Современное состояние нефтехимического синтеза. Основные продукты и технологии

Тема: Современное состояние нефтехимического синтеза. Основные продукты и технологии

Введение

1. Альтернативные виды топлива, сырьевые ресурсы

1.1 Диметиловый эфир

1.2 Синтетический бензин

1.3 Спиртовые топлива

1.4 Топливо из биомассы

2. Технологии

2.1 Синтез ДМЭ из природного газа (через метанол)

2.2 Одностадийный синтез ДМЭ из синтез-газа и синтез бензина (через ДМЭ)

2.3 Нетрадиционные процессы и технологии получения моторных топлив

2.3.1 Технология БИМТ

2.3.2 Технология БИМТ-2

2.3.3 Процесс БИЦИКЛАР

Заключение

Литература

Введение

На развитие топливной отрасли определяющим образом влияет ряд факторов. Рост затрат на поиск, добычу и доставку к местам массового потребления нефтяного сырья в конечном итоге привел к удорожанию топлива, получаемого из нефти. Повышение требований экологов к качеству производимого моторного топлива также вызывает удорожание переработки исходных нефтяных фракций.

Еще один важный фактор, определяющий траекторию изменений в топливном секторе энергетики, обусловлен необходимостью сокращения выбросов в атмосферу диоксида углерода, являющегося основным "парниковым" газом. С позиций эколога ни один из существующих сейчас видов топлива нельзя считать приемлемым. Все, что используется на транспорте для производства энергии, - это соединения углерода. При их сгорании в двигателе автомобиля или в топке энергоустановки (завода или электростанции) образуется (в оптимальном варианте) диоксид углерода, поступающий в атмосферу. Будущее автомобильного транспорта и крупных энергоустановок, как правило, связывают с использованием электрической энергии и водорода, производимыми на базе возобновляемых источников энергии методами, которые, как сейчас кажется, не нанесут ущерба природе. Осуществление этих амбициозных проектов связано со множеством технических проблем, на решение которых уйдет довольно много времени даже при условии мобилизации глобального научно-технического потенциала.

В настоящее время на фоне удорожания нефти и методов ее переработки, растущей автомобилизации и возрастающей потребности цивилизации в высококачественном топливе химики обращают свое внимание в сторону не нефтяных источников для производства новых композиций углеводородных топлив, ставших привычными для потребителя-автомобилиста.

В настоящее время единственным экономически приемлемым путем повышения экологичности автотранспорта является перевод его на альтернативные топлива, обеспечивающие сокращение вредных выбросов в окружающую среду двигателями автомобилей до уровня, отвечающего жестким европейским нормам. Европейская комиссия планирует разработку масштабной программы внедрения альтернативных видов моторного топлива. До 2020 года свыше 1/5 объема топлива на базе нефти должно быть заменено на такие альтернативные продукты, как биотопливо, природный газ и водород.

1. Альтернативные виды топлива, сырьевые ресурсы

1.1 Диметиловый эфир

Синтез диметилового эфира (ДМЭ) и бензина через диметиловый эфир - одно из новых направлений в области переработки природного газа и других источников углерода (уголь, древесные остатки и т.п.). Основные пути переработки метана в моторные топлива показаны на схеме 1. Как видно из схемы, синтез ДМЭ вписывается в схему переработки природного газа как путь, альтернативный синтезу метанола.

Схема 1 Основные пути переработки природного газа в моторные топлива

1.2 Синтетический бензин

Сырьем для производства синтетического ненефтяного бензина могут быть уголь, природный и попутный нефтяной газы, биомасса, сланцы и т.д. Наиболее перспективным источником для производства альтернативных моторных топлив является природный газ, а также получаемый из него синтез-газ (смесь СО и Н2 в различных соотношениях). Там, где природный газ легко извлекается, можно использовать его в сжатом и сжиженном состояниях в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Сжижение природного газа по сравнению со сжатием имеет то преимущество, что позволяет уменьшить объем системы его хранения почти в три раза.

Использование альтернативных топлив, полученных из природного газа, обеспечивает снижение содержания токсичных компонентов в выхлопных газах автотранспорта.

1.3 Спиртовые топлива

Существенным недостатком этого вида топлива остается его высокая стоимость - в зависимости от технологии получения спиртовые топлива в 1,8-3,7 раза дороже нефтяных. Среди различных спиртов и их смесей наибольшее распространение в качестве моторного топлива получили метанол и этанол. В настоящее время для производства метанола применяют синтез-газ, но для крупномасштабных процессов более предпочтительным сырьем является природный газ. С энергетической точки зрения достоинство спиртов заключается главным образом в их высокой детонационной стойкости, что определяет преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием. Их основными недостатками являются пониженная теплота сгорания, высокая теплота испарения и низкое давление насыщенных паров.

Этанол в целом по эксплуатационным характеристикам лучше метанола. Стоимость этанола в среднем гораздо выше себестоимости бензина. В настоящее время метанол как моторное топливо используется в ограниченных количествах. Его в основном применяют для получения синтетических жидких топлив, в качестве высокооктановой добавки к топливу и как сырье для производства антидетонационной добавки - метил-трет-бутилового эфира.

Одной из наиболее серьезных проблем, затрудняющих применение добавок метанола, является низкая стабильность бензино-метанольных смесей и чувствительность их к присутствию воды. Различие плотностей бензина и метанола и высокая растворимость последнего в воде приводят к тому, что попадание даже небольших количеств воды в смесь вызывает ее немедленное расслоение, причем склонность к расслоению усиливается с понижением температуры, увеличением концентрации воды и уменьшением содержания ароматических соединений в бензине. Для стабилизации бензино-метанольных смесей используют присадки - пропанол, изопропанол, изобутанол и другие спирты.

1.4 Топливо из биомассы

Весьма перспективным возобновляемым сырьем является биомасса. Она может быть использована для получения этанола в качестве альтернативного топлива. Подсчитано, что ежегодно выращивается и вырастает в дикой природе столько биомассы, что из нее можно вырабатывать энергии в восемь раз больше, чем в настоящее время дает все топливо из ископаемого сырья. Исследования, направленные на создание производства жидких топлив из возобновляемого сырья растительного происхождения, в последние годы расширяются.

Биоэтанол и биобутанол получают ферментационным путем. В качестве сырья для ферментации может быть использован широкий набор углеводных материалов: сахара, крахмал, целлюлоза и др. Основу производства биоэтанола из крахмала составляют две стадии: гидролиз крахмала до глюкозы под действием ферментов и ферментация глюкозы до этанола. Существенный недостаток этой технологии связан с тем, что при повышении концентрации этанола в реакционной смеси выше определенного уровня он начинает оказывать ингибирующее действие на процесс ферментации. Кроме того, ферментация обычно приводит к образованию ряда метаболитов, которые при повышенных концентрациях также снижают эффективность процесса.

Современные исследования по совершенствованию существующих процессов получения биоэтанола ведутся в основном по двум направлениям: разработка ферментационных систем, работающих в непрерывном режиме, и повышение производительности методов извлечения и очистки этанола с целью снижения энергозатрат на производство топливного спирта.

2. Технологии

2.1 Синтез диметилового эфира из природного газа (через метанол)

Природный газ является наиболее простым и доступным сырьем для синтеза диметилового эфира и, соответственно, процесс получения ДМЭ на базе природного газа имеет наилучшие экономические показатели. В настоящее время промышленное производство ДМЭ (наполнитель для аэрозолей) составляет ок. 150 тыс. т. в год и базируется на переработке метанола. Упрощенно схему производства ДМЭ на основе природного газа через синтез и последующую дегидратацию метанола можно представить в виде схемы 2.

Схема 2 Схема синтеза ДМЭ из природного газа через стадии синтеза и дегидратации метанола

Рассмотрим отдельные стадии этого синтеза.

Конверсия метана.

Конверсия метана (риформинг) в синтез-газ - это высокотемпературный процесс, который может быть осуществлен по разным реакциям (с участием различных реагентов). Среди них:

· паровая конверсия CH4+H2O=CO+3H2 (1)

· углекислотная конверсия CH4+CO2+2CO+2H2 (2)

· неполное окисление CH4+1/2O2=CO+2H2 (3)

Реакции (1) и (2) сильно эндотермичны, поэтому получил распространение автотермический риформинг - паровой риформинг в присутствии кислорода. К протекающим в условиях автотермического риформинга реакциям (1) и (3) добавляются сильно экзотермические реакции полного окисления:

CH4+2O2=CO2+2H2O (4)

H2+1/2O2=H2O (5)

CO+1/2O2=CO2 (6)

Эти процессы обеспечивают компенсацию потерь тепла в реакции (1), но приводят к дополнительным затратам сырья.

Синтез-газ представляет собой смесь СО и водорода с небольшим количеством СО2, в котором также может присутствовать азот. Важнейшей характеристикой синтез-газа является соотношение концентраций Н2:СО. Для синтеза метанола это отношение должно быть больше двух, что делает неизбежным использование парового риформинга (реакция 1).

Условия проведения риформинга являются результатом компромисса между требованиями термодинамики (повышение температуры и снижение давления для увеличения равновесной конверсии метана), экономики и материаловедения. При высокой температуре (800-900 ?С) и не слишком высокой давлении (1-3 МПа) термодинамика процесса благоприятна, что позволяет довести реакцию до превращения, близкого к полному. Достигнутый компромисс приводит к тому, что в процессе синтеза метанола стадия риформинга требует примерно 2/3 капитальных вложений и более половины эксплуатационных расходов. Это обстоятельство обусловило поиск новых путей превращения природного газа в синтез-газ.

Прямое газофазное селективное окисление метана в СО и Н2, т.е. в синтез-газ (реакция 3), явилось бы наиболее простым из альтернативных методов, однако селективность этого процесса в удобных для практики условиях низка (на уровне 50%). Высокая селективность может быть достигнута при высоких температурах (ок. 1500 К), когда равновесие благоприятно именно для образования синтез-газа. Однако проведение процесса при таких температурах сопряжено с рядом трудностей, обусловленных очень жесткими требованиями к материалу реактора, контактирующего с коррозийно активной средой при высокой температуре, и сложностью управления процессом, поскольку закономерности горения "богатых" смесей относительно мало изучены.

Возникает также вопрос, что использовать в качестве окислителя. Если окислять метан чистым кислородом, возрастают капиталовложения и стоимость синтез-газа, а если использовать воздух, то получается "бедный" синтез-газ низкого качества с большим содержанием азота (не менее 50-60% об.).

В последние годы появилось несколько отечественных разработок, в которых предлагаются новые решения аппаратурного оформления процесса высокотемпературного селективного окисления природного газа в синтез-газ.

Синтез метанола.

Промышленный синтез метанола из синтез-газа до 60-х гг. прошлого века базировался на цинкхромовых катализаторах, несмотря на относительно низкую селективность и довольно жесткие условия процесса (температура 400 ?С и давление 30 МПа). Промышленное применение высокоселективных медьсодержащих катализаторов задержалось из-за их повышенной чувствительности к отравлению соединениями серы и стало возможным лишь после развития методов сероочистки. Начиная с 1960-х гг., технология высокоселективного синтеза метанола с использованием медьсодержащих катализаторов, в первую очередь Cu-Zn-Al-оксидных, введенных в промышленную практику фирмой ICI и "Haldor Topsoe", в СССР - СНМ.

Современные катализаторы синтеза метанола близки к идеалу, если не считать постепенной из дезактивации в ходе эксплуатации и высокой чувствительности к каталитическим ядам. Они позволяют осуществлять процесс при относительно низкой температуре (220-280 ?С) и умеренном давлении (5-10 МПа) и обеспечивают высокую селективность - содержание суммы примесей в метаноле обычно не превышает 0,1 %.

Новые перспективы совершенствования технологии производства метанола выявились в результате исследований механизма процесса и последующего перехода к теоретическим кинетическим моделям, базирующимся на механизме реакции. Первый принципиальный шаг в этом направлении был сделан более четверти века назад, в 1975 г., когда независимо кинетическим и изотопным методами было доказано, что метанол на медьсодержащих катализаторах образуется путем гидрирования СО2, но не СО. Было установлено, что общепринятая к тому времени реакция:

Страницы: 1, 2