Сотрудники Тюменского государственного университета (Тюмень) и Института катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН (Новосибирск) предложили технологию переработки побочных продуктов добычи природного газа в метан без дополнительного расхода энергии. Исследователи испытали новый метод в лаборатории, а также с помощью компьютерной модели проверили, как технология будет работать в условиях реальных месторождений, в том числе за полярным кругом.

Новый метод может стать альтернативой традиционному сжиганию газового конденсата, которое причиняет вред окружающей среде из-за выделения токсичных продуктов горения. При этом в технологии используется относительно простое оборудование, которое легко доставить к отдалённым месторождениям Арктики. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Energy.

Газовый конденсат — побочный продукт при добыче природного газа. Он представляет собой смесь жидких углеводородов, например, этана или пропана, пары которых содержатся в добываемом газе. Конденсат — ценное углеводородное сырьё, однако в России почти 70 % его добычи приходится на труднодоступные регионы Арктики, такие как полуостров Ямал, значительно удалённые от мест переработки. Невозможность эффективно использовать или транспортировать этот побочный продукт привела к тому, что его сжигают. Это причиняет значительный ущерб окружающей среде в местах добычи из-за выделения угарного газа, сажи и токсичных продуктов неполного сгорания.

Альтернативой сжиганию может стать переработка газового конденсата с помощью реакции гидрогенолиза. Это обработка водородом, в результате которой тяжёлые углеводородные соединения, из которых состоит газовый конденсат, преобразуются в более лёгкие, стабильные и удобные для транспортировки — например, метан. Это позволяет сократить выброс вредных продуктов горения вблизи месторождений. При этом полученный метан можно закачивать в трубопроводы, что увеличит объём добытого природного газа. Однако подход до сих пор не нашёл практического применения, поскольку требовал сложного дорогого оборудования и большого расхода энергии на предварительный нагрев газовой смеси.

Исследователи предложили перерабатывать газовый конденсат в метан без внешнего нагрева, используя тепло самих химических реакций. Сделать это удалось с помощью ранее разработанных никельсодержащих стекловолокнистых катализаторов. На их основе можно производить картриджи с особой геометрической структурой, за счёт которой они хорошо проводят тепло. Использование таких структурированных картриджей способствует интенсивному теплообмену внутри реактора, благодаря чему для запуска реакции требуется меньше внешней энергии.

Поскольку процесс гидрогенолиза с применением стекловолокнистых катализаторов всё равно требовал предварительного нагрева газового конденсата, учёные усовершенствовали конструкцию реактора, чтобы усилить в нём теплообмен. Так, установка внутренних перегородок помогла снизить температуру запуска реакции до 300 °С, тогда как при обычных условиях этот показатель был выше 400 °С. Наилучшие результаты показала технология, при которой исследователи периодически меняли направление движения реагентов внутри реактора. В этом случае внешняя энергия была необходима только для первоначального запуска оборудования и работы насосов. Далее реакция поддерживалась без дополнительного внешнего нагрева, что позволяло переработать любой объём газового конденсата, поступавший в реактор с температурой окружающей среды.

Чтобы убедиться в том, что новые методы будут хорошо работать в промышленных условиях — при добыче природного газа из месторождений, — учёные применили математическое моделирование. С его помощью специалисты наложили экспериментальные данные на модель промышленного реактора. Это позволило учесть множество факторов, таких как особенности протекания реакций, доставка исходных реагентов к поверхности катализатора и вывод конечного продукта, выделение и перенос тепла внутри реактора, теплообмен между газом и катализатором, а также сложные закономерности движения потоков. Расчёты показали высокую эффективность всех предложенных подходов, при этом наиболее перспективной оказалась технология с периодическим изменением направления потока реакционной смеси в реакторе.

В дальнейшем учёные планируют оптимизировать катализатор, чтобы уменьшить его объём, необходимый для протекания реакции. Исследователи также проработают технологические параметры оборудования для промышленной переработки газового конденсата, чтобы сконструировать опытный образец и испытать его на практике.

«Результаты исследования открывают путь к разработке недорогих, лёгких, компактных и автономных модульных установок для переработки газового конденсата. Такое оборудование можно доставлять на месторождения природного газа, даже расположенные в труднодоступной местности, поскольку технология не требует создания громоздких теплообменников. Выделение тепла при реакции даже может быть избыточным, что позволит использовать его как источник тепловой энергии на производстве, например, для нагрева воды. Наша технология способна снизить техногенную нагрузку на и без того хрупкие экосистемы российского Севера. Кроме того, мы сможем сберечь ценное углеводородное сырьё для его последующего использования», — рассказывает участник исследования, поддержанного грантом РНФ, Андрей Загоруйко, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник ИК СО РАН.

Источник: пресс-служба РНФ.