Ethylene production by oxidative coupling of methane (2014)

Äthylen ist die am meisten produzierte Petrochemie mit ungefähr 140 Millionen Tonnen Jahresproduktion und fast 300 Millionen Tonnen jährlich Kohlendioxid-Emissionen. In den letzten Jahren hat der Rekordpreis von Rohöl – die Herkunft von mehr als 50 % Äthen weltweit ist Naphtha basierend – die Hersteller wie zum Beispiel die in Europa in eine sehr schwierigen Lage gesetzt. Inzwischen werden jedes Jahr 150 Milliarden Kubikmeter Methan wegen Transportschwierigkeiten abgefackelt oder abgelassen und etwa 400 Millionen Tonnen Kohlendioxid emittieren. In dieser Situation scheint Oxydative Kupplung von Methan (OCM), die Reaktion die Methan in Äthylen direkt umwandelt, eine nachhaltige Lösung des kurzfristigen hohen Ölpreises und der langfristige Erhaltung der Umwelt zu sein. Leider ist der OCM Prozess im derzeitigen Stand der Technik noch unzureichend für die industrielle Anwendung. Die meisten Untersuchungen zu diesem Thema haben sich auf die Verbesserung des OCM Reaktors, der zwar ein wichtiger aber nicht alleinbestimmender Teil der Anlage ist, konzentriert. Diese Arbeit zielt auf eine umfassende Entwicklung des ganzen Prozesses, die zusammen mit verfügbaren OCM Reaktoren eine gute Wahl für die kommerzielle Äthylenherstellung sein kann. Die Vielfalt der Äthylen-Anlagen (Naphtha-Cracken, Ethan-Cracken, Kohle-zu-Olefin...) bedeutet, dass es keine allgemeine überlegene Option gibt. Die Suche nach einem Übergang auf OCM zur Äthylenherstellung erfordert einen Vergleich mit anderen Technologien und den Hinweis auf die Bedingung, unter der OCM eine bessere Lösung erzielen kann. OCM wird derzeitig nur kurz in Bewertungen von modernen Äthylen Produktionsalternativen erwähnt, weil es noch keine ausgereifte Technologie ist. Forschungen zu OCM neigen dazu, sich auf diesen Prozess allein aber nicht im Vergleich zu Alternativen zu konzentrieren. Daher bewerten die ersten Kapitel in der vorgelegten Arbeit verschiedene Varianten zur Äthylenherstellung und Methanumwandlung. OCM kann die bestehenden Technologien ergänzen, um in Zukunft zur besseren Nutzung der natürlichen Ressourcen beizutragen. Trotz großer Vorkommen und Reserven von Methan ist OCM noch nicht kommerzialisiert worden, weil die Äthylenherstellung durch diese Technologie teurer als durch andere Alternativen ist. Im zweiten Kapitel werden die Produktionskosten von Äthylen durch OCM als Funktion von Äthylen Ausbeute und Selektivität sowie Rohstoffpreise und Betriebsmedienpreise geschätzt. Die geschätzten Produktionskosten können mit den aktuellen Produktionskosten verglichen werden, um zu entscheiden, ob OCM für eine neue Äthylen-Anlage berücksichtigt werden sollte. Die entwickelt Kostenfunktionen können verwendet werden, um die Empfindlichkeit der Produktionskosten gegen Reaktorleistung, Rohstoff- und Energiepreise zu analysieren. Die Kostenschätzung ergab auch, dass die kryogene Destillation der Hauptkostentreiber ist. Verschiedene Alternativen für die Kryotechnik werden berücksichtigt und ein neues Verfahrensfließbild mit adsorptiver Trennung wurde konzeptioniert und anschließend analysiert. In diesem Kapitel werden auch Lösungen für die Verwendung der Nebenprodukte und des nicht umgewandelten Methans vorgeschlagen. Die Menge dieser Stoffe ist bedeutsam aufgrund des niedrigen Umsatzes und Selektivität des OCM Reaktors. In dem nächsten Kapitel wird der entwickelte Lösungsvorschlag durch Simulation quantitativ detailliert analysiert. Zwei repräsentative Adsorptionsmittel wurden getestet: Zeolith und Aktivkohle. Simulationsergebnisse liefern detaillierte Informationen für die Adsorptionsmittelauswahl, den Prozessbetrieb und führen zu einer Entwicklung eines neuen Verfahrensfließbildes. Der Prozessvorschlag wurde schließlich durch Experimente bestätigt. Das Versuchsergebnis beweist, dass der Vorschlag zusammen mit neuen OCM Reaktoren das Naphtha-Cracken in der Region mit preisgünstiger Erdgasversorgung wirtschaftlich ersetzen kann.