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:

ΔН_800ºС = -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).