Современное состояние технологии химической переработки природного газа

Как уже показано в настоящей главе природный газ применяют преимущественно для получения синтез-газа и водорода. Именно возможность превращения его в эти важнейшие полупродукты уже сейчас делает природный газ важнейшим источником для производства разнообразных органических веществ. Из других процессов можно упомянуть производство хлорпроизводных метана, синильной кислоты и ацетилена.

Высокая прочность С-Н связей молекул метана - основном компоненте природного газа - значительно затрудняет его использование в технологических процессах, которые, как правило, требуют достаточно высоких температур и давлений. Поэтому до последнего времени природный газ применяется в качестве сырья лишь в небольшом числе технологических процессов.

Гораздо более широкое применение находят сжижаемые компоненты природного газа. В настоящее время в мире из природного газа вырабатывается в сутки примерно 750 тыс.м³ сжиженных углеводородов, что составляет 7,3% от суммарного мирового производства жидких углеводородов. В США на газовый конденсат и другие сжиженные компоненты природного газа приходится около 18% всего производства жидких углеводородов и около 70% сырья для получения этилена и других базовых продуктов нефтехимии.

Помимо сжиженных углеводородов целевыми продуктами газопереработки являются моторные топлива, метанол и другие оксигенаты, включая высокооктановые компоненты моторных топлив. Однако до сих пор в мире имеется лишь несколько действующих производств переработки природного газа в моторные топлива, которые основаны на его предварительном превращении в синтез-газ; сегодня это наиболее разработанная технология получения химических продуктов из природного газ. Но перспективность превращения метана в синтез-газ, а затем в продукты синтеза Фишера-Тропша или метанол трудно обосновать, так как синтез-газ может быть получен и из более дешевых углеродосодержащих материалов. Кроме того, высокая стоимость этих процессов и ряд технологических проблем не способствуют поддержанию широкого интереса к ним.

Неопределенность с будущими источниками нефтяного сырья и ужесточение законов по охране окружающей среды создают реальную перспективу использования огромных ресурсов природного газа для производства традиционных продуктов нефтехимии. Было бы желательно научиться переводить относительно неудобный газообразный продукт в более универсальное сырье. Наиболее вероятным кандидатом на роль такого сырья является метанол. Поэтому в данный момент получение и использование метанола - одно из основных направлений научно-исследовательских работ в области промышленного химического синтеза.

Несмотря на прогнозируемый бурный рост потребления метанола для получения метилтретбутилового и других эфиров, промышленные фирмы пока воздерживаются от строительства новых крупных мощностей по производству метанола. Главными причинами являются боязнь создания избыточных мощностей и недостаток финансовых средств. Такая сдержанность производителей в немалой степени объясняется сложностью существующих технологических процессов, их капитало- и энергоемкостью и низкой рентабельностью, что вызывает естественное нежелание рисковать крупными инвестициями, учитывая возможную недогрузку мощностей, как это уже было в 1988-1990 годах. Это фактически отражает назревшую и ясно ощущаемую потребность в смене базовых технологических процессов.

В настоящее время уделяют большое внимание совершенствованию технологических процессов каталитического синтеза углеводородов и спиртов на основе синтез-газа. Однако даже крупный прорыв в этой области вряд ли способен принципиально изменить ситуацию, так как около 75% себестоимости производства метанола приходится на энергоемкий процесс парового риформинга метана в синтез-газе. Только повышение степени конверсии синтез-газа в метанол с имеющих место ~ 25% до уровня, близкого к 100%, отказ от циркуляции синтез-газа и переход к использованию вместо кислорода значительно более дешевого воздуха, могли бы существенно повлиять на экономические показатели процесса. Поэтому возможность реализации конкурентоспособных по отношению к переработке нефти крупномасштабных процессов на основе природного газа, по-видимому, все же в значительной степени будет зависеть от успехов в разработке технологии прямого превращения метана, без предварительного получения синтез-газа.

Наметились три перспективных пути прямой конверсии природного газа в химические продукты:

1) прямое парциальное окисление природного газа в метанол и другие оксигенаты;

2) окислительная конденсация природного газа в этан и этилен;

3) оксигидрохлорирование природного газа.

Все эти направления имеют свои привлекательные стороны и в совокупности позволяют получить широкий ассортимент наиболее важных химических полупродуктов. Поэтому речь может идти не о конкуренции, а о взаимодополнении, хотя в настоящее время первое направление, безусловно, значительно более разработано и близко к практической реализации.

Создание рентабельного процесса получения метанола из природного газа позволило бы решить три важнейшие, проблемы мирового масштаба, а именно, транспортировки, обеспечения химической промышленности важнейшим полупродуктом и расширенного производства экологически чистых высокооктановых моторных топлив.

В свете вышеизложенного уместно упомянуть разработанный в России технологический процесс прямого окисления метана в метанол. Принципиальная схема установки для получения метанола прямым газофазным окислением природного газа в метанол разработана в рамках Государственной программы “Экологически чистая энергетика”. Описание процесса не является основной темой данной работы и, поэтому авторы только упоминают о существовании промышленной установки.

Вомногих странах значительные финансовые средства вкладываются в государственные и частные исследования, направленные на эффективное использование обильных ресурсов природного газа. Основной целью таких исследований является повышение эффективности наиболее перспективных процессов получения метанола и высших углеводородов, потенциально способных конкурировать с традиционной нефтепереработкой.

Большой всплеск научной активности вызвало обнаружение в 1982г. катализаторов, обеспечивающих высокий выход этана и этилена при окислительной конденсации метана. В последние годы основным направлением научно-исследовательских работ по каталитической конверсии природного газа стало преодоление кинетических барьеров, которые, по-видимому, ограничивают выход углеводородов С₂ при окислительной конденсации метана величиной ~ 25%. Этого достаточно для поддержания интереса к научно-исследовательским работам, но недостаточно для практической реализации процесса.

В области прямого газофазного окисления метана в метанол перспективной задачей остается воспроизведение в масштабах пилотной установки высокой (до 70¸80%) селективности процесса при значительных (более 5%) степенях конверсии, которые были достигнуты в ряде лабораторных исследований. Достижение подобных показателей в производственном масштабе позволит создать безусловно рентабельный процесс.

Поэтому научной задачей первостепенной важности является четкое установление таких условий или поиск таких режимов проведения процесса, которые в принципе могут приводить к подобным результатам.

Другим перспективным направлением исследований является изучение окисления при высоких давлениях гомологов метана, их смесей и реальных природных газов. Так прямое окисление углеводородных газов с высоким содержанием гомологов метана позволяет рассчитывать на значительные технологические преимущества.

Видимо, большое значение будет иметь изучение влияния внешних параметров и состава газа на детальный состав получаемых продуктов, а также поиск различных методов его корректировки, включая последующую каталитическую доработку и частичное выделение продуктов, с тем, чтобы можно было получать смеси стандартного состава и товарные продукты.

Важнейшей научной задачей остается создание обладающих достаточной предсказательной силой количественных кинетических моделей окисления гомологов метана при высоких давлениях и на их основе - модели окисления реальных природных газов.

Литература к главе 3.

1. Chem. Age. Ind., 1979, v.30, р.75.

2. Степанов А.П. Получение водорода и водородсодержащих газов. К., “Наукова думка”, 1982.

3. Быстрова Г.Е. и др. Труды ГИАП,1975, вып.33, с.21.

4. Сосна М.Х., Фролова В.И. Сводный обзор программ для расчета в странах - членах СЭВ. М., НИИТЭХИМ,1978, вып.9-10 (62-63), с.70.

5. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. Л., “Химия”, 1968.

6. Бахшиян Ц.А. Трубчатые печи с излучающими стенами топок. М., ГОСИНТИ, 1960.

7. Баклашов В.Е. и др. Труды Гипронефтемаш, 1969, вып.5 (15), с.170.

8. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением, М., “Мир”, 1975.

9. Демиденко И.М. и др. Катализаторы и процессы с их применением в азотной промышленности. Горловка, 1998, с.183.

14. Производство технологического газа для синтеза аммиака и метанола из углеводородных газов. / Подред. А.Г.Лейбуш. М.:“Химия”, 1971.

11. Бродянский В.М. Дис.канд. техн. наук. М.: МЭИ, 1967.

12. Вопросы термодинамического анализа / Под ред. В.М.Бродянского. М.: “Мир”, 1965.

13. Шаргут Я., Петела П. Эксергия. М.: “Энергия” 1969.

14. Гущин А.Д., Семенов В.П. Каталитическая конверсия природного газа. М.: “Химия”, 1970.

15. Семенов В.П., Сосна М.Х., Фадеева С.Н., Лейтес И.Л. //Хим. пром. 1975, N5, с.359.

16. Семенов В.П., Сосна М.Х., Лейтес И.Л. // ТОХТ,1977, N2, с.276.

17. Семенов В.П., Сосна М.Х., Гольдина О.Б. // ТОХТ,1979, т.13, N4, с.600.

18. Гельфер Г.Я., Сосна М.Х., Гольдина О.Б. //Хим.пром.,1991, №1, с.32.

19. Дытнерский Ю.И., Брыков В.П., Каграманов Г.Г. Мембранное разделение газов. М., Химия. 1991, с.341.