کاتالیست های زیگلر: لزوم استفاده از سیستم های جدید کاتالیستی در صنعت

پلی اتیلن

دانش فنی پلی الفین ها شامل دو قسمت تکنولوژی ساخت کاتالیست و فرایند پلیمریزاسیون است که روند تحول این صنعت نشان می دهد تکامل صنایع پلی الفینی کاملا وابسته به دانش و تکنولوژی کاتالیست بوده است.

کاتالیست های زیگلر- ناتا مهمترین کاتالیست های تجاری مورد مصرف در جهان جهت پلیمریزاسیون الفینها را تشکیل می دهند. در حال حاضر حجم تولید جهانی پلی الفین ها به بیشتر از 140 میلیون تن در سال  افزایش یافته است و پیش بینی می شود که این روند ، تداوم یابد.

در میان پلی الفین ها، پلی اتیلن از اهمیت ویژه ای به خصوص در منطقه خاورمیانه برخوردار می باشد زیرا مطابق با پیش بینی های انجام شده بیش از 50 درصد افزایش ظرفیت جهانی تولید پلی اتیلن را این منطقه به خود اختصاص داده و به عنوان بزرگترین صادرکننده پلی اتیلن در جهان شناخته می شود در این میان ایران با توجه به فراوانی خوراک و دارا بودن بزرگ ترین واحد الفین جهان، مجتمع پتروشیمی جم (الفین دهم) ، با ظرفیت تولید 32/1 میلیون تن اتیلن در سال نقش مهمی را به خود اختصاص داده است.

با توجه به فراوانی خوراک اولیه (اتیلن) جهت تولید پلی اتیلن در کشور، واحدهای پتروشیمی متعددی در داخل کشور راه اندازی شده و یا دردست راه اندازی هستند که فرآیندهای قسمت اعظم آنها مبتنی بر استفاده از کاتالیستهای زیگلر بر پایه منیزیم کلرید می باشد.  در حال حاضـر نسل های  قدیمی تر  این دسته از کاتالیست ها تحت لیسانس کمپانی های خارجی در داخل ساخته می شوند. اما با توجه به عملکرد متوسط آنها و نیز همگام با معرفی فرایندهای جدید پلیمریزاسیون کاتالیست های جدیدی نیز به صنعت معرفی شده اند که دستیابی به دانش فنی روش ساخت این دسته از کاتالیست ها از اهمیت بالایی برخوردار می باشد.

ساختار کلی کاتالیست های زیگلر

امروزه کاتالیست های زیگلر با ساپورت منیزیم کلرید مرسوم ترین کاتالیست های مورد مصرف در فرایند پلیمریزاسیون دوغابی جهت تهیه پلی اتیلن می باشند زیرا الزامات اولیه مورد نیاز فرایندهای صنعتی از لحاظ فعالیت، پاسخ دهی به هیدروژن و کوپلیمریزاسیون با 1-آلکن ها جهت تنظیم خواص محصول را برآورده می سازند. این دسته از کاتالیست ها که به طور اخص جهت تهیه پلی اتیلن و کوپلیمرهای آن کاربرد دارند عموما" از یک ترکیب فلز واسطه (بخصوص تیتانیم) و نیز ترکیبات منیزیم به عنوان ساپورت تشکیل شده اند که به همراه یک ترکیب کوکاتالیست که شامل مشتقات آلکیل آلومینیوم می باشند جهت تهیه پلی اتیلن به کار می روند.

یکی از روش های مرسوم ساخت کاتالیست های زیگلر شامل تهیه سوسپانسیون آلکوکسید منیزیم در محیط هیدروکربنی و سپس واکنش آن با  تترا کلرید تیتانیم تحت شرایط زمانی و دمایی مختلف می باشد. در این روش آلکوکسید منیزیم در اثر واکنش با تترا کلرید تیتانیم به کلرید منیزیم تبدیل شده و همزمان تترا کلرید تیتانیم بر روی سطح ساپورت جذب می گردد. این دسته از کاتالیست ها با وجود استفاده وسیع در صنعت هنوز نیازمند اصلاح و بهبود می باشند زیرا جهت گیری بازار مصرف پلی اتیلن، لزوم دستیابی به کاتالیست هایی با فعالیت بالاتر که امکان تهیه محدوده وسیعتری از گریدهای پلی اتیلن را نیز فراهم آورد، اجتناب ناپذیر ساخته است.

توسعه کاتالیست های زیگلر

معرفی سیستم های جدید کاتالیستی زمینه مهمی را در تکنولوژی پلی الفینها از هر دو دیدگاه صنعتی و علمی گشوده است. در کاتالیست های زیگلر صنعتی که به صورت هتروژن تهیه         می شوند استفاده از ترکیبات ‌منیزیم به عنوان ساپورت برای قرار گرفتن کمپلکسهای تیتانیم، پیچیدگی کاتالیست را افزایش داده است. علاوه بر آن، عملکرد کاتالیست و طبیعت گونه های تیتانیم که مراکز فعال کاتالیست را تشکیل می دهند، به نحو چشمگیری وابسته به روش ساخت و نوع ترکیبات شیمیایی مورد استفاده در ساخت کاتالیست می باشد. به عبارت دیگر با تغییر ترکیب شیمیایی کاتالیست امکان کنترل موثر نوع مراکز فعال و به تبع آن توزیع جرم مولکولی و خواص مکانیکی و فرآیند پذیری پلی‌اتیلن میسر می گردد.

بنابراین ارایه یک راهکار مناسب بدون تغییر اساسی در مواد اولـیه و شرایط سنتــز با هــدف افزایش کارایی کاتالیست و کنترل توزیع جرم مولکولی از اهمیت بالایی برخــوردار می باشد که این مورد یکی از مهمترین اهداف توسعه نسل‌های جدید کاتالیست‌های پلی اتیلن می باشد که توسط شرکتهای پیشرو بین المللی همچون lyondellbasell ، Mitsuii و BP  به اجرا گذاشته شده است.

کاتالیست های زیگلر در شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی

شرکت پژوهش و فن آوری پتروشیمی تحقیقات متعددی را در قالب پروژه های پژوهشی و حمایتی- دانشجویی در زمینه سنتز و شناسایی کاتالیست های مختلف پلی الفینی و نیز بررسی رفتار پلیمریزاسیون آنها به اتمام رسانده است اما با توجه به نقش استراتژیک کاتالیستهای پلی الفینی و لزوم تحقیقات یکپارچه و متمرکز در این زمینه ، از سال 1386 اجرای طرح های پژوهشی در زمینه کسب دانش فنی ساخت کاتالیست زیگلر را با هدف دستیابی به کاتالیستهایی با خواص قابل رقابت با جدیدترین کاتالیست های معرفی شده در بازار که بخصوص در فرآیندهای هوستالن و ACP[1] کاربرد دارند را آغاز نمود و در این راستا روشهای مختلف ساخت کاتالیست بررسی و در مقیاس آزمایشگاهی اجرا گردید. در مرحله بعد مشخصه های اصلی کاتالیست های ساخته شده مورد آنالیز و مقایسه قرار گرفت و در نهایت روش بهینه نهایی در مقیاس بنچ و پایلوت به کار گرفته شد. کاتالیست های ساخته شده برای تولید گریدهای مختلف پلی اتیلن با دانسیته بالا به خصوص فیلم و لوله با توزیع جرم مولکولی تک قله ای ، دو قله ای و چند قله ای کاربرد دارند.

  نمونه کاتالیست صنعتی

 نمونه کاتالیست AZ
 

برخی از مزایای کاتالیست های سنتز شده عبارتند از:

1-                فعالیت بسیار بالا

2-                پاسخ دهی مناسب به هیدروژن

3-                توزیع اندازه ذرات باریک

4-                حذف ذرات بسیار ریز و نیز حذف واکس

5-                ایجاد مورفولوژی یکنواخت در پلیمر نهایی

روش مورد استفاده در مقایسه با روش هایی که در حال حاضر در واحد های صنعتی به کار می رود دارای مزایای فنی زیر می باشد:

1-    سهولت روش ساخت کاتالیست

2-    راندمان بالا

3-    صرفه جویی در مصرف مواد اولیه

4-    حذف مراحل زمانبر

5-   کاهش زمان تولید

در روشهای معمول که در حال حاضر در واحدهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، نسبت بالایی از ترکیب تیتانیم که یکی از اصلی ترین مواده اولیه ساخت کاتالیست می باشد مورد استفاده قرار می گیرد که قسمت اعظم آن به صورت مازاد باقی مانده و باید در طول فرآیند شستشو از محیط خارج شود اما در کاتالیست های معرفی شده توسط شرکت پژوهش و فناوری پتروشیمی  میزان ترکیب تیتانیم استفاده شده به نحو قابل توجهی کاهش یافته که علاوه بر صرفه جویی در مصرف مواد اولیه باعث کاهش مشکلات زیست محیطی مرتبط با بازیابی ترکیبات تیتانیم نیز می‌شود.

نونا قاسمی- کارشناس شرکت پژوهش و فن آوری پتروشیمی