БИОЭТАНОЛ – АЛЬТЕРНАТИВНОЕ СЫРЬЕ ДЛЯ НЕФТЕХИМИИ

 

Третьяков В.Ф.

 

Институт нефтехимического синтеза Российской Академии Наук,

119991 ГСП-1 Москва, Ленинский проспект, д.29

tretjakov@ips.ac.ru

 

Ключевые слова: биоэтанол, ароматические углеводороды, этилен, топливо, бензин, экология, цеолит  HZSM-5

 

На сегодняшний день в связи с сокращением мировых запасов нефти наиболее актуальной задачей становится поиск новых альтернативных источников получения органического сырья и традиционных моторных топлив. Одним из таких возобновляемых источников является этиловый спирт, полученный ферментацией биомассы. К тому же использование биоэтанола может рассматриваться как один из методов снижения эмиссии углекислого газа. В докладе представлены результаты каталитической конверсии биоэтанола в такие ценные продукты нефтехимии как олефины, углеводороды бензинового ряда и ароматические. Показано, что в зависимости от характеристик катализатора можно варьировать состав получаемых продуктов. Возможность получения компонентов моторных топлив позволяет рассматривать биоэтанол как реальное сырьё для производства глобальных топлив. В отсутствие нефти получение их из возобновляемого сырья станет реальной необходимостью. Представленные данные свидетельствуют, что каталитическая конверсия этанола, полученного ферментацией биомассы, является альтернативой традиционным процессам переработки нефтяного сырья.

 

Прогноз роста вклада возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс до 2040 г. представлен в табл. 1.

Таблица 1
Прогноз роста вклада возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс (%)*

Технологии

Годы

1996-2001

2001-2010

2010-2020

2020-2030

2030-2040

Биомасса

2

2.2

3.1

3.3

2.8

Большие ГЭС

2

2

1

1

0

Малые ГЭС

6

8

10

8

6

Ветер

33

28

20

7

2

Фотоэлектричество

25

28

30

25

13

Солнечное теплоснабжение

10

16

16

14

7

Солнечное электроснабжение

2

16

22

18

15

Геотермальная

6

8

8

6

4

Морская (приливы, волны)

—

8

15

22

21

* A. Zervos, Сh. Lius, O. Schrafer. Tomorrow's world, Renewable energy world. 2004,V.7,n 4.

Из приведенного прогноза очевидно, что в течение ближайшего десятилетия  востребованность в биомассе возрастает в полтора раза.

В качестве катализаторов применяют цеолиты типа ZSM-5, которые проявляют активность в реакциях превращения этилового спирта в этилен и другие углеводороды. При переработке биоэтанола можно получить ряд ценных химических веществ, таких как ацетальдегид, этилацетат, водород, этилен, а также жидкий продукт, состав которого представлен широким набором углеводородов.

Результаты эксперимента показали, что конверсия этанола во всех случаях протекает практически полностью, при этом содержание этанола в водной фракции не превышает 0,2 % даже при высоких скоростях подачи. Видно, что объемная скорость 2 ч-1 является оптимальной для получения жидких углеводородов. При малых объемных скоростях подачи этанола и при ее повышении выход жидких продуктов уменьшается. Такая тенденция указывает на то, что при очень низких объемных скоростях с увеличением времени контакта с каталитической поверхностью образование углеводородов тормозится протеканием других реакций. При очень высоких объемных скоростях потока не хватает времени контакта реакционной смеси с катализатором для полной олигомеризации этилена.

С целью снижения содержания ароматических углеводородов жидкие продукты конверсии этанола были подвергнуты гидрированию, что позволило уменьшить их относительное содержание в жидкой фракции на 50%, доведя  содержание бензола практически до 0%. Это дало возможность в двухстадийном технологическом процессе получать реальное моторное топливо из биоэтанола с содержанием ароматических углеводородов 12-35% масс. Те же эксперименты, осуществленные на укрупненной пилотной установке, показали идентичные результаты.

Резюмируя полученные результаты по конверсии биоэтанола и гидрированию полученной углеводородной жидкой фракции, можно полагать, что для получения моторного топлива из биоэтанола на цеолитных катализаторах необходимо использовать двустадийный процесс.

Исследования конверсии биоэтанола на цеолитных катализаторах в широкой области условий реакции позволило идентифицировать следующие основные группы продуктов:

1). Продукты диспропорционирования, к которым относится бензол и ксилолы, представленные  орто -, мета- и пара- изомерами.

2). Продукты скелетной изомеризации.

3) Продукты фрагментации, включающие этилбензол, толуол и метилэтилбензол (МЭБ).

4). Продукты деалкилирования, последующей олигомеризации этилена, изомеризации и крекинга олигомеров, основной вклад в которые дают предельные и непредельные алифатические углеводороды с числом атомов углерода от двух до шести.

5). Продукты алкилирования бензола непредельными алифатическими углеводородами, состоящие из алкилароматических углеводородов с количеством углеродных атомов в боковой цепи более трех.

В результате проведенного комплексного исследования предложены методы получения новых цеолитсодержащих катализаторов, на основе которых разработана гибкая технология конверсии биоэтанола в моторные топлива, олефины и ароматические углеводороды - важные продукты для нефтехимии. Предложенная схема механизма, логически объясняющая каталитическое действие синтезированных каталитических систем, позволяет целенаправленно управлять процессом конверсии биоэтанола.