Проверку влияния примесей в исходном сырье на качество и выход этилена из биоэтанола для оптимизации процесса провели с использованием созданной ими математической кинетической модели специалисты Института катализа (ИК) СО РАН, 20 декабря сообщает пресс-служба института.

Исследование на модели показало, что примеси изопропанола повышают селективность получаемого этилена за счет сильного подавления ими образования побочных продуктов данного процесса синтеза.

Этилен, широко используемый в производстве химических реагентов, полимеров, товаров бытовой химии, текстиля и т. д., производится в очень больших количествах, в основном из нефтепродуктов методом пиролиза.

Однако в последнее время получило развитие производство так называемого зеленого (экологически чистого) этилена из биоэтанола, который, в свою очередь, производится из непищевого растительного сырья, в том числе из отходов сельского хозяйства.

В ИК СО РАН в настоящее время проводятся исследования по синтезу этилена из биоэтанола на основе шелухи или соломы зерновых культур (овса, пшеницы или риса).

Получаемый таким методом этилен, считают ученые, может быть использован для производства продуктов малотоннажной химии с высокой добавленной стоимостью, например, многослойных углеродных нанотрубок, полиэтилена, сверхвысокомолекулярного полиэтилена и композитов на их основе.

Так как получаемый «зеленый» биоэтанол содержит в качестве примесей побочные продукты брожения — бутанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты, то исследователи решили узнать, как эти примеси будут влиять на получение этилена. Такие данные нужны для определения экономичности процесса.

Старший научный сотрудник отдела технологии каталитических процессов ИК СО РАН к. т. н. Елена Овчинникова пояснила задачу исследования:

«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».

С этой целью ученые разработали математическую модель влияния примесей на конечный продукт. Это было необходимо для проведения экономических расчетов, чтобы найти оптимальную для более выгодного проведения реакции чистоту биоэтанола.

Они смоделировали получение этилена в промышленном реакторе из биоэтанола чистотой 92%, в котором содержалось 0,03–0,3% изопропанола, и выяснили, что эта примесь тормозит образование побочных соединений и, соответственно, 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», — рассказала о результате моделирования Овчинникова.

Ученые установили, что в рассмотренном случае торможение образования ацетальдегида происходит в семь раз сильнее, чем образование остальных продуктов. Это делает процесс более экономически выгодным, так как становится не нужна глубокая очистка этанола.

В своем исследовании ученые также доказали целесообразность развития малотоннажной технологии получения «зеленого» этилена на основе трубчатых реакторов. Такие реакторы представляют собой тысячи трубок со специальным алюмооксидным катализатором.

Экологически чистый способ производства этого катализатора был запатентован в ИК СО РАН. Оптимальная мощность производства «зеленого» этилена в трубчатом реакторе составляет, по оценкам исследователей, 20–60 тыс. тонн в год.

В планах ученых проверка полученных результатов моделирования на пилотной установке трубчатого реактора. Ранее с ее помощью уже были получены пилотные партии этилена для производства композитов, предназначенных для кабельной промышленности, а также для высокопрочных композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена и многослойных углеродных нанотрубок.

Результаты исследования кинетической модели ученые представили в статье «Влияние примесей C3-спирта на катализируемую оксидом алюминия дегидратацию биоэтанола до этилена: Экспериментальное исследование и моделирование реактора», опубликованной в журнале Catalysts.