Как производят метиловый спирт: от природного газа до химически чистого продукта

Метиловый спирт, или метанол, производят из природного газа путём каталитического синтеза: сначала газ превращают в синтез-газ (смесь водорода и оксида углерода), а затем над медно-цинковым катализатором при давлении 50–100 атмосфер и температуре 220–280 градусов Цельсия получают жидкий метанол. Мировое производство превышает 100 миллионов тонн в год, Россия входит в число крупнейших производителей и экспортёров этого химического сырья.

Сырьё и подготовка: откуда берётся синтез-газ

Основное сырьё современного производства метанола — природный газ, главным образом метан. Реже используют уголь (через газификацию) или биомассу, однако эти маршруты дороже. На первой стадии природный газ проходит очистку от серосодержащих примесей: сера необратимо отравляет катализаторы последующих стадий, поэтому её содержание снижают до долей миллиграмма на кубометр. Очистку ведут адсорбцией на оксиде цинка или гидрогенизацией с последующей хемосорбцией.

После очистки газ поступает в реформер — высокотемпературный трубчатый реактор, где при 800–900 градусах Цельсия и давлении 15–40 атмосфер в присутствии никелевого катализатора метан реагирует с водяным паром. Реакция называется паровым риформингом: один моль метана плюс один моль воды дают один моль оксида углерода и три моля водорода. На выходе получают синтез-газ с соотношением водорода к оксиду углерода около 3:1. Часть CO дополнительно конвертируют водяным паром в CO2 и водород, корректируя состав газа под требования синтеза.

Синтез метанола: реактор и катализатор

Синтез метанола ведут в трубчатых или квенч-реакторах. Российские заводы, работающие по лицензиям ведущих инжиниринговых компаний, чаще используют многоступенчатые реакторы с промежуточным охлаждением: реакция экзотермична, и без отвода тепла температура быстро выходит за оптимальный диапазон.

Катализатор — медь, нанесённая на оксид цинка и оксид алюминия. Медь активирует молекулы водорода, цинк стабилизирует структуру, алюминий обеспечивает механическую прочность гранул. Срок службы катализатора составляет 3–5 лет, после чего его заменяют. Отработанный катализатор идёт на переработку для извлечения меди.

Реакция синтеза протекает при давлении 50–100 атмосфер. Выход метанола за один проход через реактор составляет 15–25 процентов от теоретически возможного, поэтому непрореагировавший синтез-газ возвращают на рецикл. Итоговая конверсия по циклу достигает 99 процентов.

Дистилляция и получение товарного продукта

С реактора выходит «сырой» метанол: смесь метанола, воды, этанола и следов высших спиртов. Эту смесь направляют на многоступенчатую дистилляцию. На первой колонне отделяют лёгкие примеси и растворённые газы. На второй и третьей колоннах разделяют метанол и воду, попутно удаляя этанол и сивушные масла.

Товарный метанол выпускают двух марок по ГОСТ 2222-95: марка А (чистота не менее 99,85 процента) идёт в химический синтез, марка Б (99,5 процента) используется как топливная добавка и растворитель. Готовый продукт хранят в наземных стальных резервуарах с плавающей крышей, снижающей испарение, и отгружают железнодорожными цистернами или танкерами.

Применение и значение для промышленности

Около 40 процентов мирового метанола расходует химическая промышленность: из него синтезируют формальдегид (сырьё для смол и пластиков), уксусную кислоту, диметиловый эфир и метил-трет-бутиловый эфир для моторного топлива. Ещё 20 процентов идёт на прямое смешение с бензином и производство биодизеля.

Метанол активно рассматривается как морское топливо: его теплота сгорания ниже, чем у дизеля, но он значительно чище с точки зрения выбросов оксидов серы и азота. Ряд российских химических предприятий ведёт технологическую модернизацию с прицелом на экспорт метанола в порты, где уже действуют ограничения по выбросам для судового топлива. Таким образом, производство метанола из природного газа остаётся одним из ключевых переделов в цепочке создания стоимости газохимической отрасли.