газохимия
Создание бизнес-проектов в отрасли газохимии на территориях стран Средней Азии, Европейского и Африканского континентов.
1. Актуальность данного предложения.
Актуальность данного предложения для данных регионов обусловлена тем, что они очень богаты природным газом.
Нефтеперерабатывающие заводы являются источниками большого количества ценных для органической химии прекурсоров (предшественников образования) ценных веществ. В основном это газы C3-C4, легкие жидкие фракции C5-C6, ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы). Большое количество ароматических углеводородов образуется и в коксохимическом производстве. Эти вещества могут использоваться в качестве сырья для синтеза ценных органических веществ путем сополимеризации с веществами, синтезированными из синтез газа (исходное сырье – природный газ).
В ходе консультаций с местными предпринимателями выяснилось, что на предприятиях данных регионов отсутствуют технологии очистки природного газа от CO2, H2S, H2O и углеводородов C3-C5. Необходимое оборудование в регионе не производится. Все мероприятия, связанные с очисткой природного газа, выделением из него нежелательных примесей (жирных газов), должны проводиться нами самостоятельно с последующим использованием полученных отходов в процессе очистки в других отраслях промышленности.
В некоторых случаях может рассматриваться вопрос экспорта такого сырого природного газа. Добыча ограничена спросом, а запасы природного газа региона составляют сотни триллионов кубометров. Но при этом он используется неэффективно.
Это определяет экономическую перспективность предлагаемого нами бизнес-проекта, его большие конкурентные преимущества перед аналогичными отраслями в Европе, Америке и других странах с развитой экономикой, поскольку их производство основано на потреблении природного газа, закупаемого по более высокой цене.
В регионах Средней Азии, Европейского и Африканского континентов практически нет химической промышленности и металлургии, основанных на использовании природного газа. Поэтому продукция создаваемых нами в стране предприятий будет востребована в пределах указанных регионов, а благодаря конкурентоспособной цене, ей не составит труда выйти на мировой рынок.
Производство азотных удобрений в мире падает. Основные производства оказались в странах ЕС, Украине и многих иных странах, которые стали испытывать острый дефицит природного газа. Они фактически остановлены. Значительные объемы производства есть в России и в странах бывшего Советского Союза.
Производственные мощности интенсивно создаются только в Китае. Они используют не природный газ, а уголь. Вид сырья в принципе не важен для качества полученной продукции, но влияет на его себестоимость (процессы конверсии угля в синтез газ сложнее, его качество (концентрации CO+H2) ниже). Китай пока что не влияет на мировой рынок азотных удобрений ключевым образом. Преимущественно они продаются на внутреннем рынке. Китай преимущественно захватывает мировой рынок полимеров и иной более дорогостоящей продукции.
Мировой рынок базовых полимеров и каучуков растет примерно на 3% в год. Специальных – около 10% в год. Цены на них также растут. Примерно такое же положение касается иных ценных продуктов органического синтеза (с ценой от 2000 долларов за тонну до 10 000 долларов за тонну). Поэтому перенасыщения мирового рынка нет и не предвидится в ближайшем будущем.
Кроме того, наличие собственного производства полимерного сырья, синтетических смол, позволяет создать собственную отрасль по производству облицовочного камня, иной ценной продукции методами композитной технологии. Китай очень преуспел в этом. Его предприятия занимают весь внутренний и более 50 % мирового рынка такой продукции. Необходимого для такого производства минерального сырья, на территориях стран Средней Азии, Европейского и Африканского континентов более чем достаточно.
Продукция органического синтеза необходима для создания производства лакокрасочных материалов. Возможно создавать производство как синтетических смол, растворителей, так и пигментов (цветные, черные). Эта продукция тоже очень востребована рынком, продается в больших количествах.
2. Предмет данного предложения
Путем применения процессов газохимии с использованием отдельных веществ, полученных в результате нефтехимического и коксохимического производств, существует возможность создать производство практически любых органических веществ, востребованных в качестве сырья в иных отраслях промышленности. Это удобрения, полимеры, каучуки, пластификаторы, необходимые для их компаундирования, синтетические масла и смазки, многое иное.
2.1. Синтез ценных товарных продуктов из природного газа, его смесей с жирными газами.
2.1.1. Синтез аммиака и продукции на его основе.
Аммиак используется в качестве сырья в различных отраслях промышленности. Он будет востребован на региональном рынке, преимущественно в качестве его водного раствора (аммиачный спирт, его безопаснее перевозить и хранить). Также в виде его соли – гидрокарбоната аммония, который легко синтезировать из аммиака и углекислоты и выделить в сухом виде (это самая безопасная форма хранения аммиака).
Аммиак является базовым сырьем для производства:
- азотной кислоты и нитратов калия, натрия, аммония из нее (удобрением);
- карбамида;
- фосфатов аммония; на территории стран Средней Азии, Европейского и Африканского континентов есть большие запасы фосфатов, есть производства необходимой для этого производства фосфорной кислоты; теоретически возможно создать производство фосфорной кислоты и самостоятельно;
- меламина (это сырье для производства меламин-формальдегидных смол), производится из карбамида;
- полиамидов (полимеры, марок полиамидов очень много) и многой иной продукции органического синтеза.
Процессы синтеза аммиака и многих веществ из него отработаны в промышленности и внедрены во многих странах мира. Блоки, предназначенные для синтеза этих веществ, можно заказать во многих странах мира, в том числе и в Китае (будет дешевле, чем в иных странах мира).
2.1.2. Синтез диметилового эфира с метанолом, их переработка на более ценные товарные продукты.
Одно из самых интересных направлений. Синтез ДМЭ и метанола происходит совместно, затем все продукты синтеза легко делятся. Давление синтеза не высокое – до 50 атм., катализаторы не дорогие. Технология массово внедрена в Китае. По физическим свойствам ДМЭ аналогичен пропану. Поэтому может использоваться в качестве бытового газа.
Диметиловый эфир можно переработать на этилацетат (по реакции гидроформилирования; это самый ценный компонент растворителей для лакокрасочных материалов), этилацетат – в винилацетат и далее в поливинилацетат. Последний потребляется в очень больших количествах для производства красок для стен. Доля таких красок в их общем объеме мирового и региональных рынков составляет более 50 %. Иные компоненты – особо чистый высокодисперсный карбонат кальция, пластификаторы, необходимые для их производства, мы также сможем произвести.
Поливинилацетат можно переработать на поливиниловый спирт и соли уксусной кислоты. ПВС используется в качестве пластификатора для полимеров, смол, для синтеза многокомпонентных полиэфирных смол (в качестве длинно-цепного мономера), в некоторых иных целях.
Есть и иные возможные направления переработки ДМЭ. Их несколько. Все разбирать не будем.
Метанол не является ценным продуктом. Его можно переработать в формальдегид. Он востребован в больших количествах для производства меламин-формальдегидной, толуол-формальдегидной смол. Они используются для производства дешевых композитных материалов (высокого качества), в качестве пластификаторов в бетоны.
2.1.3. Синтез смесей спиртов C1–C4 или C1–C20.
Это очень интересное направление. Спирты C2-C4 являются ценным сырьем для компаундирования бензинов. Их степень химической чистоты от метанола при их разделении методом ректификации (самое простое решение) будет достаточно высокой для их использования в этих целях. Такие смеси существенно поднимают качество бензина, снижают выход сажи в продуктах его горения. При их разделении с получением веществ с химической чистотой свыше 99%, спирты C2, C3, C4 являются базовым сырьем для получения практически всех видов каучуков, многих иных ценных веществ. При этом сложность и себестоимость маршрутов синтеза этих веществ намного ниже, чем маршрутов, основанных на использовании нефтяного сырья (которые традиционно используются во всем мире).
Спирты C8-C20 используются в качестве пластификаторов пластмасс, компонентов смазывающих материалов.
Все без исключения спирты могут быть переработаны на соответствующие им альдегиды, органические кислоты. Они также используются в производстве различной продукции.
Технологию синтеза смесей спиртов отработали во Франции и Украине (во времена СССР). Украинские разработки утрачены в связи с текущей войной). Поэтому блоки синтеза необходимо искать во Франции. Возможно, что и иные страны владеют ею.
2.1.4. Synthesis of olefins (alkenes) and their products.
Наиболее интересны низшие олефины: этилен, пропилен, бутилен. На их основе можно производить соответствующие полимеры, сополимеры с иными мономерами, каучуки.
Олефины C5-C8 можно использовать для синтеза светлых нефтеполимерных смол. Они вводятся в состав лакокрасочных материалов, можно использовать для производства изделий из композитных материалов. Олефины C9-C16 используются для производства темных нефтеполимерных смол, которые также можно использовать для производства цветных и черных ЛКМ.
На основе олефинов возможно синтезировать высшие спирты, альдегиды, органические кислоты. Они также востребованы в качестве сырья для иных отраслей промышленности, но не в больших объемах (по каждой позиции необходим свой маркетинговый анализ рынка).
2.1.5. Синтез парафинов (алканов).
Синтетические парафины в основном используются в качестве синтетических компонентов масел и смазок. В отдельных случаях есть и иные области применения. Например – синтетический бензин (с их конверсией в изоалканы методом изомеризации). Насколько это производство интересно в стране, где много нефти – это вопрос. Но в любом случае это самые ценные и химически чистые от нежелательных веществ компоненты бензинов. Они могут использоваться и для компаундирования нефтяных фракций бензинов с целью снижения концентраций нежелательных в бензинах компонентов (получения бензинов по норе Евро 5 и выше).
Производство синтетических алкенов и алканов хорошо освоено компанией «Сосол» в ЮАР. Они там построили самые мощные блоки синтеза за счет чего полностью заменили нефть углем (который они используют для получения синтез газа). Технологии и оборудование стоит попробовать запросить у них.
2.1.6. Synthesis of polyvinyl chloride.
Его возможно синтезировать из выделенного из смесей алкенов этилена либо из выделенного из смесей спиртов C1-C4 этанола. Требования к показателю степени химической чистоты прекурсора – не ниже 99%.
Поливинилхлорид используется не в чистом виде, а в составе смесей с пластификаторами, неорганическими веществами, способными поглощать молекулярный хлор и хлороводород (они выделяются при нагревании ПВХ при формовке изделий из него). Все эти компоненты мы также можем произвести в достаточных количествах.
Наибольшее количество ПВХ потребляется на производство пластиковых окон (профиль), а
также на производство водопроводных труб. Эти изделия мы также можем производить. Для их производства можно осваивать технологии армирования стекловолокном. Это повысит прочность таких изделий.
2.1.7. Synthesis of valuable products based on propane-butane mixtures, pentanes, which can be purchased at low prices at refineries.
Наиболее перспективно делить эти газы до получения газов с СХЧ не ниже 99% (методом низкотемпературной ректификации), далее конвертировать в пропилен и бутилены, затем их перерабатывать на полипропитен и сополимеры бутиленов с этиленом, пропиленом (полибутилены без сополимеров практически не используются, так как они хрупкие).
Объемы потребления такой продукции огромны. Возможно сразу их перерабатывать на полимерные трубы; они очень востребованы на рынке строительных материалов.
2.1.8. Синтез ценных веществ на основе бензола, толуола, ксилолов, которые можно приобретать на НПЗ и коксохимических заводах.
На основе этих веществ возможно синтезировать стирол (из бензола) или метилстирол (из толуола), бутадиен-стирольный каучук (мягкий пластик, очень востребован региональным и мировым рынком в больших объемах), терефталевую кислоту (из ксилола), которая используется для производства полиэтилентерефталата (базового полимера, используемого в иных отраслях промышленности в очень больших количествах).
Также возможно синтезировать многие вещества, которые можно использовать в качестве растворителей или сополимеров в составе многокомпонентных смол. Такие смолы можно использовать для производства дешевых композитных материалов.
2.1.9. Побочные продукты.
В результате процессов разделения воздуха (с целью получения O2) образуется чистый от примесей N2. Он используется в качестве технического газа для создания защитных атмосфер, также для наполнения овощехранилищ (продлевается возможный срок хранения овощей и фруктов в такой среде). Объемы его образования будут очень большими, не исключен вывоз в иные близлежащие регионы стран Средней Азии, Европейского и Африканского континентов.
В результате процессов криогенного разделения воздуха возможно получить Ar (аргон), некоторые иные инертные газы. Они очень востребованы в различных технических целях.
Также возможно выделить очень большое количество СО2 (углекислого газа); химическая чистота этого газа будет высокой, поэтому его можно использовать для газирования воды, напитков. Также он используется в промышленности для создания защитных атмосфер, осуществления реакций карбонизации различного сырья (производства карбонатного кирпича, искусственного мрамора, например).
Различных побочных продуктов (газообразных, жидких, твердых) может образовываться очень много (от каждого процесса органического синтеза свои). Большинство из них имеют какую-то товарную ценность либо могут быть преобразованы в такие продукты. Рассматривать такие задачи необходимо в прикладном порядке.
2.1.10. Заключительные положения по разделу.
Наименований различной, востребованной рынком продукции очень много. Это несколько сотен позиций. Выше перечислены только основные (базовые) направления развития этого бизнес-проекта. По мере его формирования и реализации могут возникнуть задачи синтеза веществ, не упомянутых выше. Это возможно осуществить путем присоединения соответствующих блоков очистки прекурсоров, синтезированных по изложенным выше процессам, и последующего синтеза из них соответствующих веществ.
3. Кратко о технологиях и применяемом оборудовании, предназначенном для получения синтез газа, органического синтеза и разделения продуктов органического синтеза на отдельные компоненты.
3.1. Получение синтез газа методом термической паровоздушной, парокислородной конверсии углеводородных газов или конверсии этих газов в смесях с CO2 (или смесях CO2 + H2O).
Это стандартно применяемые в газохимии методы получения синтез газа из природного газа, смесей углеводородных газов. В них углеводородные газы сжигаются при температуре около 1000 *С при недостатке кислорода. В результате в продуктах горения образуется смесь газов, в состав которых входят ценных для реакций органического синтеза компоненты: CO + H2 (+CO2).
Для снижения концентрации N2 в продуктах конверсии может использоваться не воздух, а обогащенное кислородом дутье (методом мембранного газоразделения; концентрация O2 составит не 21%, а 35-45%). Либо чистый от примесей O2, его получают методами криогенного или адсорбционного газоразделения на соответствующих установках (нам лучше применять криогенный, так как он экономнее по расходу электроэнергии).
С целью снижения температуры горения, повышения выхода Н2 в состав газов, подающихся на конверсию, можно подавать пары H2O. С целью повышения концентрации СО необходимо подавать СО2 (вместо H2O). Чистый от примесей СО2 возможно получать путем извлечения из состава синтез газа (перед его использованием в качестве сырья для органического синтеза), из ретурных или дымовых газов. Технологии его извлечения существуют, они не сложны.
Существует возможность одновременно с природным газом конвертировать в синтез газ: уголь любых марок, мазут (в том числе обводненный), иные углеводородные жидкости с высоким показателем теплотворной способности. Для этого необходимо создавать принципиально иное, более дорогостоящее оборудование. Необходимые для этого технологии есть.
Можно использовать и углеводороды с низким показателем ТС (с целью их экологически чистой утилизации), но это приведет к снижению концентраций СО и Н2 в синтез газе, то есть к снижению его качества. Существует возможность исправить этот недостаток в дальнейшем, об этом кратко изложено ниже. Но у этих решений есть своя цена, поэтому утилизация таких отходов должна осуществляться на возмездной основе.
В странах ЕС стоимость экологически чистой утилизации трансформаторных масел, иных хлорсодержащих и токсичных жидкостей составляет до 3000 Евро за тонну. Эта оплата с большим запасом (более чем 10 кратным) компенсирует экономические затраты на их утилизацию. Поэтому можно брать такие жидкости из ЕС, а также в регионах Средней Азии и Африканского континента с утилизацией и за меньшие средства.
Использование угля и мазута имеет смысл только при недостатке либо высокой стоимости природного газа. Даже при условии, что природный газ стоит 70 долларов за 1000 м3 (это максимальная цена на газ в этом регионе) эти процессы экономически не целесообразны. Но отработать такой процесс имеет смысл. Его возможно реализовать в иных регионах мира с использованием полученного газа не только в качестве сырья для органического синтеза, а и в качестве энергоносителя (для различных печей, котлов, в иных целях).
3.2. Получение синтез газа путем конверсии смесей углеводородных газов в химических реакторах сжатия.
Существует лучший процесс конверсии природного газа, смесей углеводородных газов в синтез газ. Это его конверсия в химических реакторах сжатия (далее – ХРС). ХРС представляет собой обычный двигатель внутреннего сгорания (с искровым зажиганием), с перенастроенной системой питания (углеводородные газы и воздух подаются с иным стехиометрическим соотношением, кислород в недостатке).
Обычно для питания ХРС используют смеси углеводородных газов с воздухом, в которых углеводородные газы находятся в большом избытке по отношению к стехиометрическому соотношению их полного сгорания. Но в таком случае в составе полученного синтез газа будет большое количество (до 50%) азота.
Существует возможность выделить чистый от примесей О2 и СО2 и использовать их в качестве окислителя. В таком случае синтез газ будет содержать много СО и не будет содержать азот.
В связи с большим недостатком О2 детонация в ХРС маловероятна. Поэтому можно допустить, что подаваемый воздух или смеси О2+СО2 можно подогревать. По идее возможно подогревать и углеводородные газы; но до температуры не выше 350 °C, так как при более высокой температуре они будут разлагаться с образованием кокса на теплообменниках. Теплоту для нагревания возможно отбирать от выходящего их ХРС синтез газа; это повлечет повышение показателя термохимической эффективности работы ХРС, а также концентрации СО+Н2 в полученном синтез газе.
Двигатель необходимо немного нагрузить. Оптимально для этого подходит электрогенератор, синхронизированный с сетью предприятия. Мощность ЭГ составляет около 30% от возможной, которую можно развить при полном сгорании всех компонентов газа. Существуют электростанции на основе корабельных дизелей, иных мощных ДВС, по которым можно вычислить оптимальную мощность (по объему ДВС, оборотам).
В мире очень много списанных корабельных дизелей большой мощности. Их продают по цене металлолома. Их можно покупать, ремонтировать, переделывать и использовать в качестве ХРС.
Главное преимущество процесса конверсии смесей газов в ХРС в отличие от процесса термической конверсии заключается в том, что ХРС дополнительно производит электроэнергию, а термический процесс – только тепловую энергию (которую завод в целом производит в очень больших количествах; необходимы решения о ее полезном использовании; об этом ниже). То есть это более выгодный с экономической точки зрения процесс.
Кроме того, ХРС позволяет получить синтез газ с большей концентрацией СО+Н2 (ценных компонентов) в связи с тем, что часть тепловой энергии, расходующейся для его нагревания до температуры конверсии, образуется за счет сжатия смесей в цилиндрах.
3.3. Очистка синтез газа от H2S, COS, иных серосодержащих газов.
Требования к химической чистоте газа, использующегося для органического синтеза, от всех серосодержащих газов очень высокие. Стандартно применяемые – не выше 1 миллионной доли, современные – не выше 0,5 миллионной доли. Это связано с тем, что эти газы отравляют катализаторы, а потому тщательная очистка от них позволяет продлить срок службы катализаторов.
Основной принцип всех процессов газоочистки заключается в подборе нескольких технологий (ступеней очистки), каждая из которых работает достаточно эффективно при определенном диапазоне концентраций загрязняющих веществ. Оптимально сразу очищать природный газ перед его конверсией до концентраций этих газов менее 0,1 %. Это не сложная задача, она решается путем применения технологии Lo-Cat (дешевое оборудование, дешевые абсорбенты). Этот метод возможно использовать для очистки исходного природного газа, так и для грубой очистки полученного генераторного (синтез) газа.
Тонкую очистку синтез газа до концентрации серосодержащих газов, приемлемых для его использования в органическом синтезе, осуществляют путем его промывания в растворах сильных окислителей – NaOCl, KMnO4, иных. Эффективность этих методов зависит от эффективности применяемых скрубберов. Показателя остаточной концентрации H2S и иных S содержащих газов ниже 0,5 миллионных долей этим методом возможно достигнуть. Поэтому при получении неприемлемых показателей необходимо просто добавить скрубберы в тракт движения синтез газа.
NaOCl возможно синтезировать непосредственно на этом предприятии из водных растворов NaCl. На нем же возможно утилизировать отработанные растворы NaOCl.
3.4. Подготовка синтез газа путем изменения состава его компонентов (обогащения Н2 или СО, удаление СО2 и Н2О).
Обогатить поток синтез газа Н2, при отсутствии его иного источника достаточно просто. Необходимо разделить его на два потока. Из одного потока извлечь Н2 и направить его в иной поток. Остаток, не содержащий Н2, будет иметь низкий показатель теплотворной способности; желательно его утилизировать сжиганием, при необходимости – за счет подсветки природным газом. Иные методы (метанирование, окисление СО озоном) обойдутся намного дороже.
Обычно полученный от реакторов конверсии синтез газ содержит значительные концентрации СО2. При необходимости СО2 можно извлечь из иных источников и добавить в этот поток. Также в него необходимо добавить Н2, полученный изложенным выше методом. Затем этот поток газа необходимо нагреть до температуры 300-350 *С; пройдет реакция СО2+Н2=СО+Н2О (реакция шифт-конверсии СО, реакция равновесная, в данном случае ее направление обращено назад, в сторону образования СО). Затем полученный поток охладить и извлечь из него Н2О (она сконденсируется в жидкость).
Теоретически возможно провести реакцию шифт-конверсии СО в газе, полученном газификацией малоценных топлив (например – водо-угольных суспензий, органических отходов) (путем добавления в него водяного пара при температуре 300-350 °C. В результате произойдет образование газа с высокими концентрациями Н2+СО2. Далее возможно извлечь из него:
- водород (методом мембранного газоразделения),
- чистый от примесей СО2 (методом абсорбции водным раствором NaHCO3).
Далее их смешать в определенных соотношениях и по обратимой реакции шифт-конверсии СО получить смеси Н2+СО+СО2. Они будут абсолютно чистыми от азота, всех иных, в том числе серосодержащих газов. Такие газы являются очень ценным сырьем для многих (не для всех!) процессов органического синтеза, так как:
- исключена необходимость компримировать балластные компоненты;
- в составе ретурных газов, после отделения всех продуктов органического синтеза, а также СО2 и паров Н2О, будет только СО+Н2; их можно повторно использовать в качестве сырья для органического синтеза.
Такая технология получения синтез газа требует осуществления большего количества технологических операций, чем технологии, не предполагающие осуществления повторного нагревания газовых смесей
с их последующей очисткой от СО2+Н2О. Также она приведет к образованию большого количества ретурных газов, содержащих в небольших концентрациях (3-5%) СО. Эти газы необходимо утилизировать сжиганием, на что необходимо расходовать природный газ.
СО2 является нежелательным компонентом в составе синтез газа для большинства процессов органического синтеза. В отдельных процессах он нужен, но его концентрации ограничиваются на уровне 1%. В составе полученного синтез газа его намного больше. Удалить его возможно путем применения одной из двух технологий (на выбор): абсорбцией этаноламинами или водным раствором NaHCO3 (соды). Второй процесс проще, а потому перспективнее. Оба процесса позволяют очищать синтез газ от H2S, второй – без регенерации абсорбента (его придется заменять, но полученный СО2 при этом будет чистым от H2S).
Пары Н2О также нежелательны в составе синтез газа. Но особо их концентрации не лимитируют. Можно очищать синтез газ от них вымораживанием газа или его промыванием охлажденным метанолом. Также существуют селективные сорбенты паров Н2О (концентрированная серная кислота, прокаленный CaCl2), но регенерация таких сорбентов обходится дороже, чем метанола.
3.5. Реакторы синтеза. Блоки синтеза.
Реакторы представляют собой резервуар, работающий под давлением. В нем размещен водо-охлаждаемый катализатор. При всей его принципиальной простоте конструкции на самом деле все не просто. Очень сложно удержать требуемую температуру на всех поверхности катализатора. В результате реакция органического синтеза всегда выделяется большое количество теплоты. Ее отвод происходит с возникновением большой разности температур на поверхности и в теле катализатора. Поэтому настройка таких реакторов всегда представляет сложную (в отдельных случаях – нерешенную) техническую задачу.
Процесс синтеза протекает под давлением от 50 до 250 атм. (для разных реакций), при определенной температуре (температура газа, подаваемого в реактор, должна примерно соответствовать ей). Поэтому реактор должен быть «обвязан» компрессорами, детандерами, теплообменниками, устройствами нагревания и охлаждения промежуточных теплоносителей, подаваемых в реактор, некоторым иным оборудованием. Оно должно быть четко согласовано по материальным и тепловым нагрузкам. В целом весь этот комплект должен быть смонтирован в единый блок (синтеза), один реактор сам по себе, без этого комплекта, ценности не имеет.
Такие блоки синтеза необходимо приобретать в сборе. Освоение технологий их самостоятельного производства требует много времени (от 2-х до до 10-ти лет на один блок), квалифицированных в этих вопросах специалистов, необходимой производственной базы. Но осваивать эту деятельность придется, так как в ином случае данное производство будет критично зависеть от поставщиков таких блоков синтеза (мы их даже не сможем отремонтировать).
Далее, после реактора, полученные продукты с частью компонентов исходного синтез газа поступают на процесс их разделения. Процессы деления не сложны. Необходимые технологии и оборудование возможно разработать (по данным о составе и концентрациях образующихся продуктов реакций). На начальном этапе строительства завода их лучше приобретать. Затем задачи их производства и обслуживания (ремонта) мы будем решать самостоятельно.
3.6. Разделение продуктов органического синтеза.
Органический синтез всегда протекает с образованием либо смесей целевых продуктов синтеза
спирты, олефины, парафины), либо нежелательных побочных продуктов синтеза. Их необходимо делить. Важно изначально понимать, какие требования к степени химической чистоты предъявляются ко всем или отдельным продуктам органического синтеза. Стандартные для данной задачи требования – не ниже 99%.
Обычно процессы разделения продуктов синтеза осуществляются методом ректификации. Получить в продуктах разделения вещества с СХЧ не ниже 99 % этим методом достаточно сложно. Поэтому в отдельных случаях применяются дополнительные методы азеотропной или экстрактивной ректификации, селективной сорбции, иные. Для проектирования технологической линии, предназначенной для разделения конкретных смесей, необходимо знать состав и концентрации продуктов синтеза.
Особо сложно делить продукты синтеза с низкой температурой кипения (ниже 0 °C), чем ниже температура – тем сложнее задача. Для деления таких продуктов применяют метод низкотемпературной ректификации. Необходимы охлаждающие для соответствующих температур ректификации установки. Также необходимы хорошо теплоизолированные ректификационные колонны. Это оборудование стоит дорого, его эксплуатация энергетически затратная.
Материальные и тепловые нагрузки между блоками органического синтеза и технологическими линиями, предназначенными для разделения продуктов синтеза, должны быть хорошо согласованы. Промежуточное накопление продуктов синтеза возможно, но это потребует дополнительных экономических затрат. И в принципе проблему не решает, так как блоки синтеза должны эксплуатироваться непрерывно. А ректификационные колонны в ином режиме эксплуатировать невозможно.
Желательно такие (согласованные по нагрузкам) технологические линии приобретать совместно с блоками синтеза. Но в принципе возможно решать задачи по их самостоятельному проектированию и изготовлению. У задачи согласования нагрузок, может быть, несколько возможных решений, их необходимо рассматривать в прикладном порядке (например – создать резервные линии с промежуточными накопителями большого объема; в таком случае они будут запускаться периодически, но на длительный период времени, что допустимо для них).
3.7. Перспективные источники необходимого для нас технологического оборудования.
Наиболее перспективно искать такое оборудование и заключать соответствующие контракты с предприятиями Китая, Южной Кореи, Японии. У них можно приобрести оборудование с достаточно высокими технико-экономическими показателями его эксплуатации при приемлемых ценах на оборудование и его сервисную поддержку.
Очень сложным вопросом является поиск специалистов для таких предприятий, что требует дополнительного анализа и изучения. На данный момент все еще можно купить недорогие комплектные производственные линии в Европе, которые были в малой эксплуатации, после чего придется обслуживать и ремонтировать их самостоятельно.
4. Смежные производства, направленные на производство иной ценной продукции, которые возможно создавать совместно с производством продукции органического синтеза.
4.1. Высокодисперсный технический углерод.
Высокодисперсный технический углерод является ценным товарным продуктом. Потребляется в больших количествах в качестве черного пигмента в лакокрасочные материалы, наполнителя в каучуки при производстве особо прочных резинотехнических изделий. Есть и иные области применения. Стоимость на мировом рынке оставляет около 4 долларов за 1 кг.
Производится путем пиролиза метана в дуговой плазме. От жирных газов метан очищать не обязательно. Исходя из стоимости метана и электроэнергии себестоимость его производства не превысит 0,5 доллара за 1 кг.
В продуктах пиролиза будет водород. Его можно использовать для ввода в состав синтез газа, использующегося для производства иных органических веществ, многослойных углеродных нанотрубок (об этом далее).
4.2. Многослойные углеродные нанотрубки.
Разработанная технология позволяет синтезировать нанотрубки в промышленных объемах. Производительность одного реактора может составлять до 1000 кг в час. Синтез осуществляется при нормальном давлении, что создает низкие затраты на эксплуатацию реакторов синтеза.
Их себестоимость очень низкая, так как используется дешевый катализатор (его мы можем производить в неограниченных количествах из дешевого и доступного сырья). Объемы их производства для нас могут быть ограничены только объемами доступного для них синтез газа. Химическая чистота от аморфного углерода высокая (свыше 90 %). Теоретически можно обеспечить ими весь мировой рынок. Цена – не ниже 5 долларов за 1 кг при себестоимости менее 0,5 доллара за 1 кг. Могут эффективно заменять высокодисперсный технический углерод, используемый для производства резинотехнических изделий, лакокрасочных материалов (их свойства только улучшатся от этой замены).
Применяются такие нанотрубки в качестве армирующих компонентов в полимеры, бетон, битумы. Значительно повышают прочность изделий, что увеличивает их долговечность или позволяет снизить расход материалов на эти изделия.
Также могут быть использованы в качестве дешевых сорбентов для адсорбции определенных газов из газовых смесей (процессов адсорбционного газоразделения), разделения жидкостей (воды или водных растворов с углеводородными жидкостями), очистки воды и химических растворов от определенных веществ (некоторых растворимых в воде солей).
Для их синтеза могут быть использованы ретурные (сбросовые) газы от реакторов синтеза иных органических веществ (который необходимо как-то утилизировать). Поэтому специально производить синтез газ для этого синтеза нет необходимости.
Исчерпывающее описание этой технологии у нас есть. Необходимо только создавать и вводить в эксплуатацию соответствующие реакторы.
4.3. Однослойные углеродные нанотрубки.
Технологии синтеза таких нанотрубок разрабатывал Институт катализа им. Борескова (Новосибирск).
Заявлено о наличии позитивных результатов. Процесс синтеза осуществляется путем разложения чистого от примесей метала на кобальтовом катализаторе. В ретурных газах будет водород, который является ценным сырьем для процессов органического синтеза иных веществ.
Однослойные нанотрубки имеют намного большую себестоимость производства и ликвидную на рынке цену. При этом они имеют намного большую прочность, как армирующий материал. Поэтому их можно использовать только для производства особо ценных изделий из композитных материалов.
Используются в микроэлектронике. Это связано с их особыми электрофизическими свойствами (низкое электрическое сопротивление). Но их пригодность для этого определяется не только количеством слоев в трубке, а чистотой от аморфного углерода, хиральностью, дефектностью, отношением длины к толщине. То есть необходимы консультации с определенными потребителями такой продукции.
Также, в качестве сорбентов, они могут использоваться для процессов газоразделения, разделения жидких химических сред, очистки химических растворов. Определять их пригодность для решения конкретной технической задачи, как и с многослойными нанотрубками, необходимо опытным путем.
Производить необходимый катализатор мы сможем. Конструкции реакторов, параметры процесса необходимо взять у разработчика технологии (на основе соответствующего договора).
Создание производства многослойных и однослойных нанотрубок можно считать экономически эффективными, но присоединенными к блокам синтеза иных органических веществ производствами. То есть дополнительными к иным, предложенным ниже, бизнес проектам.
4.4. Утилизация ретурных газов (газов, отходящих от реакторов органического синтеза или иных химических реакторов, использующих синтез газ).
При том что они будут очень чистыми от серосодержащих газов, они не будут являться ценным сырьем для органического синтеза. Это связано с тем, что концентрации СО и Н2 в них будут значительно снижены. Существуют схемы, при которых отходящие из одного реактора газы направляются в иной, у которого требования к концентрациям этих компонентов не высокие. Например – предложенный выше процесс синтеза многослойных углеродных нанотрубок.
В случае, если такие решения применяться не будут, то из них возможно извлечь водород (методом мембранного газоразделения) и вернуть его на стадию подготовки синтез газа к использованию. Остаток газа после этого процесса лучше утилизировать совместным сжиганием с природным газом; выделенное тепло как-то полезно использовать. При сжигании этого остатка необходимо обеспечить температуру его горения порядка 600 °C, с обеспечением достаточного (не менее 3%) избытка О2 и достаточно интенсивным перемешиванием компонентов дымовых газов при этой температуре (в циклонных топках). Для выполнения этих условий большого количества природного газа не потребуется. Теоретически вместо природного газа или совместно с ним возможно сжигать водо-угольные суспензии.
4.5 Очистка ретурных газов, образованных в процессе производства азотной кислоты, от NOx. Также дымовых газов от любых иных источников выбросов в атмосферу.
Для производства нитратов необходимо производить азотную кислоту. Ее производят сжиганием аммиака (с целью образования NO), окислением части NO до NO2 (чистым О2 или воздухом), далее совместным растворением этих газов с образованием смесей HNO2+HNO3. Далее HNO2 отделяется от HNO3 испарением с разложением и образованием смесей оксидов азота, в их состав вводится NO2 и смесь повторно растворяется в холодной воде.
Принципиальной задачей является окисление NO в NO2. Окисление обычно осуществляется воздухом; после растворения в воде смесей NO+NO2 в составе остатка остаются значительные количества NO. Они сбрасываются в атмосферу с ее загрязнением этим токсичным оксидом.
Существует возможность окислить и растворить NO с образованием азотной кислоты. Для этого его необходимо растворить в водном растворе перекиси водорода. Вместо нее возможно использовать специально синтезированный озон. Это позволит значительно сократить объемы выбросов NO в атмосферу. В свою очередь это позволит развивать производства неорганической химии, связанные с потреблением азотной кислоты и образованием оксидов азота. Например – получение чистого от примесей свинца, экстракция золота и иных драгоценных металлов из горных пород, различных отходов.
Этот метод может быть применен для получения HNO3 и от иных источников дымовых газов, в состав которых входит NO в значительных количествах. Это любые печи с высокой (свыше 1300 °C) температурой сгорания газов. Это могут быть металлургические печи, стекольные печи, печи, применяющиеся для переплавки силикатной массы на литой камень, многие иные. На такие производства возможно поставлять синтезированный на этом производства аммиак или гидрокарбонат аммония и их использовать для производства нитрата аммония (ценного удобрения).
4.6. Использование сбросовых тепловых потенциалов от всех их источников (реакторы конверсии углеводородов, блоки синтеза, системы очистки дымовых газов, иное).
Газохимическое производство ведет к образованию большого количества сбросовых тепловых потенциалов. В основном это тепловая энергия с температурой ниже 100 °C (от охлаждения синтез газа, продуктов органического синтеза, компрессоров, иное). От реакторов синтеза может отводиться теплота с температурой 200-350 °C (примерно соответствует температуре работы реактора); для этого необходимо применять промежуточный теплоноситель с соответствующей температуре кипения (процесс закипания стабилизирует температуру охлаждения реактора). Эту тепловую энергию необходимо как-то полезно использовать.
Для использования низкотемпературной тепловой энергии возможно предложить смежный бизнес-проект по производству кормового белка (кормовых дрожжей). Это базовый компонент комбикормов. Востребованы во всем мире в больших количествах. Стоимость зависит от их качества. Белок высокого качества стоит 2-3 Евро за кг (мы такой производить сможем). Тепловая энергия для этого производства необходима для их просушивания конвекционным способом (подогретым до 60 °C воздухом). Это единственно правильный метод решения этой задачи, так как их нагревание до более высокой температуры ведет к разрушению витаминов, иных ценных в кормах веществ.
Синтезировать их возможно:
- из метана (это самое лучшее решение, для нас он стоит очень дешево и доступен в условно неограниченных количествах);
- из спиртовой браги, полученной сбраживанием пшеницы, иного крахмалосодержащего или сахаросодержащего пищевого сырья;
- из синтетического метанола (очень выгодный, распространенный в Европе процесс), его смесей с этанолом (в случае, если осуществляется их совместный синтез).
Существуют технологии, основанные на использовании непищевого сырья, но они ведут к образованию загрязненных токсичными веществами кормовых дрожжей. Такая продукция запрещена к производству и использованию во всех развитых странах мира. Ее производить не стоит.
Технология их синтеза – биохимическая. Она доступна для копирования. Биохимические среды (бактерии) также доступны на рынке (стран Таможенного союза). Для синтеза дополнительно необходим аммиак, который мы можем произвести на этом же предприятии.
Тепловую энергию с температурой 200-350 °C возможно использовать для производства насыщенного водяного пара. Пар может потребляться для многих производств. Его возможно накапливать с целью согласования тепловых нагрузок между производством и потреблением теплоты в теплоты в каждый текущий момент времени.
Как еще один возможный вариант использования сбросовой тепловой энергии – производство керамических или стеклокерамических материалов. Их также необходимо просушивать при температуре ниже 100 °C (перед обжигом). На это можно потратить и теплоту с температурой ниже 100 °C, и водяной пар.
Для обжига просушенных стеклокерамических материалов необходим природный газ. Он у нас будет в достаточных количествах.
4.7. Создание смежных бизнес-проектов по извлечению золота, иных драгоценных металлов из рудных пород.
Выше изложены решения, позволяющие экологически чисто производить азотную кислоту, перерабатывать на нее все без исключения оксиды азота. Это позволяет создать такое актуальное для данного региона производство, как экстракция золота, серебра, иных драгоценных металлов из горных пород или некоторых отходов, в состав которых они попадают.
Существуют и иные вещества, способные растворять эти металлы. Но они дороги, зачастую очень токсичны (цианистый натрий, например). Концентрации золота и иных драгоценных металлов обычно низкие (для золота всегда ниже 4 грамм на тонну, обычно – около 1,5 грамм и ниже). Поэтому себестоимость веществ, использующихся для экстракции, предопределяет экономические перспективы таких бизнес-проектов.
Объединять производство азотной кислоты с такими производствами на одной площадке не обязательно. Возможно, на этом предприятии синтезировать только аммиак или гидрокарбонат аммония (безопасное в хранении и перевозке вещество). Затем его можно сжечь в среде природного газа и далее производить азотную кислоту путем экстракции оксидов азота из состава полученных дымовых газов.
4.8. Экологически чистая утилизация твердых органических и неорганических отходов.
Данное предприятие возможно укомплектовать оборудованием, позволяющим экологически чисто утилизировать любые органические и неорганические отходы, их смеси. Таким образом экологическая чистота данного производства будет обеспечена.
Теоретически возможно принимать на утилизацию и отходы, образующиеся в регионе строительства такого предприятия. Но экономика такой деятельности под сомнением (они будут замещать очень дешевый природный газ). Возможно, что позитивные результаты достигаться будут, но применительно только к определенным видам отходов. Наиболее перспективны полимерные отходы, нефтешламы, обводненные мазуты, иные отходы с высоким показателем теплотворной способности. Данный вопрос будет предметом рассмотрения после установки соответствующих пилотных опытно-промышленных линий.
4.9. Энергоснабжение.
4.9.1. Актуальность задачи.
Существует проблема обеспечения энергоснабжения крупных потребителей, при этом обеспечивая надежность энергоснабжения. Это связано с низким уровнем развития электрических сетей.
Данное предприятие основано на использовании технологических процессов, нарушение которых может иметь техногенную опасность. Также внезапная остановка такого оборудования может повлечь не техногенный, а экономический ущерб.
Кроме того, собственная генерация может позволить получать электроэнергию с меньшей себестоимостью, чем приобретаемой на энергорынке. Объекты, у которых есть собственная генерация, отключать от сети принудительно могут только в случае, если это является следствием аварии в сетях. По инициативе регулятора – нет смысла.
Поэтому вопрос об обеспечении бесперебойного энергоснабжения данного предприятия (или группы наших предприятий) очень актуален.
4.9.2. Способ решения.
С энергетической точки зрения наиболее перспективно для электрогенерации использовать парогазовые установки большой мощности. Они имеют показатель КПД от 45 до 56 %. Это немного выше, чем показатель КПД одних паровых турбин аналогичной мощности.
В регионе, где есть дешевый природный газ, их использование сомнительно по причине низкого ресурса газовых турбин (стандартный назначенный срок эксплуатации до ее ремонта не превышает 20 000 часов при условии использования природного газа, соответствующего ГОСТу). При этом следует учитывать, что этот срок сильно зависит от содержания серосодержащих газов в углеводородных газах. При использовании газа с их концентрацией, не превышающей одну миллионную долю, этот период можно продлить до 50 000 часов и более.
У нас будут такие системы газоочистки. Собрать дополнительные особых проблем не составит. Поэтому данное решение необходимо рассматривать приоритетно.
Существует иная проблема. ПГУ собирают только в нескольких странах мира (Украина, Германия, Япония, США). Украинское предприятие не работает, не известно – будет ли работать после войны. А предприятия иных стран очень много просят, как за оборудование, так и за его сервисную поддержку. Это обстоятельство может играть большую роль в выборе между ПГУ и паротурбинной установкой.
4.9.3. Обеспечение бесперебойного энергоснабжения оборудования, внезапное (не плановое) прекращение питания которого недопустимо.
Существуют типовые решения, позволяющие обеспечить бесперебойное энергоснабжение любых потребителей при их внезапном отключении от централизованных сетей электроснабжения. Их работа основана на использовании аккумуляторов, а также дополнительных источников энергии, таких как дизельные, бензиновые или газовые генераторы. Если важен только корректный выход оборудования из рабочего режима в режим простоя, то возможно использовать только энергию, накопленную в аккумуляторах.
Запитать от таких источников весь завод (ПГУ и ГТУ не подходят для этого) не получится, так как они не рассчитаны на присоединение потребителей мегаватной мощности. Но запитать только тех потребителей, энергоснабжение которых является критически важным – вполне возможно. Эту задачу необходимо решать при проектировании соответствующих данной проблеме проектов.