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化学家测验将页岩气转变成许多化工原料1

发布时间:2017-11-06 浏览:

  当“无畏号”在挪威弗里耶尔峡湾蓝宝石色的海面上慢慢行进时,陪护的拖船向天空喷发着水流,以“通报”它的到来。在甲板下的巨大低温贮罐中,这艘船舶运载了27500立方米液态乙烷——足以填满11个奥运会游泳池。“无畏号”还带来了一条消息,那就是其船身一侧涂着的巨大大写字母——“页岩气会带来革新”。

  “无畏号”在2016年3月的到来完成了页岩气从美国到欧洲的初次船舶运送,而且标志着一个新式商业范畴的敞开。在此之后,更多的长达180米的巨型船舶连续起航,在大西洋上形成了运送乙烷的“虚拟管道”。这种经过对页岩沉积物进行水力压裂并从地下抽取的气体,并不是为了向发电站或家用炉灶供给燃料。相反,它将被转换成制作包含塑料、衣服、黏合剂和药物在内的许多产品所需的化学基本成分。

  “无畏号”的飞行充沛证明了美国的页岩气正在以十分低价的价格重塑化学职业而且改动着许多制作品的来历。几十年来,这个职业的原材料首要来自原油。化工厂将原油中的长碳氢化合物分子分化,以发生各种较小分子的“大杂烩”,比方乙烯、丙烯和苯。而它们都是聚合物的重要质料。

  但是,首要由甲烷、乙烷和丙烷构成的页岩气正在改动这一途径。它的储量是如此的丰厚,以至于将这些分子的本钱大大下降。其间一些正在替代大的碳氢化合物,成为工业组成首选的原材料。

  乙烷革新

  虽然乙烷只占页岩气的一小部分,但迄今为止它对化学工业发生了最大影响。这是因为化学家能很简略有利地势用它出产乙烯。乙烯被用于制作各种聚乙烯,而且是比方聚氯乙烯、聚苯乙烯等其他塑料的前体。全世界对这些塑料的需求是如此“贪婪”,以至于化学工业每年出产约1.5亿吨乙烯——远超任何一种化学质料。

  化学工业的大多数进程要用到催化剂。不过,乙烯可经过蒸汽裂解乙烷或许较大碳氢化合物被轻松出产出来。在上世纪20年代被初次提出的蒸汽裂解法是一个简略但耗费许多动力的进程。它只需要一些水和850℃的温度。“你要做的基本上就是给它加热。”总部坐落纽约的IHS Markit公司职业分析师Jeffrey Plotkin介绍说,“整个流程的中心是一个巨大的炉子。一切化学反响都在这里边进行。”

  使用页岩气出产乙烷职业的昌盛,驱动化学工业出资近450亿美元用于扩展蒸汽裂解才能。不过,向这种质料的改变也带来了一件令人头疼的工作。当蒸汽裂解设备被填充上来自原油的长碳氢化合物的混合物时,它们会发生许多有用的副产品。但是,当它们使用乙烷作为质料时,产品简直全部是乙烯。“因而,其他化工质料就会缺少。”Weckhuysen表明。

  其间一种质料是丙烯。它是化学工业仅次于乙烯的第二种最重要的产品。丙烯被改变成聚丙烯—— 一种被用于包装和纺织业的塑料,以及比方丙烯酸等其他聚合物成分。不过,一项估测显现,美国蒸汽裂解设备发生的丙烯在2005~2014年下降了近一半,虽然全球需求不断上升。

  为对立这种缺少,化学工业正在寻觅其他办法出产丙烯。其间一条干流道路从页岩气组分——丙烷开端。加热和催化剂的结合可将两个氢原子移除,从而将丙烷改变成丙烯。

  甲烷的问题

  费—托法(FT)使用钴或许铁催化剂以及热量发生碳原子拓扑链产品。FT由德国科学家在上世纪20年代提出,被用于制作石油和其他一系列以来自煤的组成气为质料发生的碳氢化合物。

  一般,和提炼石油比较,使用这种办法发生运送燃料的本钱相对较高。全球仅有6座大型FT工厂,而且仅仅因为得益于其附近大型煤矿或许天然气田以及本身令人难以置信的规划才有经济价值。全球最大的FT工厂坐落卡塔尔,光缔造本钱便高达190亿美元,一起每天要耗费4500万立方米甲烷——相当于比利时的天然气耗费量。

  不过,页岩气职业的昌盛促进化学工程师从头审视FT进程。因为页岩气井一般无法发生满足的天然气来支撑传统的FT工厂,因而研讨团队和公司开发了能处理适量气体活动的较小反响炉。其间一家工厂是坐落得克萨斯州___市的Velocys公司。它开宣布可将组成气改变成比方石脑油、柴油、蜡等物质的5米长反响炉。该公司的反响炉技能被用在坐落俄克拉荷马市的美国首座商用微型FT工厂中。这座由ENVIA动力公司所属的工厂在今年年初开端出产。

  关于FT进程来说,温度操控是一大应战:反响在约180℃下进行,随后会发生许多热量。如果未得到精确操控,反响便会失控,从而将碳原子改变成无用的油烟。为处理这一问题,Velocys公司的反响炉含有一层填满了催化剂或许水的波纹状通道。这使得反响在200℃下安稳进行,因而反响炉可在没有失控反响危险的情况下高效使用催化剂。“它能让你在一个很小的空间内进行许多反响。”Velocys公司商务拓宽总监Neville Hargreaves表明。

  愈加绿色的气体

  页岩气职业的昌盛被以为促成了美国化学工业的再次复兴。该国化学工业在化工厂和其他基础设施以及研发上投入巨资。对页岩气挖掘使用技能晋级换代的巨大爱好造就了学术界和产业界之间的多项重要协作。

  将试验室效果转化为商业产品是一项持续性的应战,虽然向开发小型、模块化反响炉改变的趋势正在让这一应战变得没有那么艰巨。化学工业以保存著称:如果一个进程在试验室里成功了但在工业规划上失利,数吨催化剂可能被糟蹋,一起工厂会被关停数月。“工业界不会冒这种危险,除非它们断定某个进程是行得通的。”Weckhuysen表明。

  虽然存在许多应战,Weckhuysen仍对页岩气晋级将发生巨大影响持乐观态度——不仅对化学工业的流程,还会对环境脚印带来影响。Velocys公司发现,一些正在开发的以页岩气为质料的反响炉技能经过改造,可使用生物质料,比方来自废物填埋场的甲烷。与此一起,转向页岩气发生的一些化合物的缺少,会推进化学工业改变出产方式,比方使用作物出产乙醇或许使用木材出产木质素。这一切已经在发生了。例如,2013年,法国轮胎制作商米其林和协作者发动一项耗资5200万欧元的项目,出产来自生物乙醇的丁二烯。

  不过,就现在来说,美国的页岩气甲烷还在源源不断地进入世界各地。更多的化学公司正在用船舶将页岩气运送到坐落欧洲、巴西和印度的目的地。一项估测显现,到2022年,每年将有约800万吨乙烷流经这些虚拟管道。它们将把这场美国化学工业正在阅历的革新携带至全球其他地方——既带来了应战,也发明了机会。(宗华编译)

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