ГАЗОХІМІЯ, Енциклопедія Навколишній світ
ГАЗОХІМІЯ– галузь промисловості, яка є сукупністю великомасштабних процесів переробки природного, попутного і технологічних газів.
Як і нафта, природний газ, промисловий видобуток якого розпочався у 1920-х, є насамперед енергетичною сировиною. Газ як паливо має важливі переваги перед нафтою і тим більше вугіллям: у нього висока теплотворна здатність, за допомогою системи газопроводів його можна підвести до будь-якого споживача, при горінні природного газу не залишається золи. Необхідно, однак, відзначити, що поширена точка зору на природний газ як екологічно чисте паливо не цілком вірна. По-перше, в газі зазвичай містяться сполуки сірки, які при горінні перетворюються на діоксид сірки. По-друге, що виходить при горінні СО2 посилює парниковий ефект, що призводить до підвищення температури атмосфери. По-третє, високотемпературне горіння газу топках котлів електростанцій супроводжується частковим окисленням азоту повітря. В результаті димових газів електростанцій з'являються токсичні оксиди азоту. Тим не менш, природний газ є чистішим паливом у порівнянні з мазутом і, тим більше, вугіллям.
Достоїнства природного газу як енергоносія спричиняють те, що понад 90% всього його видобутку витрачається як паливо на теплових електростанціях, промислових підприємствах та в побуті, однак у домашньому господарстві економічніше використовувати електроенергію, отриману при централізованому спалюванні газу на ТЕЦ, ніж газові кухонні плити. Це з набагато більшим к.п.д. промислових агрегатів і, отже, із значною економією газу.
Незважаючи на важливе значення газу в паливно-енергетичному балансі, дедалі більша його частина йде на хімічну.тому все більше зростає роль газохімії, яка в останні десятиліття стала самостійною галуззю промисловості, потіснивши нафтохімію.
Склад газу специфічний кожному за родовища. Найважливішою особливістю природного і попутного (тобто супроводжує нафту) газів є їх вуглеводнів до класу алканов, тобто. найменш реакційно-здатних вуглеводнів. Ця обставина ускладнює хімічну переробку газу.
Перша стадія обробки видобутого з надр газу - осучення. У газоносних пластах завжди міститься волога, яка виноситься разом з газом, що відбирається. Водяні пари в газі перешкоджають багатьом подальшим технологічним операціям транспорту газу трубопроводами. В основі осушення газу лежать такі процеси як абсорбція спеціальними рідинами (гліколями), адсорбція твердими поглиначами, дроселювання.
Якщо в газі є сполуки сірки, то його потрібно якнайповніше звільнити від них, оскільки сірководень і меркаптани викликають інтенсивну корозію трубопроводів, зумовлюють появу діоксиду сірки при спалюванні газу, отруюють каталізатори хімічної переробки газу. Для очищення природного газу від сірководню найбільш широко застосовують процес Клауса:
Це дозволяє не тільки позбутися сірководню, а й отримати сірку – сировину для виробництва сірчаної кислоти. Суть процесу Клауса полягає в тому, що частину сірководню окислюють до діоксиду сірки, який потім реагує із сірководнем. Ця реакція протікає при нагріванні при каталізатора на основі заліза.
Основні напрями хімічних перетворень алканів, що входять до складу природного та попутного газів.
Метан.Газ, основна промислова сировина для виробництва водню. Більше 3/4 всього використовуваного впромисловості водню одержують методом парової каталітичної конверсії метану:
За одним із способів процес ведуть у трубчастих печах у присутності алюмонікелевого каталізатора при температурі 370-450 ° C і тиску 20 атм.
Половина водню, що одержується з природного газу, йде на виробництво аміаку, тому великотоннажний синтез аміаку (а разом з ним і отримання мінеральних добрив, азотної кислоти, барвників, вибухових речовин) немислимий без природного газу.
Суміш СО та Н2 називають синтез-газом, так як вона використовується у виробництвах органічного синтезу, в першу чергу, метанолу:
Не менше 2/3 метанолу в промисловості одержують за цією схемою. Синтез-газ застосовують і отримання вищих спиртів.
Значна частина метану природного газу витрачається на виробництво ацетилену та сажі. При переробці газу методом окислювального піролізу йдуть процеси:
Регулюючи співвідношення між метаном та киснем, температуру та деякі інші умови, можна направити процес окислювального піролізу у бік утворення ацетилену або сажі. Сажа (її ще називають технічним вуглецем) є великотоннажним хімічним продуктом, необхідним насамперед у виробництві автомобільних шин та інших гумових виробів. Зауважимо, що чорний колір автопокришок обумовлений саме сажею.
Етан.Якщо природний газ містить не менше 3% етану, з нього вигідно отримувати етилен. Етилен з етану отримують у трубчастих печах, нагрітих до 850° С. За такої температури відбувається дегідрування етану і утворюється С2Н4 з виходом 70%.
Етилен служить сировиною для різноманітних полімерних виробів і напівпродуктом у різних органічних синтезах.
Пропан, бутани і пентани.Ці граничні вуглеводнідегідрують із отриманням відповідних олефінів – сировини для полімеризації. Щоб виділити з природного газу етанову, пропанову або важчі фракції, газ піддають низькотемпературної ректифікації. Ця технологічна операція дозволяє сконцентрувати гелій, що міститься в деяких природних газах.
Гелійвикористовується в багатьох областях сучасної техніки: системах глибокого охолодження, при створенні захисних атмосфер, спеціальних дихальних сумішей. Широко використовується гелій у наукових лабораторіях. Без нього неможлива постановка багатьох фізичних та фізико-хімічних експериментів.
Україна має величезні запаси природного газу. У нас відкрито понад 700 його родовищ, серед них такі гіганти як Уренгойське, Заполярне, Ямбурзьке, Ведмеже, Оренбурзьке, Астраханське, проте газохімія в нашій країні поки що недостатньо розвинена. Особливо це стосується виробництва етилену з газу. Сьогодні етилен в Україні отримують піролізом (термічним розкладанням) бензину, тобто, зрештою, з нафти.
Найважливіша наукова проблема газохімії – пошук каталізаторів, які дозволяють вибірково і з високим виходом перетворювати нижчі алкани, насамперед метан, на цільовий продукт. Поки що це роблять через синтез-газ, який потім перетворюють на метанол чи інші спирти. Багато лабораторіях світу проводяться інтенсивні дослідження, створені задля виявлення ефективних каталізаторів для процесів глибокої переробки алканов. Велике значення має і заміна піролітичних процесів переробки газу каталітичними.
Не можна не брати до уваги той факт, що запаси природного газу не нескінченні. За оцінками експертів, через виснаження запасів частка природного газу в паливно-енергетичному балансі почне знижуватися вжеу другій половині 21 ст. Для енергетики таке зниження не надто небезпечне – передбачається, що воно буде компенсовано розвитком ядерної енергетики та, можливо, альтернативними джерелами енергії, насамперед сонячної. А ось для хімічної промисловості вичерпання газової сировини загрожує вельми серйозними наслідками. Вуглецевмісні матеріали: пластичні маси, продукти основного та тонкого органічного синтезу – вимагають і вимагатимуть для свого виробництва сотень мільйонів тонн органічної сировини щорічно. Звідси зрозумілий інтерес дослідників до пошуків так званих нетрадиційних джерел органічної сировини та палива.
Найбільш очевидним джерелом газоподібної органічної сировини є кам'яне вугілля. Давно відомо, що при нестачі повітря він здатний окислюватися з утворенням монооксиду вуглецю:
Пропускання водяної пари над розпеченим вугіллям призводить до отримання синтез-газу:
Однак це ендотермічний процес, який потребує значних витрат енергії.
Оскільки запаси кам'яного вугілля Землі перевищують запаси газу, зараз промислово розвинені країни зосереджують зусилля вчених та інженерів розробки технологічних процесів газифікації вугілля. Незважаючи на те, що хімізм процесу газифікації відомий вже понад 100 років, а невеликі газогенератори застосовувалися в автомобільному транспорті ще під час Великої вітчизняної війни, проблему створення великотоннажних виробництв поки що не вирішено остаточно. Це з прагненням інженерів зробити процес газифікації максимально економічним, маловідходним, придатним для переробки будь-якого сорту вугілля.
Один з найпрогресивніших варіантів газифікації вугілля було запропоновано ще Д.І.Менделєєвим. У нашій країні було проведено численні експерименти, якіпоказали життєвість ідеї Д.І.Менделєєва. Було накопичено досвід експлуатації підземних газогенераторів. Однак у зв'язку з бурхливим розвитком видобутку та транспортування природного газу ці роботи було припинено. Справа в тому, що природний газ має приблизно десятикратну перевагу перед газом підземної газифікації теплотворної здатності. Тим не менш, цим способом вигідно переробляти вугілля невисокої якості, наприклад, підмосковні.
Ще одне нетрадиційне джерело газової сировини – гідрати газу. Наприкінці 19 ст. було встановлено, що метан, подібно до деяких інших газів (хлору, сірководню, діоксиду сірки) при низьких температурах здатний утворювати тверді нестехіометричні сполуки з водою. Ці сполуки є кристалами, що нагадують звичайний лід або сніг, але в порожнинах кристалічної решітки такого «льоду» знаходяться молекули метану. В одиниці об'єму гідрату метану міститься стільки молекул СН4, скільки їх міститься в тому ж обсязі зрідженого метану. Гідрати метану нестійкі в нормальних умовах: вони можуть існувати або при підвищеному тиску, або при зниженій температурі.
Якщо природний газ, що видобувається, недостатньо осушити від пластової води, при транспортуванні його в трубопроводах виникають пробки, що складаються з гідрату метану. Особливо небезпечне це явище взимку. Боротьба з утворенням гідратів метану в газопроводах і безпосередньо в газових свердловинах – складна та дорога справа.
У 1960-х вітчизняні фахівці звернули увагу на те, що температури та тиску, при яких гідрати метану стійкі, найчастіше реалізуються у підземних пластах, особливо у північних районах та на шельфі Світового океану. А чи не може метан бути під землею у вигляді гідрату? І геологи знайшли такі газогідратнімісце народження. Подальші дослідження та розрахунки показали, що запаси метану у вигляді гідратів можуть перевищувати запаси «звичайного» газу. Справа лише за створенням надійних та економічно вигідних методів експлуатації таких родовищ.
Наступне джерело альтернативної сировини для газохімії – біомаса рослин. Піддаючи термокаталітичній обробці рослинну сировину можна отримати синтез-газ та різні органічні речовини. Основні труднощі у цій галузі нашій країні полягають у організації принципово вдосконалених лісозаготівельних технологій, в інтенсифікації лісовідновлювальних робіт і радикальному підвищенні загальної культури лісокористування. Для країн із теплішим кліматом необхідно вирішити завдання селекції посухостійких культур, що дають багато біомаси, звільнення посівних площ під ці культури, перебудови хімічної технології на переробку великих обсягів рослинної сировини.
Відомі численні успішні спроби утилізації ще одного потенційного джерела органічних речовин – вторинної органічної сировини. Відпрацьовані автомобільні шини, пластикова тара, полімерні конструкційні матеріали – це можна і потрібно переробляти.
Геологи встановили, що у глибинних шарах нашої планети постійно генерується метан. Такий абіогенний газ постійно просочується через тріщини земної кори у районах активного вулканізму. Можна вважати, що у віддаленій перспективі з'являться методи, що дозволяють відбирати та використовувати цей газ, запаси якого, мабуть, невичерпні.
Зрештою, ще один неосяжний ресурс органічної сировини для газохімії – вуглекислий газ атмосфери. Щоб використовувати його як хімічну сировину, СО2 необхідно відновити:
Для реалізації цього ендотермічного процесупотрібні каталізатор та енергія. Такого типу реакції давно проводять у лабораторіях, але якщо цей процес впроваджувати в промисловість у широкому масштабі, обов'язково знадобиться велике джерело водню. Таким джерелом сьогодні є метан природного газу. Виходить замкнене коло. Розірвати його можна двома шляхами, і обидва вони пов'язані з використанням енергії Сонця. Це отримання водню і кисню фотокаталітичним розкладанням води, або фотосинтез в штучних умовах. Обидва напрями є об'єктом пильної уваги вчених багатьох країн. Коли люди навчаться отримувати органічні речовини з СО2 і води, не вдаючись до допомоги рослин, і навчаться розкладати воду на водень і кисень під дією світла в промисловому масштабі, людство набуде невичерпних джерел енергії та сировини.