CC BY
655
УДК 662.755:[662.767:66.093.6]
И. В. Савенкова, Ю. Ю. Михайлова
ТЕХНОЛОГИЯ ОДНОСТАДИЙНОГО СИНТЕЗА ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА
ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА
В настоящее время одной из важнейших проблем, волнующих человечество, является поиск альтернативных энергоносителей. Это связано не только с наступающим дефицитом нефтяного сырья, но и с экологическими проблемами, поскольку использование углеводородного топлива в двигателях внутреннего сгорания сопровождается выбросами в атмосферу огромного количества вредных веществ.
Весьма привлекательной является возможность использования в качестве моторных топлив эфиров и спиртов. Одним из наиболее перспективных топлив для дизельных двигателей является диметиловый эфир (ДМЭ), сырьём для производства которого служит природный газ, что позволяет экономить нефтяные ресурсы [1].
Хотя по теплотворной способности ДМЭ в полтора раза уступает традиционному дизельному топливу, по остальным показателям его превосходство несомненно. Наиболее важная характеристика дизельного топлива - цетановое число. Цетановое число ДМЭ составляет 55-60 против 40-55 для дизельного топлива, температура воспламенения - 235 °С против 250 °С соответственно. Такие свойства позволяют легко запускать холодный двигатель, а присутствие в составе ДМЭ атома кислорода обеспечивает бездымное горение топлива. Кроме того, двигатель, работающий на ДМЭ, практически не шумит. Г лавное же преимущество ДМЭ как дизельного топлива - экологически чистый выхлоп. В выхлопе нет оксидов серы и сажи, и в результате сгорания ДМЭ образуется такое небольшое количество оксидов азота, что выхлоп без всякой очистки соответствует самым жестким в мире экологическим требованиям - ЕиЯО-3 и ИЬБУ (БиЯО-З - последние европейские нормы для автомобильного выхлопа, ИЬБУ - наиболее жесткие в США нормы штата Калифорния) [2].
В настоящее время существуют два подхода к организации производства ДМЭ.
1. Использование двух последовательно работающих реакторов с получением метанола в первом реакторе и его дегидратацией во втором.
2. Использование бифункционального катализатора, когда в реакторе идёт образование метанола с его одновременной дегидратацией в ДМЭ; далее необходима лишь стадия разделения этих продуктов с учетом значительной разницы в температуре кипения ДМЭ (-28 °С), метанола (56 °С) и воды (100 °С) эта стадия осуществляется достаточно просто - ректификацией или последовательной конденсацией [1, 3].
Производство ДМЭ прямым синтезом, минуя стадию получения метанола, экономически более выгодно, т. к. характеризуется меньшими эксплуатационными и капитальными затратами даже в сравнении с производством метанола.
Предполагается, что механизм образования ДМЭ из СО и Н2 отвечает схеме последовательного восстановления оксидов углерода водородом:
СО2 + Н2 « СО + Н2О 2СС +4Н2 ~ (СН3)2О + Н2О
Синтез проводят при давлении около 30,0 МПа, температуре 290-400 °С в адиабатическом реакторе в присутствии катализатора СНМ-У модифицированного (разработка ГНИПИ «Хим-технология», производство ООО НПК «Алвиго-КС», г. Северодонецк, Украина). Ключевой стадией процесса химической конверсии природного газа в ДМЭ является стадия превращения метана в синтез-газ, поэтому основной акцент при разработке технологий следует сделать на поиске способа получения более дешевого синтез-газа. Кроме того, обеспечивается низкий уровень выбросов вредных веществ (N02, §О2, СО) в атмосферу. В отличие от западных технологий конверсию синтез-газа в ДМЭ можно осуществлять без стадии ректификации. Общая рециркуляционная схема, характерная для синтеза метанола, остается без изменений.
Предлагаемый способ позволяет получить ДМЭ без примесей метанола. Основным аппаратом в синтезе ДМЭ служит 4-полочный реактор для экзотермических реакций, в котором на решётках уложен в четыре слоя катализатор в виде гранул размерами 5 х 5 мм. От синтеза метанола он отличается лишь способом размещения катализатора дегидратации метанола и циркулирующим агентом, используемым для охлаждения образующихся продуктов. Реактор предназначен для получения газообразного ДМЭ из синтез-газа, поступающего со стадии конверсии природного газа.
Температурный режим реактора поддерживают подачей холодного (байпасного) газа между слоями катализатора.
Производительность катализатора СНМ-У-модифицированного с учетом всех потерь по ДМЭ - 12-13 т/сут. Бифункциональный катализатор загружается в количестве 6,2 м3 в 4-полочную колонну синтеза ДМЭ. Распределение катализатора по слоям будет следующим: на первую полку загружается 0,5 м3 катализатора, на вторую полку - 0,9 м3, на третью - 1,7 м3, на четвёртую - 3,1 м3.
Аппаратура процесса ректификации ДМЭ и метанола не отличается от общеизвестной ректификационной. Для ректификации используют аппараты колонного типа. Процесс обезэфи-ривания и предварительной ректификации осуществляют в колоннах как насадочного, так и тарельчатого типа. Колонны снабжены тарелками колпачковыми с туннельными и капсульными колпачками; ситчатыми (крупнодырчатыми), клапанными с клапанами типа «Глитч» и прямоточными клапанами. Лучше всего зарекомендовали себя ситчатые крупнодырчатые тарелки. Они просты в изготовлении и надёжны в работе. Свободное сечение тарелок по высоте колонны основной ректификации неодинаково и изменяется в пределах 6,0-8,4 % [4].
Отделение синтез-газа от циркуляционного газа осуществляется в горизонтальных или вертикальных сепараторах. При этом часть смеси ДМЭ, спиртов и воды оседает под действием гравитационных сил, а капельная и туманообразная жидкость отделяются на специально установленных в верхней части аппарата металлических сетках.
Диметиловый эфир - потенциально крупнотоннажный продукт, масштабы потребления которого могут оказаться сопоставимыми с масштабами потребления бензина и дизельного топлива.
Предварительные технико-экономические расчеты специалистов показывают, что производство ДМЭ по цене может быть конкурентоспособным с производством нефтяного дизельного топлива и быть ниже цены дизельного топлива, полученного процессом Фишера - Тропша [5].
Спрос на данную продукцию будет расти из года в год. Причина - увеличение потребности в моторном топливе, недорогостоящем, имеющем высокоэффективные экологические показатели и сравнительно высокое качество.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крылов И. Ф., Емельянов В. Е. Альтернативные дизельные топлива. Диметиловый эфир // Мир нефтепродуктов. - 2007. - № 2. - С. 38-39.
2. Новое топливо из природного газа / http://www.methanol.ru.
3. Кессель И. Б. Синтетические жидкие топлива // Актуальные проблемы газохимии: тр. москов. семинара по газохимии. 2002-2003 гг. - М.: Нефть и газ, 2004. - С. 41-62.
4. Промышленные испытания катализатора прямого синтеза диметилового эфира из СО-содержащего газа на метанольном производстве / Д. В. Ляхин, А. П. Какичев, Л. Н. Морозов и др. // Химическая промышленность. - 2005. - Т. 82, № 10. - С. 485-491.
5. Технология синтетического метанола / М. М. Караваев, В. Е. Леонов, Е. Г. Попов, Е. Т. Шепелев. -М.: Химия, 1984. - С. 187-189.
Статья поступила в редакцию 22.10.2008
TECHNOLOGY OF ONE-PHASE SYNTHESIS OF DIMETHYL ETHER FROM NATURAL GAS
I. V. Savenkova, Yu. Yu. Mikhailova
Dimethyl ether is not expensive petrol, which has high-efficient ecological indices and comparatively high quality. The technology of direct synthesis of dimethyl ether with the use of bifunctional catalyst, when in the reactor the process of methanol generation with its simultaneous dehydration into dimethyl ether takes place, is described. The natural gas is used as alternative raw material, which leads to economizing of oil resources.
Key words: dimethyl ether, direct synthesis, alternative energy.
