CC BY
29
УДК 662.75
https://doi.org/10.24412/2310-8266-2020-3-4-9-13
Производство синтетического жидкого топлива при подготовке природного газа к транспорту
В.А. Сыроватка1, И.А. Голубева2, Ю.П. Ясьян1, А.Г. Колесников1, М.В. Муравлева1, А.В. Сыроватка1
1 Кубанский государственный технологический университет, 350072, г. Краснодар, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7704-3215,
E-mail: syrovatka.vladimir@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5644-5389, E-mail: yasiyan@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9401-7676, E-mail: kolesag@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1819-4512, E-mail: masha.murawlewa@gmail.com ORCID: https://orcid.org/000-0002-8261-8220, E-mail: aleks.syrovatka@yandex.ru
2 Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 119991, Москва, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4879-1214,
E-mail: Golubevaia@gmail.com
Резюме: В статье рассмотрена возможность реализации научного предложения авторов - конверсии метанола в синтетические жидкие топлива с целью повышения экономической эффективности и рационального использования водометанольной смеси (ВМС) на установке подготовки газа к транспорту. Метанол, применяемый в качестве ингибитора гидратообразования на объектах магистральных газопроводов, поступающий на адсорбционную установку подготовки газа, может являться сырьевой базой для производства синтетического жидкого топлива (СЖТ). Предварительные расчеты показали, что это позволяет дополнительно получить жидкие углеводороды с содержанием ароматических углеводородов не выше 35% об. и содержанием бензола не выше 1% об., то есть по составу идентичные высокооктановым компонентам бензинов АИ-92, АИ-95. В статье представлена принципиальная технологическая схема процесса, наглядно отображающая процесс конверсии метанола в условиях эксперимента и показывающая возможность использования ВМС, поступающей из газотранспортной сети магистральных газопроводов на установку подготовки газа к транспорту, для производства СЖТ.
Ключевые слова: установка подготовки газа к транспорту, рациональное использование природных ресурсов, водометанольная смесь, ингибитор гидратообразования, GTL-процесс, конверсия метанола, синтетическое жидкое топливо.
Для цитирования: Сыроватка В.А., Голубева И.А., Ясьян Ю.П., Колесников А.Г., Муравлева М.В., Сыроватка А.В. Производство синтетического жидкого топлива при подготовке природного газа к транспорту // НефтеГазоХимия. 2020. № 3-4. С. 9-13. DOI:10.24412/2310-8266-2020-3-4-9-13
PRODUCTION OF SYNTHETIC LIQUID FUELS IN THE PREPARATION OF NATURAL GAS FOR TRANSPORT
Vladimir A. Syrovatka1, Irina A. Golubeva2, Yuriy P. Yasyan1, Alexander G. Kolesnikov1, Maria V. Muravleva1, Alexandra V. Syrovatka1
1 Kuban State Technological University, 350072, Krasnodar, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7704-3215,
E-mail: syrovatka.vladimir@yandex.ru
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-5644-5389, E-mail:yasiyan@yandex.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9401-7676, E-mail: kolesag@mail.ru ORCID: https://orcid.org/0000-0003-1819-4512, E-mail: masha.murawlewa@gmail.com ORCID: https://orcid.org/000-0002-8261-8220, E-mail: aleks.syrovatka@yandex.ru
2 Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University), 119991, Moscow, Russia ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4879-1214, E-mail: Golubevaia@gmail.com
Abstract: The article considers the possibility of implementing the scientific proposal of the authors - the conversion of methanol into synthetic liquid fuels in order to increase the economic efficiency and rational use of the water-methanol mixture (WMM) at the gas preparation facility for transport. Methanol used as an inhibitor of hydrate formation at the facilities of main gas pipelines, which is supplied to the gas treatment adsorption plant, can be a raw material base for the production of synthetic liquid fuel (SLF). Preliminary calculations have shown that this makes it possible to additionally obtain liquid hydrocarbons with an aromatic hydrocarbon content not exceeding 35% vol. and the benzene content is not higher than 1 % by volume, i.e. the composition is identical to the high-octane components of gasoline 92, 95. The article presents a basic technological scheme of the process, which clearly represents the process of conversion of methanol under experimental conditions and shows the possibility of using the WMM coming from the gas transmission network of main gas pipelines to the gas preparation unit for transport, for the production of SLF.
Keywords: gas treatment plant for transport, rational use of natural resources, water-methanol mixture, hydrate formation inhibitor, GTL process, methanol conversion, synthetic liquid fuel.
For citation: Syrovatka V.A., Golubeva I.A., Yasyan YU.P., Kolesnikov A.G., Muravleva M.V., Syrovatka A.V. PRODUCTION OF SYNTHETIC LIQUID FUELS IN THE PREPARATION OF NATURAL GAS FOR TRANSPORT. Oil & Gas Chemistry. 2020, no. 3-4, pp. 9-13. DOI:10.24412/2310-8266-2020-3-4-9-13
Россию и весь остальной мир ждет не простой выход из кризиса, вызванного замедлением деловой активности из-за пандемии коронавируса. В настоящее время нефтеперерабатывающие заводы во всем мире сократили объемы переработки нефти, пострадав от значительного падения спроса.
Поставки российского трубопроводного газа в Турцию и Европу сейчас также сокращаются и находятся на низких уровнях по производительности. На снижение объемов экспорта российского трубопроводного газа сильно влияет ценовая политика стран - поставщиков сжиженного газа [1].
В условиях нестабильности для газовой промышленности основным приоритетом деятельности является устойчивое развитие, под которым понимается динамичное экономическое развитие при максимально рациональном использовании природных ресурсов. Наступило время внедрения решений, совершенствующих национальные проекты, ориентированные на оптимальные доступные технологии, дающие экономический рост. Поэтому усилия ученых и специалистов в газовой отрасли сейчас должны быть направлены на расширение возможностей рационального использования природного газа, в том числе при его подготовке к транспорту, чтобы обеспечить эффективную работу газовой отрасли в целом в условиях мирового экономического кризиса и нестабильных цен на топливные ресурсы.
Когда речь идет о повышении эксплуатационной эффективности в газовой промышленности, выбор технологии является важным фактором. Тесная взаимосвязь звеньев производственно-сбытовой цепочки требует интеграции современных систем, которые помогут максимально использовать природные ресурсы в процессах подготовки газа и одновременно увеличить коэффициент использования активов в целях повышения прибыльности. Для удовлетворения жестких рыночных требований, поддержки комплексных систем по максимальной переработке углеводородного сырья, а также рационализации технологического цикла подготовки газа необходимы специальные решения.
Одним из перспективных направлений в области данных решений является переработка отработанного ингибитора гидратообразования - водометанольной смеси (ВМС) [2]. В настоящее время газовая промышленность нуждается в передовых технологиях для переработки ВМС, что может повысить экономические и технологические показатели производства и укрепить экологическую безопасность [2]. Эффективные технологии конверсии метанола помогут извлекать максимальную выгоду из нецелевой продукции ВМС при подготовке и переработке природного газа и получать синтетическое жидкое топливо (СЖТ), которое в условиях экономической нестабильности в долгосрочной перспективе составит конкуренцию топливу нефтяных производителей.
Ранее проблемой производства и применения СЖТ из природного газа с использованием полученного промежуточного метанола из синтез-газа по технологии (англ. Gas-to-liquids - газ-в-жидкость), непосредственно занялся российский газовый гигант ПАО «Газпром» [1]. Специалисты концерна предлагали развивать индустрию для производства СЖТ из природного газа с помощью так называемых быстрых проектов, то есть проектов небольших (производительностью по газу не более 1 млрд м3/год) установок, которые должны продемонстрировать эффективность получения СЖТ, выгодность используемых технологий, поставить на рынок первые партии продуктов для их испытаний и подготовить персонал для новых заводов.
Министр энергетики РФ А.В. Новак неоднократно отмечал, что технологии 0^. по оценке Министерства энергетики. будут определять будущее отраслей топливно-энергетического комплекса. И прорыв в этом направлении принципиально изменил бы структуру и конкурентоспособность российской газовой отрасли [3]. Данный проект в условиях спада производства даст толчок в развитии производства СЖТ, что составит конкуренцию нефтяному топливу и снизит монополию ценовой политики при выгодной реализации СЖТ.
Производство метанола из синтез-газа является давно известной и коммерчески испытанной технологией. Так как метанол сам по себе является жидкостью (при нормальных условиях 0 °С и 1 атм), то обычное производство метанола может рассматриваться как 0^-процесс. Однако так же, как в случае с конверсией Фишера-Тропша, процесс преобразования метанола в топливо до недавнего времени был слишком дорогим, чтобы найти сколь бы то ни было широкое использование, несмотря на все плюсы, связанные с экологией. Современные тенденции в развитии технологий существенно увеличили масштабы метанольных производств, благодаря чему снизилась себестоимость метанола [3].
На установках подготовки природного газа к транспорту нами предложены технические решения на изобретательском уровне [4] с возможностями технологии 0^, которые напрямую обеспечат выгодное использование регенерированного метанола, полученного ректификацией ВМС, выделенной из природного газа [5].
Данные технические решения направлены на конверсию метанола, значительные количества которого в составе ВМС утилизируются в технологических печах. Предложенные в патентах [4, 5] решения можно отнести к перспективному экономически выгодному национальному проекту. При этом, как указывалось выше, эффективным будет использование малогабаритных установок регенерации отработанного метанола с последующим его использованием, как в качестве ингибитора гидратообразования, так и сырья установок конверсии метанола в СЖТ. С учетом выгодного географического расположения, можно использовать общий технологический комплекс, состоящий из установки конверсии концентрированного метанола [4] и установки регенерации метанола из ВМС [5], поступающей от нескольких установок подготовки газа к транспорту.
Следовательно, производство синтетических нефтепродуктов из нецелевой продукции ВМС при подготовке газа имеет большой экономический потенциал.
В зависимости от выбранной технологии каждое направление производства предполагает разные показатели эффективности, но все проекты по производству синтетических нефтепродуктов без исключения при использовании готовой невостребованной ВМС будут эффективны и не потребуют крупных затрат.
Окупаемость проектов производства синтетических жидких углеводородов при конверсии метанола зависит в основном от стоимости метанола [6]. Преимущество установок подготовки газа состоит в возможности использования извлекаемой невостребованной водометанольной смеси в качестве сырья для производства синтетических жидких углеводородов. Это существенно снизит затраты на производство СЖТ и срок окупаемости данного проекта по сравнению с полным процессом проекта 0^, где первоначально получается синтез-газ, на его основе - метанол, конвертируемый в СЖТ.
Для повышения экономической эффективности и целевого использования выделенной водометанольной смеси,
Адсорбционная установка подготовки углеводородного газа с блоком конверсии метанола
поступающей на адсорбционную установку в составе природного газа в результате применения метанола в качестве ингибитора гидратообразования на объектах магистральных газопроводов, нами предложено установить блок конверсии метанола и вспомогательный блок сбора и подготовки воды, образующейся в основном при регенерации и конверсии метанола (рис. 1) [4, 5].
Адсорбционная установка подготовки углеводородного газа с конверсией метанола содержит регулирующий клапан 1, входной сепаратор 2, соединенный с адсорберами 3-6 через первый рекуперативный теплообменник 7 (см. рис. 1). Верх адсорберов 3-6 соединен с линией подачи исходного газа I, линией подачи газа охлаждения II и линией отвода насыщенного газа регенерации III, а низ - с линией отвода подготовленного газа IV, линией отвода газа охлаждения V и линией подачи газа регенерации VI.
Адсорберы 3-6 работают периодически: два адсорбера работают параллельно в цикле адсорбции, один находится в цикле регенерации, один - в цикле охлаждения. Линия подачи исходного газа I через регулирующий клапан 1 последовательно соединена с входным сепаратором 2, первым рекуперативным теплообменником 7 и с верхом адсорберов 3-6. Линия подачи газа охлаждения II соединена с верхом адсорберов 3-6 через фильтр-сепаратор 8.
Линия отвода подготовленного газа IV из адсорберов 3-6 соединена с фильтрующим устройством 12. Линия подачи
газа охлаждения II соединена с линией подачи исходного газа перед регулирующем клапаном и соединена с фильтром-сепаратором 8. Линия отвода газа охлаждения V из адсорберов 3-6 последовательно соединена с фильтрующим устройством 13, вторым рекуперативным теплообменником 10 и первой печью 14, выход которой через линию подачи газа регенерации VI соединен с низом адсорберов 3-6. Линия отвода насыщенного газа регенерации III из адсорберов 3-6 последовательно соединена с фильтрующим устройством 9, вторым рекуперативным теплообменником
10, первым рекуперативным теплообменником 7, пропано-вым холодильником 17 и сепаратором высокого давления
11. Линия отвода отработанного газа регенерации IX из сепаратора высокого давления 11 соединена с линией подачи исходного газа I после регулирующего клапана 1 перед входным сепаратором 2. Линия отвода газового конденсата X из сепаратора высокого давления 11 через дроссель 19 соединена с сепаратором среднего давления 15. Линия отвода газового конденсата XI из сепаратора среднего давления 15 через дроссель 20 соединена с сепаратором низкого давления 16, выход из которого соединен с линией отвода стабильного конденсата XII.
Линия подачи метанола XIII из подпиточной емкости 21 соединена с линией отвода насыщенного газа регенерации III между первым рекуперативным теплообменником 7 и пропановым холодильником 17.
Рис. 1
Основная линия отвода ВМС VII, из сепаратора высокого давления 11, и вспомогательные линии отвода ВМС из входного сепаратора 2 и фильтра сепаратора 8 совместно соединены с блоком регенерации метанола 18, выход регенерированного метанола из которого соединен с линией отвода насыщенного газа регенерации III между про-пановым холодильником 17 и рекуперативным теплообменником 7, а блок отвода технической воды XIV соединен с блоком сбора и подготовки воды.
Линия отвода регенерированного метанола VIII дополнительно соединена VIII(A) с блоком конверсии метанола, выход технической воды из которого соединен с блоком сбора и подготовки воды, отвод газов стабилизации соединен с топливной сетью на собственные нужды, отвод пропан-бутановой фракции XVIII и стабильного высокооктанового бензина XIX соединен с резервуарным парком.
Дополнительный блок конверсии метанола (см. рис. 1) даст возможность прекратить утилизацию ВМС в технологических печах и направлять выделенную во входном сепараторе исходного газа 2, в фильтре сепаратора газа регенерации 8 и в сепараторе высокого давления 11 ВМС в блок регенерации метанола для получения метанола-концентрата (94% масс.) и технической воды. Такой метанол следует перерабатывать в указанном дополнительном блоке конверсии метанола в присутствии катализатора следующего состава: цеолит - 50...60% масс.; ZrO2 - 5% масс.; SiO2 - 5% масс.; Al2O3 - 40.30% масс. и получать в большей степени жидкие углеводороды, которые являются высокооктановыми компонентами бензинов АИ-92, АИ-95 с содержанием ароматических углеводородов не выше 35% об. и содержанием бензола не выше 1% об., а выделенную техническую воду - направлять в вспомогательный блок сбора и подготовки воды.
Вместе с высокооктановым компонентом бензинов в процессе переработки метанола выделяется и отводится по-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Названы прорывные направления будущего технологического прогресса в России. URL: https://lenta.ru/news/2020/05/20/techno/ (дата обращения 21.05.2020).
2. Грунвальд А.В. Использование метанола в газовой промышленности в качестве ингибитора гидратообразования и прогноз его потребления в период до 2030 г. URL: http://ogbus.ru/article/view/ispolzovanie-metanola-v-gazovoj-promysNennosti-v-kachestve-ingibitora-gidratoobrazovaniya-i-prognoz-ego-potrebleniya-v-period-do-2030-g (дата обращения 21.05.2020).
3. Брагинский О.Б. Альтернативные моторные топлива: мировые тенденции и выбор для России // Рос. хим. журн., 2008. № 6. С. 137.
4. Патент РФ № 2714651 С1, МПК B01D 53/00. Адсорбционная установка подготовки углеводородного газа / Сыроватка В.А., Ясьян Ю.П., Колесников
REFERENCES
1. Nazvany proryvnyye napravleniya budushchego tekhnologicheskogo progressa v Rossii (The breakthrough directions of future technological progress in Russia are named) Available at: https://lenta.ru/news/2020/05/20/techno/ (accessed 21 May 2020).
2. Grunval'd A.V. Ispol'zovaniye metanola vgazovoypromyshlennosti vkachestve ingibitora gidratoobrazovaniya i prognoz yego potrebleniya v period do 2030 g. (The use of methanol in the gas industry as an inhibitor of hydrate formation and the forecast of its consumption until 2030) Available at: http://ogbus.ru/ article/view/ispolzovanie-metanola-v-gazovoj-promyshlennosti-v-kachestve-ingibitora-gidratoobrazovaniya-i-prognoz-ego-potrebleniya-v-period-do-2030-g (accessed 21 May 2020).
3. Braginskiy O.B. Alternative motor fuels: global trends and choice for Russia. Rossiyskiykhimicheskiyzhurnal, 2008, no. 6, p. 137 (In Russian).
4. Syrovatka V.A., Yas'yan YU.P., Kolesnikov A.G., Kholod V.V., Syrovatka A.V. Adsorbtsionnaya ustanovka podgotovki uglevodorodnogo gaza [Adsorption unit for the preparation of hydrocarbon gas]. Patent RF, no. 2714651 S1, 2020.
ток газа С1...С4, который по физико-химическим свойствам соответствует требованиям ГОСТ 5542 [7] и может использоваться в качестве топлива промышленного назначения, а при стабилизации высокооктанового компонента бензина получается жидкая пропан-бутановая фракция (ПБФ), которая, согласно ГОСТ 20448 [8], может быть реализована в качестве углеводородного сжиженного топливного газа для коммунального бытового потребления.
Снабжение установки дополнительным блоком конверсии метанола [4] позволяет вовлечь в каталитическую переработку высокотоксичный метанол с целью выработки продукции - высокооктанового бензина, ПБФ и топливного газа, тем самым добиться эффективной утилизации метанола, вырабатываемого из ВМС, поступающей на установку подготовки газа с исходным газом, повысить экологическую безопасность и обеспечить ресурсосбережение.
Мировой опыт получения бензина из метанола существует. Первой из технологий, нашедших коммерческое применение, был процесс получения бензина из метанола, разработанный компанией Exxon-Mobil. Этот процесс основан на использовании цеолитного катализатора ZSM-5 собственного производства. Технология была успешно опробована в 1985 году на одном из заводов компании Methanex в Новой Зеландии [9].
Таким образом, совокупность предложенных нами решений по рекуперации и конверсии метанола [4, 5] создает возможность для обеспечения ресурсосбережения и эко-логичности установок подготовки газа, а также расширить ассортимент продукции.
В целом конверсия метанола позволит на установках подготовки газа к транспорту максимально использовать природные ресурсы и одновременно увеличить коэффициент использования активов в целях повышения прибыльности газовой отрасли.
А.Г., Холод В.В., Сыроватка А.В. Опубл.: 18.02.2020. Бюл. № 5.
5. Патент РФ № 2653023 С1, МПК В0Ш 53/00. Установка подготовки газа / Сыроватка В.А., Холод В.В., Ясьян Ю.П. Опубл. 04.05.2018. Бюл. № 13.
6. Долинский С.Э. Рентабельное производство высокосортных высокооктановых бензинов из низкосортного углеводородного сырья и метанола // Газохимия. 2009. № 11. С. 42 - 45.
7. ГОСТ 5542-2014 Газы горючие природные промышленного и коммунально-бытового назначения.
8. ГОСТ 20448-2018 Газы углеводородные сжиженные топливные для коммунально-бытового потребления.
9. Верховых А.А., Шарифуллин В.Н., Байбекова Л.Р. Газовые технологии производства топлив // Вестник КГУ. 2014. № 17. С. 42-46.
5. Syrovatka V.A., Kholod V.V., Yas'yan YU.P. Ustanovka podgotovki gaza [Gas treatment unit]. Patent RF, no. 2653023 S1, 2018.
6. Dolinskiy S.E. Profitable production of high-grade high-octane gasoline from low-grade hydrocarbon raw materials and methanol. Gazokhimiya, 2009, no. 11, pp. 42 - 45 (In Russian).
7. GOST 5542-2014 Gazy goryuchiye prirodnyye promyshlennogo i kommunal'no-bytovogo naznacheniya [State Standard 5542-2014. Natural fuel gases for commercial and domestic use. Specifications].
8. GOST20448-2018 Gazy uglevodorodnyye szhizhennyye toplivnyye dlya kommunal'no-bytovogo potrebleniya [State Standard 20448-2018. Fuel liquefied hydrocarbon gases for domestic use. Specifications].
9. Verkhovykh A.A., Sharifullin V.N., Baybekova L.R. Gas technologies for the production of fuels. Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta, 2014, no. 17, pp. 42-46 (In Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Сыроватка Владимир Антонович, к.т.н, преподаватель кафедры технологии нефти и газа, Кубанский государственный технологический университет. Голубева Ирина Александровна, д.х.н., проф. кафедры газохимии, РГУ нефти и газа (национальный исследовательский университет) им. И.М. Губкина. Ясьян Юрий Павлович, д.т.н., проф., завкафедрой технологии нефти и газа, Кубанский государственный технологический университет. Колесников Александр Григорьевич, к.х.н., доцент кафедры технологии нефти и газа, Кубанский государственный технологический университет. Муравлева Мария Васильевна, аспирант кафедры нефти и газа, Кубанский государственный технологический университет.
Сыроватка Александра Владимировна, бакалавр кафедры технологии нефти и газа, Кубанский государственный технологический университет.
Vladimir A. Syrovatka, Cand. Sci. (Tech.), Lecturer of the Department of Oil and Gas Technology, Kuban State Technological University.
Irina A. Golubeva, Dr. Sci. (Chem.), Prof. of the Department of Gashemistry, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University). Yuriy P. Yasyan, Dr. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Oil and Gas Technology, Kuban State Technological University.
Alexander G. Kolesnikov, Cand. Sci. (Chem.), Assoc. Prof. of the Department of Oil and Gas Technology, Kuban State Technological University. Maria V. Muravleva, Postgraduate Student of Oil and Gas Technology Department, Kuban State Technological University.
Alexandra V. Syrovatka, Bachelor of Oil and Gas Technology Department, Kuban State Technological University.
