تولید محصولات با ارزش بر پایه گاز طبیعی

گاز طبیعی شامل مقادیر زیادی متان است. متان بین ۸۳ تا ۹۷ درصد از حجم گاز طبیعی را تشکیل می دهد. بنابراین تبدیل متان به هیدروکربن‌های با ارزش به خصوص اتیلن، به عنوان ترکیب کلیدی محصولات پتروشیمی، جایگاه بسیار مهمی از لحاظ اقتصادی و علمی دارد. همچنین تعداد زیادی از منابع گاز طبیعی در نقاط دوردستی قرار گرفته است که انتقال از طریق شبکة خط لوله به مناطق مصرف را غیر اقتصادی می سازد. از این رو سعی بر این است تا گاز طبیعی و در مرحله اول متان، به مواد با ارزشتری تبدیل گردد.
یکی از روش های تبدیل متان به مواد با‌ارزشتر، زوج شدن اکسایشی متان یا Oxidative Coupling of Methane است که در این فرایند، متان و اکسیژن به عنوان مواد اولیه وارد راکتور با دمای حدود ۸۰۰ درجه سانتیگراد شده و در مجاورت کاتالیزور و در فشار اتمسفر یک، تبدیل به اتیلن و محصولات دیگر می شوند. از آنجایی‌که متان نسبت به سایر ترکیبات هیدروکربنی پایدارتر است، شکستن پیوندهای بین اتم های این مولکول نیاز به صرف انرژی نسبتاً زیادی دارد. برای این کار به دمای بسیار بالایی نیاز است. این عمل در فرایند پیرولیز متان صورت می‌گیرد که در آن متان در اثر حرارت بالا، هیدروژن زدایی شده و پس از زوج شدن، به محصولات دوکربنی تبدیل می‌شود:

CH۴ + Q ⇔ C۲H۲ , C۲H۴ , C۲H۶ + H۲

گزارشات منتشر شده در مورد فرایند پیرولیز متان، نشان می دهد که با استفاده از این روش فقط در دماهای بیش از ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد و زمان اقامت کم گاز، مقدار اتیلن و استیلن تولیدی، زیاد خواهد بود. بنابراین استفاده از این روش در مقیاس های بزرگ مقرون به صرفه نخواهد بود. روش‌های جایگزین به دو دستة روش‌های مستقیم و روش‌های غیر مستقیم تقسیم می‌گردند:

الف) تبدیل غیر مستقیم متان

در این روش، ابتدا متان را به گاز سنتز که مخلوطی از هیدروژن و مونوکسید کربن است، تبدیل می کنند. سپس این گاز از طریق فرایندهای دیگر به محصولات با ارزشتر تبدیل می گردد. گاز سنتز طبق واکنش زیر از طریق رفرمینگ با بخار آب تولید می شود:

CH۴ + H۲O ⇔ CO + ۳H۲

این واکنش شدیداً گرماگیر است و با استفاده از کاتالیزور نیکل در دمای ^C۹۰ و فشار ۲۰ اتمسفر انجام می شود. گاز سنتز در فرایندهای متنوع صنعتی قابل تبدیل به متانول، بنزین و دیگر سوخت‌های مایع می شود. بنزین تهیه شده از فرایندهای فوق، گران تر از بنزین تهیه شده از نفت خام است و این امر به علت پرهزینه‌بودن فرایند تهیه گاز سنتز است.

ب) تبدیل مستقیم متان

تحقیقات در زمینة تبدیل مستقیم متان (بدون تولید گاز سنتز)، در دهة ۸۰ میلادی گسترش یافت. فرایندهای ذیل مهمترین روش های مستقیم هستند. این فرایند‌ها به طور بالقوه، راندمان بیشتری از نظر انرژی نسبت به روش های غیر مستقیم دارند. دلیل این امر، فقدان مرحله تولید گاز سنتز است که نیاز به انرژی زیاد و دمای بالا دارد.

ب -۱) اکسیداسیون جزئی متان

متان در مجاورت اکسیژن، طبق واکنش زیر تبدیل می شود:

CH۴ + ۱/۲O۲ ⇔ CH۳OH

در واکنش فوق متانول تولید شده، در مجاورت اکسیژن پایداری کمتری نسبت به متان دارد. بنابراین محصولات به طور کلی، به اکسیدهای کربن تبدیل می شوند. برای بالا نگهداشتن گزینش‌پذیری متانول تا حدود ۸۰% باید تبدیل متان کم (حدود ۸% ) باشد که این امر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

ب- ۲) زوج شدن متان با کلر

متان و کلر به چند صورت می توانند به همراه یکدیگر، هیدروکربن‌های با ارزش را تولید کنند. یکی از روش ها، فرایند پیستن بورگ است که در آن کلر، متان و اکسیژن در یک راکتور بستر سیال در فشار ۱۶ اتمسفر و دمای ^C۳۵۰روی کاتالیست مس و اکنش می دهند.

CH۴ + HCL + ۱/۲O۲ ⇔ CH۳CL+H۲O

کلرید متان روی کاتالیزور زئولیت، مخلوط هیدروکربن‌هایی را تولید می کند که شامل بنزین با عدد اکتان بالا هستند. دمای پایین و تبدیل زیاد متان (حدود ۵۰ درصد)، این فرایند را قابل قبول می سازد. مشکل اقتصادی این روش، خروج مقادیر زیاد HCL تولیدی از راکتور است.

ب-۳) پلاسمای غیر تعادلی

یکی از جدیدترین زمینه های تحقیقاتی در خصوص تبدیل متان به هیدرکربن‌های سنگین تر، استفاده از پلاسمای غیرتعادلی است. راکتور شامل دو الکترود فلزی است که از صفحات آلومینیومی ساخته شده اند که یکی از آنها توسط یک صفحة دی‌الکتریک پوشانده شده است. گاز از میان صفحه‌های دی‌الکتریک و آلومینیومی دیگر عبور می کند. همچنین با اعمال ولتاژ بالا در دمای محیط، می توان متان را به هیدروکربن‌های سنگین تر تبدیل کرد. یکی از مزایای این روش، عدم نیاز به اکسیژن برای انجام واکنش است.

ب-۴) زوج شدن اکسایشی متان (OCM)

در این فرایند (OCM)، گاز متان در فشار اتمسفر یک، در مجاورت کاتالیست جامد و دمای حدود ۷۵۰ تا ۸۰۰ درجة سانتیگراد با اکسیژن ترکیب می شود و محصولات مختلفی از قبیل اتیلن، اتان و گازهای هیدروژن، مونوکسید و دی‌اکسیدکربن تولید می کند. سوخت های مایع به عنوان خوراک مجتمع های پتروشیمی، معمولاً جزء محصولات مطلوب این فرایند محسوب می شوند. انتخاب محصولات، بستگی به موقعیت جغرافیایی کارخانه OCM دارد. در صورتیکه این واحد در نواحی صنعتی موجود باشد، می تواند تأمین‌کنندة خوراک مجتمع های پتروشیمی باشد. در نواحی دوردست، سوخت مایع حاصل از این فرایند، قابل انتقال به بازار مصرف خواهد بود. شکل شماتیک واحدهای فرضی OCM نه تنها در محصولات اصلی بلکه در محصولات فرعی تولید شده نیز متفاوتند.
از بین روش های یاد شده به منظور تبدیل متان، زوج شدن اکسایشی متان در مجاورت کاتالیزورهای ناهمگن (OCM)، یکی از محتمل ترین روش های تبدیل متان حاصل از گاز طبیعی به اتیلن، به عنوان خوراک مجتمع های شیمیایی و یا سوخت های مایع در جهت انتقال انرژی به نظر می رسد. ولی دو عامل اساسی باعث عدم موفقیت این فرایند در ابعاد تجاری هستند:
۱. گزینش‌پذیری و راندمان پایین محصولات دو کربنه و بیشتر
افزایش گزینش‌پذیری و راندمان محصولات، اساساً از طریق توسعه و یا بهبود کاتالیست ها صورت می گیرد. بهینه سازی شرایط واکنش، طراحی راکتور و عملیات نیز بر روی راندمان بهبود کاتالیست مؤثرند.
۲. عدم اطمینان از نتایج جدید تکنولوژیک و تحقیقاتی به منظور افزایش مقیاس این فرآیند
عدم اطمینان تکنولوژیک، به این علت است که تمام نتایج در دسترس که تاکنون منتشر شده اند، در مقیاس آزمایشگاهی به دست آمده اند.
با توجه به پیچیدگی فرایند واکنش OCM، افزایش مقیاس می تواند منجر به کاهش و افت کارایی کاتالیست این فرایند شود. علاوه بر این، شرایط دشوار واکنش (تولید گرمای زیاد) نیاز به طراحی راکتورهای جدید دارد و تجارب موجود در مورد سایر فرایندهای مشابه به صورت محدود قابل استفاده است. توسعه و بهبود راکتور، به عواملی نظیر نوع راکتور، جنس آن و روش کنترل دما بستگی دارد. با کمی دقت می توان دریافت که جنبة مهندسی واکنش فرایند OCMنقش اساسی در روند موفقیت تجاری این فرایند ایفا می کند.

*تهیه کننده:احمد عارفی