Как из этана получить бутан: превращение углеводородов

Бутан широко используется в промышленности, быту, сельском хозяйстве благодаря своим энергетическим свойствам. Возникает потребность в эффективных способах его производства из доступных источников, в частности, из этана.

Что такое этан и бутан

Этан представляет собой простейшее органическое соединение, входящее в ряд предельных углеводородов (алканов). В его молекуле содержится 2 атома углерода и 6 атомов водорода.

Бутан относится к тому же классу алканов, что и этан, но имеет в составе 4 атома углерода и 10 атомов водорода.

Этан и бутан являются гомологами - веществами сходного химического строения, отличающимися на CH2-группу.

Основные различия этана и бутана:

• Молекулярная масса: Этан - 30 г/моль Бутан - 58 г/моль
• Температура кипения: Этан - −88,6 °C Бутан - −0,5 °C
• Плотность: Этан - 1,26 кг/м3 Бутан - 2,48 кг/м3

Метод крекинга этана

Как из этана получить бутан? Одним из распространенных способов получения бутана из этана является крекинг — процесс разрушения молекулы исходного сырья с образованием более мелких молекул.

При нагревании этана до 900°C в присутствии катализатора происходит реакция:

C₂H₆ → 2C₄H₁₀

То есть одна молекула распадается на две молекулы бутана. Метод эффективен для получения бутана в промышленных масштабах.

Среди достоинств крекинга:

• высокий выход целевого продукта;
• экологичность;
• универсальность.

К недостаткам можно отнести высокое энергопотребление и необходимость предварительной подготовки этансодержащего сырья.

Гидратация этена

Как из этана получить бутан? Еще один путь превращения этана в бутан - через промежуточное соединение этилен (этен). Сначала осуществляется реакция дегидрирования этана с образованием этилена:

C₂H₆ → C₂H₄ + H₂

Затем молекула этилена гидратируется, присоединяя молекулу воды:

C₂H₄ + H₂O → C₂H₅OH

Получившийся этиловый спирт вступает в реакцию обвалки с образованием бутана:

2C₂H₅OH → C₄H₁₀ + H₂O

Каталитическое окисление

Метод основан на окислении этана кислородом воздуха в присутствии катализатора. Происходят следующие превращения:

C₂H₆ + O₂ → C₂H₄O + H₂O

C₂H₄O + H₂ → C₄H₁₀

Преимущества метода:

• высокая скорость реакции;
• не требует больших затрат энергии.

Гидрирование этана

Гидрирование основано на присоединении к молекуле этана атомов водорода. Реакция проводится в присутствии катализаторов:

C₂H₆ + 2H₂ → C₄H₁₀

Среди преимуществ:

• высокая чистота целевого продукта;
• возможность регулирования процесса.

Сравнение методов:

Таким образом, существует несколько эффективных химических и физических методов получить бутан из этана. Выбор конкретного метода зависит от имеющегося оборудования, требуемых объемов и других факторов.

Промышленное производство бутана

В промышленных масштабах бутан получают путем фракционирования и ректификации нефти или природного газа. Сырье подвергается нагреванию, в результате чего происходит разделение смеси на фракции с различной температурой кипения.

Одним из ключевых процессов является паровой каталитический крекинг этансодержащих фракций:

1. Этановая фракция нагревается до 900°C.
2. Пары смеси подаются на катализатор.
3. На катализаторе молекулы этана распадаются с образованием бутана.
4. Паробутановая смесь охлаждается для выделения жидкого бутана.

Перспективы развития технологий

Совершенствование процессов получения бутана из этана идет по нескольким направлениям:

• Разработка более эффективных катализаторов;
• Создание ресурсосберегающих технологий;
• Повышение степени переработки сырья.

Актуальна задача снижения себестоимости производства бутана для расширения сфер его применения.

Крупнейшие производители бутана

Мировыми лидерами по производству бутана являются:

• Саудовская Аравия (более 13 млн тонн в год);
• США (около 12 млн тонн);
• Катар (свыше 11 млн тонн).

Россия производит порядка 2 млн тонн бутана в год, уступая лидерам, но опережая большинство стран.

Перспективы рынка бутана

Спрос на бутан будет ежегодно расти на 3-4%. Это связано с увеличением потребления в нефтехимии, бытовом секторе развивающихся стран.

Для удовлетворения спроса потребуются новые мощности и технологии производства бутана, в том числе из этансодержащего сырья.