化学家尝试将页岩气转变成现代生活所需的诸多
时间:2017-12-07

  化学家们试图将气体纳入现代生活的许多组成部分 - 新闻 - 科学网

  当无畏舰慢慢驶过挪威Fjelorfjord的蓝宝石海面时,护航拖船向天空喷射水,标志着它的到来。在甲板下的一个巨大的低温罐里,船上装载了27500立方米的液态乙烷,足以装满11个奥运游泳池。这个无所畏惧的数字也带来了这样一个信息:页岩气体,一个巨大的大写字母画在船体的一边,会带来革命。

  2016年3月,首届3号船从美国到欧洲运抵了页岩气,标志着新兴商业部门的开放。在那之后,更多的180米高的巨型船开始形成虚拟的管道,将乙烷运输到大西洋上空。这种被页岩沉积物破碎并从地下抽出的气体并不是为发电站或家用炉灶提供燃料。相反,它将被转化成制造许多产品所需的基本化学成分,包括塑料,衣服,粘合剂和药品。

  无畏的飞行证明,美国的页岩气正在以一个非常便宜的价格重塑化学工业,并改变了无数制成品的来源。几十年来,这个领域的原材料主要来自原油。化工厂分解原油中的长烃分子,形成乙烯,丙烯和苯等小分子杂质。它们都是聚合物的重要原料。

  然而,主要由甲烷,乙烷和丙烷组成的页岩气正在改变这条道路。它的储量非常丰富,这些分子的成本大大降低。其中一些正在取代大量的碳氢化合物,成为工业合成的首选原料。

  乙烷革命

  尽管乙烷只占页岩气的一小部分,但迄今为止对化工行业影响最大。这是因为化学家可以很容易地使用它来生产乙烯。乙烯用于制造各种类型的聚乙烯,并且是其它塑料如聚氯乙烯,聚苯乙烯等的前体。世界对这些塑料的需求是如此的贪婪,化学工业每年生产乙烯的量大约是1.5亿吨。

  化学工业中的大多数工艺都需要使用催化剂。然而,乙烯可以容易地通过蒸汽裂解乙烷或更大的碳氢化合物来生产。蒸汽裂解是20世纪20年代首次提出的,是一个简单而耗能的过程。它只需要一些水和850°C的温度。基本上,你要做的是加热它。 IHS Markit驻纽约的行业分析师Jeffrey Plotkin说,这个过程的核心是一个巨大的炉子。所有的化学反应都在这里进行。

  利用页岩气生产乙烷已经使化工行业蓬勃发展,投资近450亿美元用于扩大蒸汽裂解能力。但是,这种原料的转移也带来了头痛。当蒸汽裂解装置充满来自原油的长碳氢化合物的混合物时,会产生大量有用的副产物。但是,当他们利用乙烷作为原料时,产品几乎全部是乙烯。所以会出现其他化工原料的短缺。 Weckhuysen说。

  原料之一是丙烯。丙烯转化为聚丙烯(一种用于包装和纺织工业的塑料)以及其他聚合物组分(如丙烯酸),但有人估计,美国蒸汽中的丙烯尽管全球需求上升,但从2005年到2014年,饼干的销售量已经下降了近一半。

  为了应对这种短缺,化学工业正在寻找其他方法来生产丙烯。其中一条主要路线是页岩气丙烷。加热和催化剂的结合可以除去两个氢原子,从而将丙烷转化为丙烯。

  甲烷问题

  费托(FT)利用钴或铁催化剂和热量来产生碳原子拓扑链产物。英国石油公司(FT)是德国科学家在20世纪20年代提出的,用于制造石油和其他一些由合成气原煤生产的碳氢化合物。

  一般来说,与炼油相比,使用这种方法生产运输燃料的成本相对较高。世界上只有六家大型的FT工厂,因为它们靠近大型的煤炭或天然气田和它们自己难以置信的规模,所以在经济上是有价值的。位于卡塔尔的全球最大的FT工厂耗资高达190亿美元来建造轻型燃气,每天消耗4500万立方米的甲烷,等于比利时的天然气消耗量。

  然而,页岩气行业的热潮促使化学工程师重新审视了“金融时报”的流程。由于页岩气井通常无法产生足够的天然气来支持传统的FT装置,因此研究团队和公司已经开发出能处理适量气体流量的小型反应堆。其中一家工厂是位于得克萨斯州休斯敦的Velocys公司。它开发了一个5米长的反应器,将合成气转化为石脑油,柴油,蜡等物质。该公司的反应堆技术被用于俄克拉何马州的全国首家商业小型FT工厂。 ENVIA Energy旗下的工厂今年早些时候开始生产。

  温度控制是FT方法的主要挑战:反应在约180°C进行,然后产生大量的热量。如果没有适当的控制,反应就失控了,把碳原子变成无用的烟雾。为了解决这个问题,Velocys反应器包含一个充满催化剂或水的波纹通道。这使得反应在200℃下稳定进行,使得反应器可以有效地利用催化剂而没有失控反应的风险。它可以让你在狭小的空间里做很多的反应。 Velocys公司业务发展总监Neville Hargreaves说。

  更绿色的气体

  页岩气行业的繁荣被认为促使了美国化工行业的复苏。国家化学工业在化工厂等基础设施和研发方面投入巨资,对页岩气勘探生产的升级利用产生了巨大的兴趣,引起了学术界和工业界的一些重要合作。

  将实验室结果转化为商业产品是一个持续的挑战,尽管朝着更小的模块化反应器的趋势正在使这一挑战变得更加困难。据说化学工业是保守的:如果一个工艺在实验室成功但是在工业规模上失败了,那么就会浪费大量的催化剂,工厂可能会停工数月。除非他们确定一个流程的工作,否则行业不承担这个风险。 Weckhuysen说。

  尽管面临诸多挑战,但Weckhuysen仍然看好页岩气升级不仅会对化工行业的进程产生重大影响,还会对环境足迹产生影响。 Velocys公司发现,一些正在开发的页岩气反应堆技术已经被改造,以利用生物原料,如垃圾填埋场的沼气。与此同时,一些页岩气化合物的短缺将推动化学工业转变生产方式,如从作物生产乙醇或使用木材生产木质素。所有这一切已经发生。例如,2013年,法国轮胎制造商米其林(Michelin)及其合作者启动了一个价值5200万欧元的项目,用生物乙醇生产丁二烯。

  但是,目前美国的页岩气仍然不断涌入世界。越来越多的化学公司正在使用船舶向欧洲,巴西和印度的目的地运送页岩气。据估计,到2022年,每年将有大约800万吨乙烷流经这些虚拟管道。它们将为美国化学工业将要带给世界其他地方的革命带来挑战和机遇。 (宗华编)