Синтез-газ. Развитие химической технологии на основе синтез-газа

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

 

 

 

 

 

Реферат

На тему: Синтез-газ. Развитие химической технологии на основе синтез-газа.

Факультет химической и биотехнологии

Кафедра технологии нефтехимических и углехимических производств

Группа 225

Выполнила:         Проверил:

Студентка Аванесян А.Ю.                                              Доцент Громова В.В.

 

 

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

Содержание

1. Введение…………………………………………………………3
2. Основная часть………………………………………………….4-13
1. Способы получения синтез газа……………………………….4-5
2. Применение синтез – газа……………………………………...6-13

• Получение метанола……………………………………..6-8
• Применение метанола……………………………………8-9
• Продукты синтеза Фишера – Тропша…………………..9-12
• Гидроформилирование олефинов……………………....12-13

3. Заключение……………………………………………………....14

4. Список использованной литературы…………………………...15
5. Приложение………………………………………………………16-18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

     За многие миллионы лет природа накопила богатейшие запасы углерода в виде угля, нефти и природного газа. Сейчас эти ископаемые используются человечеством для получения энергии и химических продуктов. В конце прошлого - начале нынешнего века большинство продуктов органической химии производилось из каменных углей. По мере увеличения добычи нефти химические вещества угольного происхождения начали вытесняться продуктами нефтехимического синтеза, производимыми более простыми и менее энергоемкими методами. Однако оценка разведанных мировых запасов различных видов ископаемого органического сырья приводит к выводу о том, что месторождения нефти и газа будут в значительной степени исчерпаны уже в первые десятилетия. Поэтому очень важно найти такое альтернативное нефти сырье для производства основных продуктов нефтехимии.

     В своей  работе я бы хотела исследовать  возможность применения синтез  – газа в виде альтернативного  нефти сырья. И его роль в  современной химической технологии.

    

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Основная часть

Способы получения синтез газа

     Источники получения синтез - газа и основные направления его использования (см. Приложение №1).

     В настоящее  время существует три основных  промышленных метода получения  синтез – газа.

     Первым способом  получения синтез – газа была  газификация каменного угля, которая  была осуществлена еще в 30-е  годы XIX века в Англии с целью получения горючих газов.

     Процесс основан на взаимодействии угля с водяным паром:

C + H2O ↔ H2 + CO 

     Эта реакция  является эндотермической, равновесие  сдвигается вправо при температурах (900-10000С). Разработаны технологические процессы, использующие парокислородное дутье, при котором наряду с упомянутой реакцией протекает экзотермическая реакция сгорания угля, обеспечивающая нужный тепловой баланс:  

C + 1/2O2 → CO

     Второй способ это конверсия метана. Эта реакция взаимодействия метана с водяным паром проводится в присутствии никелевых катализаторов (Ni – Al2O3) при повышенных температурах (800-9000С) и давлении:

CH4 + H2O → CO + 3H2

     В качестве  сырья вместо метана может  быть использовано любое углеводородное  сырье.

     И третий способ это парциальное окисление углеводородов. Процесс заключается в неполном термическом окислении углеводородов при температурах выше 13000C.

CnH2n+2 +1/2nO2 → nCO + (n + 1)H2

     Способ применим к любому углеводородному сырью, но наиболее часто в промышленности используют высококипящую фракцию нефти – мазут.

     Соотношение  СО : Н2 существенно зависит от применяемого способа получения синтез-газа. При газификации угля и парциальном окислении это соотношение близко к 1 : 1, тогда как при конверсии метана соотношение СО : Н2 составляет 1 : 3. В настоящее время разрабатываются проекты подземной газификации, то есть газификации угля непосредственно в пласте. Интересно, что эта идея была высказана Д.И. Менделеевым более 100 лет назад. В перспективе синтез-газ будут получать газификацией не только угля, но и других источников углерода вплоть до городских и сельскохозяйственных отходов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение синтез – газа

     Синтез-газ служит исходным сырьем для производства многих химических и нефтехимических продуктов, таких как метанол и другие оксигенаты1, продукты синтеза Фишера-Тропша, а также используется для восстановления железной руды (см. Приложение №2).

     Получение метанола

    Метанол, один из основных продуктов многотоннажной химии, широко используется для получения множества ценных химических веществ: формальдегида, сложных эфиров, аминов, растворителей, уксусной кислоты. Мировое производство метанола превышает 20 млн. т в год, и спрос на него постоянно растет, что связано с наметившейся тенденцией использовать метанол в новых областях, например для получения высокооктановых бензинов, топлива для электростанций, как сырья для синтеза белка и т.д.

     С этапами изучения химии метанола связаны имена величайших химиков. Впервые метанол был обнаружен еще в середине XVII века Робертом Бойлем при изучении продуктов перегонки дерева, однако в чистом виде метиловый спирт, или древесный, получаемый этим способом, был выделен только через 200 лет: тогда впервые удалось очистить его от примесей сопутствующих веществ, прежде всего уксусной кислоты и ацетона. В 1857 году Марселен Бертло получил метанол омылением хлористого метила. Процесс сухой перегонки древесины долгое время оставался, пожалуй, единственным способом производства метанола. Сейчас он полностью вытеснен каталитическим синтезом из оксида углерода и водорода. Получение метанола из синтез - газа впервые было осуществлено в Германии в 1923 году фирмой BASF2. Процесс проводился под давлением 100-300 атм. на оксидных цинк-хромовых катализаторах (ZnO-Cr2O3) в интервале температур 320-4000С, производительность первой промышленной установки доходила до 20 т/сутки. Интересно, что в 1927 году в США был реализован промышленный синтез метанола, основанный не только на монооксиде, но и на диоксиде углерода. В настоящее время в результате развития и усовершенствования процесса получения метанола из синтез - газа используются реакторы большой мощности с производительностью до 2000 т метанола в сутки. Разработаны более активные катализаторы на основе оксидов цинка и меди, которые позволили смягчить условия синтеза - снизить давление до 50-100 атм., а температуру - до 2500C.

     Суммарная реакция образования метанола:

CO + 2H2 ↔ CH3OH

является сильно экзотермичной. Поскольку реакция протекает с уменьшением объема, повышение давления способствует увеличению конверсии синтез - газа.

     Было предложено  несколько механизмов образования  метанола. Один из них предполагает  ряд последовательных стадий  гидрирования хемосорбированного на катализаторе монооксида углерода, при этом образуются промежуточные поверхностные соединения:

     Второй механизм предполагает образование поверхностного гидрида, внедрение монооксида углерода в связь металл-водород с образованием поверхностного формильного производного, дальнейшее гидрирование которого приводит к образованию гидроксиметиленового производного, аналогичного приведенному в предыдущей схеме:

     Согласно третьему механизму, СО внедряется в поверхностный гидроксил, при этом образуются промежуточные соединения, связанные с поверхностью катализатора через кислородный мостик. Последующее гидрирование образующегося формиата и дегидратация приводят к метанолу:

     Следует отметить еще один экспериментально обоснованный механизм синтеза (А.Я. Розовский), согласно которому метанол образуется при восстановлении диоксида углерода. Монооксид углерода является лишь источником CO2:

CO + H2O = CO2 + H2

 

CO2 + 3H2 = CH3OH + H2O

 

     Как и во  многих других случаях, однозначное  установление истинных механизмов  химических реакций представляет  значительную трудность, и до  сих пор в синтезе метанола  имеются неразгаданные моменты.

     Применение метанола

• Химическая промышленность.

     В данной индустрии метанол или метиловый спирт применяется как полупродукт большинства промышленных синтезов. Метанол вступает в реакцию со многими органическими соединениями, что позволяет производить на его основе различные органические вещества и полимеры. Наибольшее количество метанола (~ 50 %) уходит на производство формальдегида. Метанол является метилирующим агентом при производстве таких веществ как: метилметакрилат, диметилтерефталат, некоторые виды пестицидов. Метиловый спирт – это сырье для получения таких продуктов как метиламин (~ 9 % от всего выпускаемого метанола), уротропин, пентаэритрит. Он используют в производстве фотопленки, карбамидных, ионообменных, поливинилхлоридных смол, как растворитель в лакокрасочной промышленности. Большим спросом метанол стал пользоваться на аммиачных установках. Метиловый спирт применяется также для производства лекарственных средств, его добавляют к топливу, метанол может использоваться как топливо на электростанциях, выступать в роли заменителя бензина для автомобилей или применяться в смеси с бензином, метиловый спирт входит в состав ряда антифризов, там, где позволяют требования безопасности. В настоящее время метанол применяется в производстве метил-третбутилового эфира – МТБЭ, являющегося одной из широко применяемых октано-повышающих присадок к бензинам. Метиловый спирт востребован и в производствах лекарственных средств. Он используется для получения таких химикатов как карбофос, хлорофос, бромистого и хлористого метила.

• Нефтеперерабатывающая промышленность.

     В данной отрасли метанол востребован как селективный растворитель, который применятся для очистки бензина от меркаптанов3. Метанол является азеотропным реагентом для выделения толуола в процессах его ректификации4. Используется метиловый спирт в смеси с этиленгликолем для экстракции5 толуола из бензина.

• Прочие отрасли промышленности.

     В других отраслях химической промышленности без метилового спирта не обходится производство уксусной кислоты, карбамидных смол, синтетических каучуков (~ 11% от общего объема). Метиловый спирт широко используется для очистки от вредных соединений азота, который содержится в сточных водах. Многими предприятиями ведутся исследования в области применения метанола как источника энергии, в качестве газового топлива, моторного топлива и как составляющего компонента автомобильного бензина. Автомобильный бензин благодаря добавке метанола обладает улучшенными антидетонационными свойствами, в результате добавления метанола повышается КПД двигателя, а также происходит снижение выбросов вредных веществ выхлопных газов.

В перспективе использование метанола возможно в различных химических генераторах электрической энергии (как носителя кислорода). Это направление только разрабатывается, и его разработка и внедрение технологий такого рода использования метанола следует ожидать на протяжении ближайших трех десятилетий. Но в тоже время полученные на сегодня опыты, результаты, научные разработки по использованию метанола, по мнению ученых, с уверенностью дают понять, что метанол – это топливо будущего.

     Продукты синтеза Фишера – Тропша

     Синтез Фишера-Тропша может рассматриваться как реакция восстановительной олигомеризации монооксида углерода, при которой образуются углерод - углеродные связи, и в общем виде она представляет собой сложную комбинацию ряда гетерогенных реакций, которую можно представить суммарными уравнениями:

 

nCO + 2nH2 = (CH2)n + nH2O,

 
2nCO + nH2 = (CH2)n + nCO2 .

 

     Продуктами реакции являются алканы, алкены и кислородсодержащие соединения, то есть образуется сложная смесь продуктов, характерная для реакции полимеризации. Первичными продуктами синтеза Фишера-Тропша являются α- и β- олефины, которые превращаются в алканы в результате последующего гидрирования. Природа применяемого катализатора, температура, соотношение СО и Н2 существенно сказываются на распределении продуктов. Так, при использовании железных катализаторов велика доля олефинов, тогда как в случае кобальтовых катализаторов, обладающих гидрирующей активностью, преимущественно образуются насыщенные углеводороды. В настоящее время в качестве катализаторов синтеза Фишера-Тропша в зависимости от поставленных задач: