Какие продукты можно получить из метана
Поиск путей эффективного превращения метана в химические продукты в течение более чем 50 лет является одной из основных целей исследований, прежде всего в области катализа. Можно выделить два главных направления химической переработки метана: прямую конверсию в продукты и непрямую, в основном через его предварительное превращение в синтез-газ. Примерами непрямой конверсии метана могут служить такие широко используемые промышленные процессы, как синтез метанола и аммиака, а также процесс Фишера-Тропша (синтез углеводородов) [31]. Однако эти процессы в современных условиях малорентабельны, поэтому большие усилия направлены на поиск прямых путей конверсии метана. Наиболее интенсивно исследовались окислительная конденсация (димеризация) метана в этан и этилен (ОКМ) [32] и парциальное окисление метана в метанол (ПОММ) [33]. Изучались также пути прямой окислительной функциализации метана в другие, помимо метанола, продукты типа СНЗХ, где X — атом или функциональная группа, например, в метилхлорид или метилбисульфат. Однако до сих пор экономические преимущества ни одного из таких методов не были показаны. Поэтому в настоящее время синтез-газ является основным первичным продуктом переработки метана, на основе которого осуществляется последующий синтез целевых продуктов (метанола, синтетического бензина, дизельного топлива, диметилового эфира и других продуктов), хотя для этих целей широко используются и другие источники углеродного сырья (кокс, бурый уголь и т.д.). Важным фактором при оценке перспектив различных направлений переработки метана является стоимость продуктов, получаемых из единицы объема переработанного газа (рис. 1.3) [34].
Стоимость продукции, долл.
Рис. 1.3. Стоимость продукции, получаемой из 1 млн БТЕ (Брит анских тепловых единиц) природною газа |34)
Основной областью промышленного потребления синтез-газа является производство аммиака — сырья для получения таких крупно- тоннажных продуктов, как азотная кислота и химические удобрения. На это расходуется значительная доля природных газов, потребляемых в химической промышленности. Аммиак совместно с метаном и воздухом перерабатывается в синильную кислоту (реакция Андрусова).
Несмотря на интенсивные поиски экономичных путей прямого получения метанола из природного газа, в настоящее время в мире нет действующих установок промышленного масштаба по прямому окислению метана в метанол, хотя этот процесс применялся в США в период Второй мировой войны [31,33]. Промышленный синтез метанола осуществляют из синтез-газа состава СО:Н2 =1:2 при давлении 200 атм и температуре 200-300°С на Cu-ZnO-катализаторах, причем от 60 до 90% себестоимости получаемого метанола приходится на стоимость производства синтез-газа.
Попытка промышленного получения формальдегида, являющегося исходным сырьем для производства полимерных продуктов, прямым окислением метана была осуществлена в Румынии в 1942 г., однако военные действия помешали практической реализации этого процесса [31, 33]. Поэтому в настоящее время формальдегид получают из метанола, на что уходит до 45% общего объема его производства [21].
В послевоенные годы для синтеза многих крупнотоннажных продуктов широко применялся ацетилен, получаемый пиролизом природного газа. В СССР действовало несколько крупных промышленных установок по синтезу ацетилена. Однако в связи с переводом болыпинства процессов на использование в качестве сырья этилена эра промышленной химии ацетилена в настоящее время завершается.
Помимо аммиака, метанола и формальдегида, метан является перспективным сырьем для производства муравьиной и других кислот, этанола, ацетальдегида. На основе метана можно получать разнообразные галогенопроизводные углеводородов. Ведутся исследования по использованию его в качестве алкилирующего и гидрирующего агентов, в синтезе непредельных углеводородов и водорода. Метан также используется для получения сероуглерода, основными потребителями которого являются производство целлюлозных волокон и резиновая промышленность. В последнее время развивается производство синтетических протеинов путем биологического брожения углеводородного сырья. Огромное значение имеет перспектива превращения метана в источник получения синтетических жидких топлив (СЖТ).
В отличие от сухих природных газов, являющихся источником практически чистого метана, природные газы с высоким содержанием фракций С2-С4 (выше 3%) при выходе из скважины подвергают процессам депропанизации и деэтанизации. Удаление этих фракций обязательно как для транспортировки газа под давлением, так и для его последующей каталитической переработки, в частности в СЖТ. Эти выделяемые компоненты представляют собой ценнейшее сырье для промышленности нефтехимического синтеза. Этан применяют в качестве исходного сырья для получения винилхлорида путем прямого каталитического хлорирования. Он также является исходным сырьем для получения этилена и далее полиэтилена, этиленоксида, ппиколей, этилбензола, стирола, этанола, высших спиртов и т.д. Пропан можно применять для получения акриловой кислоты и акрилонитрила путем окислительного аммонолиза и для получения этилена и пропилена путем пиролиза. Пропан является исходным сырьем для получения оксоспиртов, пропиленоксида, пропиленгаиколей, а-метилстирола, фенола, ацетона, аллилхлорида, эпихлоргидрина, глицерина, перхло- рэтилена, изопрена, додецилбензола, полипропилена и др.
При каталитическом окислении бутана получают уксусную кислоту и малеиновый ангидрид (пока это практически единственные примеры промышленного использования предельных углеводородов в качестве сырья для прямого получения химических продуктов), а при его пиролизе — этилен и пропилен. При дегидрировании бутана получаются н-бутилены, применяемые в качестве промежуточного сырья для получения бутадиена, полиизопрена, метилакрилата, полиизобутиленов, бутилкаучуков и др. Бутадиен применяют в синтезе поли- бутадиенстирольного каучука, нитрильных, поли-цис-бутадиеновых, хлоропреновых и других каучуков. В табл. 1.4 перечислены перспективные процессы окислительного превращения легких парафинов Cj- С6, как достигшие уже индустриального уровня, так и находящиеся еще на стадии научной проработки [35].
Таблица 1.4
Процессы окислительной функцианализации легких алканов CI-C6: промышленные и находящиеся на сталии разработки
Сырье | Продукт | Фаза | Состояние разработки процесса |
Метан | Хлорметаны | Газовая, гетерогенная | Промышленный процесс |
Метан | Метанол | Газовая, гетерогенногомогенная | Пилотная установка |
Метан | Синтез-газ | То же | НИР |
Метан | Этилен | «4 | Пилотная установка |
Этан | 1,2-Дихлорэтан, винилхлорид | Газовая, гетерогенная | То же |
Эган | Уксусная кислота | То же | НИР |
Этан | Этилен | Газовая, гетерогенногомогенная | и |
Пропан | Акриловая кислота | Газовая или жидкая | и |
Пропан | Пропанол | Жидкая, гетерогенная или гомогенная | 44 |
Пропан | Акрилонитрил | Газовая, гетерогенная | Демонстрационная установка |
Пропан | Пропилен | То же | НИР |
н-Бутан | Уксусная кислота | Жидкая, гомогенная | Промышленный процесс |
н-Бутан | Малеиновый ангидрид | Газовая, гетерогенная | То же |
н-Бутан | Бутадиен | То же | Промышленный процесс, отвергнутый |
Изобутан | Метакриловая кислота | 44 | Промышленный процесс |
Изобутан | Изобутилен | 44 | НИР |
Изобутан | mpem-Бутанол | Жидкая, гетерогенная или гомогенная | То же |
н-Пентан | Фталевый ангидрид | Газовая, гетерогенная | 44 |
Циклогексан | Циклогексанол | Жидкая, гомогенная | Промышленный процесс |
Циклогексан | Циклогексанон | Жидкая, гетерогенная или гомогенная | НИР |
Источник
Природный газ является ценным энергетическим сырьем для различных отраслей промышленности. Он состоит в основном из метана (до 98 %), его гомологов (этана, пропана, бутана), сернистых соединений, углекислого газа, азота и, в небольшом количестве, меркаптанов (слабых кислот). В некоторых месторождениях газа присутствует гелий.
Основная продукция из природного газа — это сырье для энергетики. Почти 40 % переработанного природного газа сжигается на электростанциях. Еще около 30% используется в металлургической промышленности. Примерно по 4% объемов добываемого природного газа применяется для отопления жилых зданий, промышленных предприятий и бытовых нужд населения, на цементных предприятиях, строительстве, в сельском хозяйстве, производстве медикаментов. В США на нужды энергетики и тяжелой промышленности и в качестве бытового топлива используется 98% газа.
В зависимости от содержания в природном газе тяжелых углеводородов, он считается «сухим» (пропан, бутан и пр. менее 50 г/м. куб) или «жирным». Сухой газ легче воздуха, он транспортируется по газопроводам на дальние расстояния. В настоящее время этот самый дешевый способ доставки энергетического сырья потребителю. Для экономики газодобывающих стран экспорт природного газа является важной статьей дохода. Именно сухой газ применяется в качестве топлива.
На компрессорных станциях сухой природный газ сжимается до 200 атм и охлаждается до -162 оС. Такой продукт называется компримированным природным газом. Его можно хранить в жидком виде в подземных хранилищах и использовать для сглаживания пиков потребления сырья в холодной период года. Транспортировка его производится в специальных криоцистернах, чаще всего морским путем, танкерами-газовозами.
Компримированный природный газ является стратегическим энергетическим сырьем на мировом рынке. Его удобно перевозить в районы, отстоящие на десятки тысяч км от мест добычи. По оценкам аналитиков до 2020 года 35% переработанного природного газа в мире будет доставляться заказчику в виде компримированного газа. В настоящее время наметились перспективы применения его в качестве топлива для автотранспорта. Ведущие автоконцерны уже выпускают автомобили, работающие на компримированном газе.
По количеству тяжелых фракций в составе добываемого природного газа различают чисто газовые месторождения (содержащие сухой газ) и газоконденсатные (с большей долей тяжелых гомологов метана). Еще в начальный период переработки природного газа из него выделяют водород, сернистые соединения и сухую серу, имеющие применение во многих отраслях экономики. Ценным сырьем для нефтехимии являются тяжелые углеводороды. В процессе технологической переработки из них получают следующие виды продукции:
• сжиженный углеводородный газ (СУГ);
• различные виды растворителей;
• водород, аммиак, метанол, формальдегид, сажа;
• уксусная кислота;
• синтетические красители;
• пластмассы;
• газы, используемые для консервации сельскохозяйственной продукции и при производстве медикаментов.
Многие газовые месторождения содержат гелий. Этот ценный инертный газ востребован во многих отраслях экономики. Наиболее богатые районы добычи гелия находятся в США и в России (Восточно-Европейские и Сибирские газоносные регионы).
Высокомолекулярные углеводороды являются основой получения СУГ, который применяется вместо бензина для автотранспорта, используется в качестве топлива в быту и промышленности.
Имеются технологии GTL («газ в жидкость»), позволяющие получить высококачественное автомобильное и авиационное топливо СЖТ (синтетическое жидкое топливо). Такие установки на природном газе действуют в Катаре, Малайзии и в ЮАР, однако, чаще всего, сырьем для них является попутный нефтяной газ. Некоторые фирмы в РФ начали выпуск блочных мобильных комплексов по переработке природного газа с использованием технологии GTL.
Если статья оказалась полезной, в качестве благодарности воспользуйтесь одной из кнопок ниже – это немного повысит рейнинг статьи. Ведь в интернете так трудно найти что-то стоящее. Спасибо!
Источник
Природный газ отлично вступает в химическую реакцию горения. Поэтому чаще всего из него получают энергию — электрическую и тепловую. Но на основе газа можно сделать еще удобрение, топливо, краску и многое другое.
Значительные объемы газа использует также металлургическая промышленность. Но и здесь природный газ также используется как источник энергии — для разогрева доменных печей.
Зеленое топливо
В России около половины поставок газа приходится на энергетические компании и коммунальное хозяйство. Даже если в доме нет газовой плиты или газового водонагревателя, все равно свет и горячая вода, скорее всего, получены с использованием природного газа.
Природный газ — самое чистое среди углеводородных ископаемых топлив. При его сжигании образуются только вода и углекислый газ, в то время как при сжигании нефтепродуктов и угля образуются еще копоть и зола. Кроме того, эмиссия парникового углекислого газа при сжигании природного газа самая низкая, за что он получил название «зеленое топливо». Благодаря своим высоким экологическим характеристикам природный газ занимает доминирующее место в энергетике мегаполисов.
На газе можно ездить
Природный газ может использоваться как моторное топливо. Сжатый (или компримированный) метан стоит в два раза дешевле 76-го бензина, продлевает ресурс двигателя и способен улучшить экологию городов. Двигатель на природном газе соответствует экологическому стандарту Евро-4. Газ можно использовать для обычных автомобилей, сельскохозяйственного, водного, воздушного и железнодорожного транспорта.
Компримированный газ получают на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях (АГНКС) путем сжатия природного газа, поступающего по газопроводу, до 20–25 МПа (200–250 атмосфер).
Еще из природного газа можно производить жидкие моторные топлива по технологии «газ-в-жидкость» (gas-to-liquid, GTL). Поскольку природный газ — достаточно инертный продукт, практически всегда при переработке на первом этапе его превращают в более реакционно-способную парогазовую смесь — так называемый синтез-газ (смесь СО и Н2).
Далее ее направляют на синтез для получения жидкого топлива. Это может быть так называемая синтетическая нефть, дизельное топливо, а также смазочные масла и парафины.
Впервые жидкие углеводороды из синтез-газа получили немецкие химики Франц Фишер и Ганс Тропш еще в 1923 году. Правда, тогда в качестве источника водорода они использовали уголь. В настоящее время различные варианты метода Фишера-Тропша используются во многих представленных на рынке процессах превращения газа в жидкие углеводороды.
Отбензинивание
Первичная переработка газа происходит на ГПЗ — газоперерабатывающих заводах.
Обычно в природном газе помимо метана содержатся разнообразные примеси, которые необходимо отделить. Это азот, углекислый газ, сероводород, гелий, пары воды.
Поэтому в первую очередь газ на ГПЗ проходит специальную обработку — очистку и осушку. Здесь же газ компримируют до давления, необходимого для переработки. На отбензинивающих установках газ разделяют на нестабильный газовый бензин и отбензиненный газ — продукт, который впоследствии и закачивают в магистральные газопроводы. Этот же уже очищенный газ идет на химических заводы, где из него производят метанол и аммиак.
А нестабильный газовый бензин после выделения из газа подается на газофракционирующие установки, где из этой смеси выделяются легкие углеводороды: этан, пропан, бутан, пентан. Эти продукты тоже становятся сырьем для дальнейшей переработки. Из них в дальнейшем получают, к примеру, полимеры и каучуки. А смесь пропана и бутана сама по себе является готовым продуктом — ее закачивают в баллоны и используют в качестве бытового топлива.
Краска, клей и уксус
По схеме, похожей на процесс Фишера-Тропша, из природного газа получают метанол (CH3OH). Он используется в качестве реагента для борьбы с гидратными пробками, которые образуются в трубопроводах при низких температурах. Метанол может стать и сырьем для производства более сложных химических веществ: формальдегида, изоляционных материалов, лаков, красок, клеев, присадок для топлива, уксусной кислоты.
Путем нескольких химических превращений из природного газа получают также минеральные удобрения. На первой стадии это аммиак. Процесс получения аммиака из газа похож на процесс gas-to-liquid, но нужны другие катализаторы, давление и температура.
Аммиак сам по себе является удобрением, а также используется в холодильных установках как хладагент и в качестве сырья для производства азотсодержащих соединений: азотной кислоты, аммиачной селитры, карбамида.
Как получается аммиак
Вначале природный газ очищают от серы, затем он смешивается с подогретым водяным паром и поступает в реактор, где проходит через слои катализатора. Эта стадия называется первичным риформингом, или парогазовой конверсией. Из реактора выходит газовая смесь, состоящая из водорода, метана, углекислого (СО2) и угарного газов (СО). Далее эта смесь направляется на вторичный риформинг (паровоздушная конверсия), где смешивается с кислородом из воздуха, паром и азотом в необходимом соотношении. На следующем этапе из смеси удаляют СО и СО2. После этого смесь водорода и азота поступает собственно на синтез аммиака.
-
Как строят подводные газопроводы
Глубина моря может достигать нескольких километров. Проложить трубы по дну — сложная задача. Но по дну Северного моря идут 6000 км трубопроводов, некоторые из которых там уже 40 лет.
-
Как природный газ используется в качестве автомобильного топлива
Природный газ нужен не только для приготовления пищи, обогрева дома и получения электричества. Еще им можно заправлять автомобиль. Природный газ в качестве топлива намного дешевле и экологичнее нефтепродуктов.
Источник
Какой станет наша планета через пару десятков лет – вот вопрос, который до сих пор мучает все человечество. Превратится ли наш дом в уютный уголок, или же постоянно расширяющаяся свалка скоро доберется до наших дворов? Переработка бытового мусора используется в развитых странах вот уже более 40 лет, но для России до сих пор являются чем-то новым. Тем более, что общественности практически ничего не известно о наиболее прогрессивных технологиях в сфере переработки мусора.
Так, далеко не все из нас знают о том, что из обычного бытового мусора, которым забит каждый полигон ТБО, вернее из его органической составляющей при помощи такого устройства как биореактор можно получить биогаз – газ, имеющий в своем составе метан.
Полученная путем сжигания биогаза электроэнергия способна не только удовлетворить собственные нужды мусороперерабатывающего завода, но и использоваться для последующей продажи. Представьте себе, как это удобно, ведь из обычных отходов можно получить доходы. Причем данная технология переработки мусора является абсолютно безопасной и экологически чистой.
Однако полученный из мусора метан можно не только сжигать для получения тепла и электричества. Из метана путем процесса пиролиза можно получать ацителен. Что же это за вещество, и для чего оно нужно? Об этом мы поговорим чуть позже, а пока сделаем основной упор на самом процессе пиролиза метана.
Пиролиз метана реакция
Пиролиз метана это процесс, осуществляемый при высокой температуре в 1200-1500°С с последующим ему быстрым охлаждением продуктов реакции. В результате пиролиза образуется ацитилен, который здесь является скорее не конечной целью, а промежуточным продуктом, необходимым для дальнейшего производства продуктов органического синтеза. Поскольку пиролиз метана только для получения ацетилена экономически невыгоден, данная технология обычно применяется на заводах, осуществляющих его дальнейшую переработку в такие продукты как, например, синтетический каучук. Важным фактором, определяющим степень эффективности процесса пиролиза метана, является стойкость получаемых и исходных углеводородов при высокой температуре.
Судить о термической стойкости углеводородов можно по изменению в зависимости от температуры свободной энергии их образования. Чем ниже при данной температуре будет свободная энергия, тем стабильнее углеводород. Исследования данной зависимости показали, что стабильность ацетилена увеличивается с повышением температуры у, в то время как у других углеводородов стабильность падает. Это означает, что они при соответствующих условиях способны превратиться в ацетилен. Поскольку свободная энергия образования ацетилена при температуре 1200 °С меньше чем свободная энергия образования метана, то это сделало возможным образование ацетилена непосредственно из метана.
Однако ацетилен при 1500°С является термодинамически неустойчивым веществом, и в весьма короткий промежуток времени может разложиться на водород и углерод (сажу). Во избежание разложения получившегося в процессе пиролиза метана ацетилена время пребывания пиролизных газов в реакционной зоне ни в коем случае не должно превышать сотой доли секунды.
Продукты, полученные в результате реакции пиролиза метана, быстро охлаждаются до температуры 90—200 “С. Делается это для того, чтобы сохранить ацитилен, поскольку при такой температуре реакция разложения ацетилена прекращается. Охлаждение ацитилена производят путем впрыскивания в газовый поток воды. Данный процесс называется закалкой ацитилена.
Пиролиз метана уравнение
В настоящее время подробной кинетической схемы процесса пиролиза метана не существует. Однако метод и реакции пиролиза можно представить в виде ряда химических уравнений. Ацетилен добывают из метана путем термического разложения (пиролиза) по реакции:
2СН4 →С2Н2 + ЗН2 – 91 ккал
Для поддержания реакции пиролиза необходимо тепло, которое подводится путем нагрева исходных газов и образуется в результате сжигания непосредственно в реакционном объеме небольшого количества метана. В связи с тем фактом, что процесс пиролиза метана осуществляется в факеле, одновременно с образованием ацетилена протекает целый ряд побочных реакций, среди которых:
СН4 + 0,5О2 →СО + 2Н2 + 6,1 ккал
СН4 + 2О2 →СО2 + 2Н2О + 212 ккал
СО + Н2О →СО2 + Н2 + 10 ккал
С2Н2 →2С + Н2 + 18 ккал
Помимо указанных, также протекают и реакции образования высших ацетиленовых углеводородов, например, таких как диацетилен, метил ацетилен, винилацетилен и др.
Продукты пиролиза метана.
Ацетилен это бесцветный горючий газ с формулой C2H2. Данное вещество, которое по своей массе легче воздуха, обладает резким запахом. Ацетилен был впервые получен в 1836 году химиком Эдмондом Дэви, который получил его путем обработки карбида калия водой. Тогда ацетилен было решено использовать для освещения улиц. Ацетиленовые горелки давали примерно в 15 раз больше света, нежели обычные газовые фонари на метане, которыми освещали улицы. С течением времени они были вытеснены электрическими фонарями, но еще долго использовались в отдельных местностях.
Данное вещество так и осталось бы забытым, если бы не развитие химической промышленности не нашло ему новое применение. В середине прошлого века ацетилен нашел все более широкое применение в качестве исходного сырья при производстве самых различных химических продуктов. Ацитилен используется для получения:
- мономеров для хлоропренового каучука
- различных пластических масс (поливинилхлорид, поливинилацет)
- химических волокон
- растворителей
Источник