碳一化工进展

华东理工大学20132014学年第 1 学期 碳一化工进展 课程论文 2013.11论文题目： 液体燃料的工业技术进展论文要求：教师评语：教师签字： 年 月 日液体燃料的工业技术进展摘要 当前全球基础有机原料工业的发展正面临石油资源短缺、环保法规日益严格这两大难题。因此，发展碳一化工生产技术，对于整个化学工业的发展，具有重要的战略意义。本文通过介绍不同种类液体燃料的特点、生产方式和发展现状，从能源开发的角度，阐述碳一化工对我国化工产业的重要意义。 关键字 液体燃料 合成气 二甲醚一、引言随着我国国民经济的持续发展，对能源的需求越来越紧迫，特别是对洁净高效液体燃料的需求量不断增加。从目前产量和消费构成来看，我国是少数以煤为主要能源构成的国家之一，煤炭占75%，石油占19%，天然气占2%，煤炭是我国储量最丰富的能源资源。按目前的产量和已探明的储量推算，我国煤炭资源可开采近百年，天然气资源勘探和开发将会有较大的增长，石油的开采利用将逐渐处于递减模式。由此可见，研究开发以碳一资源代替石油作为原料的新化学生产工艺，对于我国这样一个“少油有气多煤”的国家，有着重要意义。碳一化工是指以含有一个碳原子的物质，如CO、CO2、CH4、CH3OH、HCHO， 为原料合成化工产品或液体燃料的有机化工工艺。碳一化工产品大致有三类：液体燃料及燃料添加剂、低碳烯烃、含氧化合物，其中，液体燃料还可分为合成液体燃料、醇基液体燃料、二甲醚和甲基叔丁基醚等。二、合成液体燃料在能源发展战略中，我国采用以煤、天然气为原料制取合成气，再由合成气合成液体燃料、化工产品的路线，同时合成气也可经燃气轮机发电。合成液体燃料指的是一类从固体物质或者含有丰富碳、氢的烃类化合物中提取出的液态燃料。合成液体燃料虽然与石油的成分相似，但是并不是从石油中提取出来的，而是从煤、天然气中提取而来，其实质是合成气经F-T合成（费-托合成）催化反应转化为油品，F-T合成浆态床技术对煤制油工艺有明显的优越性，开发生产效率高的浆态床技术和研制廉价高效的铁催化剂是实现煤制油工业化的关键。在替代能源中，合成燃料有着极大的发展潜力，与石油和其系列产物一样，合成燃料也可以被广泛地应用于交通运输、工业生产和日常生活中。这是因为合成燃料在开发的过程中往往都被某些化学和物理手段将其液化，所以便于储存和使用。因此，从我国油品缺口与能源资源储量匹配关系来看，发展煤液化合成油技术是解决油品短缺问题最为现实可行的根本途径。合成液体燃料在应用中与其他非石油能源相比有很大的优势。与氢能相比，合成燃料的技术更加成熟；与风能、太阳能、潮汐能相比，合成燃料释放的能量较大；与核能相比，合成燃料的利用门槛较低。此外，合成液体燃料基本上由直链烷烃、烯烃组成，具有无硫、无氮、无金属、芳烃含量极少等特点，合成液体燃料是环境友好的燃料。三、醇基液体燃料醇基液体燃料是指以醇类为主体、石化副产品及相关功能性添加剂复配而成的一种清洁液体燃料。燃料的主体成分醇类主要是工业甲醇或国标I级甲醇，也有少量企业选择乙醇作为主体。目前醇基液体燃料在市场的开发方面，主要是作为替代型燃料分享或者替代一部分石油液化气的市场。其在运输、安装、使用等方面都与石油液化气有一定的类型，因此在市场上主要是与石油液化气进行竞争。相比石油液化气而言，醇基液体燃料有以下优点：1）环保性-醇基液体燃料的燃烧产物主要是H2O、CO2，具有无烟尘、无味、无压力、无污染、使用无需烟道、无残留物等特点。2）热效性-在醇基液体燃料的辅助成分中，除了一些稳定燃料性能的添加剂外，最主要的是添加高热值的烃类，以便提高醇基液体燃料的燃烧热，并且醇基液体燃料能完全燃烧，其汽化潜热是汽油的3倍左右。3）经济性-目前醇基液体燃料综合市场价格约为4000元/吨，有很大的价格优势。随着高温气化合成技术的完善，以及低温低压法和液相法生产燃料技术日臻完善，其工艺流程将得到简化，燃料的生产成本还会逐渐降低。4）实用性-与液化石油气、煤油、柴油等相比，醇基液体燃料价格较低，对空气污染轻；与煤炭、柴草等固体燃料相比，可明显减轻环境污染，并且储运方便；与天然气相比，不需要昂贵的管道输送系统。5）安全性-环保醇基水性燃料对人体无毒，储存方便(铁桶、塑胶桶均可存放)，具有较高的抗爆性能，燃点也较高，不容易发生火灾事故，闪点为20，用水即灭，比使用石油类燃料、天然气燃料及城市燃气类燃料安全。醇基液体燃料目前大部分在机关学校食堂、饭店、宾馆等饮食业的中餐炒灶和蒸箱灶燃用，其简单快捷的使用方法为消费者提供方便，成为了天然气、石油液化气的有益补充，醇基液体燃料显示了良好的发展前景。四、合成气制二甲醚二甲醚，又称木醚、甲醚、氧二甲，简称DME，在常温常压下为无色有醚味的可燃气体，具有一般醚类的性质，毒性很弱。二甲醚是一种用途广泛的化工产品，主要作为冷冻剂、溶剂、萃取剂、气雾剂的抛射剂和特种燃料。二甲醚的热值约为64686kJm-3，低压下二甲醚为液体，其性质与液化气相似，而且二甲醚自身含氧，不析碳、无残液，对环境污染小，是一种理想的清洁燃料。用二甲醚作为汽油添加剂比其他醚类化合物具有更高的O/CH值，由于二甲醚的含氧量高，可以使汽油燃烧更完全，在某种程度上可以提高汽油的汽化效率，降低汽油的凝固点。另外，二甲醚的物性与液化石油气相似，可代替液化石油气作民用洁净燃料。总之，二甲醚在21世纪有非常广阔的应用前景，在减轻污染、改善地球的生态环境以及生产石化产品方面发挥着重要作用。二甲醚的制备主要有甲醇尾气提取二甲醚、液相法甲醇脱水制二甲醚、气相甲醇脱水制二甲醚以及合成气直接合成二甲醚四种方法。但由于甲醇脱水生产的二甲醚，其成本与价格明显高于甲醇，因此由合成气直接合成二甲醚是二甲醚生产技术的重要发展动向。合成气直接合成二甲醚，是将水煤气变换反应、合成甲醇反应、甲醇脱水反应等三步反应合为一步，一步法又可分为两相法和三相法。两相法又称气相法，合成气在固体催化剂表面进行反应，且须使用富氢合成气为原料气，其优点是具有较高的CO转化率，但由于二甲醚合成反应是强放热反应，反应所产生的热量无法及时移走，致使催化剂床层易产生热点，进而导致催化剂铜晶粒长大，催化剂性能下降。三相法又称液相法，是合成气扩散到悬浮于惰性溶剂中的催化剂表面进行反应，可利用贫氢合成气作为原料气。由于惰性介质的存在，使反应器具有良好的传热性能，反应可在恒温下进行。反应过程中气-液-固三相的接触，有利于反应速度和时空产率的提高。五、合成甲基叔丁基醚工艺甲基叔丁基醚（简称MTBE），它的生产工艺十分简单，只包括醚化反应和反应后的物料处理两个阶段。在室温下它是一种无色透明、低黏度的液体，具有同萜烯相似的特殊气体，可沿地面扩散，它与强氧化剂共存时可以燃烧。由于MTBE有很高的净辛烷值，而且对于直馏汽油、烷基化汽油、催化裂化汽油、催化重整汽油等各种汽油有着良好的调和效应，有较高和辛烷值，在汽油中加入有增加汽油辛烷值，限制四乙基铅的作用。因此，作为无铅汽油添加剂的MTBE，在当今社会有更深远的意义。合成MTBE生产工艺主要是醚化工艺，根据醚化反应器的不同，MTBE合成技术存在以下几种具体形式：1）固定床反应技术-采用下流式固定床反应器，在70100液相，甲醇与异丁烯在强酸阳离子交换树脂的作用下，反应生成MTBE。该技术采用外循环取热方式来控制，用冷却水在反应器外移走反应热，用分馏塔分离产物MTBE和甲醇以及剩余的碳四馏分。2）膨胀床反应技术-采用上流式膨胀床反应器，在生产过程中，反应原料自下而上经膨胀床反应器催化剂床层。达到一定值后，催化剂床层便开始膨胀，由于催化剂床层受到轻微的扰动，有利于提高催化剂的活性，加快反应床层的传热过程，有利于反应的进行和反应热的扩散，使床层温度分布均匀，不存在局部热点。3）混相反应蒸馏技术-将混相反应与分离相结合，融合了混相反应技术和催化蒸馏技术的优点，具有国际先进水平。目前，主要有化工型和炼油型两种。4）催化蒸馏反应技术-在催化蒸馏塔中，进行MTBE的合成与产物的分离，这两个过程同时进行。反应放出的热直接用来分馏，既减少了外部冷却装置又控制了反应的温度，防止了反应器热点超温现象，有效的降低了能耗，节省了投资。MTBE作为汽油的辛烷值改进剂，虽然可以促进清洁燃烧，减少汽车有害物排放污染。但是，MTBE极易溶解于水，主要由于地下和地上汽油贮罐的泄漏，美国在地下饮用水体中越来越多地发现了MTBE，从而开始禁用MTBE。对此，我国对继续扩建和新建MTBE装置也应慎重对待，对MTBE的替代出路进行研究，为规划MTBE的前途做好技术准备。六、结语未来的化工产业应该是以资源节约、环境保护为标志，实施可持续发展的循环经济产业，以碳一资源作为可替代石油资源，是一种低投入、高产出、少污染、可循环的发展机制，碳一资源的开发利用具有重要的战略意义。从技术的先进性和开发现状、产品前景等方面来看，以合成气制取液体燃料这一技术路线还需要加快工业化进程。碳一化工，作为绿色环保的化学工业，还有待进一步研究和发展。参考文献1、应卫勇，曹发海，房鼎业.碳一化工主要产品生产技术M.北京：化学工业出版社，2004.22、曹金荣，张永贵.天然气合成液体燃料研究进展J.节能技术，2005,23（129）：183、令狐文生，刘伟.醇基液体燃料的开发与研究进展J