Исследование промышленного синтеза метанола и мирового рынка метанола
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
ользовать существующие методы переработки газа, то себестоимость получающихся продуктов будет выше, чем у их аналогов, полученных из нефти. Усовершенствованием существующих технологий и поиском новых занимаются, в частности, в Институте нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН.
Сначала посмотрим, как перерабатывают природный газ на современном этапе (рис. 5). Это достаточно инертная смесь (состоит в основном из метана), поэтому почти в любой технологии первая стадия переработки - превращение его в более реакционноспособный синтез-газ (смесь оксидов углерода и водорода).
Рис. 5 Основные пути переработки природного газа
Первая стадия
Как видно из схемы 1, есть разные варианты преобразования метана в синтез-газ (паровая или углекислотная конверсия и окисление воздухом или чистым кислородом).
Углекислотную конверсию метана (СН4+СО2=2СО+2Н2) почти не используют в промышленности, поскольку после нее получается синтез-газ с низким соотношением Н2:СО (1:1), из которого невыгодно получать метанол или водород. Кроме того, для такой реакции нужны катализаторы с повышенной стабильностью (чтобы не закоксовывались). Второй способ - паровую и парокислородную конверсии метана используют в промышленности довольно широко. При высоких температурах (800-900оС) и не слишком высоких давлениях (1-3 МПа) с помощью катализаторов (в основном никелевых) реакцию можно довести почти до конца. Но процесс получается очень дорогим, в результате чего стоимость синтез-газа по этой технологии составляет примерно две трети от стоимости конечных продуктов (метанола или диметилового эфира). Дороговизна и заставляет исследователей искать новые технологические решения для этой стадии.
Казалось бы, почему не использовать классическое прямое окисление природного газа кислородом? Здесь, однако, возникает дилемма. Если его окислять воздухом, то получается синтез-газ, разбавленный азотом (не менее 50-60% объема), что очень неудобно для дальнейших реакций. Если окислять метан чистым кислородом, то получается хорошо, но дорого. Однако в последнее время появилось несколько разработок, в которых идея прямого окисления метана в синтез-газ обрела новые перспективы.
Ученые Института нефтехимического синтеза предлагают получать синтез-газ несколько необычным способом, зато "дешево и сердито". Например, группа под руководством профессора Ю.А. Колбановского предложила сжигать природный газ в... дизельном двигателе. Конечно, двигатель немного модифицирован и работает в необычном режиме, но все же это обычный дизельный двигатель, который становится специальным химическим реактором. Ученые уже отработали методику и в 1998 году даже сделали промышленную установку мощностью 10 000 м3 синтез-газа в час. Эта оригинальная технология имеет три огромных преимущества. Во-первых, в нем в качестве сырья можно использовать природный газ низкого давления, в том числе из тех скважин, которые невозможно эксплуатировать по любой другой технологии. Во-вторых, для окисления природного газа используется воздух, что делает процесс очень дешевым. Правда, из-за этого не удается избежать примесей: получающийся синтез-газ содержит примерно 60% азота, что мешает дальнейшей переработке. И наконец, двигатель можно использовать одновременно и для проведения химической реакции, и по прямому назначению - для получения электроэнергии.
Есть еще одно неординарное решение. В.Н.Кубиков и его коллеги предложили окислять природный газ кислородом в генераторе на основе ракетного двигателя. Производительность единицы объема такого аппарата в десятки и сотни раз больше производительности его промышленных аналогов. Поскольку метан окисляется чистым кислородом, то синтез-газ получается концентрированный, без балластного азота. Следовательно, его довольно просто перерабатывать в дальнейшие продукты, что особенно чувствуется на последней стадии получения бензина или диметилового эфира. Однако для получения кислорода, естественно, нужны дополнительные затраты.
Наконец, в последнее время появилась разработка, объединяющая оба эти подхода (профессор Ю.А. Колбановский - ИНХС РАН, профессор Б.Т. Плаченов и Ю.Н.Филимонов - БГТУ). Это получение синтез-газа прямым окислением метана воздухом в химическом реакторе на базе ракетных технологий.
Какую из новых технологий выбрать: тип реактора, окисление воздухом или кислородом, зависит от конкретных условий - месторождения, инфраструктуры и от многого другого. Рабочий объем реакторов в новых технологиях намного меньше традиционных, но появляется и неприятная особенность: состав синтез-газа делается трудно регулируемым параметром. А если корректировать состав, то процесс становится намного дороже. Похоже, что легче всего получить соотношение Н2:СО=1,5-1,6. Впрочем, как выяснилось в результате исследований, и синтез-газ с таким соотношением, и синтез-газ, разбавленный азотом, пригодны для дальнейшей переработки по уже имеющимся технологиям.
Вторая стадия
Пока существуют два промышленных варианта крупномасштабной переработки синтез-газа: реакция Фишера-Тропша, после которой получается смесь углеводородов, и синтез метанола. Показанное на схеме 1 прямое получение диметилового эфира (ДМЭ) из синтез-газа в промышленности пока не осуществлено, и о нем мы поговорим чуть позже. Пока ДМЭ - это просто промежуточный продукт в цепочке реакций, протекающих при переработке метанола в бензин.
Первый вариант, синтез Фишера-Тропша, п