Praca zaliczeniowa z przedmiotu technologia chemiczna.

Tytuł pracy zaliczeniowej: Chemia procesu MOBIL.

Przedmiot: technologia chemiczna

Student: Karolina Wlizło

Kierunek: analityka chemiczna, III rok

WSTĘP:

Wiek pary i elektryczności zapoczątkował rewolucję przemysłową, która od lat '20 XX wieku jest określana również rewolucją naukowo-techniczną trwającą do dziś. Kraje całego świata z roku na rok prześcigają się w osiąganiu lepszych wyników, tj. by produkt był ekonomiczniejszy, sprawniejszy, swoim działaniem nie niszczył środowiska oraz wykorzystywał odnawialne źródła energii. Na chwilę obecną nadal posiłkujemy się surowcami nieodnawialnymi takimi jak np. ropa naftowa, jednak świadomość wyczerpujących się naturalnych zasobów stawia nas, naukowców, w obliczu wyzwania, ponieważ zapotrzebowanie na płynną energię w postaci paliw dla różnego rodzaju silników będzie stale rosło.

Aktualnie nie jest możliwy przewrót technologiczny, który zmodernizowałby konstrukcję elementów napędowych, ponieważ byłby on nieopłacalny i spowodowałby duże straty ekonomiczne. Rozwiązaniem pozostaje więc poszukiwanie alternatywnych źródeł energii, czyli uzyskiwania paliw z zawsze towarzyszących ludzkości odpadów bądź w złożonych procesach syntezy z substancji ogólnodostępnych (np. CO₂).

Reakcja, która spełniła te wymogi to synteza Fischera-Tropscha. Wprawdzie F. Fischer oraz H. Tropsch nie byli pierwszymi naukowcami, którzy zauważyli możliwość konwersji gazu syntezowego (CO₂ i H₂) w katalizowanej reakcji chemicznej do produktów ciekłych, jednakże udoskonalili oni ten proces na tyle, by produktem w istocie było paliwo, a nie głównie mieszanina alkoholi i kwasów zawierających jedynie niewielką ilość węglowodorów. Jednak niezaprzeczalną wadą tej metody jest uzyskanie samego gazu syntezowego (np. poprzez reforming gazu ziemnego czy zgazowanie węgla) - jest to najdroższy etap otrzymywania biopaliwa.

Z syntezy tej wyewoluowała jednak inna wariantowa opcja, a dokładniej metoda MOBIL, opracowana przez kompanię Mobil w latach '70 XX wieku. Inna nazwa tej metody to metoda MTG (Methanol-To-Gasoline), gdzie - jak wskazuje termin - możliwe jest pominięcie kłopotliwego i drogiego etapu koniecznego w FTS.

Obie procedury konwertują gaz syntezowy do transportowych paliw płynnych, jednakże otrzymywane w nich produkty są zupełnie inne. W FTS uzyskujemy zazwyczaj szerokie spektrum węglowodorów parafinowych o prostym łańcuchu, które można dodatkowo poddać rafinacji do produkcji komercyjnej jakości benzyny, paliwa rakietowego czy oleju napędowego, natomiast w przypadku MTG metanol jest selektywnie przekształcany do jednego, płynnego produktu: benzynie o standardowej liczbie oktanowej o bardzo niskiej zawartości siarki oraz benzenu.

MERITUM:

Metoda MTG została wynaleziona przez naukowców kompanii Mobil w latach '70 XX wieku. W 1979 rząd Nowej Zelandii postanowił wprowadzić ten proces jako formę zmniejszenia uzależnienia kraju od importowanej ropy naftowej. Pierwszy zakład powstał na Motunui i zdolny był produkować 14.000 baryłek bezołowiowej benzyny dziennie, której liczba oktanowa wynosiła przeciętnie 92-94.

(schemat na kolejnej stronie)

Schemat ideowy procesu MOBIL:

Opis procesu:

W pierwszym etapie metanol jest katalitycznie odwadniany (katalizator stanowi amorficzny tlenek glinu) do równowagowej mieszaniny eteru dimetylowego (DME - Di-Methyl-Ether), metanolu oraz wody uwalniając przy tym około 1/6 ciepła reakcji. DME opuszczający reaktor miesza się z gazem inertnym i wprowadza do reaktorów MTG, gdzie następuje jego reakcja z nowymi porcjami metanolu. Następuje tutaj całkowite odwodnienie metanolu i DME dzięki kolejnemu katalizatorowi - ZSM-5 (Zeolite Socony Mobil-5); ostatecznymi produktami tego kroku są lekkie olefiny oraz woda.

W warunkach reaktora MTG lekkie olefiny oligomeryzują do wyższych olefin, które z kolei łączą się na drodze różnego typu reakcji do parafiny, naftenu oraz metylowych związków aromatycznych. Porowatość katalizatora ZSM-5 uniemożliwia powstawanie węglowodorów o liczbie atomów węgla w cząsteczce większej niż 11, co świadczy o jego selektywności.

(schemat na kolejnej stronie)

Schemat przedstawiający reakcje chemiczne zachodzące podczas procesu MOBIL:

W procesie MTG konwersja metanolu do węglowodorów i wody zachodzi praktycznie całkowicie. Reakcje odwodnienia i syntezy uwalniają około 1,74 MJ energii na 1 kg metanolu. Ciągłe uwalnianie wspomnianej energii w postaci ciepła mogłoby spowodować niekontrolowany wzrost temperatury (do ok. 600°C) w układzie reaktora adiabatycznego, jednakże zagrożenie to jest eliminowane poprzez monitorowanie ilości gazu obiegowego - dzięki temu temp. jest ograniczona do ok. 100°C.

Temperatura na wlocie reaktora konwersji jest weryfikowana poprzez regulację temperatury gazu obiegowego - osiąga się to dzięki wymianie ciepła z wycieku z reaktora. Jest on także używany do wstępnego podgrzewania, odparowania oraz przegrzania wsadu metanolu do reaktora DME.

Odciek z reaktora jest następnie schładzany do 25-35°C i przechodzi do separatora gdzie rozdzielone zostają lekkie gazy oraz ciekłe węglowodory z wodą. Faza gazowa (głównie węglowodory lekkie) są zawracane do sprężarki gazu obiegowego, natomiast faza ciekła może zostać zawrócona do oczyszczenia po czym ponownie włączona do całego obiegu. Ciekły produkt węglowodorowy (nieprzetworzona benzyna) zawiera głównie benzynę jednak łącznie z rozpuszczonym wodorem, ditlenkiem węgla oraz węglowodorami lekkimi.

Po separacji nieprzetworzonej benzyny z lekkich gazów i wody jest ona poddawana dalszej obróbce. Trafia do deetanizera gdzie usuwane są pozostałości gazów C₂, a następnie do kolumny stabilizatora, który usuwa C₃ oraz C₄ jako frakcje LPG (Liquefied Petroleum Gas) w celu regulacji ciśnienia par benzyny.

Na dany moment uzyskana benzyna spełnia obowiązujące wymogi z wyjątkiem zawartości (stężenia) durenu (tj. 1,2,4,5-tetrametylo benzenu), która jest wyższa niż w typowym paliwie. Duren jest związkiem, który krystalizuje w umiarkowanych temperaturach i ma wpływ na wygląd oraz wydajność benzyny. By zapewnić optymalne właściwości jezdne oraz osiągi jakie daje paliwo uzyskane z ropy naftowej, zawartość 1,2,4,5-tetrametylo benzenu nie może przekraczać 2%. W tym celu benzynę MTG dzieli się na frakcję lekką oraz frakcję ciężką, która skupia duren z innymi wyższymi związkami aromatycznymi. Frakcja ta jest przetwarzana w łagodnej hydrorafinacji dzięki czemu zmniejsza się ilość niepożądanego związku chemicznego z minimalnym wpływem na jakości powstałego paliwa.

(schemat na kolejnej stronie)

Schemat przedstawiający proces zachodzący w reaktorze MTG:

źródło schematu: ExxonMobil Research and Engineering

Bibliografia/netografia:

1. Hydrocarbon Engineering (numer wrześniowy 2008), artykuł "Coal to clean gasoline"

2. New Zealand Institute of Chemistry, artykuł "The production of methanol and gasoline"

3. Prezentacja: Dobiesław Nazimek - "Nowe, efektywne technologie produkcji biopaliw"

4. ExxonMobil Research and Engineering - Methanol to Gasoline (MTG)

5. http://www.retsat1.com.pl/michauer/chemia/O_tech_org.pdf