Нефтехимия, 2024, № 6
научный журнал
Покупка
Новинка
Тематика:
Химическая промышленность
Издательство:
Наименование: Нефтехимия
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 162
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- 18.00.00: ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
- 21.00.00: ПРИКЛАДНАЯ ГЕОЛОГИЯ, ГОРНОЕ ДЕЛО, НЕФТЕГАЗОВОЕ ДЕЛО И ГЕОДЕЗИЯ
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Российская академия наук НЕФТЕХИМИЯ Том 64 № 6 2024 Ноябрь—Декабрь Журнал основан в 1961 г. Выходит 6 раз в год ISSN: 0028-2421 Журнал издается под руководством Отделения химии и наук о материалах ₽АН Главный редактор член-корр. РАН А.Л. Максимов Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН Редакционная коллегия В.Е. Агабеков, С.М. Алдошин, Л.К. Алтунина, Е.И. Багрий, Р.С. Борисов, В.А. Винокуров, С.С. Галибеев, И.М. Герзелиев, Г.Н. Гордадзе, А.Г. Дедов, К.И. Дементьев (зам. главного редактора), У.М. Джемилев, Х.М. Кадиев, В.М. Капустин, Э.А. Караханов, В.Н. Кошелев, М.В. Куликова (отв. секретарь), С.В. Лысенко, А.С. Лядов, В.П. Мешалкин, И.Э. Нифантьев, А.С. Носков, О.П. Паренаго, К.Б. Рудяк, И.В. Седов (зам. главного редактора), Н.Я. Усачев, М.В. Цодиков, Wu Wei, М.Р. Якубов Заведующий редакцией И.В. Стуколова Научный редактор Н.В. Шелемина Адрес редакции: 117912 ГСП-1, Москва, Ленинский проспект, 29 Тел./факс: (495) 955-43-25. E-mail: petrochem@ips.ac.ru http://neftekhimiya.ips.ac .ru/ Москва ФГБУ «Издательство «Наука» © Российская академия наук, 2024 © Редколлегия журнала «Нефтехимия» (составитель), 2024
СОДЕРЖАНИЕ Том 64, номер 6, 2024 Современные промышленные и альтернативные методы получения алкиламинов (обзор) О. С. Дементьева, А. В. Борисов, С. Д. Баженов 509 Ионные жидкости в качестве промоторов гидратообразования (обзор) М. С. Кудрявцева, А. Н. Петухов, Д. Н. Шаблыкин, Е. А. Степанова 545 Разделение промышленных аммиаксодержащих газовых смесей с помощью полимерных мембран (обзор) В. Е. Рыжих, Н. А. Белов, Э. Г. Новицкий, Т. С. Анохина, S. Banerjee, С. Д. Баженов 557 Карбонилирование диметилового эфира с использованием катализаторов на основе фосфорно-вольфрамовой кислоты и ее солей (обзор) В. А. Остроумова, А. Л. Максимов 582 Самоконденсация циклогексанона в среде азота и водорода в присутствии катализаторов на основе сульфированных пористых ароматических каркасов Л. А. Куликов, Ш. Лян, Н. А. Синикова, А. Л. Максимов 600 Получение CО и CH4 по реакции гидрирования CO2 в условиях катализа в низкотемпературной плазме О. В. Голубев, А. Л. Максимов 611 Зависимость состава, строения и морфологии частиц активного компонента Ni–Мo–W-катализаторов гидроочистки от условий процесса сульфидирования П. П. Мухачева, К. А. Надеина, Ю. В. Ватутина, С. В. Будуква, В. П. Пахарукова, М. А. Панафидин, Е. Ю. Герасимов, О. В. Климов, А. С. Носков 621 Простые алкиловые эфиры глицерина как компоненты дизельных топлив В. А. Лаврентьев, М. У. Султанова, Д. Н. Рамазанов, В. О. Самойлов, Т. И. Столоногова, Ю. В. Кожевникова, Е. А. Чернышева, В. М. Капустин 633 Повышение тропикостойкости уреатных пластичных смазок А. С. Лядов, А. А. Кочубеев, Ю. В. Костина, Во Тхи Ле Куен, Фам Дай Зыонг 645 Капиллярные колонки, приготовленные на основе модифицированного органическими основаниями поли(1-триметилсилил-1-пропина), для анализа товарного (целевого и технического) н-бутана Е. Ю. Яковлева, Ю. В. Патрушев 653
НЕФТЕХИМИЯ, 2024, том 64, № 6, с. 509–544 УДК 544.43:544.47 СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЛКИЛАМИНОВ (ОБЗОР) © 2024 г. О. С. Дементьева1, *, А. В. Борисов1, 2, С. Д. Баженов1 1Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН, Москва, 119991, Россия 2НИУ Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И. М. Губкина, Москва, 119991 Россия *E-mail: dementyeva@ips.ac.ru Поступила в редакцию 19 ноября 2024 г. После доработки 5 декабря 2024 г. Принята к публикации 26 декабря 2024 г. В обзоре проведен анализ современной научно-технической литературы, посвященной традиционным промышленным методам и новым альтернативным способам получения аминов, в частности, алкиламинов, с применением гетерогенных и гомогенных катализаторов. Рассмотрены основные направления превращения углеродсодержащих молекул при взаимодействии с аммиаком и другими азотсодержащими соединениями в амины различной степени замещенности. Выделены основные подходы к дизайну и получению катализаторов синтеза аминов. Освещены основные проблемы альтернативных способов их производства. Продемонстрирована возможность вовлечения в синтез алкиламинов техногенного диоксида углерода как одного из компонентов комплекса технологий улавливания, утилизации и хранения углерода (carbon capture, utilization and storage — CCUS). Ключевые слова: амины, гетерогенный катализ, гомогенный катализ, переработка диоксида углерода DOI: 10.31857/S0028242124060016, EDN: MGZVQA СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ACT — аспартатаминотрансфераза ДМА — диметиламин ДМЭ — диметиловый эфир ДМСО – диметилсульфоксид ДМФА — диметилформамид ММА — монометиламин ПАВ — поверхностно-активные вещества СФТ — синтез Фишера–Тропша ТМА — триметиламин ADH — алкоголь дегидрогеназа ALA — аланин ALADH — аланиндегидрогеназа CNT — углеродные нанотрубки IPA — индол-3-пропионовая кислота MeTHF — 2-метилтетрагидрофуран NADH — восстановленная форма никотинамида аденин динуклеотида NAD — никотинамид аденин динуклеотид CCUS — улавливание, использование и хранение углерода (carbon capture, utilization and storage) PYR — пиразин TEMPO — (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-ил)оксил w-TA — w-трансаминаза Объем мирового рынка аминов по разным оценкам составляет от 15.42 до 17.11 млрд дол ла ров США в 2023–2024 гг. и продолжает расти [1, 2]. Импорт аминов в Россию в 2023 г. до стиг 93.6 тыс. т, что 2.1 раза превысило пока за тели 2022 г. [3]. Поскольку с 2022 г. страны ЕС наложили санкционный запрет на поставки в Россию ряда аминов, их недостаток компенсируется импортом из Индии и Китая. Однако целе сообразным представляется обеспечение им портонезависимости в производстве аминов для ряда отраслей, в которых потребность в аминах критична. 509
ДЕМЕНТЬЕВА и др. Полимеры Растворители Пестициды/удобрения Кормовые/ пищевые добавки Амины (8.3%/год) Производство бумаги Текстиль Чистящие средства Фармацевтика Лакокрасочные покрытия Косметика Газо-водоочистка Строительные материалы 2022 г. 2030 г. (прогноз) Рынок алкиламинов 15% 5% 8% Фармацевтика 7% 4% Пестициды/удобрения 6% 51% Водоочистка 54% РТИ 26% 24% Прочие Рынок метиламина 2022 г. 2030 г. (прогноз) 9% 1% 8% 7% Пестициды/удобрения 29% 31% 15% Растворители 14% Флокулянты ПАВ Пищевые добавки 18% Прочие 25% 17% 26% Рис. 1. Потребность в аминах в 2022 г. и прогнозируемое потребление по состоянию на 2032 г. (адаптировано из [4]). НЕФТЕХИМИЯ том 64 № 6 2024
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ... эффективности различных способов получения аминов с помощью специфических методов, позволяющих сместить равновесие реакции в сторону образования продуктов заданной структуры и степени замещенности: гетерогенный электрокатализ [51], ферментативный [46] и молекулярный катализ [52, 53], получение аминов из олефинов при их взаимодействии с аммиаком или аминами [54–57], либо в сов мещенном процессе превращения синтез-газа с добавкой аммиака по методу Фишера–Тропша [58–60] или в варианте его реализации, при котором монооксид углерода в составе сырьевого газа за менен на СО2 [60–62]. Основными отличительными особенностями рассматриваемых под ходов являются применяемые типы каталитических систем и условия осуществления процесса, варьирующихся от стандартных, подразумевающих температуру, не превышающую 20qС, и атмосферное давление, до довольно жестких режимов, при которых температура и давление могут превышать 300qС и 200 бар соответственно. Амины имеют довольно широкий спектр применения, а их рынок обладает тенденцией к росту порядка 8.3% ежегодно [4]. Преимущественно они используются в качестве промежуточных соединений в производстве функциональных продуктов, таких как добавки к маслам и топливам [5, 6], полиамидные смолы [7, 8], адгезионные присадки и эмульгаторы для битума [9–13], смолы и добавки для целлюлозно- бумажной промышленности [14–16], отвердители эпоксидных смол [17–19], активаторы отбелива ния [20, 21], хелаты и хелатирующие агенты [22, 23], в переработке металлических руд [24], в качестве поверхностно-активных веществ и эмульгаторов, смягчителей тканей [25–27], фунгицидов [28, 29]. Помимо этого, амины находят применение в производстве красителей [30, 31], пестицидов [32, 33], полимеров (в том числе полиамидов и полиуретанов) [34, 35], ингибиторов коррозии [36, 37], флотореагентов [38, 39], абсорбентов [40–42], лекарственных средств [43, 44], ускорителей вулканизации и антиоксидантов [45, 46]. Среди аминов алкиламины находят широкое применение в различных высокотехнологичных отраслях промышленности и специализированных областях, таких как производство резины, красок и покрытий, агрохимия, очистка воды, фармацевтика и многие другие. Благодаря универсальности и многофункциональности алкиламинов спрос на них постоянно возрастает: производственная мощность по алкиламинам в Европе, Северной Америке, Азии, Южной Америке, Африке и на Среднем Востоке в 2022 г. суммарно составила 2000–2500 тыс. т и продолжает расти [47, 48]. Потребность в метиламине в 2022 г. при этом составила 650 тыс. т, причем тенденция к увеличению спроса оценивается в 4.21% ежегодно [49]. Доля рынка алкиламинов в целом и метиламина в частности по конечным потребителям по состоянию на 2022 г. и его прогноз на 2032 г. представлена на рис. 1 [4, 47]. Все перечисленные подходы обладают недос татками, затрудняющими их коммерциализацию: низкая степень превращения сырья, быстрая потеря активности катализаторов, необходимость применения растворителей для осуществления реакции и благородных металлов в качестве активных компонентов и т. д. С другой стороны, возможность достижения 100% селективности по целевым соединениям или ограничения последующего алкилирования первичных аминов, мягкие условия осуществления реакции для большинства способов и повышение добавленной стоимости продуктов реакции привлекает большое внимание и стимулирует исследования, направленные на повышение эффективности альтернативных подходов к получению аминов для последующей реализации их в промышленном масштабе. Синтез алкиламинов из спиртов МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЛАМИНОВ Основным способом получения метиламинов до настоящего времени остается их синтез из спиртов. Данный метод нашел широкое промышленное применение, однако в ходе его реализации невозможно селективное получение первичных аминов из-за их высокой реакционной способности в процессах последующего алкилирования [50]. Обширный интерес в этой связи представляет собой повышение Получение метиламинов из спиртов представляет собой хорошо изученный процесс восстановительного аминирования, протекающий в присутствии металлсодержащего катализатора на носителе при температуре от 150 до 210qC и давлении от 18 до 200 бар [63, 64]. Реакцию, как правило, осуществляют в присутствии водорода для поддержания активности катализатора [50]. Основным недостатком данного процесса явНЕФТЕХИМИЯ том 64 № 6 2024
ДЕМЕНТЬЕВА и др. ляется термодинамически более выгодное образование триметиламинов, тогда как рынок потребления в основном сосредоточен на моно- и диметиламинах [65]. Интересно отметить, что до 2000-х гг. вторым существенным недостатком процесса являлась невозможность получения сырья для его осуществления из нефти и газа напрямую (рис. 2). В связи с этим некоторые производители метиламинов из соображений доступности и экономической эффективности заменяли спирты на альдегиды или кетоны, например ацетальдегид или ацетон [66]. При использовании таких продуктов в качестве исходных соединений потребность в водороде превышала стехиометрически требуемое количество, что способствовало возникновению дополнительных затрат на производство. В качестве катализаторов превращения спиртов в амины в присутствии аммиака могут применяться системы на основе неблагородных металлов, например Ni или Со, нанесенных на цеолиты или оксиды алюминия и кремния [67]. Однако, несмотря на высокую степень превращения спиртов в их присутствии, они демонстрируют довольно низкую селективность по первичным аминам и малую активность при давлениях до 10 бар, что является существенным препятствием к их применению. В этой связи наибольшее распространение для восстановительного аминирования спиртов получили катализаторы на основе цеолитов, в присутствии которых конверсия исходного сырья составляет не менее 25% и может достигать практически исчерпывающих значений при селективностях по монометиламину, превышающих 60% в расчете на углерод превращенного спирта (чаще всего метанола) [68]. Основной интерес исследований в настоящее время сосредоточен на повышении эффективности процесса превращения спиртов в метиламины и сконцентрирован на установлении влияния природы цеолита на степень превращения реагентов и общее распределение продуктов реакции. Возобновляемое сырье Ископаемое сырье NH3 Каталитическая система R-OH R-NH2 Ni Ni/носитель Ni-M/носитель Co Co/носитель Co-M/носитель M=Fe, Re, Cu, Ag, Bi и др. носитель=J-Al2O3, SiO2, молекулярн̑˻ сита, La3O4, CeO2 Рис. 2. Сырье, полупродукты и катализаторы процесса получения аминов из спиртов (адаптировано из [67]). НЕФТЕХИМИЯ том 64 № 6 2024
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ... стве этапа формирования катализатора его предварительной гидротермальной обработки при 700–800qC позволяет увеличить селективность системы по MMA и ДМА до 95% при некотором снижении общей активности контактов. Так, например, оценка каталитических свойств мелкопористых молекулярных сит с различной топологией каркаса в синтезе метил аминов при 400qС и атмосферном давлении показала, что наиболее высокую конверсию метанола наблюдали в присутствии цеолитов H-rho, H-UZM и H-ZZS (79–93%) при суммарной селективности в отношении обра зования MMA и ДМА 88–92%, причем селек тивность катализаторов H-rho и H-ZZS по монометиламину достигала 31–39% [68]. Про чие типы цеолитов (SAPO, MCM) даже при условии достижения схожей селективности по целевым продуктам реакции не обеспечивали высоких степеней превращения исходного спирта. С другой стороны, высокоэффективные мелкопористые цеолиты быстро теряли свою активность, в то время как силикоалюмофосфатные материалы, не имеющие сильных кислотных центров, проявляли высокую стабильность, однако не обладали нужной активностью для их применения в качестве катализаторов аминирования. Управление селективностью процесса в присутствии цеолитов SAPO возможно также за счет его модификации структурно-направляющим аген том, например модифицированием N,N´-ди метилэтилендиамином в различных концент рациях [71]. Введение структурного агента в состав цеолита позволило значительно снизить температуру осуществления процесса, при кото рой достигается степень превращения сырья порядка 80%: ее значение уменьшалось от 380 до 300qС с сохранением суммарной селективности по ММА и ДМА на уровне 85%. Уменьшение температуры синтеза до 260qС приводило к снижению конверсии метанола до 33–50%, однако селективность по метиламину при этом возрастала от 26 до 42% при одновременном подавлении образования триметиламина с 12.5 до 4.6%. Изучение возможности подавления образования триметиламинов в присутствии цеолитного катализатора Al-RUB-41, полученного термической обработкой слоистого силиката RUB-39 при варьировании способа введения алюминия в структуру с образованием материала с жесткой иерархией пор, проведено в [72]. В процессе аминирования метанола при 300–340qС было показано, что уменьшение соотношения Si/Al для цеолита от 160 до 20 способствует увеличению активности катализатора: конверсия метанола возрастала от 82 до 91% при незначительном снижении селективности по первичным и вторичным аминам от 85 до 82%, а ограничение степени превращения сырья до 64% путем снижения температуры реакции позволяло увеличить селективность по ММА и ДМА до 88%. Применение специфического подхода к синтезу SAPO-34 для получения цеолита со строгой иерархией пор и контролируемой силой кислотных центров позволило получить материалы с пластинчатой структурой, проявляющих высокую активность в реакции получения метиламинов из метанола при 330–380qC и атмосферном давлении [69]. В частности, была установлена возможность синтеза MMA и ДМА с селективностью 83% при степени превращения сырья 34–51%. Повышение температуры реакции до 380qC способствовало увеличению конверсии метанола до 82% с одновременным незначительным снижением селективности по целевым продуктам до 81.5%. Основными сопродуктами, полученными в присутствии разработанных каталитических систем, являлись ТМА и ДМЭ, образующиеся с селективностью 8.4–14.4 и 3.8– 8.1% соответственно. При формировании катализаторов со структурой SAPO-34 путем модификации отработанных катализаторов промышленного синтеза олефинов из спиртов установлена возможность повышения их активности в отношении образования моно- и диметиламина путем увеличения кислотности цеолитов [70]: конверсия метанола в их присутствии составляла более 90% при селективности по целевым продуктам 88%. Кроме того, было обнаружено, что применение в качеМетоды управления селективностью процесса аминирования спиртов путем применения специфических каталитических систем, обсуждающиеся в [73], позволили установить факторы, определяющие активность металлических катализаторов для прямого аминирования спиртов, путем объединения микрокинетического моделирования и каталитических экспериментов. Авторы предлагают модель, согласно которой каталитическая активность контактов в основном определяется энергией адсорбции НЕФТЕХИМИЯ том 64 № 6 2024
ДЕМЕНТЬЕВА и др. Увеличение производительности катализаторов на основе Ru и Ir по первичным аминам возможно путем подавления образования ТМА за счет проведения реакции в среде растворителя [76]. Такой способ осуществления реакции действительно способствует значительному смещению селективности процесса в сторону образования ММА. Например, авторами [77] была показана активность палладиевого комплекса при аминировании спиртов различной структуры в среде толуола или воды: реакция 1-гексанола с аммиаком протекала с конверсией 87.5% и выходом 1-гексиламина, равным 63%, в случае конверсии 1-пентанола достигали 61%-го выхода 1-пентиламина. кислорода, то есть оксофильной природой металлического катализатора, и объясняют низкие селективности систем по первичным аминам образованием связи C–N на их поверхности между двумя N-содержащими промежуточными соединениями CH3NH и CH2NH. Низкий энергетический барьер образования этой связи обеспечивает конкуренцию с реакцией гидрирования аминного промежуточного продукта и подавляет селективность катализатора по первичному амину. Оксофильные металлы обеспечивают более высокие энергетические барьеры образования связи C–N и, следовательно, лучшую селективность в отношении первичных аминов. По результатам полученных данных показана невозможность достижения направленного смещения селективности реакции по первичным аминам в присутствии катализаторов на основе благородных металлов (Pt, Pd), что не вполне согласуется с результатами, полученными другими научными группами [74, 75]. В исследовании [75] установлена высокая селективность систем на основе рутения в реакции аминирования при использовании в качестве сырья вторичных спиртов в достаточно мягких условиях (140–160qС, 1–6 бар, Ru/SiO2). В частности, наибольшие выходы пер вичных аминов были получены при превращении циклопентанола и циклогексанола: 93 и 80% соответственно. Для 2-бутанола и 2-пентанола выход целевых продуктов составил 76%, для изопропанола — 73%. Еще одним способом контроля селективности процесса по целевым продуктам синтеза является использование технологии мембранного извлечения образующейся в ходе реакции воды [78]. При использовании трубчатых мембран Na–LTA и K–LTA в качестве материалов для селективного разделения была показана возможность смещать селективность реакции превращения метанола по продуктам реакции в присутствии узко пористого цеолитного катализатора H-SSZ-13 при 350qC, осуществляемой в вертикальном трубчатом мембранном реакторе. Замена ионов Na на K при водит к сужению пор с 4 до 3Å, что сопровождается повышением разделительной способности для смесей H2O/NH3 и H2O/MeOH. Поскольку в узкопористом цеоCH3NH2 NH2CH2COOH CH3CH2NH2 CO CO2 NO3 NH3 H+/e NO2 N2 Рис. 3. Совместное восстановление оксидов углерода и азотсодержащих соединений с образованием аминов (адаптировано из [51]). НЕФТЕХИМИЯ том 64 № 6 2024
СОВРЕМЕННЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ И АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ МЕТОДЫ... разующиеся при электрохимическом восстановлении оксидов углерода, взаимодействуют с азотистыми соединениями, которые либо соадсорбированы на электроде, либо находятся в растворе (рис. 3). литном катализаторе H-SSZ-13 термодинамически более благоприятный ТМА не образуется по причине стерических затруднений, продуктами аминирования являются моно- и диметиламин. В результате замены ионов К на Na была показана возможность повышать выход ММА от 14 до 40%, тогда как использование K–LTA приводит к увеличению образования ДМА от 51 до 75%. Электрокатализ привлекает все большее внимание из-за потенциальной простоты его осуществления, поскольку для него требуется минимальный набор аппаратуры и реагентов, а также возможности управления скоростью реакции и ее селективностью с помощью подаваемого напряжения и применяемого катализатора. Образование С–N-связи может протекать через так называемую стадию “активации связей в соединениях азота и углерода при температурах 400– 500qС на радикалсодержащих аллильных интермедиатах, причем ключевым аспектом является образование аллильного радикала (“активированного углерода) и =NH-фрагмента (рис. 4). Прямое аминирование спиртов аммиаком является промышленно развитым процессом получения первичных аминов (свои решения в данном направлении предлагают лидеры химической индустрии: Akzo Nobel, BASF, Dow, Eastman, Huntsman, SOLVAY, Arkema, INEOS, KAO, Taminco и Clariant [4]), для которого разработаны эффективные каталитические системы. Тем не менее полное понимание влияния различных факторов на селективность образования целевого продукта с определенной степенью замещения, особенно в аспекте формирования катализаторов с моноселективными активными центрами, до сих пор остается предметом обширных исследований. Гетерогенный электрокатализ Образование аминов в ходе гетерогенного электрокатализа происходит путем образования C–N-связей в ходе совместного восстановления CO2 или CO и NO3 –, NO2 –, N2 или NH3 [51]. В этих реакциях промежуточные продукты, обОбразование связи азот–углерод также может протекать в более мягких условиях посредством восстановительного аминирования с промежуточным образованием альдегидов с электрофильным углеродным центром [79, 80]. В качестве альтернативного пути спирт может быть каталитически дегидрирован до альдегида с последующим аминированием, в результате чего происходит образование иминного промежуточного продукта, гидрирование которого приводит к образованию первичного амина [51]. ЛимитиПервичный спирт Алкоксид активация Альдегид Гидрид Нуклеофильная атака Перенос водорода Конденсация Имин Аллил радикальное аммоксидирование Образование вторичного амина Первичный амин Рис. 4. Примеры путей образования связей C–N в гетерогенном катализе (адаптировано из [51]). НЕФТЕХИМИЯ том 64 № 6 2024