Исследование промышленного синтеза метанола и мирового рынка метанола
Дипломная работа - Химия
Другие дипломы по предмету Химия
риводит к некоторому эквиваленту нефти - смеси углеводородов, которую надо перерабатывать дальше. Это самый прямой путь, и его используют в промышленности, хотя в современном виде он вряд ли имеет большие перспективы. Это связано с двумя его недостатками: у катализаторов низкая производительность (самые современные - 0,15 тонн на 1 м3 катализатора в час) и слишком сложная смесь продуктов ("синтетическая нефть") в результате. На катализаторах, которые используют сегодня (с железом или кобальтом), получается широкий спектр углеводородов - от С1 до С30 и более. Естественно, такая смесь требует дальнейшей переработки, что, впрочем, легко вписывается в структуру нефтеперерабатывающей промышленности. Тем не менее, получить товарный продукт в одну стадию уже не удается. Отсюда понятно, почему себестоимость получаемого синтетического топлива существенно выше, чем топлива из нефти.
Второй вариант переработки - синтез метанола - крупнотоннажный процесс (мировые мощности близки к 30 млн. т., в РФ около 3 млн. т), хорошо отработанный в промышленности. Но и у него есть недостаток: неблагоприятная термодинамика, которая запрещает образование больших концентраций метанола. Из-за этого приходится много раз пропускать газовую смесь через реактор (выделяя образующийся метанол), что, естественно, приводит к дополнительному расходу электроэнергии. В итоге растет себестоимость метанола и бензина, полученного из него.
Теперь понятно, что на каждой стадии современных технологий (получение синтез-газа и его дальнейшая переработка) есть что улучшить. Исследования в Институте нефтехимического синтеза привели к довольно неожиданному результату. Во-первых, пришлось пересмотреть общепринятые представления о механизме и закономерностях синтеза метанола, вошедшие во все учебники (а потом и саму технологию). А во-вторых, похоже, что при переработке синтез-газа надо получать вовсе не метанол, а промежуточный продукт, который и сам может быть топливом, и бензин из него сделать проще, чем из метанола. Но обо всем по порядку.
В школьных учебниках написано, что метанол получается по реакции
СО+2Н2=СН3ОН
На самом деле оказалось, что эта реакция не идет, а метанол получается из диоксида углерода
СО2+3Н2=СН3ОН+Н2О
Первый принципиальный шаг в этом направлении был сделан четверть века назад, в 1975 году, когда группа исследователей с участием автора этой статьи независимыми методами (кинетическим и изотопным) доказала, что метанол на промышленных медных катализаторах получается гидрированием только СО2, но не СО, и основную роль здесь играют две реакции:
собственно синтез метанола - СО2+3Н2=СН3ОН+Н2О
и конверсия СО водой - СО+Н2О=СО2+Н2.
Эти результаты противоречили общепринятому "химическому видению мира" (СО в атмосфере водорода сначала превращается в более окисленную форму - СО2 и лишь затем восстанавливается до метанола), и многие ученые восприняли их с недоверием, даже не анализируя приведенные доказательства. Почти десять лет практически каждый уважающий себя исследователь за рубежом считал своим долгом упомянуть, что русские предложили новый механизм, который, конечно же, некорректен. Однако когда десятилетие спустя в британском исследовательском центре фирмы ICI повторили одну из опубликованных работ и получили близкие результаты, пришлось согласиться и с нашими выводами.
Казалось бы, какая разница, как именно протекает реакция? Однако это ключевой вопрос, от которого зависит технология получения метанола в промышленности. Действительно, уже первое утверждение: "синтез метанола протекает через гидрирование СО2", привлекает внимание к новому продукту реакции - воде и к ее влиянию на реакцию (в предполагавшемся до этого механизме СО+2Н2=СН3ОН вода отсутствовала).
Оказалось, что она сильно тормозит синтез, а принятые технологические схемы не оптимальны. Гораздо эффективнее использовать последовательность проточных реакторов, работающих непосредственно на "свежем" газе (технология "Каскад"). Тем более что после каскада можно поставить циркуляционный реактор или энергетическую установку, в которых и превращать остаток газа. Такая схема практически без дополнительных затрат вдвое увеличивает производительность реактора и позволяет сильно сэкономить электроэнергию. Конечно, процесс можно усовершенствовать и дальше, однако новые проблемы будут касаться уже инженерного оформления, в частности эффективной схемы отвода тепла. К тому же новая технология синтеза метанола хорошо вписывается в ту, что работает сейчас, и требует лишь небольших усовершенствований.
Вот такой неожиданный технологический выход ученые получили из совершенно теоретических исследований механизма реакций. Но вернемся к общей проблеме переработки природного (попутного) газа в моторные топлива. А нельзя ли иным способом обойти термодинамические ограничения переработки природного (попутного) газа. Оказалось, что можно, если вместо получения метанола сразу вести реакцию дальше и получать диметиловый эфир - следующую ступеньку на пути к бензину. Тогда одновременно протекают две реакции:
СО2+3Н2=СН3ОН+Н2О,
СН3ОН=СН3ОСН3+Н2О
В этом случае метанол будет непрерывно выводиться из системы, а значит, термодинамика перестанет ограничивать первую реакцию. Оказалось, что получать диметиловый эфир (ДМЭ) еще и выгодно: - бензин, как мы уже говорили, из него синтезировать легче, чем из метанола. Так появи