Технология GTL избавляет от страха, что нефть закончится

Технология GTL избавляет от страха, что нефть закончится

На логотипе концерна Shell изображена раковина. А где раковина, там и жемчужина — завод Pearl GTL, использующий фирменную технологию синтеза жидких углеводородов из природного газа.

История технологии GTL (gas-to-liquid, «из газа в жидкость») началась задолго до того, как нефть приобрела для человечества такое важное значение, какое она имеет в сегодняшнем мире. В 1902 году французский химик Поль Сабатье вместе со своим учеником Жаном Батистом Сандераном осуществил одну простую реакцию — они получили метан из смеси угарного газа (моноксида углерода) и водорода в присутствии порошкообразного никеля. А через несколько лет русский химик Егор Орлов получил из такой же смеси в присутствии никеля и палладия этилен, показав тем самым возможность синтеза высших углеводородов. Но довели эту технологию до коммерческого воплощения немецкие химики Франц Фишер и Ганс Тропш из Института кайзера Вильгельма по исследованию угля: в 1926 году была опубликована их знаменитая работа «О прямом синтезе нефтяных углеводородов при обыкновенном давлении». Описанный ими процесс позднее назвали процессом Фишера-Тропша.

Место расположения: Катар. Стоимость строительства: 19 млрд долларов. На входе: 45 млн кубометров природного газа в день из крупнейшего в мире оффшорного месторождения природного газа «Северное поле» (North Field). На выходе: 120 тыс. баррелей газового конденсата + 140 тыс. баррелей (22 тыс. кубометров) жидких углеводородов (продуктов синтеза) в день. Производство кислорода: 28 тыс. тонн в день. Производство пара: 8 тыс. тонн в час. Основная продукция: нафта, нормальные парафины, изопарафины (моторные масла, трансформаторные масла), керосин (авиационное топливо), газойль (дизельное топливо).

Технология, разработанная немецкими химиками, была совершенно прикладной. Она оказалась весьма полезна в бедной нефтью, но богатой углем Германии: в начале 1940-х годов процесс Фишера-Тропша активно использовался уже на двух десятках заводов. К 1943 году они выдавали 124 000 баррелей синтетического топлива ежедневно, обеспечивая 92% объема авиационного топлива (и 57% общего объема топлива всех видов), что делало подобные предприятия одной из основных целей бомбардировок войск союзников.

После войны союзники, к которым попали документы и специалисты по технологии синтеза, стали экспериментировать с получением синтетических углеводородов, однако до коммерческого применения не дошло — обнаружение огромных запасов нефти на Ближнем Востоке в начале 1950-х сделало эту технологию нерентабельной.

Схема конверсии природного газа в жидкие углеводороды с помощью каталитического синтеза и гидрокрекинга.

Кризис в помощь

«О процессе Фишера-Тропша вспомнили в 1973 году, когда нефтяной кризис резко повысил цены на нефть, — говорит Эндрю Хефер, вице-президент по маркетингу смазочных материалов концерна Shell. — Тогда в мире резко возрос интерес к альтернативным технологиям получения различных углеводородов, и химики многих компаний занялись этим вопросом. Концерн Shell совершенствовал синтез Фишера-Тропша на протяжении десяти лет, пока не появилась ясность, что эта технология может стать коммерчески выгодной. В 1983 году в Амстердаме было построено опытное производство, где химики получили возможность масштабных экспериментов, а в 1993-м открылся первый коммерческий завод концерна в Бинтулу (Малайзия), выпускающий 12 500 баррелей жидких синтетических углеводородов в день. А в 2006 году концерн Shell приступил к строительству самого большого в мире завода по производству синтетических углеводородов из природного газа, Pearl GTL в Катаре, который вступил в строй три года назад».

Завод производит нафту, нормальные парафины, базовые смазочные масла, керосин (авиационное топливо) и газойль (дизельное). Конечно, все эти соединения можно получить и из нефти, но синтез из газа имеет ряд серьезных преимуществ. Во‑первых, чистота синтетических углеводородов может быть намного выше минеральных, которые довольно сложно очищать от вредных примесей. «Получаемые в результате синтеза на установках Pearl GTL углеводороды столь чисты, что, например, парафины разрешено использовать в пищевой, косметической и фармацевтической промышленности», — поясняет Хефер.

Технология Shell Pureplus. При изготовлении базового масла из нефти состав конечного продукта во многом определяется начальным составом сырья. Кроме того, в конечном продукте остаются различные нестабильные вещества, такие как ароматические соединения (имеющие в своей структуре бензольное кольцо). В случае синтеза из метана состав конечных продуктов определяется исключительно технологией синтеза, а чистота продуктов может быть намного более высокой. В синтетических базовых маслах, полученных с помощью технологии Shell PurePlus, содержание изопарафинов достигает 85%, в то время как в минеральных маслах групп II и III (по классификации API, American Petroleum Institute — Американского института нефти) составляет всего 15−25%.

Во-вторых, разведанные мировые запасы газа превышают запасы нефти (по массе) более чем в десять раз, так что даже если человечество исчерпает запасы «черного золота», всегда есть вариант перехода на синтетические заменители топлива, масел и сырья для производства различных пластиков. В частности, на Pearl GTL синтезируют авиационное топливо, которое используется (наряду с минеральным) для заправки авиалайнеров Qatar Airways.

Из газа в князи

«Технология Shell Middle Distillate Synthesis (SMDS) основана на процессе Фишера-Тропша, которому почти сто лет, — объясняет Иэн Шеннон, руководитель отдела исследований и разработок моторных масел концерна Shell. — Тем не менее химики концерна потратили несколько десятилетий на усовершенствование этой технологии, получив при этом более 3500 патентов. Одна из ключевых деталей — катализаторы, состоящие из очень мелких частиц различных металлов, таких как кобальт, никель, железо и др., хотя точный состав их держится в строжайшем секрете. Чем эффективнее катализатор, тем больше выход конечного продукта синтеза. У нас есть огромный опыт производства синтетических углеводородов в Бинтулу, и наши инженеры постоянно экспериментируют с новыми катализаторами на опытном заводе в Амстердаме». Сами катализаторы для промышленного производства изготавливает компания Criterion, входящая в состав концерна Shell.

Реакторы синтеза, которых на заводе Pearl GTL 24 штуки, содержат десятки тысяч трубчатых каналов. Каждый канал заполнен гранулами пористого наполнителя, в котором находятся частицы катализатора (суммарная площадь поверхности катализатора огромна — она в 18 раз превышает площадь государства Катар). На опытном производстве используются точно такие же трубчатые каналы, но в гораздо меньшем количестве — достаточно одной трубы, чтобы смоделировать реакцию. Такая конструкция дает возможность легко масштабировать происходящие процессы путем увеличения количества труб.

Три этапа технологии

Весь процесс синтеза жидких углеводородов из газа в варианте Shell выглядит следующим образом. Природный газ поступает с офшорного месторождения «Северное поле», запасы которого оцениваются в 25 трлн кубометров (это примерно 15% мировых запасов). На входе от главной составляющей газа, метана, отделяют основные примеси — серу, газовый конденсат (жидкие фракции) и этан. После этого из смеси природного газа и кислорода, который получают здесь же, на заводе Pearl GTL, при температуре около 1500 °C изготавливают синтез-газ — смесь моноксида углерода и водорода. В процессе изготовления синтез-газа выделяется много тепла и образуется много пара, который в дальнейшем используется для вращения турбин генераторов и получения электроэнергии.

На втором этапе синтез-газ подается в реактор синтеза, где в присутствии катализатора молекулы объединяются в длинные углеводородные цепочки. На выходе этого этапа в качестве основного продукта синтеза получаются длинные предельные углеводороды — парафины. Почему именно парафины? Дело в том, что эффективность конверсии метана вот в такие длинные углеводородные цепи выше. К тому же это удобно с точки зрения конечных продуктов — длинные молекулы несложно разрезать на участки контролируемой длины. Во время синтеза выделяется много тепла, а в качестве побочного продукта образуются водяной пар (его направляют крутить турбины) и вода.

На третьем этапе парафины подвергаются гидрокрекингу (присоединению водорода и расщеплению), в процессе которого длинные молекулы расщепляются на более короткие, а также изомеризации. В зависимости от условий реакции (температура, давление) можно получать самые разные фракции углеводородов — на заводе Pearl GTL это нафта, нормальные парафины, авиационный керосин, газойль (дизтопливо) и изопарафины.

Технология Shell Middle Distillate Synthesis (SMDS): получение жидких углеводородов из природного газа

Чистый плюс

Среди всех получаемых химических соединений особый интерес представляют изопарафины, молекулы которых, помимо длинных прямых углеводородных цепочек, имеют короткие боковые ответвления. «Такая форма молекул придает им уникальные свойства, в частности очень высокий индекс вязкости (то есть вязкость мало зависит от температуры), — говорит Боб Сазерленд, директор по технологиям семейства моторных масел Shell Helix. — Благодаря этому изопарафины представляют собой великолепную основу для самых современных базовых моторных масел. По своим качествам изопарафины ничем не уступают признанному лидеру рынка синтетических моторных масел — полиальфаолефинам, ПАО. А по некоторым свойствам изопарафины даже лучше. ПАО изготавливают путем химического синтеза из этилена, причем количество его очень сильно ограничено. А завод Pearl GTL имеет производительность по изопарафинам в миллион тонн в год!» Моторные масла семейства Shell Helix Ultra с технологией PurePlus Technology, в основе которых лежат изопарафины, могут иметь очень низкую вязкость — SAE 0W30, 0W20, рекордно низкую на сегодняшний день 0W16 или даже экспериментальную 0W10. Такие показатели связаны с оптимизацией для экономии топлива — некоторые варианты обеспечивают до 3% экономии. Но этим достоинства Shell PurePlus Technology не исчерпываются: к сильным сторонам таких масел можно отнести стойкость к окислению при высоких температурах, меньшее испарение в двигателе, а также прекрасные моющие свойства (в сочетании с фирменной системой Shell Active Cleansing Technology), позволяющие поддерживать двигатель, как говорит Боб Сазерленд, не просто чистым, а «в состоянии нового». Но, вероятно, главное достоинство разработанной концерном Shell технологии GTL — это то, что она способна избавить человечество от страха, в котором оно пребывает последние сто лет. «Теоретически, — говорит Иэн Шеннон, — с помощью нашей технологии можно изготавливать практически любые углеводороды. И это дает ответ на вопрос, что мы будем делать, когда (или если) вдруг закончится нефть».

Статья «Голландский жемчуг» опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2014).
Комментарии

Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь,
чтобы оставлять комментарии.