научная статья по теме ПОЛУЧЕНИЕ ОКСИГЕНАТНЫХ ВЫСОКООКТАНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ ПОЛИОЛОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ПОЛУЧЕНИЕ ОКСИГЕНАТНЫХ ВЫСОКООКТАНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ ПОЛИОЛОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ»

НЕФТЕХИМИЯ, 2011, том 51, № 1, с. 62-69

УДК 662.754, 542.934.8

ПОЛУЧЕНИЕ ОКСИГЕНАТНЫХ ВЫСОКООКТАНОВЫХ КОМПОНЕНТОВ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ ПОЛИОЛОВ РАСТИТЕЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ

© 2011 г. А. Л. Максимов, А. И. Нехаев, Д. Н. Рамазанов, Ю. А. Ариничева,

А. А. Дзюбенко, С. Н. Хаджиев

Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, Москва E-mail: max@ips.ac.ru Поступила в редакцию 27.08.2010 г.

Изучена кетализация полиолов (глицерина, ксилита, ксилозы) в присутствии ряда гетерогенных кислотных катализаторов. Показано, что цеолитсодержащие катализаторы демонстрируют высокую активность в образовании кеталя глюкозы и ацетона в проточной системе при количественной селективности по 1.2-продукту. Наилучшими катализаторами являются цеолит-бета, при использовании которого и избытке ацетона выход продукта составляет более 90%, а при использовании "реактора с структурированным режимом" — более 98%. Показано, что цеолитсодержащие системы катализируют образование кеталей ксилита и ксилозы с выходом до 50% при избытке ацетона.

Получение компонентов моторных топлив с улучшенными экологическими характеристиками из биосырья является одним из возможных направлений расширения сырьевой базы современной топливной промышленности. Применение кислородсодержащих компонентов топлив (этанол, биодизель), производимых из биосырья, в настоящее время получило широкое распространение в ряде стран мира [1—3] и стимулирует поиск новых окси-генатных компонентов моторных топлив. Следует отметить, что как при производстве этанола, так и при производстве метиловых эфиров жирных кислот в качестве одного из побочных продуктов образуются полиолы: пентозы из гемицеллюлоз для спирта и глицерин для биодизельного топлива [4]. Так, на 1 т последнего получается 100 кг глицерина, а общее его количество при современном уровне производства указанного вида горючего составляет более 1 млн. т.

Использование полиолов в качестве компонентов традиционных углеводородных топлив невозможно из-за наличия в их структуре нескольких полярных гидроксильных групп, и, как следствие, низкой растворимости в углеводородах. Модификация полиолов, в частности путем ацилирования гидроксигрупп [5, 6], ведет к увеличению гидро-фобности и позволяет использовать полученное производное как добавку к топливам [7—9].

Одним из путей модификации полиолов является синтез кеталей — производных, образующихся при взаимодействии с кетонами. Было показано, что продукты кетализации полиолов ацетоном могут служить высокооктановыми компонентами бензинов и уменьшают их склонность к смолообразованию, снижают температуру замерзания дизель-

ных топлив и улучшают их смазывающие свойства [10, 11]. Так, кеталь глицерина и ацетона (зольке-таль) обладает октановым числом смешения 98 [12]. Его добавки в количестве 1—5% существенно увеличивают окислительную стойкость бензинов [13]. В смеси с этанолом он позволяет резко повышать октановое число бензинов: если при добавлении 10% этилового спирта ИОЧ бензина АИ-80 возрастает на 1.7, то при дополнительном введении 10% золькеталя — на 9.4 единицы. Причем для полученного топлива температура расслоения оказывается ниже —30°С. При применении кеталя арабинозы в качестве добавки к бензину АИ-80 вместе с 10% этанола октановое число полученного топлива по моторному методу оказывается выше 95 единиц [14].

Образование кеталя по реакции полиола с ацетоном протекает с образованием воды и требует, как правило, сочетания кислотного катализа и водоот-нимающих агентов. В качестве такого агента может выступать сам ацетон [15, 16]. Для кетализации глицерина ацетоном могут применяться как гомогенные (серная кислота, толуолсульфокислота), так и гетерогенные катализаторы. Среди последних следует указать на катионообменные смолы (АтЪег1уз1 ЭРТ-1; АтЪег1уз1-15 [17] АтЪег^-Зб [18]), монтмориллонит К-10 [19], цеолиты [17, 20], нанесенные на силикагель гетерополикислоты [21], мезо-пористые силикаты, содержащие арилсульфогруппы [22]. Наилучшие результаты (90% выход золькеталя при высокой селективности) были достигнуты при шестикратном избытке ацетона в реакторе периодического действия с испарением ацетона на второй стадии процесса [22] или с использованием мембранного реактора для удаления воды [19].

Кетализация сахаридов ацетоном с использованием гетерогенных катализаторов активно изучалась с использованием различных типов катализаторов: органических и неорганических кислот, таких как толуолсульфоновая и тетрафторборная [23, 24], кислот Льюиса (хлорид железа(Ш), [25], хлорид алюминия [26], трифторацетат ванадила [27]), ряда гетерогенных систем [28—32]. В то же время, во многих случаях катализатор не мог быть использован повторно, а выходы были невысоки.

В настоящей работе мы исследовали кетализа-цию глицерина в проточной системе и моносахаридов (ксилозы, ксилита) в реакторе периодического действия с использованием ряда катализаторов на основе твердых кислот.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве катализаторов в работе использовали: катионит в кислой форме КУ-2; фторированный сульфокатионит Ф-4СФ (сополимер тетрафтороэ-тилена и перфторо-3,6-диокси-4-метил-7-октен-сульфокислоты) в кислой форме с эквивалентной массой 890; нанесенный на силикагель полимер Ф-4СФ (25%); цеолит-бета Zeolyst CP811TL в кислой форме, цеолит-бета Zeolyst CP814E в кислой форме, цеолит Y (Aldrich) в кислой форме, катализатор на основе цеолита Y — Цеокар 600 (10% цеолита Y); катализатор на основе морденита Zeolyst ZD 04028. Кислую форму цеолита Y (Aldrich) и цеолита-бета (Zeolyst CP814E) получали прокаливанием NH4-формы коммерческих образцов при 550°С в течение 6 ч в токе сухого воздуха.

Катализатор на основе нанесенного полимера Ф-4СФ получали следующим образом. К рассчитанному раствору перфторсульфополимера (содержащего 7.2% Ф-4СФ эквивалентной массой 890 в изопропаноле) приливали при интенсивном перемешивании 93 мл 0.4 моль/л раствора NaOH, а затем 75 мл воды. К полученному раствору, упаренному в вакууме до объема 330 мл, добавляли смесь 138 г тетраэтилортосиликата с 20 мл воды и несколькими каплями раствора HCl. Образовавшийся гель выдерживали на воздухе при комнатной температуре 8 ч, а затем сушили при 95°С в течение 2-х дней до воздушно-сухого состояния. Полученный композит обрабатывали 300 мл 15%-ной азотной кислоты при 70°С в течение 7 ч. Твердую фазу отделяли от раствора фильтрованием, промывали дистиллированной водой, сушили 24 ч в вакууме при 100°C и получили твердый стеклообразный материал массой 59 г (выход 95%).

Для определения количества кислотных центров в катализаторе на основе Ф-4СФ и катионите КУ-2 использовали метод кислотно-основного титрования. Навеску образца выдерживали 4 ч при интенсивном перемешивании в 10% водном растворе NaCl, затем твердую фазу отделяли фильтрованием, а раствор титровали 0.01000 моль/л NaOH (индикатор — фенолфталеин). Данные по общей кислотно-

сти цеолитов были предоставлены поставщиками и дополнительно подтверждены с использованием указанного метода.

Характеристики пористой структуры имеющихся образцов цеолитов и нанесенного катализатора на основе Ф-4СФ определяли на анализаторе ASAP — 2010N (Micrometrics). Перед анализом образец вакуумировали при 200°С в течение 6 ч до давления 1 х 10-3 атм. Изотерму адсорбции-десорбции азота снимали при температуре 77 К. Характеристики пористой структуры рассчитывали с использованием стандартного программного обеспечения прибора ASAP — 2010N. Для характеристик образцов использовали величины площади поверхности (по методу ВЕТ), объема (при р/р0 = 0.95) и диаметра пор. Для получения кривой распределения пор использовали метод BJH. Характеристики катализаторов приведены в табл. 1. В качестве реагентов использовали глицерин и ацетон марки чда, ксилозу (Aldrich) и ксилит (Fluka) без предварительной очистки.

Кетализацию глицерина ацетоном в проточной системе проводили с использованием установки, включающей в себя два насоса типа Gilson 305, стандартный смеситель фирмы Gilson, где происходило смешивание потоков и реактор объемом 15 мл. Температуру реакции контролировали термопарой, размещенной внутри реактора. Определяли средний выход продукта за 4 ч протекания реакции. Размер частиц катализатора был в 15 раз меньше диаметра реактора для минимизации струйных проскоков. Образцы цеолитов и катализатора Ф-4СФ/5Ю2 прессовали в таблетки (давление прессования 3 т/см2), затем таблетки измельчали и отбирали фракцию частиц размером 1—1.5 мм. Для катализаторов Цеокар-600 и Zeolyst ZD 04028 указанную фракцию для проведения экспериментов отбирали после измельчения частиц катализатора. Ряд экспериментов проводили в специально сконструированном "реакторе со структурированным режимом" [33].

Реакцию кетализации ксилозы и ксилита исследовали с использованием термостатируемого стеклянного реактора с обратным холодильником. В ряде экспериментов между холодильником и реактором устанавливали патрон с предварительно высушенными в вакууме молекулярными ситами 4А.

Анализ продуктов реакции кетализации глицерина, ксилозы и ксилита проводили на хроматографе Кристалюкс 4000 M, снабженным пламенно-ионизационным детектором. Колонка — 30 м х 0.4 мм, фаза SB-5-Octyl (Supelco). Режим температурного программирования — от 60 до 220°С. Для количественного анализа применяли калибровочные смеси с точно известным содержанием кеталя.

Протекание реакций с участием моносахаридов и состав продуктов реакции также контролировали с использованием ЯМР-спектроскопии. После проведения реакции ацетон отгоняли в вакууме, после чего полученную пробу растворяли в дейтерированном ДМСО. Анализ проводили на

Таблица 1. Характеристика использованных в работе катализаторов

Катализатор Кислотность, мэкв Н+/г* Площадь поверхности, м2/г Объем пор, см3/г Диаметр пор, нм Si/Al активного компонента

КУ-2 в Н форме 1.4 15 2.7 — —

Цеолит-бета Zeolyst 0.81 752 0.58 0.69 20

CP811T1

Цеолит-бета Zeolyst CP814E 1.4 680 0.62 0.70 12.5

Цеолит Y 2.1 629 0.56 0.74 2.5

Цеокар-600** 0.54 321 0.5 — 5

Zeolyst ZD 04028*** 0.97 492 0.58 0.78 10

Ф4СФ**** 0.96 0.06 — — —

8Ю2/25%-Ф4СФ 0.24 231 0.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком