Comments:. Бензин из метана


Моторное топливо из метана

Моторное топливо из метана

Проблема получения моторных топлив из альтернативного сырья - природного или попутного газа, угля и др. - издавна привлекала внимание специалистов. Ведь запасы нефти рано или поздно иссякнут. Поэтому усилия ряда лабораторий были направлены на разработку методов получения синтетического моторного топлива.

В последнее время эти изыскания получили дополнительный стимул из-за ужесточения требований к чистоте автомобильного выхлопа. Искушение создать новое топливо (или добавку к нему), обеспечивающее чистый или хотя бы "облагороженный" выхлоп, было столь же велико, сколь и трудно реализуемо.

Метан, как химическое сырье, может стать базой для производства большинства органических соединений, ныне получаемых из нефти, в том числе и крупнотоннажных производств топлив для транспорта и энергетики. Правда, современные методы переработки этого природного сырья пока недостаточны для реализации его потенциала, так как в результате их использования получают продукты, себестоимость которых выше аналогов нефтяного происхождения. Однако исследования и разработки последних лет, по-видимому, позволят не только ликвидировать это отставание, но и приведут к появлению продуктов более дешевых, чем их аналоги нефтяного происхождения.

Природный газ как химическое соединение достаточно инертен. Вот почему первая стадия его переработки - превращение в более реакционно-способный синтез-газ (смесь оксидов углерода и водорода), далее каталитическими методами преобразуемый в моторное топливо. Существуют различные способы получения синтез-газа: паровая или углекислотная конверсия и окисление воздухом или чистым кислородом. Альтернативные пути дальнейшей переработки синтез-газа - так называемый синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Первый из них приводит к получению некоего эквивалента нефти - смеси углеводородов, для которых требуется дальнейшая переработка. На втором базируется крупнотоннажное производство (мировые мощности близки к 30 млн. т), хорошо освоенное промышленностью. Его главный недостаток - неблагоприятная термодинамика, препятствующая образованию нужного соединения в значительной концентрации. Это обусловливает необходимость многократной циркуляции газовой смеси через реактор и влечет за собой значительный расход электроэнергии. В итоге растет себестоимость бензина, получаемого из метанола.

В нашем институте при участии специалистов из других организаций реализован ряд проектов, позволяющих повысить эффективность и снизить затраты на переработку природного газа и другого углеродосодержащего сырья в более ценные энергоносители. Применительно к первой стадии получения синтез-газа доктор химических наук Ю. А. Колбановский предложил решения, основанные на сжигании природного газа в модифицированных дизельных и компрессионных двигателях, работающих в необычном режиме. Идея была реализована в 1998 г. в промышленной установке мощностью 10000 м 3 синтез-газа в 1 ч.

Два очевидных преимущества делают данный процесс привлекательным для удаленных регионов страны. Прежде всего, в нем в качестве сырья может выступать природный газ низкого давления, в том числе поднимающийся из скважин, не пригодных к эксплуатации в обычных условиях. Кроме того, для окисления исходного сырья подходит воздух, а двигатель может быть использован одновременно и для осуществления химической реакции, и по прямому назначению - для получения электроэнергии. Однако заметим: применение воздуха приводит к высокому содержанию азота в синтез-газе (50-60%), что неблагоприятно сказывается на его дальнейшей переработке.

Интерес представляет разработанный кандидатом технических наук В. Н. Кубиковым совместно с коллегами аппарат для окисления природного газа кислородом - генератор синтез-газа, выполненный с учетом опыта конструирования ракетных двигателей. Производительность единицы объема такой установки, кстати, имеющей небольшие размеры, в десятки и сотни раз превышает возможности промышленных аналогов. Впрочем, и она не лишена недостатков: использование в технологии кислорода требует значительных инвестиций на его получение. Правда, в этом случае синтез-газ, в отличие от вырабатываемого по схеме предыдущего варианта, не содержит балластный азот, что, разумеется, играет положительную роль на стадии получения и особенно выделения конечного продукта - бензина или диметилового эфира.

Подчеркнем: все перечисленные процессы основаны на окислении метана при высоких температурах с доведением смеси до состава, близкого к равновесному. При этом резко уменьшается рабочий объем аппаратов, но появляется и негативная "черта": состав синтез-газа становится труднорегулируемым параметром. Наиболее доступным, по- видимому, является соотношение Н 2 /СО=1,5 -1,6. Коррекция состава при этом возможна, однако приводит к ухудшению экономических показателей.

Сотрудники нашего института детально изучили и процессы, протекающие на второй стадии, - синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Это привело, в частности, к пересмотру общепринятых представлений о механизме и закономерностях последнего, вплоть до составляющих химических реакций. Как было показано в нашей лаборатории кандидатом химических наук Г. И. Лин и другими, вошедшая в школьные учебники реакция СО+2Н 2 =СН 3 ОН на самом деле не протекает, а синтез метанола осуществляется в результате превращений диоксида углерода СО 2 +3Н 2 =СН 3 ОН+Н 2 О. Исходя из этого, мы разработали новые физико-химические основы процесса как такового, а потом предложили технологию получения нужного продукта, позволяющую вдвое увеличить производительность единицы объема реакторов.

И все же применительно к общей схеме переработки природного (попутного) газа синтез метанола остается слабым звеном из-за указанных выше термодинамических ограничений. Поэтому предпочтительным является синтез диметилового эфира, при котором эти ограничения практически исчезают. Действительно, тогда сначала по приведенной выше реакции образуется метанол, а затем он превращается в диметиловый эфир: 2СН 3 ОН=СН 3 ОСН 3 +Н 2 О. Если эти реакции протекают одовременно, то метанол непрерывно выводится из системы и не накапливается в значительных количествах. Так удается обойти пресловутые термодинамические ограничения.

Последующие исследования показали: диметиловый эфир (ДМЭ) является прекрасным сырьем для синтеза бензина, превосходящим метанол. В итоге возник альтернативный путь превращения синтез-газа в бензин, в котором обе стадии характеризуются более высокой эффективностью, чем в традиционном варианте. Наконец, совсем недавно было обнаружено, что ДМЭ - весьма перспективное дизельное топливо, а также конкурент сжиженного газа как энергоносителя для газотурбинных установок. Тем самым ДМЭ выдвинулся в ряд потенциально крупнотоннажных продуктов, масштабы потребления которых в перспективе могут оказаться сопоставимыми с таковыми для столь распространенных энергоносителей, как бензин и дизельное топливо.

ДМЭ в нормальных условиях - газ (температура кипения - 24,9 о С) и легко сжижается под давлением (5 атм. при 20 о С, 8 атм. - при 38 о С). Мало того, он нетоксичен - используется как наполнитель в аэрозольных упаковках. Однако быстро деградирует в атмосфере, поэтому может служить хладоагентом, заменителем фреонов, вызывающих опасения экологов. По физическим свойствам ДМЭ близок к традиционным пропан-бутановым смесям. Хотя по энергоемкости он в 1,5 раза (на единицу массы) уступает традиционному дизельному топливу, по остальным показателям его превосходство несомненно. Так, наиболее важная его характеристика - цетановое число - у ДМЭ составляет 55-60 против 40-55 для обычного дизельного топлива, а температура воспламенения - соответственно 235 и 250 о С. Присутствие в составе ДМЭ атома кислорода обеспечивает бездымное горение топлива, превосходный холодный пуск двигателя. Снижается уровень шума. Главное же преимущество ДМЭ как дизельного топлива - экологически чистый выхлоп. Низкое содержание оксидов азота обеспечивает выполнение наиболее жестких мировых экологических требований EVRO-3 и ULEV вообще без очистки выхлопа.

Адаптация автотранспорта к новому топливу, согласно оценкам зарубежных и отечественных специалистов, не встречает принципиальных препятствий. Серьезные затруднения возникают лишь в связи с необходимостью создания соответствующей инфраструктуры, ибо существующая сегодня (для пропан-бутановых смесей) может выполнить эту роль лишь частично.

В настоящее время ДМЭ получают дегидратацией метанола на оксиде алюминия и других катализаторах при объеме товарного производства около 150 тыс. т. в год. Но недавно фирмы Mobil (США) и Haldor Topsoe (Дания) осуществили процесс прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа. Затем аналогичную разработку (жидкофазный процесс) выполнили фирма NKK (Япония) и наш институт с участием специалистов из других организаций (газофазный процесс). В последнем варианте процесс проходит под давлением 5-10 М Па и характеризуется весьма высокой эффективностью, что особенно наглядно при сравнении его с близким по технологии синтезом метанола. Например, если в первом случае в каталитическом реакторе превращается 60-80% оксидов углерода, то во втором - всего 15-20%. Соответственно резко возрастает производительность единицы объема реактора, что приводит к улучшению всех технико-экономических показателей. Процесс настолько эффективен, что в нем может быть использован "бедный" синтез-газ, получаемый при окислении природного газа воздухом и содержащий 50- 60% азота и всего 10-15% оксида углерода.

В итоге прямой синтез ДМЭ из синтез-газа по разным оценкам оказывается на 5 -20% экономичнее синтеза эквивалентного количества метанола.

Правда, высокая эффективность процесса прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа обусловливает выделение значительного количества тепла. Это требовало тщательной проработки инженерных решений. И В. Кубиков с соавторами создали специальный аппарат, обеспечивающий интенсивный отвод тепла из зоны реакции.

Осуществлена и последующая стадия получения бензина. Г. И. Лин с другими сотрудниками нашей лаборатории совместно с коллективом лаборатории, руководимой доктором химических наук Е. С. Мортиковым (Институт органической химии РАН), проведен синтез высокооктанового бензина непосредственно из синтез-газа через ДМЭ. Важно, что это моторное топливо также имеет экологические показатели, превышающие характерные для обычного бензина. Например, при октановом числе 92-93 в нем практически отсутствуют вредные примеси (бензол, дурол, изодурол), а низкое содержание непредельных углеводородов (~1%) обеспечивает хорошую стабильность.

Результаты проведенных исследований были реализованы в опытно- промышленной установке. В настоящее время на ней идут пуско- наладочные работы.

Значимость достигнутых результатов в перспективе выходит за рамки рассматриваемой проблемы. В первую очередь это относится к прямому синтезу ДМЭ из синтез-газа. Важной особенностью данного процесса является то, что в нем можно использовать синтез-газ в широком интервале составов; соотношение Н 2 /СО, которое в синтезе метанола должно быть выше 2, в синтезе ДМЭ может варьировать в широких пределах, в том числе 1:1. Именно такой или близкий к нему состав имеет синтез-газ, который можно получить из угля, древесных остатков и других источников углерода. Таким образом, двигаясь дальше по намеченному нами пути, можно создавать производства моторных топлив из разнообразных, в том числе возобновляемых сырьевых источников.

Доктор химических наук А. Я. РОЗОВСКИЙ, заведующий лабораторией кинетики Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

kocmi.ru

МОТОРНОЕ ТОПЛИВО ИЗ МЕТАНА

share the publication with friends & colleagues

 Автор: Розовский А. Я.

Доктор химических наук А. Я. РОЗОВСКИЙ, заведующий лабораторией кинетики Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Проблема получения моторных топлив из альтернативного сырья - природного или попутного газа, угля и др. - издавна привлекала внимание специалистов. Ведь запасы нефти рано или поздно иссякнут. Поэтому усилия ряда лабораторий были направлены на разработку методов получения синтетического моторного топлива. В последнее время эти изыскания получили дополнительный стимул из-за ужесточения требований к чистоте автомобильного выхлопа. Искушение создать новое топливо (или добавку к нему), обеспечивающее чистый или хотя бы "облагороженный" выхлоп, было столь же велико, сколь и трудно реализуемо.

стр. 17

Метан, как химическое сырье, может стать базой для производства большинства органических соединений, ныне получаемых из нефти, в том числе и крупнотоннажных производств топлив для транспорта и энергетики. Правда, современные методы переработки этого природного сырья пока недостаточны для реализации его потенциала, так как в результате их использования получают продукты, себестоимость которых выше аналогов нефтяного происхождения. Однако исследования и разработки последних лет, по-видимому, позволят не только ликвидировать это отставание, но и приведут к появлению продуктов более дешевых, чем их аналоги нефтяного происхождения.

Природный газ как химическое соединение достаточно инертен. Вот почему первая стадия его переработки - превращение в более реакционно-способный синтез-газ (смесь оксидов углерода и водорода), далее каталитическими методами преобразуемый в моторное топливо. Существуют различные способы получения синтез-газа: паровая или углекислотная конверсия и окисление воздухом или чистым кислородом. Альтернативные пути дальнейшей переработки синтез-газа - так называемый синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Первый из них приводит к получению некоего эквивалента нефти - смеси углеводородов, для которых требуется дальнейшая переработка. На втором базируется крупнотоннажное производство (мировые мощности близки к 30 млн. т), хорошо освоенное промышленностью. Его главный недостаток - неблагоприятная термодинамика, препятствующая образованию нужного соединения в значительной концентрации. Это обусловливает необходимость многократной циркуляции газовой смеси через реактор и влечет за собой значительный расход электроэнергии. В итоге растет себестоимость бензина, получаемого из метанола.

В нашем институте при участии специалистов из других организаций реализован ряд проектов, позволяющих повысить эффективность и снизить затраты на переработку природного газа и другого углеродосодержащего сырья в более ценные энергоносители. Применительно к первой стадии получения синтез-газа доктор химических наук Ю. А. Колбановский предложил решения, основанные на сжигании природного газа в модифицированных дизельных и компрессионных двигателях, работающих в необычном режиме. Идея была реализована в 1998 г. в промышленной установке мощностью 10000 м 3 синтез-газа в 1 ч.

Два очевидных преимущества делают данный процесс привлекательным для удаленных регионов страны. Прежде всего, в нем в качестве сырья может выступать природный газ низкого давления, в том числе поднимающийся из скважин, не пригодных к эксплуатации в обычных условиях. Кроме того, для окисления исходного сырья подходит воздух, а двигатель может быть использован одновременно и для осуществления химической реакции, и по прямому назначению - для получения электроэнергии. Однако заметим: применение воздуха приводит к высокому содержанию азота в синтез-газе (50-60%), что неблагоприятно сказывается на его дальнейшей переработке.

Интерес представляет разработанный кандидатом технических наук В. Н. Кубиковым совместно с коллегами аппарат для окисления природного газа кислородом - генератор синтез-газа, выполненный с учетом опыта конструирования ракетных двигателей. Производительность единицы объема такой установки, кстати, имеющей небольшие размеры, в десятки и сотни раз превышает возможности промышленных аналогов. Впрочем, и она не лишена недостатков: использование в технологии кислорода требует значительных инвестиций на его получение. Правда, в этом случае синтез-газ, в отличие от вырабатываемого по схеме предыдущего варианта, не содержит балластный азот, что, разумеется, играет положительную роль на стадии получения и особенно выделения конечного продукта - бензина или диметилового эфира.

Подчеркнем: все перечисленные процессы основаны на окислении метана при высоких температурах с доведением смеси до состава, близкого к равновесному. При этом резко уменьшается рабочий объем аппаратов, но появляется и негативная "черта": состав синтез-газа становится труднорегулируемым параметром. Наиболее доступным, по- видимому, является соотношение Н 2 /СО=1,5 -1,6. Коррекция состава при этом возможна, однако приводит к ухудшению экономических показателей.

Сотрудники нашего института детально изучили и процессы, протекающие на второй стадии, - синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Это привело, в частности, к пересмотру общепринятых представлений о механизме и закономерностях последнего, вплоть до составляющих химических реакций. Как было показано в нашей лаборатории кандидатом химических наук Г. И. Лин и другими, вошедшая в школьные учебники реакция СО+2Н 2 =СН 3 ОН на самом деле не протекает, а синтез метанола осуществляется в результате превращений диоксида углерода СО 2 +3Н 2 =СН 3 ОН+Н 2 О. Исходя из этого, мы разработали новые физико-химические основы процесса как такового, а потом предложили технологию получения нужного продукта, позволяющую вдвое увеличить производительность единицы объема реакторов.

И все же применительно к общей схеме переработки природного (попутного) газа синтез метанола остается слабым звеном из-за указанных выше термодинамических ограничений. Поэтому предпочтительным является синтез диметилового эфира, при котором эти ограничения практически исчезают. Действительно, тогда сначала по приведенной выше реакции образуется метанол, а затем он превращается в диметиловый эфир: 2СН 3 ОН=СН 3 ОСН 3 +Н 2 О. Если эти реакции протекают од-

стр. 18

стр. 19

стр. 20

повременно, то метанол непрерывно выводится из системы и не накапливается в значительных количествах. Так удается обойти пресловутые термодинамические ограничения.

Последующие исследования показали: диметиловый эфир (ДМЭ) является прекрасным сырьем для синтеза бензина, превосходящим метанол. В итоге возник альтернативный путь превращения синтез-газа в бензин, в котором обе стадии характеризуются более высокой эффективностью, чем в традиционном варианте. Наконец, совсем недавно было обнаружено, что ДМЭ - весьма перспективное дизельное топливо, а также конкурент сжиженного газа как энергоносителя для газотурбинных установок. Тем самым ДМЭ выдвинулся в ряд потенциально крупнотоннажных продуктов, масштабы потребления которых в перспективе могут оказаться сопоставимыми с таковыми для столь распространенных энергоносителей, как бензин и дизельное топливо.

ДМЭ в нормальных условиях - газ (температура кипения - 24,9 о С) и легко сжижается под давлением (5 атм. при 20 о С, 8 атм. - при 38 о С). Мало того, он нетоксичен - используется как наполнитель в аэрозольных упаковках. Однако быстро деградирует в атмосфере, поэтому может служить хладоагентом, заменителем фреонов, вызывающих опасения экологов. По физическим свойствам ДМЭ близок к традиционным пропан-бутановым смесям. Хотя по энергоемкости он в 1,5 раза (на единицу массы) уступает традиционному дизельному топливу, по остальным показателям его превосходство несомненно. Так, наиболее важная его характеристика - цетановое число - у ДМЭ составляет 55-60 против 40-55 для обычного дизельного топлива, а температура воспламенения - соответственно 235 и 250 о С. Присутствие в составе ДМЭ атома кислорода обеспечивает бездымное горение топлива, превосходный холодный пуск двигателя. Снижается уровень шума. Главное же преимущество ДМЭ как дизельного топлива - экологически чистый выхлоп. Низкое содержание оксидов азота обеспечивает выполнение наиболее жестких мировых экологических требований EVRO-3 и ULEV вообще без очистки выхлопа.

Адаптация автотранспорта к новому топливу, согласно оценкам зарубежных и отечественных специалистов, не встречает принципиальных препятствий. Серьезные затруднения возникают лишь в связи с необходимостью создания соответствующей инфраструктуры, ибо существующая сегодня (для пропан-бутановых смесей) может выполнить эту роль лишь частично.

В настоящее время ДМЭ получают дегидратацией метанола на оксиде алюминия и других катализаторах при объеме товарного производства около 150 тыс. т. в год. Но недавно фирмы Mobil (США) и Haldor Topsoe (Дания) осуществили процесс прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа. Затем аналогичную разработку (жидкофазный процесс) выполнили фирма NKK (Япония) и наш институт с участием специалистов из других организаций (газофазный процесс). В последнем варианте процесс проходит под давлением 5-10 М Па и характеризуется весьма высокой эффективностью, что особенно наглядно при сравнении его с близким по технологии синтезом метанола. Например, если в первом случае в каталитическом реакторе превращается 60-80% оксидов углерода, то во втором - всего 15-20%. Соответственно резко возрастает производительность единицы объема реактора, что приводит к улучшению всех технико-экономических показателей. Процесс настолько эффективен, что в нем может быть использован "бедный" синтез-газ, получаемый при окислении природного газа воздухом и содержащий 50- 60% азота и всего 10-15% оксида углерода.

В итоге прямой синтез ДМЭ из синтез-газа по разным оценкам оказывается на 5 -20% экономичнее синтеза эквивалентного количества метанола.

Правда, высокая эффективность процесса прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа обусловливает выделение значительного количества тепла. Это требовало тщательной проработки инженерных решений. И В. Кубиков с соавторами создали специальный аппарат, обеспечивающий интенсивный отвод тепла из зоны реакции.

Осуществлена и последующая стадия получения бензина. Г. И. Лин с другими сотрудниками нашей лаборатории совместно с коллективом лаборатории, руководимой доктором химических наук Е. С. Мортиковым (Институт органической химии РАН), проведен синтез высокооктанового бензина непосредственно из синтез-газа через ДМЭ. Важно, что это моторное топливо также имеет экологические показатели, превышающие характерные для обычного бензина. Например, при октановом числе 92-93 в нем практически отсутствуют вредные примеси (бензол, дурол, изодурол), а низкое содержание непредельных углеводородов (~1%) обеспечивает хорошую стабильность.

Результаты проведенных исследований были реализованы в опытно- промышленной установке. В настоящее время на ней идут пуско- наладочные работы.

Значимость достигнутых результатов в перспективе выходит за рамки рассматриваемой проблемы. В первую очередь это относится к прямому синтезу ДМЭ из синтез-газа. Важной особенностью данного процесса является то, что в нем можно использовать синтез-газ в широком интервале составов; соотношение Н 2 /СО, которое в синтезе метанола должно быть выше 2, в синтезе ДМЭ может варьировать в широких пределах, в том числе 1:1. Именно такой или близкий к нему состав имеет синтез-газ, который можно получить из угля, древесных остатков и других источников углерода. Таким образом, двигаясь дальше по намеченному нами пути, можно создавать производства моторных топлив из разнообразных, в том числе возобновляемых сырьевых источников.

© library.ua

Permanent link to this publication:

http://library.ua/m/articles/view/МОТОРНОЕ-ТОПЛИВО-ИЗ-МЕТАНА Similar publications: LRussiaLWorldY G

library.ua

,

 

                    Технология получения бензина из газа и воды

 

Руководство по изготовлению малогабаритного аппарата для домашнего изготовления 100% заменителя бензина любой марки из воды и бытового газа, поступающих в квартиру, а также описание технологии его изготовления.

Краткие сведения о метаноле. Метанол, метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, СНзОН простейший алифатический спирт, бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим запах этилового спирта. Температура кипения 64,5 градуса Цельсия, температура замерзания минус 98 градусов, плотность 792 кг/куб.м. Пределы взрывоопасных концентраций в воздухе 6,736% по объему. Октановое число больше 150. Теплота сгорания 24000 кдж/кг меньше, чем у бензина (44000 кдж/кг), поэтому расход метанола будет выше примерно в два раза. Как топливо применяется в гоночных машинах, например в "Формуле-1".Метиловый спирт смешивается в любых концентрациях с водой, органическими растворителями и является ядом. 30 миллилитров выпитого метанола смертельны! Пары также ядовиты! Традиционно метанол получают возгонкой древесины. Но более перспективен способ получения метанола из природного газа. Природный газ, как известно, почти на 100% состоит из метана СН4 . Ни в коем случае не надо его путать с баллонным газом пропан-бутаном, последний является продуктом крекинга нефти и используется напрямую в качестве автомобильного топлива. Впрочем, это и делают многие автомобилисты, устанавливая соответствующее оборудование. А при использовании метанола никакого дополнительного оборудования не требуется. Мы подробно опишем, как, используя метанол в качестве топлива, как можно существенно повысить мощность двигателя. Пока же только скажем, что это достигается увеличением диаметра главного жиклера и степени сжатия (повторяем, метанол имеет очень большое октановое число).

Итак, о химии процесса получения метанола из природного газа. Метан при неполном окислении превращается в окись углерода и водорода, реакция эта выглядит следующим образом:

2СН4+О2>2СО+4Н2 + 16,1 ккал.Более простой технологически способ проходит по реакции конверсии метана с водяным паром:СН4+Н20>СО+ЗН2  - 49ккал. В первом уравнении стоит "+16,1 ккал". Это означает, что реакция идет с выделением тепла. Во втором - с поглощением. Тем не менее, мы остановимся на втором способе получения окиси углерода и водорода. При наличии этих двух компонентов уже можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле: СО+2Н2<=>СН3ОН .

Сложность в том, что конечный продукт получается лишь при высоком давлении и высокой температуре (Р>20 атм., Т=350 градусов), но при наличии катализатора этот процесс смещается вправо и при низком давлении. Полученный метанол выводится из реакции охлаждением до конденсации, а не сконденсировавшие газы будем сжигать. При правильном сжигании остатков водорода и СО никаких вредных веществ не выделяется (отходы СО2 и Н20 безвредны), так что никаких вытяжных устройств не требуется. Дальше метанол заливается через трубку, обязательно с герметизацией (!), в канистру. Как видите, химический процесс очень прост, он основывается на двух реакциях. Сложности есть только технологические и по мерам безопасности. Мы ведь имеем здесь дело с сильно горючими и ядовитыми веществами. Нужно опасаться как взрыва, так и утечки этих газов. Поэтому необходимо строжайше соблюдать технологию и правила обращения, которые мы будем описывать. Для сборки установки нужно будет приобрести: лист нержавеющей стали (1мм), трубку из "нержавейки" бесшовную, наружным диаметром 68 мм, толщиной стенок не менее 1 мм и длиной около 2 метров, компрессор от любого бытового холодильника (можно со свалок, но рабочий). Ну и само собой разумеется нужна будет аргоновая электросварка.

 

 

ТЕПЛООБМЕННИКИ. Теплообменники обычно состоят из трубок, окруженных охлаждающей средой. В обиходе их называют "змеевиками". Для жидкостей, теплопроводность которых велика, такой теплообменник может быть приемлем. Но с газами ситуация совершенно другая. Дело в том, что на небольших скоростях поток газа движется ламинарно и практически не обменивается теплом с окружающей средой. Посмотрите на дымок, подымающийся от горящей сигареты. Эта стройная струйка дыма и есть ламинарный поток.

Сам факт. что дымок поднимается вверх, говорит о его высокой температуре. А то, что он остается цельным прутком примерно на высоту до 20 сантиметров подъема, свидетельствует о сохранении им тепла. То есть на этом расстоянии даже при совсем малых скоростях поток газа не успевает охладиться, обменяться теплом с воздухом. Именно вследствие ламинарности потока газовые теплообменники приходится конструировать громоздкими. Внутри их трубок появляются "сквозняки", которые даже на десятках метров практически не дают теплообмена.  Это хорошо известно тем, кто когда-либо гнал самогон. (Всякий опыт полезен!) Длинная, интенсивно охлаждаемая трубка, из неё вытекает конденсат, но при этом обязательно идет и пар. Значит, теплообмен недостаточно эффективен.

Проблема, однако, имеет решения и оно может быть несложным. Наполнить трубку, например, медным порошком (см. рис.1). Для производительности 10 л/час теплообменник может быть длиной 600 мм, а для 3 л/час должно хватить и двухсот мм, h 20 мм. Размеры частиц могут варьироваться, оптимум где-то в пределах 0,51 мм. Учитывая задачи теплообмена, материалом корпуса могут быть и железо, и медь, и алюминий, материалом набивки медь, алюминий, что найдется.Тогда вокруг каждой частички металла струйка газа будет образовывать завихрения.

 Тем самым сразу ликвидируются сквозняки и поток становится турбулентным. Ну и одновременно увеличивается в огромной степени контакт газа с охлаждаемой поверхностью. Набитый в трубку порошок меди постоянно принимает или отдает тепло стенкам, и поскольку теплопроводность меди примерно в 100 тысяч раз выше теплопроводности газа, то газ сравнительно быстро примет температуру стенок, если мы будем их интенсивно охлаждать. Нужно учесть, что с уменьшением размеров частиц и увеличением их количества растет также и сопротивление газовому потоку. Поэтому вряд ли удастся использовать для теплообменника частицы мельче 0,51 мм.

Проточную охлаждающую воду, конечно, целесообразно пропускать навстречу потоку газа.Это дает возможность в каждый точке теплообменника иметь свою определенную температуру. Поскольку тепловой контакт у нас близок к идеальному, температура на выходе конденсируемой жидкости будет равна температуре охлаждающей жидкости. Вот каков по идее обсуждаемый здесь теплообменник. Приведенный эскиз есть не что иное, как дистиллятор, он же самогонный аппарат, он же теплообменник. Производительность такого дистиллятора прикидочно 10 литров в час. Его также можно применять практически в любых целях, включая установку для получения обычного этилового спирта (см. "Приоритет" № 1'91г и № 1-2'92г). Такие теплообменники при огромной производительности в сотни раз меньше существующих.

 

 

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НАСОС (РЕАКТОР)

В существующих химических газовых процессах обычный катализатор идет в гранулах довольно значительного размера от 10 до 30 мм. Площадь контакта газа с такими шариками в тысячи раз меньше, чем если бы мы использовали частицы в 11000 микрон. Но тогда проходимость газа весьма затруднится. Кроме того, мельчайшие частицы катализатора довольно скоро выйдут из строя вследствие поверхностного загрязнения. Нами найден способ увеличить площадь контакта газа с катализатором, не затрудняя проходимости его в реакторе, и одновременно непрерывно производить очистку от так называемого "отравления" самого катализатора. Делается это следующим образом. Порошковый катализатор смешивается с ферромагнитными частицами (железным либо ферритовым порошком). Тут не должно возникнуть затруднений: если такого порошка невозможно достать, его легко самому получить. Обычный феррит, известный всякому радиолюбителю, размолоть в ступке и готово.

 

Смесь ферритового порошка с катализатором помещается в неферромагнитную трубку, например, из стекла, керамики, можно и в алюминиевую или медную. Теперь смотрите, какая может быть схема. Снаружи трубки идут обмотки катушек. Каждая из них включена через диоды, так, например, как дано на рис.3.При включении в сеть переменного тока обмотки включаются поочередно с частотою 50 Гц. При этом ферромагнитный порошок непрерывно сжимает и расширяет катализатор, обеспечивая пульсирующую проходимость газа. Если же включать электромагниты в трехфазною сеть (см. рис.4), то в этом случае обеспечивается поступательная пульсация сжатий, и за счет этого непрерывно газ будет сжиматься в продольном направлении вперед. Таким образом, система работает, как насос.При этом многократно перемешивая газ, сжимая и расширяя его и тысячекратно увеличивая интенсивность процесса на катализаторе. Попутно частички катализатора трутся друг о друга и о ферритовый абразивный порошок, что приводит к их очистке от загрязняющих пленок. Схема работает следующим образом: с частотой 50 Гц происходит смена полярности на питании. Ток попеременно проходит по обмотке 1,3 и 2,4 (см. рис. 2). При этом в них появляется магнитное поле, которое намагничивает ферритовые частицы и заставляет их взаимодействовать друг с другом, вовлекая в движение частицы катализатора. Таким образом попеременно возникает для газа проходимость сквозь мелкие частицы, сменяемая большим сопротивлением, оказываемым сдавленной массой частиц. И самое главное: активность катализатора, сжимающего и разжимающего реагирующий газ, по еще не изученным причинам повышается дополнительно в 2050 раз. Работа описанного каталитического реактора эквивалентна реактору размером метров в 2030. Увеличить производительность реактора можно, включая обмотки в трехфазную сеть. При этом система работает не как клапаны, а как активный насос, совмещая все положительные эффекты первой схемы и дополнительно принуждая газ перемещаться в направлении смещения сдвига фаз. При таком включении важно правильно выбрать фазировку. Итак, в реакторе, приведенном здесь, работают следующие положительные факторы:    1. Увеличение площади катализатора в 3001000 раз за счет уменьшения размеров частиц.    2. Происходит постоянная очистка катализатора от поверхностного загрязнения.    3. Постоянные пульсации давления реагирующих газов между частицами катализатора, а во второй схеме дополнительно происходит еще и перекачки газа внутри самого реактора. Недостаток этого реактора повышенное сопротивление потоку газа устраняется попеременным уплотнением освобождением частиц внутри четныхнечетных катушек. Одна важная деталь: необходимо теплоизолировать катушки от корпуса реактора.Следует отметить, что подобная схема реактора заявлена на патент, и она может работать в любых каталитических газовых процессах. Поэтому для химиков это не домашняя разработка, а принципиально новый, еще не совсем изученный, но эффективный реактор. По всей видимости, эффекты усилятся при подаче прямоугольных импульсов или колебаний высокой частоты. Как будущие патентообладатели, настоящим заявляем, что разрешаем безвозмездное пользование данной информацией. Это право мы передаем, однако, только частным лицам. В случае коммерческого использования, либо использования данного изобретения юридическими лицами, предлагаем заключить лицензионный договор в соответствии с законом.

 

ПРОИЗВОДСТВО СИНТЕЗГАЗА.

СИНТЕЗГАЗОМ называется смесь h3 и СО, необходимая для производства метанола. Поэтому вначале рассмотрим технологию синтез-газа. Традиционные методы получения СО и h3 из метана (Ch5) состоят в том, что метан смешивается с водяным паром и в нагретом состоянии поступает в реактор, где к паро-метанной смеси добавляется дозированное количество кислорода. При этом происходят следующие реакции:

(1) СН4 + 202 <> СО2 + 2Н2О + 890 кдж ; (2) СН4 + Н20 <> СО + ЗН2 - 206 кдж ; (3) СН4 + СО2 <> 2СО + ЗН2 - 248 кдж ;

(4) 2Н2 + 02 <> 2Н2О + 484 кдж ;(5) СО2 + Н2 <> СО + Н20 - 41,2 кдж .

Как видно, некоторые реакции эндотермические с поглощением тепла а некоторые экзотермические с выделением. Наша задача создать такой баланс, чтобы реакции шли с контролируемым выделением тепла. Итак, вначале требуется дозированное смешение Н2О и СН4. Традиционные методы ведения этого процесса сложны и громоздки. Мы будем насыщать метан водяными парами путем пропускания пузырьков этого газа через нагретую до 100 градусов Цельсия воду, а чтобы пузырьки активно разбивались, размещаем на их пути твердые ферритовые частички размером 12 мм. Но в этой массе рано или поздно пузырьки находят дорогу и затем, практически не разбиваясь, проходят по образовавшемуся каналу. Чтобы этого не происходило, частички из феррита и смесительную камеру ставим в соленоид с подачей переменного тока. В этом существенное отличие нашего диспергатора. Под действием вибрации частиц феррита в пульсирующем магнитном поле пузырьки метана постоянно разбиваются, проходят сложный зигзагообразный путь и насыщаются парами воды. Этот процесс осуществляется в диспергаторе (см.рис 5).

К соленоиду жестких требований нет, поскольку запитывается он от ЛАТРа или от регулятора света (в продаже имеются). Регулировка напряжения на соленоиде необходима, чтобы, изменяя магнитное поле, одновременно изменять и степень насыщения метана парами воды.

 

О цели этих изменений будет сказано ниже. Количество витков в катушке может быть от 500 до 1000. Диаметр провода 0,1 0,3мм. Необходим бачок воды для подпитки, поскольку вода непрерывно расходуется на образование паро-метановой смеси (см. рис.1). Труба диспергатора берется из неферромагнитного металла, поэтому в переменном магнитном поле она будет разогреваться. Кроме того, и метан поступает в воду разогретым. Поэтому специального нагревателя для воды не требуется.

ВНИМАНИЕ: необходимо расположить бачок таким образом, чтобы уровень воды в смесителедиспергаторе не поднимался выше 150 мм, т.е. до половины его высоты, это связано с величиной давления в газовой сети (=150 мм водного столба).

ВСЯ СИСТЕМА ДОЛЖНА БЫТЬ ГЕРМЕТИЧНА И НЕ ДОПУСКАТЬ УТЕЧЕК! Готовая паро-метановая смесь разогревается до температуры 550600 градусов в теплообменнике . Устройство теплообменника уже достаточно подробно описано (см. рис 1.). Поэтому приведем только уточнение размеров.Теплообменник изготавливается из нержавеющей стали, обязательно варится в среде инертного газа. Трубки из нержавеющей стали крепятся к корпусу только сваркой. Наполнитель теплообменника изготовляется из 12 миллиметровых частиц керамики. Это может быть, например, дробленая фарфоровая посуда. Наполнять емкость надо достаточно плотно, с обязательным встряхиванием. Возможная ошибка: при недостаточном наполнении теплообменника частицами керамики газ "найдет себе дорогу", и потоки будут ламинарными, чем ухудшается теплообмен.ВНИМАНИЕ: В теплообменнике 3.2 (см.рис.10) температуры высокие! Никакие уплотнители не применять только аргонная сварка.

САМЫМ СЛОЖНЫМ И ОТВЕТСТВЕННЫМ УЗЛОМ УСТАНОВКИ ЯВЛЯЕТСЯ КОНВЕРТОР-РЕАКТОР (см. рис.7), где происходит конверсия метана (превращение его в синтезгаз).

Конвертор состоит из кислород-прометанного смесителя и реакционных каталитических колонн. Вообще, реакция идет с выделением тепла. Однако в нашем случае, чтобы процесс начался, на подводящих трубках проводим нагрев, поскольку мы осуществляем конверсию метана по реакции:

СН4 + Н2О <> СО + ЗН2 - 206 кдж ,с потерей тепла, а значит нужно обязательно подводить тепло в конвертор. Для этого паро-метановый газ мы пропускаем через трубки, постоянно обогреваемые горелками "Г". Конвертор работает следующим образом. Парометанная смесь поступает в камеру, в которой вварены трубки из нержавеющей стали. Количество трубок может быть от 5 до 20 в зависимости от желательной производительности конвертора. Пространство камеры должно быть обязательно плотно набито крупнозернистым песком или дробленой керамикой или крошкой нержавейки, размеры частиц 0,51,5 мм. Это необходимо для лучшего перемешивания газов, а самое главное для пламягашения. При соединени воздуха с горячим метаном может произойти загорание. Поэтому в камере набивка осуществляется с обязательным встряхиванием и досылкой. Трубки и сборная камера (на рис 7.-нижняя), как раз и набиваются частицами, содержащими катализатор окись никеля. Который смешивается в пропорции 1/3 объема порошка с 2/3 объема молотой керамики (0,5 мм) или чистого грубозернистого песка. Промежуток между верхними частями трубок заполняются на 10 см любым высокотемпературным теплоизолятором. Это делается. чтобы не перегревать камеру. Мы можем предложить свой способ получения такого теплоизолятора. Обычный канцелярский силикатный клей смешивают с 1015 весовыми процентами тонкомолотого мела или талька или глины. Перемешивают тщательно. Наливают смесь тонким слоем и сразу же прижигают огнем паяльной лампы. Вскипевшая в клее вода образует пемзообразную белую массу. Когда она остынет, опять наливают на нее слой клея с мелом и опять обрабатывают пламенем. И так повторяют до тех пор, пока не получат, необходимый слой теплоизолятора. После окончания сборки конвертора его помещают в стальной короб, которой обязательно теплоизолируют материалом, выдерживающим температуру до 1000 градусов, например, асбестом. Горелки инжекционного типа, могут быть любые, от 5 штук до 8. Чем их больше, тем равномернее нагрев. Возможна также система, использующая одну горелку. Пламя ее имеет несколько выходов через отверстия в трубе. Газовые горелки есть в продаже, например, те, что используются для обработки лыж. Есть в продаже также газовые паяльные лампы, поэтому мы даем только общую схему. Горелки должны соединяться параллельно и регулироваться стандартным газовым краном, например, от газовой плиты, или "родным" краном от "лыжной" горелки.

Ещё один из ответственных узелов это эжекторный смеситель подачи воздуха и метана (рис.8.) в камеру конвертора. Эжекторный смеситель воздуха и метана состоит из двух сопел: одно подает метан, насыщенный парами воды, а другое эжектор воздуха. Воздух поступает от компрессора , количество его регулируется клапаном давления (Рис.9.). Компрессор может быть практически от любого бытового холодильника, давление регулируется от "нуля" до необходимого, которое будет не на много выше давления в газовой магистрали (т.е. =>150 мм.вод.ст.).

Необходимость подачи воздуха (кислорода) в конвертор обусловлена тем, что по реакции [5] часть водорода должна быть поглощена с выделением СО, тем самым увеличивается количество окиси углерода до пропорции СО:Н2 == 1:2, т.е. число молей (объемов) водорода должно быть в два раза большим объемов окиси углерода. Но возникновение CO2 произойдет по реакции [1] с выделением большого количества тепла. Поэтому вначале процесса компрессор мы не включаем и винт держим вывернутым. Воздух не подаем. И по мере разогрева камеры и включении всей системы будем постепенно, включив компрессор и вворачивая винт клапана давления, увеличивать подачу воздуха и одновременно уменьшать пламя на горелках, Контроль будем вести по количеству излишков водорода на выходе из конденсатора метанола (теплообменник 3.3 и 3.1) через фитиль 13 (рис.10), сокращая его. Фитиль для дожига излишка синтезгаза представляет собой 8-миллиметровую трубку, длиной 100 мм, набитую медным проводом по всей длине,- чтобы пламя не пошло вниз, в канистру с метанолом. Мы разобрали все узлы установки получения метанола. Как ясно из предыдущего, вся установка состоит из двух основных узлов: конвертора для создания синтезгаза (конверсия метана) и синтезатора метанола. Синтезатор (каталитический насос) достаточно хорошо описан выше. Единственно, что следует добавить это необходимость установки теплоизолятора между трубой и катушкой. Как изготовить теплоизолятор, мы сообщали при описании изготовления конвертора (см. рис.7).

ПЕРЕЙДЕМ К ОБЩЕЙ СХЕМЕ УСТАНОВКИ. Работа общей схемы. Из газовой магистрали метан поступает через вентиль 14 в теплообменник 3.1, разогревается до 250300 градусов [в этом месте нужно бы добавить фильтр из окиси цинка - для очистки газа от примесей серы !] и поступает в смесительдиспергатор 2, где насыщается парами воды. Вода добавляется в диспергатор непрерывно из бачка 1. Вышедшая газовая смесь поступает в теплообменник 3.2, где разогревается до 500600 градусов и идет в конвертор 4. На NiO катализаторе при температуре 800900 градусов происходит реакция (2). Для создания этой температуры работают горелки "12". После установления температурных режимов включается компрессор 5 и постепенно подается воздух в смеситель 11. Повышение давления осуществляется путем вворачивания винта в клапане 8. Одновременно уменьшаем пламя на горелках "12" при помощи вентиля 14.2 . Полученный на выходе синтезгаз поступает в теплообменники 3.1 и 3.2, где охлаждается до температуры 320350 градусов. Затем синтезгаз поступает в синтезатор метанола 6, где на катализаторе из смеси однинакового количества ZnO, CuO, CoO (по возможности) происходит превращение его в метанол СН4ОН . Смесь газообразных продуктов на выхода охлаждается в теплообменнике 3.3. который описан выше (см.рис.1) и поступает в накопительный бачок 10. В верхней его части находится трубка фитиль (13), где дожигаются продукты, которые не прореагировали в процессах. Поджигание необходимо, обязательно!

Несколько советов. Катализаторы можно готовить самому путем прокаливания порошковых металлов на воздухе. Измерение температуры можно осуществлять при помощи термоиндикаторных красок, которые в настоящее время достаточно распространены. Измерение нужно проводить на входных и выходных трубках. Если термокрасок вы не достанете, можно изготовить сплав олово свинец цинк. При определенных, найденных экспериментально пропорциях смешения они будут иметь необходимую температуру плавления. Нанося полученные сплавы на трубки и следя за их плавлением, можно с некоторой погрешностью контролировать температуру. Если вы не допустили образования газовых карманов (т.е. полностью заполнены все полости соответствующей крошкой), если устранили утечки и самое главное своевременно зажжен и постоянно горит фитиль (11), то установка будет абсолютно безопасна. Подбирая катализаторы можно повышать тепловой КПД, увеличить процент выхода метанола. Для достижения оптимума здесь требуются эксперименты. Они проводятся во многих институтах разных стран. В России к числу таких НИИ относится, например, ГИАП (Государственный институт азотной промышленности). Следует иметь в виду, что получение метанола из природного газа в компактных установках новое дело, и многие процессы еще недостаточно изучены. В то же время метанол одно из самых экологически чистых и практически идеальных топлив. И, самое главное, получение его основано на безграничных и возобновляемых ресурсах метане. Завершая первый цикл публикаций, мы будем продолжать отвечать на вопросы, которые у вас возникнут в процессе создания и эксплуатации установки, рассматривать и комментировать новые ваши предложения по этой теме.

 

www.irkidei.ru

МОТОРНОЕ ТОПЛИВО ИЗ МЕТАНА

share the publication with friends & colleagues

 Автор: Розовский А. Я.

Доктор химических наук А. Я. РОЗОВСКИЙ, заведующий лабораторией кинетики Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН

Проблема получения моторных топлив из альтернативного сырья - природного или попутного газа, угля и др. - издавна привлекала внимание специалистов. Ведь запасы нефти рано или поздно иссякнут. Поэтому усилия ряда лабораторий были направлены на разработку методов получения синтетического моторного топлива. В последнее время эти изыскания получили дополнительный стимул из-за ужесточения требований к чистоте автомобильного выхлопа. Искушение создать новое топливо (или добавку к нему), обеспечивающее чистый или хотя бы "облагороженный" выхлоп, было столь же велико, сколь и трудно реализуемо.

стр. 17

Метан, как химическое сырье, может стать базой для производства большинства органических соединений, ныне получаемых из нефти, в том числе и крупнотоннажных производств топлив для транспорта и энергетики. Правда, современные методы переработки этого природного сырья пока недостаточны для реализации его потенциала, так как в результате их использования получают продукты, себестоимость которых выше аналогов нефтяного происхождения. Однако исследования и разработки последних лет, по-видимому, позволят не только ликвидировать это отставание, но и приведут к появлению продуктов более дешевых, чем их аналоги нефтяного происхождения.

Природный газ как химическое соединение достаточно инертен. Вот почему первая стадия его переработки - превращение в более реакционно-способный синтез-газ (смесь оксидов углерода и водорода), далее каталитическими методами преобразуемый в моторное топливо. Существуют различные способы получения синтез-газа: паровая или углекислотная конверсия и окисление воздухом или чистым кислородом. Альтернативные пути дальнейшей переработки синтез-газа - так называемый синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Первый из них приводит к получению некоего эквивалента нефти - смеси углеводородов, для которых требуется дальнейшая переработка. На втором базируется крупнотоннажное производство (мировые мощности близки к 30 млн. т), хорошо освоенное промышленностью. Его главный недостаток - неблагоприятная термодинамика, препятствующая образованию нужного соединения в значительной концентрации. Это обусловливает необходимость многократной циркуляции газовой смеси через реактор и влечет за собой значительный расход электроэнергии. В итоге растет себестоимость бензина, получаемого из метанола.

В нашем институте при участии специалистов из других организаций реализован ряд проектов, позволяющих повысить эффективность и снизить затраты на переработку природного газа и другого углеродосодержащего сырья в более ценные энергоносители. Применительно к первой стадии получения синтез-газа доктор химических наук Ю. А. Колбановский предложил решения, основанные на сжигании природного газа в модифицированных дизельных и компрессионных двигателях, работающих в необычном режиме. Идея была реализована в 1998 г. в промышленной установке мощностью 10000 м 3 синтез-газа в 1 ч.

Два очевидных преимущества делают данный процесс привлекательным для удаленных регионов страны. Прежде всего, в нем в качестве сырья может выступать природный газ низкого давления, в том числе поднимающийся из скважин, не пригодных к эксплуатации в обычных условиях. Кроме того, для окисления исходного сырья подходит воздух, а двигатель может быть использован одновременно и для осуществления химической реакции, и по прямому назначению - для получения электроэнергии. Однако заметим: применение воздуха приводит к высокому содержанию азота в синтез-газе (50-60%), что неблагоприятно сказывается на его дальнейшей переработке.

Интерес представляет разработанный кандидатом технических наук В. Н. Кубиковым совместно с коллегами аппарат для окисления природного газа кислородом - генератор синтез-газа, выполненный с учетом опыта конструирования ракетных двигателей. Производительность единицы объема такой установки, кстати, имеющей небольшие размеры, в десятки и сотни раз превышает возможности промышленных аналогов. Впрочем, и она не лишена недостатков: использование в технологии кислорода требует значительных инвестиций на его получение. Правда, в этом случае синтез-газ, в отличие от вырабатываемого по схеме предыдущего варианта, не содержит балластный азот, что, разумеется, играет положительную роль на стадии получения и особенно выделения конечного продукта - бензина или диметилового эфира.

Подчеркнем: все перечисленные процессы основаны на окислении метана при высоких температурах с доведением смеси до состава, близкого к равновесному. При этом резко уменьшается рабочий объем аппаратов, но появляется и негативная "черта": состав синтез-газа становится труднорегулируемым параметром. Наиболее доступным, по- видимому, является соотношение Н 2 /СО=1,5 -1,6. Коррекция состава при этом возможна, однако приводит к ухудшению экономических показателей.

Сотрудники нашего института детально изучили и процессы, протекающие на второй стадии, - синтез Фишера-Тропша и синтез метанола. Это привело, в частности, к пересмотру общепринятых представлений о механизме и закономерностях последнего, вплоть до составляющих химических реакций. Как было показано в нашей лаборатории кандидатом химических наук Г. И. Лин и другими, вошедшая в школьные учебники реакция СО+2Н 2 =СН 3 ОН на самом деле не протекает, а синтез метанола осуществляется в результате превращений диоксида углерода СО 2 +3Н 2 =СН 3 ОН+Н 2 О. Исходя из этого, мы разработали новые физико-химические основы процесса как такового, а потом предложили технологию получения нужного продукта, позволяющую вдвое увеличить производительность единицы объема реакторов.

И все же применительно к общей схеме переработки природного (попутного) газа синтез метанола остается слабым звеном из-за указанных выше термодинамических ограничений. Поэтому предпочтительным является синтез диметилового эфира, при котором эти ограничения практически исчезают. Действительно, тогда сначала по приведенной выше реакции образуется метанол, а затем он превращается в диметиловый эфир: 2СН 3 ОН=СН 3 ОСН 3 +Н 2 О. Если эти реакции протекают од-

стр. 18

стр. 19

стр. 20

повременно, то метанол непрерывно выводится из системы и не накапливается в значительных количествах. Так удается обойти пресловутые термодинамические ограничения.

Последующие исследования показали: диметиловый эфир (ДМЭ) является прекрасным сырьем для синтеза бензина, превосходящим метанол. В итоге возник альтернативный путь превращения синтез-газа в бензин, в котором обе стадии характеризуются более высокой эффективностью, чем в традиционном варианте. Наконец, совсем недавно было обнаружено, что ДМЭ - весьма перспективное дизельное топливо, а также конкурент сжиженного газа как энергоносителя для газотурбинных установок. Тем самым ДМЭ выдвинулся в ряд потенциально крупнотоннажных продуктов, масштабы потребления которых в перспективе могут оказаться сопоставимыми с таковыми для столь распространенных энергоносителей, как бензин и дизельное топливо.

ДМЭ в нормальных условиях - газ (температура кипения - 24,9 о С) и легко сжижается под давлением (5 атм. при 20 о С, 8 атм. - при 38 о С). Мало того, он нетоксичен - используется как наполнитель в аэрозольных упаковках. Однако быстро деградирует в атмосфере, поэтому может служить хладоагентом, заменителем фреонов, вызывающих опасения экологов. По физическим свойствам ДМЭ близок к традиционным пропан-бутановым смесям. Хотя по энергоемкости он в 1,5 раза (на единицу массы) уступает традиционному дизельному топливу, по остальным показателям его превосходство несомненно. Так, наиболее важная его характеристика - цетановое число - у ДМЭ составляет 55-60 против 40-55 для обычного дизельного топлива, а температура воспламенения - соответственно 235 и 250 о С. Присутствие в составе ДМЭ атома кислорода обеспечивает бездымное горение топлива, превосходный холодный пуск двигателя. Снижается уровень шума. Главное же преимущество ДМЭ как дизельного топлива - экологически чистый выхлоп. Низкое содержание оксидов азота обеспечивает выполнение наиболее жестких мировых экологических требований EVRO-3 и ULEV вообще без очистки выхлопа.

Адаптация автотранспорта к новому топливу, согласно оценкам зарубежных и отечественных специалистов, не встречает принципиальных препятствий. Серьезные затруднения возникают лишь в связи с необходимостью создания соответствующей инфраструктуры, ибо существующая сегодня (для пропан-бутановых смесей) может выполнить эту роль лишь частично.

В настоящее время ДМЭ получают дегидратацией метанола на оксиде алюминия и других катализаторах при объеме товарного производства около 150 тыс. т. в год. Но недавно фирмы Mobil (США) и Haldor Topsoe (Дания) осуществили процесс прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа. Затем аналогичную разработку (жидкофазный процесс) выполнили фирма NKK (Япония) и наш институт с участием специалистов из других организаций (газофазный процесс). В последнем варианте процесс проходит под давлением 5-10 М Па и характеризуется весьма высокой эффективностью, что особенно наглядно при сравнении его с близким по технологии синтезом метанола. Например, если в первом случае в каталитическом реакторе превращается 60-80% оксидов углерода, то во втором - всего 15-20%. Соответственно резко возрастает производительность единицы объема реактора, что приводит к улучшению всех технико-экономических показателей. Процесс настолько эффективен, что в нем может быть использован "бедный" синтез-газ, получаемый при окислении природного газа воздухом и содержащий 50- 60% азота и всего 10-15% оксида углерода.

В итоге прямой синтез ДМЭ из синтез-газа по разным оценкам оказывается на 5 -20% экономичнее синтеза эквивалентного количества метанола.

Правда, высокая эффективность процесса прямого синтеза ДМЭ из синтез-газа обусловливает выделение значительного количества тепла. Это требовало тщательной проработки инженерных решений. И В. Кубиков с соавторами создали специальный аппарат, обеспечивающий интенсивный отвод тепла из зоны реакции.

Осуществлена и последующая стадия получения бензина. Г. И. Лин с другими сотрудниками нашей лаборатории совместно с коллективом лаборатории, руководимой доктором химических наук Е. С. Мортиковым (Институт органической химии РАН), проведен синтез высокооктанового бензина непосредственно из синтез-газа через ДМЭ. Важно, что это моторное топливо также имеет экологические показатели, превышающие характерные для обычного бензина. Например, при октановом числе 92-93 в нем практически отсутствуют вредные примеси (бензол, дурол, изодурол), а низкое содержание непредельных углеводородов (~1%) обеспечивает хорошую стабильность.

Результаты проведенных исследований были реализованы в опытно- промышленной установке. В настоящее время на ней идут пуско- наладочные работы.

Значимость достигнутых результатов в перспективе выходит за рамки рассматриваемой проблемы. В первую очередь это относится к прямому синтезу ДМЭ из синтез-газа. Важной особенностью данного процесса является то, что в нем можно использовать синтез-газ в широком интервале составов; соотношение Н 2 /СО, которое в синтезе метанола должно быть выше 2, в синтезе ДМЭ может варьировать в широких пределах, в том числе 1:1. Именно такой или близкий к нему состав имеет синтез-газ, который можно получить из угля, древесных остатков и других источников углерода. Таким образом, двигаясь дальше по намеченному нами пути, можно создавать производства моторных топлив из разнообразных, в том числе возобновляемых сырьевых источников.

© library.ua

Permanent link to this publication:

http://library.ua/m/articles/view/МОТОРНОЕ-ТОПЛИВО-ИЗ-МЕТАНА&likemode=like&url=http:/library.ua/m/articles/view/МОТОРНОЕ-ТОПЛИВО-ИЗ-МЕТАНА Similar publications: LRussiaLWorldY G

library.ua


Смотрите также