استفاده از بوتان در تولید سوخت‌های هوایی و افزودنی‌های سوخت

بوتان با تبدیل به ایزوبوتن و آلکیلات‌ها، نقش کلیدی در تولید افزودنی‌های با عدد اکتان بالا و بهبود کیفیت سوخت‌های هوایی ایفا می‌کند. سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778

بوتان (C₄H₁₀) یکی از هیدروکربن‌های سبک گروه آلکان‌ها است که به‌صورت طبیعی در گاز طبیعی و به‌عنوان بخشی از مخلوط‌های LPG (گاز مایع شدهٔ نفتی) یافت می‌شود. دو ایزومر مهم آن n-بوتان و ایزوبوتان هستند که هرکدام خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی داشته و در صنایع پتروشیمی کاربردهای مجزایی پیدا می‌کنند. در نگاه نخست ممکن است بوتان سوختی بسیار سبک و نامناسب برای استفاده در موتورهای توربین یا پیستونی بدان‌رسد، اما در زنجیرهٔ ارزش سوخت‌های هوایی نقش بسیار مهمی ایفا می‌کند — نه به‌عنوان سوخت نهایی در بیشتر موارد، بلکه به‌عنوان خوراک (feedstock) و مادهٔ اولیه‌ای که از طریق فرآیندهای شیمیایی تبدیل به ترکیبات مفید و افزودنی‌های عملکردی برای سوخت می‌شود.

در این مقاله، ابتدا ویژگی‌های بوتان و ایزومرهایش را مرور می‌کنیم، سپس مسیرهای تولید و تبدیل C₄H₁₀ در صنایع مرتبط با سوخت را شرح می‌دهیم، نقش آن در تولید اجزای باکیفیت و افزودنی‌ها را بررسی می‌کنیم، و در پایان محدودیت‌ها، نگرانی‌های محیط‌زیستی و نکات ایمنی و اقتصادی مرتبط با استفاده از بوتان را مطرح می‌کنیم.

خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بوتان و ایزومرها

بوتان مولکولی کم‌وزن است و در دما و فشار استاندارد به‌صورت گاز وجود دارد، اما به‌راحتی در دما و فشار پایین‌تر یا تحت فشار متوسط به مایع تبدیل می‌شود — همین ویژگی باعث شده که بوتان بخش بزرگی از بازار LPG را تشکیل دهد و به‌عنوان سوخت گرمایشی و خوراک صنعتی عرضه شود.

n-بوتان ساختار خطی دارد، در حالی که ایزوبوتان (یا متیل‌پروپان) ساختاری منشعب دارد که بر خواصش تاثیر می‌گذارد: ایزوبوتان به‌راحتی تحت فرآیند ایزومریزاسیون و واکنش‌های دگرگونی قرار می‌گیرد و خوراک مناسبی برای تولید ایزوآلکنی‌ها (مانند ایزوبوتن) و آلکیل‎‌دهنده‌هاست. بو و رنگ خاصی ندارند و از نظر اشتعال‌پذیری بسیار فعالند؛ فشار بخاری نسبتاً بالایی دارند که هنگام مخلوط شدن با بنزین و سوخت‌های سبک می‌تواند رفتار تبخیر و ایمنی ذخیره‌سازی را تغییر دهد.

مسیرهای تولید و تبدیل بوتان در زنجیرهٔ سوخت

بوتان به‌طور مستقیم از منابع گاز طبیعی، میعانات گازی و پالایشگاه‌های نفت خام (در جریان تفکیک تقطیری و فرآیندهای گریدینگ) به‌دست می‌آید. از منظر پتروشیمی، مهم‌ترین تبدیل‌های C₄H₁₀ عبارت‌اند از:

دگرگونه‌سازی به آلکن‌ها (دهیدروژناسیون/پلیمریزاسیون): تبدیل ایزوبوتان به ایزوبوتیلن (ایزوبوتن) از طریق دهیدروژناسیون کاتالیتیک یا فرآیندهای کرکینگ سبک انجام می‌شود. ایزوبوتن خوراک کلیدی در واکنش‌های بعدی است.

آلکیلاسیون: یکی از مهم‌ترین کاربردهای ایزوبوتن واکنش آن با اولفین‌ها (مانند بوتن‌ها) در حضور اسید (HF یا سولفوریک) برای تولید آلکیلِیت (alkylate) است، که یک جزء با عدد اکتان بالا و خاصیت ضدضربه (antiknock) عالی برای بنزین است.

تبدیل به اترها و اکسیژنه‌ها: ایزوبوتن می‌تواند با متانول یا اتانول واکنش دهد تا مرکاپتان‌ها یا اتراکسیژنات‌ها مانند MTBE یا ETBE (که در گذشته به‌عنوان اکسیژن‌دهنده در بنزین برای کاهش انتشار CO و افزایش اکتان به‌کار می‌رفت) تولید شود.

تولید پلیمرها و افزودنی‌ها: ایزوبوتن به‌عنوان مونومر یا خوراکی برای تولید پلی‌ایزوبوتیلن (PIB) و سایر پلیمرها استفاده می‌شود — محصولاتی که در تولید مواد افزودنی روغن‌ها و روانکارها کاربرد دارند.

این فرآیندها نشان می‌دهند که C₄H₁₀ به‌خودیِ خود کمابیش برای استفاده مستقیم در موتورها و توربین‌های هوایی مناسب نیست؛ اما از طریق تبدیل شدن به مونومرها، اترها، آلکیلِیت‌ها و پلیمرها می‌تواند نقش مهمی در بهبود کیفیت سوخت‌ها و تولید افزودنی‌های عملکردی ایفا کند.

نقش بوتان در تولید اجزای سوخت‌های هواپیمایی

وقتی صحبت از سوخت‌های هواپیمایی می‌شود، باید میان دو خانوادهٔ بزرگ تفکیک قائل شد: بنزین هواپیمایی (AvGas) که برای موتورهای پیستونی (هواپیماهای سبک) استفاده می‌شود، و سوخت جت (Jet A / Jet A-1 / JP-series) که برای موتورهای توربینی و جت‌ها کاربرد دارد. هرچند C₄H₁₀ به‌صورت مستقیم در سوخت‌های توربین کاربرد ندارد، اما فرآورده‌های بوتانی می‌توانند در تولید برخی اجزای مهم تأثیرگذار باشند:

تولید ترکیبات با عدد اکتان بالا برای AvGas: اجزایی که از C₄H₁₀ مشتق می‌شوند (مانند آلکیلِیت تولیدشده از ایزوبوتن) دارای عدد اکتان بالا و سوختی پایدار در برابر ضربهٔ احتراق هستند — خصوصیتی که برای بنزین‌های هواپیمایی ضروری است. برای مثال، آلکیلِیت‌ها به‌عنوان ترکیبات با پاک‌سوزی خوب و مقاومت بالا در برابر پنچری ضربه به کار می‌روند و می‌توانند در فرمولاسیون AvGas در کنار سایر هیدروکربن‌ها قرار گیرند.

خوراک تولید افزودنی‌های آنتی‌اکسیدانت و پایدارکنندهٔ اکسیداسیون: بعضی از افزودنی‌های آنتی‌اکسیدان و پایدارکننده که از مشتقات C4 یا مشتقات آنالوک تولید می‌شوند در پایدار نگه‌داشتن سوخت هواپیمایی در برابر اکسیداسیون (به‌خصوص در ذخیره‌سازی طولانی‌مدت) موثرند. بوتان و مشتقات بوتانی می‌توانند به‌عنوان حلال یا خوراک شیمیایی در سنتز این مولکول‌ها نقش داشته باشند.

تولید افزودنی‌های روانکاری و ضدسایش: پلی‌ایزوبوتیلن (PIB) که از ایزوبوتن به‌دست می‌آید، پایهٔ تولید بسیاری از افزودنی‌های روان‌کننده و بسته‌کنندهٔ مولکولی است. این دسته از ترکیبات ممکن است در بخش‌هایی از سیستم‌های سوخت‌رسانی هوایی که نیازمند روانکاری یا حفاظت در برابر سایش هستند، به‌صورت جزئی حضور داشته باشند.

ترکیبات آنتی‌فریز و مهارکننده یخ‌زدگی: هرچند ترکیبات اصلی FSII (Fuel System Icing Inhibitor) معمولاً گلیکول اترها و ترکیباتی مانند دی‌اتیلن گلیکول مونواتر هستند، اما بوتان و مشتقاتش می‌توانند در تولید حلال‌ها و واسطه‌هایی برای سنتز برخی از این ترکیبات نقش داشته باشند. به‌عبارت دیگر، بوتان اغلب «خوراک شیمیایی» است نه مادهٔ نهاییِ افزودنی.

نقش بوتان در فرمولاسیون افزودنی‌های سوخت (عمومی)

افزودنی‌های سوخت شامل طیف گسترده‌ای از مواد هستند: آنتی‌اکسیدان‌ها، ضدخورندگی‌ها، پاک‌کننده‌های انژکتور، پایدارکننده‌های اکسیداسیون، بازدارنده‌های خوردگی، بیوسایدها، ضدکف، و عوامل ضدیخ یا FSII. بوتان و مشتقات C4 در چند نقش کلیدی ظاهر می‌شوند:

خوراک شیمیایی برای سنتز پیش‌ماده‌ها: بسیاری از پیوندها و زنجیره‌های آلکیلی که در مولکول‌های افزودنی قرار می‌گیرند از C₄H₁₀ یا ایزوبوتن مشتق می‌شوند. به‌عنوان مثال، بخش‌های آلکیلی در مولکول‌های پایدارکنندهٔ آنتی‌اکسیدانت یا در ترکیبات پراکندگی (dispersants) ممکن است از واکنش‌های آلکیلاسیون با ایزوبوتن حاصل شوند.

تولید اکسیدان‌ها و اکسیژنات‌ها (در گذشته): همان‌طور که اشاره شد، ایزوبوتن می‌تواند برای تولید MTBE/ETBE به‌کار رود — ترکیباتی که به‌عنوان اکسیژن‌دهنده در بنزین به‌کار می‌رفتند تا احتراق کامل‌تر و کاهش آلاینده‌ها را ممکن سازند. هرچند استفاده از MTBE در بسیاری از کشورها محدود یا ممنوع شده است، نمونهٔ تاریخی نشان می‌دهد چگونه مشتقات C4 می‌توانند مستقیماً بر خواص احتراقی سوخت‌ها تأثیر بگذارند.

حلال و واسطهٔ تولید: بوتان و LPG معمولاً به‌عنوان حلال و واسطه در سنتز بعضی افزودنی‌ها و فرمولاسیون تولید استفاده می‌شوند، جایگاه کاربردی‌ای که برای تولید صنعتی افزودنی‌ها مهم است.

محدودیت‌ها، مخاطرات و مسائل زیست‌محیطی

در کاربرد بوتان به‌عنوان خوراک پتروشیمی و تولید افزودنی چند نکتهٔ مهم باید در نظر گرفته شود:

فراریت و ایمنی: C₄H₁₀ گازی سبک و بسیار فرار است؛ نشت آن می‌تواند منجر به انفجار و آتش‌سوزی شود. بنابراین ذخیره‌سازی، حمل‌ونقل و استفادهٔ صنعتی آن نیازمند تجهیزات ایمنی، حسگرهای گاز و استانداردهای پالایشگاهی است.

ملاحظات زیست‌محیطی: برخی مشتقات تولیدشده از بوتان، مانند MTBE، سابقهٔ آلودگی آب‌های زیرزمینی دارند و در بسیاری از کشورها به‌دلیل مشکلات زیست‌محیطی و بهداشتی کاربردشان محدود شده است. همچنین تولید و استفادهٔ افزودنی‌ها باید با درنظر گرفتن انتشار گازهای گلخانه ای و چرخهٔ تولید بررسی شود.

سازگاری با سوخت‌های هوایی: سوخت‌های هواپیمایی دارای استانداردهای فنی بسیار سخت‌گیرانه (مانند ASTM D1655 برای Jet A-1 و ASTM D910 برای AvGas) هستند. هرگونه افزودنی یا جزء جدید باید آزمایش‌های گستردهٔ سازگاری با خواص فروپاشی، پایدارسازی، نقطهٔ اشتعال، شاخص کلیوزیون الکترواستاتیک و رفتار در دماهای پایین را پشت سر بگذارد. بنابرین ورود ترکیبات جدید حاصل از C₄H₁₀ به فرمولاسیون سوخت هواپیمایی مستلزم آزمایش و تاییدیه‌های مقرون‌به‌صرفه و ایمن است.