Способ получения этилена из легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья
Владельцы патента RU 2718762:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (ИК СО РАН) (RU)
Изобретение относится к способу получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья, не имеющего продовольственной ценности. Предложен способ получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья непродовольственного назначения, который включает измельчение сырья, предварительную химическую обработку 3-6%-ным раствором азотной кислоты при 90-95°С и атмосферном давлении в течение 3-6 ч, предварительное осахаривание осуществляют в течение 18-24 ч, совмещенный процесс осахаривания и сбраживания, в результате которого получают бражку, которую подвергают дистилляции и получают этанол концентрацией 90-96 мас. %, который содержит примеси в расчете на безводный этанол С3 спиртов не более 7 г/л, ионов натрия не более 0,01 мг⋅экв/л, полученный продукт - этанол направляют в каталитический реактор, где осуществляют его дегидратацию с получением реакционного газа, содержащего этилен, остаточный этанол и пары воды, из которого выделяют газовую фазу этилена, а полученную после реактора дегидратации этанола жидкую фазу, содержащую воду с растворенным в ней остаточным этанолом, смешивают с потоком бражки и направляют на дистилляцию, а отход спиртового производства – барду - направляют на сжигание и генерацию тепла, с последующим его использованием в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен. Технический результат - получение по экологически чистой и экономически привлекательной технологии высоковостребованного продукта - этилена. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 16 пр.
Изобретение относится к способу получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья, не имеющего продовольственной ценности.
Этилен, получаемый из ископаемого углеводородного сырья, является крупнотоннажным полупродуктом нефтехимии, используемым для производства более 75% ценных химических продуктов. В настоящее время интенсивно развиваются методы получения этилена из альтернативного возобновляемого сырья, включающие биотехнологические стадии получения этанола и каталитические стадии его конверсии в этилен. Однако существующие технологи используют высокоценное сырье продовольственного назначения (сахарный тростник, кукурузу, пшеничное зерно и иное), что при их применении в крупных масштабах создает серьезные сельскохозяйственные и этические проблемы. В связи с этим актуальным является развитие технологий получения ценных химических продуктов на основе растительного сырья, не представляющего продовольственной ценности. Особый интерес среди целлюлозосодержащей биомассы представляют технические культуры семейства злаковых и массовые отходы сельскохозяйственного производства. Мискантус характеризуется высокой урожайностью даже на бедных почвах и высокой стойкостью при хранении, это обеспечивает стабильное качество сырья и устойчивую работу биотехнологического производства. Плодовые оболочки овса являются уникальным видом воспроизводимого сырья, они составляют 28% от массы зерна и накапливаются в промышленных масштабах на зерноперерабатывающих предприятиях.
Из уровня техники известен способ получения этилена из этанола или этанолового сырья (US 20090008610 А1, B82Y 40/00, 8.01.2009). Недостатком способа является использование ценного продовольственного сырья для получения промышленной продукции; кроме того, информация о требованиях к качеству этанола, о наличии в нем органических или неорганических примесей не раскрывается, но отмечается необходимость дорогостоящей стадии очистки этанола.
Известны способы дегидратации этанола в этилен (RU 2597422, С07С 1/24, 09.07.2012; RU 2415121, С07С 1/24, 2.11.2006), при которых реакцию осуществляют в реакторе под давлением, а отходы дегидратации: воду, оставшийся этанол или диэтиловый эфир после разделения и очистки частично рециркулируют обратно в реактор, тем самым получают разбавленный этанол на входе в реактор. Недостатком таких способов является применение сложных и затратных стадий разделения и очистки воды, остаточного этанола или диэтилового эфира, а также низкая эффективность использования оборудования при дегидратации разбавленного водой этанола.
Известны (RU 2701643, С12Р 7/06, 27.09.2018, RU 2593724, С12Р 7/06, 25.06.2015)
способы получения этанола из целлюлозосодержащей биомассы (мискантуса, плодовых оболочек овса и т.п.). Недостатком таких способов является то, что в качестве сырья в технологии используется только один сорт мискантуса, несмотря на существование более 14 сортов, произрастающих в различных климатических регионах. Существенным недостатком является то, что отходы и стоки спиртового производства - барда и вода после дистилляции этанола - не используются, что требует затрат на их утилизацию. В патенте не раскрывается качество получаемого этанола, в частности, отсутствуют количественные данные о содержании органических и неорганических примесей, хотя примеси в этаноле могут иметь решающее значение для рентабельности производства ценных химических продуктов на его основе.
Из уровня техники известен способ получения этилена (олефинов) (заявка WO 2008/067627 А3, С07С 11/04, 05.12.2006), из растительного сырья, включающий измельчение сырья, получение бражки с последующей дистилляцией до этанола и его дегидратацией в этилен в реакторах со стационарным слоем катализатора, куда в качестве теплоносителя для эндотермической реакции подается пар в соотношении 2:1 к массе спирта, при этом пар, используемый в эндотермическом процессе дегидратации этанола, генерируется в результате сжигания отхода спиртового производства - барды. Предложенный способ имеет следующие недостатки: использование сырья продовольственного назначения (сахарного тростника, кукурузы), низкая полнота переработки этанола в процессе его дегидратации в этилен; низкая эффективность использования оборудования при дегидратации разбавленного водяным паром этанола.
В качестве прототипа выбран способ получения этилена из сырья непродовольственного назначения - овсяной шелухи (плодовых оболочек овса) (Skiba Е.А. et al. Pilot Technology of Ethanol Production from Oat Hulls for Subsequent Conversion to Ethylene // Chemical Engineering Journal. 2017. V. 391. P. 178-186. https://doi.Org/10.1016/j.cej.2017.05.182), который включает в себя предварительную химическую обработку растительного сырья- овсяной шелухи, совмещенный процесс осахаривания (ферментативный гидролиз) и спиртового брожения с получением бражки, дистилляцию для выделения этанола, обезвоживание этанола и его очистку, каталитическую дегидратацию этанола в этилен. Выход этилена составляет менее 42 кг/т биомассы. Существенным недостатком способа является то, что на стадии предобработки биомассы используется реагент (гидроксид натрия), остаточное содержание ионов Na от которого в этаноле приводит к потере активности катализатора и низкому выходу этилена, поэтому перед каталитической дегидратацией этанола в этилен дополнительно потребуется его отмывка и повторная дистилляция. Отсутствие технологической интеграции потоков между стадиями получения этанола из биомассы и его дегидратации в этилен, а также наличие дополнительных стадий приводит к образованию большого количества стоков, требующих утилизации.
Изобретение решает задачу вовлечения в хозяйственный оборот альтернативного сырья, а именно, дешевой легковозобновляемой биомассы непродовольственного назначения, с целью получения по экологически чистой и экономически привлекательной технологии высоковостребованного продукта - этилена.
Задача решается предлагаемым способом получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья непродовольственного назначения, который включает: измельчение сырья, предварительную химическую обработку, предварительное осахаривание в течение 18-24 ч, совмещенный процесс осахаривания и спиртового брожения, с получением бражки, которую подвергают дистилляции, а полученный этанол направляют в каталитический реактор, где протекает процесс дегидратации этанола в этилен, при этом, предварительную химическую обработку сырья осуществляют раствором азотной кислоты с концентрацией 3-6% при атмосферном давлении, дистилляцию бражки проводят до содержания этанола 90-96 мас. %, содержания примесей С3 спиртов (пропанола и изопропанола) не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л, при содержании ионов натрия в сырье не более 0.01 мг⋅экв./л в расчете на безводный этанол, а полученный этанол направляют на каталитическую дегидратацию с получением реакционного газа, содержащего этилен, остаточный этанол и пары воды, после чего производят разделение продуктов, и газовую фазу этилена направляют потребителям, а жидкую фазу, содержащую воду с растворенным в ней остаточным этанолом, смешивают с потоком бражки и направляют на дистилляцию, а отход спиртового производства - барду направляют на сжигание с генерацией тепла, которое впоследствии используют в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен.
В качестве сырья используется мискантус, включающий примерно 14-20 видов, в том числе Miscanthus sacchariflorus, Miscanthus sinensis Anderss., Miscanthus purpurascens Anderss., а также Miscanthus giganteus, которые являются практически неисчерпаемым источником непродовольственного легковозобновляемого сырья в области альтернативной энергетики.
В качестве сырья используются плодовые оболочки овса, являющиеся отходом сельскохозяйственного производства; привлекательность их использования обусловлена низкой стоимостью, поскольку затраты на возделывание полностью окупаются продукцией переработки овса.
В качестве сырья можно использовать любую смесь различных видов мискантуса, а также смесь мискантуса с плодовые оболочки овса в любом процентном соотношении.
Экологическая привлекательность технологии обусловлена применением возобновляемого сырья, вторичным использованием отходов, отсутствием (или малым количеством) стоков и отходов, высокой эффективностью переработки сырья в целевые продукты и малым количеством побочных продуктов.
Предлагаемое изобретение отличается от прототипа тем, что предварительную химическую обработку осуществляют раствором азотной кислоты с концентрацией 3-6% при атмосферном давлении в течение 3-6 ч, а дистилляцию бражки доводят до содержания этанола 90-96 мас. %: процесс проводят так, что содержание примесей С3 спиртов (пропанола и изопропанола) составляет (в расчете на безводный этанол) не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л, а содержание ионов натрия - не более 0.01 мг⋅экв../л в расчете на безводный этанол; полученный этанол направляют на каталитическую дегидратацию с получением реакционного газа, содержащего этилен, остаточный этанол и пары воды, после чего производят разделение продуктов, и газовую фазу этилена направляют потребителям, а жидкую фазу, содержащую воду с растворенными в ней остаточным этанолом, смешивают с потоком бражки и направляют на дистилляцию, а отход спиртового производства - барду - направляют на сжигание с генерацией тепла, которое впоследствии используют в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен, а в качестве легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья для производства этилена, кроме плодовых оболочек овса, используют разные сорта мискантуса и их смеси.
В настоящем изобретении реализована экологически привлекательная технология замкнутого цикла. В ней используются отходы спиртового производства - барда и вода после дистилляции бражки, отходы производства этилена - вода с растворенным в ней остаточным этанолом. Это позволяет осуществить технологическую интеграцию потоков, снизить энергозатраты на проведение эндотермического процесса получения этилена, достичь высокой полноты использования биомассы, этанола и воды, исключить образование стоков и отходов. При отсутствии технологической интеграции отходов производств спирта и этилена увеличиваются энергозатраты, снижается полнота переработки биомассы, этанола и воды, появляются стоки и отходы.
Способ получения этилена по предлагаемому изобретению осуществляется следующим образом (см. чертеж).
В качестве сырья используют мискантус (1), который после сбора урожая (2) подвергают измельчению (3). Далее из воды (21) и азотной кислоты (4) готовят 3-6% раствор азотной кислоты (5) и проводят предварительную химическую обработку мискантуса этим раствором при атмосферном давлении (6). По окончанию предварительной химической обработки получают целлюлозосодержащий продукт (7), который используют для предварительного осахаривания (8) с применением ферментных препаратов (9). После предварительного осахаривания в течение 18-24 ч получают гидролизат (10), в который вносят продуцент этанола (И) и проводят совмещенный процесс осахаривания и спиртового брожения (12), в результате которого получают бражку (13) и отход спиртового производства - барду (19). Полученную бражку (13) подвергают дистилляции (14), в результате чего выделяют воду (21) и получают этанол (15) чистотой 90-96 мас. % с содержанием примесей С3 спиртов не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л, с содержанием ионов натрия в сырье не более 0.01 мг⋅экв./л в расчете на безводный этанол. Этанол (15) используют в эндотермическом процессе каталитической дегидратации в этилен на алюмооксидном катализаторе при температуре 375-400°С, газовой нагрузке этанола на катализатор (G) 9400-10800 1/ч и давлении 0,11 МПа (16). В результате каталитической дегидратации этанола (16) получают целевой продукт - этилен (17), а также воду с примесью остаточного этанола (18). Полученную воду с примесью остаточного этанола (18) совместно с бражкой (13) подают на дистилляцию (14). Барду (19) направляют на сжигание с генерацией тепла (20), которое используют в эндотермическом процессе каталитической дегидратации этанола (16). Воду (21), полученную в процессе дистилляции (14), используют для получения 3-6% раствора азотной кислоты (5).
Газовая нагрузка на катализатор (G) определяется как отношение часовой скорости газового потока этанола на входе в реактор (л/ч) к объему катализатора (л). Полнота переработки этанола определяется как отношение разности массы подаваемого в реактор 100% этанола и массы остаточного этанола, содержащегося в неиспользуемых отходах после реактора каталитической дегидратации, к массе подаваемого в реактор этанола (в случае использования отходов, выбросы этанола отсутствуют, а полнота переработки этанола составляет 100%). Выход этилена на единицу массы биомассы определяется как отношение массы полученного этилена к массе израсходованной биомассы. Определение указанных показателей выполнено в расчете на 100% этилен.
Способ получения этилена по предлагаемому изобретению иллюстрируется следующими примерами:
Пример 1. Сравнительный
Биомассу Miscanthus sacchariflorus с влажностью 35% в условиях опытно-промышленного производства подвергают химической обработке раствором гидроксида натрия с концентрацией 2% при температуре 80°С в течение 1 ч, далее промывают до нейтральной реакции. Предварительное осахаривание проводят при температуре 47°С и активной кислотности 3,5 ед. рН. Ферментные препараты «Целлолюкс - А» и «Брюзайм BGX» вносят в расчете 0,02 г фермента на 1 г субстрата. Продолжительность предварительного осахаривания 14 ч. Затем ферментативный гидролизат охлаждают до 30°С, вносят засевные дрожжи Saccharomyces cerevisiae в количестве 10% и в течение 72 ч проводят спиртовое брожение, совмещенное с осахариванием. Полученную бражку подвергают дистилляции с выходом этанола чистотой 87,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 7,8 г/л и ионов натрия 0,6 мг⋅экв./л в расчете на безводный этанол. Образуются отходы спиртового производства - барда и вода после дистилляции.
Этанол чистотой 87,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 7,8 г/л и ионов натрия 0,6 мг⋅экв./л направляют в каталитический реактор, в котором при температуре 400°С, газовой нагрузке этанола на алюмооксидный катализатор (G) 11130 1/ч и давлении 0,11 МПа протекает эндотермический процесс дегидратации этанола в этилен, к которому подводится стороннее тепло. В результате каталитической реакции получают целевой продукт - этилен, а также воду с растворенным в ней остаточным этанолом. Этилен направляют потребителю. Образуются стоки каталитического процесса - вода с растворенным в ней остаточным этанолом.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 47 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 86%.
Пример 1 демонстрирует, что получение этанола из легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья при его предварительной химической обработке гидроксидом натрия в условиях, близких к прототипу, имеет место высокое содержание С3 спиртов и ионов натрия в этаноле, что обуславливает низкий выход этилена из-за дезактивации катализатора дегидратации этанола в присутствии высокого содержания С3 спиртов и ионов натрия.
Пример 2. Сравнительный
Процесс проводят как в примере 1, но предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 2%, для приготовления которой используют слабо обессоленную воду; в результате получают биоэтанол чистотой 86,1 мас. % с содержанием С3 спиртов 7,5 г/л и ионов натрия менее 0,05 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=11260 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 68 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 88%.
Пример 2 демонстрирует, что предварительная обработка биомассы азотной кислотой практически исключает содержание ионов натрия в получаемом этаноле, но вследствие использования для приготовления слабого раствора кислоты недостаточно обессоленной воды, Na присутствует в заметном количестве; а также при осуществлении указанной обработки в условиях, близких к прототипу, а именно при низкой концентрации кислоты, низкой температуре и продолжительности химической обработки и предварительного осахаривания, имеет место низкая чистота этанола, высокое содержание С3 спиртов в нем, что обуславливает низкий выход этилена из-за низкой активности катализатора дегидратации этанола в присутствии высокого содержания С3 спиртов и ионов натрия; кроме того вследствие отсутствия технологической интеграции потоков и вторичного использования отходов (пример 1 и 2): барды (отхода спиртового производства), воды после дистилляции бражки, воды с растворенным в ней остаточным этанолом после каталитического процесса, имеются стоки и отходы, а также дополнительные энергозатраты для осуществления эндотермического каталитического процесса. Пример 3
Процесс проводят как в примере 2, но предварительную химическую обработку проводят азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 90°С в течение 5 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 18 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 92,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,71 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л.
Воду после стадии дистилляции направляют на приготовление слабого раствора азотной кислоты для предварительной химической обработки биомассы.
Отход спиртового производства - барду - направляют на сжигание с генерацией тепла для его использования в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен.
Этанол чистотой 92,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,71 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л направляют в каталитический реактор, в котором при газовой нагрузке этанола на алюмооксидный катализатор (G) 9400 1/ч протекает эндотермический процесс дегидратации этанола в этилен, тепло к которому подводится за счет сжигания барды. В результате каталитической реакции получают целевой продукт - этилен, а также воду с растворенным в ней остаточным этанолом. Этилен направляют потребителю.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 96 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 94%.
Пример 4
Процесс проводят как в примере 3, но после каталитического процесса воду с остаточным этанолом совместно с бражкой направляют на дистилляцию с выходом этанола чистотой 92,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,71 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 102 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 5
Процесс проводят как в примере 4, но сырьем является биомасса плодовых оболочек овса влажностью 37%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 4% при температуре 92°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 24 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 90,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,42 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10760 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 120 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 6
Процесс проводят как в примере 5, но сырьем является биомасса Miscanthus giganteus с влажностью 38%, предварительную химическую обработку проводят при температуре 93°С в течение 4 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 20 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 93,6 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,63 г/л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10350 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 128 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 7
Процесс проводят как в примере 5, но влажность биомассы составляет 36%; предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 6% при температуре 91°С; продолжительность предварительного осахаривания составляет 22 ч; в результате получают биоэтанола чистотой 96,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,11 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10090 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 104 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 8
Процесс проводят как в примере 4, но сырьем является биомасса Miscanthus sinensis с влажностью 34%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 5% при температуре 95°С в течение 6 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 21 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 91,7 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,29 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10560 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 103 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 9
Процесс проводят как в примере 5, но влажность биомассы составляет 32%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 94°С в течение 4 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 19 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 94,2 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,21 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10280 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 137 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 10
Процесс проводят как в примере 4, но сырьем является биомасса Miscanthus purpurascens с влажностью 35%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 6% при температуре 93°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 22 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 92,8 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,33 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10450 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 138 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 11
Процесс проводят как в примере 5, но влажность биомассы составляет 33%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 5% при температуре 90°С в течение 5 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 23 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 93,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,5 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10410 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 108 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 12
Процесс проводят как в примере 8, но раствором азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 90°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 18 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 90,0 мас. % с содержанием С3 спиртов 3,47 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10760 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 86 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 13
Процесс проводят как в примере 5, но предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 3% при температуре 89°С; продолжительность предварительного осахаривания составляет 18 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 89,9 мас. % с содержанием С3 спиртов 6,84 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10770 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 93 кг на 1 т плодовых оболочек овса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 14
Процесс проводят как в примере 6, но сырьем является смесь биомассы Miscanthus giganteus и Miscanthus purpurascens в процентном соотношении 50%, с влажностью 36%, предварительную химическую обработку проводят при температуре 94°С в течение 5 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 19 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 90,7 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,63 г/л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10680 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 102 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 15
Процесс проводят как в примере 10, но сырьем является смесь биомассы Miscanthus purpurascens и плодовых оболочек овса в процентном соотношении 50%, предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 5% при температуре 92°С в течение 3 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 21 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 94,5 мас. % с содержанием С3 спиртов 0,5 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=10250 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет ПО кг, полнота переработки этанола составляет 100%.
Пример 16
Процесс проводят как в примере 4, но предварительную химическую обработку проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 7% при температуре 96°С в течение 7 ч; продолжительность предварительного осахаривания составляет 25 ч; в результате получают биоэтанол чистотой 95,3 мас. % с содержанием С3 спиртов 6,84 г/л и ионов натрия менее 0,01 мг⋅экв./л; каталитическую дегидратацию этанола проводят при G=8460 1/ч.
Выход этилена в расчете на 1 тонну биомассы составляет 58 кг на 1 т мискантуса, полнота переработки этанола составляет 100%.
Примеры 4-15 иллюстрируют, что продолжительность предварительного осахаривания (18-24 ч) и комплекс технических приемов по изобретению, а именно: применение биомассы мискантуса разных сортов и оболочек овса и их смесей в любом процентном соотношении, условия предварительной обработки биомассы (концентрация реагента 3-6%, температура 90-95°С и продолжительность 3-6 ч), получение этанола чистотой 90-96% мае. с содержанием С3 спиртов не более 7 г/л, а лучше не более 3.5 г/л, предпочтительно не более 0.7 г/л, но не менее 0.1 г/л и ионов натрия не более 0,01 мг⋅экв/л, проведение каталитической дегидратации при газовой нагрузке на катализатор 9400-10800 1/ч, вторичное использование отходов спиртового производства - барды и воды после дистилляции бражки, отходов производства этилена - воды с растворенным в ней остаточным этанолом, - обеспечивают высокую полноту переработки биомассы и этанола, высокий выход этилена 86-140 кг на 1 т легковозобновляемого непродовольственного растительного сырья, а также имеет место технологическая интеграция потоков, что исключает образование стоков и отходов, снижает энергозатраты на проведение эндотермического процесса получения этилена.
Условия предварительной химической обработки (реагент, концентрация, температура, продолжительность) и осахаривания (температура и продолжительность) обусловлены видом используемого сырья: сортов мискантуса (примеры 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16), плодовых оболочек овса (примеры 5, 7, 9, 11, 13), их смесей (примеры 14, 15), и зависят от его морфологических особенностей, прочности и т.п.
Высокие микропримеси ионов натрия присутствуют в этаноле в результате щелочной обработки биомассы гидроксидом натрия, либо вследствие использования для приготовления разбавленных растворов кислот недостаточно обессоленной воды. Хотя при содержании Na 0.01-0.6 мг⋅экв./л на стадии предварительной обработки биомассы обеспечивается нейтральная величина рН среды после стадии нейтрализации и отмывки этанола, примеси Na более 0,01 мг⋅экв./л оказывают негативное воздействие на катализатор получения этилена, снижая полноту превращения этанола и выход этилена (пример 1-2).
Применение азотной кислоты на стадии предварительной химической обработки (примеры 2-16) исключает стадию дорогостоящей отмывки бражки от неорганических микропримесей или этанола от микропримесей ионов натрия, а применение слабого ее раствора (3-6%) способствует низкой агрессивности (коррозионной активности) среды, безопасности и экологичности производства.
Низкая концентрация кислоты, низкая продолжительность обработки и предварительного осахаривания способствуют низкому выходу и концентрации этанола, высокому содержанию С3 спиртов (пропанола и изопропанола), вследствие низкой степени превращения растительного сырья в субстрат и неполного его осахаривании (пример 2); а в результате высокий выход этилена не достигается, вследствие комплексного влияния низкого выхода и концентрации этанола, высокого содержания в нем С3 спиртов. Высокое содержание С3 спиртов в этаноле приводят к дезактивации катализатора получения этилена (пример 2).
Высокая концентрация кислоты, высокая продолжительность обработки и предварительного осахаривания приводят к низкому выходу и концентрации получаемого этанола вследствие протекания нежелательного гидролиза гемицеллюлоз и целлюлозы (пример 16), а в результате высокий выход этилена не достигается, вследствие комплексного влияния низкого выхода и концентрации этанола, низкого содержания в нем С3 спиртов. Низкое содержание С3 спиртов в этаноле приводит к снижению выхода этилена из-за увеличения выхода побочных продуктов (пример 16). Кроме того, при высокой концентрации кислоты имеет место повышенный расход химического реагента, а высокая продолжительность обработки и осахаривания увеличивает общую продолжительность процесса, и повышает риск контаминации посторонней микрофлорой.
Низкая концентрация этанола (менее 90%) после дистилляции, высокая (выше 10800 1/ч) и низкая (ниже 9400 1/ч) газовая нагрузка на катализатор приводят к малой производительности процесса по этилену (примеры 2, 16), низкой эффективности использования оборудования, высокому удельному расходу катализатора. Для получения этанола с концентрацией выше 96% нужны значительные затраты на удаление воды из азеотропной смеси, кроме того, высокая концентрация этанола снижает срок службы катализатора.
В настоящем изобретении реализована экологически привлекательная технология замкнутого цикла. В ней используются отходы спиртового производства - барда и вода после дистилляции бражки, отходы производства этилена - вода с растворенным в ней остаточным этанолом (примеры 4-15). Это позволяет осуществить технологическую интеграцию потоков, снизить энергозатраты на проведение эндотермического процесса получения этилена, достичь высокой полноты использования биомассы, этанола и воды, исключить образование стоков и отходов. При отсутствии технологической интеграции отходов производств спирта и этилена увеличиваются энергозатраты, снижается полнота использования биомассы, воды и этанола (примеры 1-3), появляются стоки и отходы.
1. Способ получения этилена из легковозобновляемого растительного сырья непродовольственного назначения, характеризующийся тем, что он включает измельчение сырья, предварительную химическую обработку которого проводят раствором азотной кислоты с концентрацией 3-6% при температуре 90-95°С и атмосферном давлении в течение 3-6 ч, предварительное осахаривание осуществляют в течение 18-24 ч, совмещенный процесс осахаривания и сбраживания, в результате которого получают бражку, которую подвергают дистилляции и получают этанол концентрацией 90-96 мас. %, который содержит примеси в расчете на безводный этанол С3 спиртов не более 7 г/л, а лучше не более 3,5 г/л, предпочтительно не более 0,7 г/л, но не менее 0,1 г/л, ионов натрия не более 0,01 мг⋅экв/л, полученный этанол направляют в каталитический реактор, где осуществляют его дегидратацию с получением реакционного газа, содержащего этилен, остаточный этанол и пары воды, из которого выделяют газовую фазу этилена, а полученную после реактора дегидратации этанола жидкую фазу, содержащую воду с растворенным в ней остаточным этанолом, смешивают с потоком бражки и направляют на дистилляцию, а воду после дистилляции используют для приготовления раствора азотной кислоты требуемой концентрации, а отход спиртового производства – барду - направляют на сжигание и генерацию тепла, с последующим его использованием в эндотермическом процессе дегидратации этанола в этилен.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве легковозобновляемого растительного сырья непродовольственного назначения используют Мискантус сорта sacchariflorus, или сорта giganteus, или сорта sinensis, или сорта purpurascens или используют плодовые оболочки овса или их смеси в любом процентном соотношении.
3. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что в качестве катализатора дегидратации этанола используется алюмооксидный катализатор,
4. Способ по пп. 1, 2, отличающийся тем, что каталитический процесс дегидратации этанола проводят при температуре 375-400°С, давлении 0,11 МПа и газовой нагрузке этанола на катализатор, т.е. отношении часовой скорости газового потока этанола на входе в реактор (л/ч) к объему загруженного в реактор катализатора (л), 9400-10800 1/ч.