تولید اتانول سنتزی به عنوان یک گزینه جذاب سرمایه گذاری با ظرفیت های پایین در زنجیره ارزش متانول

اتانول به عنوان یک ماده شیمیایی مهم، بصورت گسترده در صنایع بهداشتی، سوخت، شیمیایی و ... مورد استفاده قرار می گیرد. ظرفیت اسمی واحدهای تولید کننده اتانول در سال 2022 میلادی حدود 180 میلیون تن در مقیاس جهانی و بزرگترین تولید کننده آن شرکت ARCHER DANIELS MIDLAND با 21% سهم تولید می باشد. بزرگترین تولید کنندگان اتانول ایالات متحده و برزیل با سهم 50% و 23% تولید جهانی و بزرگترین صادر کننده اتانول ایالات متحده به میزان 3 میلیون تن و بزرگترین وارد کننده اروپای غربی به میزان 5/1 میلیون تن می باشد. لذا میزان تجارت پذیری اتانول به علت تقاضای متوسط و مصرف در محل تولید تنها 10% است. ظرفیت اسمی تولید اتانول در خاورمیانه500 هزار تن است که 300 هزار تن به عربستان سعودی به عنوان تنها دارنده اتانول سنتزی در منطقه با ظرفیت 300 هزار تن در سال اختصاص دارد. مصارف عمده اتانول شامل 73% سوخت، 10% صنایع و 17% در صنایع غذایی و نوشیدنی می باشد. قیمت فعلی اتانول 99.5% سی CFR کره جنوبی حدود 650 دلار بر تن است که به معنای فروش به قیمت حدود 590 دلار بر تن فوب خلیج فارس خواهد بود.
در حال حاضر متداولترین روش تولید این الکل از طریق تخمیر مواد غذایی است، مانندتخمیر ذرت در آمریکا و ساقه نیشکر در برزیل. برای تولید اتانول روش شناخته شده دیگری نیز وجود دارد که شامل ساخت آن از اتیلن با استفاده از بخار می باشد. در سالهای اخیر با توجه به جمعیت زیاد کشور چین و همچنین با توجه به محدودیت منابع غذایی و افزایش هزینه تولید الکل از روش تخمیر در این کشور، ضرورت توسعه روشهای بهینه تولید این محصول مورد بررسی قرار گرفت. این موضوع نیز شایان ذکر است که با توجه به ضرورت مدیریت و کنترل گازهای حاصل از احتراق در بخش حمل و نقل سبک شهری، لزوم بهره گیری از اتانول در بنزین مورد حمایت دولت چین می باشد. از ین رو کشور چین با تقاضای قابل توجه اتانول سنتزی مواجه شده است به طوری که شکاف تقاضا و مصرف اتانول سوختی در چین در سال 2022 به حدود 10 میلیون تن رسید.
فناوری های پیشنهادی تولید اتانول از گاز سنتز بطور کلی در سه دسته زیر قرار دارند:
1-تبدیل مستقیم گاز سنتز به اتانول
2-تبدیل گاز سنتز به اتانول از طریق هیدروژناسیون استیک اسید
3-تبدیل گاز سنتز به اتانول از طریق هیدروژناسیون متیل استات یا به طور مخفف تکنولوژی DMTE

در روش اول تولید مستقیم اتانول از گاز طبیعی، نیاز به استفاده از فلز گرانبهای رودیوم به عنوان کاتالیست می باشد، لذا قیمت کاتالیست در این روش به نسبت بالا می باشد. علاوه بر این در این روش انتخاب پذیری بسیار پایین می باشد و با توجه به اینکه مکانیزم واکنش در این حالت بسیار پیچیده است امکان بهبود انتخاب پذیری در این روش به آسانی مقدورنمی باشد و تاکنون فرآیند صنعتی از این روش گزارش نشده است.
روش دوم تولید اتانول، در واقع ترکیبی از دو فرآیند صنعتی رایج برای تولید متانول و استیک اسید میباشد به همراه یک تکنولوژی جدید برای هیدروژناسیون استیک اسید به اتانول. برای اولین بار شرکت MONSANTO تکنولوژی تولید اسید استیک و BASF تکنولوزی هیدروژناسیون این روش را ارائه نمود.
با توجه به بررسیهای انجام شده در حال حاضر این تکنولوژی در دنیا برای تولید اتانول بسیار محدود مورد استفاده قرارمی گیرد. دلایل عدم موفقیت این روش را می توان موارد زیر در نظر گرفت:
نیاز به استفاده از آلیاژهای خاص و مقاوم در برابر خوردگی برای واحدهای فرآیندی
قیمت بالای کاتالیست و دسترسی محدود به کاتالیست با کیفیت مطلوب
حساسیت کاتالیست به مقادیر کم نیتروژن و سولفور
نیاز به نسبت بالای هیدروژن به مونوکسید کربن در خوراک
تولید محصولات جانبی کم ارزش
در روش سوم یا DMTE اتانول از دی متیل اتر و در ادامه متیل استات سنتز میشود. سپس متیل استات به اتانول و متانول هیدروژنه می گردد. هر چند این مسیر در ابتدای توسعه خود می باشد، اما چشم انداز کاربری بالایی را نمایان ساخته است. از مزایای این فرآیند می توان به عدم نیاز به کاتالیست گران قیمت، میزان بهینه مصرف انرژی و استفاده از کربن استیل در جنس تجهیزات بدلیل حذف استیک اسید و انعطاف پذیری تولید بسته به نیاز بازار به متیل استات و اتانول اشاره نمود. بصورت کلی می توان گفت که روشDMTE اقتصاد بهتری نسبت به سایر رو شها دارد و عامل آن نیز کاهش جدید هزینه های سرمایه گذاری، کاهش پیچیدگی فرآیند و انعطاف پذیری در تولید میباشد.
اولین واحد با تکنولوژیDMTE در سال 2017 در چین و با ظرفیت 100 هزار تن در سال شروع به تولید نموده است. در این واحد از گاز سنتز حاصل از ذغال سنگ استفاده می گردد. در سال 2023 بزرگترین تجهیزات تولید اتانول جهان، با تولید سالانه 600 هزار تن در شهر Huaibei، استان آنهویی در شرق چین راه با استفاده از فناوری پیشرفته ای که به طور مشترک توسط مؤسسه شیمی فیزیک دالیان (DICP) و شرکت نفتی Shaanxi Yanchang راه اندازی شده است. با توجه به بررسیهای صورت گرفته، تولید اتانول سنتزی از متانول و دو خوراک جانبی مونواکسید کربن و هیدروژن مبتنی بر دانش فنی انحصاری چینی متعلق به موسسه شیمی و فیزیک دالیان با نام تجاری DMTE برای ظرفیتهای 100 و 300 و 500 و 600 هزار تن در سال اتانول سوختی با خلوص بالا مورد تجاری قرار گرفته است.
در این تکنولوژی متیل استات (MA) توسط کربونیلاسیون دی متیل اتر DME که خود از متانول تولید شده است، به کمک کاتالیزور H-Mordenite تشکیل می گردد. پس از آن، با هیدروژناسیون MA به کمک Cu/ZnO متانول و اتانول تولید می شوند. گاز واکنش دهنده حاوی 1.0٪ DME و دمای بهینه برای واکنش 493  درجه کلوین است. در محصولات خروجی، بازده متانول و اتانول می تواند به ترتیب به 46.3٪ و 42.2٪ با مقدار کمی MA، اتیل استات و CO2 باشد. متانول به عنوان محصول جانبی اصلی دوباره برای تولید DME بازگشت داده می شود.
فرآیندDMTE به جز بخش جداسازی گاز سنتر به هیدروژن و منوکسید کربنف دارای 3 بخش اصلی زیر می باشد:
سنتز دی متیل اتر در یک مرحله با خوراک متانول
کربونیلاسیون دی متیل اتربا مونوکسید کربن برای تولید متیل استات
هیدروژناسیون متیل استات با خلوص بالا برای تولید اتانول و محصول بازگشتی متانول
سنتز دی متیل اتر از متانول
متانول ورودی به این بخش در چند مرحله گرم شده تا دمای آن به حدود 240 درجه سلیسیوس برسد و سپس وارد راکتور می شود. در راکتور، متانول در اثر واکنش دی هیدراسیون با سایر ملکولهای متانول مولکو لهای آب را آزاد و به دی متیل اتر تبدیل میشود. در راکتور مقدار کمی نیز واکنش جانبی اتفاق میافتد و گازهای غیر قابل مایع شدن تولید می گردد. مخلوط واکنش پس از جداسازی ترکیبات غیر قابل کندانس به برج دی متیل اتر فرستاده شده و در آنجا دی متیل اتر از سایر ترکیبات جدا می شود. سایر ترکیبات شامل آب، متانول و ... برای جداسازی به برجهای بعد فرستاده می شوند.
تولید متیل استات
دی متیل اتر تولید شده در مرحله قبل پیش گرم شده و با CO مخلوط می گردد و سپس مخلوط تا دمای مورد نیاز گرم می شود. واکنش در دمای ابتدایی 240 درجه سلیسیوس و با فشار حدود 50 بار آغاز می شود و تا دمای 260 درجه سلیسیوس ادامه می یابد. ترکیبات خروجی از راکتور به منظور بازیابی انرژی آنها از یک سری مبدل عبور می کنند و سپس به منظور جداسازی متیل استات وارد برج جداسازی میشود. متیل استات از پایین برج خارج می شود و با متیل استات بازیافتی از برج متانول مخلوط می شود و به قسمت هیدروژناسیون فرستاده می شود. واکنش تولید متیل استات تا حدودی گرمازا می باشد و با تنظیم شرایط میتوان واکنشی برگشت ناپذیر را تنظیم نمود.
هیدروژناسیون متیل استات
متیل استات تولید شده در مرحله قبل به تبخیر کننده فرستاده می شود. هیدروژن تولید شده در بخشهای قبل با هیدروژن در گردش در این قسمت مخلوط و پس از گرم شدن با متیل استات آمیخته و وارد راکتور هیدروژناسیون می گردد. در کنار واکنش اصلی که متانول و اتانول تولید می کند، چند واکنش جانبی دیگر نیز نیز اتفاق می افتد و ترکیباتی مانند اتیل استات، اتان و آب نیز تولید میشوند. محصولات تولید شده در این مرحله برای جداسازی و خالص سازی به مرحله بعد فرستاده می شوند. محصولات تولید شده در مرحله قبل چندین آزئوتروپ دوتایی و سه تایی زیر را ایجاد میکنند و همین امر نیز جداسازی آن را دشوار می کند.
متانول- متیل استات
متیل استات - آب
متانول - اتیل استات
اتیل استات – اتانول – آب
با توجه به اینکه مقادیر آب و اتیل استات زیاد نمی باشد، تنها جداسازی متانول – متیل استات مشکل و چالش اصلی است. برای این منظور از روش استخراج با آب و تقطیر برای جداسازی متانول از متیل استات استفاده می شود.
تولید متانول و زنجیره پایین دستی آن بویژه MTO/P با ظرفیت اسمی 60 میلیون تن در سال تقریبا نیمی از طرح های جدید صنعت پتروشیمی ایران را تشکیل می دهند و پس از آن طرح های الفینی و زنجیره ارزش آنها به ظرفیت 48 میلیون تن در سال قرار دارند. صنعت پتروشیمی در سال 1402 حدود 72 میلیون متر مکعب گاز طبیعی در روز مصرف نموده که حدود 40% این مصرف صرف خوراک واحدهای متانول و آمونیاک گردیده است. با ورود طرح های جدید در این زمینه میزان مصرف گاز طبیعی باز هم افزایش خواهد یافت که وضعیت ناترازی گاز در کشور را بحرانی تر خواهد نمود.
هرچند به نظر می رسد وزارت نفت به سمت ابطال مجوز طرح های با پیشرفت پایین حرکت نموده است اما با توجه به وضعیت تولید و مصرف گاز طبیعی در کشور، برنامه ریزی جهت تامین پایدار خوراک و احداث واحدهای جدید به توجه بیش از پیش نیاز دارد. لذا تولید اتانول سنتزی از ماده اولیه متانول که خام فروشانه فروخته می شود می تواند یک گزینه سرمایه گذاری جدید اما با ظرفیت های پایین در کشورمان باشد.
جهت تولید 300 هزار تن اتانول سنتزی به 225 هزار تن متانول و 126 هزار نرمال متر مکعب در ساعت گاز سنتز نیاز است. گاز سنتز به واحد خالص سازی وارد شده و حدود 42 هزار نرمال متر مکعب گاز سوخت از آن جدا شده و 21 هزار نرمال متر مکعب در ساعت گاز مونوکسید کربن جهت کربونیله نمودن دی متیل اتر تولیدی از متانول و تولید ماده میانی متیل استات استفاده می شود. 39هزار نرمال متر مکعب در ساعت از هیدروژن خروجی واحد خالص ستزی گاز سنتز نیز در واحد هیدروژناسیون جهت تولید اتانول و متانول(با نسبت مولی یک به یک) از متیل استات استفاده شده و متانول تولیدی دوباره به راکتور تولید دی متیل اتر بازگشت داده می شود. 24 هزار نرمال متر مکعب در ساعت هیدروژن مازاد خروجی واحد خالص سازی گاز سنتز هم می تواند در صورت بر قرار بودن شرایط ذخیره و تسهیلات لجستیکی فروخته شود.
در شرایط فعلی جهت احداث واحد اتانول سنتزی به ظرفیت 300 هزار تن در سال که شامل بخش های تولید DME و خالص سازی گاز سنتز و تولید متیل استات و نهایتا هیدروژناسیون می باشدحدود 270 میلیون دلار سرمایه گذاری ISBL و OSBL نیاز است. اگر قیمت متانول ورودی را 240 دلار بر تن و قیمت گاز سنتز مورد نیاز را 8 سنت بر هر نرمال متر مکعب و قیمت فروش اتانول سنتری را 590 دلار بر تن فوب خلیج فارس فرض کنیم حاشیه فروش محصول اتانول حدود 140 دلار بر تن بدون در نظر گرفتن فروش محصول جانبی هیدروژن خواهد بود. بدیهی است در واحدهای تولید کننده متانول که امکان استفاده از گاز سنتز مازاد وجود دارد و همچنین بهای تمام شده متانول از قیمت فروش آن کمتر است این حاشیه سود به علت عدم نیاز به خرید گاز سنتز و متانول افزایش قابل توجهی خواهد داشت و تولید اتانول سنتزی از متانول به یک گزینه جذاب در زنجیزه ارزش متانول تبدیل و بازگشت سرمایه طرح به حدود 3 سال نزدیک می گردد. مطابق بررسی های انجام گرفته حدود 1 میلیون تن در سال واردات اتانول هند و خاورمیانه است که مسلما در صورت تولید اتانول در کشور و فروش با قیمت بهینه می توان نگاهی جدی به این بازارهای صادراتی داشت. در حال حاضر شرکت های متانول ساز خارک و زاگرس در کنار پتروشیمی فارابی و طرح صنایع شیمیایی لاوان با بررسی فنی و اقتصادی لازم، سرمایه گذاری احداث واحدهای اتانول سنتزی از متانول را مد نظر قرار داده اند.

*کارشناس مدیریت توسعه کسب و کار درحوزه پالایش و پتروشیمی