Получение диметилового эфира дегидратацией метанола на АlPO4 +SiO2 катализаторах

2

Министерство образования  Российской Федерации

Московская государственная  академия тонкой химической

технологии им. М.В. Ломоносова

Кафедра Технологии нефтехимического синтеза  и искусственного жидкого топлива

 

АТТЕСТАЦИОННАЯ РАБОТА

на соискание  степени бакалавра по направлению

550800 «Химическая  технология и биотехнология»

Тема: Получение диметилового эфира дегидратацией метанола на АlPO₄ +SiO₂ катализаторах.

 

 

 

 

 

 

Заведующий кафедрой, д.х.н., проф. Третьяков В.Ф.

Руководитель, ст. преп., к.т.н. Антонюк С.Н.

Дипломант, студент группы ХТ-406 Овчинников М.А.

 

 

 

Москва 2003 г

 

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ

1. Сырье для топлива
2. Получение метанола
3. Использование метанола
4. Получение диметилового эфира дегидратацией метанола
5. Направления использования продуктов разложения метанола
1. Направления использования водорода
2. Направления использования оксидов углерода
3. Направления использования диметилового эфира
6. Использование диметилового эфира в качестве моторного топлива дизельных двигателей
7. Физико-химические показатели и свойства ДМЭ
8. Транспортировка ДМЭ, разгрузка, хранение
9. Производство ДМЭ из метанола
10. Производство ДМЭ из природного газа
1. Рентабельность производства
2. Перспектива ДМЭ
3. Выбор технологии переработки
11. Производство ДМЭ из угля
12. Каталитические системы на основе алюмофосфатов цеолитного типа
13. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. Методика проведения эксперимента
2. Методика анализа жидких продуктов
3. Методика анализа газообразных продуктов
4. Методика определения удельной поверхности
5. Методика приготовления катализаторов
14. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение

 

Автомобильный парк города насчитывает более 2,3 млн. автомобилей, потребляющих в год 4 млн.тонн бензина и дизельного топлива.

Стремительный рост автомобильного транспорта в Москве привел к значительному увеличению объемов выбросов загрязняющих веществ в воздушную среду города. В виде отработавших газов, продуктов испарения бензина и других вредных примесей в атмосферу ежегодно выбрасывается более 1 млн. тонн загрязняющих веществ.

Наряду с Программой оснащения муниципального автотранспорта каталитическими нейтрализаторами, в ходе выполнения которой на автобусы и грузовые автомобили установлено более 23 тысяч нейтрализаторов, использование альтернативных экологически более чистых видов моторного топлива является одним из основных путей снижения негативного влияния автомобиля на экологию города.

Интенсивные работы в этом направлении ведутся во всех развитых странах мира. Ведущие мировые автомобильные концерны инвестируют миллиарды долларов в развитие транспорта и технологий альтернативных видов моторного топлива и источников энергии.

В России наиболее предпочтительным представляется частичное замещение традиционных видов моторного топлива на синтетические жидкие углеводороды, получаемые из природного газа, в силу низкой себестоимости и практической неограниченности этого ресурса в стране.

Использование в качестве моторного  топлива диметилового эфира, пропан-бутана, метана позволяет уменьшить выбросы в атмосферу окиси углерода, углеводородов и окиси азота на 30-70% по сравнению с обычными жидкими моторными топливами.

Достижения Московских нефтехимических научно-исследовательских институтов и предприятий позволяют впервые в стране приступить к целенаправленным работам по практическому внедрению диметилового эфира в качестве альтернативы дизельному топливу и начиная с 2005 года начать эксплуатацию дизельного автотранспорта на этом экологически чистом виде моторного топлива с использованием для их заправки пропан-бутановых заправочных комплексов.

В перспективе ставится задача создания экологически безопасного для окружающей среды транспортного средства, автомобиля с "нулевым выбросом", энергетической установкой которого является топливный элемент на водородном топливе.

Общегородские экологические программы, выполненные в Москве в 1994-2000 гг., в том числе и по экологии транспорта, позволили решить ряд научно-технических проблем, осуществить практические меры по использованию природного газа метана и сжиженного газа пропан-бутана в качестве моторного топлива, создать условия для привлечения внебюджетных инвестиций. В ближайшие три года перевод автотранспорта города на эти виды газового топлива будет основным фактором, способствующим сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу города.

В марте 2002 г. Правительство Москвы приняло Постановление «О Городской целевой программе использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 2002-2004 годы» и утвердило эту Программу.

Целью Программы является разработка и введение в действие правовых, административных и экономических мер, обеспечивающих снижение уровня вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду и здоровье населения, устойчивый рост объемов замещения традиционных моторных топлив альтернативными, создание условий для привлечения внебюджетных инвесторов.

К основным задачам, предусмотренным Программой, относятся:

проведение государственной  политики, направленной на повышение  экологической безопасности автомобильного транспорта;

осуществление первоочередных мер, гарантирующих экологическую  безопасность транспорта;

научно-техническое обеспечение  решения проблем в этой области;

расширение масштабов  внедрения в городской транспорт  альтернативных источников энергии  и моторных топлив;

сокращение объемов  потребления традиционных жидких топлив.

Система программных мероприятий предусматривает:

Применение эфира в  качестве моторного топлива дизельных  двигателей.

Расширение использования  сжиженного углеводородного газа (пропан-бутана) как альтернативы бензиновому топливу.

Создание транспортных средств с энергоустановками на основе электрохимических генераторов с водородно-воздушными топливными элементами.

Применение природного газа (метана) вместо бензина и дизельного топлива.

Разработку транспортных средств с комбинированными энергоустановками.

Программа реализуется в один этап (2002-2004 гг.), объем финансирования намеченных мероприятий составляет около 1750 млн. руб. Основным источником финансирования являются средства инвесторов (примерно 1650 млн. руб.) и средства Минатома РФ (30 млн. руб.); кроме того, из бюджета города выделяются средства на НИОКР — свыше 60 млн. руб.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения мероприятий Программы к концу 2004 г. в столице будут созданы  основы для проведения экологически ориентированной транспортной политики и административные механизмы стимулирования производства и эксплуатации усовершенствованных автотранспортных средств и альтернативных видов топлива с более высокими экологическими характеристиками.

В техническом отношении реализация Программы должна привести к:

улучшению экологических характеристик автотранспортных средств, переводимых на альтернативные топлива и источники энергии;

увеличению парка автотранспортных средств, работающих на сжиженном нефтяном газе (до 300 тыс. единиц) и на природном  газе (до 3 тыс. единиц);

созданию образцов автотранспортных средств:

использующих диметиловый  эфир (вместо дизельного топлива);

с высокоэкономичными гибридными силовыми установками;

с энергетическими установками  на основе электрохимических генераторов  с «нулевым» выбросом (на водородном топливе).

Главным итогом реализации Программы станет улучшение состояния воздушного бассейна города благодаря снижению к концу 2004 г. суммарных атмосферных выбросов от автотранспорта более чем на 60 тыс. т, а ежегодный предотвращенный за счет этого экологический ущерб достигнет на конец 2004 г. почти 320 млн. руб. [1]

Таким образом, исследование новых катализаторов в процессе получения ДМЭ имеет сейчас огромное значение и любые работы и исследования, проводимые в данной области не останутся без внимания.

 

1. Сырье для топлива

 

Основным сырьем для  производства топлива является нефть. Качество топлива зависит от исходного  сырья и от технологии переработки.

Состав топлива должен быть подобран так, чтобы оно обладало свойствами, которые обеспечивают легкий запуск двигателя, полное сгорание, максимальное использование энергии топлива, отсутствие чрезмерного износа отдельных элементов двигателя, стабильность в ходе хранения. Критериями оценки качества топлива в общем случае являются следующие физико-химические параметры: цетановые или октановое число, фракционный состав, вязкость, содержание серы, остаток после коксования, остаток после озоления, температура воспламенения, кислотность, низкотемпературные свойства, содержание воды и механических загрязнений, а часто также плотность и теплотворная способность[2].

Главной проблемой применения дизельных топлив является эмиссия  оксидов азота и специфических  веществ, в первую очередь сажи. Эмиссия  оксидов азота особенно не желательна. Она приводит к выпадению кислотных дождей, образованию приземного слоя озона в городских зонах и истощению озонового слоя атмосферы.

По содержанию оксидов  азота, монооксида углерода, углеводородов  и сажи в выхлопных двигателей внутреннего сгорания предъявляются  жесткие требования. К настоящему времени технологически оформлено и запущено в промышленном варианте производство таких альтернативных топлив, выгодно отличающихся с экологической точки зрения от современного топлива, как метанол, этанол, сжиженный газ, синтетическое жидкое топливо на основе метанола, диметиловый эфир [3].

 

2. Получение метанола

 

Метанол является одним  из важнейших по значению и масштабам  производства органическим продуктом, выпускаемым химической промышленностью. Способы его получения могут  быть различны: сухая перегонка древесины, каталитическое неполное окисление метана, каталитическое гидрирование моно- и диоксида углерода, термическое разложение формиатов, гидрирование метилформиата, омыление метилхлорида и др.

До промышленного освоения каталитического способа метанол получали в основном сухой перегонкой древесины, в настоящее время этот метод практически не имеет промышленного значения. По причинам технического и, главным образом, экономического характера промышленное развитие получил метод синтеза метанола из монооксида углерода и водорода. Этот метод, с применением оксидов металлов или металлических катализаторов, известен давно, с начала двадцатых годов. При этом довольно быстро стало известно, что в катализаторе не должно присутствовать железо, поскольку образование углеродных отложений дезактивирует катализатор и приводит к образованию метана вместо метанола [4].

С первых лет промышленного  производства и приблизительно до конца 1950-х годов лучшим катализатором  считался цинк-хромовый. Реакцию проводили при давлении 250-300 атм. и температуре 300-400 С. Ещё давно отмечалось, что медьсодержащие катализаторы позволяют проводить синтез при значительно более низких давлении и температуре, однако медные катализаторы чрезвычайно чувствительны к примесям серы в исходных газах. Так, например цинк- хромовый катализатор ещё может работать при содержании сероводорода до 3^.10^-3 %, тогда как для медьсодержащих катализаторов содержание сероводорода должно быть менее 1^.10^-4 %. Настоящий успех в синтезе с использованием медьсодержащих катализаторов был обусловлен существенным улучшением процесса очистки синтез-газа. Современные методы очистки позволяют уменьшить содержание сероводорода до 1^.10^-5 %, что гарантирует срок службы катализатора более трёх лет.

Для получения оптимальных результатов медьсодержащий катализатор требует присутствия в исходной газовой смеси около 2% СО₂ [5]. Было установлено, что активным центром катализатора является одновалентная медь Сu(1) [6]. При концентрациях СО₂ меньше 2% катализатор дезактивируется вследствие дальнейшего восстановления, а при более высоких концентрациях CO₂ адсорбируется, что затрудняет синтез. С точки зрения энергетических затрат предпочтительнее проводить синтез с использованием Cu/Zn-катализатора при низком давлении (50-100 атм.) и температуре 220-270^оС. Однако высокое давление требуется в тех случаях, когда газ загрязнён серой или другими примесями [6]. Суммарная реакция получения метанола сильно экзотермична (-90.8кДж/моль):