Технологія GTL, Журнал Популярна Механіка
Технологія, розроблена німецькими хіміками, була прикладною. Вона виявилася дуже корисною в бідній нафтою, але багатою на вугілля Німеччини: на початку 1940-х років процес Фішера-Тропша активно використовувався вже на двох десятках заводів. До 1943 вони видавали 124 000 барелів синтетичного палива щодня, забезпечуючи 92% обсягу авіаційного палива (і 57% загального обсягу палива всіх видів), що робило подібні підприємства однією з основних цілей бомбардувань військ союзників.
Після війни союзники, до яких потрапили документи та фахівці з технології синтезу, почали експериментувати з отриманням синтетичних вуглеводнів, проте до комерційного застосування не дійшло — виявлення величезних запасів нафти на Близькому Сході на початку 1950-х зробило цю технологію нерентабельною.
Схема конверсії природного газу в рідкі вуглеводні за допомогою каталітичного синтезу та гідрокрекінгу.
Криза на допомогу
«Про процес Фішера-Тропша згадали 1973 року, коли нафтова криза різко підвищила ціни на нафту, — каже Ендрю Хефер, віце-президент з маркетингумастильних матеріалів концерну Shell. — Тоді у світі різко зріс інтерес до альтернативних технологій одержання різних вуглеводнів, і хіміки багатьох компаній зайнялися цим питанням. Концерн Shell удосконалював синтез Фішера-Тропша протягом десяти років, доки не з'явилася ясність, що ця технологія може стати комерційно вигідною. 1983 року в Амстердамі було побудовано дослідне виробництво, де хіміки отримали можливість масштабних експериментів, а 1993-го відкрився перший комерційний завод концерну в Бінтулу (Малайзія), що випускає 12 500 барелів рідких синтетичних вуглеводнів на день. А в 2006 році концерн Shell почав будівництво найбільшого у світі заводу з виробництва синтетичних вуглеводнів з природного газу, Pearl GTL в Катарі, який вступив в дію три роки тому».
Завод виробляє нафту, нормальні парафіни, базові мастила, гас (авіаційне паливо) та газойль (дизельне). Звичайно, всі ці сполуки можна отримати і з нафти, але синтез із газу має низку серйозних переваг. По-перше, чистота синтетичних вуглеводнів може бути набагато вищою за мінеральні, які досить складно очищати від шкідливих домішок. «Вуглеводні, що отримуються в результаті синтезу на установках Pearl GTL, настільки чисті, що, наприклад, парафіни дозволено використовувати в харчовій, косметичній і фармацевтичній промисловості», — пояснює Хефер.
По-друге, розвідані світові запаси газу перевищують запаси нафти (за масою) більш ніж у десять разів, тому навіть якщо людство вичерпає запаси «чорного золота», завжди є варіант переходу на синтетичні замінники палива, олій та сировини для виробництва різних пластиків. Зокрема, на Pearl GTL синтезують авіаційне паливо, яке використовується (поряд із мінеральним)для заправки авіалайнерів Qatar Airways
З газу до князів
«Технологія Shell Middle Distillate Synthesis (SMDS) заснована на процесі Фішера-Тропша, якому майже сто років, — пояснює Іен Шеннон, керівник відділу досліджень та розробок моторних масел концерну Shell. — Проте хіміки концерну витратили кілька десятиліть на вдосконалення цієї технології, отримавши більше 3500 патентів. Одна з ключових деталей - каталізатори, що складаються з дуже дрібних частинок різних металів, таких як кобальт, нікель, залізо та ін, хоча точний склад їх тримається в найсуворішому секреті. Чим ефективніший каталізатор, тим більше вихід кінцевого продукту синтезу. Ми маємо величезний досвід виробництва синтетичних вуглеводнів у Бінтулу, і наші інженери постійно експериментують з новими каталізаторами на дослідному заводі в Амстердамі». Самі каталізатори для промислового виробництва виготовляє компанія Criterion, що входить до складу концерну Shell.
Реактори синтезу яких на заводі Pearl GTL 24 штуки містять десятки тисяч трубчастих каналів. Кожен канал заповнений гранулами пористого наповнювача, в якому знаходяться частинки каталізатора (сумарна площа поверхні каталізатора величезна - вона у 18 разів перевищує площу Катару). На дослідному виробництві використовуються такі самі трубчасті канали, але в набагато меншій кількості — достатньо однієї труби, щоб змоделювати реакцію. Така конструкція дає можливість легко масштабувати процеси, що відбуваються шляхом збільшення кількості труб.
Три етапи технології
Весь процес синтезу рідких вуглеводнів з газу у варіанті Shell має такий вигляд. Природний газ надходить з офшорного родовища «Північне поле», запаси якого оцінюються в25 трлн кубометрів (це приблизно 15% світових запасів). На вході від головної складової газу, метану відокремлюють основні домішки - сірку, газовий конденсат (рідкі фракції) та етан. Після цього із суміші природного газу та кисню, який одержують тут же, на заводі Pearl GTL, при температурі близько 1500 °C виготовляють синтез-газ – суміш моноксиду вуглецю та водню. У процесі виготовлення синтез-газу виділяється багато тепла і утворюється багато пари, яка надалі використовується для обертання турбін генераторів та отримання електроенергії.
На другому етапі синтез-газ подається в реактор синтезу, де в присутності каталізатора молекули поєднуються в довгі вуглеводневі ланцюжки. На виході цього етапу як основний продукт синтезу виходять довгі граничні вуглеводні - парафіни. Чому саме парафіни? Справа в тому, що ефективність конверсії метану ось у такі довгі вуглеводневі ланцюги вища. До того ж, це зручно з точки зору кінцевих продуктів — довгі молекули нескладно розрізати на ділянки контрольованої довжини. Під час синтезу виділяється багато тепла, а як побічний продукт утворюються водяна пара (його направляють крутити турбіни) і вода.
На третьому етапі парафіни піддаються гідрокрекінгу (приєднання водню та розщеплення), у процесі якого довгі молекули розщеплюються на більш короткі, а також ізомеризації. Залежно від умов реакції (температура, тиск) можна отримувати різні фракції вуглеводнів — на заводі Pearl GTL це нафта, нормальні парафіни, авіаційний гас, газойль (дизпаливо) та ізопарафіни.
Чистий плюс
Серед усіх одержуваних хімічнихсполук особливий інтерес становлять ізопарафіни, молекули яких, крім довгих прямих вуглеводневих ланцюжків, мають короткі бічні відгалуження. «Така форма молекул надає їм унікальних властивостей, зокрема дуже високого індексу в'язкості (тобто в'язкість мало залежить від температури), — каже Боб Сазерленд, директор з технологій сімейства моторних масел Shell Helix. — Завдяки цьому ізопарафіни є чудовою основою для найсучасніших базових моторних масел. За своїми якостями ізопарафіни нічим не поступаються визнаному лідеру ринку синтетичних моторних масел - поліальфаолефінам, ПАТ. А за деякими властивостями ізопарафіни навіть кращі. ПАТ виготовляють шляхом хімічного синтезу з етилену, причому його дуже обмежена. А завод Pearl GTL має продуктивність із ізопарафінів у мільйон тонн на рік!» Моторні оливи сімейства Shell Helix Ultra з технологією PurePlus Technology, в основі яких лежать ізопарафіни, можуть мати дуже низьку в'язкість - SAE 0W30, 0W20, рекордно низьку на сьогоднішній день 0W16 або навіть експериментальну 0W10. Такі показники пов'язані з оптимізацією економії палива — деякі варіанти забезпечують до 3% економії. Але цим переваги Shell PurePlus Technology не вичерпуються: до сильних сторін таких масел можна віднести стійкість до окислення при високих температурах, менше випаровування в двигуні, а також чудові миючі властивості (у поєднанні з фірмовою системою Shell Active Cleansing Technology), що дозволяють підтримувати каже Боб Сазерленд, не просто чистим, а «у стані нового». Але, ймовірно, головна перевага розробленої концерном Shell технології GTL - це те, що вона здатна позбавити людство від страху, в якому воно перебуває останні сто років.«Теоретично, – каже Іен Шеннон, – за допомогою нашої технології можна виготовляти практично будь-які вуглеводні. І це дає відповідь на запитання, що ми робитимемо, коли (або якщо) раптом закінчиться нафта».