जीएमटी उद्योग: आइसोप्रेन के उत्पादन की विधियों का विश्लेषण एवं तुलनात्मक अध्ययन

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**विषय-सूचना:** ग्लोबल केमिकल्स GMT 1
**परिचय:** कार्बन-5 डिस्टिलेट, तेल शोधन संयंत्रों, कैटालिटिक फ्यूजन संयंत्रों, एवं भारी हाइड्रोकार्बनों के विघटन संयंत्रों में एथिलीन उत्पादन की प्रक्रिया में उत्पन्न होने वाला एक उप-उत्पाद है। इसमें 30 से अधिक ऐसे घटक होते हैं, जिनका उबलने का तापमान लगभग समान होता है। यह एक मूल्यवान कच्चा माल है; इसके द्वारा कई उच्च-मूल्य वाले रासायनिक उत्पाद बनाए जा सकते हैं। इससे एथिलीन उत्पादन की लागत कम होती है, एवं उद्यमों की आर्थिक दक्षता एवं प्रतिस्पर्धात्मकता में वृद्धि होती है। कार्बन-5 फ्रैक्शन के बहुउद्देशीय उपयोग में, सबसे अधिक उपयोगी पदार्थ हैं आइसोपेंटेन, मेटापेंटेन एवं (डाइ)साइक्लोपेंटेन। ये तीनों पदार्थ, कार्बन-5 फ्रैक्शन का 40%-55% हिस्सा बनाते हैं। इनमें से आइसोपेंटेन सबसे महत्वपूर्ण पदार्थ है; कार्बन-5 फ्रैक्शन में इसकी मात्रा 15%-25% होती है। इसका मुख्य उपयोग आइसोपेंटेन रबर, ब्यूटिल रबर, SIS थर्मोप्लास्टिक इलास्टोमर, औषधि/कीटनाशकों के निर्माण में, सिंथेटिक लुब्रिकेंटों में अभिकारकों के रूप में, रबर के सिलेनेशन हेतु एजेंटों एवं उत्प्रेरकों के रूप में किया जाता है। इसके विकास की संभावनाएँ बहुत ही अच्छी हैं। 2. आइसोपेंटेन के गुण: आइसोपेंटेन (2-मिथाइलब्यूटाडाइन) को 2-मिथाइल-1,3-ब्यूटाडाइन भी कहा जाता है। इसका आणविक सूत्र C5H8 है, एवं इसका आणविक भार 68.12 है। सामान्य तापमान पर, आइसोप्रीन एक रंगहीन, अत्यंत वाष्पशील, चिड़चिड़ा तेलीय तरल है। यह पानी में अघुलनशील है; लेकिन इथेनॉल, ईथर एवं प्रोपेनोन में आसानी से घुल जाता है। यह हवा के साथ मिलकर विस्फोटक मिश्रण बनाता है; इसकी विस्फोट सीमा 1.6% से अधिक है। आइसोपेंटेन में संयुग्मित द्विबंध होने के कारण इसके रासायनिक गुण सक्रिय होते हैं; इसलिए यह आसानी से एकलीकरण एवं सह-एकलीकरण अभिक्रियाओं में भाग लेता है। यह कई पदार्थों के साथ अभिक्रिया करके नए यौगिक बना सकता है। 3. आइसोपेंटेन का उत्पादन तरीके: आइसोपेंटेन, C5 संयुगों में सबसे अधिक उपयोग में आने वाला एवं सबसे अधिक मात्रा में पाया जाने वाला घटक है। इसे आमतौर पर भारी तरल हाइड्रोकार्बनों के मिश्रण से प्राप्त C5 घटकों से ही निकाला जाता है। मुख्य उत्पादन विधियों में संश्लेषण विधि, डीहाइड्रोजनीकरण विधि एवं निष्कर्षण विधि आदि 3 विधियाँ हैं; विस्तार से चित्र 1 में दिया गया है। 3.1 संश्लेषण विधियाँ (1) एलीनाल विधि: इसे आइसोब्यूटीन एवं फॉर्मल्डिहाइड से संश्लेषित किया जाता है; इसमें एक-चरणीय एवं द्वि-चरणीय विधियाँ शामिल हैं। एलीनाल एक-चरणीय विधि में, आइसोब्यूटीन एवं फॉर्मल्डिहाइड का उपयोग करके गैसीय अभिक्रिया द्वारा इसे संश्ल ब्यूटीन-फॉर्माल्डिहाइड द्वि-चरणीय विधि में, अम्लीय उत्प्रेरक की उपस्थिति में, आइसोब्यूटीन एवं फॉर्माल्डिहाइड के बीच प्रिन्स अभिक्रिया द्वारा 4,4-डाइमिथाइल-1,3-डाइऑक्साहेक्सान (DMD) बनता है। दूसरे चरण में, DMD टूटकर आइसोपेंटेन, फॉर्माल्डिहाइड एवं पानी बनते हैं। इस तकनीक को जापान द्वारा विकसित किया गया, एवं वहाँ इसका औद्योगिक उपयोग भी होने लगा। रूस में भी इसका औद्योगिक उपयोग संभव हुआ। इस विधि के नुकसान हैं: प्रक्रिया लंबी है, लागत अधिक है, उत्पादन दर कम है, एवं चयनात्मकता भी कम है। ②आइसोब्यूटीन-फॉर्माल्डिहाइड के निर्माण हेतु एक-चरणीय विधि का उपयोग किया जाता है; दो-चरणीय विधि में प्रक्रिया आइसोब्यूटीन एवं फॉर्मल्डिहाइड का उपयोग करके एक ही चरण में आइसोपेंटेन का संश्लेषण करना बहुत ही आकर्षक है; जापान एवं पूर्व सोवियत संघ ने इस विषय पर बहुत सारे अनुसंधान किए हैं इस तकनीक को चीन-रूस तकनीकी आदान-प्रदान सम्मेलन में रूसी पक्ष द्वारा एक उत्कृष्ट तकनीक के रूप में प्रस्तुत किया ग (2) सी3 विधि: इटली की एनिस्की कंपनी, प्राकृतिक गैस को कच्चे माल के रूप में उपयोग करके एसीटिलीन तैयार करती है; इसके बाद इसे सी3 के साथ मिलाकर मेथिलब्यूटेनोल बनाया जाता है, और आगे इसमें जल निकालकर आइसोपेंटेन तैयार किया जाता है। इसकी प्रतिक्रिया तीन चरणों में होती है। इस विधि में प्रयोग होने वाली सामग्री क्षारक नहीं होती, एवं उत्पादन दर भी लेकिन कच्चे माल की कीमतें अधिक हैं, एवं उपयोग में आने वाला एसिटिलीन भी बहुत ही खतरनाक है; इसलिए आमतौर पर इसका उपयोग नहीं किया जाता। (3) टर्पेंटाइन विघटन विधि: हमारे देश में ऐसे प्रयोगात्मक केंद्र हैं, लेकिन अभी तक कोई सफलता की रिपोर्ट नहीं मिली है। अमेरिकी कंपनी गुडसे ने पहले एक्रिलोनिट्राइल डाइमरीकरण विधि का उपयोग किया था, लेकिन अब वह इस विधि का उपयोग नहीं कर र 3.2 डिहाइड्रोजनीकरण विधि: आइसोपेंटेन या आइसोपेंटीन को कच्चे माल के रूप में उपयोग करके डिहाइड्रोजनीकरण की प्रक्रिया द्वारा आइसोपेंटीन तैयार किया ज अमेरिका की गुट्रिच कंपनी, नीदरलैंड्स की सीएलयू कंपनी, एवं रूस में भी इसका उत्पादन होता है। आइसोपेंटीन के डिहाइड्रोजनीकरण से आइसोपेंडीन बनाने की प्रक्रिया निम्नलिखित है: मोटे आइसोपेंडीन का उत्पादन 3 चरणों में होता है – डिहाइड्रोजनीकरण, अवशोषण एवं आसवन। पॉलिमर स्तर के उत्पादों को बनाने हेतु, कच्चे आइसोपेंटेन को अवश्य ही निष्कर्षण विधि द्वारा शुद्ध किया जाना आवश्यक है। प्रक्रिया चित्र 5 एवं 6 में दी गई है। 3.3 निष्कर्षण विधि: इस विधि में उपयोग किए जाने वाले निष्कर्षकों में एसिटोनिट्राइल, डाइमेथिलफॉरामाइड, एन-मेथिलपाइरोलिडोन एवं एन-फॉर्मिलमॉर्फोलिन आदि शामिल हैं। जापान, संयुक्त राज्य अमेरिका, नीदरलैंड्स और जर्मनी जैसे देशों में विभिन्न निष्कर्षण एजेंटों का उपयोग किया जाता है। आइसोपेंटेन को एसिटोनिट्रिल का उपयोग करके ही तैयार किया जाता है। इसकी सामग्री आसानी से उपलब्ध है, इसकी कीमत कम है; यह कार्बन स्टील पर लगभग कोई क्षरण नहीं करता। इसका विस्कोसिटी कम है, उबलने का तापमान भी कम है, एवं इसकी उत्पादन प्रक्रिया भी सरल है। इसी कारण औद्योगिक क्षेत्र में एसिटोनिट्र इस विधि से प्राप्त होने वाले आइसोपेंटेन की शुद्धता 98% तक होती है, जबकि उत्पादन दर 90% से अधिक होती है। इसके अलावा, डाइमेथिलफॉर्मामाइड का उपयोग भी किया जाता है; इससे ऊर्जा-खपत कम होती है। आइसोपेंटेन की शुद्धता 99.5% तक होती है, एवं उत्पादन दर 95% होती है। विशेष रूप से, ARCO निष्कर्षण प्रक्रिया पर ध्यान देने योग्य है। यह प्रक्रिया एक विशिष्ट निष्कर्षण प्रक्रिया है; इसे औद्योगिक स्तर पर लागू किया जा चुका है, एवं इसके लिए आवश्यक अनुमतियाँ भी प्राप्त कर ली गई हैं। यह प्रक्रिया, जो ऑलिफिन प्लांट में प्राप्त C5 घटक से शुरू होती है, चार भागों से मिलकर बनी है – डाइसाइक्लोपेंटेन निकालना, एक्सट्रैक्शन डिस्टिलेशन, विलायक का पुनर्उपयोग, एवं उत्पाद का डिस्टिलेशन। इस प्रक्रिया का सरलीकृत प्रवाह चित्र चित्र 7 में दिया गया है। (1) डीएमएफ विधि: इसे जीपीआई विधि भी कहा जाता है; इसे सबसे पहले जापान की ज्यूनोन कंपनी ने विकसित किया था। इस प्रक्रिया में, नाफ्था के विघटन से प्राप्त C5 कच्चे माल को विलायक के साथ टॉवर में अच्छी तरह मिलाया जाता है; इसके बाद टॉवर के ऊपरी हिस्से से पेंटेन एवं पेंटीन निकलते हैं। डाइएनोल्स एवं विलायक पहले डिसैचुरेशन टॉवर में जाते हैं। टॉवर के ऊपरी हिस्से से निकलने वाले डाइएनोल्स को रिफ्रैक्शन टॉवर में भेजा जाता है। टॉवर के निचले हिस्से से 1,3-पेंटाडाइएन एवं साइक्लोपेंटाडाइएन प्राप्त होते हैं। टॉवर के ऊपरी हिस्से से प्राप्त कच्चे आइसोपेंटेन को दूसरे एक्सट्रैक्शन टॉवर, दूसरे डिसैचुरेशन टॉवर एवं दूसरे रिफ्रैक्शन टॉवर से गुजारा जाता है; अंत में 99.5% शुद्धता वाला पॉलिमरीकरण हेतु उपयुक्त आइसोपेंटेन प्राप्त होता है। इस विधि में प्रयोग होने वाला विलायक, आइसोपेंटेन को अच्छी तरह घोल सकता है; इसकी चयनात्मकता भी अच्छी है। इसकी मात्रा कम होती है, इसलिए इसके उपयोग से होने वाला ； विलायक, उपकरणों के लिए क्षारक नहीं है; पूरी प्रक्रिया में सामान्य कार्बन स्टील का उपयोग किया जा सकता है। ； इस प्रक्रिया में, निश्चित शुद्धता वाले मेटा-पेंटाडाइन एवं डाइसाइक्लोपेंटाडाइन उत्पाद भी प्राप्त होते हैं। (2) एसीएन विधि: एसीएन विधि वर्तमान में विदेशों में सी5 फ्रैक्शन को अलग करने की प्रमुख विधि है। इस प्रक्रिया में 3 चरण होते हैं: पहला चरण में साइक्लोपेंटाडाइन को अलग किया जाता है। ； दूसरा चरण यह है कि निष्कर्षित तरल पदार्थ को डिसॉर्ब्शन टॉवर में भेजा जाता है; वहाँ डिसॉर्ब हुए डाइएनोल्स एवं अल्कीन्स को पानी से धोकर उनमें मौजूद एसिटोनिट्रिल को हटा दिया जाता है। एसिटोनिट्रिल एवं पानी को सॉल्वेंट रिकवरी टॉवर में ； तीसरा चरण यह है कि टॉवर के शीर्ष से आइसोप्रोपिल, आइसोप्रोपेनिल एसिटिलीन एवं 1,4-पेंटाडाइन को अलग किया जाता है। इसके बाद टॉवर के तल में मौजूद तरल पदार्थ का और आसवन किया जाता है; इस प्रक्रिया से आइसोपेंटाडाइन उत्पाद प्राप्त होता है। इस विधि की विशेषताएँ यह हैं कि एसिटोनिट्रिल आसानी से उपलब्ध है, इसकी कीमत कम है; यह उपकरणों के लिए कम हानिकारक है, इसका विस्कोसिटी स्तर कम है; निष्कर्षण प्रक्रिया में इसकी दक्षता अधिक है; संचालन हेतु आवश्यक तापमान कम है; एवं पदार्थों के एकीकरण के कारण उपकरणों में जाम जैसी समस्याओं का समाधान आसानी से किया जा सकता है। लेकिन अलग किए गए उत्पाद की शुद्धता अधिक नहीं है; इसलिए यह केवल ब्यूटिल रबर कच्चे माल की आवश्यकताओं को ही पूरा कर सकता है। यदि अधिक शुद्धता वाले उत्पाद प्राप्त करने हैं, तो और अधिक प्रसंस्करण आवश्यक हो जाता है; इससे उत्पादन प्रक्रिया जटिल हो जाती है एवं लागत भी बढ़ जाती है। (3) एनएमपी विधि: एनएमपी विधि का विकास सबसे पहले जर्मनी की बेयर स्टॉफ़ कंपनी द्वारा किया गया; इसके बाद इसमें सुधार भी किए गए। सुधारित प्रक्रिया में उत्प्रेरक-हाइड्रोजनीकरण तकनीक का उपयोग किया गया है, एवं दूसरे निष्कर्षण टॉवर को हटा दिया ग डाइएनोल्स युक्त पदार्थों को एक्सट्रैक्शन डिस्टिलेशन टॉवर की साइड लाइन से निकाला जाता है, एवं फिर उसे डिस्टिलेशन टॉव ； डिस्टिलेशन टॉवर के शीर्ष से आइसोपेंटेन, मेथिलीन एवं साइक्लोपेंटेन प्राप्त होते हैं; जबकि संतृप्त विलायक फिर से एक्सट्रैक्शन डिस्टिलेशन टॉवर के निचले हिस्से में वापस जाता है। ； सब्सट्रेट हाइड्रोजनीकरण रिएक्टर में जाता है; वहाँ पैलेडियम-युक्त एल्यूमिना उत्प्रेरक की सहायता से हाइड्रोजनीकरण अभिक्रिया होती है। इस अभिक्रिया में मेथिलपेंटाडाइन, पेंटीन एवं पेंटेन में परिवर्तित हो जाता है; जबकि साइक्लोपेंटाडाइन, साइक्लोपेंटीन एवं साइक्लोपेंटेन में परिवर्तित हो जाता है। हाइड्रोजनीकरण के बाद प्राप्त पदार्थ एक्सट्रैक्शन डिस्टिलेशन टॉवर के शीर्ष पर वापस आता है। टॉवर के शीर्ष से निकलने वाले पदार्थों में पेंटीन, पेंटेन, साइक्लोपेंटीन एवं साइक्लोपेंटेन आदि शामिल हैं। इस विधि की विशेषता यह है कि इसमें प्रक्रिया अपेक्षाकृत सरल होती है; विलायकों की विषाक्तता कम होती है, ऊर्जा-खपत भी कम होती है, एवं डाइएनोल्स के अभिक्रिया होने से बचा जा सकता है। 3.4 अन्य तैयारी विधियाँ
(1) उपरोक्त विलायक-आधारित विधियों के अलावा, फ्रांस की पेट्रोलियम विज्ञान संस्थान द्वारा डाइमिथाइल सल्फॉक्साइड आधारित विधि, इटली की स्नैम कंपनी द्वारा N-फॉर्मिलमोरिन (NMF) आधारित विधि, एवं जापान की गैस केमिकल्स कंपनी द्वारा B-मेथॉक्सीप्रोपिनोन आधारित विधि आदि भी विकसित की गई हैं। लेकिन इन विधियों का समग्र प्रदर्शन अच्छा नहीं है; इसलिए अभी तक इनका व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया जा रहा है। (2) आइसोपेंटीन एवं नॉर्मल पेंटेन का उपयोग करके द्विघटकीय संयुग बनाए जा सकते हैं; इसी सिद्धांत का उपयोग करके, अमेरिकी कंपनी गुडइयर ने आइसोपेंटीन को अलग करने हेतु “संयुगीय आसवन विधि” विकसित की। इस विधि की विशेषता यह है कि इसमें प्रक्रियात्मक चरण सरल होते हैं एवं ऊर्जा की खपत कम होती है। इससे विलायकों के उपयोग से उत्पन्न होने वाली समस्याओं, जैसे विलायकों का नुकसान, विषाक्तता, पुनर्प्राप्ति, अपघटन एवं पर्यावरणीय समस्याएँ आदि, का समाधान हो जाता है। ； उच्च तापमान पर (जब विलायक की उपस्थिति के कारण प्रणाली अधिक तापमान पर होती है), आइसोप्रीन, मेटा-पेंटाडाइएन, साइक्लोपेंटाडाइएन, एल्काइन आदि के पॉलिमरीकरण का अभाव। ； संकेंद्रित अल्कीनों से कोई विस्फोट नहीं हुआ। ； विलायक में हानिकारक अशुद्धियों के संचय की कोई समस्या नहीं है। इसका नुकसान यह है कि प्राप्त उत्पाद, आइसोप्रीन एवं नॉर्मल पेंटेन का एक अरेओमिक मिश्रण होता है। इसके लिए अधिक टॉवरों एवं उच्च रिफ्लक्स अनुपात की आवश्यकता होती है; इस प्रकार उच्च शुद्धता वाला आइसोप्रीन प्राप्त नहीं हो पाता। आगे की शुद्धिकरण एवं पुनर्उत्पादन प्रक्रियाएँ काफी जटिल हैं; आर्थिक दृष्टि से भी ये लाभदायक नहीं हैं। (3) रासायनिक अधिशोषण विधि में, धातुओं के धनायनों (Ag⁺ एवं Cu²⁺) एवं डाइओलीफिन्स के बीच प्रत्यावर्ती अभिक्रिया होती है; इससे Ag(या Cu)-π-डाइओलीफिन इलेक्ट्रॉनिक संकुल बनता है। चूँकि यह संकुल कार्बनिक पदार्थों में अघुलनशील होता है, इसलिए डाइओलीफिन्स को अल्केन्स से अलग किया जा सकता है। संकीर्णण अभिक्रिया एक उत्क्रमणीय अभिक्रिया है; तापमान या दबाव में परिवर्तन करके संकीर्णण यौगिक से डाइओलेफिन को पुनः प्राप्त किया जा सकता है। रासायनिक अधिशोषण विधि के कई लाभ हैं; जैसे कि कम ऊर्जा की आवश्यकता, अच्छी चयनात्मकता, सरल उपकरण, उपकरणों पर होने वाले निवेश में बचत, एवं पर्यावरण के अनुकूल होना। इस विधि में विकास की अच्छी संभावनाएँ हैं; लेकिन फिलहाल इसके औद्योगिक उपयोग संबंधी कोई रिपोर्ट उपलब्ध नहीं है। उपर्युक्त विभिन्न आइसोप्रीन उत्पादन विधियों की उत्पादन लागतों की तुलना करने पर प्राप्त परिणाम तालिका 1 में दिए गए हैं। तालिका 1 से पता चलता है कि C5 फ्रैक्शन के उपयोग से एक्सट्रैक्शन डिस्टिलेशन विधि से प्राप्त होने वाले आइसोपेंटेन की लागत सबसे कम है, एवं इसके लिए आवश्यक निवेश भी सबस एक्सट्रैक्टिव डिस्टिलेशन विधि में डाइमेथिलफॉर्मामाइड सबसे उपयुक्त है; लेकिन इस विधि की कुछ सीमाएँ भी हैं। C5 फ्रैक्शन का उत्पादन इस विधि पर काफी प्रभाव डालता है।