Высокотемпературная конверсия метана

Метан (лат. Methanum) — простейший углеводород, бесцветный газ без запаха, химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты со специфическим «запахом газа». Сам по себе метан не токсичен и не опасен для здоровья человека. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха.

Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов, наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al2O3 при 800—900°C или без катализатора при 1400—1600°C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Основной компонент природных (77—99%), попутных нефтяных (31—90%), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно. Получается также при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Получение

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

2NaOH+CH3COOH→(t)Na2CO3+CH4↑+H2O

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия

CH3COONa + NaOH → CH4↑ + Na2CO3

Химические свойства

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов. Точка замерзания -184С (при нормальном давлении)

Вступает с галогенами в реакции замещения (например, CH4 + 3Cl2= CHCl3+ 3HCl), которые проходят по свободно радикальному механизму:

CH4 + Cl2 = CH3Cl (хлорметан)+ HCl

CH3Cl + ½Cl2 = CH2Cl2 (дихлорметан)

CH2Cl2 + ½Cl2 = CHCl3 (трихлорметан)

CHCl3 + ½Cl2 = CCl4 (тетрахлорметан)

Выше 1400°C разлагается по реакции:

2CH4 = C2H2 + 3H2

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200°C и давлении 30—90 атм по цепному радикальному механизму:

CH4 + 3[O] = HCOOH + H2O

Процесс высокотемпературной конверсии осуществляется под давлением 20-30 кгс / см2 (2-3 МН / м2) и при температуре 1350 С.

Процесс высокотемпературной конверсии практически не зависит от состава исходного углеводородного газа и от способов дальнейшей переработки получаемого конвертированного газа. Однако в зависимости от назначения конвертированного газа (на синтез аммиака или метанола) схема использования тепла может существенно изменяться.

Процесс высокотемпературной конверсии метана можно проводить при любом давлении, так как высокая температура обеспечивает низкое содержание метана в конвертированном газе. Это позволяет создать производства метанола с единым давлением на стадиях подготовки газа и синтеза метанола. Подобная схема может резко снизить расход энергии на сжатие, так как при конверсии объем газа увеличивается почти в 2 раза.

В процессе высокотемпературной конверсии метана продолжительность реакции не является лимитирующим фактором, а состав получаемых продуктов соответствует равновесию реакции водяного газа, что подтверждается многочисленными данными. В процессе окислительного пиролиза метана продолжительность реакции, наоборот, очень важна, так как состав получаемых продуктов фиксируется на определенной промежуточной стадии, что и позволяет получать ацетилен. При этом также достигается равновесие реакции водяного газа, но фактический состав продуктов отклоняется от расчетного на некоторую величину.

При совмещении процессов высокотемпературной конверсии углеводородных газов и конверсии окиси углерода при 30 am в одном агрегате конвертированный газ (после стадии высокотемпературной конверсии) поступает на конверсию СО при отношении пар: газ 1 045 и температуре не выше 200СС. Проходя теплообменник 1 (рис. П-38), парогазовая смесь нагревается до 385С за счет тепла конвертированного газа, выходящего из конвертора 2 окиси углерода; при этом газ охлаждается с 430 до 265 С. В аппарате 2 совмещены первая ступень конверсии, испаритель и вторая ступень конверсии СО. В конверторе 2 газ движется в радиальном направлении.