Плазмохимическая переработка газов

Введение 

     В условиях истощения мировых запасов нефти и резкого взлета цен на нефтепродукты исследователи и производители стали рассматривать природный газ как альтернативный источник углеводородного сырья. Разведанные запасы природного газа значительно превосходят запасы черного золота. Кроме того, природный газ можно, с известной оговоркой, отнести к возобновляемым источникам энергии и сырья: ведь основные компоненты природного газа – метан и этан – образуются при бактериальном брожении биомассы растительного и животного происхождения, а также в процессах переработки органического сырья.

     В настоящее время природный газ применяется, главным образом, в процессах генерирования теплоты и электроэнергии. Доля природного газа, используемого в России в качестве химического сырья, не превышает 1,5%.

     Между тем, степень переработки природного газа в моторное топливо и ценные химические продукты остается на низком уровне, значительная часть его сжигается в факелах, что приводит к невосполнимой потере ценного сырья и порождает сложные экологические проблемы в регионах добычи. Так, например, в России в нефтяных факелах ежегодно сжигается около 10 млрд м3 попутного газа, что примерно соответствует годовому потреблению природного газа населением страны.

     Столь расточительное отношение к ископаемым источникам сырья недопустимо и требует незамедлительного создания новых технологий переработки легкого углеводородного сырья.  
 
 
 
 
 

Плазмохимическая  технология 

     Плазмохимическая технология основана на использовании низкотемпературной плазмы, по крайней мере на одной из стадий технологии процесса. В плазмохимическая технология различают два принципиально различаются направления, в соответствии с тем, что плазма при данном давлении м. б. квазиравновесной, т. е. характеризуется максвелл-больцмановским распределением частиц по энергиям и единой для всех частиц температурой, и неравновесной, описываемой несколькими температурами для частиц разной массы или для разных типов их движения. Квазиравновесные плазмохимические процессы реализуют при температурах 3000-10000 К и давлениях порядка атмосферного (или выше). В этих условиях резко возрастает скорость хим. превращений по сравнению с традиционными технологиями; высокая уд. энергия плазмы позволяет перерабатывать широкодоступное малоценное или неустойчивое по составу сырье, невыгодное при традиционных технологиях. Высокие скорости плазмохимических процессов (их времена от 0,1 до 10 мс) позволяют существенно миниатюризировать оборудование. Как правило, такие процессы легко управляются и оптимизируются.

     Использование неравновесных плазмохимических процессов основано главным образом на инициировании хим. взаимодействий электронами высоких энергий при сравнительно низких (до 30 кПа) давлениях. Это позволяет осуществлять газофазные синтезы с более высоким выходом, меньшими уд. затратами энергии, сокращать число стадий процесса по сравнению с традиционными технологиями, применять плазму для эффективной обработки и модифицирования поверхностей материалов и изделий, получения и нанесения тонких пленок органических и неорганических веществ. 

     Плазмотрон - газоразрядное устройство для получения плазмы. В крупнотоннажных производствах используют в основном электродуговые генераторы плазмы постоянного или переменного тока промышленной частоты. Их мощность достигает 10 МВт, тепловой кпд (отношение кол-ва энергии, уносимой в единицу времени газом из плазмотрона, к мощности электрической дуги) составляет 85% при ресурсе работы порядка 250 ч. В промышленных условиях в качестве плазмообразующих газов применяют воздух, азот, водород, углекислый газ, в лабораторных условиях также аргон, другие инертные газы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Сокращение  экономических затрат 

     Термодинамическая стабильность метана, основного компонента природного газа, обуславливает высокую энергоемкость и капиталоемкость реализованных в промышленности крупнотоннажных процессов переработки природного газа, таких, как производство метанола, аммиака и водорода.

     Традиционный, термокаталитический метод конверсии попутного и природного газа в жидкие углеводороды (метод Фишера – Тропша) реализуется при температуре 600-700°С и рабочем давлении 4-10 МПа, поэтому является энергоемким и требует больших капитальных затрат.

     Вес технологических установок для переработки попутного и природного газа составляет десятки тысяч тонн, что затрудняет их доставку, монтаж и эксплуатацию в районах нефтегазовых промыслов.

     Наибольший интерес для производства ценных химических продуктов представляет метан. В состав природного газа в зависимости от месторождения входит от 55% до 99% метана.

     Несмотря на многообразие теоретических возможностей превращения метана, наибольший интерес в последнее время привлекают следующие процессы:

– получение  синтез-газа;

– прямое каталитическое превращение метана в этилен – окислительная конденсация метана;

– прямое каталитическое окисление метана в кислородсодержащие продукты – спирты и формальдегид.

     Наиболее привлекательный метод превращения метана – окислительная конденсация. Это процесс каталитический, и протекает он при температурах выше 700°С. В настоящее время исследовательские работы по окислительной конденсации метана завершены: изучены механизмы реакции, исследованы различные катализаторы и предложены наиболее эффективные из них. Однако процесс все еще далек от практической реализации, так как имеются проблемы, без решения которых он не может быть внедрен в производство.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Плазмохимическая  технология переработки нефтяных газов  

     В настоящее время в исследованиях, посвященных процессам переработки попутного и природного газа, появилось новое направление, которое позволило преодолеть трудности процесса конверсии предельных углеводородов и создать все предпосылки для того, чтобы в ближайшие годы химическая переработка попутного и природного газа заняла достойное место в производстве ценных продуктов газохимии.

     Группа ученых, работающих в области физики разрядных явлений, создала принципиально новую плазмохимическую технологию переработки углеводородных газов, в результате которой получают широкий спектр ценных химических продуктов, в число которых входят дизельное топливо, высокооктановый бензин, высокооктановые компоненты топлив, этилен, пропилен, кислородсодержащие углеводородные продукты, олефиновые углеводороды и другие виды сырья крупнотоннажного органического синтеза.

     В основу новой технологии заложены результаты фундаментальных научных исследований в области плазмохимических процессов конверсии углеводородов, основанных на пучково-плазменных, электроразрядных и микроволновых методах воздействия, позволяющих обеспечить максимальную концентрацию электрофизического воздействия на обрабатываемую среду.

     По новой технологии могут перерабатываться нефтезаводские, попутные и природные газы, а также биогаз.

     Установки по плазмохимической переработке углеводородных газов могут использоваться как непосредственно на нефтегазодобывающих промыслах, так и на нефтегазоперерабатывающих заводах.  

     На переработку поступает попутный или природный газ, который был подвергнут стандартным процессам осушки, выделения газового конденсата, кислых газов (CO2 и H2S) и других примесей, подлежащих удалению.

     По плазмохимической технологии может успешно перерабатыватся пропан-бутановая фракция сжиженного нефтезаводского и природного газов.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Принцип действия 

     Очищенный углеводородный газ подается в смеситель непрерывного действия, в котором приготавливается реакционная смесь, состоящая из углеводородного газа и окислителя. В качестве окислителя используется очищенный атмосферный воздух.

     Переработка реакционной смеси осуществляется в плазмохимическом реакторе, который представляет собой стальной вертикальный аппарат колонного типа. В корпусе реактора размещен стационарный слой катализатора необходимой высоты.

     Реакционная смесь при температуре окружающей среды и атмосферном давлении равномерно подается в колонну сверху. В объеме катализатора генерируется диффузионный электрический разряд, равномерно заполняющий весь слой катализатора. Инициирование разряда осуществляется высоковольтными импульсами напряжения, подаваемыми от генератора.

     Реакционная смесь, поступающая в слой катализатора, подвергается мощному электрофизическому воздействию неравновесной плазмы электрического разряда.

     В результате протекания в реакторе плазмохимических процессов происходит высокоскоростная конверсия углеводородного газа в конечные продукты органического синтеза.

     Выделяющееся в результате реакции тепло непрерывно отводится из реакционной зоны при помощи водоохлаждаемого змеевика.

     На охлаждаемых поверхностях реактора происходит конденсация паров углеводородов. Образовавшийся конденсат стекает вниз, обеспечивая, тем самым, быстрый вывод продуктов реакции из зоны действия разряда. Конденсат собирается в нижней зоне колонны и насосом подается на последующую стадию приготовления готовой продукции.  

Топливо для Севера 

     Для плазмохимической технологии переработки углеводородных газов создан специальный полифункциональный катализатор, позволяющий в одну стадию при одном проходе углеводородного сырья проводить до 4 реакций одновременно.

     Синтетические моторные топлива, полученные из углеводородных газов по плазмохимической технологии, являются экологически чистыми. В них отсутствуют сернистые компоненты, канцерогенные полиароматические углеводороды. Дизельное топливо имеет высокое цетановое число (>65), что очень важно для работы двигателя. Оно соответствует требованиям Евростандарта, что позволяет производителям осуществлять его экспортную реализацию на европейском рынке, а также применять в мегаполисах.

     Производство синтетического моторного топлива из углеводородных газов по новому способу позволяет в среднем в 3-5 раз снизить его себестоимость по сравнению с аналогичными видами моторного топлива, производимыми из нефти.

     Ввод в эксплуатацию непосредственно на нефтегазовых промыслах компактных блочных установок переработки попутных и природных газов по плазмохимической технологии позволит решить и еще одну экономическую задачу, актуальную для удаленных и труднодоступных (например, северных) территорий: отпадет необходимость каждый год тратить огромные средства на завоз туда топлива – необходимые бензин и дизельное топливо можно получать на месте за счет утилизации углеводородных газов.  
 
 
 
 
 

Метанол и полиэтилен 

     Значительные возможности представляет плазмохимическая технология переработки углеводородных газов и в производстве другого продукта газохимии – метанола.

     Для предприятий газовой отрасли России он необходим прежде всего в качестве ингибитора гидратообразования. Ежегодная потребность газовой отрасли в метаноле составляет 280 тыс. тонн. А ожидаемый ввод в эксплуатацию новых месторождений природного газа потребует увеличения расхода метанола: к 2030 году он может возрасти до 600 тыс. тонн в год.

     Для удовлетворения этой потребности наиболее перспективным и экономически выгодным представляется вариант ввода в эксплуатацию компактных модульных плазмохимических установок по производству метанола непосредственно в газодобывающих регионах.

     Важным направлением развития новой технологии переработки углеводородных газов является также производство этилена и пропилена, из которых получают, соответственно, полиэтилен и полипропилен. Прогноз развития российского рынка полиэтилена до 2020 г. показывает, что спрос на полиэтилен будет расти и составит 2,3 млн. тонн. Это говорит о перспективности создания новых производств полиэтилена в России, в частности на предприятиях газовой отрасли.