การผลิตฟอร์มาลดีไฮด์ความบริสุทธิ์สูงด้วยตัวเร่งปฏิกิริยาขั้นสูง

เหตุใดฟอร์มาลดีไฮด์ความบริสุทธิ์สูงจึงสำคัญ: ปัจจัยขับเคลื่อนอุตสาหกรรมและข้อกำหนดเฉพาะ

เพื่อวัตถุประสงต์ในอุตสาหกรรม ฟอร์มาลดีไฮด์จำเป็นต้องมีความบริสุทธิ์เกือบเต็ม มากกว่า 99.9% มิเช่นเช่นนั้นปัญหาจะเกิดขึ้นในขั้นตอนถัดไป ซึ่งจะก่อให้เกิดค่าใช้จ่าย เมื่อผลิตเรซิน แม้ส่วนเล็กๆ ของกรดฟอร์มิกที่สูงกว่า 50 ส่วนต่อล้านส่วนก็สามารถทำให้เกิดปัญหาอย่างรุนราน ทำให้เรซินเกิดพอลิเมอไรเซชันเร็วมาก ซึ่งจะลดผลผลิตต่อชุดลงประมาณ 15% และคุณรู้ไหม? ของเสียที่เพิ่มขึ้นหมายความว่าค่าใช้จ่ายในการกำจัดของเสียสำหรับโรงงานจะสูงขึ้น ในงานเภสัชกรรม ต้องการวัตถุดิบที่สะอาดกว่านั้นมาก ฟอร์มาลดีไฮด์ที่ใช้ในการผลิตยาต้องมีกรดฟอร์มิกต่ำกว่า 10 ส่วนต่อล้านส่วน เนื่องถ้าไม่เช่นนั้นตัวเร่งปฏิกิริยาจะถูกเปรอะเปื้อน ทำให้เกิดการปนเปื้อนในชุดผลิตภัณฑ์ ซึ่งบางครั้งทำให้การผลิตหยุดชะงักอย่างสิ้นหวัง สำหรับกาวและผลิตภัณฑ์ไม้วิศวกรรม การควบคุมเมทานอลต่ำกว่า 0.1% เป็นสิ่งที่สำคัญยิ่ง มิเช่นนั้นพอลิแอซีทัลจะเกิดและทำให้พันธะโครงสร้างที่สำคัญอ่อนแอลง ผู้ผลิตรถยนต์ก็ใส่ใจเรื่องนี้เช่นเดียวกัน ระบควบคุมการปล่อยมลพิษของพวกเขาต้องการฟอร์มาลดีไฮด์ที่มีความบริสุทธิ์ 99.95% สำหรับหน่วย SCR สารประกอบกำมะถันในวัสดุที่คุณภาพต่ำกว่าสามารถลดประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาเกือบครึ่ง หลังจากการใช้งานเพียง 500 ชั่วโมง ข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์ทั้งหมดเหล่านี้มีความสำคัญมากในการปฏิบัติจริง ส่งผลต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ ไม่ว่าบริษัทจะสามารถปฏิบัติตามข้อบังคับหรือไม่ และในที่สุดจะกำหนดว่าการดำเนินงานจะยังคงมีกำไรหรือไม่

หลักการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับความบริสุทธิ์ของฟอร์มาลดีไฮด์ 99.9%

การบรรลุความบริสุทธิ์สูงสุดของฟอร์มาลดีไฮด์ (>99.9%) จำเป็นใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่สามารถเปลี่ยนแปลงเมทานอลแบบเลือกเฉพาะ พร้อมยับยั้งผลิตภัณฑ์ข้างคู่ที่เช่น กรดฟอร์มิก และ CO ระบบอุตสาหกรรมพึ่งพาสูตรสารออกไซด์ของโลหะและการออกแบบโครงสร้างอย่างแม่นยำ เพื่อรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพการแปลงกับการควบคุมสิ่งปนปน

การออกซิเดชันเมทานอลแบบเลือกเฉพาะผ่านตัวเร่งปฏิกิริยา Fe-Mo-O และตัวเร่งปฏิกิริยาที่อิงบนเงิน

ระบบโมลิบดีนัมโอไซด์เหล็ก Fe2Mo3O12 กลายเป็นมาตรฐานสําหรับเรอคเตอร์ที่ติดตั้ง พวกนี้ทํางานได้ดีที่สุด ณ ช่วง 350 ถึง 450 องศาเซลเซียส ที่พวกเขาเปลี่ยนเมธาโนล ในอัตราที่น่าประทับใจประมาณ 99.2% สิ่งที่ทําให้มันมีประสิทธิภาพ คือโครงสร้างชั้นชั้นของมัน ที่สร้างจุดกรดที่จําเป็น ที่จะเปลี่ยนเมธาโนลเป็นฟอร์มัลดีฮีด โดยไม่ไปไกลเกินไป และสร้างผลิตภัณฑ์ข้างเคียงที่ไม่ต้องการ คาตัลิสเตอร์เงินเป็นตัวเลือกอีกอย่าง แต่มันต้องการสภาพร้อนกว่ามากๆ ประมาณ 600 องศาเซลเซียส แม้จะต้องการอุณหภูมิสูงกว่า แต่เงินให้ผลดีขึ้น ด้วยการเลือก 99.5% เพราะผิวของมันขาดออกซิเจนพอที่จะสร้าง CO2 เป็นปฏิกิริยาข้างเคียง เมื่อผู้ประกอบการควบคุมความเร็วในอวกาศต่ํากว่า 0.5 ต่อชั่วโมง ทั้งสองวิธีการผลิตฟอร์มัลเดฮีดที่มีความบริสุทธิ์ที่คงอยู่เหนือ 99.9% ทําให้ระบบเหล่านี้เป็นทางเลือกที่น่าเชื่อถือสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม

คาตัลิสเตอร์ Mo-V-Te-Nb-O: ประสบความสะอาดของกรดมูรมิค < 5 ppm และ 99.95% ของฟอร์มาลเดฮีด

ตัวเร่งปฏิกิริยาล่าสุดชนิด Mo-V-Te-Nb-O สามารถบรรลุระดับความบริสุทธิ์ที่น่าประทับใจอย่างมากถึง 99.95% เนื่องจากสามารถกำจัดผลพลอยดังกลบที่เป็นกรดอย่างมีประสิทธิภาพ สิ่งที่ทำให้วัสดุเหล่านี้มีประสิทธิภาพสูงคือโครงสร้างเฟส M1 แบบ orthorhombic พิเศษที่ทำให้ไซต์ของแวนนาเดียม ´´ซึ่งเป็นไซต์ที่มีปฏิกิริยา´´ แยกออกจากกัน ทำให้สามารถเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของเมทานอลได้โดยไม่มีการรบกวน ในขณะเดียวกัน พันธะ Te4+ ออกซิเจน-โมลิบดีนัม ก็ทำหน้าอย่างดีในการควบคุมระดับกรดฟอร์มิกให้อยู่ในระดับต่ำเพียง 5 ส่วนในล้านส่วน งานวิจัยที่ใช้เทคนิค in situ XRD ก็ค้นพบสิ่งที่น่าสนใจอีกหนึ่งเรื่อง นั่นคือเมื่่อัตราส่วนของ V4+ ต่อ V5+ คงอยู่ที่ประมาณ 15 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์ ปริมาณคาร์บอนที่สะสมจะต่ำสุด ซึ่งหมายความว่าตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้สามารถทำงานอย่างต่อเนื่อยเป็นเวลาเกินกว่า 8,000 ชั่วโมงติด นี่เป็นสิ่งที่น่าทึ่งอย่างมากเมื่อพิจารณาว่าสิ่งนี้ทำให้กระบวนการผลิตสะอาดกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา Fe-Mo รุ่นเก่าอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งทิ้งสิ่งปนทรวงมากกว่าประมาณ 92% ตามการค้นพบล่าสุดที่ตีพิมพ์ในวารสาร Catalysis Today ปี 2023

เพิ่มผลผลิตของฟอร์มาลดีไฮด์สูงสุดในขณะที่ลดผลพลอยพาต่ำสุด

ตัวรองรับที่มีโครงสร้างนาโน (SiO₂ แบบมีรูพรุนขนาดกลาง, TiO₂ แบบอนาเทส) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันเกิน

วัสดุนาโนพิเศษที่มีโครงสร้างเฉพาะ เช่น ซิลิกาไดออกไซด์แบบมีรูพรุนขนาดกลาง และไทเทเนียมไดออกไซด์แบบอะนาเทส ช่วยให้ผู้ผลิตสามารถควบคุมปริมาณฟอร์มาลดีไฮด์ที่เกิดขึ้นในกระบวนการทางเคมีได้ดียิ่งขึ้น วัสดุเหล่านี้ทำงานได้ดีเนื่องจากมีพื้นที่ผิวมากถึงประมาณ 500 ถึง 800 ตารางเมตรต่อกรัม รวมทั้งมีรูพรุนที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2 ถึง 10 นาโนเมตร ส่งผลให้ส่วนที่ทำหน้าที่ของตัวเร่งปฏิกิริยาถูกจำกัดอยู่ภายในโครงสร้างเหล่านี้ ซึ่งจะป้องกันไม่ให้เกิดการเปลี่ยนแปลงไปเป็นคาร์บอนไดออกไซด์อย่างสมบูรณ์ ผลลัพธ์คือ การสร้างกรดฟอร์มิกเป็นผลพลอยได้ลดลงอย่างมากเมื่อใช้วัสดุรองรับขั้นสูงเหล่านี้ เมื่อเทียบกับวิธีการเดิม โดยลดลงประมาณ 40 ถึง 60 เปอร์เซ็นต์ ขณะที่ยังคงผลิตฟอร์มาลดีไฮด์ได้เลือกสรรสูงกว่า 99 เปอร์เซ็นต์ ไทเทเนียมไดออกไซด์ในรูปแบบอะนาเทสโดยเฉพาะ ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนผ่านระบบ เนื่องจากช่องว่างบางประการในโครงสร้างของออกซิเจน คุณสมบัตินี้ช่วยป้องกันปฏิกิริยาที่ไม่ต้องการไม่ให้เกิดขึ้น แม้ในสภาวะอุตสาหกรรมทั่วไปที่อุณหภูมิอยู่ระหว่าง 300 ถึง 400 องศาเซลเซียส

การปรับอัตราส่วน Ce³⁺/Ce⁴⁺ ผ่านเทคนิค in situ DRIFTS และ XRD เพื่อควบคุมออกซิเจนผิวอย่างมั่นคง

เมื่อเราเพิ่มประสิทธิภาพของคู่รีดอกซ์ Ce³⁺/Ce⁴⁺ โดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น in situ DRIFTS และ XRD เราสามารถควบคุมชนิดของออกซิเจนที่มีปฏิกิริยาได้ดีกว่าอย่างชัดเจน การรักษาอัตราส่วน Ce³⁺/Ce⁴⁺ อยู่ในช่วง 0.7 ถึง 1.2 ผ่านการดอปวัสดุอย่างชาญฉลาด ทำให้เกิดช่องว่างของออกซิเจน ที่สามารถจับโมเลกุลเมทานอลได้อย่างเฉพาะเจาะ ที่น่าทึ่งคือระบบนี้สามารถต้านทานการสะสมของคาร์บอนอย่างมีประสิทธิภาพ การวิเคราะห์ข้อมูล XRD แบบเรียลไทม์แสดงว่าแนวทางที่สมดุลนี้ช่วยรักษาความเสถียรของตัวเร่งปฏิกิริยาในระหว่างปฏิกิริยาเคมี ซึ่งลดสิ่งปนปลือของกรดฟอร์มิกลงต่ำกว่า 50 ส่วนในล้านส่วน วิธีนี้โดยรวมให้ผลค่อนดี โดยให้ผลผลิตของฟอร์มาลดีไฮด์อยู่ที่ประมาณ 92 ถึง 95 เปอร์เซ็นต์ในขั้นตอนเดียว ในขณะที่ยังคงรักษาระดับคุณภาพผลิตภัณฑ์เกือบที่ 99.9 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเกิดเนื่องจากการเกิดเพอร์ออกไซด์ได้ยากขึ้น และลดโอกาสของการเกิดตะกอนคาร์บอนที่ไม่พึงประสงด์

การปรับสมดุลระหว่างการแปลงและการบริสุทธิ์ในปฏิกรณ์ฟอร์มาลดีไฮด์แบบเบดคงที่

เครื่องปฏิกรณ์แบบเตียงคงที่เป็นหัวขบในกระบวนการผลิตฟอร์มาลดีไฮด์ขนาดใหญ่ เนื่อง้ด้วยความเรียบง่ายในการดำเนินงานและประหยัดต้นทุน แต่เพื่อให้ได้อัตราการแปลงเมทานอลสูงสุดในขณะที่ยังคงรักษาความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์ที่ระดับหรือสูงกว่า 99.9% จำเป็นต้องให้ความใส่ใจอย่างรอบถัดถึงหลายปัจจัยสำคัญ อุณหภูมิควบคุมมีความสำคัญอย่างมากในระบบนี้ เมื่อเกิดความต่างอุณหภูมิเกินประมาณ 5 องศาเซลเซียสต่อเซนติเมตรทั่วเตียงตัวเร่งปฏิกิริยา เริ่มเกิดปัญหาการออกซิเดชันเกินซึ่งเพิ่มสิ่งเจือปนกรดฟอร์มิกเกิน 50 ส่วนในล้านส่วน ตามการวิจัยที่ตีพิมพ์ปีที่ผ่านในวารสาร Reaction Engineering Journal แบบเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อหลายตัวรุ่นใหม้ที่มีเปลือลเย็นในตัวสามารถจัดการความร้อนได้ดีกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ลดปฏิกิริยารองที่ไม่พึงประสง์และรักษาอัตราการแปลงที่ประมาณ 97% การได้สัดส่วนที่เหมาะสมระหว่างออกซิเจนและเมทานอลก็มีความสำคัญไม่แพ้ หากราค่ต่ำกว่า 1.3 ถึง 1.5 การออกซิเดชันจะไม่เพียงพอและผลผลิตจะต่ำกว่า 90% หากมีออกซิเจนมากเกินจะสร้างคาร์บอนไดออกไซด์แทน โรงงานส่วนใหญ้พึ่งการวิเคราะห์โครมาโทกราฟีก๊าซแบบเรียลไทม์เพื่อปรับเวลาที่วัสดอนั้นอยู่ในเครื่องปฏิกรณ์ โดยการลดเวลาพำนักเหลือต่ำกว่าครึ่งวินาที ผู้ผลิตสามารถรักษาระดับกรดฟอร์มิกต่ำกว่า 5 ppm อย่างดี โดยไม่กระทบต่อความจุการผลิตโดยรวม

ตัวแปรสำคัญสำหรับการปรับแต่ง

• การควบคุมความร้อน : เขตระบายความร้อนที่บรรจุเซรามิกช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิในแนวแกนลงได้ถึง 70%
• องค์ประกอบของสารตั้งต้น : ตัวควบคุมอัตราส่วนแบบอัตโนมัติรักษาระดับความแม่นยำทางสโตอิคิโอเมตริกไว้ภายใน ±0.05 หน่วย
• การจัดเรียงตัวเร่งปฏิกิริยา : ชั้นของ Fe-Mo-O และ Ag ทำงานตามลำดับเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการเปลี่ยนแปลงและกำจัดสิ่งปนเปื้อน

แนวทางบูรณาการนี้ทำให้ระบบเตียงคงที่สามารถผลิตกรดฟอร์มิกได้เข้มข้นเพียง 3 ppm พร้อมความบริสุทธิ์ของฟอร์มาลดีไฮด์ที่ 99.95% — ซึ่งเหนือกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบเบดไหลเวียนในการควบคุมผลพลอยได้ แม้อัตราการไหลต่อหน่วยปริมาตรจะต่ำกว่า

คำถามที่พบบ่อย

ฟอร์มาลดีไฮด์ความบริสุทธิ์สูงมีความสำคัญอย่างไรในงานประยุกต์ใช้งานเชิงอุตสาหกรรม?

ฟอร์มาลดีไฮด์ความบริสุทธิ์สูงมีความสำคัญเนื่องจากช่วยให้การผลิตเรซินมีประสิทธิภาพ รักษาความสมบูรณ์ของการผลิตยา เพิ่มคุณภาพของกาวในผลิตภัณฑ์ไม้วิศวกรรม และยกระดับการควบคุมการปล่อยมลพิษในอุตสาหกรรมยานยนต์ โดยป้องกันการเป็นพิษต่อตัวเร่งปฏิกิริยาและการเสื่อมสภาพของพันธะโครงสร้าง

ตัวเร่งปฏิกิริยาทำให้ได้ฟอร์มาลดีไฮด์ความบริสุทธิ์ 99.9% ได้อย่างไร

ตัวเร่งปฏิกิริยาช่วยให้ได้ฟอร์มาลดีไฮด์ที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก โดยการเปลี่ยนเมทานอลอย่างเลือกสรร พร้อมทั้งยับยั้งการเกิดผลิตภัณฑ์พลอยได้ ระบบอุตสาหกรรมใช้สูตรสารออกไซด์ของโลหะที่แม่นยำเพื่อให้การแปลงเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพและควบคุมสิ่งปนเปื้อนได้ดี

โครงสร้างนาโนที่ใช้เป็นตัวรองรับมีบทบาทอย่างไรในการผลิตฟอร์มาลดีไฮด์

โครงสร้างนาโนที่ใช้เป็นตัวรองรับ เช่น ซิลิกาแบบมีรูพรุนขนาดกลาง และไทเทเนียมไดออกไซด์แบบอะนาเทส ช่วยยับยั้งการเกิดออกซิเดชันเกินขนาด และลดผลิตภัณฑ์พลอยได้ที่ไม่ต้องการ เช่น กรดฟอร์มิก ขณะที่ยังคงรักษาระดับการผลิตฟอร์มาลดีไฮด์ที่สูงและความเลือกสรรได้ไว้

ทำไมจึงนิยมใช้ปฏิกรณ์แบบเบดรูปแบบคงที่ (fixed-bed reactors) สำหรับการผลิตฟอร์มาลดีไฮด์ในระดับใหญ่

ปฏิกรณ์แบบเบดรูปแบบคงที่เป็นที่นิยมเนื่องจากมีความเรียบง่าย คุ้มค่าต่อต้นทุน และสามารถรักษาอัตราการแปรสภาพเมทานอลให้อยู่ในระดับสูงและรักษาระดับความบริสุทธิ์ของฟอร์มาลดีไฮด์ได้ โดยการควบคุมอุณหภูมิ อัตราส่วนออกซิเจนต่อเมทานอล และช่วงเวลาอาศัยอยู่ภายในปฏิกรณ์อย่างแม่นยำ