روند توسعه فناوری تولید اسید استیک در آینده

مقدمه

اسید استیک یک ماده شیمیایی پایه ‌ای است که در هر چیزی از پلاستیک ‌ها و منسوجات گرفته تا صنایع غذایی و داروسازی مورد استفاده قرار می ‌گیرد. با ادامه رشد تقاضای جهانی برای اسید استیک صنعت به صورت فعالانه در حال بررسی فناوری‌ های تولید جدید است تا این نیاز را به شکل کارآمد و پایدار برآورده کند. روش ‌های متداول تولید اسید استیک بسیار بهینه هستند ، اما شدیداً به خوراک‌ های فسیلی متکی بوده و نیازمند انرژی قابل توجهی هستند. در مواجهه با فشارهای اقتصادی ، الزامات زیست ‌محیطی و هدف دستیابی به کربن خنثی ، تولیدکنندگان مواد شیمیایی به دنبال راه ‌حل ‌های نوآورانه هستند.

عوامل محرک نوآوری فناوری در تولید اسید استیک

عوامل متعددی در حال سوق دادن تکامل فناوری تولید اسید استیک به مسیرهای جدید هستند. اولاً رشد تقاضای جهانی برای اسید استیک قابل توجه است زیرا این ماده در پلیمرها ، حلال‌ ها و دیگر کاربردهای صنعتی به طور گسترده ‌ای استفاده می ‌شود. تولیدکنندگان باید ظرفیت تولید را افزایش داده و بهره ‌وری را بهبود بخشند تا این تقاضا را به شکلی مقرون ‌به ‌صرفه تامین کنند. همزمان پایداری زیست ‌محیطی به یک دغدغه اصلی تبدیل شده است. فرایندهای مرسوم متکی بر خوراک‌ های پتروشیمی بوده و انتشار قابل توجهی از کربن ایجاد می ‌کنند که با اهداف اقلیمی امروزی در تضاد است. عواملی مانند رشد تقاضا ، موضوعاتی همچون خرید اسید استیک شازند گالن 30 لیتری و اهداف پایداری در حال سوق دادن نوآوری تازه‌ ای در نحوه تولید اسید استیک است. عواملی مانند رشد تقاضا و اهداف پایداری در حال سوق دادن نوآوری تازه ‌ای در نحوه تولید اسید استیک است. شرکت‌ ها انگیزه دارند ردپای کربن و مصرف انرژی خود را کاهش دهند و همین امر تحقیقاتی را در زمینه فرایندهای پاک ‌تر و استفاده از خوراک‌ های تجدیدپذیر برانگیخته است. علاوه بر این فشارهای اقتصادی مانند نوسانات قیمت نفت و هزینه بالای برخی کاتالیزورها باعث ترغیب به جستجوی گزینه‌ های پایدارتر و مقرون ‌به ‌صرفه ‌تر شده است. مقررات و مشوق‌ های دولتی نیز نقش دارند ، به طوری که سیاست‌ های حامی شیمی سبز سرمایه‌ گذاری در روش ‌های تولید نسل بعدی را تسریع می ‌کنند. این محرک‌ ها در مجموع تضمین می ‌کنند که تلاش برای بهبود فناوری ‌های تولید اسید استیک در سال ‌های آینده به شتاب خود ادامه خواهد داد.

بهبود کاتالیزورها در فناوری کربونیلاسیون

نوآوری در کاتالیزورها عامل اصلی پیشرفت در تولید صنعتی اسید استیک است. مسیر غالب امروز کربونیلاسیون متانول است که ابتدا با کاتالیزور رودیوم در فرآیند مونسانتو انجام می ‌شد. سپس فرآیند کاتیوا با استفاده از ایریدیوم (و اغلب همراه با روتنیم) معرفی شد که راندمان بالاتر ، پایداری بیشتر و هزینه ‌های تولید کمتر داشت و همچنین مصرف انرژی و تشکیل محصولات جانبی را کاهش داد. این تحول مسیر را برای بهبودهای بعدی هموار کرد. در این زمینه تحلیل ریسک و ایمنی در روشهای مختلف تولید اسید استیک اهمیت ویژه‌ ای پیدا می‌ کند ، زیرا انتخاب نوع کاتالیزور و شرایط عملیاتی علاوه بر افزایش بازده ، بر میزان خطرات احتمالی و کنترل فرآیند نیز اثرگذار است. پژوهش ‌های کنونی بر توسعه کاتالیزورهای آلی-فلزی با لیگاندهای اصلاح ‌شده و طراحی کاتالیزورهای ناهمگن متمرکز است تا جداسازی و بازیافت آسان‌ تر شود. برخی سیستم‌ های جدید ایریدیومی حتی با آب کمتر عمل می ‌کنند و خالص‌ سازی محصول را ساده ‌تر می ‌سازند. علاوه بر این تلاش ‌هایی برای جایگزینی فلزات گران ‌بها با عناصر فراوان ‌تر نیز در جریان است. در مجموع ارتقای طراحی کاتالیزورها موجب افزایش بازده ، طول عمر بیشتر و کاهش هزینه ‌ها می‌ شود و تولید اسید استیک را در آینده رقابتی نگه می ‌دارد.

فرآیندهای کاتالیستی بدون هالید و جایگزین

یکی از روندهای مهم در نوآوری تولید اسید استیک ، حذف هالیدهایی مانند ید از فرآیند کربونیلاسیون متانول است. در روش ‌های رایج یدید متیل به ‌عنوان مروج به ‌کار می ‌رود که بسیار خورنده بوده و نیازمند تجهیزات گران‌ قیمت مقاوم به خوردگی است. برای رفع این مشکل سیستم‌ های کاتالیستی بدون هالید توسعه یافته ‌اند. یک مسیر نوین ، کربونیلاسیون دی‌ متیل اتر یا متیل استات بر روی کاتالیزورهای جامد اسیدی مانند زئولیت ‌ها است که بدون نیاز به مروج یدید ، اسید استیک را با گزینش ‌پذیری بالا تولید می ‌کند. این رویکرد به دلیل حذف هالوژن ‌ها ، مشکلات متالورژیکی و مدیریت پسماند را کاهش داده و فرآیند را ساده ‌تر و کم ‌هزینه‌ تر می ‌سازد. علاوه بر این استفاده از کاتالیزورهای جامد ، جداسازی آسان ‌تر و کاهش هزینه‌ های تصفیه پایین ‌دستی را امکان‌ پذیر می‌ کند. همچنین مسیرهای جایگزین مانند کربونیلاسیون اکسایشی با استفاده از اکسیژن و CO در دست بررسی است. هرچند این فناوری ‌ها هنوز در مرحله آزمایشگاهی یا پایلوت هستند اما نوید تولیدی سبزتر ، ایمن ‌تر و اقتصادی ‌تر را در آینده می ‌دهند.

مسیرهای اکسایشی از هیدروکربن‌ های سبک

یکی از گرایش ‌های مهم در توسعه فناوری تولید اسید استیک ، استفاده از هیدروکربن‌ های سبک مانند بوتان و اتان به ‌عنوان خوراک است. پیش از رواج فرآیند کربونیلاسیون متانول ، اسید استیک عمدتاً از طریق اکسیداسیون جزئی بوتان یا نفتا با هوا تولید می ‌شد. این روش اگرچه کارآمد بود ، اما مصرف انرژی بالاتر و تولید محصولات جانبی بیشتری نسبت به کربونیلاسیون داشت. در سال ‌های اخیر ، تمرکز به سمت اکسیداسیون مستقیم اتان ، جزء اصلی گاز طبیعی ، جلب شده است. با کمک کاتالیزورهای اکسید فلزی مختلط همراه با مروج ‌هایی مانند پالادیم ، امکان تبدیل مستقیم اتان به اسید استیک با گزینش ‌پذیری بالا در فاز گاز فراهم شده است. این فناوری از منابع ارزان و فراوان اتان (مانند گاز شیل) بهره می ‌برد و می ‌تواند در مناطقی که متانول پرهزینه یا کمیاب است ، مزیت رقابتی داشته باشد. با این حال چالش ‌هایی همچون کنترل واکنش برای جلوگیری از احتراق کامل به CO₂ و مدیریت حرارت آزاد شده باقی است. پروژه‌ های پایلوت مانند واحد نمایشی ۳۰ هزار تنی در اوایل دهه ۲۰۰۰ ، امکان ‌پذیری فنی این مسیر را نشان داده ‌اند. اگرچه کربونیلاسیون همچنان فناوری غالب است ، مسیرهای اکسایشی می‌ توانند در آینده به ‌عنوان مکملی پایدار و منطقه ‌ای مورد استفاده قرار گیرند.

تبدیل مستقیم متان به اسید استیک

تبدیل مستقیم متان به اسید استیک سال ‌هاست که به عنوان جام مقدس در فناوری شیمیایی شناخته می‌ شود. متان، جزء اصلی گاز طبیعی، منبعی فراوان و ارزان است اما به دلیل پیوندهای قوی C-H ، اکسایش انتخابی آن بسیار دشوار است. به طور سنتی ابتدا متان به گاز سنتز یا متانول تبدیل و سپس به اسید استیک فرآوری می ‌شود ، در حالی که یک مسیر یک ‌مرحله ‌ای می ‌تواند این زنجیره را کوتاه و کارآمدتر کند. پژوهشگران در حال بررسی کاتالیزورها و طرح‌ های نوآورانه هستند. یکی از رویکردها جفت ‌کردن متان با CO₂ در یک راکتور است تا CO₂ به‌ عنوان اکسنده عمل کرده و اسید استیک تولید شود. آزمایش ‌های آزمایشگاهی با کاتالیزورهای پایه پالادیم یا فتوکاتالیست‌ ها نشان داده ‌اند که امکان تولید وجود دارد، هرچند بازده هنوز بسیار پایین است. راهبرد دیگر شامل فعال‌ سازی جزئی متان و تبدیل آن در مرحله دوم به اسید استیک بدون عبور از گاز سنتز است. اگر این مسیرها تکمیل شوند می‌ توانند انقلابی ایجاد کنند : استفاده مستقیم از گاز طبیعی یا بیوگاز ، کاهش سوزاندن متان و CO₂ و تولید پایدارتر اسید استیک با حداقل پسماند.

فرآیندهای تخمیر زیستی

مسیرهای زیستی به عنوان جایگزینی پایدار برای تولید اسید استیک مورد توجه قرار گرفته ‌اند. قدیمی ‌ترین روش ، تخمیر زیستی است که در آن باکتری‌ های استوباکتر اتانول حاصل از زیست‌ توده (مانند غلات یا میوه‌ ها) را به اسید استیک اکسید می ‌کنند ؛ روشی که اساس تولید سرکه است. اگرچه سرکه غلظتی پایین (۵ تا ۱۵٪) دارد ، اصول آن در مقیاس صنعتی نیز قابل استفاده است. در فناوری ‌های نوین ، از بیوراکتورهای ویژه و سویه ‌های مهندسی ‌شده باکتری ‌ها بهره می‌ گیرند تا بازده بالاتر و تبدیل سریع ‌تر حاصل شود. تخمیر غوطه ‌ور با هوادهی مداوم جایگزین روش‌ های کندتر سنتی شده است. چالش اصلی این است که غلظت بالای اسید استیک برای میکروب ‌ها سمی است و بهره ‌وری را محدود می‌ کند. برای حل این مشکل پژوهشگران سویه ‌های مقاوم ‌تر طراحی کرده یا همزمان از فناوری ‌های جداسازی مانند غشاهای تراوش تبخیری و استخراج مایع استفاده می ‌کنند تا اسید استیک به طور مداوم برداشت شود. این مسیرها با تکیه بر منابع تجدیدپذیر و کاهش ردپای کربن ، جایگاه ویژه ‌ای در بازارهای سبز پیدا کرده ‌اند. هرچند از نظر مقیاس و هزینه هنوز با پتروشیمی رقابت نمی ‌کنند ، تولیدکنندگان معدودی اسید استیک زیستی را تجاری ‌سازی کرده ‌اند.

تخمیر گاز سنتز با باکتری ‌های استوژن

یک مسیر زیستی امید بخش دیگر استفاده از باکتری ‌های استوژن برای تولید اسید استیک از خوراک ‌های گازی است. استوژن ‌ها میکروب ‌هایی هستند که قادرند گازهای تک ‌کربنه مانند مونوکسید کربن (CO) و دی ‌اکسید کربن (CO2) را به همراه هیدروژن از طریق مسیر وود-لیونگدال به استات تبدیل کنند. در اصل این باکتری ‌ها می‌ توانند گاز سنتز حاصل از منابعی مانند گازی ‌سازی زیست‌ توده یا گازهای جانبی صنعتی را مستقیماً به اسید استیک تخمیر کنند. این فرآیند که اغلب تخمیر گاز سنتز نامیده می ‌شود ، این مزیت را دارد که از خوراک ‌هایی استفاده می‌ کند که تجدیدپذیر هستند یا در غیر این صورت به عنوان پسماند تلقی می ‌شوند برای مثال گازهای خروجی کارخانه‌ های فولاد که غنی از CO هستند. چندین توسعه در این حوزه تخمیر پیوسته جریان ‌های گازی غنی از CO را برای تولید اسید استیک و مواد شیمیایی مرتبط نشان داده ‌اند. یکی از چالش ‌های اصلی این است که با تجمع اسید استیک ، pH کاهش می ‌یابد و باکتری‌ ها را مهار می ‌کند ، مشابه تخمیر سنتی. برای رفع این مشکل راهبردهایی مانند برداشت مداوم اسید یا اجرای فرآیند تخمیر به صورت نیمه ‌پیوسته همراه با خنثی ‌سازی محصول آزمایش شده ‌اند. بعلاوه حفظ تعادل بین جمعیت میکروبی و انتقال گاز حیاتی است. طراحی‌ های کارآمد بیوراکتور ضروری هستند تا CO/CO2 و H2 کافی در مایع حل شود و باکتری‌ ها بتوانند آن را مصرف کنند. پیشرفت ‌ها در کارایی بیوکاتالیزورها (از طریق مهندسی ژنتیک استوژن‌ ها برای بهبود تحمل و بهره‌ وری) به طور پیوسته بازده را بهبود بخشیده است. تحلیل ‌های فنی-اقتصادی نشان می ‌دهد که با بهینه‌ سازی بیشتر ، تخمیر گازی می ‌تواند به روشی تجاری و مقرون ‌به ‌صرفه برای تولید مقادیر متوسطی اسید استیک تبدیل شود ، به ویژه زمانی که با صنایعی که قصد بازیافت انتشارات کربنی خود را دارند همراه شود.

استفاده و بازیافت CO2 برای تولید اسید استیک

فناوری آینده تولید اسید استیک همچنین با تلاش‌ ها برای بازیافت دی ‌اکسید کربن به عنوان ماده اولیه شکل می ‌گیرد. کارخانه ‌های متداول اسید استیک CO2 آزاد می ‌کنند (برای مثال در فرآیند تولید متانول به عنوان خوراک) ، اما فرآیندهای نوظهور قصد دارند CO2 را به عنوان ماده ورودی برای تولید اسید استیک استفاده کنند و چرخه کربن را بسته نگه دارند. یک راه هیدروژناسیون کاتالیستی CO2 به اسید استیک است. این واکنش از نظر شیمیایی چالش ‌برانگیز است ، زیرا تشکیل مولکول دوکربنه اسید استیک از CO2 مستلزم ایجاد پیوندهای جدید کربن-کربن است. با این وجود پژوهشگران سیستم ‌های کاتالیزوری ‌ای یافته ‌اند که هنگام ترکیب CO2 با سایر واکنشگرها یا واسطه‌ ها تبدیل آن را تسهیل می ‌کنند. برای مثال فرآیندهای چند مرحله ‌ای وجود دارند که در آن ‌ها ابتدا CO2 به مونوکسید کربن تبدیل می‌ شود (از طریق واکنش معکوس آب-گاز یا الکترولیز) و سپس در مرحله بعد در قالب اسید استیک جفت می ‌شود. در یک پیشرفت اخیر از روش ‌های الکتروشیمیایی برای دستیابی به این هدف در یک فرآیند دو مرحله ‌ای استفاده شده است: CO2 به طور الکتروشیمیایی به CO کاهش می‌ یابد و سپس CO با استفاده از کاتالیزورهای پیشرفته روی الکترود ، در گام بعدی به اسید استیک تبدیل می ‌شود. استفاده از برق تجدیدپذیر برای پیش بردن چنین واکنش‌ هایی به این معنی است که اسید استیک حاصل می‌ تواند با ردپای کربن بسیار پایینی تولید شود. چالش اصلی گزینش ‌پذیری و بازده است . CO2 تمایل دارد مخلوطی از محصولات (مانند اسید فرمیک ، مونوکسید کربن ، اتانول و غیره) را تشکیل دهد ، بنابراین شرایط فرآیند و کاتالیزور باید به دقت تنظیم شوند تا اسید استیک محصول غالب باشد. با پیشرفت تحقیقات کاتالیزوری و کاهش هزینه هیدروژن و برق تجدیدپذیر ، مسیرهای تبدیل CO2 به اسید استیک می ‌توانند به مکملی جذاب برای فرآیندهای سنتی تبدیل شوند و یک گاز گلخانه ‌ای را به یک منبع ارزشمند تبدیل کنند.

فشرده ‌سازی فرآیند و نوآوری در طراحی راکتور

فراتر از تغییر خوراک‌ ها یا شیمی واکنش با بهبود مهندسی فرآیند در کارخانه ‌های تولید اسید استیک می‌ توان به دستاوردهای قابل توجهی دست یافت. فشرده ‌سازی فرآیند به معنای بازطراحی مراحل تولید برای کاراتر شدن است و اغلب از طریق ترکیب چند کارکرد در یک مرحله یا استفاده از تجهیزات نوینی که توان عملیاتی را افزایش می‌ دهند ، صورت می ‌گیرد. در تولید اسید استیک از جمله مثال‌ ها می ‌توان به ادغام مراحل واکنش و جداسازی برای روان‌ سازی جریان کار اشاره کرد. برای مثال تقطیر واکنشی تکنیکی است که در آن واکنش شیمیایی و تقطیر به طور همزمان در یک ستون انجام می‌ شوند. این روش می ‌تواند بالقوه به کار گرفته شود تا آب یا محصولات جانبی طی سنتز اسید استیک به صورت پیوسته حذف شوند و تعادل واکنش را به جلو ببرد. نوآوری ‌های دیگر شامل استفاده از راکتورهای غشایی است که در آن یک غشای انتخاب‌گر در داخل راکتور برخی محصولات (مانند آب یا اسید استیک) را به طور پیوسته خارج می‌ کند ، که این امر تبدیل را افزایش داده و از محدودیت ‌های تعادلی جلوگیری می ‌کند. این مفهوم به ویژه در فرآیندهای مبتنی بر تخمیر مفید هستند ، جایی که غشاها یا واحدهای تراوش تبخیری می ‌توانند اسید استیک را استخراج کرده و از مهار محصول روی میکروب ‌ها بکاهند. یک محور دیگر یکپارچه ‌سازی بهتر حرارتی در واحدهای فرآیندی است. به دام انداختن حرارت آزاد شده از واکنش‌ های کربونیلاسیون یا اکسیداسیون برای پیشبرد تقطیر یا سایر مراحل پرانرژی می ‌تواند مصرف انرژی را به طور قابل توجهی کاهش دهد. طراحی ‌های جدید راکتور نیز مدنظر هستند ، مانند راکتورهای میکروکانال برای انتقال حرارت و جرم بهتر یا سیستم‌ های اختلاط جدید که تضمین می ‌کنند کاتالیزورها و واکنشگرها با کارایی بیشتری تعامل داشته باشند. به طور کلی این نوآوری‌ های مهندسی امکان تولید اسید استیک بیشتر را در تجهیزات کوچکتر ، ایمن ‌تر و با بازده انرژی بالاتر فراهم می‌ کنند و به کاهش هزینه‌ های تولید و اثرات زیست ‌محیطی کمک می ‌کنند.

نمای کلی مقایسه ‌ای مسیرهای تولید اسید استیک

چندین مسیر فعلی و نوظهور برای تولید اسید استیک در زیر خلاصه شده ‌اند و خوراک‌ ها ، کاتالیزورها/فرآیندهای معمول و مزایا و چالش ‌های هر کدام برجسته شده است: