اتیلن (C₂H₄): خواص، کاربردها و روش‌های تولید صنعتی

اتیلن (C₂H₄) یک هیدروکربن غیراشباع و ساده‌ترین آلکن است که دارای یک پیوند دوگانه بین دو اتم کربن می‌باشد. این ماده بی‌رنگ، با بویی ضعیف و بسیار قابل اشتعال است. فرمول مولکولی آن C₂H₄ بوده و در دما و فشار استاندارد به صورت گاز وجود دارد.

🧪 ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتیلن

• جرم مولی: ۲۸.۰۵ g/mol
• نقطه جوش: -۱۰۳.۷°C
• نقطه ذوب: -۱۶۹.۲°C
• چگالی: ۱.۱۷۸ g/L در دمای ۲۵°C
• حلالیت در آب: کم (اما در حلال‌های آلی مانند اتانول و استون محلول است)
• واکنش‌پذیری: بسیار فعال، به راحتی پلیمریزه شده و در حضور اکسیژن به شدت می‌سوزد.

🏭 روش‌های تولید صنعتی اتیلن

اتیلن به عنوان یکی از مهم‌ترین مواد اولیه در صنایع پتروشیمی، عمدتاً از فرآیند کراکینگ هیدروکربن‌ها تولید می‌شود. در ادامه، مهم‌ترین روش‌های صنعتی تولید این ماده بررسی می‌شوند:

۱. کراکینگ حرارتی (Steam Cracking) – رایج‌ترین روش تولید اتیلن

کراکینگ حرارتی با بخار (Steam Cracking) مهم‌ترین و رایج‌ترین روش تولید اتیلن در مقیاس صنعتی است. این فرآیند یکی از پایه‌های اصلی صنایع پتروشیمی بوده و خوراک اولیه بسیاری از محصولات پایین‌دستی مانند پلی‌اتیلن، پلی‌پروپیلن، استایرن، اکسید اتیلن و بوتادین را تأمین می‌کند.
✔ در این روش، هیدروکربن‌های سبک و سنگین (مانند اتان، پروپان، نفتا، و گازوئیل سبک) در حضور بخار آب و در دمای بالا (۸۰۰ تا ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد) تجزیه شده و به محصولات سبکتری مانند اتیلن، پروپیلن، بوتادین، بنزن و متان تبدیل می‌شوند.
✔ این روش به دلیل بازده بالای تولید اتیلن از خوراک‌های گازی (اتان و پروپان) و امکان به‌کارگیری خوراک‌های مایع (نفتا، گازوئیل سبک) در صنعت مورد توجه قرار گرفته است.

اصول فرآیند کراکینگ حرارتی
✅ مکانیزم اصلی واکنش‌های کراکینگ حرارتی
✔ در این فرآیند، پیوندهای C-C و C-H در هیدروکربن‌های ورودی تحت تأثیر دمای بالا و زمان اقامت کوتاه شکسته می‌شوند و ترکیبات کوچکتر ایجاد می‌شوند.
✔ واکنش‌های کلیدی شامل:
۱. شکست حرارتی هیدروکربن‌ها:

C2​H6​→C2​H4 ​+ H2​

(اتان به اتیلن و هیدروژن تبدیل می‌شود)

۲. واکنش‌های جانبی:

C3​H8​→C2​H4 ​+ CH4​

(پروپان به اتیلن و متان تبدیل می‌شود)

✔ افزودن بخار آب به خوراک چندین مزیت دارد:
• کاهش تشکیل کک در راکتور و افزایش بازده تولید.
• رقیق‌سازی خوراک و جلوگیری از واکنش‌های جانبی ناخواسته.
✔ دمای عملیاتی: ۸۵۰-۹۰۰ درجه سانتی‌گراد
✔ فشار عملیاتی: ۱-۳ بار
✔ زمان اقامت گاز در راکتور: ۰.۱ تا ۰.۵ ثانیه

مراحل فرآیند کراکینگ حرارتی

✅ مرحله ۱: پیش‌گرم کردن خوراک
🔹 خوراک‌های مورد استفاده شامل اتان، پروپان، نفتا و گازوئیل سبک ابتدا در مبدل‌های حرارتی تا دمای ۵۰۰-۶۰۰°C پیش‌گرم می‌شوند.
🔹 سپس بخار آب (Steam) با نسبت ۱:۱ تا ۱:۳ به خوراک اضافه شده و این ترکیب وارد راکتورهای کراکینگ می‌شود.
✅ مرحله ۲: واکنش در راکتورهای کراکینگ
🔹 مخلوط خوراک و بخار آب وارد راکتورهای تشعشعی شده و در دمای ۸۵۰-۹۰۰°C و فشار حدود ۱.۵-۳ بار کراکینگ انجام می‌شود.
🔹 این مرحله بسیار حساس است، زیرا در صورت افزایش بیش از حد زمان اقامت، ممکن است واکنش‌های جانبی رخ داده و تشکیل کک (کربن جامد) در دیواره‌های راکتور افزایش یابد.
✅ مرحله ۳: سرد کردن سریع (Quenching)
🔹 محصولات خروجی از راکتور بلافاصله تا دمای ۴۰۰°C سرد می‌شوند تا از واکنش‌های ثانویه نامطلوب جلوگیری شود.
🔹 در این مرحله، هیدروژن آزاد شده و برخی ترکیبات ناخواسته حذف می‌شوند.
✅ مرحله ۴: جداسازی محصولات
🔹 محصولات حاصل از کراکینگ شامل اتیلن، پروپیلن، متان، بوتادین، بنزن و هیدروژن هستند.
🔹 این مخلوط توسط تقطیر برودتی (Cryogenic Distillation) و فرآیند جذب گاز (Gas Absorption) جداسازی می‌شود:
• اتیلن در دمای -۱۰۳°C جدا می‌شود.
• پروپیلن در دمای -۴۷°C جدا می‌شود.
• متان و هیدروژن از مخلوط حذف شده و به عنوان سوخت مصرف می‌شوند.

خوراک‌های رایج و بازده تولید اتیلن در کراکینگ حرارتی

✔ بسته به نوع خوراک، میزان تولید اتیلن متفاوت خواهد بود:

✔ اتان و پروپان بیشترین بازده اتیلن را دارند، در حالی که خوراک‌های مایع مانند نفتا و گازوئیل سبک محصولات جانبی بیشتری (مانند بنزن، بوتادین و آروماتیک‌ها) تولید می‌کنند.

مزایا و معایب کراکینگ بخار

✅ مزایا:
• بالاترین بازده اتیلن (به‌خصوص برای خوراک اتان)
• استفاده از خوراک‌های مختلف (اتان، پروپان، نفتا، گازوئیل سبک)
• فرآیند صنعتی توسعه‌یافته و اثبات‌شده
❌ معایب:
• مصرف انرژی بالا (دمای ۸۵۰ تا ۹۰۰°C)
• تشکیل کک در راکتور که نیاز به توقف‌های دوره‌ای برای پاک‌سازی دارد
• محدودیت در دسترسی به خوراک‌های گازی در برخی مناطق

۲. اکسیداسیون انتخابی اتان و متان (Oxidative Coupling of Methane – OCM)

اکسیداسیون انتخابی متان (OCM) یک روش نوین و امیدوارکننده برای تولید اتیلن مستقیم از متان یا اتان است که از اکسیداسیون کنترل‌شده در حضور کاتالیزورهای فلزی بهره می‌برد. برخلاف روش سنتی کراکینگ بخار (Steam Cracking) که نیاز به دماهای بالا و مصرف انرژی زیاد دارد، فرآیند OCM در دماهای پایین‌تر و با بهره‌وری بالاتر از انرژی اجرا می‌شود.
✔ این روش با هدف استفاده از منابع عظیم گاز طبیعی (متان) به‌جای خوراک‌های نفتی (اتان، پروپان، نفتا و گازوئیل سبک) توسعه یافته است.
✔ OCM از کاتالیزورهایی مانند Mn/Na₂WO₄، La₂O₃، SrTiO₃ برای افزایش بازده و جلوگیری از تشکیل محصولات جانبی ناخواسته مانند CO و CO₂ استفاده می‌کند.

اصول فرآیند اکسیداسیون انتخابی متان (OCM)

✅ واکنش‌های اصلی
✔ در فرآیند OCM، متان (CH₄) تحت تأثیر اکسیداسیون جزئی با اکسیژن در دمای ۶۰۰-۷۵۰°C قرار گرفته و به اتیلن (C₂H₄) و آب (H₂O) تبدیل می‌شود.
✔ واکنش کلی به‌صورت زیر است:

۲CH4​ + O2​→C2​H4​ + ۲H2​O

✔ این واکنش ایده‌آل بوده و هدف اصلی فرآیند OCM است. با این حال، واکنش‌های جانبی نیز ممکن است رخ دهند:
۱. تولید اتان (C₂H₆) به عنوان محصول میانی:

۲CH4​→C2​H6​ + H2​

۲. اکسیداسیون ناخواسته و تولید CO و CO₂:

CH4​ + ۲O2​→CO2​ + ۲H2​O

✔ بنابراین، چالش اصلی در OCM این است که انتخاب‌پذیری واکنش به سمت تولید اتیلن افزایش یافته و از تشکیل CO و CO₂ جلوگیری شود.

کاتالیزورها و نقش آن‌ها در بهبود فرآیند
✔ کاتالیزورها در فرآیند OCM نقش حیاتی در افزایش بازده اتیلن و جلوگیری از واکنش‌های جانبی ناخواسته دارند.
✔ کاتالیزورهای رایج در OCM شامل فلزات واسطه، اکسیدهای قلیایی و ترکیبات سرامیکی هستند.

مهم‌ترین کاتالیزورهای استفاده‌شده در OCM

✔ Mn/Na₂WO₄/SiO₂ یکی از بهترین کاتالیزورها در این فرآیند است و می‌تواند بازدهی حدود ۳۰% برای تولید اتیلن داشته باشد.
✔ این کاتالیزورها با جلوگیری از اکسیداسیون کامل متان به CO و CO₂ و هدایت واکنش به سمت تولید اتیلن و اتان، بهره‌وری فرآیند را افزایش می‌دهند.

مراحل فرآیند OCM

✅ مرحله ۱: پیش‌گرم کردن خوراک
🔹 خوراک متان و اکسیژن به نسبت مناسب مخلوط شده و از یک مبدل حرارتی عبور کرده تا به دمای عملیاتی ۶۰۰-۷۵۰°C برسد.
✅ مرحله ۲: واکنش در بستر کاتالیزوری
🔹 مخلوط متان و اکسیژن وارد یک راکتور با بستر ثابت (Fixed Bed) یا بستر سیال (Fluidized Bed) شده و در حضور کاتالیزورهای فلزی و سرامیکی اکسیداسیون انتخابی رخ می‌دهد.
🔹 انتخاب صحیح دما و فشار باعث بهبود نرخ تبدیل متان و افزایش انتخاب‌پذیری به سمت اتیلن می‌شود.
✅ مرحله ۳: جداسازی محصولات
🔹 محصولات خروجی شامل اتیلن، اتان، آب، CO و CO₂ هستند.
🔹 اتیلن و اتان با استفاده از تقطیر برودتی (Cryogenic Distillation) از یکدیگر جدا می‌شوند.
🔹 اتان باقی‌مانده می‌تواند مجدداً به راکتور بازگردانده شود تا به اتیلن تبدیل شود.

مزایا و معایب OCM

✅ مزایا:

1. راندمان بالاتر نسبت به کراکینگ بخار:
   • OCM در دمای پایین‌تر (۶۰۰-۷۵۰°C) نسبت به کراکینگ بخار (۸۵۰-۹۰۰°C) انجام می‌شود.
   • مصرف انرژی کاهش یافته و فرآیند اقتصادی‌تر می‌شود.
2. استفاده از منابع متان به‌جای نفتا و گازوئیل سبک:
   • گاز طبیعی و متان فراوان‌تر و ارزان‌تر از خوراک‌های نفتی هستند.
3. عدم نیاز به تولید بخار آب:
   • در کراکینگ بخار، بخار آب یکی از اجزای کلیدی است، اما در OCM نیازی به آن نیست.

❌ معایب:

1. ۱کنترل دشوار برای جلوگیری از تشکیل CO و CO₂:
   • واکنش‌های جانبی ممکن است منجر به کاهش بازده اتیلن و افزایش تولید گازهای نامطلوب مانند CO₂ و CO شوند.
2. هزینه بالای کاتالیزورها:
   • کاتالیزورهای فلزی و سرامیکی به دلیل ترکیبات پیشرفته، هزینه بالایی دارند.
3. عدم اجرای صنعتی در مقیاس بزرگ:
   • این روش هنوز در مرحله تحقیق و توسعه (R&D) است و تاکنون واحد صنعتی بزرگی برای آن ساخته نشده است.

کراکینگ کاتالیستی سیال (FCC – Fluid Catalytic Cracking) | شکستن کاتالیستی سیال

کراکنینگ کاتالیستی سیال (FCC) یکی از مهم‌ترین فرآیندهای پالایشگاهی برای شکستن مولکول‌های هیدروکربنی سنگین به محصولات سبکتر مانند اتیلن، پروپیلن، بنزین و گاز مایع (LPG) است. این روش در پالایشگاه‌های نفتی به‌طور گسترده برای تولید سوخت‌های با ارزش از برش‌های نفتی سنگین مانند نفت گاز (Gas Oil) و مازوت (Residuum) استفاده می‌شود.
🔹 ویژگی اصلی FCC، استفاده از کاتالیزورهای زئولیتی برای بهبود شکست مولکولی و افزایش بازده محصولات سبک است.
🔹 برخلاف کراکینگ حرارتی (Steam Cracking) که در دمای بسیار بالا و بدون کاتالیزور انجام می‌شود، در FCC از کاتالیزور و دمای متوسط (۵۰۰-۶۰۰°C) استفاده می‌شود، که باعث افزایش بهره‌وری و کاهش مصرف انرژی می‌شود.

📌 اصول فرآیند FCC

خوراک ورودی (Feedstock)
خوراک‌های اصلی که در فرآیند FCC استفاده می‌شوند، شامل برش‌های سنگین پالایشگاهی هستند:
🔹 نفت گاز خلأ (Vacuum Gas Oil – VGO)
🔹 نفت کوره (Residuum)
🔹 مازوت سنگین
⚡ هدف اصلی این فرآیند، تبدیل این برش‌های سنگین به محصولات سبکتر مانند بنزین، گاز مایع (LPG) و ترکیبات الفینی (اتیلن و پروپیلن) است.

مراحل فرآیند FCC

🔸 مرحله ۱: پیش‌گرم کردن خوراک
خوراک ورودی ابتدا تا دمای ۳۰۰-۴۰۰°C پیش‌گرم می‌شود و سپس وارد راکتور FCC می‌شود.

🔸 مرحله ۲: عبور از راکتور کراکینگ
خوراک در حضور کاتالیزورهای زئولیتی و در دمای ۵۰۰-۶۰۰°C تحت شکست مولکولی قرار می‌گیرد. در این مرحله، مولکول‌های هیدروکربنی سنگین به هیدروکربن‌های سبکتر (مانند بنزین، گاز مایع و ترکیبات اولفینی) تبدیل می‌شوند.

🔸 مرحله ۳: جداسازی محصولات
محصولات تولید شده از راکتور خارج شده و وارد برج تفکیک (Fractionator) می‌شوند، که در آنجا بر اساس نقطه جوش به بخش‌های مختلف تقسیم می‌شوند:
✅ اتیلن و پروپیلن → به واحدهای پتروشیمی ارسال می‌شوند.
✅ گازوئیل سبک → به عنوان سوخت دیزل استفاده می‌شود.
✅ بنزین FCC → به واحدهای پالایشگاهی برای بهبود کیفیت سوخت ارسال می‌شود.
✅ کک و مواد سنگین → ممکن است برای تولید انرژی در پالایشگاه مصرف شوند.

🔸 مرحله ۴: احیای کاتالیزور
یکی از ویژگی‌های کلیدی FCC این است که کاتالیزور پس از جذب کربن و آلاینده‌ها، بازیابی و احیا می‌شود. در این مرحله، کاتالیزور مصرف‌شده در یک محفظه احیاگر (Regenerator) قرار گرفته و در معرض اکسیژن داغ (۶۰۰-۷۰۰°C) قرار می‌گیرد تا کربن تجمع‌یافته بر روی آن سوخته و حذف شود.

📌 ترکیب محصولات خروجی از FCC

محصولات حاصل از فرآیند FCC معمولاً شامل مقادیر مختلفی از هیدروکربن‌های سبک و سنگین است. مقادیر نسبی این محصولات به نوع خوراک ورودی و شرایط عملیاتی بستگی دارد.

📌 مزایا و معایب FCC

✅ مزایا
✔ تولید چندین محصول با ارزش → علاوه بر اتیلن و پروپیلن، بنزین و گاز مایع نیز تولید می‌شود.
✔ امکان استفاده از خوراک‌های سنگین‌تر → بر خلاف کراکینگ بخار که نیاز به خوراک‌های سبک (مانند اتان) دارد، FCC می‌تواند برش‌های نفتی سنگین‌تر را تبدیل کند.
✔ کاهش هزینه‌های انرژی → دمای فرآیند FCC کمتر از کراکینگ بخار است، که منجر به مصرف انرژی کمتر می‌شود.
✔ بازیافت کاتالیزور → استفاده مجدد از کاتالیزور باعث کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.

❌ معایب
❌ بازده پایین‌تر اتیلن نسبت به کراکینگ بخار → چون FCC عمدتاً برای تولید بنزین و پروپیلن طراحی شده است، سهم اتیلن در محصولات کمتر است.
❌ سرمایه‌گذاری اولیه بالا → تجهیزات مورد نیاز (راکتورهای FCC، برج‌های تفکیک، احیاگر کاتالیزور) هزینه بالایی دارند.
❌ آلایندگی محیطی → در صورت عدم کنترل مناسب، FCC می‌تواند باعث انتشار آلاینده‌هایی مانند CO₂ و NOₓ شود.

📌 کاربرد صنعتی FCC در ایران و جهان

✔ در ایران، پالایشگاه‌هایی مانند پالایشگاه اصفهان، آبادان و تهران از فرآیند FCC برای تولید سوخت‌های سبک و ترکیبات اولفینی استفاده می‌کنند.
✔ در سطح بین‌المللی، شرکت‌هایی مانند ExxonMobil، Shell و Chevron از این فناوری برای افزایش تولید بنزین و گازوئیل در پالایشگاه‌های خود بهره می‌برند.
✔ واحدهای FCC در مجتمع‌های پتروشیمی برای تأمین خوراک واحدهای تولید پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن نقش حیاتی دارند.

کاربردهای صنعتی اتیلن

اتیلن یکی از مهم‌ترین مواد اولیه در صنایع پتروشیمی و پلیمر است و در تولید محصولات متنوعی به کار می‌رود:

تولید پلی‌اتیلن (PE) – مهم‌ترین کاربرد اتیلن

📌 انواع پلی‌اتیلن:
• پلی‌اتیلن سبک (LDPE): کیسه‌های پلاستیکی، بسته‌بندی، لوله‌های انعطاف‌پذیر
• پلی‌اتیلن سنگین (HDPE): ظروف نگهداری مواد شیمیایی، لوله‌های مقاوم، تجهیزات صنعتی
• پلی‌اتیلن خطی (LLDPE): فیلم‌های بسته‌بندی و روکش سیم‌ها
📌 کاربرد صنعتی:
پتروشیمی بندر امام و پتروشیمی مارون از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان پلی‌اتیلن در ایران هستند.

تولید اتیلن گلایکول (Ethylene Glycol – EG)

📌 کاربردها:
✅ تولید ضدیخ خودروها
✅ تولید پلی‌اتیلن‌ترفتالات (PET) برای بطری‌های پلاستیکی و الیاف مصنوعی
📌 کاربرد صنعتی:
پتروشیمی شازند و پتروشیمی اصفهان، تولیدکنندگان اصلی اتیلن گلایکول در ایران هستند.

تولید اکسید اتیلن (Ethylene Oxide – EO)

📌 کاربردها:
✅ تولید مواد شوینده (از طریق تبدیل به اتیلن گلایکول و الکل‌های چرب)
✅ استفاده در صنایع نساجی و چسب‌ها
📌 کاربرد صنعتی:
پتروشیمی تبریز از بزرگ‌ترین تولیدکنندگان اکسید اتیلن در کشور است.

نتیجه‌گیری، اتیلن و پتروشیمی

اتیلن (C₂H₄) به‌عنوان یک ماده پایه در صنعت پتروشیمی، از روش‌های مختلفی مانند کراکینگ بخار، کراکینگ کاتالیستی و اکسیداسیون انتخابی اتان تولید می‌شود. مهم‌ترین کاربرد آن در تولید پلی‌اتیلن، اتیلن گلایکول و اکسید اتیلن است. با توجه به افزایش تقاضای جهانی برای پلیمرها و مواد پتروشیمی، توسعه فناوری‌های جدید برای افزایش بازده تولید اتیلن و کاهش مصرف انرژی، از اولویت‌های صنعت پتروشیمی در سال‌های آینده خواهد بود.