هیدروژنه کردن

از نظر تجاری و صنعتی هیدروژن به صورت مولکول گازی دو اتمی H2 در سیلندرهای تحت فشار ذخیره می‌شود. در واکنش هیدروژناسیون اغلب از گاز هیدروژن با فشار بیشتر از یک اتمسفر استفاده می‌شود که به‌طور معمول نیز مستقیماً آن را از سیلندرها انتقال داده می‌شود؛ اما در بعضی از مواقع از پمپ‌های تقویت کننده برای بالا بردن فشار استفاده می‌شود. در بسیاری از کاربردها هیدروژن از مولکول‌های دهنده مانند اسید فرمیک، ایزوپروپانول، دی هیدروآنتراسن گرفته می‌شود. این اهداکنندگان هیدروژن در نهایت به ترتیب به دی‌اکسید کربن، استون و آنتراسن تبدیل می‌شوند.

صاحبان فرایندهای هیدروژناسیون هیدروژن موردنیازشان را چگونه تأمین می‌کنند؟

صاحبان فرایند ممکن است تأمین هیدروژن خود را از یک شرکت گاز صنعتی تحویل گرفته یا با اجاره تجهیزات تولید، در محل هیدروژن تولید و مصرف کنند. راه دیگر که صاحبان فرایند می‌توانند هیدروژن را تولید کنند از طریق یک منبع بازرگانی هیدروژن است. در این مدل، صاحبان فرایند هیدروژن خود را از یک شرکت صنعتی که منبع هیدروژن مازاد دارد یا هیدروژن را به عنوان محصولی فرعی در پروسه خود تولید می‌کند (مثلاً الکترولیز سدیم کلرید برای ساختن گاز کلر) خریداری می‌کنند.

به‌طور کلی کاتالیزورها به دو دسته همگن و ناهمگن تقسیم می‌شوند. کاتالیزورهای همگن آن‌هایی هستند که در حلال حاوی بستر (جایگاه) اشباع نشده حل می‌شوند و کاتالیزورهای ناهمگن آنهایی هستند که در چنین شرایطی قرار نمی‌گیرند؛ مثلاً در حلال گازی قرار می‌گیرند. به جز در مواردی اندک، مولکول‌های H2 در صورت عدم وجود کاتالیزور نسبت به هیدروکربن‌ها واکنش ناپذیر هستند. پلاتین، پالادیوم، رودیوم و روتنیوم کاتالیزورهایی بسیار فعال هستند که در دماهای پایین‌تر و فشارهای پایین H2 عمل می‌کنند. کاتالیزورهای فلزی ارزان قیمت، به ویژه آنهایی که بر پایه نیکل هستند (مانند نیکل Raney و نیکل Urushibara) نیز به عنوان گزینه‌های اقتصادی ساخته شده‌اند، اما آنها اغلب کندتر هستند و به دماهای بالاتر احتیاج دارند.

کاتالیزورهای ناهمگن

کاتالیزورهای ناهمگن برای هیدروژناسیون از نظر صنعتی شایع تر هستند. در صنعت، برای ساخت کاتالیزورهای فلزات گرانبها، آنها را به صورت پودرهای دانه ریز بر روی تکیه گاه‌ها جاگذاری می‌کنند که ارزان قیمت، حجیم و متخلخل هستند؛ همانند گرانول (کربن فعال)، آلومینا، کربنات کلسیم یا سولفات باریم. به عنوان مثال، پلاتین روی کربن با کاهش اسید کلروپلاتینیک درجا در کربن تولید می‌شود. مونه‌هایی از این کاتالیزورها روتنیوم ۵٪ روی کربن فعال یا پلاتین ۱٪ روی آلومیناست. اما کاتالیزورهای از پایه فلزی مانند نیکل رانلی معمولاً بسیار ارزانتر هستند.

کاتالیزورها آلکین‌ها را تنها به اندازه آلکن کاهش می‌دهند؛ مثلاً کاتالیزور Lindlar برای تبدیل فنیل استیلن به استایرن استفاده می‌شود.

در زیر فرایند هیدروژنه کردن مالئیک اسید در حضور کاتالیست پالادیوم نشان داده شده‌است.

هیدروژنه کردن نیتروژن برای دادن آمونیاک در فرایند هابر-بوش در مقیاس وسیع انجام می‌شود و تقریباً ۱٪ از انرژی مصرفی جهان را تأمین می‌کند.

${\displaystyle \underset{\text{nitrogen}}{\text{N}\equiv \text{N}}+\underset{\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{hydrogen}}{(200\text{atm})}}{3{\text{H}}_2^{}}\underset{350-{550}^{\circ }\text{C}}{\overset{\text{Fe}\text{catalist}}{\to }}\underset{\text{ammonia}}{2{\text{NH}}_3^{}}}$

البته اکسیژن را نیز می‌توان تا حدی هیدروژنه کرد تا پراکسید هیدروژن به دست آورد، اگرچه این فرایند تجاری سازی نشده‌است.

هیدروژنه کردن کاتالیزوری کاربرهای زیاد و متنوعی در صنعت دارد. در واقع هیدروژنه کردن صنعتی متکی به کاتالیزورهای ناهمگن است. هیدروژناسیون برای استحکام ، حفظ یا تصفیه بسیاری از محصولات، مواد اولیه یا مواد تشکیل دهنده استفاده می‌شود. آمونیاک، سوخت‌ها (هیدروکربن‌ها)، الکل‌ها، داروهای دارویی، مارگارین، پلیول‌ها، پلیمرهای مختلف و مواد شیمیایی (کلرید هیدروژن و پراکسید هیدروژن) محصولاتی هستند که با استفاده از فرایند هیدروژناسیون فراوری می‌شوند.

صنایع غذایی

بزرگترین کاربرد هیدروژنه کردن در این زمینه برای فراوری روغن‌های گیاهی است. روغنهای گیاهی معمولی پر هستند از اسیدهای چرب اشباع نشده (حاوی بیش از یک پیوند مضاعف کربن-کربن). هیدروژنه کردن جزئی آنها، اکثر پیوندها، اما نه همه این پیوندهای دوتایی کربن-کربن را کاهش می‌دهد. درجه هیدروژناسیون با محدود کردن مقدار هیدروژن، دمای واکنش و زمان و کاتالیزور کنترل می‌شود.

هیدروژناسیون جزئی روغن گیاهی معمولی را به مارگارین معمولی تبدیل می‌کند. در این فرایند بیشتر پیوندهای مضاعف C = C حذف می‌شود که باعث افزایش نقطه ذوب محصول می‌گردد. هیدروژناسیون روغنهای گیاهی مایع را به چربیهای جامد یا نیمه جامد تبدیل می‌کند، مانند مواد موجود در مارگارین. تغییر درجه اشباع چربی برخی از خصوصیات فیزیکی مهم مانند دامنه ذوب را تغییر می‌دهد، به همین دلیل روغنهای مایع، نیمه جامد می‌شوند. چربی‌های جامد یا نیمه جامد برای پخت ترجیح داده می‌شوند زیرا نحوه مخلوط کردن چربی با آرد باعث ایجاد بافت مطلوب در محصول پخته شده می‌شود. از آنجا که روغنهای گیاهی هیدروژنه جزئی شده نسبت به چربی‌های حیوانات ارزان‌تر هستند، به‌طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند و خصوصیات مطلوب دیگری نیز دارند (مانند افزایش پایداری اکسیداتیو و ماندگاری بیشتر).

یک عارضه جانبی هیدروژنه ناقص که دارای پیامدهایی برای سلامتی انسان است، ایزومراتیز برخی از پیوندهای کربن اشباع نشده باقی مانده به ایزومرهای ترانس آنها است. چربی‌های ترانس (ناشی از هیدروژناسیون جزئی) در بیماری‌های گردش خون از جمله بیماری‌های قلبی نقش دارند.

همین‌طور شربت D-Sorbitol با استفاده از هیدرولیز نشاسته‌ها برای ساخت دکستروز ساخته می‌شود، سپس دکستروز برای ایجاد سوربیتول یا الکل قند هیدروژنه می‌شود.

صنایع پتروشیمی

در فرایندهای پتروشیمی، از هیدروژناسیون برای تبدیل آلکن‌ها و آروماتیک‌ها به آلکانهای اشباع (پارافین) و سیکلوآلکان‌ها (نفتن) استفاده می‌شود که کمتر سمی هستند و واکنش پذیر نیستند. با توجه به روغن‌های مایع که بعضی اوقات برای مدت طولانی در هوا باقی می‌ماند، هیدروکربن‌های اشباع شده دارای خواص ذخیره‌سازی عالی هستند.

در صنعت نفت از هیدروژناسیون در فرایندی به نام هیدروکراکینگ استفاده می‌شود که زنجیره‌های طولانی کربنی هیدروژنی نفت خام سنگین را به فرآورده‌های سبکتر نظیر دیزل، بنزین و سوخت جت می‌شکند.

راکتور هیدروژنه سازی گروهی

یک ظرف تحت فشار بزرگ است که شامل یک عنصر گرمایش یا ژاکت و همزن است. بستر گرم می‌شود و کاتالیزور در بستر به حالت تعلیق در می‌آید. سپس هیدروژن با فشار وارد می‌شود و از همزن برای اطمینان از اختلاط کامل مواد اولیه شیمیایی، هیدروژن و ذرات کاتالیزور استفاده می‌شود.

این فرایند برای شروع نیاز به گرما دارد، اما معمولاً به محض شروع هیدروژناسیون با شدت زیادی، گرمازا می‌شود. سپس ماده هیدروژنه شده برای جدا کردن ذرات کاتالیزور فیلتر می‌شود. این روش هیدروژناسیون معمولاً برای پردازش چربی‌های خوراکی و ساخت داروهای دارویی استفاده می‌شود. مقدار ورودی هیدروژن به راکتور هیدروژنه سازی وابسته است به مقدار تکامل هیدروژناسیون.

راکتور مداوم جریان / توبولار / ثابت

یک راکتور به شکل لوله با یک عامل گرمایشی یکپارچه و یک بستر کاتالیزور ثابت است. هیدروژن در فشار بالا وارد می‌شود و در کل ماده به صورت گاز توزیع می‌شود. بستر گرم شده از طریق راکتور تحت فشار گردش می‌کند و هیدروژن و ماده را در بستر کاتالیزور ثابت قرار می‌دهد. در این روش هیدروژن استفاده نشده بازیافت می‌شود. این کارآمدترین طراحی راکتور هیدروژناسیون است، در تصفیه نفت و در کاربردهای تولید دارویی در مقیاس کوچک و بزرگ استفاده می‌شود. این طراحی راکتور نیاز به حجم زیادی از هیدروژن در فشار بالا دارد.

• 'هیدروژناسیون چیست؟'
• 'هیدروژناسیون روغن‌ها و چربیها'