Контрольная работа: Современное состояние нефтехимического синтеза Основные продукты и технологии

СО+2Н2=СН3ОН (7)

на этих катализаторах вообще не протекает, а в условиях синтеза метанола основную роль играют две реакции:

собственно синтез метанола

СО2+3Н2=СН3ОН+Н2О (8)

и конверсия СО водой (реакция водяного пара)

СО+Н2О=СО2+Н2 (9)

Аналогичный механизм процесса образования метанола реализуется на цинкхромовых катализаторах.

На железных катализаторах (и, вероятно, на палладиевых) ситуация противоположная: почти весь метанол образуется за счет гидрирования СО и лишь 0,2 % - за счет гидрирования СО2.

Дегидратация метанола в диметиловый эфир.

Кинетика дегидратации метанола в диметиловый эфир:

2СН3ОН=СН3ОСН3+Н2О

изучалась в ряде работ, однако предложенные кинетические уравнения фактически давали лишь эмпирическое описание процесса. Важная информация о механизме реакции дегидратации метанола следует из данных работы В.А. Махлина и С.И. Иванова. Ниже приведены результаты, полученные ими в очень простом эксперименте при подаче в проточный реактор импульсов метанола в потоке гелия на слой катализатора γ-Al2O3, содержащий прочно адсорбированную воду (табл. 1).

Таблица 1 Результаты исследования реакции дегидратации метанола в диметиловый эфир на γ-Al2O3 импульсным методом

Количество метанола в импульсе, ммоль	Количество продуктов на выходе из реактора, ммоль ДМЭ метанол вода
0,052	---------	---------	0,098
0,062	---------	0,001	0,042
0,050	0,013	0,003	0,026
0,055	0,017	0,003	0013
0,053	0,010	0,004	0,013
0,162	0,179	0,017	0,038

Как видно, первый импульс метанола не приводит к образованию ДМЭ. В газовой фазе появляются лишь две молекулы воды на каждую молекулу поглощенного метанола. Близкая картина наблюдается при пуске второго импульса, хотя количество выделяющейся воды снижается. При подаче последующих трех импульсов образуется небольшое количество ДМЭ и выделяется столь же небольшое количество воды, при этом метанола на выходе из реактора (слой катализатора) не обнаруживается, он постепенно накапливается на поверхности сорбента. Наконец, при шестом импульсе концентрация метанола резко увеличивается в газовой фазе вплоть до выхода его из реактора.

Проведенный опыт привел к принципиально важному результату: количество полученного диметилового эфира намного превышает количество поданного в импульсе метанола. Более того, практически весь метанол, оставшийся на поверхности сорбента в ходе предыдущих импульсов, превращается в ДМЭ. При этом количество выделяющейся воды невелико и намного меньше, чем это следовало бы согласно стехиометрии реакции.

2.2 Одностадийный синтез ДМЭ из синтез-газа и синтез бензина (через ДМЭ)

Рассмотренную выше схему 2 нельзя считать полностью оптимальным решением. Синтез метанола характеризуется неблагоприятной термодинамикой, что резко ухудшает технико-экономические показатели процесса по схеме 2. Напрашивается решение – объединить процессы синтеза метанола и его дегидратации, выводя таким образом метанол из зоны реакции. В этом случае протекают три экзотермические реакции:

синтез метанола

СО2+3Н2=СН3ОН+Н2О (+49,8 кДж/моль) (8)

дегидратация метанола

2СН3ОН=(СН3)2О+Н2О (+23,4 кДж/моль) (9)

конверсия СО водой (реакция водяного пара)

СО+Н2О=СО2+Н2 (+40,9 кДж/моль) (10)

Ключевой реакцией в приведенной совокупности (8) – (10) является синтез метанола. Образующийся в реакции (8) метанол и вода превращаются в двух последующих реакциях. В противоположность синтезу метанола, равновесие двух последних реакций сдвинуто вправо. Именно поэтому сочетание указанных трех реакций в едином реакционном пространстве оказывается исключительно благоприятным, во всяком случае для газофазного процесса, и позволяет на порядок повысить производительность катализатора синтеза метанола. Удаление воды из зоны реакции благоприятно с позиций не только термодинамики, но и кинетики процесса, так как вода тормозит синтез метанола.

Указанный подход позволяет получить оптимизированную схему переработки природного газа в ДМЭ, включающую прямой синтез ДМЭ из синтез-газа (схема 3).

Схема 3 Двухстадийный синтез диметилового эфира из природного газа

2.3 Нетрадиционные процессы и технологии получения моторных топлив

В Институте катализа СО РАН разработан ряд нетрадиционных процессов и технологий получения высококачественных бензинов и дизельных топлив на основе различных углеводородных фракций – средних нефтяных дистиллятов, газовых конденсатов, широкой фракции легких углеводородов и легких углеводородных газов.