تحويل الغاز إلى سوائل

تحويل الغاز إلى سوائل ( GTL ) هو عملية تكرير لتحويل الغاز الطبيعي أو غيره من الهيدروكربونات الغازية إلى هيدروكربونات ذات سلاسل أطول، مثل البنزين أو وقود الديزل . تُحوّل الغازات الغنية بالميثان إلى وقود اصطناعي سائل . توجد استراتيجيتان رئيسيتان: (1) الاحتراق الجزئي المباشر للميثان لإنتاج الميثانول ، و(2) عمليات شبيهة بعملية فيشر-تروبش لتحويل أول أكسيد الكربون والهيدروجين إلى هيدروكربونات. تتبع الاستراتيجية الثانية طرق متنوعة لتحويل مخاليط الهيدروجين وأول أكسيد الكربون إلى سوائل. وقد تم إثبات الاحتراق الجزئي المباشر في الطبيعة، لكن لم يتم تطبيقه تجاريًا. وقد تم تسويق التقنيات التي تعتمد على الاحتراق الجزئي بشكل رئيسي في المناطق التي يكون فيها الغاز الطبيعي رخيصًا. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

يكمن الدافع وراء تقنية تحويل الغاز إلى سوائل في إنتاج وقود سائل، يسهل نقله أكثر من الميثان. يجب تبريد الميثان إلى ما دون درجة حرارته الحرجة البالغة -82.3  درجة مئوية حتى يُسال تحت الضغط. وبسبب أجهزة التبريد المصاحبة، تُستخدم ناقلات الغاز الطبيعي المسال لنقله. يُعد الميثانول سائلاً قابلاً للاحتراق سهل التداول، لكن كثافة طاقته نصف كثافة طاقة البنزين. ^{[ 3 ]}

يمكن إنشاء عملية تحويل الغاز إلى سائل (GtL) عبر عملية فيشر-تروبش، التي تتضمن عدة تفاعلات كيميائية تحول خليطًا من أول أكسيد الكربون (CO) والهيدروجين (H₂ _{) إلى} هيدروكربونات طويلة السلسلة. عادةً ما تكون هذه الهيدروكربونات سائلة أو شبه سائلة ، ومن _{الناحية المثالية} تكون صيغتها الكيميائية (CₙH₂ₙ₊₂ ₎ .

للحصول على مزيج أول أكسيد الكربون والهيدروجين _اللازم لعملية فيشر-تروبش، يُمكن إخضاع الميثان (المكون الرئيسي للغاز الطبيعي) لأكسدة جزئية، مما ينتج عنه مزيج غاز التخليق الخام الذي يتكون في معظمه من ثاني أكسيد الكربون ، وأول أكسيد الكربون ، وغاز الهيدروجين (وأحيانًا الماء والنيتروجين). ^{[ 4 ]} يُمكن ضبط نسبة أول أكسيد الكربون إلى الهيدروجين في مزيج غاز التخليق الخام، على سبيل المثال، باستخدام تفاعل تحويل غاز الماء . يؤدي إزالة الشوائب، وخاصة النيتروجين وثاني أكسيد الكربون والماء، من مزيج غاز التخليق الخام إلى الحصول على غاز التخليق النقي (الغاز التخليقي).

يتم توجيه الغاز التخليقي النقي إلى عملية فيشر-تروبش، حيث يتفاعل الغاز التخليقي فوق عامل حفاز من الحديد أو الكوبالت لإنتاج الهيدروكربونات الاصطناعية، بما في ذلك الكحولات.

يتم إنتاج الميثانول من الميثان (الغاز الطبيعي) في سلسلة من ثلاثة تفاعلات:

إعادة تشكيل البخار

CH ₄ + H ₂ O → CO + 3 H ₂  Δ _r H = +206 كيلوجول مول ⁻¹

تفاعل تحول الماء

CO + H ₂ O → CO ₂ + H ₂  Δ _r H = −41 كيلوجول مول ⁻¹

توليف

2 H ₂ + CO → CH ₃ OH  Δ _r H = −92 كيلوجول مول ⁻¹

يمكن تحويل الميثانول المتكون بهذه الطريقة إلى بنزين من خلال عملية موبيل وعملية تحويل الميثانول إلى أوليفينات.

تحويل الميثانول إلى بنزين (MTG) وتحويل الميثانول إلى أوليفينات

في أوائل سبعينيات القرن العشرين، طورت شركة موبيل إجراءً بديلاً يتم فيه تحويل الغاز الطبيعي إلى غاز اصطناعي، ثم إلى ميثانول . يتفاعل الميثانول بوجود عامل حفاز من الزيوليت لتكوين مركبات مختلفة. في الخطوة الأولى، يُجفف الميثانول جزئيًا لإنتاج ثنائي ميثيل الإيثر .

2 CH ₃ أوه → CH ₃ OCH ₃ + H ₂ O

يُجفف مزيج ثنائي ميثيل الإيثر والميثانول باستخدام محفز الزيوليت مثل ZSM-5 ، ثم يُبلمر ويُهدرج عمليًا لإنتاج بنزين يحتوي على هيدروكربونات مكونة من خمس ذرات كربون أو أكثر، تشكل 80% من وزن الوقود. تُطبق عملية موبيل MTG في الصين باستخدام الميثانول المستخرج من الفحم بواسطة شركة JAMG . ومن التطبيقات الحديثة لعملية MTG تقنية توبسو لتحسين تخليق البنزين (TiGAS). ^{[ 5 ]}

يمكن تحويل الميثانول إلى الأوليفينات باستخدام الزيوليت والمحفزات غير المتجانسة القائمة على SAPO . وبحسب حجم مسام المحفز، يمكن أن ينتج عن هذه العملية منتجات C2 أو C3، وهي مونومرات مهمة. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تُستخدم تقنية تحويل الميثانول إلى الأوليفينات على نطاق واسع في الصين لإنتاج البلاستيك من تغويز الفحم. كما تُناقش هذه التقنية كطريقة لإنتاج البلاستيك الخالي من الوقود الأحفوري في المستقبل. ^{[ 8 ]}

عملية تحويل الغاز التخليقي إلى بنزين بالإضافة إلى عملية (STG+)

تعتمد عملية ثالثة لتحويل الغاز إلى سوائل على تقنية MTG من خلال تحويل الغاز التخليقي المشتق من الغاز الطبيعي إلى بنزين ووقود طائرات جاهز للاستخدام عبر عملية كيميائية حرارية أحادية الحلقة. ^{[ 9 ]}

تتبع عملية STG+ أربع خطوات رئيسية في حلقة معالجة مستمرة واحدة. تتكون هذه العملية من أربعة مفاعلات ذات طبقة ثابتة متصلة على التوالي، حيث يتم تحويل الغاز التخليقي إلى وقود اصطناعي. فيما يلي خطوات إنتاج بنزين اصطناعي عالي الأوكتان: ^{[ 10 ]}

1. عملية تصنيع الميثانول : يتم تغذية الغاز التخليقي إلى المفاعل 1، وهو أول مفاعل من بين أربعة مفاعلات، والذي يحول معظم الغاز التخليقي (CO و H2) إلى ميثانول (CH3OH ₎ عند مروره عبر _طبقة المحفز .
2. تخليق ثنائي ميثيل الإيثر (DME): يُغذى الغاز الغني بالميثانول من المفاعل 1 إلى المفاعل 2، وهو المفاعل الثاني من سلسلة STG+. يُعرَّض الميثانول لعامل حفاز ، ويُجفف جزء كبير منه ليتحول إلى ثنائي ميثيل _{الإيثر (} CH3OCH3 ) .
3. تخليق البنزين: يتم تغذية غاز المنتج من المفاعل 2 بعد ذلك إلى المفاعل 3، وهو المفاعل الثالث الذي يحتوي على المحفز لتحويل ثنائي ميثيل الإيثر إلى هيدروكربونات بما في ذلك البارافينات ( الألكانات )، والمركبات العطرية ، والنفثينات ( الألكانات الحلقية ) وكميات صغيرة من الأوليفينات ( الألكينات ) _، ومعظمها من C6 (عدد ذرات الكربون في جزيء الهيدروكربون) إلى C10 _.
4. معالجة البنزين: يوفر المفاعل الرابع معالجةً بالتبادل الألكيلي والهدرجة للمنتجات القادمة من المفاعل الثالث. تقلل هذه المعالجة من مركبات الديورين (رباعي ميثيل البنزين)/أيزوديورين وثلاثي ميثيل البنزين، وهي مركبات ذات نقاط تجمد عالية، ويجب تقليلها إلى أدنى حد في البنزين. ونتيجةً لذلك، يتميز منتج البنزين الاصطناعي برقم أوكتان عالٍ وخصائص لزوجة مرغوبة.
5. الفاصل: في النهاية، يُكثّف المزيج الخارج من المفاعل 4 للحصول على البنزين. يُفصل الغاز غير المكثف والبنزين في مكثف/فاصل تقليدي. يُعاد تدوير معظم الغاز غير المكثف الخارج من فاصل المنتج، ويُعاد إلى تيار التغذية للمفاعل 1، تاركًا منتج البنزين الاصطناعي المكون من البارافينات والمركبات العطرية والنفثينات.

بما أن الميثان هو الهدف الرئيسي لعملية تحويل الغاز إلى سوائل، فقد انصبّ اهتمام كبير على الإنزيمات الثلاثة التي تعالج الميثان. تدعم هذه الإنزيمات وجود الميثانوترافات ، وهي كائنات دقيقة تستقلب الميثان كمصدر وحيد للكربون والطاقة. تحتوي الميثانوترافات الهوائية على إنزيمات تُؤكسد الميثان إلى ميثانول. هذه الإنزيمات هي أحادي أوكسيجيناز الميثان ، والتي توجد بنوعين: ذائب وجزيئي (أي مرتبط بالغشاء). تحفز هذه الإنزيمات عملية الأكسجة وفقًا للنسبة المولية التالية:

CH₄ ₊ O₂ ₊ NADPH + ^H⁺ → _CH₃OH + _H₂O + ^NAD⁺

تعتمد البكتيريا اللاهوائية المُنتجة للميثان على التحويل الحيوي للميثان باستخدام إنزيمات تُسمى مختزلات ميثيل-كوإنزيم م . تُجري هذه الكائنات عملية إنتاج الميثان العكسية . وقد بُذلت جهودٌ حثيثة لتوضيح آليات عمل هذه الإنزيمات المُحولة للميثان، مما يُتيح محاكاة عملية التحفيز هذه في المختبر. ^{[ 11 ]}

يمكن إنتاج الديزل الحيوي من _ثاني أكسيد الكربون باستخدام الميكروبات Moorella thermoacetica و Yarrowia lipolytica . تُعرف هذه العملية باسم تحويل الغاز إلى سوائل بيولوجيًا. ^{[ 12 ]}

باستخدام عمليات تحويل الغاز إلى سوائل، تستطيع مصافي النفط تحويل بعض نفاياتها الغازية ( غاز الاحتراق ) إلى زيوت وقود قيّمة ، يمكن بيعها كما هي أو مزجها مع وقود الديزل فقط . ويُقدّر البنك الدولي أن أكثر من 150 مليار متر مكعب (5.3 × 10 ^ ^{12 قدم} مكعب ) من الغاز الطبيعي تُحرق أو تُهدر سنويًا، بقيمة تُقارب 30.6 مليار دولار أمريكي، أي ما يُعادل 25% من استهلاك الولايات المتحدة من الغاز أو 30% من استهلاك الاتحاد الأوروبي السنوي من الغاز، ^{[ 13 ]} وهو مورد يُمكن استغلاله باستخدام تقنية تحويل الغاز إلى سوائل. كما يُمكن استخدام عمليات تحويل الغاز إلى سوائل لاستخراج الغاز اقتصاديًا من مكامنه في المواقع التي لا يُجدي فيها إنشاء خط أنابيب. وستزداد أهمية هذه العملية مع نضوب موارد النفط الخام .    

تُنتج شركة رويال داتش شل وقود الديزل من الغاز الطبيعي في مصنع بمدينة بينتولو في ماليزيا . كما تُعدّ محطة بيرل لتحويل الغاز إلى سوائل في قطر ، أكبر محطة من نوعها في العالم، من إنتاج شركة شل. ^{[ 14 ] [ 15 ]} وقد أنشأت شركة ساسول مؤخرًا محطة أوريكس لتحويل الغاز إلى سوائل في مدينة رأس لفان الصناعية في قطر، كما تُنشئ بالتعاون مع شركتي أوزبك نفط غاز وبتروناس محطة أوزبكستان لتحويل الغاز إلى سوائل . [ ^{16 ] [ 17 ] [ 18 ] وتقوم} شركة شيفرون ، في مشروع مشترك مع المؤسسة الوطنية النيجيرية للبترول، بتشغيل محطة إسكرافوس لتحويل الغاز إلى سوائل في نيجيريا ، والتي تستخدم تقنية ساسول. وتمتلك شركة بتروسا ، شركة النفط الوطنية في جنوب إفريقيا، وتُشغّل محطة لتحويل الغاز إلى سوائل في موسيل باي بطاقة إنتاجية تبلغ 22,000 برميل يوميًا ، باستخدام تقنية ساسول. ^{[ 19 ]}

يُعدّ تحويل الغاز إلى سوائل (GTL) باستخدام الغاز الطبيعي أكثر اقتصاديةً عندما يكون هناك فارق كبير بين سعر الغاز الطبيعي السائد وسعر النفط الخام على أساس برميل مكافئ نفطي (BOE). ويؤدي معامل 0.1724 إلى تكافؤ كامل لأسعار النفط . ^{[ 30 ]} يُعدّ تحويل الغاز إلى سوائل آليةً لخفض الأسعار العالمية للديزل/البنزين/النفط الخام لتكون مساويةً لسعر الغاز الطبيعي في ظلّ تزايد إنتاج الغاز الطبيعي عالميًا، وبسعر أقل من سعر النفط الخام. عند تحويل الغاز الطبيعي إلى سوائل، يصبح تصدير المنتجات السائلة أسهل وبسعر أقل من تحويلها إلى غاز طبيعي مسال (LNG) ثمّ تحويلها لاحقًا إلى منتجات سائلة في بلد مستورد. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

ومع ذلك، فإن إنتاج وقود GTL أكثر تكلفة بكثير من إنتاج أنواع الوقود التقليدية. ^{[ 33 ]}

• تحويل الكتلة الحيوية إلى سائل
• وقود محايد للكربون
• تحويل الفحم إلى سائل

• بوغارد، بي جيه، كاريلو، جيه سي، روبرتس، إل جي، وويل، جي إف (2017) الخصائص السمية والبيئية لمنتجات تحويل الغاز إلى سائل (GTL) . 1. علم السموم لدى الثدييات. مراجعات نقدية في علم السموم، 47(2)، 121-144.