การประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในการผลิต BDO

BDO หรือที่รู้จักกันในชื่อ 1,4-บิวเทนไดออล เป็นวัตถุดิบอินทรีย์พื้นฐานและสารเคมีชั้นดีที่สำคัญ สามารถเตรียม BDO ได้โดยวิธีอะเซทิลีนอัลดีไฮด์ วิธีมาเลอิกแอนไฮไดรด์ วิธีโพรพิลีนแอลกอฮอล์ และวิธีบิวทาไดอีน วิธีอะเซทิลีนอัลดีไฮด์เป็นวิธีหลักในอุตสาหกรรมสำหรับการเตรียม BDO เนื่องจากมีต้นทุนและกระบวนการที่ได้เปรียบ โดยนำอะเซทิลีนและฟอร์มาลดีไฮด์มาควบแน่นกันก่อนเพื่อผลิต 1,4-บิวเทนไดออล (BYD) จากนั้นจึงเติมไฮโดรเจนเพื่อให้ได้ BDO

ภายใต้ความดันสูง (13.8~27.6 MPa) และสภาวะอุณหภูมิ 250~350 ℃ อะเซทิลีนจะทำปฏิกิริยากับฟอร์มาลดีไฮด์โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยา (โดยทั่วไปคือคิวปรัสอะเซทิลีนและบิสมัทบนตัวรองรับซิลิกา) จากนั้น 1,4-บิวไทน์ไดออลซึ่งเป็นสารตัวกลางจะถูกไฮโดรจิเนตเป็น BDO โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาเรนีย์นิกเกิล ลักษณะเด่นของวิธีการแบบดั้งเดิมคือไม่จำเป็นต้องแยกตัวเร่งปฏิกิริยาและผลิตภัณฑ์ และต้นทุนการดำเนินงานต่ำ อย่างไรก็ตาม อะเซทิลีนมีความดันย่อยสูงและมีความเสี่ยงต่อการระเบิด ปัจจัยด้านความปลอดภัยของการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์สูงถึง 12-20 เท่า และอุปกรณ์มีขนาดใหญ่และราคาแพง ส่งผลให้การลงทุนสูง อะเซทิลีนจะเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชันเพื่อผลิตพอลิอะเซทิลีน ซึ่งจะทำให้ตัวเร่งปฏิกิริยาเสื่อมสภาพและอุดตันท่อ ส่งผลให้วงจรการผลิตสั้นลงและผลผลิตลดลง

เพื่อแก้ไขข้อบกพร่องและจุดอ่อนของวิธีการแบบดั้งเดิม จึงได้มีการปรับปรุงอุปกรณ์ปฏิกิริยาและตัวเร่งปฏิกิริยาของระบบปฏิกิริยาเพื่อลดความดันย่อยของอะเซทิลีนในระบบปฏิกิริยา วิธีนี้ได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลายทั้งในประเทศและต่างประเทศ ในขณะเดียวกัน การสังเคราะห์ BYD ก็ดำเนินการโดยใช้เตียงตะกอนหรือเตียงแขวนลอย วิธีการไฮโดรจิเนชันของอะเซทิลีนอัลดีไฮด์เพื่อผลิต BYD จะได้ BDO และปัจจุบันกระบวนการ ISP และ INVISTA เป็นกระบวนการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในประเทศจีน

① การสังเคราะห์บิวไทน์ไดออลจากอะเซทิลีนและฟอร์มาลดีไฮด์โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอเนตทองแดง

เมื่อนำไปประยุกต์ใช้ในส่วนเคมีของกระบวนการ BDO ใน INVIDIA ฟอร์มาลดีไฮด์จะทำปฏิกิริยากับอะเซทิลีนเพื่อผลิต 1,4-บิวไทน์ไดออล โดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาคาร์บอเนตทองแดง อุณหภูมิปฏิกิริยาอยู่ที่ 83-94 ℃ และความดันอยู่ที่ 25-40 kPa ตัวเร่งปฏิกิริยามีลักษณะเป็นผงสีเขียว

② ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการไฮโดรจิเนชันของบิวไทน์ไดออลไปเป็น BDO

ส่วนการเติมไฮโดรเจนในกระบวนการนี้ประกอบด้วยเครื่องปฏิกรณ์แบบเตาเผาคงที่แรงดันสูงสองเครื่องที่ต่อกันแบบอนุกรม โดยปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจน 99% เสร็จสมบูรณ์ในเครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรก ตัวเร่งปฏิกิริยาการเติมไฮโดรเจนเครื่องแรกและเครื่องที่สองเป็นโลหะผสมนิกเกิลอะลูมิเนียมที่ผ่านการกระตุ้น

เตาปฏิกรณ์แบบเตียงคงที่ Renee nickel เป็นบล็อกโลหะผสมนิกเกิลอะลูมิเนียมที่มีขนาดอนุภาคตั้งแต่ 2-10 มม. มีความแข็งแรงสูง ทนต่อการสึกหรอได้ดี มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่ มีเสถียรภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีกว่า และมีอายุการใช้งานยาวนาน

อนุภาคเรนีย์นิกเกิลแบบเตาเผาคงที่ที่ยังไม่ผ่านการกระตุ้นจะมีสีขาวอมเทา และหลังจากผ่านกระบวนการชะล้างด้วยด่างเหลวที่มีความเข้มข้นระดับหนึ่งแล้ว จะกลายเป็นอนุภาคสีดำหรือดำอมเทา โดยส่วนใหญ่จะใช้ในเตาเผาแบบเตาเผาคงที่

① ตัวเร่งปฏิกิริยาที่รองรับด้วยทองแดงสำหรับการสังเคราะห์บิวทินไดออลจากอะเซทิลีนและฟอร์มาลดีไฮด์

ภายใต้การทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาคอปเปอร์บิสมัทที่รองรับอยู่ ฟอร์มาลดีไฮด์จะทำปฏิกิริยากับอะเซทิลีนเพื่อสร้าง 1,4-บิวไทน์ไดออล ที่อุณหภูมิปฏิกิริยา 92-100 ℃ และความดัน 85-106 kPa ตัวเร่งปฏิกิริยามีลักษณะเป็นผงสีดำ

② ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการไฮโดรจิเนชันของบิวไทน์ไดออลไปเป็น BDO

กระบวนการ ISP ใช้ขั้นตอนการเติมไฮโดรเจนสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกใช้ผงโลหะผสมนิกเกิลอะลูมิเนียมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยา และการเติมไฮโดรเจนที่ความดันต่ำจะเปลี่ยน BYD ให้เป็น BED และ BDO หลังจากแยกแล้ว ขั้นตอนที่สองคือการเติมไฮโดรเจนที่ความดันสูงโดยใช้นิกเกิลที่บรรจุเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อเปลี่ยน BED ให้เป็น BDO

ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันหลัก: ตัวเร่งปฏิกิริยาเรนีย์นิกเกิลชนิดผง

ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันหลัก: ตัวเร่งปฏิกิริยาเรนีย์นิกเกิลชนิดผง ตัวเร่งปฏิกิริยานี้ส่วนใหญ่ใช้ในส่วนไฮโดรจิเนชันความดันต่ำของกระบวนการ ISP สำหรับการเตรียมผลิตภัณฑ์ BDO มีคุณสมบัติเด่นคือ มีกิจกรรมสูง เลือกได้ดี อัตราการแปลงสูง และตกตะกอนเร็ว ส่วนประกอบหลักคือ นิกเกิล อะลูมิเนียม และโมลิบเดนัม

ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันหลัก: ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันโลหะผสมนิกเกิลอะลูมิเนียมชนิดผง

ตัวเร่งปฏิกิริยาต้องมีประสิทธิภาพสูง มีความแข็งแรงสูง มีอัตราการแปลง 1,4-บิวไทน์ไดออลสูง และมีผลพลอยได้น้อย

ตัวเร่งปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันรอง

เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบรองรับ โดยมีอะลูมินาเป็นตัวนำ และนิกเกลกับทองแดงเป็นส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์ สถานะรีดิวซ์จะถูกเก็บไว้ในน้ำ ตัวเร่งปฏิกิริยานี้มีความแข็งแรงเชิงกลสูง การสูญเสียแรงเสียดทานต่ำ มีเสถียรภาพทางเคมีที่ดี และกระตุ้นการทำงานได้ง่าย มีลักษณะเป็นอนุภาครูปทรงคล้ายใบโคลเวอร์สีดำ

กรณีศึกษาการประยุกต์ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา

ใช้สำหรับ BYD ในการผลิต BDO ผ่านกระบวนการไฮโดรจิเนชันโดยใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา โดยนำไปใช้กับหน่วยผลิต BDO ขนาด 100,000 ตัน มีเครื่องปฏิกรณ์แบบเตาเผาคงที่สองชุดทำงานพร้อมกัน ชุดหนึ่งใช้ตัวเร่งปฏิกิริยา JHG-20308 และอีกชุดใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำเข้า

การคัดกรอง: ในระหว่างการคัดกรองผงละเอียด พบว่าตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเตาเผาคงที่ JHG-20308 ผลิตผงละเอียดน้อยกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำเข้า

การกระตุ้น: บทสรุปการกระตุ้นตัวเร่งปฏิกิริยา: สภาวะการกระตุ้นของตัวเร่งปฏิกิริยาทั้งสองชนิดเหมือนกัน จากข้อมูลพบว่า อัตราการลดอะลูมิเนียม ความแตกต่างของอุณหภูมิขาเข้าและขาออก และความร้อนที่ปล่อยออกมาจากปฏิกิริยาการกระตุ้นของโลหะผสมในแต่ละขั้นตอนมีความสอดคล้องกันมาก

อุณหภูมิ: อุณหภูมิปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยา JHG-20308 ไม่แตกต่างจากตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำเข้าอย่างมีนัยสำคัญ แต่จากจุดวัดอุณหภูมิ ตัวเร่งปฏิกิริยา JHG-20308 มีประสิทธิภาพดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำเข้า

สิ่งเจือปน: จากข้อมูลการตรวจวัดสารละลาย BDO ดิบในระยะเริ่มต้นของปฏิกิริยา พบว่า JHG-20308 มีสิ่งเจือปนในผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปน้อยกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำเข้าเล็กน้อย โดยส่วนใหญ่จะพบในปริมาณของ n-butanol และ HBA

โดยรวมแล้ว ประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยา JHG-20308 มีความเสถียร ไม่มีผลพลอยได้สูงอย่างเห็นได้ชัด และประสิทธิภาพโดยพื้นฐานแล้วเทียบเท่าหรือดีกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาที่นำเข้าจากต่างประเทศ

กระบวนการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาแบบเตาคงที่ชนิดนิกเกิลอะลูมิเนียม

(1) การหลอม: โลหะผสมนิกเกิลอะลูมิเนียมจะถูกหลอมที่อุณหภูมิสูงแล้วหล่อขึ้นรูป

(2) การบด: แท่งโลหะผสมจะถูกบดให้เป็นอนุภาคขนาดเล็กโดยใช้อุปกรณ์บด

(3) การคัดกรอง: คัดกรองอนุภาคที่มีขนาดอนุภาคตามเกณฑ์ที่กำหนด

(4) การกระตุ้น: ควบคุมความเข้มข้นและอัตราการไหลของด่างเหลวให้เหมาะสมเพื่อกระตุ้นอนุภาคในหอปฏิกิริยา

(5) ตัวชี้วัดการตรวจสอบ: ปริมาณโลหะ การกระจายขนาดอนุภาค ความแข็งแรงในการบดอัด ความหนาแน่นรวม เป็นต้น