0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Получение топлива из природного газа

Материалы / 09.04.2013 / Как получить жидкое топливо из природного газа: новые разработки

Отличие между природным газом, бензином, керосином, лигроином, газойлем (дизельным топливом) и мазутом состоит только в длине цепи углеводородов, входящих в их состав. На их физические свойства еще немного влияет изомерия, но не очень существенно – изомеры имеют несколько более низкие температуры плавления и кипения, чем линейные углеводороды.

Все эти углеводороды принадлежат к семейству алканов – насыщенных углеводородов. Простейшим углеводородом является метан, имеющий один атом углерода и четыре атома водорода (CH4). Далее за ним следует этан, который состоит из двух атомов углерода и шести атомов водорода (C2H6). Метан и этан при комнатной температуре не сжижаются даже при высоких давлениях, поэтому представляют собой классический природный газ.

Далее следуют пропан и бутан, которые при высоких давлениях можно превратить в жидкость и при обычных температурах (пропан сжижается при высоком давлении, бутан уже при небольшом), их называют «жирным» газом. Пропан и бутан применяют в зажигалках и в автомобилях в качестве замены бензина.

Пентан, следующий за бутаном, уже будет жидким при комнатной температуре, и с него начинается «бензиновый» сектор углеводородов. По мере увеличения длины углеродной цепи, температуры плавления и кипения углеводородов линейно растут. Наиболее ценным является именно бензиновый сектор с пентана до декана (углеводорода, состоящего из цепи 10 атомов углерода и 22 атомов водорода).

Автомобилей все больше, а бензиновых морей не наблюдается

Количество автомобилей в мире все возрастает. Их число в 2010 году перевалило за миллиард, а к 2035 году, по подсчетам Международного энергетического агентства (IEA), количество автомобилей составит 1,7 млрд. Для сравнения: отметка в 500 млн была пройдена в 1986 году, и всего за 24 года количество автомобилей в мире удвоилось.

Сколько будет нужно бензина, и какого

В настоящее время в Европе 78% бензиновых автомобилей. Несмотря на то, что в перспективе источники энергии для автомобилей, вероятно, станут более разнообразными, рост числа транспортных средств не будет способствовать снижению спроса на бензин. Более того, рост экологических требований к бензину будет требовать все более качественного и в то же время не слишком дорогого топлива. В частности, это относится к таким стандартам, как «Евро». Так, в 2015 году ожидается очередное ужесточение в этом направлении — переход на стандарт класса «Евро-6». В России с 1 января 2013 года оборот топлива ниже класса «Евро-3» запрещен.

Тяжелые углеводороды можно разбить на более легкие – до бензиновой фракции. Данный процесс называется крекингом. Тяжелая молекула делится надвое – на предельную и непредельную молекулу. Например, эйкозан (углеводород, состоящий из 20 углеродных атомов) разбивается на молекулу декана и децена (непредельного углеводорода этиленового ряда). Крекинг позволяет увеличивать производство бензина, а также повышать его октановое число, так как одновременно происходят реакции полимеризации образовавшегося непредельного углеводорода, затем полимер повторно разбивается и снова сшивается, следствием реакций на основе радикального механизма является превращение линейных углеводородов в разветвленные.

Однако запасы даже тяжелой нефти со временем будут уменьшаться, а стоимость ее добычи – повышаться. В то же время США переживают бум добычи сланцевого газа, а в будущем не исключено, что будет начата промышленная разработка природного газа из газовых гидратов, пробная добыча с океанского дна которых, в частности, была проведена Японией в феврале 2013 года.

Как получить бензин из метана

Сланцевый газ представляет собой практически чистый метан. А можно ли из метана получить бензиновую фракцию (жидкое топливо)? Одна из технологий производства из метана бензиновых углеводородов была открыта еще в 20-х годах XX века, однако она требует больших энергозатрат . Эта технология предусматривает разложение метана при высоких температурах до этилена с выделением водорода. В настоящее время для этого используются катализаторы (свинец, кадмий, таллий или марганец), и температура порядка 500-900 °С. Далее применяют ограниченную полимеризацию этилена (по аналогии производства всем известного полиэтилена, только обрывают ее на стадии нужной фракции).

Иной, но не мене известной технологией производства жидкого топлива из природного газа является процесс Фишера-Тропша. При высокой температуре метан может взаимодействовать с парами воды (или кислородом в очень ограниченном количестве), образуя угарный газ и водород (так называемый «синтез-газ»). Эта реакция идет при температуре 800-900 °C на катализаторе, в качестве которого выступает никель с оксидом алюминия, а при более высоких температурах, порядка 1500 °C катализатор уже не требуется. Впоследствии в присутствии катализатора (железо-кобальт) из синтез-газа производятся жидкие углеводороды, и одновременно получается вода как побочный продукт. Возможна также более простая реакция – простое получение из угарного газа и водорода метилового спирта. Однако по причине того, что метиловый спирт сильно ядовит, замена бензина метиловым спиртом не представляется возможным.

Читать еще:  Идея для крана на участке

Новые технологии

Оба способа производства жидких углеводородов по указанным выше технологиям требуют огромных затрат энергии, и поэтому пока малорентабельны. Однако стартап Siluria Technologies, расположенный в Лос-Анджелесе, пытается решить данную проблему. Появился этот стартап в 2008 году, отколовшись от компании Cambrios Technologies Corporation.

В качестве перспективного направления, позволяющего решить проблему стоимости получения синтетического жидкого топлива (не обязательно только бензиновой фракции), стартап посчитал термическую реакцию разложения метана . И для решения этой проблемы, по мнению стартапа, нужно подобрать удачный катализатор, чтобы удешевить разложение метана до этилена.

Подробностей исследования стартап не раскрывает, однако отмечает о существенном прогрессе. Так, стартап на компьютерах моделирует термический распад метана и перебирает еженедельно сотни потенциальных катализаторов. По словам сотрудников компании, превращение сланцевого газа в синтетическое жидкое топливо может быть настолько удешевлено, что это станет дешевле, чем получение аналогичных продуктов из нефти и совершит революцию на мировом энергетическом рынке . Запасы сланцевого газа также ограничены, однако если удастся найти достаточно дешевый способ добычи газа из газовых гидратов, то надобность в нефти почти отпадет.

Также синтетические углеводороды отличаются практически идеальными экологическими характеристиками – там не может быть ни сернистых соединений, ни ароматических углеводородов, ни азотсодержащих органических соединений, которые способствуют загрязнению атмосферы. Поэтому такое топливо будет способно соответствовать самым строгим экологическим стандартам, так как отделить ненужные газы на той или иной стадии техпроцесса будет легко. А выделить все нежелательные соединения из нефти намного сложнее, и до конца не представляется возможным.

К 2014 году стартап планирует запустить демонстрационный завод, правда, о его месторасположении пока не сообщается. Однако, если действительно удастся найти относительно дешевый способ производства жидкого топлива из природного газа, то это можно будет считать завершением «нефтяной» эпохи и переходом к «газовой» эпохе, что приведет к кардинальному изменению энергетической карты мира. А если удастся найти хотя бы рентабельный способ выделения природного газа из газовых гидратов, то об энергетическом кризисе можно будет забыть, по меньшей мере, на несколько тысяч лет, ведь запасы гидратов на океанском дне превышают запасы всего остального газа (в том числе и сланцевого) как минимум в сотню раз.

Все о транспорте газа

Ученые из Института нефтехимического синтеза им.А.В.Топчиева РАН получили моторное топливо из природного газа.По известной технологии, метан, которого в природном газе около 94%, превращают в синтез-газ (оксиды углерода в смеси с водородом). Из него делают метиловый спирт, затем моторное топливо. Регулировать состав конечного продукта не удается — получается смесь разных, в том числе слишком тяжелых углеводородов.

Сотрудники ИНХС предлагают получать синтез-газ в модифицированных двигателях. Двигатель становится своеобразным химическим реактором, который вырабатывает из синтез-газа демитиловый эфир и одновременно электроэнергию. Оказалось, что гораздо выгоднее получать из синтез-газа диметиловый эфир. Это соединение — прекрасное дизельное топливо, которое можно использовать как бытовой газ, топливо для электростанций, заменитель фреонов в холодильных установках. Получить его технически проще и экономически выгоднее, чем метанол.

Из диметилового эфира можно делать высокооктановый, чистый бензин. Этот синтез ученые разработали и осуществили на опытно-промышленном уровне. Предложен также синтез бензина из метана без промежуточных стадий получения метанола или диметилового эфира.

В России решена проблема получения бензина из углеводородного газового сырья

В Институте Нефтехимического Синтеза им. А.В.Топчиева РАН разработали экологически чистую технологию получения синтетического моторного топлива из газового углеводородного сырья с большим выходом конечного продукта (на 90% и выше получают чистый бензин). Эта проблема получения жидких продуктов различного назначения из газового углеводородного сырья уже много десятилетий будоражит умы исследователей практически всех промышленно развитых стран мира.

Само топливное направление переработки углеводородных газов, как отмечают экономисты, находится на пределе рентабельности и не может конкурировать с топливами, получаемыми из нефти. В то же время, подчеркивается, что топливный рынок может принять практически любое количество бензина и других видов моторного топлива, в то время как емкость рынка других химических продуктов ограничена. Нестабильность рынков нефти и постоянные угрозы то забастовок (как в Венесуэле), то войны (как в Ираке и Кувейте), а также скорое исчерпание мировых запасов нефти, говорит о необходимости учитывать возможность перехода на иные виды сырья при производстве бензина.

Кроме того, стоимостные показатели для моторных топлив в отдаленных и труднодоступных районах, а также экологические проблемы, связанные с большим количеством попутных нефтяных газов, зачастую сжигаемых на факелах, в частности на морских платформах, аспект экологии в свете возможности использования синтетических моторных топлив является их преимущество перед топливами из нефти в отношении чистоты выхлопных газов.

Читать еще:  Самовозгорание - видео

По этим причинам в последние годы XX века интерес к промышленному использованию углеводородных нефтяных газов в качестве сырья для получения моторных топлив получил новый импульс в ряде индустриально развитых стран мира, в том числе и в России. Но до настоящего времени для получения синтез-газа почти исключительно применяли процесс конверсии метана с водяным паром в присутствии кислорода на катализаторах на основе никеля CH4+H2O=СО+3Н2.

У этого процесса есть два основных недостатка: его энергоемкость и то, что для его реализации требуется создание специального завода по производству кислорода. Это не только ложится тяжелым бременем на экономику, но и увеличивает технический риск. Например, известно, что в 1997 году на одном из производств по получению синтетического топлива произошел разрушительный взрыв на заводе по производству кислорода. В присутствии кислорода происходят реакции с выделением тепла. В результате подобной реакции в синтез-газе появляется заметное количество углекислоты, а в некоторых случаях отношение СО/СО2 близко к двум.

Для устранения первого из этих недостатков энергозатратную паровую конверсию по реакции конверсии метана с водяным паром (или, как ее еще называют, паровой риформинг) стали комбинировать в одном аппарате с энергопроизводящей реакцией парциального (частичного) окисления метана кислородом. Этот комбинированный процесс получил название «автотермический риформинг». Но это все равно вело к удорожанию конечного продукта.

Способ получения синтез-газа в процессе парциального окисления метана пытались развивать на фирмах Техасо Inc. и Royal Dutch/Shell Group. Но процесс требовал высоких температур (1200-1500°С) и давления (до 150 атм), а в качестве окислителя на мощных промышленных установках опять таки приходилось использовать кислород, что не снижало степень риска подобных производств.

К тому же, бензин получался низкого качества, либо высокого, но очень дорогой. А на всех этапах получения конечного продукта требовалось использовать только высокочистое сырье. Это требует больших затрат на его подготовку и очистку и усложняет технологическую схему.

Успеха в качественном развитии данного направления удалось добиться ученым Института Нефтехимического Синтеза им. А.В.Топчиева РАН, которые разработали технологию, обеспечивающую получение по максимально простой и экономичной схеме высокооктанового экологически чистого бензина с хорошим выходом конечного продукта, удовлетворяющего перспективным требованиям стандарта Евро-4, которые будут введены в 2005 году.

Сущность их метода получения бензина состоит в следующем. Сначала при повышенном давлении синтез-газ, содержащий водород, оксиды углерода, воду, оставшийся после его получения не прореагировавший углеводород, а также содержащий или не содержащий балластный азот. Затем, путем конденсации из синтез-газа выделяют и удаляют воду и потом осуществляют газофазный, одностадийный каталитический синтез диметилового эфира. Полученную таким образом газовую смесь без выделения из нее диметилового эфира под давлением пропускают над модифицированным высококремнистым цеолитом для получения бензина и охлаждают газовый поток для выделения бензина.

Получение синтез-газа осуществляют различными способами, например, в процессе парциального окисления углеводородного сырья под давлением, обеспечивающим возможность его каталитической переработки без дополнительного компримирования. Или же получают путем каталитического риформинга углеводородного сырья с водяным паром или путем автотермического риформинга. При этом процесс проводят при подаче воздуха, воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода. Были отлажены и другие варианты.

Таким образом удается получить бензиновую фракцию с выходом до 90%, а выход сухого газа (C1-С3) составлял 8,5%. Экологически вредных выбросов на порядки меньше по данной технологии, при этом в их составе отсутствуют такие ядовитые компоненты, как бензол, дурол и изодурол. Эти результаты имеют важное экологическое значение, принимая во внимание тот факт, что тенденции изменения требований к топливу для карбюраторных двигателей характеризуются ограничением допустимого содержания в них ароматических углеводородов.

Получение топлива из природного газа

Получение топлива из природного газа

Общее описание:

Получаемая при помощи данного описания жидкость — метанол (метиловый спирт). Метанол в чистом виде применяется в качестве растворителя и как высокооктановая добавка к моторному топливу, а также как самый высокооктановый (октановое число равно 150) бензин. Это тот самый бензин, которым заправляют баки гоночных мотоциклов и автомобилей. Как показывают зарубежные исследования, двигатель, работающий на метаноле, служит во много раз дольше чем при использовании обычного автобензина, мощность его повышается на 20% (при неизменном рабочем объеме двигателя). Выхлоп двигателя, работающего на этом топливе, экологически чист и при проверке его на токсичность вредные вещества практически отсутствуют.

Малогабаритный аппарат для получения этого топлива прост в изготовлении, не требует особых знаний и дефицитных деталей, безотказен в работе. Его производительность зависит от различных причин, в том числе и от габаритов. Аппарат, схему и описание сборки которого предлагаем вашему вниманию, при Д=75мм дает три литра готового топлива в час, имеет вес около 20 кг, и габариты приблизительно: 20 см в высоту, 50 см в длину и 30 см в ширину.

Внимание: метанол является сильным ядом. Он представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 65оС, имеет запах, подобный запаху обычного питьевого спирта, и смешивается во всех отношениях с водой и многими органическими жидкостями. Помните о том, что 30 миллилитров выпитого метанола смертельны!

Читать еще:  Зимние шины Мишлен и Бриджстоун

Принцип действия и работа аппарата:

Водопроводная вода подключается к «входу воды» (15) и, проходя далее, разделяется на два потока: один поток через краник (14) и отверстие (С) входит в смеситель (1), а другой поток через краник (4) и отверстие (Ж) идет в холодильник (3), проходя через который вода, охлаждая синтез-газ и конденсат бензина, выходит через отверстие (Ю).

Бытовой природный газ подключается к трубопроводу «Вход газа» (16). Далее газ входит в смеситель (1) через отверстие (Б), в котором, смешавшись с паром воды, нагревается на горелке (12) до температуры 100 — 120оС. Затем из смесителя (1) через отверстие (Д) нагретая смесь газа и водяного пара входит через отверстие (В) в реактор (2). Реактор (2) заполнен катализатором №1, состоящим из 25% никеля и 75% алюминия (в виде стружки или в зернах, промышленная марка ГИАЛ-16). В реакторе происходит образование синтез газа под воздействием температуры от 500оС и выше, получаемой за счет нагрева горелкой (13). Далее нагретый синтез-газ входит через отверстие (Е) в холодильник (З), где он должен охладиться до температуры 30-40оС или ниже. Затем охлажденный синтез-газ через отверстие (И) выходит из холодильника и через отверстие (М) входит в компрессор (5), в качестве которого можно использовать компрессор от любого бытового холодильника. Далее сжатый синтез-газ с давлением 5-50 через отверстие (Н) выходит из компрессора и через отверстие (О) поступает в реактор (6). Реактор (6) заполнен катализатором №2, состоящим из стружки 80% меди и 20% цинка (состав фирмы «ICI», марка в России СНМ-1). В этом реакторе, который является самым главным узлом аппарата, образуется пар синтез-бензина. Температура в реакторе не должна превышать 270оС, что можно проконтролировать градусником (7) и регулировать краником (4). Желательно поддерживать температуру в пределах 200-250оС, можно и ниже. Затем пары бензина и не прореагировавший синтез-газ через отверстие (П) выходят из реактора (6) и через отверстие (Л) входят в холодильник (З), где пары бензина конденсируют и через отверстие (К) выходят из холодильника. Далее конденсат и не прореагировавший синтез-газ входят через отверстие (У) в конденсатор (8), где накапливается готовый бензин, который выходит из конденсатора через отверстие (Р) и краник (9) в какую-либо емкость.

Отверстие (Т) в конденсаторе (8) служит для установки манометра (10), который необходим для контроля давления в конденсаторе. Оно поддерживается в пределах 5-10 атмосфер или больше в основном с помощью краника (11) и частично краника (9). Отверстие (Х) и краник (11) необходимы для выхода из конденсатора не прореагировавшего синтез газа, который идет на рециркуляцию обратно в смеситель (1) через отверстие (А). Краник (9) регулируют так, чтобы постоянно выходил чистый жидкий бензин без газа. Лучше будет, если уровень бензина в конденсаторе будет увеличиваться, чем уменьшаться. Но самый оптимальный случай, когда уровень бензина будет постоянным (что можно проконтролировать путем встроенного стекла или какого-либо другого способа). Краник (14) регулируют так, чтобы в бензине не было /воды/ и в смесителе пара образовывалось лучше меньше, чем больше.

Запуск аппарата:

Открывают доступ газа, вода (14) пока закрыта, горелки (12), (13) работают. Краник (4) полностью открыт, компрессор (5) включен, краник (9) закрыт, краник (11) полностью открыт.

Затем приоткрывают краник (14) доступа воды, а краником (11) регулируют нужное давление в конденсаторе, контролируя его манометром (10). Но не в коем случае не закрывайте краник (11) полностью. Далее, минут через пять, клапаном (14) доводят температуру в реакторе (6) до 200-250оС. Затем чуть-чуть приоткрывают краник (9), из которого должна пойти струя бензина. Если она будет идти постоянно — приоткройте краник больше, если будет идти бензин в смеси с газом — приоткройте краник (14). Вообще, чем на большую производительность настроите аппарат, тем лучше. Содержание воды в бензине (метаноле) вы можете проверить с помощью спиртометра. Плотность метанола равна 793 кг/м3.

Данный аппарат желательно изготавливать из нержавеющей стали или железа. Все детали изготовлены из труб, в качестве тонких соединительных труб можно использовать медные трубки. В холодильнике необходимо сохранить соотношение X_Y=4, то есть, например, если X+Y=300 мм, то X должно быть равно 240 мм, а Y, соответственно, 60 мм. 240/60=4. Чем больше витков уместится в холодильнике с той и с другой стороны, тем лучше. Все краники применены от газосварочных горелок. Вместо краников (9) и (11) можно использовать редукционные клапана от бытовых газовых баллонов или капиллярные трубки от бытовых холодильников. Смеситель (1) и реактор (2) нагреваются в горизонтальном положении (смотрите чертеж).

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector