Специалисты ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН» создали кинетическую модель промышленного процесса получения этилена из биоэтанола, чтобы проверить, как влияют примеси в исходном сырье на качество и выход целевого продукта. Исследование показало, что примеси изопропанола повышают селективность получаемого «зеленого» этилена за счет того, что сильно подавляют образование побочных продуктов. Статья об этом опубликована в журнале Catalysts.
Ученые ФИЦ ИК СО РАН исследуют метод синтеза этилена из биоэтанола на основе непищевого растительного сырья. В качестве него могут использоваться отходы сельского хозяйства, например, шелуха или солома зерновых культур — овса, пшеницы или риса. Получаемый этилен позиционируют как источник для производства продуктов малотоннажной химии с высокой добавленной стоимостью — многослойных углеродных нанотрубок, полиэтилена, сверхвысокомолекулярного полиэтилена и композитов на их основе.
Биоэтанол содержит в виде примесей такие побочные продукты брожения, как бутанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты. Ученые решили проверить, как наличие примесей в сырье будет влиять на получение этилена — эти данные необходимы для того, чтобы понять, насколько процесс будет экономически выгодным при переработке реального сырья.
«Получение чистого этанола без примесей — довольно дорогая процедура, которая занимает более 20 % энергозатрат от производства самого спирта. Нам было важно понять, возможно ли использовать этанол с примесями без предварительной глубокой очистки в производстве этилена, и оценить, как это повлияет на экономику нашего каталитического процесса. Мы разработали математическую модель влияния примесей на конечный продукт, чтобы можно было предсказать, как будет вести себя процесс и продукт какого качества мы получим. Это необходимо, чтобы провести экономические расчеты и найти сбалансированную чистоту биоэтанола для более выгодного проведения реакции», — рассказывает старший научный сотрудник отдела технологии каталитических процессов ИК СО РАН кандидат технических наук Елена Викторовна Овчинникова.
Исследователи смоделировали получение в промышленном реакторе этилена из биоэтанола чистотой 92 % с содержанием примеси изопропанола 0,03–0,3 %. Оказалось, что наличие примесей замедляет образование побочных соединений, что повышает выход целевого продукта.
«Вместе с этиленом в ходе реакции у нас получаются побочные продукты — например, бутилен и ацетальдегид. Примеси изопропанола тормозят все реакции, но в большей степени именно реакцию образования ацетальдегида. Селективность по всем продуктам в сумме равна 100 %, и если селективность побочных продуктов снижается, то селективность целевого — этилена — увеличивается. Мы выяснили, что образование ацетальдегида тормозится в семь раз сильнее, чем образование остальных продуктов. По нашим данным, это делает процесс более экономически выгодным, потому что не требуется глубокой очистки этанола», — поясняет ученый.
Ученые обосновали целесообразность развития малотоннажной технологии получения «зеленого» этилена на основе трубчатых реакторов, состоящих из тысяч трубок, в которые загружен специальный алюмооксидный катализатор. В ИК СО РАН запатентовали экологически чистый способ производства этого катализатора. По оценкам исследователей, оптимальная мощность производства «зеленого» этилена в трубчатых реакторах — 20—60 тысяч тонн в год.
На следующем этапе ученые проверят полученные результаты моделирования для промышленного реактора на пилотной установке. На ней уже синтезировали пилотные партии этилена для композитов для кабельной промышленности и высокопрочных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и многослойных углеродных нанотрубок.
Работа поддержана Министерством науки и высшего образования России (номер проекта госзадания AAAA-A21-121011390010-7).
Пресс-служба ИК СО РАН
