Особенности технологии производства синтетических жидких топлив

Появление и развитие индустрии по сжижению природного газа способствовало развитию газовых технологий в районах, не располагающих ресурсами газа. Примером может служить Япония и Южная Корея, которая исключительно на импортном сжиженном природном газе (СПГ) построила свою национальную газовую индустрию.

Все возрастающий интерес во всем мире, а также в России, к производству ценных жидких продуктов из природного или попутного нефтяного газа, а также ужесточение экологических требований при добыче нефти дало толчок для разработки новых высокоэффективных технологий, связанных с модернизацией первой, наиболее энергозатратной и дорогой стадией получения синтез-газа.

Поэтому одним из перспективных направлений развития производства жидких углеводородов может стать так называемая технология Gas-To-Liquid (GTL, «газ в жидкость»), которая позволяет производить моторное топливо высокого качества из природного газа, минуя нефтяную сырьевую базу [1].

Подобно технологиям СПГ технологии производства GTL можно разделить на крупнотоннажное и малотоннажное производство. Природный газ – это достаточно инертная смесь (состоит до 98% из метана), поэтому первая стадия переработки – превращение его в более реакционно способный синтез-газ (смесь оксидов углерода и водорода). На второй стадии из синтез-газа с помощью катализаторов получают органические соединения. Однако на каждой стадии производства существуют свои проблемы [2].

Например, существуют разные варианты преобразования метана в синтез-газ (углекислотная и паровая конверсия, окисление кислородом или воздухом). В промышленности практически не используют углекислотную конверсию метана (СН4+СО2=2СО+2Н2) так как результатом реакции является синтез-газ с низким показателем соотношения 1:1 (Н2:СО), что весьма невыгодно для получения водорода или метанола. Если проводить процесс окисления метана воздухом, тогда получается синтез-газ, который содержит в себе азот объемом не менее 50-60%, что не очень удобно для дальнейших реакций. Поэтому в промышленности довольно широко используют паровую и парокислородную конверсии метана. При не высоких давлениях 1-3 МПа, но достаточно высоких температурах 800-900°С с помощью никелевых катализаторов реакцию можно довести до конца. Но процесс получается очень дорогим, что аналогично, если окислять метан чистым кислородом. Дороговизна и заставляет исследователей искать новые технологические решения для этой стадии.

Существует два промышленных варианта крупномасштабной переработки синтез-газа: реакция Фишера-Тропша, после которой получается смесь углеводородов, и синтез метанола.

Использование синтеза Фишера-Тропша приводит к получению смеси углеводородов, которая требует дальнейшей переработки. Это наиболее быстрый путь, который используют в промышленности, однако в современном виде не имеет больших перспектив. Это связано с двумя его недостатками: у катализаторов низкая производительность и слишком сложная смесь продуктов в результате. На катализаторах (с железом или кобальтом) получается разнообразный состав углеводородов - от С 1 до С₃₀. Такая смесь требует дальнейшей переработки, что наиболее соответствует процессам нефтеперерабатывающей промышленности. Однако получить товарный продукт в одну стадию уже не удается. Поэтому себестоимость получаемого синтетического топлива существенно выше, чем топлива из нефти [3].

Вторым вариантом является синтез метанола - конверсия полученного синтез-газа в метанол, который осуществляется в реакторах в присутствии катализатора. Каталитический процесс синтеза метанола происходит с выделением теплоты, которую необходимо отводить существующими способами для обеспечения равномерного распределения температур во всем объеме реактора, что весьма сложно. Это необходимое условие для достижения высокой степени селективности конверсии с целью получения чистого продукта. Степень конверсии углеводородов на практике не превышает 8-12% за один проход, поэтому для ее повышения приходится вводить многократную рециркуляцию синтез-газа, что связано с энергозатратами. При этом получаемый из реакторов метанол содержит достаточно большое количество примесей, которую можно удалить с помощью процесса ректификации, что в свою очередь также требует энергозатрат [4].

Во многих странах ведутся исследования по осуществлению одноэтапного процесса синтеза метанола непосредственно из метана, минуя стадию получения синтез-газа или совмещая с ней. Существует ряд разработок, где в отличие от традиционной, наиболее энергозатратной технологии, предлагается использовать реакцию частичного окисления метана при высоких температурах и недостатке кислорода, что сопровождается большим тепловыделением. При этом сам процесс может быть некаталитическим, что позволит значительно упростить и удешевить технологию производства. Предлагаются различные инженерные идеи, например, в качестве исходных установок для создания генераторов синтез-газа использовать энергетические установки, в которых могут быть получены высокие температуры. К ним относятся газовые и паровые (с противодавлением) турбины, ракетные двигатели, ядерные реакторы, модифицированные дизельные двигатели и др.

Поэтому можно констатировать, что уже в самое ближайшее время можно ожидать создание конкурентоспособных процессов по производству моторных топлив из природного газа – сырья, альтернативного нефти.