فرمت : Word
تعداد صفحات : 114
مقدمه
مصرف رو به رشد گاز طبیعی در جهان و روند رو به کاهش منابع فسیلی و تجدید ناپذیر در دنیا بیانگر تحولی بزرگ در چگونگی به کارگیری این منابع توسط بشر در سالهای آتی است. بنابراین نیاز است تا با اتخاذ شیوه‌هایی بتوان این منبع عظیم را به دیگر فرآورده‌های هیدروکربنی تبدیل کرد و از این طریق ارزش افزوده آن را افزایش داد. با توجه به منابع عظیم گاز طبیعی موجود در جهان و با توجه به این که بخش عمده گاز طبیعی را متان تشکیل می‌دهد و غیر اقتصادی بودن انتقال این گاز به مراکز مصرف کننده دوردست، تبدیل متان به مواد واسطه پتروشیمی و سوخت‌های مایع از دیر باز از اهمیت بسزایی برخوردار بوده است. گاز طبیعی در آغاز هزاره سوم، دومین منبع انرژی ارزان موجود در جهان بوده و فراوانی و در دسترس بودن نسبی این گاز دلایل متقاعد کننده‌ای برای گسترش تحقیقات پیرامون این منبع می‌باشد.
متان با انرژی پیوندی معادل kcal/mol 105 برآیند C–H یکی از پایدارترین آلکان‌ها به حساب می‌آ‌ید. از آنجا که پیش‌بینی میشود متان منبع اصلی مواد شیمیایی آینده را تشکیل دهد، با وجود پایداری این مولکول، پژوهش‌های بسیاری برای وارد کردن این مولکول در واکنش‌ها صورت گرفته است.
تحقیقات گسترده‌ای در طی دو دهه اخیر بر روی روش‌های تبدیل مستقیم متان به اتیلن، اتان، فرمالدئید، متانول و ... انجام گرفته است. تبدیل متان به سایر مواد شیمیایی به دو روش کلی مستقیم و غیر مستقیم انجام میشود.
در روش غیر مستقیم ابتدا با استفاده از واکنش‌های رفرمینگ، متان با آب در دماهای بالا واکنش داده و به هیدروژن و منواکسید کربن تبدیل میشود. سپس این مخلوط به متانول یا سایر هیدروکربن‌های مایع تبدیل می‌گردد. در روش مستقیم محصولات حد واسط وجود نداشته و واکنش مستقیماً به تولید محصولات مورد نظر می‌انجامد.
برتری روش تبدیل غیر‌مستقیم به سوخت، عاری بودن محصولات آن از مواد رنگی، آلاینده و بدبو می‌باشد. گرچه این روش از نظر اقتصادی در سطح جهانی و به خصوص در مناطق نفت‌خیز توسعه زیادی نیافته است، اما پس از گذشت 80 سال هنوز هم فرآیند فیشر- تروپش یکی از مهمترین پروژه‌های تحقیقاتی در زمینه تبدیل غیر مستقیم متان به سوخت مایع می‌باشد وتلاشهای بسیاری در جهت تولید کاتالیزورهایی با بازده و طول عمر بالاتر صورت می‌گیرد تا این فرآیند تا حد امکان اقتصادی‌تر گردد.
روش جا افتاده و معمول، تبدیل متان با بخار آب است که گاز سنتز (مخلوط گازی CO و H2 ) را به وجود می‌آورد، پس از آن با هیدروژن‌دار کردن CO، متانول تشکیل میشود:
که متانول خود می‌تواند ماده اولیه برای تولید دیگر محصولات شیمیایی دیگر باشد. هم چنین در فرآیند فیشر-تروپش، از طریق بسپارش کاهشی منواکسید کربن و هیدروژن، هیدروکربن‌های خطی، اولفین‌های مختلف و الکل‌ها، تولید می‌گردند. در روش‌های مذکور، ابتدا متان به گاز سنتز تبدیل میشود و پس از آن طی فرآیند‌های فوق به محصولات سوختی مایع تبدیل میشود و به همین دلیل این روشها گران هستند، لذا فرآیند تبدیل مستقیم متان بیشتر مورد توجه دانشمندان قرار گرفته است.
در روش زوج شدن اکسایشی متان (OCM)[1]، متان با اکسیژن در حضور کاتالیزور به اتان، اتیلن، منواکسید کربن و دی‌اکسید کربن و آب تبدیل میشود. مانع اصلی در توسعه فن‌آوری OCM، بازدهی و گزینش‌پذیری پایین محصولات C2+ می‌باشد. با توجه به دمای بالای مورد نیاز (بیش از °C800) برای انجام واکنش OCM، دستیابی به روشی که این واکنش را در دماهای پایین‌تر و گزینش‌پذیری و بازدهی بالاتری میسر سازد، سبب اقتصادی نمودن این روش نسبت به تبدیل متان بر پایه گاز سنتز خواهد گردید.
1-2- زوج شدن اکسایشی متان
اتیلن محصول با ارزشی است که به عنوان مادر مواد پلیمری شناخته شده است. در حال حاضر این ماده با ارزش از طریق کراکینگ اتان، گازهای نفتی دیگر و یا نفتا تهیه میشود. این فرآیند‌ها گرماگیر هستند و به انرژی زیادی نیاز دارند در حالی که فرآیند تهیه اتیلن از متان (گاز طبیعی) از طریق زوج شدن اکسایشی متان (OCM) فرآیندی گرمازاست. به این ترتیب، علاوه بر این که از نظر انرژی کارایی بیشتری دارد، امکان استفاده از گاز طبیعی به عنوان منبعی برای تهیه ترکیبات شیمیایی با ارزش‌تر را نیز افزایش می‌دهد، همچنین متانول و اتیلن را می‌توان به سوخت مایع تبدیل کرد.
به این ترتیب با توجه به منابع عظیم شناخته شده گاز طبیعی در جهان که بالغ برm3 1014×35/1 گزارش شده است [1] و با توجه به مطالب ذکر شده در بالا، تبدیل مستقیم متان به هیدروکربن‌های با ارزش‌تر اهمیت ویژهای دارد. در این میان اتیلن، متانول و گاز سنتز جایگاه ویژهای دارند. این ترکیبات از طریق اکسایش جزئی بدست می‌آیند و از زمینه‌های تحقیقاتی مربوط به گاز طبیعی هستند.
کاتالیستهای مناسب برای OCM معمولاً از دسته اکسیدهای فلزی یا مخلوط آنها هستند. نقش اولیه کاتالیست در واکنش OCM فراهم ساختن مسیر واکنشی است که در آن جدا ساختن یک هیدروژن از متان از طریق گونه‌های فعال اکسیژن سطحی تسهیل شده و درعین حال از واکنش‌های اکسیداسیون کامل جلوگیری شود. به همین دلیل کاتالیست باید قادر به تبدیل سریع اکسیژن فاز گاز به گونه‌های گزینش‌پذیر آن باشد تا واکنش‌های جنبی اکسیژن فاز گاز با هیدروکربن‌های C2 و رادیکالهای متیل که منجر به اکسیداسیون کامل آنها می‌گردد، کاهش یابند.
بررسی فعالیت و انتخاب‌پذیری کاتالیستهای اکسایشی- کاهشی (Redox) در فرآیند زوج شدن اکسایشی متان در راکتور بستر سیال
