Способ переработки природного газа в жидкие углеводороды



Способ переработки природного газа в жидкие углеводороды

 


Владельцы патента RU 2417250:

Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (RU)

Способ переработки природного газа в жидкие продукты относится к области нефте- и газопереработки и может быть использован на предприятиях нефтехимии, нефтяных и газовых промыслах для переработки легких газообразных углеводородов (природного и попутного нефтяного газов) в жидкие продукты и одностадийного синтеза углеводородных масел. Изобретение касается способа переработки природного газа в жидкие углеводороды в проточном реакторе с неравновесным электрическим разрядом, при этом поток природного газа атмосферного давления в реакторе подвергается действию импульсного объемного разряда, который инициируется импульсным электронным пучком, причем напряженность электрического поля в разряде составляет 8-10 кВ/см, а удельная энергия в импульсе 1-2 Дж/см3. Технический результат - снижение затрат энергии на получение жидких углеводородов и увеличение производительности реактора. 1 ил.

 

Изобретение относится к области переработки природного газа и может быть использовано на предприятиях нефтехимии, нефтяных и газовых промыслах для переработки природного газа и/или попутного нефтяного газа в жидкие углеводороды и для одностадийного синтеза углеводородных масел. Побочным продуктом переработки природного газа (ПГ) в данном способе является водород.

Известны следующие способы конверсии углеводородсодержащих газов в жидкие продукты с использованием химической, плазмохимической и электрохимической технологий.

1. Традиционный химический процесс Фишера-Тропша, который предназначен для конверсии ПГ в жидкое топливо (см. J.Font Freide et al. Fuel Processing. - N 2. - 2003. - pp.52-58). Синтез жидких продуктов в этом процессе осуществляют в несколько стадий, включающих стадию получения синтез-газа из смесей природного газа с окислителями: O2, H2O и CO2 После этого проводят конверсию синтез-газа в жидкие углеводороды:

СО+H2 → СН3ОН → жидкие углеводороды (Mobil process)

Процесс осуществляют при высоком давлении (несколько десятков атмосфер) и температуре до 900°С. Существуют и другие разновидности данной технологии.

Все модификации процесса Фишера-Тропша имеют следующие общие недостатки. Технология осуществляется при высоких давлениях и температурах, что приводит к созданию крупногабаритных, металлоемких конструкций, затрудняющих их применение в удаленных районах промыслов с неразвитой инфраструктурой. По этой же причине они непригодны для переработки нефтяных газов. Даже в индустриальных районах применение технологии не всегда оправдано из-за больших затрат на производство и сжатие синтез-газа (смеси СО и Н2), составляющих 60-80% от всех затрат на производство жидкого топлива. На всех стадиях синтеза промежуточных и конечных продуктов применение катализаторов является обязательным, что создает дополнительные проблемы, связанные с их регенерацией.

2. Способ одностадийной переработки газообразных углеводородов в жидкие продукты в проточном реакторе, объединяющем барьерный разряд и электрохимический элемент (см. US patent №7033551 В2, МПК8 B01J 19/08, Apparatus and methods for direct conversion of gaseous hydrocarbons to liquids), в котором осуществляется превращение исходных молекул в жидкие соединения при олигомеризации исходных молекул или их неполном окислении кислородом в неравновесной плазме барьерного разряда. Электрохимический элемент производит окисление избыточного водорода, окислительную конденсацию углеводородов и синтез гидроксильных соединений. В качестве окислителя используют кислород или воздух. Возможно проведение данного процесса как с применением, так и без применения катализаторов. Синтез осуществляют при температуре 100-600°С и атмосферном давлении.

К недостаткам данного метода следует отнести высокие затраты энергии на образование радикалов в барьерном разряде (300-400 кДж/моль), которые являются первичными звеньями продуктов-олигомеров; необходимость подогрева газа до 100-600°С для увеличения степени конверсии. Это приводит к повышению затрат энергии на синтез и стоимости конечных продуктов.

3. Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по максимальному количеству сходных признаков является одностадийный метод конверсии смесей углеводородов, принятый за прототип (см. US patent №6375832 В1, МПК7 C10G 35/04, Fuel synthesis), в котором жидкие продукты (углеводороды) образуются в проточном реакторе под действием барьерного разряда с применением и без применения катализаторов Олигомеры, как и в предыдущем пункте, образуются в результате диссоциации исходных углеводородов в разряде и последовательного наращивания звеньев молекул конечных углеводорода, в реакциях прямой и окислительной конденсации:

СН4 → C2H6 → С4Н10 → …

Если в качестве окислителя применяется CO2, то дополнительным каналом образования жидких углеводородов служит диссоциация и гидрирование CO2, предположительно за счет водорода, выделяющегося при отщеплении Н• от исходного углеводорода. Составы продуктов, полученные в способе US patent №6375832 В1 и высокая конверсия CO2 (47,5%) подтверждают этот механизм. Продукты неполного окисления возникают по известному механизму:

RH+О• → R•+ОН•

с последующей рекомбинацией радикалов R• и ОН• и образованием спиртов.

R•+OH• → ROH.

Процесс проводится в диапазоне температур 150-400°С и при давлениях 0,01-3 МПа с применением и без применения катализаторов.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что процессы образования жидких продуктов в обоих аналогах носят нецепной характер, а механизм конденсации диссоциированных в разряде исходных соединений является термодинамически невыгодным из-за высокого порога активации процесса (>400 кДж/моль) в реакции:

е+RH → R•+Н•+е

Вследствие этого характерные значения затрат энергии на получение жидких углеводородов составляют обычно >102 кВт*час на 1 кг.

Существенным ограничением реакторов с барьерным разрядом являются низкая плотность электрического тока (10-5-10-3 А/см2) и невысокая удельная мощность (1-10 Вт на 1 см3 исходного газа при атмосферном давлении), что ограничивает производительность реактора.

В основу изобретена положена задача, заключающаяся в разработке способа переработки природного газа и/или попутного нефтяного газа в жидкие углеводородныэ масла, базирующегося на селективном колебательном возбуждении молекул исходного газа и реализации цепных процессов в неравновесной плазме импульсного газового объемного разряда высокого давления, инициируемого электронным пучком. Если обозначить через R• радикал СН3•, а через е - электроны импульсного объемного разряда, то цепные процессы, протекающие в плазме такого разряда, можно записать следующим образом. Инициирование цепи протекает по реакции

Развитие цепи:

Обрыв цепи:

где звездочкой * обозначены колебательно-возбужденные частицы. Конечным продуктом цепи (1)-(5) является димер R2. При этом обратные реакции образования легких молекул RH

играют второстепенную роль, обеспечивая эффективную конверсию газообразных углеводородов. Высокая конверсия легких углеводородов в реакторе (до 90%) и низкие энергозатраты на получение жидких углеводородов (~1 кВт·час/кг), наблюдаемые в эксперименте, подтверждают, что энергия активации процесса (2)-(5) существенно меньше, чем в условиях барьерного разряда.

В предлагаемом способе импульсный объемный разряд имеет существенный отличительный признак, который состоит в точной регулировке колебательной температуры газа Тv, важного параметра плазмы, необходимого для осуществления селективных химических реакций, стимулируемых возбужденными молекулами. В прототипе US patent №6375832 В1 под неравновесным разрядом подразумевалась плазма, в которой температура газа Тg и колебательная температура молекул Tv имеют примерно одинаковый порядок величины и составляют менее 103K в то время как температура электронов Те превышает 104 К. Регулируемым параметром в способе US patent №6375832 В1 является температура газа Тg, которая подбирается из условий оптимальной конверсии газа.

В предлагаемом способе температуру газа Тg не регулируют, температура электронов имеет такой же порядок величины, как и в прототипе (~104 К). Однако при этом колебательную температуру Тv в разряде устанавливают на один порядок величины больше и она регулируется в диапазоне 103-5·103 К, что позволяет осуществлять цепные процессы (2)-(5) и обеспечивать снижение активационного барьера. Регулировку осуществляют изменением прикладываемого к разряду напряжения и соответственно удельного энерговклада, который может составлять величину от нескольких десятых до нескольких джоулей в 1 см3. Для получения углеводородных масел удельный энерговклад в импульсе составляет >1 Дж/см3.

Техническим результатом заявляемого способа является реализация цепного механизма и снижение затрат энергии на получение жидких углеводородов в несколько раз по сравнению с прототипом и соответствующее увеличение производительности реактора. При этом предварительный нагрев газовой смеси не требуется. Указанный технический результат достигается выбором оптимальной величины напряженности электрического поля и удельной энергии в импульсном объемном разряде исходя из условий оптимальной передачи энергии электрического в колебательные уровни молекул газовой смеси (8-10 кВ/см, 1-2 Дж/см3) для получения углеводородных масел с минимальными затратами.

На чертеже схематически изображена конструкция разрядной части плазмохимического реактора. Импульсный электронный пучок проникает в газовый объем через сетчатый электрод 1, объемный разряд зажигался между этим электродом и сплошным электродом 2. Электроды разряда расположены в камере 3, в которой организован поток обрабатываемого разрядом газа 4. Питание разряда обеспечивается конденсатором С, который заряжается до напряжения U0.

Способ переработки природного газа в жидкие углеводороды в проточном реакторе с импульсным электрическим разрядом заключается в том, что на вход реактора подают природный газ, продукты реакций выводят в жидком виде, при этом в потоке газа зажигается импульсный объемный разряд, инициируемый электронным пучком. При этом длительность импульса разрядного тока не превышает 100 нс; напряженность электрического поля в разряде составляет 8-10кВ/см, а удельную энергию разрядного импульса регулируют импульсным генератором высокого напряжения в диапазоне 1-2 Дж/см3 с целью оптимизации цепного процесса. Температура реактора и температура газа внутри реактора остаются примерно равными температуре окружающей среды, в то время как колебательная температура в объемном разряде повышается (согласно расчетам) до 103-5·103 К. Давление газовой смеси в реакторе атмосферное.

Преимущество изобретения состоит в существенном снижении затрат энергии на получение жидких продуктов в связи с осуществлением цепного процесса и увеличении производительности установки по сравнению с известными аналогами.

Пример 1. На вход реактора (см. чертеж) подавали метан при атмосферном давлении и комнатной температуре (моделирование природного газа). Поток газа составлял 20 л/мин. Удельная энергия в разряде за импульс составляла 2,0 Дж/см3, частота следования импульсов высокого напряжения 1 Гц, ширина разрядного промежутка в реакторе 3 см. При этом максимальная напряженность электрического поля в столбе разряда составляла 8,2 кВ/см. В течение часа было получено 29,5 мл жидкого конденсата, состоящего преимущественно из углеводородных масел (87%). В составе остальных продуктов были получены в основном водород и в малом количестве тяжелые предельные углеводороды. Конверсия метана в реакторе осуществлялась без применения катализаторов.

Пример 2. На вход реактора (см. чертеж) подавали пропан-бутановую смесь в отношении 1:3 при атмосферном давлении и комнатной температуре (моделирование природного газа). Поток газа составлял 25 л/мин. Удельная энергия в разряде за импульс составляла 2 Дж/см3, частота следования импульсов высокого напряжения 1 Гц, ширина разрядного промежутка в реакторе 3 см. При этом максимальная напряженность электрического поля в столбе разряда составляла 8 кВ/см. В течение часа было получено 36,5 мл жидкого конденсата, состоящего преимущественно из углеводородных масел (87%). В составе остальных продуктов были получены тяжелые предельные углеводороды, олефины и альдегиды. Конверсия пропан-бутана в реакторе составила 89% и осуществлялась без применения катализаторов.

Способ переработки природного газа в жидкие углеводороды в проточном реакторе с неравновесным электрическим разрядом, отличающийся тем, что поток природного газа атмосферного давления в реакторе подвергается действию импульсного объемного разряда, который инициируется импульсным электронным пучком, причем напряженность электрического поля в разряде составляет 8-10 кВ/см, а удельная энергия в импульсе 1-2 Дж/см3.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения продукта с пределами кипения, соответствующими бензиновой фракции, из потока сырья из смеси легких олефинов, включающего этилен, пропилен и бутен, и потока жидкого ароматического сырья, содержащего моноциклические ароматические соединения, включающие от 5 до 60% масс.

Изобретение относится к способу получения продукта с пределами кипения, соответствующими бензиновой фракции, из потока сырья из смеси легких олефинов, включающего этилен и пропилен, и потока жидкого ароматического сырья, включающего бензол, включающий: экстракцию легких олефинов из потока газообразных олефинов, включающих этилен и пропилен, путем растворения противотоком при температуре до 120°С и давлении до 3500 кПа избыт.

Изобретение относится к способу получения продукта с пределами кипения, соответствующими бензиновой фракции из потока сырья из смеси легких олефинов, включающего этилен и пропилен, и потока ароматического сырья, включающего моноциклические ароматические соединения и содержащего от 5 до 60% об.

Изобретение относится к способу получения высококачественного насыщенного базового масла или компонента базового масла на основе углеводородов. .

Изобретение относится к способам обработки органических соединений в присутствии каталитических композиций, включающих диоксид кремния, который имеет мезопористую структуру.

Изобретение относится к технологии и технике конверсии газообразных углеводородов в жидкие стабильные при нормальных условиях углеводороды. .
Изобретение относится к способу получения полиальфаолефинового продукта. .

Изобретение относится к способу получения полиолефиновых основ синтетических масел путем катионной олигомеризации олефинового сырья и может быть использовано в нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к способу получения полиолефиновых основ синтетических масел путем катионной олигомеризации олефинового сырья и может быть использовано в нефтехимической промышленности.

Изобретение относится к нефтехимической промышленности, в частности к процессам выделения тримеров и тетрамеров пропилена из продуктов олигомеризации пропилена на фосфорно-кислотном катализаторе, которые используются для получения пластификаторов, присадок к маслам, детергентов, неионогенных поверхностно-активных веществ и т.д.

Изобретение относится к способу получения димеров, характеризующемуся тем, что исходное сырье, содержащее, по меньшей мере, один н-олефин, выбранный из группы, состоящей из C 8-С30 н-олефинов или смеси н-олефинов, димеризуют при температуре в диапазоне от 25 до 200°С и давлении в диапазоне от 0,001 мбар до 50 бар в присутствии твердого кислотного катализатора пропусканием исходного сырья в устройство для каталитической дистилляции, включающее или а) комбинацию дистилляционной колонны и реактора, содержащего, по меньшей мере, один слой катализатора, или в) дистилляционную колонну, соединенную с одним или более боковыми реакторами, содержащими, по меньшей мере, один слой катализатора, включающий материал твердого кислотного катализатора с мезопористой поверхностью площадью более 100 м2/г, содержанием алюминия от 0,2 до 30 мас.%, причем количество кислотных центров материала составляет от 50 до 500 мкмоль/г, и материал выбран из группы, состоящей из аморфных алюмосиликатов и мезопористых молекулярных сит с внедренным цеолитом, извлечением непрореагировавшего н-олефина в верхней части дистилляционной колонны или в верхней части комбинации дистилляционной колонны и реактора в виде бокового потока, подлежащей объединению с исходным сырьем, в результате чего от 50 до 95% н-олефинов контактируют со слоем катализатора более одного раза

Изобретение относится к катализатору олигомеризации альфа-олефинов и способу олигомеризации альфа-олефинов

Изобретение относится к катализатору олигомеризации альфа-олефинов и способу олигомеризации альфа-олефинов

Изобретение относится к способу превращения метана в более высокомолекулярный углеводород(ы), содержащий ароматический углеводород(ы),и включает: (а) подачу в упомянутую реакционную зону углеводородного исходного материала, содержащего метан; (б) подачу в упомянутую реакционную зону каталитического порошкообразного материала; (в) контактирование упомянутого каталитического порошкообразного материала и упомянутого углеводородного исходного материала по существу по противоточному принципу; (г) поддержание гидродинамики упомянутой реакционной зоны с газообразными потоками таким образом, что приведенная скорость газа (U) меньше минимальной скорости (Uмп), необходимой для псевдоожижения твердых частиц, и (д) работу упомянутой реакционной зоны в реакционных условиях, достаточных для превращения по меньшей мере части упомянутого метана в первый отходящий поток, включающий упомянутый более высокомолекулярный углеводород(ы)

Изобретение относится к способам переработки органического сырья, в том числе газообразного, твердого и жидкого сырья с получением высокооктанового бензина и/или другой высоколиквидной химической продукции и сопутствующим производством электрической и тепловой энергии

Изобретение относится к способу получения среднедистиллятного продукта и низших олефинов из углеводородного исходного сырья
Изобретение относится к технологии получения основ синтетических базовых масел и может быть использовано в нефтехимической промышленности

Изобретение относится к способам превращения метана в высшие углеводороды

Согласно настоящему изобретению предложены способ олигомеризации и способ получения полиальфаолефина. Способ олигомеризации включает: a) осуществление контакта C4-C20 альфа-олефинового мономера с каталитической системой, содержащей: 1) металлоцен, 2) первый активатор, содержащий твердый оксид, химически обработанный электроноакцепторным анионом; и 3) второй активатор, содержащий алюминийорганическое соединение формулы Al(X10)n(X11)3-n, где X10 независимо представляет собой C1-C20 гидрокарбил, X11 независимо представляет собой галогенид, гидрид или C1-C20 гидрокарбоксид, а n представляет собой число от 1 до 3; и b) образование олигомерного продукта в условиях олигомеризации. Способ получения полиальфаолефина включает: a) осуществление способа олигомеризации, указанного выше, с (b) образованием олигомерного продукта, содержащего димеры, тримеры и высшие олигомеры, в условиях олигомеризации; c) отделение потока продукта из реактора олигомеризации, содержащего олигомерный продукт, с получением тяжелого олигомерного продукта, причем по меньшей мере часть альфа-олефинового мономера, димеров или тримеров удаляют из потока продукта из реактора олигомеризации с получением тяжелого олигомерного продукта; и d) гидрирование тяжелого олигомерного продукта с получением полиальфаолефина. Альфа-олефиновые олигомеры и полиальфаолефины, полученные с применением указанных каталитических систем, могут иметь высокий индекс вязкости в сочетании с низкой температурой текучести, что делает их особенно подходящими в композициях смазывающих веществ и в качестве регуляторов вязкости. 2 н. и 42 з.п. ф-лы, 11 ил., 18 табл., 17 пр.

Изобретения относятся к области катализа. Описаны способы превращения метана в высшие углеводороды, включая ароматические углеводороды в присутствии катализаторов на основе молибдена или его соединения, диспергированного на алюмосиликатном цеолите. Технический результат - снижение селективности образования кокса. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл., 5 пр.
Наверх