КОНСТРУКТИВНАЯ ГАЗОХИМИЯ: ТРЕНДЫ И ГОРИЗОНТЫ РАЗВИТИЯ В РОССИЙСКИХ РЕАЛИЯХ Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 665.72

DOI 10.46920/2409-5516_2021_6160_50

Конструктивная газохимия: тренды и горизонты развития в российских реалиях

Constructive gas chemistry: trends and development horizons in Russian realities

Валентин ПАРМОН

Председатель CO РАН, академик, д. x. н. e-mail: secretary@sb-ras.ru

ЮрийАРИСТОВИЧ

Директор по научным вопросам,

НТЦ «Газконсалтинг»

e-mail: aristovichyv@gmail.com

сч о

Алексей БРЕШЕВ

Проектный директор НТЦ «Газконсалтинг»

к. э. н., доцент

e-mail: breshev@gmail.com

Артём ВЛАСОВ Руководитель программ по технологическому развитию газовых проектов «Газпромнефть НТЦ» e-mail: vlasov.ai@gazpromneft-ntc.ru

о

СЦ <

Грач ОГАНЕСЯН

Специалист НОЦ «Газпромнефть-Политех» e-mail: gra4oganesyan@gmail.com

Александра САИТОВА Заместитель директора НОЦ «Газпромнефть-Политех», к. х. н. e-mail: gorshkovaaa@minenergo.gov.ru

Valentin PARMON

President of SB RAS, Academician, Ph. doctor of chemistry e-mail: secretary@sb-ras.ru

YuriyARISTOVICH R&D Director,

R&D Center Gasconsulting e-mail: aristovichyv@gmail.com

Aleksey BRESHEV Project Director,

R&D Center Gasconsulting, C. E. Sc. e-mail: breshev@gmail.com

Artem VLASOV

Program ManagerforTechnological Development of Gas Projects, R&D Center Gasconsulting e-mail: vlasov.ai@gazpromneft-ntc.ru

Grach OGANESYAN

Specialist of REC «Gazpromneft-Polytech» e-mail: gra4oganesyan@gmail.com

Aleksandra SAITOVA Candidate of chemical sciences, deputy director of REC Gazpromneft-Polytech e-mail: gorshkovaaa@minenergo.gov.ru

Аннотация. Авторы рассматривают наиболее интересные химические процессы в современной газохимии. Отдельное место в статье занимает анализ процессов получения водорода. Авторы анализируют критерии отбора наиболее эффективных и экологически 51

чистыхтехнологий.

Ключевые слова: газохимия, водород, метанол, метан.

Abstract. The authors consider the most interesting chemical processes in modern gas chemistry. A separate place in the article is occupied by the analysis of the processes of hydrogen production. The authors analyze the criteria for selecting the most effective and environmentally friendly technologies.

Keywords: gas chemistry, hydrogen, methanol, methane.

В мировой политике наступило время глобального потепления, то есть всеобщего признания существенных климатических изменений

Есть ли потепление, нет ли -а делать что-то придётся

Пока учёные мужи всех рангов, национальной принадлежности и направлений научных интересов жарко спорят о наличии или отсутствии глобального потепления на нашей планете и возможных величинах его проявлений, оно, это самое потепление, наступило. Нет, не в природе. Коллектив авторов вовсе не намерен в рамках этой статьи занять одну из сторон в указанном споре. Глобальное потепление наступило в сфере мировой политики. Но не в смысле улучшения отношений между странами -здесь видится иная ситуация - а в смысле всеобщего признания существенных климатических изменений и введения глобальных мер, направленных на масштабную

Порт Сабетта

HcT04HHK:Kadnik0vValerii/Depositphotos.com

борьбу с назначенными виновниками этого явления.

Объективных данных, позволяющих построить хоть сколько-нибудь адекватные модели и сделать научно обоснованные выводы не существует. Очевидно, что это никак не препятствует введению всё более крупных и действенных рычагов, приводящих в движение маховики, пружины, а где-то и жернова переустройства мирового промышленного производства. Декарбонизация, водородная энергетика, возобновляемые источники. Эти слова и их сочетания не о будущем - для мировой индустрии они уже обозначают вполне исчислимые штрафы, пошлины, преференции

сч о

о с

СЦ <

Исследуя возможные пути переделов и химические превращения, логично одновременно не сбрасывать со счетов получение водорода - один из серьезных путей декарбонизации конечной продукции

и новые законы эффективности производства продуктов, развития старых и формирования новых рынков.

Попытаемся найти обоснованные пути возможных действий для российской отрасли добычи и переработки углеводородов в уже изменившихся и стремительно трансформирующихся условиях действия всё новых факторов.

Главные тренды добычи углеводородов в России таковы:

• движение на восток, где практически полностью отсутствует промышленная и логистическая инфраструктура;

• движение на север, где невозможно построение привычной инженерной и логистической структуры, а климатические параметры экстремальны по отношению ко всем мировым аналогам;

• увеличение газовой составляющей углеводородных запасов.

Нигде в мире нет региона с одновременным и столь значительным влиянием перечисленных трендов на большую часть отраслей, связанных с добычей и обращением углеводородного сырья. Россия снова не такая, как все? Это так, особенно в отношении технических аспектов промышленного обустройства в Восточной Сибири и Арктике. Дело не только в климатических условиях. Логистические цепочки сырья и продуктов настолько необычны, что поиск других, неиспользуемых в мировой практике путей представляется неизбежным.

Крупные технологические проекты последних лет, такие как Амурский ГХК, «ЗапСибНефтехим», Усть-Кутский завод полимеров и логистические, такие как «Сила Сибири», порт Сабетта и логистический комплекс на Ямале выстроены в местах, где экстремальные параметры размещения, всё же сочетаются с несколькими локальными преимуществами, что и позволи-

Порт Сабетта Иcтoчник:KadnikovValerii/Depositphotos.com

ло добиться экономической целесообразности за счёт максимального укрупнения величин переработки и транспортировки. Но перечень таких мест с сочетанием преимуществ, очевидно, иссяк. Страна у нас, конечно, огромная, но и она не бесконечна.

Газохимия: современно и своевременно

В мировом углеводородном сообществе, конечно, неспокойно в ожидании крупнейших за последнее столетие перемен. Шутка ли, гиганты добытчики уже серьёзно инвестируют не только в декарбонизацию углеводородных источников, но и в возобновляемую энергетику. Мир явно готовится стать иным. Среди высоких децибел информационного шума о новом облике светлого энергетического будущего всё более явно прослеживается голос совсем не нового, но очень необычного направления развития - газохимия.

Современный интерес к газохимии обусловлен несколькими причинами:

• увеличение газовых факторов сырья усиливает логику перемещения переработки в сторону объектов добычи;

• тенденция увеличения стоимости транспорта газовых продуктов при одновременном технологическом

снижении затрат на глубокую переработку;

• газохимические процессы предоставляют возможность снижения «углеродного следа» продукции.

Под газохимией (хотя есть и другие варианты трактовки) обычно понимают переработку газообразных в нормальных условиях видов углеводородного сырья в конечные продукты производства. Эта область компетенций в разделении труда нефтяного бизнеса всегда относилась к Upstream. Но с учётом перечисленных факторов постепенно перемещается, а где-то уже и располагается, в Downstream - настолько отличны критерии выбора в новых реалиях добычи. Процессы газохимии стало необхо-

Преимущество водорода понятно: при его сжигании не образуется С02, однако объем выбросов КОх превосходят выбросы сжигания природного газа. При этом Н2 имеет высокий потенциал как накопитель

сч о

о с

СЦ <

Зимний вид на Байкал

McT04HHK:shk0nst/Depositphotos.com

сч о

о

СЦ <

димо сочетать с конфигурацией обустройства добычи уже на ранних фазах развития серьёзных проектов.

Есть ли альтернативы развитию газохимических процессов в мире и РФ? В мире - безусловно, есть. Путей получения продуктов много, и самый эффективный из них находится путем перебора огромного числа технологических возможностей. А вот в России сопоставимой альтернативы в очень многих случаях просто нет, и быть не может. И вот почему:

• очень высокое содержание газовой части в балансе прогнозного сырья;

• большие расстояния между местами добычи;

Стоимость прокладки 1 км участка трубопровода в Восточной Сибири в 2-4 раза выше, чем в Западной Сибири, а в Арктике мультипликатор может достигать значений в один-полтора десятка

• большое число сравнительно небольших единичных количеств газового сырья и неликвидных фракций. В сочетании с общей проблемой логистики и всех инженерных параметров удалённых объектов размещения видна очевидная необходимость организации хоть какой-то, но довольно глубокой переработки на месте. Укрупнение единичной мощности даже при значительном увеличении глубины переработки и,соответственно, цены продукции,диктует необходимость систем сбора сырья, которая съедает полностью все преимущества такого пути.

Среднее расстояние между кустами добычи в Восточной Сибири сегодня составляет порядка 300-400 км, в арктической зоне и на Ямале - 150-300 км. При этом средние величины продуктивности на кустах добычи обычно не выше сопоставимых значений в других регионах в начале их разработки, а иногда и существенно ниже. Стоимость прокладки 1 км наземного участка трубопровода в 2-4 раза выше значений по Западной Сибири, а в арктических локациях мультипликатор может достигать значений в один-полто-ра десятка. Поэтому даже строительство продуктовых магистралей не обеспечит эффективность таких объектов.

В сочетании с общей проблемой логистики и всех инженерных параметров удалённых объектов размещения видна очевидная необходимость организации хоть какой-то глубокой переработки на месте

По линии вывоза и сбыта продуктов даже строительство крупных портовых сооружений - путь спасения многих объектов практически в любых южных регионах - само по себе не сулит существенных перспектив. Сама стоимость таких сооружений очень высока. Но морская структура логистики не решает проблему неликвидной части газового сырья. Получается довольно необычная ситуация: стоимость инженерного решения вопроса ликвидности газовой части настолько выше его конечной цены, что делает и нефтяную часть продукции неспособной вытащить проект в зону рентабельности. Парадокс?

На верхнем уровне решение выглядит довольно просто и состоит из всего нескольких составляющих:

Ангарская нефтехимическая компания Источник: «Роснефть»

• нужно увеличить стоимость продукции из газового сырья путём углубления переработки;

• не следует укрупнять мощность, наоборот, следует искать процессы, в которых возможно добиться адекватной эффективности в сравнительно небольших технологических объёмах;

• необходимо искать пути взаимного влияния факторов, применяемых процессов и логистических путей, в том числе и возможностей по декарбонизации -только наличие синергии таких факторов позволит добиться резонных экономических значений в таких необычных условиях.

Новый взгляд на вещи: какие нужны процессы и продукты, а какие нет?

Для демонстрации возможностей газохимии в новых реалиях обращения углеводородного сырья предложен путь постадийного продвижения от верхне-уровневых постулатов к выполнению более конкретных оценок цепочек переделов.

Каждое вещество или соединение имеет индивидуальную энергетическую характеристику - энтальпия образования. Сравнивая величины Д^ потенциальных сырьевых и конечных продуктов, видны неизбежные затраты каждого из переделов.

Исследуя возможные пути переделов и химические превращения, логично одновременно не сбрасывать со счетов и возможность получения водорода -один из серьезных путей декарбонизации конечной продукции, а значит и её ликвидности.

Не следует, конечно, забывать и про углеродный след любой продукции на выходе. В этом вопросе ожидаются очень жесткие экономические меры в самое ближайшее время. Эта тема подробно рассмотрена в статье [1].

Здесь и ниже представлены,конечно, не все возможные пути химических превращений и переделов на их основе. Цель статьи - лишь продемонстрировать подход к выбору и первичной оценке различных вариантов.

гч о

о с

СЦ <

гч о

Уравнения реакции ДН реакции кДж/моль Количество выделяемого водорода кг/кг компонента в сырье

зн2 + т2++ 21\ш3 -91.88 0

СН4 ^ С + 2Н2 74.87 0.25

2СН4 ^ С2н2 + ЗН2 376.48 0.19

С2Н6 ^ С2Н4 + Н2 137.14 0.07

С3Н8 ^ С3Н6 +Н2 124.21 0.05

ЗС2Н2 ^ С6Н6 -597.39 0

ЗС2Н6 - СД +5Н2 336.81 0.11

6СН4 - С6Н6 + 9Н2 532.04 0.19

2С3Н8 - СД +5Н2 290.4 0.11

2п-С4Н10 ^ р-СД0 +5^ 269.1 0.09

С3Н8 + п-С4Н10 - С7Н8 + 5Н2 279.4 0.09

СН4 + С3Н8 + П-С4Н10 - р-С8Ню + 6Н2 322.17 0.1

СН4 + 2СД - С7Н8+6Н2 332.47 0.14

СН4 +С2Н6 + сд- с6н6 + 6Н2 346.14 0.27

СН4 + п-СД2 ^ С6Н6 +5Н, 4 5 12 6 6 2 304.07 0.14

сн3-сн2-сн3 ^сн2 =сн2+сн4 81.39 0

сн3- сн2- сн2- сн3 ^ сн2 = сн - сн3 + сн4 71.14 0

сн4 +н2о ^ со + зн2 206.17 0.38

со + н2о ^ со2 +н2 -41.17 0.07

С0 + 2Н2 ^ СН40 -94.47 0

2С6Н50Н + С3Н60 - С15Н1602 + Н2° -62.55 0

С15Н1602 + (С1С6Н4)25°2 - РБи -5.87 0

СН30Н + 0.502—> нсон + н2о -330.93 0

СДОН + НСОН ^ Смола 6 5 -82.3 0

2СДС1 + З03^ (С1С6Н4)2Э02 + Н20 31.04 0

СД + N,0 ^ СД0Н + 1\12 6 6 2 6 5 2 -261.29 0

СД0Н + ЗН2 ^ С6Н110Н 6 5 2 6 11 -193.56 0

С6Н110Н + 2Н1\103^ С00Н(СН2)4С00Н + 2Н20 + ^0 -864.322 0

Таблица 1. Энергетические значения некоторых процессов газохимии и величины образующегося водорода

о

СЦ <

Из представленных в таблице 1 данных видно, что наибольший интерес с точки зрения энергетической составляющей представляют такие процессы, как (их показатели выделены зелёным цветом): получение бензола, бисфенола-А, метанола, а с точки зрения получения ресурсов водорода в процессе - конечно лидирует пиролиз метана.

Не будем в числе вариантов и примеров рассматривать аммиак, крайне интересный энергоноситель и возможный источник целого ряда производных. Но путь аминов заслуживает отдельной большой статьи.

Эти энергоносители показывают всё более интенсивное в мировой практике, по этой теме достаточно много написано, мы же исследуем более простые и понятные цепочки для демонстрации методики и самого подхода к проработке конкретных вариантов.

Отдельно стоит обратить внимание на реакции, выделенные серым цветом. Все они требуют энергетических затрат, однако не слишком существенных. При этом все эти превращения служат существенными источниками водорода. Эта группа реакций

процессов ароматизации компонентов попутного нефтяного газа с получением, как правило, смеси БТК (бензол, толуол, ксилол).

Для дальнейших рассуждений пока воспользуемся обычной логикой проектного продвижения. В таблице 2 и далее следует краткое описание процессов получения выбранных путей получения продукции.

Следом представим краткое описание некоторых процессов газохимии, уместных к рассмотрению в рассматриваемых условиях, с наиболее важными для их выбора характеристиками в варианте локальной реализации:

1. ПНГ в БТК (бензол, толуол, ксилол) -это одностадийный каталитический процесс получения смеси ароматических углеводородов (бензол, толуол, ксилолы, фракция Сд, фракция С10+ выше, состоящая преимущественно из нафталиновых углеводородов) из легкого углеводородного сырья, представляющего собой в основном углеводороды С2-С5 с вовлеченным в процесс ароматизации СН4 (до 10 %) [2].

В зависимости от состава исходных углеводородных газов и режима проведения каталитического процесса применительно к нуждам потребителей может быть получен концентрат ароматических углеводородов с различным содержанием компонентов. Процесс может быть реализован на малогабаритных блочных установках (МГБУ), расположенных непосредственно в районах газо- и нефтедобычи, на установках подготовки нефти (УПН), установках подготовки газа (УПГ), установках комплексной подготовки газа (УКПГ). Гибкая технология процесса позволяет также использовать его в составе нефтехимических производств, например, в составе установок пиролиза СУГ и ШФЛУ для получения дополнительных количеств ароматических углеводородов из образующейся в процессе Аркон этан-пропановой фракции, являющейся идеальным сырьем пиролиза для получения мономеров.

В состав установки входит реакторный блок, блок сепарации и стабилизации продуктов катализа, мембранный блок получения технического азота для продувок и регенерации катализатора и узел окислительной регенерации катализатора азотно-воздушной смесью в циркуляционном контуре. Реакторный блок включает две параллельно работающие линии (в каждой из них по два последовательно подключенных реакто-

ра), одна из которых находится в работе, одна на регенерации.

2. Производство этана. Принципиальную схему установки можно описать следующим образом. Сырье в смеси с водяным паром (объемное соотношение «сырье - водяной пар», 7-9:1) нагревается в нескольких параллельно работающих печах пиролиза до 800-900 °С, где происходит сильно эндотермическая реакция дегидрирования при давлении ниже атмосферного (0,010,02 МПа). После прохождения печи реакционная смесь охлаждается в закалочно-испарительном аппарате до 370-420 °С. Аппарат используется для выработки пара, передающего энергию турбокомпрессо-

Получение метанола в промышленности Источник: dmaeuropa.com

ру. Пройдя предварительное комприми-рование, реакционная смесь разделяется в одной или нескольких ректификационных колоннах с получением этан-этиленовой смеси и побочных продуктов.

3. Дегидрирование пропана в пропилен. Технология Catofin представляет собой превращение пропана в пропилен дегидрированием в одну ступень в группе горизонтальных адиабатических реакторов, работающих параллельно, на стационарном слое Сг203/у-А1203 катализатора. Реакторы работают в режимах «реакция - регенерация». Длительность рабочего цикла составляет около 20-30 минут. Процесс протекает при 560-610 °С и 0,3-0,5 кПа. Конверсия пропана варьируется в пределах 45-50 %,

сч о

с; о с

СЦ <

В ближайшем будущем необходимость производства водорода повысится в несколько раз, а «зеленая» энергетика не сможет удовлетворить потребность в таких объемах и будет достаточно затратной

селективность по пропилену 82-87 %. Непрерывность процесса обеспечивается благодаря наличию как минимум трех параллельных реакторов. Тепло в зону реакции поступает с сырьем, а также используется тепло, полученное катализатором на стадии регенерации, которая осуществляется в несколько стадий: продувка перегретым водяным паром;выжигание кокса смесью воздуха и метана [4-5]. Длительность цикла дегидрирования ограничена количеством тепла, аккумулируемого катализатором, поскольку реакция сильно эндотермическая. При наличии сырья изобутана позволяет производить изобутилен.

4. Парциальное окисление метана. Процесс протекает при температуре 1500 оС. Сырье и кислород, пройдя предварительный раздельный подогрев, подаются в горелку. Пройдя зоны смешения, они подаются в реакционную зону, где поджигаются. Образовавшаяся на выходе из реакционной зоны смесь быстро охлаждается (водой или маслом). Охлаждение водой является наиболее простым вариантом, однако это менее термически эффективно, чем при охлаждении маслом. Альтернативой может служить охлаждение легкими углеводородами, что приведет к образованию дополнительного количества ацетилена и этилена в температурном диапазоне 1500-800 оС. Такой процесс обычно называется двухступенчатым [б]. Продуктовая смесь состоит из ацетилена и продуктов парциального сгорания сырья. В качестве сырья могут служить легкие углеводороды от метана до нафты.

5. Производство фенолформальдегид-ной смолы. В традиционном новолачном процессе расплавленный фенол загружается в реактор с мешалкой, после чего подается кислотный катализатор (серная кислота, сульфоновая кислота, щавелевая кислота). Раствор формальдегида добавляется при температуре около 90 °С. Соотношение «формальдегид - фенол» поддер-

Оренбургский гелиевый завод Источник:соМго1епд.ги

Уравнения реакции Реализуемость на малых месторождениях Реализуемость на удаленных месторождениях Ценовой диапазон исходного сырья Ценовой диапазон конечной продукции Условия процесса Стоимость катализатора Необходимость внешних сырьевых компонентов

3H2+2N2~2NH3 Затруднена Сопряжена с трудностями Баллон водорода (40 л) - 2-3 т. р. Аммиак водный 23-30 т. р./т; Аммиак99,9%, Баллон 40 л-5т. р. 150 атм, 436 °С Низкая

СН4 —► С + 2Н2 Облегчена Сопряжена с трудностями 5-1 От. р. за 1000 м3 Технический углерод: от 55 до 220 т. р. за тонну; Баллон водорода 40 л - 2848 р. >1000 °С, атм. давление Требуется электричество

2СН4 —► С2Н2 + ЗН2 Затруднена Затруднена 5-1 От. р. за 1000 м3 Баллон 40 л - 5-9 т. р.; Заправка-2-3 т. р. 1500 "С, атм. давление Низкая

С2Н6 —> С2Н4 + Н2 Затруднена Затруднена - 35,5-46,5 т. р./т 800-900 °С, 2-3 атм Средняя

СЗН8 —> С,Н_ + Н, 3 6 2 Затруднена Затруднена - до 33,5-36,3 т. р./т 600-900 °С, 1-3 атм Средняя

ЗС2Н2->С6Н6 Затруднена Затруднена Баллон 40 л - 5-9 т. р.; Заправка-2-3 т. р. Бензол-37871 р./т 60-70 "С, 15 атм Средняя

6СН4 —> С6Н6 +9Н2; ЗС2Н6 —> С6Н6 + 5Н2; 2С3Н8 -С6Н6 + 5Н2;2п-С4Н10-р-С8Н10+5Н2;С3Н8 + п-С4Н10-С7Н8 + 5Н2;СН4 + С3Н8 + П-СД0-р-С8Н10 + 6Н2;СН4 + 2С3Н8-С7Н8 + 6Н2;СН4 + СД + С3Н8 -> СД + 6Н2; СН4 + n-С Д, -> СД 2 6 38 66 2' 4 512 66 + 5Н2; СН3-СН2-СН3 -> СН2=СН2 + СН4; СН3-СН,-СН,-СН, —> СН,=СН-СН, + сн. Облегчена Облегчена - Бензол-35-40 т. р./т; Толуол -40-43 т. р./т; п-ксилол-78-83т. р./т 500-580 °С, 0,3-1 МПа Низкая

сн4 + н2о^со + зн2 Облегчена 5-1 От. р. за 1000 м3 850 "С, 25-35 атм Средняя

со + н2о^со2 + н2 Облегчена - -

СО + 2Н2 —> СН30Н Облегчена Облегчена - 18-22 т. р./т 250 "С, 50 атм Низкая

СД+1\120^СД0Н + 1\12 6 6 2 6 5 2 Облегчена Облегчена Бензол - 37871 р./т; N,0-12-13 т. р. (40 л) 80-180 т. р./т 400-450 °С; атм. давление Низкая n2o

2С6Н50Н + С3Н60-С15Н1602 + Н20 Сопряжена с трудностями Сопряжена с трудностями 80-180 т. р. за тонну 150-250 т. р./т 50-100°С Низкая HCl, ацетон

c15h16o2+(cic6h;2so2-psu Сопряжена с трудностями Сопряжена с трудностями Бисфенол А — 150— 250 т. р./т; Дихлорди-фенилсульфон -1300— 2700 р./кг (порошок) 900-3600 р./кг 130-160°С Низкая Бензол, диметилсуль- фоксид, Na0H/K,C03

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ПОЛИТИКА №6(1 60) / 2021

ХИМИЯ

ел ю

■о х 9 Р-

_

\о о о г

ф ^

Ш ф

^ £0 £ 1

о 1-

о

го ус

т Я го В-

£

ГО о

52

° Ц

со ^

о О

£ х 11

— з

о .о г

0 I ф Ф Ф ^

СО ГО о

1

Ф я £

о ^ $

ш

§ 2 а.

Ё го о

О о ста оэ

I

о

о

о " со ^ 3"

г— сз

о ^

т з го

т Ё. т ^

* 8

^ я

^ о

о

Т

ЭЕ ¡= -&!

* 8

^ я

^ о

т

^ я

^ о

о

т

* 8

^ я

^ о

о о о

о о

Таблица 2. (Продолжение)

живается на уровне 0,75-0,85:1. Реакция протекает с выделением тепла, которое снимается посредством воды, смешанной с формальдегидом. Данный раствор при попадании в реактор испаряется и, конденсируясь в холодильнике, подается обратно в реактор. Помимо воды, может использоваться толуол или ксилол. Реакция завершается через 6-8 часов при температуре 95 °С. Далее происходит вакуумная очистка от воды, свободного фенола и других летучих веществ при 140-160 °С. Щавелевая кислота не требует нейтрализации, распадаясь на СО, С02 и воду. Серная и суль-фоновая кислоты требуют нейтрализации известью [7].

6. Производство полисульфонов. Коммерческий синтез полисульфонов осуществляется путем поликонденсации с ну-клеофильным замещением, который включает реакцию бисфенола А с 4,4-дихлор-дифениломфульфоном в биполярном апротонном растворителе в присутствии щелочного основания. Таким растворителем могут служить: М-метил-2-пирролиди-нон, диметилацетамид, сульфолан и ди-метилсульфоксид. В качестве щелочного основания может служить: гидроксиды натрия и калия, карбонат калия. Реагируя в смеси с щелочью, бисфенол образует бищелочную соль, которая в свою очередь взаимодействует с 4,4-дихлордифенил-сульфоном с образованием полисульфона (РБР/РЗи). Типичный температурный диапазон полимеризации полисульфона -130-160 °С [8]. См. рис.1.

7. Тримеризация ацетилена. Это один из способов производства бензола. Процесс протекает на никелевом катализаторе в температурном диапазоне 65-75 °С при давлении 15 атм. При этом выход бензола составляет 88 %, а выход побочного продукта, стирола - 12 % [9,10]. Процесс не находит широкого применения в промышленном производстве, так как альтернативные технологии в увязке с существующими процессами глубокой нефтепереработки оказываются более эффективными.

8. Пиролиз метана. Процесс может проводиться в различных технологических условиях в зависимости от целей и требуемых форм получения углерода. Он может быть осуществлён в обычном реакторе для процесса пиролиза, а также в нескольких вариантах плазменных реакторов. В общем случае процесс осу-

ществляется при температурах 800-1200 °С при давлениях 0,5-10 бар. Процесс позволяет получать углеродные нанотрубки различных форм и длины, а также другие виды углеродных материалов. Не смотря на необходимость сжигания части топлива для генерации электричества, плазменный пиролиз метана позволяет снизить выбросы С02 в атмосферу в более, чем 2 раза, по сравнению с альтернативными методами производства аналогичных продуктов [11].

Оценка позволила исключить из анализа ряд технологических процессов и остановиться только на минимальных по рискам и затратам, что позволяет держать проект в плановых экономических параметрах

Процессам пиролиза метана и ПНГ давно уделяют значительное внимание. Однако, в последние годы для получаемых углеродных продуктов находится всё больше вариантов конечного применения. К примеру, уже существуют технологии получения из них волокна. Интересен и тот факт, что ещё недавно значительное количество водорода, образующееся в этих процессах, относили к побочным продуктам.

Про водород -ну как без него?

Все большее внимание на повестке обсуждений как на межгосударственном, так и внутрикорпоративном уровнях уделяется вопросам декарбонизации и разработке инновационных подходов по получению и использованию водородной энергетики, как одному из наиболее перспективных путей снижения углеродного следа, обладающий высоким потенциалом в качестве энергоносителя.

Международные стратегии разрабатывают различные финансовые рычаги и стимулы для продвижения декарбонизации энергетики. Так, в 2018 году насчитывалось около 50 мер, поддерживающих энергетическое использование водорода преимущественно в логистике, а к 2020 году акценты переместились и на промышленность и энергетику. Ряд стран уже организовали партнерства по развитию технологий водородной энергетики, в частности Австралия совместно с Японией организовала пилотный проект по созданию цепочки поставок водорода, а с Кореей сотрудничает в области экспорта и импорта водорода.

Однако, технические возможности нынешней стадии развития водородной энергетики связаны с низкой конкурентоспособностью предлагаемых разработок, высокими издержками производства, сложностями хранения и логистики водорода до потребителя. Основной спрос будет за коммерчески дешевыми и достаточно простыми для изготовления и внедрения технологиями.

Рис. 1

сн.

N90

(1) СНз

\ /

0№ + С1

СН,

С1

0 о <2>

4- о

\ /

о

сн.

о

В настоящее время наиболее эффективно производить водород возможно либо из природного газа или угля («серый» водород) с использованием технологий улавливания и хранения углерода (CCS) («голубой» водород), либо путем электролиза, используя электроэнергию с низким углеродным следом («зеленый» водород).

Основное преимущество водорода понятно: при его сжигании не образуется С02, однако количество выбросов NOx превосходят аналогичные выбросы сжигания природного газа. Также водород имеет высокий потенциал использования в качестве средства хранения энергии, что особенно актуально для растущей доли ВЭИ.

сч о

о

СЦ <

Завод «Акрон», Великий Новгород Источник: ud.acron.ru

По оценкам экспертов, в ближайшем будущем необходимость производства водорода повысится в несколько раз, а «зеленая» энергетика не только не сможет удовлетворить потребность в таких объемах, но остаётся достаточно затратной. Так, по оценкам IRENA на 2019 г. стоимость 1 кг водорода на базе ветровой энергии составляет в среднем около 4 долл., солнечной -почти 7 долл., из угля или газа обходится в 1,5-2,5 долл. (даже с учетом CCS) и такой разрыв не исчезнет в ближайшие 10-15 лет.

В сложившихся условиях межгосударственной поддержки актуальным становится продвижение водородных технологий, особенно получение «серого» и «голубого»

водорода из ископаемого сырья. Одними из наиболее отработанных и экономически эффективных методов получения такого перспективного энергоресурса являются газохимические методы утилизации природного газа и ПНП плюсом которых являются не только снижение доли сжигаемых ценных углеводородных ресурсов, но и получение высоколиквидной продукции, которую можно использовать непосредственно на промысле.

Согласно предварительным оценкам ГК «Росатом», схема производства водорода методом паровой конверсии метана с использованием высокопотенциального тепла перспективной РУ ВТГР-200 позволяет производить водород со средневзвешенной стоимостью, оцененной на момент начала проекта при величине ставки дисконтирования 7 %, в диапазоне 1,85-2,35 долл./кг без учета его хранения и доставки, в зависимости от цены потребляемого природного газа от 4260 руб./тыс. кубометров до 9000 руб./тыс. кубометров.

Каков же актуальный статус и перспективы развития водородной энергетики в России? А не очевидно ли, что с учётом климатической и географической специфики нашей необъятной, умноженной на инфраструктурные особенности расстояний между добычей и инфраструктурой, водород следует и добывать, и непосредственно использовать именно ближе к первоначальным его источникам?

Напрашивается несколько выводов:

• для снижения углеродного следа продукции водородную энергетику следует применять в местах добычи, особенно там, где есть неликвидные ресурсы углеводородов;

• низколиквидные ресурсы углеводородов, преимущественно газ, а его доля в балансе добычи стремительно увеличивается - главный источник для водородной энергетики РФ;

• наиболее предпочтительно применение газохимических технологий, в которых водород выделяется в качестве побочного продукта.

И не надо запасать энергию химическими методами с ее неизбежными потерями при трансформациях. Просто использовать в производстве продуктов здесь же, на месте. Каких? Наименее энергоемких и наиболее ценных. Но, с учётом удалённости, достаточно простых в осуществлении.

При этом переделы с изначально высокими удельными затратами, связанны-

ми со сравнительно малыми объемами, могут оказаться вполне эффективными в силу действия других, указанных выше факторов.

Критерии выбора: всё по-новому?

Значительное многообразие процессов, инвариантность выбора продуктов и переделов формирует серьезную задачу построения оптимальной производственной цепочки. В рамках результатов, представленных в этой статье при обосновании выбора технологической

В основе оценки установлена необходимость обеспечить такую организацию технологического процесса, при которой обеспечивается максимально эффективное использование ее элементов (отдельных процессов). Количественная и качественная оценка такой готовности базируется на разработанной математической модели, формально описывающей основные процессы и функции последовательности технологических процессов и базирующейся на применении логико-вероятностных методов формализованного представления состояния производственной цепочки булевой функцией от состояния и ее отдель-

Щекиноазот метанол

Источник: n-azot.ru

цепочки была применена методика оценки, разработанная НТЦ «Газконсалтинг». Логика оценки процессов и переделов строится в следующей последовательности действий:

1. Формирование набора факторов, позволяющих провести сравнительную оценку рассматриваемых процессов.

2. Установление лимитирующих значений и допущений в отношении частных случаев этих факторов.

3. Непосредственно оценка значений.

ных элементов в рассматриваемый момент времени.

Разработка такой модели была обусловлена необходимостью решения задач выбора оптимальной последовательности выполнения технологических процессов, при которой вся цепочка сохраняет готовность к выполнению заданных функциональных задач. При этом она носит динамический характер и обладает более общими свойствами, обеспечивая оптимизационные задачи оценки функциональной готовности, как отдельных элементов (процессов), так

Критерий

Критерий пРивеДенных Рыночный кРитеРий Критерий кРитеРий„ Критерий

гетерии затрат по ГЬ|ничныи влияния ограничений внешних

Уравненияреакции локализации исхо^ному критерии СДрЕХ процесса п^роцесса факторов

^ сырью ^ (а4) ^ (а6) (а7)

(а2)

ЗН2 + 21\12^> 2ЫН3

гч о

СН4—> С + 2Н2 0 1

2СН4 --С2Н2 + ЗН2 0 1 1 1 0

С2Н6 _>'С2Н4 +Н2 0 0 1 1

С3Н8 С3Н6 +Н2 0 0 1 1

ЗС2Н2 -> С6Н6 0 1 1

6СН4 С6Н6 +9Н2;ЗС2Н6 ->

4 6 6 2 2 6

СД + 5Н2;2С3Н8 ^С-Н- + 5^; 2п-С4Н10 — Р-С8Н10 ^СД + п-С4Н10 - С7Н8 + 5Н2, СН4 + сд + п-с4н10 -Р"с8ню + 6н2;

СН4 +2С3Н8 — С7Н8 + 6Н2,-СН4 + С2Н6 + С3Н8 -С-Н- + 6Н2; СН4 + п-С5Н1^ С6Н6 + 5Н,;СН -

5 12 6 6 2 3

СН2 - СН3-»СН2 =СН2 + СН4; СН3_ СЬ^- СН2_ СН3 —> СН2 = СН-СН3 + СН4

сн4 +н2о ->■ со + зн2 1 1111

со + н2о ->■ со2 + н2 1111

С0 + 2Н,

СН„0Н

С6Н6 + N,0 С6Н50Н + М, 6 6 2 6 5 2 1 1 1

2С6Н50Н + С3Н60 — С15Н1602 1 6 5 3 6 15 16 2 + Н20 0 1 1 0

С15Н16О2 + (С1С6Н4)230^ РБи 1 0 1 0

СН30Н+1/202-> нсон + н2о 0 1

С6Н50Н + НСОН —> Смола 1 65 0 1 1 0

2С6Н5С1 + Э03 -> (С1С6Н4)2Э02 1 111 + Н20 1 0

С6Н50Н + ЗН2 — С6Н110Н 1 1 6 5 2 6 11 0

С6Н110Н + 2НЫ03 — 1 С00Н(СН2)4С00Н + 2Н20 + \20 1 1 1

с;

о

Значение критерия ниже установленного лимита

Значение

критерия отражает

условно-лимитирующий

фактор

Полное соответствие полученного критерия заданным границам проекта

СЦ <

Таблица 3. Матричный анализ готовности отдельных технологических процессов к реализации в рамках заданного целевого проекта

Источник:данные в таблице сформированыавтоматически на основе автоматизированной модели расчета готовности технологических процессов к реализации в заданных условиях, разработанной в компании «НТЦ «Газконсалтинг»

Анализ показывает, что получаемая линейка продукции -мономеры, полимеры, продукты органического синтеза - могут приводить к выбору процессов, не нашедших применения в мировой практике

и производственной цепочки в целом. Процесс моделирования функциональной готовности такой системы У(1:) будет зависеть от значения воздействия х^),.., хп(1:) и моделирующих процессов в блоках а^),..., а^) в тот же момент а также от их значений в некоторые предшествующие моменты, число которых предполагается конечным. Зависимость выходного моделирующего процесса от воздействий и конкурентных процессов в ее блоках будет:

У^адх/д.....хДт,).....хп©,хп©.....хп0:

!).....а|(итп+1).....а

где f - моделирующий оператор систем в виде булевой функции, I - текущий момент времени, а д^) - предшествующие моменты, в которых значения воздействий

и состояний блоков влияют на функциональное состояние выхода всей производственной цепочки в текущий момент «Ь.

Приведем полученную сравнительную оценку факторов (таблица 3), которая дает представление о разумности дальнейшего использования того или иного процесса при конструировании производственной цепочки, а также итоговую сравнительную таблицу полученных значений У® в отношении выстраиваемых производственных цепочек (таблица 4).

Предварительная оценка позволила исключить из дальнейшего анализа целый ряд технологических процессов и остановиться в своих расчетах только на тех, реализация которых достигается с учетом минимизации рисков и затрат, а также позволяет держать проект в плановых экономических параметрах или выше.

На основе автоматизированной расчетной модели были получены показатели функциональной готовности такой производственной цепочки У^), и определены приоритетные для проведения предпроект-ной оценки (таблица 4), среди которых оказались цепочки со значением более 0,75.

Ландшафт возможностей

Очевидно, что для серьёзных оценок необходимы значительно более глубокие проработки и расчёты. Однако, при таком значительном числе вариантов и подва-

риантов, каждый из которых может или «вытащить» проект в зону окупаемости, или, наоборот его утопить, такие расчёты вряд ли возможно проводить с соблюдением обычных критериев стоимостного инжиниринга и других применяемых практик.

Наше небольшое исследование направлено на демонстрацию нового подхода и новых технологических возможностей, открывающихся при использовании методики, учитывающей не только проторенные в мировой практике пути и переделы продукции,но и альтернативы в современных реалиях российской добывающей отрасли:

• влияние факторов баланса (величина газовой части в запасах и конкретный компонентный состав), факторов расположения и логистики диктует использование иных зависимостей для определения эффективности, чем определение удельных затрат в соотношении с ценами продуктов;

• возможность применения продуктов в непосредственной близости от их происхождения, величины образования побочных продуктов, сложность реализации в конкретных условиях, другие специфические параметры каждого технологического пути ча-

В зависимости от состава исходных углеводородных газов и режима каталитического процесса может быть получен концентрат ароматических углеводородов с разным содержанием компонентов

сто оказывают большее влияние на эффективность, чем величины капитальных и операционных затрат; • возможность, величина и доля использования водородной энергетики непосредственно в производстве продукции в условиях новой парадигмы может сыграть решающую роль в вопросе целесообразности того или иного производства. Предложенные варианты рассчитаны по имеющемуся в нашем распоряжении набору данных одного из значительных проектов разработки месторождения в северном регионе РФ. Анализ показывает, что получаемая линейка продукции - мономеры,

Таблица 4. Сравнительная таблица полученных значений У(1:) в отношении приоритетно выстраиваемых производственных цепочек

Производственные цепочки Y(t)

ПНГ—»водород и углерод 0,79

ПНГ—»олефины —»полимеры 0,48

ПНГ-»УВ фракции—» СОГ + СУГ + ПБФ + СБГ 0,32

ПНГ—»метанол (одностадийно) 0,6

ПНГ—»синтез-газ—» метанол 0,43

s I-

ПНГ—>БТК—>сепарация продуктов. Далее:

• Бензол —»циклогексан —»циклогексанол/циклогексанон —»адипиновая кислота; • Фенол —> циклогексанол —»адипиновая кислота; 0,82

• Бензол—»фенол—»бисфенол А; 0,78

• Бензол—»хлорбензол—»дихлордифенилсульфон + бисфенол А—»полисульфон (PSU, PSF); 0,88

• Метан —> метанол —»формальдегид —»фенолформальдегидная смола 0,66

Зимний поезд на южном побережьеСахалина

полимеры, продукты органического синтеза - вполне могут приводить к выбору процессов, не нашедших широкого применения в мировой практике. В дополнение следует учитывать, что стремительно развивающаяся индустрия использования полимерных и композиционных материалов во всех отраслях промышленности открывает отдельные возможности по их эффективному применению непосредственно в регионе происхождения, что безусловно выступает индивидуальным фактором эффективности для каждого конкретного объекта. Применение современных способов локального производства, таких как 30-печать, методы

Источник: VladimirE/depositphotos.com

экструзии и литья из различных полимеров, применение водорода в качестве энергоносителя для обеспечения производства несомненно включают совершенно иные перспективы развития газохимии непосредственно в регионах добычи.

В силу специфических реальных условий современной добычи углеводородов в РФ, необходимы иные подходы и инструменты для технологического проектирования объектов на месторождениях. В особенности это относится к новым значительным запасам углеводородов, расположенным в Восточной Сибири и Арктической зоне России.

Использованные источники

сч о

ПармонВ. Н.,ХасановМ. М., ВласовА. И., АристовичЮ. В., БрешевА. И., Мостов И. С., Федоренко В. Д., Яковен-ко Р. Е Умный углерод следов не оставляет // Научный журнал Российского газового общества. № 1(29), 2021. С. 48-57.

АджиевА. Ю., Пуртов П. А. Подготовка и переработка попутного нефтяного газа в России: 1 ч. //Краснодар: ЭДВИ, 2014. 776 с.

Ахметов С. А., Сериков Т. П., Кузеев И. Р., Баязитов М. И. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа // СПб.: Недра, 2006. 868 с. Zimmermann Н. Ргорепе // Uiimann's Encyclopedia of industrial chemistry - Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2013. 18 p.

Zeeshan N. Light alkane dehydrogenation to light olefin technologies: A comprehensive review// Reviews in chemical engineering - 2015, №31(5). P. 413-436.

9.

10.

11.

Pässler P., Hefner W., Buck! K, Meinass H., Meiswinkel A., Wernicke H.-J., Ebersberg G., Müller R., BässlerJ., Behringer H., Mayer D. Acetylene // Uiimann's encyclopedia of industrial chemistry. - Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. DOI: 10.1002/14356007.a01 097.pub3. Kopf P. W. (2002). Phenolic Resins. In Encyclopedia of Polymer Science and Technology (Ed.). DOI: https://doi. org/10.1002/0471440264.pst236

El-Hibri M. J., & Weinberg S. A. (2001). Polysulfones. Encyclopedia of Polymer Science and Technology. DOI: 10.1002/0471440264.pst291

W. Reppe et a!., Justus LiebigsAnn. Chem. 560 (1948) 1. G. Schroder: Cyclooctatetraen, Verlag Chemie, Weinheim, Germany 1965.

Chem. Eng. Technol. 2016, 39, No. 6, P. 1185-1193.

о с

сц <