Лапидус и др. Газы 2 части

Оглавление.

- 11-

жением карбонилов кобальта, схемы со стационар­ ным слоем носителя, смешанные схемы. Новые ка­ талитические системы.

Схемы с термическим разложением карбонилов ко­	411
бальта.
7.3. Производство кислородсодержащих продуктов из	418
газообразных олефиновых углеводородов
Окисление олефиновых углеводородов	418
Получение оксидов олефинов. Окисление олефинов в
альдегиды и кетоны. Технологическое оформление
процесса. Окисление олефинов по насыщенному ато­
му углерода. Производство акролеина. Производство
акриловой кислоты. Методы получения акрилонит-
рила.	433
Производство спиртов
Прямая гидратация олефинов. Сернокислотная гид­
ратация олефинов. Области применения спиртов.

Заключение по третьей части	444
Литература к третьей части	445

- 12-

.А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Уголь, нефть, природный газ, а также продукты их перера­ ботки составляют основу топливно-энергетического комплекса и в существенной степени определяют экономическое развитие других отраслей.

Природный газ вошел в структуру мировой энергетики лишь во второй половине прошлого века, и, в отличие от угля и нефти, не в роли основного энергоресурса. Но к концу XX века он стал наиболее динамично развивающимся первичным источ­ ником энергии. Уже в 2002 г. природный газ вышел на второе место в мировом энергобалансе, обеспечивая производство чет­ верти первичной энергии на земном шаре и уверенно приближа­ ясь по своему значению к нефти. Широкое применение природ­ ного газа в быту и промышленности стало отличительным при­ знаком современной цивилизации. Огромные ресурсы природ­ ного газа, позволяют рассматривать его в качестве одного из основных первичных источников энергии и химического сырья в XXI веке.

Однако если в качестве энергетического ресурса природный газ уже занял прочные позиции, его роль в производстве хими­ ческих продуктов и вторичных энергоносителей значительно скромнее. Относительно недавно появившийся термин «газохимия» еще не получил широкого распространения, и значение природного газа как сырья для производства химической про­ дукции пока несопоставимо со значением нефти. До сих пор еще под газопереработкой подразумевают в основном первич­ ную подготовку газа, его очистку и фракционирование. Относи­ тельно высокая стабильность низших алканов, и, прежде всего, высокая прочность связей С-Н в молекуле метана является глав­ ным фактором, ограничивающим использование природного газа в качестве сырья для химической переработки. В промыш­ ленности освоено относительно небольшое число крупнотон­ нажных химических процессов на базе природного газа, причем практически все они основаны на его предварительной конвер­ сии в синтез-газ или на термическом разложении до непредель­ ных углеводородов.

Тем не менее газохимия является одной из наиболее пер­ спективных и динамично развивающихся отраслей современно­ го топливно-энергетического комплекса. В ближайшие годы ее

Предисловие.	13
	- -

развитие будет в значительной степени определять общие тен­ денции развития и структуру мировой энергетики и химической промышленности. Перед отечественной газохимией стоит большой комплекс важнейших технико-экономических задач. В первую очередь это разработка современных экономичных и технологичных процессов конверсии газообразных углеводоро­ дов в жидкие энергоносители, экологически чистые моторные топлива и сырье для химической промышленности. На основе этих процессов можно обеспечить нашу страну углеводородным сырьем и топливом, получаемым на основе природного газа, и реализовать экспорт отечественных энергетических ресурсов на мировые рынки. На основе газового сырья необходимо разрабо­ тать новые химические процессы с использованием всех компо­ нентов природного газа: этана, пропана, бутана, серосодержа­ щих соединений, нестабильного конденсата.

. Постепенное сокращение нефтяных ресурсов на фоне про­ должающегося быстрого роста мирового потребления энергии и продуктов нефтехимии повышает значение природного газа не только как источника энергии, но и как сырья для производства химических продуктов и вторичных энергоносителей, в том числе для транспорта. В настоящее время природный газ по объему запасов, экономичности добычи и возможности исполь­ зования, экологическим свойствам является наиболее перспек­ тивным ресурсом, способным обеспечить потребности челове­ чества в энергии и углеводородном сырье, по крайней мере, в течение текущего столетия. Поэтому в экономике и энергетике XXI века природный газ и газохимия могут сыграть такую же роль, какую сыграли в XX веке нефть и нефтехимия. Развитие газохимической промышленности в России может стать опреде­ ляющим в возрождении отечественной экономики.

За последнее время все больший размах приобретают рабо­ ты, связанные со всесторонним использованием компонентов природных газов, так как продукты, получаемые из них, имеют высокую ценность. Уже давно назрела необходимость в систе­ матизации накопленного в литературе материала. Такая задача, однако, представляет большую трудность в связи с огромным количеством сведений, накопившихся к настоящему времени и посвященных исследованию и использованию компонентов природных газов.

Предлагаемое учебное пособие является попыткой воспол­ нить пробел в систематизации материала по физической и хи­

14 .АЛ. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

- -

мической переработке природных газов, показать состояние и перспективы развития мощной газоперерабатывающей про­ мышленности, которая создается сегодня в России.

В связи с перспективой быстрого развития газохимии в Рос­ сии, обладающей почти 40% мировых ресурсов природного газа, особое значение приобретает подготовка специалистов в данной области. Цель данного учебного пособия, подготовленного на кафедре Газохимии Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина, - дать общее представление об основных направлениях развития газохимии, существующих тен­ денциях в этой отрасли, рассмотреть основные технологические процессы, используемые в настоящее время и разрабатываемые на перспективу. Учебное пособие предназначено для студентов, аспирантов, а также специалистов, занимающихся вопросами пе­ реработки и использования природного газа.

Для удобства изложения материал учебного пособия разбит

на три части.

Первая часть посвящена состоянию и перспективам разви­ тия газопереработки и содержит две главы. В первой главе рас­ сматривается значение природных газов и других природных энергоносителей в экономике, кратко описаны свойства газов, обсуждены проблемы их транспортировки. Во второй главе из­ ложены основные направления использования и переработки природных газов, включающие структуру современных отечест­ венных газоперерабатывающих заводов и производимую ими

продукцию и перспективы их развития.

Во второй части, содержащей три главы, рассматриваются вопросы первичной переработки природных газов, включающие процессы подготовки их к переработке - очистку и осушку (гла­ ва 3), процессы разделения углеводородных газов на компонен­ ты (глава 4), вопросы стабилизации газовых конденсатов и пе­ реработки их в товарные топлива (глава 5).

В третьей части описаны основные направления химиче­ ской переработки природных газов, которые рассматриваются в двух главах: в главе 6 описаны термические и термокаталитиче­ ские превращения углеводородных компонентов природных газов, в главе 7 - их окислительные превращения.

Все критические замечания и пожелания по структуре, со­ держанию и изложению представленного материала авторы примут с благодарностью.

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

ГЛАВА 1.

ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИРОДНЫХ ГАЗАХ

1.1. Значение природных газов в экономике

Основные источники энергии, ресурсы и добыча

Энергетика - основа мировой экономики.

Представить себе современную жизнь без энергетики не­ возможно. Энергия является основой развития промышленно­ сти, сельского хозяйства, транспорта, быта человека, определяет экономическое развитие страны в целом. Уровень жизни стра­ ны, ее экономического развития напрямую зависит от потребле­ ния энергоносителей.

Решающую роль в энергетическом балансе играют три главных вида невосполняемых источников энергии - нефть, природный газ и твердые органические вещества, к которым относятся каменные угли, горючие сланцы и нефтебитумы. Восполняемые источники энергии - солнечная энергия, энергия движущихся масс воздуха и воды, атомная энергия занимают пока небольшое место в общем энергетическом балансе, из этих видов энергоносителей наиболее значимы два последних.

Поэтому исключительно важное значение для экономики является состояние ресурсов различных энергоносителей, в пер­ вую очередь нефти, природных газов и угля, их потребление,

- 16-

.АЛ. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

что дает возможность видеть перспективы и прогнозировать структуру энергопотребления.

Абсолютный вклад этих трех энергоносителей постоянно растет, но постоянно изменяется их относительный вклад в об­ щий энергетический баланс. За последние 20 лет XX века при общем росте мирового потребления энергии на 38% потребле­ ние нефти увеличилось на 12%, угля на 28%, а природного газа на 68%. Поэтому, хотя нефть остается основным источником энергии в мире, ее доля с более чем 45% четверть века назад упала до 39% в 2002г. и продолжает сокращаться.

Доля угля и гидроэнергетики осталась почти постоянной (2724% и 5-6% соответственно). Бурно развивавшаяся в 70-х и нача­ ле 80-х годов атомная энергетика после чернобыльской аварии 1986г. практически прекратила свой рост - за 20 лет в мире не было введено в строй ни одного нового реактора. И одновремен­ но происходил быстрый рост потребления природного газа. По итогам 2002г. природный газ по своему значению впервые обо­ шел уголь и выдвинулся на вторую позицию в мировой энергети­ ке, уверенно приближаясь к лидеру - нефти. В настоящее время природный газ является наиболее динамично развивающимся первичным источником энергии для мировой экономики.

Таким образом, как и четверть века, назад, мировое энерго­ потребление почти на 90% удовлетворяется за счет ископаемых углеродных источников. Единственный реальный неуглеродный источник энергии, на который мы можем опереться в ближай­ шее время, это атомная энергетика, которая уже вступила в по­ лосу возрождения после глубокого кризиса, вызванного черно­ быльской катастрофой. После почти двадцатилетнего перерыва возобновились работы по созданию новых установок, и сейчас в стадии проектирования и строительства находится около 40 но­ вых реакторов. Развитию атомной энергетики пока нет альтер­ нативы, но, так же, как и энергетика на углеродном топливе, она базируется на ископаемых энергоресурсах, запасы которых в земной коре ограничены. Кроме того, в отношении этого источ­ ника энергии существуют серьезные проблемы общественно­ эмоционального характера, безопасности и захоронения радио­ активных отходов.

В перспективе человечество получило бы практически не­ исчерпаемый источник энергии, освоив управляемый термо­

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

- 17-

ядерный синтез. Однако реализация этой проблемы, еще три­ дцать лет назад казавшейся практически уже решенной, отодви­ гается все в более далекое будущее. Реально термоядерная энер­ гетика будет давать вклад в мировую экономику не ранее конца столетия.

Пока еще призрачны надежды на так называемые «альтерна­ тивные» источники энергии (солнечная, ветровая, гидроэнергети­ ка, энергия, получаемая при сжигании биомассы), вклад которых, например, в энергетику США составляет менее 0,1%. Следует однако отметить, что суммарные инвестиции в поиски альтерна­ тивной энергии за последние годы превысили 100 миллиардов долларов. Значительное повышение цен на нефть в последнее время привело к интенсификации работ в этом направлении.

В настоящее время за один год человечество расходует энергетические запасы, на образование которых природе требу­ ется примерно миллион лет. Поэтому перед человечеством сто­ ит серьезная проблема - обеспечить ресурсами дальнейшее про­ грессивное развитие мировой энергетики.

Основной и наиболее удобный во всех отношениях энерго­ ресурс современной экономики - нефть. В структуре мирового энергобаланса в последние годы нефть занимает порядка 36-38%. Но ее запасы ограничены и быстро истощаются. Темп открытия новых нефтяных ресурсов достиг своего пика в 1960-х годах и с тех пор объем ежегодного прироста ресурсов неуклон­ но падает. Таблицы 1-3 характеризуют долю нефти в мировом энергобалансе. Доля нефти в структуре потребления первичных видов энергии в мире в начале XXI века несколько снизилась - до 36%, по всей вероятности будет очень медленно снижаться еще достаточно долго.

Прогнозный топливно-энергетический баланс свидетельст­ вует об уменьшении её роли к 2050 году (табл. 3).

При этом мировое потребление энергии продолжает быстро увеличиваться, в основном за счет развивающихся стран, кото­ рые стремятся приблизиться по уровню жизни и, следовательно, энергопотребления, к развитым странам. При нынешних темпах роста энергопотребления в мире, за столетие его объем может увеличиться примерно в пять раз.

Из табл. 4 видно, что запасы нефти в мире распределены неравномерно - 65% всех доказанных ресурсов нефти сосредо­ точены на Ближнем Востоке.

-18- ........................................А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

Та б л и ц а 1. Доля нефти в топливно-энергетическом

балансе, (%)

1997г. 1998г. 1999г. 2000 г. 2001 г. 2002 г. 2004 г. 2005 г.

Мир	в	39,9	40,0	40,0	39,8	39,8	39,7	36,9	36,4
целом
ОЭСР		43,1	43,1	43,0	42,9	42,8	42,8	41,0	41,0
Разви­		40,4			40,4	40,4	40,4	35,8	34,7
вающиеся			40,8	40,8
страны
Бывший		20,8	20,6	20,4	20,3	20,3	20,3	18,5	18,4
СССР
Т а б л и ц а 2.			Структура мирового энергобаланса в 2005
году, (%)
			/
Виды			Нефть Природный			Уголь	Ядерная		Прочие
энергоносителей					газ		энергия
Удельный вес, %			36,4		23,5	27,8		6,0	6,3

Т а б л и ц а 3. Прогнозный топливно-энергетический ба­

ланс мира на 2010-2050 гг., %

	Виды	2010 г.	2020	г.	2050 г.
	энергоносителей
	Нефть	35-39	30		28-29
	Природный газ	24-25	29		28-30
	Уголь	18-19	17		22-24
	Прочие	13-14	24		20

По данным МАГАТЭ, ОПЕК, департамента промышленного раз­ вития ООН.

Таким образом, в долгосрочной перспективе для покрытия своих растущих энергетических потребностей и мировая, и оте­ чественная экономика реально могут рассчитывать только на два источника энергии и углеводородного сырья - ископаемые

1. Состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности.

- 19-

ресурсы природного газа и угля. Ресурсы каменного угля ог­ ромны и распределены более равномерно. Наибольшими его запасами обладают три страны - США, КНР и Россия, на долю каждой из которых приходится примерно четверть мировых ре­ сурсов. Объем мировой добычи угля увеличивается, и уголь частично отвоевывает некогда утраченные позиции. Особенно велика его доля в производстве электроэнергии в КНР - около 75%, в США - более 50%. Однако низкая производительность труда при добыче и транспортировке угля, а также серьезные экологические проблемы, связанные с его использованием в энергетике, сдерживают масштабы его применения. Более при­ влекательным ископаемым ресурсом, как с точки зрения ис­ пользования, так и транспортировки, является природный газ. Его доказанные мировые ресурсы по состоянию на 2002г. со­ ставляли 155 трлн. м3 и продолжают быстро возрастать по мере проведения геологоразведочных работ. За два последние деся­ тилетия они практически удвоились.

Т а б л и ц а 4. Мировые запасы нефти по регионам мира в

2000 г. и 2005 г. (млрд. т.)

Регионы и страны	2000 г.	2005г.
Ближний Восток	92,7	101,2
в т.ч. Саудовская Аравия	35,5	36,3
Ирак	15,4	15,5
Кувейт	12,9	14,0
Иран	12,7	18,9
Объединенные Арабские Эмираты	12,6	13,0
Оман	0,7	0,8
Африка.	9,6	15,2
в т.ч. Ливия	4,0	5,1
Нигерия	2,3	4,8
Алжир	1,3	1,5
Ангола	0,7	1,2
Египет	0,5	0,4
Прочие	0,8	0,7
Восточная Европа и бывший СССР	8,1	16,8
в т.ч. Россия	6,7	10,2
прочие страны	1,4	6,6

- 20- Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г; Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ

Продолжение таблицы 4

Регионы и страны	2000 г.	2005г.
Азиатско-Тихоокеанский регион	5,3	5,4
в т.ч. Китай	3,3	2,2
Индонезия	0,7	0,6
Индия	0,6	0,8
Малайзия	0,5	0,5
Австралия	0,2	1,3
Северная Америка	9,2	7,8
в т.ч. США	3,0	3,6
Канада	0,7	2,3
Мексика	5,5	3,9
Южная Америка	11,8	12,9
в т.ч. Венесуэла	9,8	11,5
Бразилия	0,7	1,6
Прочие	1,3	1,7
Западная Европа	2,5	2,4
в т.ч. Норвегия	1,5	1,3
Великобритания	0,7	0,5
прочие страны	0,3	0,6
Итого по миру	139,2	163,6

По данным журнала Oil and Gas Journal на конец года

В качестве традиционных ресурсов природного газа рас­ сматриваются залежи с минимальными запасами 0,1 млрд. м3 и начальным дебитом скважин более 30 тыс. м3/сут. Полное число месторождений с залежами свободного газа в мире превышает 17 ООО и в более 30 ООО чисто нефтяных месторождений газ при­ сутствует в виде второстепенного компонента (нефтяной, попут­ ный). Наибольшими текущими запасами газа (трлн. м3) обладают Россия (47,5), Иран (26,6), Катар (25,8), Саудовская Аравия (6,5).

Кроме того, существуют огромные запасы нетрадиционного природного газа, включая угольный метан, углеводородные га­ зы, растворенные в подземных водах, метан в составе газовых гидратов и др., которые многократно превышают запасы тради­ ционного природного газа и позволяют рассматривать его как основной ископаемый энергетический ресурс человечества даже на достаточно далекую перспективу.

Природный газ играет все более важную роль в мировом энергобалансе. Экологичность, экономичность и технологич­ ность - вот главные свойства газа, благоприятные для потреби­