Как получают этиленоксид и где еще, кроме производства МЭГ, его применяют
Окись этилена слишком опасна для бытового использования и почти не известна потребителям. Она нужна для создания химикатов и промежуточных продуктов, в том числе этиленгликолей. Рассказываем о производстве этиленоксида в России и в мире, а также о научных разработках, которые позволят усовершенствовать процесс получения этого вещества.
Органическая формула этиленоксида (окиси этилена) — СH2(O)CH2. Бесцветный газ с характерным сладковатым запахом находится на 14-м месте в списке самых производимых органических химикатов в мире. Полупродукт, который востребован как исходное сырье для более сложных синтезов, получают методом окисления этилена. По объемам потребляемого этилена производство этиленоксида уступает лишь процессу полимеризации для создания полиэтилена.
Проверенная технология: сначала этиленоксид, затем гликоли
Выпускать этиленоксид промышленным способом научились еще в начале прошлого века — тогда использовали хлоргидриновый процесс, малоэффективный с точки зрения расхода компонентов. Прямое окисление этилена открыли в 30-е годы, тогда же стали запускать производства с газофазным окислением этилена воздухом, в 50-е годы в качестве окислителя стали применять кислород.
Окись этилена чрезвычайно легковоспламеняющаяся, а ее смеси с воздухом очень взрывоопасны. При нагревании она может расширяться, вызывая пожар и взрыв. Вещество токсично при вдыхании, а при попадании внутрь организма вызывает острое отравление.
Сейчас практически 100 % этиленоксида в мире производят одинаковым методом: окисляют этилен кислородом на серебросодержащем слое катализатора при температурах 220-300 °С и под давлением до 3 МПа.
Стадии производства этиленоксида:
- смешение этилена и кислорода;
- окисление этилена в газообразном виде через слой катализатора;
- абсорбция этиленоксида из газовой смеси;
- десорбция (перегонка) этиленоксида;
- ректификация — разделение смесей, получение конечного продукта.
Для оценки эффективности процесса применяют показатель селективности. Так, селективность превращения этилена в этиленоксид достигает примерно 90 % при использовании нового катализатора. Остальные 10 % сырья становятся побочными продуктами реакции — в основном, углекислым газом.
Как правило, получение оксида этилена и этиленгликолей на предприятиях объединяют в один производственный процесс. Выпуск этиленгликолей методом гидратации оксида этилена укрупненно включает следующие этапы:
- синтез этиленгликоля из водного раствора этиленоксида;
- упаривание водного раствора этиленгликоля;
- получение моноэтиленгликоля (МЭГ);
- получение диэтиленгликоля (ДЭГ) и триэтиленгликоля (ТЭГ).
О том, как компания Shell усовершенствовала процесс получения этиленгликолей из этиленоксида, мы рассказали здесь.
Кто и в каких объемах выпускает оксид этилена?
Объемы производства оксида этилена в мире растут — по средневзвешенным оценкам в 2023 году произвели около 28-30 млн тонн продукта. До половины производства приходится на Китай и страны Азиатско-Тихоокеанского региона.
Мировыми лидерами в производстве этиленоксида выступают компании Dow (США), Sabic (Саудовская Аравия), Shell (Великобритания), BASF (Германия), Sinopec и Ningbo HengYuan(Китай), Formosa Plastics (Тайвань), Ineos (Великобритания).
В нашей стране оксид этилена выпускают те же заводы, где производят этиленгликоли. Все эти предприятия входят в компанию «Сибур» .
«Сибур-Нефтехим» — площадка №1 в России по производству МЭГ. Этиленгликоли и оксид этилена там выпускают с 1982 года. Производство окиси этилена и гликолей (ПОЭиГ) завода попеременно работает в «окисном» и «гликолевом» режимах, увеличивая выпуск того или иного продукта в зависимости от рыночного спроса. На предприятии занимаются проектом реконструкции ПОЭиГ стоимостью 4,5 млрд рублей, который рассчитан до 2027 года. По итогу годовой выпуск эквивалентной окиси этилена увеличится почти на 20 % до — до 355,6 тыс. тонн, производство товарной окиси этилена вырастет до 168 тыс. тонн. Нынешние заявленные мощности по товарному этиленоксиду — 130 тыс. тонн.
На «Нижнекамскнефтехиме» (НКНХ) выпускают окись этилена с 1986 года. В середине нулевых на производстве провели глубокую модернизацию из-за необходимости увеличить выпуск МЭГ. Сейчас годовая мощность НКНХ по этиленоксиду составляет не менее 230 тыс. тонн в год. По экспертным оценкам, другое предприятие «Сибура» из Татарстана «Казаньоргсинтез» (КОС) может выпускать до 60 тыс. тонн этиленоксида год. Ни по НКНХ, ни по КОС нет данных о пропорциях эквивалентного (для переработки) и товарного (на продажу) этиленоксида.
Характерно, что потребители товарного этиленоксида стараются гарантировать поставки продукта в рамках долгосрочных контрактов. В 2020 году «Сибур-Нефтехим» сообщил, что заключил контракт с компанией «Синтез Ока» на поставку в течение 10 лет 600 тыс. тонн окиси этилена, а также с ГК «Норкем» — этому контрагенту в течение 5 лет отправят 150 тыс. тонн этиленоксида.
Запуск этиленового комплекса ЭП-600 на площадке НКНХ может стимулировать рост объемов производства этиленоксида в РФ. Новый комплекс будет давать до 600 тыс. тонн этилена ежегодно. Пусконаладочные работы там начнутся в этом году.
Не только этиленгликоли
Большая часть этиленоксида идет на производство этиленгликолей, но этот полуфабрикат используют и для синтеза других химических веществ — простых гликолевых эфиров, этаноламинов, акрилонитрила, этоксилатов и полиэфирполиолов, которые востребованы в различных отраслях промышленности.
Окись этилена также задействуют в качестве дезинфицирующего средства в здравоохранении — для замены пара при стерилизации термочувствительных инструментов и оборудования, таких как одноразовые пластиковые шприцы. Этиленоксид также широко используется в бесконтактных инфракрасных термометрах, тепловизионных системах, жидкостной химической стерилизации. Другие области применения включают бытовые и промышленные чистящие вещества, средства личной гигиены, такие как косметика и шампуни, жидкости для теплопередачи, пластификаторы, ткани, ковролин и т. д.
Широкая сфера применения этиленоксида, включая производство этиленгликолей, обеспечивает растущий спрос на него. Эксперты полагают, что к 2032 году мировой объем выпуска этого вещества превысит 40 млн тонн.
Осенью 2023-го концерн BASF запустил дополнительные мощности комплекса по выпуску оксида этилена и его производных на своем заводе в Бельгии. Инвестиции в проект превысили 500 млн евро и позволили увеличить производственные мощности на 400 тыс. тонн этиленоксида в год.
Наука поможет?
В конце прошлого года СМИ писали об опытах российских ученых, результаты которых позволят усовершенствовать процесс получения этиленоксида.
Ученые выяснили, что добавление хлорированных углеводородов в реакцию получения оксида этилена увеличивает селективность. Они задались целью выяснить механизм этой реакции на уровне взаимодействия отдельных атомов и молекул, чтобы усовершенствовать процесс промышленного синтеза этиленоксида.
Сотрудники Московского института электронной техники и Центра естественно-научных исследований впервые обнаружили серию двумерных фазовых переходов на монокристаллических гранях серебра (катализатор), а также реконструкцию поверхности серебра при взаимодействии с молекулярным хлором. Исследователям удалось установить, как хлор модифицирует поверхность серебряного катализатора, и тем самым приблизиться к установлению природы активных центров этилена. В дальнейшем ученые планируют провести еще более точные эксперименты при температурах ниже -268 °С, чтобы получить данные о взаимодействии и положении атомов на поверхности на различных этапах химической реакции образования оксида этилена.
В 2023-м ученые Института катализа Сибирского отделения РАН разработали катализатор из серебра и никеля для окисления этилена при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении.
