Table Of Content

АЛ. ЛАПИДУС, И.А. ГОЛУБЕВА, Ф.Г. ЖАГФАРОВ ГАЗОХИМИЯ Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии в качестве учебного пособия для подготовки дипломированных специалистов по направлению 655000 - Химическая технология органических веществ и топлива специальности: 250100 Химическая технология органических веществ 250400 Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов бакалавров по направлению 550800 - Химическая технология и биотехнология (второй уровень профессионального высшего образования) ЩтжрШшНефгеГаз Москва - 2008 УДК 661(075.8) ББК 35.513 я73 Л24 JI24 ГАЗОХИМИЯ Учебное пособие. - М: ЦентрЛит- НефтеГаз. - 2008. - 450 с. - (Серия «Высшее нефтегазовое образование») ISBN 978-5-902665-31-1 Рецензенты: - д-р техн. наук, проф., чл.-корр.РАЕН, ректор Ухтинского гос.техн.ун-та, Н.Д. Цхадая - д-р хим. наук, проф, заведующий отделом Института нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, В.Ф. Третьяков Книга представляет собой первое учебное пособие по газохимии, написанное отечественными авторами. В нем впервые дано систематическое изложение современных достижений и воззрений в этой области, начиная с подготовки природных газов к переработке до его химической переработки. В учебном пособии рассматривается значение природных газов в экономике и энергетике, состав углеводородных газов, их физические и химические свойства, современное состояние и перспективы развития газоперерабатывающей промышленности в России и за рубежом. Описаны основные направления использования и переработки природных газов: осушка и очистка газов, методы разделения их на компоненты, переработка компонентов природных газов в ценные химические продукты. Учебное пособие предназначено для студентов, проходящих подготовку по специальностям 250100 - Химическая технология органических веществ и 250400 - Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов, а также специалистов, занимающихся вопросами переработки и использования природного газа. Материалы учебного пособия могут быть рекомендованы также для включения в курсы лекций, читаемых студентам и магистрантам химических специальностей, они могут представлять интерес и для широкого круга читателей. Издание подготовлено на кафедре Г азохимии Российского Государственного Университета нефти и газа им. И.М. Губкина. Авторы: A.J1. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров ISBN 978-5-902665-31-1 © ЦентрЛитНефтеГаз, 2008 © А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров, 2008 Оглавление.................................................................................................................................... _3- ОГЛАВЛЕНИЕ Стр. Предисловие 12 ЧАСТЬ ПЕРВАЯ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ ПРОМЫШ ЛЕННОСТИ 15 ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ПРИРОД НЫХ ГАЗАХ 1.1. Значение природных газов в экономике 15 Основные источники энергии, ресурсы и добыча 15 Энергетика - основа мировой экономики. Природные энергоносители-нефть, природные газы, твердые ор ганические вещества Общие сведения о происхождении углеводородных газов 21 Нетрадиционные ресурсы природного газа. Газовые гидраты 23 Сырьевая база газопереработки в России 28 1.2. Состав и свойства природных газов и газоконден сатов 37 Состав природных газов и газоконденсатов 37 Газы газовых месторождений, попутные газы, газы газоконденсатных месторождений, газоконденсаты. Физические и химические свойства компонентов природных газов 43 Метан, источники, физико-химические свойства 48 1.3. Транспортировка природных газов 50 Трубопроводный транспорт газа 50 История развития магистрального транспорта газа. Современное состояние и перспективы развития. Общее устройство системы магистрального транс порта газа. Транспортировка сжиженного природного газа 55 Производство синтетических жидких топлив из при родного газа, их транспортировка и использование. 57 4 - - АЛ. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМКЯ ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИС ПОЛЬЗОВАНИЯ И ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОД НЫХ ГАЗОВ 61 2.1. Основные направления переработки природных газов в России и за рубежом 61 Энергетическое использование природного газа. 61 Использование газа в качестве топлива. Переработ ка природного газа в синтетические жидкие топли ва. Характеристика синтетических жидких топлив. Рынок синтетических жидких топлив. Реализованные и перспективные химические процес сы переработки природного газа 68 2.2. Современное состояние газопереработки в России 77 Газоперерабатывающие предприятия России 77 Астраханский газоперерабатывающий завод Оренбургский газоперерабатывающий завод Оренбургский гелиевый завод Сосногорский газоперерабатыващий завод Западно-Сибирдкий перерабатывающий комплекс. Уренгойское управление подготовки газового конден сата. Сургутский завод стабилизации конденсата. Основные продукты первичной переработки природ ных газов 95 Перспективы развития газоперерабатывающих пред приятий России 97 2.3. Требования к качеству товарного природного газа и продуктов газопереработки 105 Требования к качеству товарных газов 105 Показатели качества ШФЛУ 106 Показатели качества сжиженных газов и стабильного конденсата 108 Заключение по первой части 108 Литература к первой части 109 ЧАСТЬ ВТОРАЯ ПЕРВИЧНАЯ ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕВОДОРОД НЫХ ГАЗОВ 111 Оглавление................................................................................................................................ -5- ГЛАВА 3. ПОДГОТОВКА ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ К ПЕРЕРАБОТКЕ 111 3.1. Очистка газов от механических примесей 111 Источники и негативные последствия присутствия в газах примесей 111 Методы очистки газов от механических примесей 112 Устройства для механической очистки газов от твер дых частиц ИЗ Пылеосадительные камеры. Инерционные пылеуло вители. Центробежные обеспыливающие устройст ва (циклоны). Аппараты мокрой очистки газов от твердых частиц 116 Промывные башни. Скоростные газопромыватели. Барботажные и пенные аппараты Фильтры 118 Тканевые фильтры. Зернистые фильтры. Электрофильтры 122 3.2. Осушка природных углеводородных газов 123 Общие положения 123 Методы осушки природных газов 125 Осушка охлаждением. Абсорбционная осушка. Осуш ка газа впрыском гликоля. Факторы, влияющие на процесс абсорбционной осушки. Адсорбционная осушка. 3.3. Очистка газов от химических примесей 137 Характеристика химических примесей 137 Методы очистки газов от кислых компонентов 140 Абсорбционные методы. Адсорбционные методы. Каталитические методы. Очистка газов от диоксида углерода 141 Физическая абсорбция. Хемосорбционные методы. Адсорбционные методы. Каталитическое гидриро вание. Очистка газов от сероводорода. 145 Хемосорбционные процессы очистки. Процессы очи стки газов физической абсорбцией. Абсорбция ком бинированными поглотителями. Адсорбционные ме тоды очистки. Очистка газа окислительными аб сорбционными методами. Микробиологические ме- 6 - - А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ тоды. Метод фотохимического разложения серово дорода. Мембранный метод очистки газов от кис лых компонентов. Очистка газов с помощью плазмы. Очистка газов от меркаптанов 178 Абсорбционные методы. Адсорбционные методы. Каталитические методы очистки. 3.4. Производство серы из сероводородсодержащих газов 183 Химия и технология процесса «Клауса» 184 Доочистка отходящих газов процесса Клауса 186 Процессы, основанные на продолжении реакции Клауса. Процессы каталитической гидрогенизации S02 и других серосодержащих соединений с получе нием сероводорода. Процессы, основанные на окис лении всех сернистых соединений до S02. Дегазация серы. Товарные формы, области применения серы. 193 Комовая сера. Жидкая сера. Формованная сера. Гра нулированная сера. Молотая сера. Коллоидная сера. Специальные виды серы. Применение серы. Проблемы сбыта серы. Новые об ласти применения серы. ГЛАВА 4. РАЗДЕЛЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ 198 4.1. Извлечение жидких углеводородных компонентов из природных газов 198 Низкотемпературная сепарация (НТС) 198 Промышленная реализация процесса НТС. Основные факторы, влияющие на процесс НТС. Газожидкост ные сепараторы. Методы извлечения углеводородов С2-С5 из природ ных газов 206 Компрессионный, абсорбционный метод, маслоаб сорбционный (МАУ). Низкотемпературная абсорб ция (НТА). Адсорбционный. Низкотемпературная конденсация и низкотемпературная ректификация. 4.2. Процессы разделения углеводородных газов 215 Способы получения холода 216 Оглавление. -7- Способы получения умеренного холода. Способы по лучения глубокого холода. Основные низкотемпературные процессы разделения углеводородных газов 224 Низкотемпературная абсорбция (НТА). Низкотем пературная конденсация (НТК). Низкотемператур ная ректификация (НТР). Низкотемпературная ад сорбция (НТ-адсорбция). Мембранные методы концентрирования и разделения газов 237 4.3. Методы получения гелия из природных газов 240 Общая характеристика методов 240 Методы получения гелиевого концентрата 242 Криогенный, адсорбционный, гидратообразование, мембранный. Концентрирование гелия 248 Ожижение гелия 249 ГЛАВА 5. СТАБИЛИЗАЦИЯ И ПЕРЕРАБОТКА ГАЗОВЫХ КОНДЕНСАТОВ 249 5.1. Стабилизация газового бензина 250 5.2. Стабилизация сырого газового конденсата, выно симого газом из скважины 252 5.3. Очистка газовых конденсатов от сернистых со единений 253 Характеристика сернистых соединений газоконден сатов. 253 Очистка топливных фракций от меркаптанов. 254 Гидроочистка газоконденсатов. Адсорбционная очи стка. Экстракционная очистка. 5.4. Переработка газовых конденсатов в товарные то плива 256 Производство автомобильных бензинов 256 Производство реактивных топлив 257 Производство дизельных топлив 258 Заключение по второй части 258 Литература ко второй части 260 -8- ,A.JI. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. Г АЗОХИМИЯ ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ ХИМИЧЕСКАЯ ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕВОДО РОДНЫХ ГАЗОВ 262 ГЛАВА 6. ТЕРМИЧЕСКИЕ И ТЕРМОКАТАЛИ ТИЧЕСКИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ НИЗШИХ ПАРА ФИНОВЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ 262 6.1* Производство ацетилена из углеводородного сырья 262 Получение ацетилена из природного газа 264 Окислительный пиролиз. Гомогенный пиролиз. Элек трокрекинг метана. Регенеративный пиролиз. Пиро лиз в низкотемепрературной плазме. Получение ацетилена из карбида кальция 273 Сравнение методов получения ацетилена 273 Методы выделения ацетилена 274 6.2. Производство низших олефинов 275 Производство олефинов пиролизом 277 Химизм процесса. Влияние различных факторов на процесс пиролиза. Особенности пиролиза низших па рафиновых углеводородов. Технологическое оформле ние процесса пиролиза. Поточная схема очистки и разделения газа пиролиза 287 Компримирование и осушка газа пиролиза. Разделе ние газа пиролиза. Концентрирование этилена. Очи стка этилена от ацетилена. Выделение и концен трирование пропилена. Жидкие продукты пиролиза. Новые виды пиролиза 299 Каталитический пиролиз. Пиролиз в присутствии гомогенных инициаторов. Гидропиролиз. Пиролиз в расплавленных средах. Основные направления использования олефиновых углеводородов. 302 Высокомолекулярные соединения. Производство полиолефинов. Производство поли этилена низкой плотности при высоком давлении. Производство полиэтилена высокой плотности при низком давлении. Свойства и применение полиэтиле на. Производство полипропилена. Полимеризацион- ные пластмассы. Полистирол. Производство блочно Оглавление. -9- , го, эмульсионного суспензионного полистирола. Производство кислородсодержащих соединений на основе олефинов. 6.3. Каталитическое дегидрирование парафиновых углеводородов С4-С5 313 Производство изобутилена 315 Производство бутадиена 318 Двухстадийное дегидрирование н-бутана. Односта дийное дегидрирование н-бутана. Разделение кон тактного газа дегидрирования. Производство 2-метилбутадиена-1,3 (изопрена) 327 Дегидрирование изопентана и изопентенов. Получе ние изопрена из 2-метилпропена и формальдегида. Основные направления использования изобутилена и диеновых углеводородов 331 Производство синтетических каучуков. Каучуки об щего назначения. Каучуки специального назначения. Другие пути применения 6.4. Технология производства технического углерода (сажи) 333 Области применения и классификация саж 334 Строение и свойства сажи 338 Дисперсность. Структурность. Поверхность час тиц сажи и ее свойства. Элементный состав. Объ емный вес. Истинная плотность сажевых частиц. Теплопроводность. Электропроводность. Адсорбци онные свойства. Каталитические свойства. Методы получения сажи 342 Получение сажи термическим разложением. Полу чение сажи осаждением из диффузионного пламени. Получение сажи печным способом. Технология про изводства печной газовой сажи. Методы улавливания сажи 346 Гранулирование сажи 347 Уплотнение сажи 347 Очистка сажи 348 ГЛАВА 7. ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ГАЗООБРАЗНЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ 348 10 - - А.Л. Лапидус, И.А. Голубева, Ф.Г. Жагфаров. ГАЗОХИМИЯ 7.1. Окисление низших парафиновых углеводородов 349 Окисление метана 351 Окисление углеводородов С2-С4 352 Окисление этана. Окисление пропана и бутана. Механизм окисления углеводородов 354 7.2. Синтез-газ и химические продукты на его основе 356 Методы получения синтез-газа 356 Паровая конверсия метана. Углекислотная конвер сия метана. Парциальное окисление метана. Техно логическое оформление процесса конверсии природ ного газа. Новые модификации процесса получения синтез-газа. Производство жидких углеводородов на основе син тез-газа 369 Химизм процесса. Катализаторы. Железные, руте ниевые, кобальтовые катализаторы. Промотирова- ние катализаторов. Механизм процесса. Аппаратур но-технологическое оформление. Процесс с непод вижным слоем катализатора. Сларри-процесс. Про дукты синтеза, их состав и качество. Синтез метанола 377 Основные области использования метанола. Свойст ва метанола. Технологическое оформление процесса. Получение формальдегида из метанола 384 Свойства формальдегида. Методы получения фор мальдегида. Окисление природного газа и низших па рафинов. Окислительная конверсия метанола. Полу чение формальдегида дегидрированием метанола. Промышленные синтезы на основе формальдегида. Получение уксусной кислоты карбонилированием метанола 397 Получение метилтретбутилового эфира (МТБЭ) 401 Получение диметилового эфира (ДМЭ) 404 Получение альдегидов и спиртов методом оксосинте- за (гидроформилированием) 406 Гидроформширование олефинов. Катализаторы гидроформилирования. Влияние основных факторов на процесс гидроформилирования. Технологическое оформление процесса - схемы с термическим разло