Прямая конверсия природного газа
Наибольший интерес исследователей и производителей в этой области в последнее время привлекают два процесса:
- Прямое каталитическое превращение метана в этилен – прямая окислительная конденсация метана (ОКМ).
- Прямое каталитическое окисление метана в кислородсодержащие продукты (спирты, формальдегид и т.д.).
Второй процесс термодинамически возможен при атмосферном давлении и нормальной температуре, однако, подходящий для этого катализатор пока не найден, и процесс ведут без катализатора при повышенном давлении. Выход продуктов при этом невысок, следовательно, этот процесс не перспективен в настоящее время для промышленной реализации.
Процесс окислительной конденсации метана (ОКМ) впервые осуществлен в 1980 году Питером Митчеллом. Реакция каталитическая, протекает при температуре выше 700ºС и описывается уравнением:
ΔН800ºС = -277,5 кДж/моль С2Н4.
Соотношение продуктов реакции сильно зависит от условий проведения процесса и вида катализатора.
Переработка метана по такой реакции имеет ряд преимуществ:
1. Превращение метана в этилен осуществляется в одной технологической стадии в отличие от многостадийной конверсии метана в синтез-газ и дальнейшего синтеза.
2. Этилен является основным сырьем нефтехимического синтеза, из него может быть получен широкий ряд химических продуктов.
3. Реакция ОКМ протекает при атмосферном давлении.
В настоящее время достаточно хорошо исследованы механизмы реакции, найдены наиболее эффективные катализаторы, разработаны принципиальные технологические схемы, просчитаны экономические показатели некоторых технологических цепочек, однако, существуют проблемы, препятствующие реализации этого процесса в промышленности:
1. В процессе реакции образуются более реакционноспособные вещества, чем сам метан (этан, этилен). Поэтому те же катализаторы, которые способствовали окислению метана, способствуют окислению продуктов реакции до оксидов углерода и воды. Необходимо предотвращать последующее глубокое окисление продуктов реакции.
2. По этой же причине кислород газовой фазы гораздо легче реагирует с продуктами реакции, чем с метаном. Необходима порционная подача кислорода в реакционную зону и оперативное удаление из нее продуктов реакции.
3. Для приготовления реакционной смеси требуется чистый кислород, что значительно увеличивает стоимость продукции.
4. В процессе реакции выделяется огромное количество теплоты, которое необходимо утилизировать.
Существуют проекты технологических схем, устраняющих эти трудности. Так, например, предложено совместить экзотермическую реакцию ОКМ с эндотермической реакцией дегидрирования этана, таким образом утилизируя тепло. В качестве отличительных черт этой схемы можно выделить:
- Рециркуляция метана и этана.
- Утилизация тепла ОКМ.
- Использование сжиженного природного газа (СПГ) для конденсации и разделения продуктов реакции ОКМ, то есть использование холода СПГ для сепарации продуктов.
- Данная схема предполагает строительство криогенных заводов в местах добычи природного газа с целью выделения гелия и сжижения природного газа.
Сжижение природного газа значительно сокращает потери при его транспортировке (3-7% в сжиженном состоянии и 25-30% при транспортировке по трубопроводу).