Научная статья на тему 'ТИГаз: производство бензина из синтез-газа'

ТИГаз: производство бензина из синтез-газа Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

CC BY
2264
441
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МЕТАНОЛ / ДИМЕТИЛОВЫЙЭФИР (ДМЭ) / СИНТЕЗ-ГАЗ / БЕНЗИН / ТОПЛИВО / METHANOL / SYNTHESIS GAS / GASOLINE / DIMETHYL ETHER / DME / MOTOR FUEL

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Йонсен Финн

Технология интегрированного синтеза бензина ТИГАЗ (TIGAS) представляет собой эффективное направление конверсии синтез-газа в высокооктановый бензин через промежуточные продукты метанол и диметило-вый эфир. Такой подход особенно интересен для газа, полученного газификацией и имеющего низкое соотношение Hi/CO. В этом случае существенно возрастает термодинамическая привлекательность объединения синтеза метанола и диметилового эфира. Интегрированный синтез можно осуществлять с высокой эффективностью даже при умеренном давлении в цикле, что делает интегрированный процесс весьма гибким.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Йонсен Финн

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TIGAS — synthesis gas to gasoline

Topsoe's integrated gasoline synthesis, TIGAS, offers an efficient route for the conversion of synthesis gas into high octane gasoline through methanol and dimethyl ether as primary intermediates. In a gasification context, process integration becomes particularly attractive, because the low H2/C0 ratio characteristic to gasification-derived synthesis gas greatly amplifies the thermodynamic enhancement caused by combining the methanol and dimethyl ether syntheses. Therefore, the integrated synthesis may be conducted with high efficiency, even at moderate loop pressure, which makes the integrated process suitable for both wet and dry entrained flow gasifiers.

Текст научной работы на тему «ТИГаз: производство бензина из синтез-газа»

ТИГАЗ: производство бензина из синтез-газа

ЬШсД Финн Йонсен, Томас Роструп-Нильсен, Бодил Восс, Тон В. Янссенс, Пол Эрик Хойлунд Нильсен, Хальдор Топсе А/О, Люнгбю, Дания

Высокие цены на нефть и энергию, сохраняющиеся в течение длительного времени, а также увеличивающийся спрос на автомобильное топливо, заставляют искать альтернативные источники производства топлив и химических продуктов. Такие виды ресурсов, как природный газ, уголь и биомасса, являются привлекательными для производства синтез-газа. Твердое сырье, будь то каменный уголь, бурый уголь, нефтяной кокс или биомасса, например, продукты сельского хозяйства или лесной промышленности, такие как черный щелок целлюлозно-бумажного производства или городские отходы, может быть подвергнуто газификации с производством газа, перспективно пригодного для дальнейшей переработки.

Дизельное топливо, получаемое методом Фишера-Тропша, уже доказало свою привлекательность: оно представляет собой низкотоксичное, полностью сгорающее топливо, аналогичное по свойствам традиционному дизельному топливу. Уже построены большие заводы и несколько крупных нефтяных компаний рассматривают организацию крупнотоннажного производства дизельного топлива по Фишеру-Тропшу.

Диметиловый эфир (ДМЭ) привлекает постоянно возрастающее внимание в качестве альтернативного топлива: использование ДМЭ вместо сжиженного газа в бытовых целях развивается высокими темпами. ДМЭ также привлекателен как экологически безопасное, чистое дизельное топливо, отличающееся низким уровнем выбросов, помимо того, ДМЭ рассматривается как потенциальное топливо для газовых турбин и топливных элементов. Таким образом, диметиловый эфир имеет реальный потенциал развития в универсальный энергоноситель. В частности, в Китае устойчи-

во растет производство и потребление диметилового эфира из угля. Кроме того, в Швеции интерес вызывает синтез ДМЭ из биомассы, например из черного щелока, остаточного продукта при производстве целлюлозы. Обе эти страны, Китай и Швеция, разрабатывают планы производственных испытаний автомобилей большой грузоподъемности на ДМЭ.

Среди синтетических видов топлива бензин кажется несколько недооцененным вариантом. Однако чистый, высококачественный бензин также можно производить с высокой эффективностью из угля: либо отталкиваясь от метанола, либо путем интегрированного процесса превращения синтез-газа в бензин через диметиловый эфир. ДМЭ как промежуточный продукт делает интегрированный процесс особенно подходящим для синтез-газа, обогащенного СО. В настоящей статье приводится краткая информация о преимуществах интегрированного синтеза бензина и особо рассматривается вопрос интеграции синтеза бензина с газоподготовкой на основе газификации угля.

60 газохимия январь-февраль 2010

i наш сайт в интернете: www.gazohimiya.ru ТЕХНОЛОГИИ

Интегрированный синтез бензина

Процесс превращения синтез-газа в бензин известен с семидесятых годов прошлого века, когда исследователи компании «Мобил» [1] обнаружили, что метанол, производимый в больших количествах и с высокой эффективностью из синтез-газа, превращается в бензин с высокой селективностью на цеолите Н-ZSM-5• Технология получила известность под названием «метанол в бензин» [2], или процесс МТО (рис. 1) и практиковалась в промышленных масштабах в Новой Зеландии с середины восьмидесятых годов до того момента, когда снижение цен на нефть в девяностых сделало производство нерентабельным.

В восьмидесятых годах компания Топсе разработала интегрированный процесс для превращения синтез-газа в бензин путем совмещения синтезов метанола и МТО в одном цикле через промежуточный

Схема процесса «метанол в бензин» (MTG)

Интегрированный синтез бензина Топсе (ТИГАЗ)

Диметиловый эфир (ДМЭ) привлекает постоянно возрастающее внимание в качестве альтернативного топлива: использование ДМЭ вместо сжиженного газа в бытовых целей развивается высокими темпами

продукт, представляющий собой метанол и диметиловый эфир (рис.

2). Этот процесс в конечном итоге, превратился в процесс ТИГАЗ (интегрированный синтез бензина Топсе) [3-5], продемонстрированный в масштабе кг/ч, а также т/сут., основанный, главным образом, на риформинге природного газа.

Интегрированный синтез бензина использует преимущество синерги-ческого эффекта объединения синтеза метанола и диметилового эфира, которые термодинамически усиливают конверсию синтез-газа (рис.

3) и, следовательно, повышают эффективность процесса, в первую очередь за счет снижения кратнос-тей циркуляции. Кроме того, интегрированный процесс позволяет избежать конденсации и повторного испарения метанола. Процесс позволяет значительно снизить кратности циркуляции. Цикл имеет две точки ввода циркуляционного газа (рис. 2): в зависимости от точного

состава синтез-газа разницы между кратностями внешнего и внутреннего контуров циркуляции могут различаться: кратность внешнего контура циркуляции (по синтезу ме-танола/ДМЭ) определяется прежде всего необходимостью общей высокой конверсии синтез-газа. Кратность внутреннего контура циркуляции корректируется таким образом, чтобы температура в адиабатическом реакторе синтеза бензина не превышала 50-70°С, чтобы снизить

Зависимости равновесной конверсии синтез-газа в метанол, а также в метанол и диметиловый эфир, соответственно, от давления

-л § МеОН/ОМЕ

у с 0

С ^ / Я МеС Н

р «виге (Ьаг) 66:33:1

10 20 30 40 50 60

Состав синтез-газа (мол. %): Н2/СО/СО2 = 66/33/1. Температура = 240°С

скорость закоксовывания и необратимой дезактивации цеолитов, обусловленной наличием пара при повышенных температурах. Типичные температуры на входе и выходе составляют 340-360°С и 390-420°С соответственно.

Интегрированный синтез бензина на основе газификации

Комбинирование синтеза метанола и синтеза ДМЭ не просто расширяет возможности конверсии синтез-газа. Этот подход значительно снижает требования к составу синтез-газа и позволяет использовать как синтез-газ со сравнительно высоким соотношением Н2:СО, полученный путем парового, двухстадийного или автотермического, риформинга природного газа, нафты или других видов сырья, так и газы с низким содержанием водорода, которые получаются при газификации. В частности, при применении богатого СО синтез-газа комбинированный синтез метанола/ДМЭ увеличивает возможность высокой конверсии синтез-газа, сильно смещая равновесие в сторону образования ДМЭ. Таким образом, при низких соотношениях ШСО термодинамически благоприятна высокая конверсия за проход, которая имеет место даже при умеренных давлениях, всего 30-40 бар. В то же время в

синтез-газе с высоким содержанием водорода конверсия обуславливается главным образом дегидратацией метанола в диметиловый эфир, и промежуточный продукт состоит из смеси метанола и диме-тилового эфира с небольшим содержанием воды. При высоком содержании СО реакции его паровой конверсии способствует дегидратация метанола ДМЭ, так как выделяющаяся в этой реакции вода расходуется на конверсию СО и приводит к образованию диоксида углерода и дополнительного количества водорода. Таким образом суммарно имеет место реакция водорода и монооксида углерода с образованием ДМЭ и диоксида углерода согласно уравнению 4: Ш + ^ CHзOH (1)

2CHзOH ^ CHзOCHз + H2O (2) Ш + H2O ^ ГО2 + № (3)

Суммарная реакция: 3№ + 3ТО ^ CHзOCHз + Ш2 (4)

Таким образом, для газа с высоким содержанием СО технология ТИГАЗ дает особые преимущества благодаря высокой эффективности, которой можно добиться в синтезе промежуточного продукта ме-танол/ДМЭ при очень низких соотношениях например при

соотношении меньше единицы, характерном для большинства процессов газификации. В отличие от синтеза метанола, где необходимо корректировать функционал, M (эффективное соотношение ^/ТО) до двух, идеальная стехиометрия по отношению к комбинированному синтезу метано-

рис.4.

Влияние соотношения Ж/ТО синтез-газа на распределение продуктов для комбинированного цикла метанола/ДМЭ (равновесные данные)

Ф100%

S

о

Е 80%

60%

о 40%

20%

0%

DME -

со,

со

Н2

0,5 1 1,5 2 2,5

Н/СО Ratio Н/СО ->

Соотношение H2/CO, равное единице, обеспечивает максимальную конверсию за проход. Температура = 240°C, Давление = 35 бар

ла/ДМЭ составляет = 1, при

этом ДМЭ становится доминирующим продуктом. Помимо повышения эффективности конверсии, для корректировки функционала требуется меньшее количество пара. Влияние соотношения на распределение продуктов в ок-сигенате показано на рис. 4 (равновесные данные), и, как очевидно из равновесного уравнения 4, соотношение равное единице, обеспечивает самую высокую конверсию синтез-газа и наивысший выход ДМЭ. Отметим также, что в этих условиях образуется лишь незначительное количество метанола и воды.

В результате благоприятной термодинамики комбинированный синтез можно проводить с высокой эффективностью даже при умеренном давлении, что делает интегрированный процесс подходящим для любого способа газификации. Кроме того, поскольку катализатор комбинированного синтеза метанола/ДМЭ также эффективно ускоряет паровую конверсию СО, корректировка функционала синтез-газа может осуществляться в цикле синтеза, простым введением необходимого количества пара

62 газохимия январь-февраль 2010

Процесс интегрированного синтеза бензина, основанного на газификации (ТИГАЗ)

«Схематическая шкала функционала»: Упрощенная схема сравнения традиционного синтеза на основе газификации с интегрированным синтезом бензина

На верхней схеме символ // обозначает стадию конденсации/повторного испарения метанола. Стрелка слева (М) обозначает функционал синтез-газа.

* В технологии ТИГАЗ вода (пар) добавляется непосредственно в цикл перед синтезом метанола/ДМЭ

перед синтезом метанола/ДМЭ. Вследствие небольшого количества синтез-газа, возвращающегося в реактор метанола/ДМЭ, отделение очистки от СО2 удобно размещать внутри цикла. Блок-схема интегрированного синтеза бензина, основанного на газификации, показана на рис. 5.

Таким образом, по сравнению с традиционным процессом, состоящим из двух стадий, с выделением жидкого метанола, интегрированный синтез бензина на основе газификации обеспечивает существенную интенсификацию процесса, заключающуюся в следующем: умеренное давление синтеза, подходящее для большинства газификаторов в потоке, легкость корректировки функционала (М= 1) путем добавления пара в цикл синтеза и невысокие кратности циркуляции, позволяющие включить отделение очистки от СО2 в цикл синтеза. Более того, в общем процессе синтез-газа кислород уводится в основном

Технология интегрированного синтеза бензина, ТИГАЗ, представляет собой эффективное направление конверсии синтез-газа в высокооктановый бензин через промежуточные продукты — метанол и диметиловый эфир

в виде СО2, что практически вдвое уменьшает количество водного технологического конденсата:

традиционный процесс: 4Н2 + 2СО ^ 2СНзОН ; 2СНзОН ^ СН3ОСН3 + Н2О ^ 2СН2+ 2Н2О (5)

ТИГАЗ: ЗН2 + 3СО ^ СНзОСНз + СО2 ^ 2СН2 + СО2 + Н2О, (6)

где в уравнениях 5 и 6 «СН2» обозначает углеводородный продукт. Это может быть более наглядно представлено на рис. 6: «схематическая шкала функционала».

Схематическая шкала функционал а демонстрирует экономию, получаемую благодаря отсутствию испарения и нагрева дополнительного количества воды, необходимой для получения синтез-газа с функционалом М=2 для синтеза метанола (традиционный процесс), с последующим выделением того же количества воды при обратных процессах охлаждения и конденсации.

Выводы

Технология интегрированного синтеза бензина, ТИГАЗ, представляет собой эффективное направление конверсии синтез-газа в высокооктановый бензин через промежуточные продукты — метанол и диметиловый эфир. Умеренное давление синтеза, возможное благодаря комбинированному синтезу метанола/ДМЭ, делает технологию ТИГАЗ особенно

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

привлекательной для использования продуктов газификации. Благодаря эффективной конверсии синтез-газа применяются низкие кратности циркуляции, что позволяет расположить отделение очистки от СО2 внутри цикла синтеза. Простота процесса способна обеспечить недорогое производство жидких топлив на основе практически любого углеродсодер-жащего сырья. Ей

1. C.D. Chang, Catal.Rev. — Sci.Eng. 25 (1983) 1

2. S. Yurchak, Stud.Surf.Sci.Catal. 36 (1988) 251

3. F. Joensen, H. Kiilerich Hansen, J.R. Rostrup-Nielsen, A. Skov, J. Topp-Jorgensen: Conversion of Synthesis Gas to High-Octane Gasoline, Proc. 6th Int. Symp. on Large Chemical Plants, Antwerp, Belgium (1985)

4. J. Topp-Jorgensen, J.R. Rostrup-Nielsen, Oil & Gas Journal, May 19, 1986

5. J. Topp-Jorgensen, Stud.Surf.Sci.Catal. 36 (1988) 293

6. T.V.W. Janssens, B. Voss, F. Joensen, Conversion of Higher Alcohols over H-ZSM-5 Zeolite in the Methanol-to-Gasoline Reaction, Europacat VIII Conf., Turku, Finland (2007)

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.