Способ преобразования газообразного углеводородного сырья в жидкое топливо

Способ преобразования газообразного углеводородного сырья в жидкое топливо включает нагрев природного газа с получением смеси синтез-газа из углекислого газа, водорода и угарного газа, охлаждение синтез-газа в биореакторе, в котором синтез-газ ферментируют в водной среде анаэробными бактериями с получением этанола, который затем подвергают сепарации. Технический результат представляет собой упрощение транспортировки энергоносителей от районов их добычи к потребителям, в том числе и в тех случаях, когда строительство и эксплуатация газопроводов либо экономически не выгодно, либо вообще не возможно, снижение энергозатрат. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области криогенной техники, а именно технологии сжижения природного газа, и предназначено для преобразования углеводородного сырья, находящегося в газообразном состоянии, в жидкое.

Из уровня техники известен способ производства сжижаемого метана, включающий шаги: а) подача потока природного газа при давлении 860 Паскаль или выше; б) охлаждение потока во множестве зон обмена высокой температуры в косвенном обмене высокой температуры с охладителем в системе охлаждения замкнутого контура; в) адиабатическое расширение потока к первому давлению, которое является ниже критических давлений и верхних потоков и потоков основания, найденных в последующем шаге (г), и таким образом получение механической энергии; г) фракционирование расширенного потока в низкой поддержке, чтобы сформировать верхний поток, богатый метаном и потоком, богатым тяжелыми углеводородами; д) охлаждение и частично сжатие верхнего потока в обмене высокой температуры с многокомпонентным охладителем в системе охлаждения замкнутого контура; е) фаза, разделяющая частично сжатый верхний поток в жидкую фракцию, богатую тяжелыми углеводородами и богатым метаном потоком пара; ж) поставка жидкой фракции; з) поставка богатого метаном потока пара в температуре ниже -100°F непосредственно на компрессор, и сжатие потока к давлению, по крайней мере, 680 Паскаль, чтобы сформировать высокое давление богатого метаном потока, используя механическую энергию, восстановленную в шаге (в); и) поставка богатого метаном потока в зону обмена высокой температуры и высокого давления; к) охлаждение, сжижение и подохлаждение высокого давления богатого метаном потока в зоне охлаждения в косвенном обмене высокой температуры с многокомпонентным охладителем, описанного в пункте (д), и л) удаление сжижаемого и подохлажденного потока метана как поток продукта - сжиженный природный газ (US 4065278, 27.12.1977).

Известен способ сжижения природного газа, в котором исходный газ охлаждают и разделяют на жидкую фазу и газовую фазу. Последнюю расширяют и присоединяют к жидкой фазе в колонне. В верхней части колонны отделяют газ, обогащенный метаном, направляют на рекомпрессию и затем сжижают. Жидкая фаза в нижней части колонны расширяется и очищается в колонне. Поток из верхней части колонны конденсируют и подают как возврат в колонну. Давление в колонне выше давления колонны. В нижней части отделяют углеводороды С₃ (RU 2093765,20.10.1997).

Наиболее близким аналогом к предложенному изобретению является способ конверсии углеводородов, включающий стадию частичного сжигания смеси жидкого углеводорода с содержащим молекулярный кислород газом в реакционной камере в присутствии катализатора, способного поддерживать горение выше нормального предела воспламеняемости с получением потока продуктов и углеродистого отношения в реакционной камере. Процесс ведут при стехиометрическом соотношении между углеводородом и кислородом, превышающем стехиометрическое соотношение, необходимое для полного сгорания до двуокиси углерода и воды, с периодической заменой жидкого углеводорода и содержащего молекулярный кислород газа потоком обогащенного топливом углеводосодержащего газа на период времени, достаточный для удаления из реакционной камеры существенного количества углеродистого отложения (RU 2151164, 20.06.2008).

Все существующие в настоящее время методы сжижения природного газа, применяемые в промышленности, основаны на использовании физического закона перехода вещества из газообразного состояния в жидкое под воздействием высокого давления и низких температур. Вследствие этого, существующие способы сжижения природного газа являются высокоэнергозатратными и требуют использования дорогостоящего оборудования в виде компрессоров и охладителей, а также дорогих транспортных средств для перевозки сжиженного газа, обеспечивающих необходимый температурный режим и надежные резервуары высокого давления. Достаточно затратными являются также способы хранения и обратного преобразования топлива в точках потребления энергоносителей.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в создании такого способа сжижения природного газа, который исключал бы указанные выше недостатки за счет преобразование природного газа как углеводородного энергоносителя непосредственно в топливо, находящееся сразу в жидкой форме.

Технический результат, достигаемый при реализации данного изобретения, заключается в упрощении транспортировки энергоносителей от районов их добычи к потребителям, в том числе и в тех случаях, где строительство и эксплуатация газопроводов либо экономически не выгодно, либо вообще невозможно, снижении энергозатрат и энергопотерь, упрощении преобразования газообразного углеводородного сырья в жидкое топливо и увеличении надежности и экологичности.

Данный технический результат достигается в способе преобразования газообразного углеводородного сырья в жидкое топливо, включающем нагрев природного газа с получением смеси синтез-газа из углекислого газа, водорода и угарного газа, охлаждение синтез-газа в биореакторе, в котором синтез-газ ферментируют в водной среде анаэробными бактериями с получением этанола, который затем подвергают сепарации.

Нагрев природного газа осуществляют до температуры не ниже 800°С. Синтез-газ охлаждают в биореакторе до температуры 38°С. В качестве анаэробных бактерий используют бактерии Clostridium Carboxydivorans. В водную среду добавляют питательные вещества, представляющие собой аминокислоты и витамины и являющиеся катализаторами.

Сепарацию осуществляют мембранным методом с помощью гидрофильных мембран. Способ сжижения природного газа осуществляется следующим образом. В основу способа положена способность отдельного штамма анаэробных бактерий (Clostridium Carboxydivorans из рода C.botulinum) использовать в качестве питания газообразные углеводороды, вырабатывая при этом этиловый спирт (С₂Н₅OН или СН₃-СН₂-ОН), являющийся, как известно, в настоящее время одним из самых перспективных альтернативных источников энергии и уже достаточно успешно применяемый в качестве экологически чистого топлива для различных транспортных средств. Т.о. данный способ, по сути, позволяет получать конечный продукт в виде этанола (топлива) непосредственно в местах добычи природного газа, минуя промежуточные дорогостоящие стадии и этапы переработки исходного сырья. Предлагаемый способ, в целом, состоит из трех этапов:

1. Подготовка природного газа, состоящая в нагреве его до температуры не ниже 800°С. При этом образуется синтез-газ, состоящий из смеси углекислого газа (СO₂), водорода (Н₂)и угарного газа(СО).

2. Переработка полученного синтез-газа, охлажденного до температуры 38°С с помощью биореактора. Биореактор представляет собой большое количество пластиковых трубок диаметром несколько десятков микрон, имеющих мембранные стенки (керамические мембраны), собранных в пакет и помещаемых в водную среду. Горячий синтез-газ охлаждается, проходя по теплообменному контуру биореактора, и выступает в роли теплоносителя.

Синтез-газ проходит сквозь мембранные стенки трубок и ферментируется бактериями Clostridium, находящимися на внешней поверхности мембранных трубок. С целью ускорения процесса ферментации в водную среду добавляются питательные вещества, а именно аминокислоты и витамины, являющиеся своего рода катализаторами биохимического процесса. Наличие биокатализаторов не является обязательным, так как даже при наличии только одного угарного газа процесс все равно продолжается. Конструкция биореактора предусматривает использование тепла синтез-газа для поддержания постоянной температуры в биореакторе, а также излишки тепла могут быть утилизированы и использованы, например, для отопления или горячего водоснабжения.

3. Сепарация полученного этанола. Данный процесс также осуществляется с помощью мембранных материалов (мембранным методом), в частности гидрофильных мембран, пропускающих воду и задерживающих конечный продукт. Таким образом, на данном этапе также экономится энергия.

Изначально, биореакторы, использующие способность анаэробных бактерий усваивать углерод, находящийся в газообразной фазе, предполагалось использовать для переработки бытовых отходов. Работы в данном направлении в настоящее время ведутся и также представляются весьма перспективными. Проведенные при этом исследования показали, что даже при переработке твердых бытовых отходов, включая пластики всех видов (т.е. все отходы, кроме стекла и металла), эффективность процесса была не ниже 70% по теплотворности. Т.е. теплотворность полученного на выходе биореактора топлива составляла 70% от теплотворности исходного сырья (твердых отходов в данном случае).

Хотим отметить следующее, что эффективность заявленного способа существенно выше за счет того, что, во-первых, исходное сырье (природный газ) уже находится в газообразной форме и таким образом на его преобразование не будет затрачиваться дополнительная энергия, во-вторых, выделяемая в процессе подготовки газа (неполное сгорание) энергия может быть утилизирована для внутренних нужд (например, отопление помещений, либо производство электроэнергии).

Следует также отметить, что предлагаемый способ не исключает возможность одновременного сжижения газа и переработки отходов. Просто в таком случае установка должна будет содержать, соответственно, два канала подготовки синтез-газа, поступающего в биореактор.

1. Способ преобразования газообразного углеводородного сырья в жидкое топливо, характеризующийся тем, что включает нагрев природного газа с получением смеси синтез-газа из углекислого газа, водорода и угарного газа, охлаждение синтез-газа в биореакторе, в котором синтез-газ ферментируют в водной среде анаэробными бактериями с получением этанола, который затем подвергают сепарации.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что нагрев природного газа осуществляют до температуры не ниже 800°С.

3. Способ по п.3, характеризующийся тем, что синтез-газ охлаждают в биореакторе до температуры 38°С.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве анаэробных бактерий используют бактерии Clostridium Carboxydivorans.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в водную среду добавляют питательные вещества, представляющие собой аминокислоты и витамины и являющиеся катализаторами.

6. Способ по п.1, характеризующийся тем, что сепарацию осуществляют мембранным методом с помощью гидрофильных мембран.