Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе

Показано можливість отримання оцтової кислоти з високим виходом з водно-етанольних (10–80%) розчинів з використанням біфункціонального каталізатора Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3. При цьому головним побічним продуктом процесу є водень. Знайдено, що при 280–320 °C конверсія спирту знаходиться на рівні 60–80%. Пок...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Доповіді НАН України
Дата:2010
Автори: Шаранда, М.Е., Прудиус, С.В., Брей, В.В.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2010
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30729
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе / М.Е. Шаранда, С.В. Прудиус, В.В. Брей // Доп. НАН України. — 2010. — № 10. — С. 138-142. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-30729
record_format dspace
spelling Шаранда, М.Е.
Прудиус, С.В.
Брей, В.В.
2012-02-12T09:59:09Z
2012-02-12T09:59:09Z
2010
Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе / М.Е. Шаранда, С.В. Прудиус, В.В. Брей // Доп. НАН України. — 2010. — № 10. — С. 138-142. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30729
544.47
Показано можливість отримання оцтової кислоти з високим виходом з водно-етанольних (10–80%) розчинів з використанням біфункціонального каталізатора Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3. При цьому головним побічним продуктом процесу є водень. Знайдено, що при 280–320 °C конверсія спирту знаходиться на рівні 60–80%. Показано, що вихід оцтової кислоти досягає 9 ммоль/гкат/год при переробці 40–70% розчинів етанолу.
It was shown that acetic acid can be obtained with high yield from water-ethanol (10–80%) solutions using the bifunctional Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 catalyst. The main by-product of the proposed process is hydrogen. It was found that the ethanol conversion is observed at a level of 60–80%. It was shown that the yield of acetic acid amounts to 9 mmol/gcат/h at the transformation of 40–70% ethanol solutions.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Хімія
Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе
Synthesis of acetic acid from water-ethanol mixture over Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 catalyst
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе
spellingShingle Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе
Шаранда, М.Е.
Прудиус, С.В.
Брей, В.В.
Хімія
title_short Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе
title_full Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе
title_fullStr Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе
title_full_unstemmed Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе
title_sort получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на cu/zno–zro2–al2o3 катализаторе
author Шаранда, М.Е.
Прудиус, С.В.
Брей, В.В.
author_facet Шаранда, М.Е.
Прудиус, С.В.
Брей, В.В.
topic Хімія
topic_facet Хімія
publishDate 2010
language Russian
container_title Доповіді НАН України
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
title_alt Synthesis of acetic acid from water-ethanol mixture over Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 catalyst
description Показано можливість отримання оцтової кислоти з високим виходом з водно-етанольних (10–80%) розчинів з використанням біфункціонального каталізатора Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3. При цьому головним побічним продуктом процесу є водень. Знайдено, що при 280–320 °C конверсія спирту знаходиться на рівні 60–80%. Показано, що вихід оцтової кислоти досягає 9 ммоль/гкат/год при переробці 40–70% розчинів етанолу. It was shown that acetic acid can be obtained with high yield from water-ethanol (10–80%) solutions using the bifunctional Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 catalyst. The main by-product of the proposed process is hydrogen. It was found that the ethanol conversion is observed at a level of 60–80%. It was shown that the yield of acetic acid amounts to 9 mmol/gcат/h at the transformation of 40–70% ethanol solutions.
issn 1025-6415
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30729
citation_txt Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO–ZrO2–Al2O3 катализаторе / М.Е. Шаранда, С.В. Прудиус, В.В. Брей // Доп. НАН України. — 2010. — № 10. — С. 138-142. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT šarandame polučenieuksusnoikislotyizvodnoétanolʹnoismesinacuznozro2al2o3katalizatore
AT prudiussv polučenieuksusnoikislotyizvodnoétanolʹnoismesinacuznozro2al2o3katalizatore
AT breivv polučenieuksusnoikislotyizvodnoétanolʹnoismesinacuznozro2al2o3katalizatore
AT šarandame synthesisofaceticacidfromwaterethanolmixtureovercuznozro2al2o3catalyst
AT prudiussv synthesisofaceticacidfromwaterethanolmixtureovercuznozro2al2o3catalyst
AT breivv synthesisofaceticacidfromwaterethanolmixtureovercuznozro2al2o3catalyst
first_indexed 2025-11-25T23:50:37Z
last_indexed 2025-11-25T23:50:37Z
_version_ 1850585811021463552
fulltext УДК 544.47 © 2010 М. Е. Шаранда, С. В. Прудиус, член-корреспондент НАН Украины В.В. Брей Получение уксусной кислоты из водно-этанольной смеси на Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 катализаторе Показано можливiсть отримання оцтової кислоти з високим виходом з водно-ета- нольних (10–80%) розчинiв з використанням бiфункцiонального каталiзатора Cu/ZnO− −ZrO2−Al2O3. При цьому головним побiчним продуктом процесу є водень. Знайдено, що при 280–320 ◦C конверсiя спирту знаходиться на рiвнi 60–80%. Показано, що вихiд оцтової кислоти досягає 9 ммоль/гкат/год при переробцi 40–70% розчинiв етанолу. Основным промышленным способом производства уксусной кислоты на уровне 1,5 млн т/год [1] в настоящее время является карбонилирование метанола в присутствии родиевого катализатора при 180 ◦C и 3–4 МПа (процесс фирмы Monsanto [2]). В частности, по такой технологии эту кислоту получают на Северодонецком ПО “Азот”. Недавно японские уче- ные [3], изучая процесс прямого получения этилацетата из этанола на Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 катализаторе, обнаружили, что в присутствии воды (0,5–15% по массе) образуется уксусная кислота в качестве примеси. Последнее было вполне резонно объяснено гидролизом обра- зующегося этилацетата. Цель работы состояла в поиске оптимальных условий получения уксусной кислоты как целевого продукта из водно-спиртовых растворов в широком диапазоне концентра- ций на бифункциональном Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 катализаторе с атомным отношением Cu : Zn : Zr : Al = 6 : 1 : 2 : 4 [4]. Катализатор характеризуется следующими текстур- ными параметрами: удельная поверхность 180 м2/г, объем пор 0,26 cм3/г, средний радиус пор 3 нм. В эксперименте использовали стальной проточный реактор диаметром 10 мм со стацио- нарным слоем катализатора (3 см3). Подачу водных растворов этанола в пределах 0,01– 0,2 мл/мин обеспечивал насос Water Systems 590. Реакцию проводили при атмосферном давлении в интервале температур от 250 до 320 ◦C. Газ-носитель не применяли, посколь- ку количество водорода, образующегося в ходе реакции, было достаточным для вывода продуктов из реактора. Состав продуктов определяли на газовом хроматографе Chrom-5 с капиллярной колонкой (50 м) и пламенно-ионизационным детектором. Изучаемый процесс получения уксусной кислоты можно описать следующей брутто-схе- мой: C2H5OH+H2O → CH3COOH+ 2H2. Трехстадийный механизм этого процесса включает дегидрирование спирта до альдегида на активных центрах меди C2H5OH → CH3CHO+H2 138 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №10 Рис. 1. Зависимость равновесного состава в системе этанол — вода — ацетальдегид — этилацетат — водород (при P = 0,1 МПа) от содержания спирта в исходной смеси при 250 ◦C (а) и температуры при исходной мольной концентрации этанола 25% (б ): 1, 1 ′ — H2; 2, 2 ′ — H2O; 3, 3 ′ — CH3COOC2H5; 4, 4 ′ — C2H5OH; 5, 5 ′ — CH3COOH; 6, 6 ′ — CH3CHO с последующим взаимодействием альдегида со спиртом с образованием этилацетата и его гидролизом на основных центрах катализатора: CH3CHO+ C2H5OH → CH3COOC2H5 +H2, CH3COOC2H5 +H2O → CH3COOH+ C2H5OH. В отличие от микробиологического или парциального [5] окисления этанола в уксусную кислоту, этот способ позволяет получить кислоту из спирта и воды с выделением водорода, который также является весьма ценным продуктом. Согласно термодинамическому расчету равновесной смеси этанол — ацетальдегид (АА) — этилацетат (ЭА) — уксусная кислота (УК) — водород по программе SATRAPIS, максимальное содержание УК должно наблюдаться при мольной концентрации этанола в исходной смеси на уровне 20–40%. Конверсия спирта возрастает при уменьшении его кон- центрации и в разбавленных растворах может приближаться к 100% (рис. 1). Максимальная мольная концентрация УК 13% достигается при 350 ◦C. С повышением температуры содер- жание ЭА уменьшается, а АА возрастает. Согласно расчету, повышение давления приводит к уменьшению конверсии этанола и селективности по УК, поэтому реакцию проводили при атмосферном давлении. Экспериментальные зависимости содержания УК в выходящей смеси от концентрации этанола в исходном растворе показаны на рис. 2. Эта зависимость имеет плавный максимум, отвечающий мольной концентрации этанола 25–40%, что согласуется с термодинамическим расчетом. В продуктах реакции помимо АА и ЭА были обнаружены в примесных коли- чествах кетоны, которые также фиксировались в процессе прямого синтеза ЭА из этано- ла [3, 4]. При повышении температуры конверсия (X) этанола резко возрастает, а селектив- ность (S) по УК проходит через максимум при 300 ◦C для исходной мольной концентрации ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №10 139 Рис. 2. Влияние концентрации этанола на содержание уксусной кислоты в продуктах реакции при 250 ◦C (1 ), 280 ◦C (2 ), 300 ◦C (3 ) и 320 ◦C (4 ) (V = 1,0 ч−1) Рис. 3. Зависимость конверсии (1 ) этанола и селективности (2 ) по уксусной кислоте от температуры ([C2H5OH] — 37% (моль), V = 1,0 ч−1) этанола 37% (рис. 3). Для более разбавленных растворов положение максимума селектив- ности по кислоте сдвигается в сторону более высоких температур. Содержание ЭА проходит через максимум при 280–300 ◦C, а содержание кетонов резко возрастает при 320 ◦C, как это наблюдалось при конверсии этанола в ЭА [4]. Существенным фактором, влияющим на содержание УК в продуктах реакции, являет- ся объемная скорость подачи (V ) реакционной смеси. Из результатов, представленных на рис. 4, видно, что при увеличении нагрузки на катализатор конверсия спирта снижается, а выход кислоты (Y ) возрастает. Близкие к расчетным данным значения конверсии спирта на уровне 75% и высокая селективность по УК до 90% наблюдаются при малых объемных скоростях подачи порядка 0,2–0,4 ч−1. При этом, чем ниже концентрация этанола в исход- ной смеси, тем при более низких температурах и нагрузках достигается высокий уровень конверсии. Так, при концентрации этанола 37% конверсия в 75% достигается при 320 ◦C и V = 1 ч−1, а при 6,5% этанола — при 250 ◦C и V = 0,2 ч−1. 140 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №10 Рис. 4. Зависимость конверсии (1, 1 ′) этанола, селективности (2, 2 ′) и производительности (3, 3 ′) по ук- сусной кислоте от объемной скорости при 300 ◦C и мольной концентрации этанола 14% (сплошная линия) и 20% (штриховая линия) Следует отметить, что при концентрациях этанола 14–37% производительность по кис- лоте остается практически неизменной за счет того, что понижение содержания этанола компенсируется ростом его конверсии и селективности по кислоте. Следовательно, меньшие концентрации этанола являются предпочтительными. Однако при снижении содержания этанола до 9% производительность по УК снижается в 1,5 раза, тогда как селективность возрастает только на 5%. В связи с тем, что концентрация этанола и объемная скорость подачи проявляют противоположные тенденции в отношении выхода уксусной кислоты, выбор оптималь- ных параметров процесса является компромиссным решением. Если на первый план ста- вится производительность по кислоте, то приемлемые условия следующие: температу- ра 320 ◦C, мольная концентрация этанола 21% и V = 2 ч−1. При этом выход кислоты достигает 9,3 ммоль/гкат/ч с селективностью 74% при конверсии этанола 70%. Концент- рация кислоты на выходе составляет 30%, при этом производится также водород в ко- личестве 18 ммоль/гкат/ч. Если главной целью ставится повышение конверсии этанола, то приемлемой является мольная концентрация этанола 14% (30% по массе) и температу- ра 300 ◦C. При этом концентрация УК на выходе составляет 285 г/л с производительностью 1,8 ммоль/гкат/ч при 80% конверсии этанола. Высокая селективность по УК на уровне 90% достигается при понижении концентрации этанола до 6,5% и температуре 250 ◦C. Этот режим можно применять при переработке низкоконцентрированных водно-спиртовых ра- створов, которые образуются при сбраживании возобновляемых источников сырья, а также загрязненных вод традиционного этилацетатного производства [6]. Следует отметить высокую стабильность Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 катализатора, который сохранял работоспособность в каталитических экспериментах в течение 70 ч. Таким образом, показана возможность получения уксусной кислоты из этанола и воды на Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 катализаторе при режимах, которые могут представлять инте- рес для промышленного производства. При этом основным побочным продуктом процесса является водород. Выход УК достигает 9 ммоль/гкат/ч при переработке 40–70% водных растворов этанола. Найдены условия высокоселективной переработки низкоконцентриро- ванных спиртово-водных растворов в уксусную кислоту. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №10 141 1. Chemical output slipped in most regions // Chem. Eng. News. – 2009. – 87, No 27. – P. 51–63. 2. Крылов О.В. Гетерогенный катализ. – Москва: Академкнига, 2004. – 335 с. 3. Inui K., Kurabayashi T., Sato S. et al. Effective formation of ethyl acetate from ethanol over Cu−Zn−Zr−Al−O catalyst // J. Mol. Catal.: A. – 2004. – 216. – P. 147–156. 4. Шаранда М.Е., Прудиус С. В., Брей В.В. Одностадийный синтез этилацетата из этанола на Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 катализаторе // Укр. хим. журн. – 2008. – 74, № 12. – С. 78–82. 5. Пат. № 2102378 Россия. МПК6 C07C51/235, C07C53/08, C07C31/08. Способ получения уксусной кислоты из этилового спирта / М. А.А. Эрвосо, О.Н. Темкин, Н.Х. Аллахвердова. – Опубл. 25.05.98. 6. Арестов Г. В., Кудашева Ф.Х., Бобкова И.Б. Исследование эффективности регенерации этилацетата и этанола из загрязненных вод этилацетатного производства // Вестн. Башкир. ун-та. Разд. Химия и хим. технология. – 2008. – 13, № 1. – С. 36–37. Поступило в редакцию 25.01.2010Институт сорбции и проблем эндоэкологии НАН Украины, Киев M.E. Sharanda, S.V. Prudius, Corresponding Member of the NAS of Ukraine V.V. Brei Synthesis of acetic acid from water-ethanol mixture over Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 catalyst It was shown that acetic acid can be obtained with high yield from water-ethanol (10–80%) solutions using the bifunctional Cu/ZnO−ZrO2−Al2O3 catalyst. The main by-product of the proposed process is hydrogen. It was found that the ethanol conversion is observed at a level of 60–80%. It was shown that the yield of acetic acid amounts to 9 mmol/gcат/h at the transformation of 40–70% ethanol solutions. 142 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №10