Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

8.5: Процес Фішера-Тропша для отримання рідкого палива

  • Page ID
    31813
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

    8.5 Процес Фішера-Тропша для отримання рідкого палива

    Отже, що можна зробити з синтез-газом? Його можна спалити і використовувати в газовій турбіні для теплообміну тепла для отримання пари та роботи другої турбіни для електрики. Газ може подаватися на твердооксидний паливний елемент для вироблення електроенергії. Ми також можемо використовувати синтез-газ для отримання палива, хімічних речовин та матеріалів. Фактично домінуючим застосуванням синтез-газу з вугілля є виробництво синтетичних вуглеводнів для транспортування палива — синтезу Фішера Тропша (FT). Це те, що в першу чергу робиться в Південній Африці компанією Sasol, а також було одним із методів, використовуваних німцями у Другій світовій війні для отримання рідкого палива; насправді пряме зрідження було основним методом, який використовувався для виробництва рідкого палива в Німеччині в 1940-х роках. Однак це не єдиний процес газифікації рідин. Як зазначається в Уроці 4, реакція синтезу FT може бути представлена:

    СО + нГ 2 → (-СН 2 −) х + Н 2 О

    Ми беремо атоми вуглецю і будуємо їх як алкани, що містять щонайменше 20 атомів вуглецю. Це дійсно процес полімеризації, і він слідує за статистикою полімеризації. На малюнку 8.9 показана типова статистична функція полімеризації. Ви не отримаєте жодного чистого алкану з процесу FT, і буде розподіл продуктів. Як і у всіх хімічних реакціях, у вас будуть змінні реакції для регулювання, такі як температура, тиск, проживання та додавання каталізатора. Шляхом вмілого підбору змінних (T, P, t і каталізатора) ми можемо, в принципі, зробити що завгодно - від метану до високомолекулярних восків. Метою є максимізація виробництва рідкого палива для транспортування.

    Кількість атомів на осі x, масова частка за шкалою журналу на осі y. Ухил буває лінійним і негативним.
    Малюнок 8.9: Статистика полімеризації для синтезу FT, де W x - вагова частка сполуки з атомами x.

    Кредит: Д-р Керолайн Кліффорд

    Первинним процесом для FT є процес Synthol; схема показана на малюнку 8.10. Синтез-газ надходить в реактор при тиску 2,2 МПа і 315-330°C, продукт виходить з реактора, де відновлюється каталізатор, масла видаляються вуглеводневим скруббером, а хвостовий газ відновлюється. Газова частина переробляється, а решта матеріалу потім переганяється на бензин, реактивне паливо та дизельні фракції. Реактор Synthol - це реактор з псевдозрідженим шаром, який використовує каталізатор на основі заліза.

    Схема процесу Synthol для виробництва рідин FT див. Текстовий опис нижче
    Малюнок 8.10: Схема процесу Synthol для виробництва рідин FT.

    Клацніть тут для текстової альтернативи малюнку 8.10

    Схема процесу Synthol для виробництва рідини FT:

    Синтез-газ надходить в реактор синтолу. Звідти він переходить на каталізатор відновлення. Потім газ може повернутися в реактор синтолу або перейти до скруббера HC, куди вводиться важка нафта. Розчинені важкі масла видаляються, а все інше рухається на високий видобуток газу. Потім високий газ переробляється, а все інше переходить до перегонки, де він переходить на бензин, реактивне паливо та дизельне паливо.

    Кредит: Д-р Керолайн Кліффорд

    Вироблені рідини роблять дуже чисте паливо. Продукт має майже нульову сірку і мало ароматичних сполук, і він складається в основному з прямоланцюгових алканів. При розгляді реакції вуглець-пара, це ендотермічна реакція (газифікація, необхідність додавання тепла). При цьому реакція «назад», або йде в інший бік. Тому реакція синтезу FT є екзотермічною реакцією. Оскільки реакція екзотермічна, тепло генерується, тому реактори Synthol мають внутрішні охолоджуючі трубки з парою, які при нагріванні генерують пар високого тиску, який може бути використаний в інших процесах.

    Дизельне паливо FT - це високоякісне дизельне паливо - ми хочемо мати лінійні алкани, низький вміст ароматичних речовин та низький вміст сірки. Дизельне паливо FT має всі три аспекти дизельного палива, які ми хочемо, і має цетанове число ≥ 70 - це ідеальне дизельне паливо (нагадаємо, що хороше дизельне паливо має цетанове число 55).

    Реактивне паливо, виготовлене з синтезу FT, робить гідне паливо. Він відрізняється низьким вмістом ароматичних речовин і сірки. Це перше реактивне паливо на біологічній основі, яке було сертифіковано для використання в літаках і пройшло випробування в сумішах з великими авіакомпаніями (Virgin). Однак для використання у військових літаках він повинен бути змішаний, оскільки нові конструкції використовують паливо як охолоджуючу рідину для електроніки, оскільки паливо може мати проблеми в цих літаках. Наприклад, алкани мають найнижчу щільність різних класів з'єднань в реактивному паливі, тому реактивне паливо FT має прикордонну об'ємну щільність. Алкани також можуть зазнати реакцій піролізу при певних високих температурах, і якщо паливо використовується як теплообмінна рідина для зменшення теплового навантаження, може статися утворення вуглецю - це в основному проблема для деяких нових військових реактивних літаків.

    Бензин FT, який виходить відразу з реакції, не є великим бензином, так як має низьке октанове число. Нагадаємо, що розгалужені алкани і ароматичні сполуки мають більш високі октанові числа. Оскільки сполуки FT, як правило, є алканами з прямим ланцюгом, необхідна ізомеризація, і для каталітичного риформінгу повинен використовуватися відповідний каталізатор.

    Основне місце для газифікації та синтезу FT знаходиться в Південній Африці - бензин, що продається в Південній Африці, має октанове число 93. Інтегрований завод також буде виробляти ароматичні речовини, воски, рідкий нафтовий газ, спирти, кетони та феноли на додаток до рідкого вуглеводневого палива. Аргументація маркетингу декількох продуктів полягає в тому, що всі продукти будуть йти вгору і вниз в ціні; коли щось піднімається в ціні, ви робите більше, коли щось знижується в ціні, ви можете зробити менше. Це спосіб для рослин максимізувати свій прибуток.

    Виробництво метанолу

    Синтез-газ також може бути використаний для отримання метанолу, CH3OH. Нинішня технологія виготовлення метанолу досить зріла. Як правило, природний газ використовується як вихідна сировина, яка реформується парою для отримання СО та водню:

    СН 4+ Н 2 О → СО + Н 2

    Потім за допомогою реакції синтезується метанол:

    СО + 2Н 2 → СН 3 ОН

    Однак інша реакція синтезу метанолу дозволяє СО2 знаходитися в живильному газі:

    СО 2 + 3Н 2 → СН 3 ОН + Н 2 О

    Але оскільки вода і метанол нескінченно розчинні, необхідний додатковий крок нижче за течією, щоб ізолювати метанол з води. Типовими умовами роботи в реакторі синтезу метанолу є тиск 5-10 МПа, 250-270°С, з використанням мідь/цинкового каталізатора. Реакція надзвичайно екзотермічна, тому тепло необхідно видаляти, щоб тримати реакцію під контролем. Подібно до реакції FT, реактор має кожухотрубчастий теплообмінник, де теплоносій циркулює через оболонку, а частинки каталізатора упаковані в трубки, де протікають рідини реагенту/продукту. На малюнку 8.11 показана схема процесу синтезу метанолу.

    Подача і перероблений газ надходять в реактор синтезу метанолу, потім в сепаратор метанолу. Сирий метанол видаляють, інші гази переробляють.
    Малюнок 8.11: Схема процесу синтезу метанолу.

    Кредит: Д-р Керолайн Кліффорд

    Отже, для чого можна використовувати метанол? Він періодично використовується в якості заміни бензину, особливо для гоночного палива, так як має високе октанове число. У ньому немає сірки, майже не вироблятиме NO X через низьку температуру полум'я і може змішуватися з бензином.

    Є й деякі недоліки використання метанолу в якості палива. Він нескінченно змішується з водою, має проблеми зі здоров'ям та безпекою, забезпечує лише половину об'ємної щільності енергії бензину і може мати проблеми сумісності з матеріалами в деяких транспортних засобах.

    Величезні тоннажі метанолу виробляються та обробляються щорічно з відмінною безпекою - але в хімічній промисловості. Однак, якщо широка громадськість поводиться з метанолом, безпека може бути проблемою, оскільки метанол має токсичні властивості. Метанол серйозно розглядається як паливо вибору при використанні паливних елементів. Однак існує процес внесення метанолу безпосередньо в бензин, тому занепокоєння щодо метанолу тоді не є проблемою.

    Метанол-бензин (MTG)

    Метанол можна використовувати для виготовлення бензинового продукту. У процесі використовується спеціальний цеолітовий каталізатор з розміром пор таким, що молекули до С10 можуть виходити з каталізатора. Більші молекули не можуть бути зроблені за допомогою цього процесу; отже, продукт виготовляється без молекул вуглецю більше, ніж C10, який кипить в діапазоні бензину. У цьому процесі виготовляються ароматичні речовини та алкани з розгалуженим ланцюгом, а це означає, що процес MTG виробляє дуже високий октановий бензин. Бензин - єдиний продукт. У реакції метанол перетворюється в диметиловий ефір (який може бути хорошим дизельним паливом) наступною реакцією:

    3 ОН→СН 3 І 3 + Н 2 О

    У міру прогресування реакції диметиловий ефір зневоднюється далі до вуглеводнів продукту. Загальна реакція така:

    СН 3 ОН → − (СН 2) −n + Н 2 О

    Як і в інших реакціях, які ми розглядали в цьому розділі уроку, реакція дуже екзотермічна, тому реактор і процес повинні бути розроблені таким чином, щоб відводити тепло від реакції, щоб тримати її під контролем. Умови для цієї реакції складають 330-400°C і 2,3 МПа. Якби хтось хотів уявити, як рослина може об'єднати всі ці процеси разом, наступним буде один сценарій:

    1. Додайте блок MTG до існуючих заводів метанолу, що подається природним газом (виробляють високооктановий бензин).
    2. Замініть установки природного газу на газифікацію вугілля та/або біомаси та кондиціонування газу.
    3. Додайте паралельні поїзди реакторів Synthol (виробляють високий цетановий дизель).
    4. Додайте третій розділ, використовуючи твердооксидний паливний елемент для отримання електроенергії, використовуючи синтез-газ як живильний матеріал.

    Потім завод виробляє бензин, дизельне паливо та електроенергію.