Как из этанола получить ценный этилен: простые способы
Этилен - один из важнейших продуктов современной нефтехимии, широко используемый для производства пластмасс и полимерных материалов. Обычно его получают путем пиролиза или крекинга углеводородного сырья, однако существуют и другие способы. В частности, перспективным представляется получение этилена из этанола - дешевого и доступного сырья.
Основные способы промышленного получения этилена
На сегодняшний день основным промышленным способом получения этилена является пиролиз, или термический крекинг углеводородного сырья. Этот процесс заключается в нагревании до высокой температуры (700-900°C) таких углеводородов, как этан, пропан, бутан, бензин или газойль. В результате молекулы сырья распадаются с образованием более легких углеводородов, в том числе этилена.
Преимущества пиролиза:
- Высокий выход этилена (до 35%)
- Гибкость в выборе сырья
- Отработанная промышленная технология
Однако этот метод имеет и существенные недостатки:
- Высокая энергоемкость процесса из-за необходимости поддерживать температуру в сотни градусов
- Образование побочных продуктов, требующих дополнительной переработки или утилизации
- Зависимость от поставок углеводородного сырья (чаще всего природного газа)
Помимо пиролиза, разработан ряд альтернативных методов получения этилена. К наиболее перспективным относят:
- Выделение из отходящих газов каталитического крекинга на НПЗ
- Окислительное дегидрирование этана
- Окислительная димеризация метана
Эти способы позволяют снизить энергозатраты и уменьшить количество побочных продуктов. Однако пока они не получили широкого распространения из-за более высокой сложности и стоимости производства.
Получение этилена из этанола: принцип процесса
Одним из перспективных направлений считается использование в качестве сырья для получения этилена этанола. Химически этот процесс основан на реакции дегидратации, или отщепления молекул воды от этанола:
C2H5OH → C2H4 + H2O
Для осуществления этой реакции необходимы следующие условия:
- Температура 300°C
- Давление 60-70 атм
- Наличие катализатора (фосфорная или серная кислота)
По сравнению с пиролизом, преимущества дегидратации этанола заключаются в более низких температуре и давлении процесса, а также в использовании более доступного и дешевого сырья.
Технологически процесс получения этилена из этанола включает следующие основные стадии:
- Подготовка и очистка этанола-сырья
- Подача этанола в реактор с катализатором и нагрев до 300°C
- Получение реакционной смеси этилена, воды и непрореагировавшего этанола
- Выделение и очистка этилена из реакционной смеси
По предварительным оценкам, выход этилена из этанола может составлять около 80%. Это сопоставимо с показателями пиролиза при значительно меньших затратах энергии и оборудования.
Преимущества использования этанола в качестве сырья
Основные достоинства применения этанола для получения этилена заключаются в следующем:
- Низкая стоимость этанола-сырья по сравнению с углеводородами
- Возможность использования биоэтанола из возобновляемого растительного сырья
- Меньший ущерб для экологии отходами и выбросами
- Компактность и мобильность установок малой мощности
Рассмотрим подробнее каждое из этих преимуществ.
Доступность и низкая стоимость этанола. В отличие от углеводородного сырья, поставки и цены на которое конъюнктуры мировых рынков, этанол широко производится во многих странах на основе доступного сельскохозяйственного сырья - как сахарного тростника и зерновых, так и сельскохозяйственных отходов. Поэтому поставки этилового спирта носят более стабильный и локализованный характер, а цены значительно ниже.
Использование биоэтанола. Особенно перспективно применение для производства этилена так называемого "зеленого" биоэтанола, получаемого из возобновляемого растительного сырья. Это позволяет создать полностью экологичный цикл: выращивание сельскохозяйственных культур → производство биоэтанола → синтез этилена → изготовление биоразлагаемой пластмассы или других полимеров.
Меньший экологический ущерб. В отличие от пиролиза и крекинга, при дегидратации этанола практически отсутствуют вредные выбросы и отходы, загрязняющие окружающую среду. Кроме небольшого количества реакционной воды, единственным побочным продуктом является избыточная часть исходного спирта, которую легко переработать или реализовать.
Компактность установок малой мощности. Небольшие производства этилена из этанола могут быть смонтированы практически «под ключ» на ограниченных производственных площадях, в отличие от громоздких пиролизных комплексов. Это дает возможность приблизить их к конечным потребителям этилена.
Технология выделения этилена из продуктов дегидратации
После проведения реакции дегидратации этанола и образования этилена, необходимо выделить и очистить целевой продукт - этилен. Для этого применяются различные методы разделения газовых смесей.
Наиболее распространенный способ - абсорбционная очистка. Суть его заключается в том, что поглощение этилена происходит раствором уксусной кислоты или других органических веществ. Затем на стадии десорбции этилен выделяется в чистом виде.
Также возможно применение ректификации - разделения компонентов по температурам кипения. Однако этот метод более энергоемкий и дорогой.
Оборудование для выделения этилена
Для реализации процесса выделения этилена применяется различное оборудование:
- Абсорберы и десорберы
- Теплообменники и холодильники
- Насосы и компрессоры
- Системы автоматизации и КИПиА
Подбирая и настраивая это оборудование, можно добиться высокой эффективности как по чистоте получаемого этилена (99% и более), так и по энергозатратам процесса.
Использование побочных продуктов
Основными побочными продуктами дегидратации этанола являются:
- Реакционная вода
- Непрореагировавший избыточный этанол
Воду целесообразно направлять на очистные сооружения или повторно использовать в технологическом процессе. Этанол может либо возвращаться в реактор для увеличения конверсии, либо идти на реализацию как пищевой спирт или для технических целей.
Коммерческое производство этилена из этанола
Получить этилен из относительно дешевого и восполняемого сырья - этанола сегодня вполне реально и экономически целесообразно. Уже есть работающие предприятия в Бразилии, Китае, Индии и других странах.
Основными факторами, определяющими коммерческий успех, являются:
- Наличие и стоимость сырья (этанола)
- Спрос на этилен и продукты его переработки
- Конкурентоспособность по себестоимости продукции
Для России перспективно создание небольших гибких производств этилена из доступного отечественного этанола для выпуска импортозамещающей продукции.
Уравнение получения этанола этилена еще раз
Еще раз напомним уравнение основной химической реакции получения этилена из этанола:
C2H5OH → C2H4 + H2O
Этот принципиально простой процесс - отщепление молекулы воды от этанола с образованием целевого продукта - этилена, лежит в основе перспективной технологии, которая обладает целым рядом преимуществ.
Рыночные перспективы технологии
Несмотря на все достоинства, технология получения этилена из этанола пока не получила повсеместного распространения. Тем не менее, по прогнозам аналитиков, в ближайшие годы она будет активно продвигаться на рынок и занимать свою нишу.
Особенно это актуально для производителей биоразлагаемых пластиков, сополимеров и другой инновационной продукции, требующей экологичного сырья.
Возможности для бизнеса
Рыночные перспективы технологии получения этилена из этанола открывают интересные возможности для бизнеса. Главные из них:
- Создание малых гибких производств этилена для региональных потребителей
- Организация полностью экологичного цикла от поля до пластиковой бутылки
- Импортозамещение пластмасс и химических продуктов
Особенно перспективны стартапы от разработки бизнес-плана до поставки оборудования, пусконаладки и сервиса. Потенциальные клиенты и инвесторы - крупный и средний бизнес.
Риски реализации проектов
Как и любой инновационный бизнес, запуск производства этилена из этанола сопряжен с определенными рисками, основные из которых:
- Высокие начальные инвестиции
- Нестабильность цен на сырье и готовую продукцию
- Выход на полную мощность и окупаемость
- Кадровое и техническое обеспечение проекта
Для минимизации рисков важны тщательное обоснование проекта, поэтапное масштабирование, господдержка.
Получить этилен на производстве
Чтобы получить этилен на своем производстве из этанола, потребуется решить ряд технологических задач:
- Подбор оптимальной каталитической системы
- Расчет материально-теплового баланса процесса
- Проектирование и изготовление реактора и вспомогательного оборудования
- Отладка технологии и выход на заданную производительность
Для этого потребуется привлечь высококвалифицированных технологов и инженеров со знанием химии и особенностей нефтехимических производств.
Переработка этилена
После того как из этанола получить этилен удалось, его нужно направить на переработку. Основные направления использования этилена:
- Производство полиэтилена, поливинилхлорида (ПВХ) и других пластмасс
- Синтез этиленгликоля - компонента антифризов
- Получение оксида этилена для изготовления моющих средств
То есть спрос на этот базовый нефтехимический продукт постоянно растет, что обеспечит загрузку любых новых производств этилена.