Перспективные направления переработки метанола

  Метанол является исходным сырьем для получения  разнообразных химических продуктов:  уксусной и муравьиной кислот, ацетатов винила и целлюлозы, альдегида уксусный и формальдегида, метилакрилата диметилового  и ряда других эфиров, этанола и многоатомных спиртов, непредельных углеводородов и др.

   В последние годы в мире наметилась тенденция активного развития новых направлений использования метанола: растет спрос на топливо на базе метанола (биодизель и ДМЭ) и  расширяется    производство олефинов в странах с ограниченными запасами или отсутствием природного газа.  

   Разрабатывается множество технологий, предполагающих использование метанола в качестве топлива для прямого сжигания и для топливных элементов, а также для получения бензина. Возможные направления использования метанола в этом направлении следующие:

   Продвижение технологии конвертирования метанола в бензин или другие продукты, получаемые в настоящее время в большинстве своем из нефти, ведёт  к существенному увеличению спроса на него. Теоретически метанол способен заместить по крайней мере 90% топлива, используемого в дизельных установках на грузовиках, в железнодорожных локомотивах и кораблях. Он также является оптимальным топливом для гоночных автомобилей, поскольку главные требования к такому топливу - энергоемкость, производительность и безопасность. Абсолютными лидерами в области развития этого направления использования метанола являются США  и Европа.

   Метанол как моторное топливо имеет высокое октановое число и низкую пожароопасность. Однако при использовании метанола в качестве топлива возникает ряд проблем технического характера, связанных с существенными различиями свойств метанола и бензинов:

   - Теплота сгорания метанола в 2,24 раза меньше, чем у бензина. Метанол имеет более высокую скрытую теплоту испарения (в 3,6 раза выше, чем у бензина), низкую упругость паров, низкую температуру кипения. Помимо этого, метанол обладает повышенной коррозийной агрессивностью к металлам и некоторым пластмассам. Пары метанола токсичнее паров бензина и вызывают сильные отравления при попадании в организм человека. Поэтому использование чистого метанола в качестве топлива (топливо М-100) для двигателей внутреннего сгорания требует существенной реконструкции двигателя транспортного средства и осторожности в обращении.

   - В качестве положительных свойств метанола можно указать его высокую детонационную стойкость и более высокие скорости сгорания топливовоздушных смесей. При этом низкая теплота сгорания не снижает мощностных показателей двигателя, так как их определяющим фактором является не теплота сгорания топлива, а теплота сгорания единицы массы топливообразующей смеси, которая у метаноловоздушных смесей на 3-5% выше, чем у бензинов. Стоит сказать, что при этом и метанола требуется в 2,3 раза больше.  Высокая скрытая теплота испарения метанола  является причиной худших пусковых качеств холодного двигателя при низких температурах. С другой стороны, это свойство метанола ведет к уменьшению теплонапряженности деталей двигателя и увеличению весового наполнения цилиндров свежим зарядом, что способствует увеличению мощности двигателя. Кроме всего прочего, при использовании метанола существенно ниже загрязнение атмосферы, ниже нагарообразование на рабочих поверхностях камеры сгорания и меньшее закоксование деталей цилиндропоршневой группы.

   Для использования метанола в качестве топлива необходимо, чтобы цены на него были приемлемы.  Сейчас на мировом рынке наблюдаются относительно высокие цены на метанол. Хотя они и  имеют тенденцию к снижению. Так в 2013г.  цена была 415 долл. США за тонну а  в 2016 г – 300 $/t. В 2017 г. цены колебались от 170 до 250 $/t .      

   В настоящее время огромное внимание уделяется ДМЭ как перспективному моторному топливу, топливу для бытовых нужд, сырью для теплоэлектростанций и т.д. Основным его преимуществом является экологичность –  при использовании эфира, выбросы в экологию вредных веществ снижается минимум в 1,5 раза. ДМЭ сейчас всерьез рассматривается как альтернатива дизельному топливу. Технологии производства ДМЭ освоены уже давно. Применение ДМЭ в качестве моторного топлива позволяет резко снизить уровень шума, исключить выбросы сажи и снизить выбросы окислов азота.    Однако значительное различие в свойствах ДМЭ и дизельного топлива (ДТ) вызывает ряд специфических проблем. Например, с учетом более низкой плотности и теплотворной способности для сохранения мощности дизеля необходимы в 1,7-1,9 раза большие объемные цикловые подачи. При проектировании топливного насоса высокого давления приходится учитывать, что в силу значительно большей сжимаемости ДМЭ необходимо увеличивать запас по объемной производительности на номинальном режиме в 2,4-2,7 раза и т.д.

   Вполне вероятно, это вещество станет перспективным топливом, получаемым на базе метанола. Это бесцветная прозрачная жидкость с высоким содержанием кислорода (42%).  Испытания этого продукта, которые показали хорошие результаты в отношении технических характеристик двигателей и низкой эмиссии дыма. Диметоксиметан улучшает смазывающую способность дизельного топлива и полностью смешивается с этим топливом при всех температурах. Он изготавливается путем метоксилирования формальдегида метанолом. Это вещество является превосходным окислителем дизельного топлива, и его использование может стать одним из вариантов уменьшения образования дыма от сжигания дизельного топлива.

Метанольные топливные элементы
   Топливный элемент – это элемент, в котором окислительно-восстановительная реакция поддерживается непрерывной подачей топлива и окислителя. Важнейшая составная часть электрохимического генератора, обеспечивающая прямое преобразование химической энергии в электрическую. В метанольных топливных элементах топливом является метанол или раствор метанола.
   В последние годы топливные элементы получили широкое развитие во всем мире. Одной из самых распространенных технологий является DMFC (Direct methanol fuel cell) – технология, основанная на прямом окислении метанола. Помимо этой технологии широко применяются PEMFC (Proton ex-change membrane fuel cell) технология и SOFC (Solid oxide fuel сell).   Разработкой метанольных топливных элементов сейчас занимаются несколько десятков компаний, среди которых Methanex, Statoil, Duracell, Hitachi, Toshiba, Samsung и др. Разрабатываются метанольные топливные элементы как для портативной техники, так и для двигателей автомобилей. Такие элементы уже находят применение в портативных компьютерах, сотовых телефонах и даже автомобильных двигателях. Широкое применение в последних сталкивается с  потребностью в большом количестве метанола и его относительно высокой ценой.
Возможности применения метанола в пищевой промышленности
   Известна возможность его использования для синтеза протеина (белково-витаминного концентрата). Существует также вариант применения метанола для конденсации формальдегида в сахар, катализируемой щелночноземельными металлами.