 573 کلوین تولید می‌گردد؛ بنابراین انتخاب و طراحی راکتور امری حیاتی در این فرایند می‌باشد.

عمدتاً دو نوع راکتور برای آبگیری از اتانول استفاده می شود: 1- راکتور بستر ثابت و 2- راکتور بستر سیال. البته در حال حاضر در صنعت از راکتور بستر ثابت بیشتر استفاده می شود. راکتورهای بستر ثابت برای تولید اتیلن از آبگیری اتانول به دو نوع لوله همدما و آدیاباتیک تقسیم می‌شوند.

لوله همدما راکتور بستر ثابت توانایی نسبتاً ضعیف کنترل درجه حرارت و بازسازی و جایگزینی کاتالیزور را داراست.. علاوه بر این، به تغییرات کوچک بسیار حساس است. در مقابل، راکتور بستر ثابت آدیاباتیک بهترین انتخاب است و هنگامی که از آن برای واکنش گرماگیر استفاده می‌شود، مواد اولیه راکتور همراه با حامل حرارت وارد شده و واکنش گام به گام رخ می‌دهد.

راکتور بستر سیال دارای سابقه توسعه نسبتاً کوتاهی است. دارای مزایایی مانند حرارت بالا و نرخ انتقال جرم، دمای بستر یکنواخت‌تر، و بهره‌برداری نسبتاً پایدار است. به ویژه برای تولید در مقیاس بزرگ با اثر بزرگ حرارتی مناسب می باشد.

مکانیسم واکنش تولید اتیلن

از اواسط قرن 20 بسیاری از محققان مطالعات بر روی مکانیسم واکنش آبگیری از اتانول با کاتالیزورهای مختلف از جمله آلومینای فعال، فسفات، اکسید منیزیم، غربال مولکولی، اسید هتروپلی و... را انجام داده‌اند ولی هنوز به اجماعی نرسیده‌اند و مطالعات همچنان ادامه دارد.

علاوه بر محصول اصلی اتیلن و محصول جانبی اتر، واکنش آبگیری از اتانول ممکن است مقادیر کمی از محصولات فرعی مانند استالدهید، هیدروکربن (متان، اتان، پروپیلن، بوتیلن) و... را نیز تولید کند. چون مقدار محصولات جانبی دیگر به نسبت محصول جانبی اتر کمتر می‌باشد، در واکنش آبگیری از اتانول عمدتاً نسبت اتیلن و اتر سنجیده می‌شود که می‌توان در سه مسیر خلاصه کرد:

1) واکنش‌های موازی:

2) یک سری از واکنش‌ها:

3) یک واکنش سری موازی:

سه واکنش ذکر شده در بالا مسیر سه واکنش برگشت پذیر میباشند؛ یعنی واکنش های آبگیری درون مولکولی اتانول و تولید اتیلن، واکنش آبگیری درون مولکولی اتانول و تولید اتر و درنهایت آبزدایی از اتر برای تولید اتیلن.

• بیشتر بخوانید: تولید اتیلن از اتانول (بخش دوم)

تو ادامه این مقاله به بررسی اثر انواع کاتالیست‌ها بر روی این واکنش‌ها پرداخته شده که دیگه از خیرش می‌گذریم. اگه خودتون خواستید بیشتر بخونید می‌تونید به لینک زیر مراجعه کنید:

[1] http://pubs.acs.org

[2] https://scholar.google.com