Синтезы на основе метана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ГОРНО-АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Естественно-географический факультет

Кафедра биологии и химии

Направление 04.03.01 Химия

Профиль Химия окружающей среды, химическая экспертиза и экологическая безопасность

Курсовая работа

Синтезы на основе метана

Выполнила: студентка 2 курса, гр.138 Комина А.В.

Научный руководитель: старший преподаватель О.И. Старыгин

Горно-Алтайск 2020



1. Общиая характеристика метана

Метан-представляет собой легкий бесцветный горючий газ без запаха. Распространен в природе как основной компонент природного газа и попутных нефтяных газов. Химическая формула - .

В атмосферу метан поступает в составе вулканических газов, а также является продуктом жизнедеятельности ряда микроорганизмов. В форме газогидратов в значительных количествах содержится на дне океанов и в многолетней мерзлоте. Является одним из важнейших парниковых газов.

Как представитель ряда предельных углеводородов проявляет низкую химическую активность. Вследствие малой растворимости в воде и химической инертности метан считается малотоксичным веществом (класс опасности - IV), но при высокой концентрации в воздухе (4,4 -- 17%) взрывоопасен, а дальнейшее повышение содержания метана приводит к удушью от недостатка кислорода.

1.1 Нахождение метана в природе

Если молекулы метана попадают в атмосферу, то они вовлекаются в процессы переноса и вступают в химические реакции, которые хорошо известны как качественно, так и количественно.

Метан попадает в атмосферу как из естественных, так и из антропогенных источников. Мощность антропогенных источников в настоящее время существенно превышает мощность естественных. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) содержания метана в воздухе не должна превышать 0,5%.

К естественным источникам метана относятся болота, тундра, водоемы, насекомые, геохимические процессы.

К антропогенным - рисовые поля, шахты, животные, потери при добыче газа и нефти, горение биомассы, свалки.

Значительные количества основных компонентов природного газа - метана и этана - образуются при бактериальном брожении биомассы растительного и животного происхождения, а также в процессах переработки органического сырья.

Большой поток метана от рисовых полей обусловлен резким ускорением транспорта метана внутри полостей в стеблях риса, так как диффузия метана происходит в воздушной среде, а не в воде. Поток метана с рисовых полей достигает в среднем 2,3 мг/(м²/ч).

Шахтный метан возникает в процессе трансформации органических остатков в уголь под влиянием высоких давлений и температур. В глубинах земли происходит пиролиз органических веществ. Растительные остатки содержат большое количество лигнина, в структуре которого имеется много метильных групп. В ходе термической переработки происходит освобождение метильных радикалов, которые затем отрывают атом водорода от органических молекул и превращаются в метан.

Добыча 1 т угля сопровождается выделением 13 м³ чистого метана.

Повышение температуры планеты скажется на возрастании потоков метана, так как изменение температуры на один градус меняет интенсивность выделения метана в микробиологических процессах (болота, рисовые поля, свалки) примерно на 10%.

Потенциально опасный источник метана, который может включиться при повышении температуры - это гидраты метана. Запасы метангидратов огромны. Повышение температуры вызовет дестабилизацию метангидратов и начнется их распад, что иногда наблюдается и сейчас. В настоящее время оценка мощности потока метана от метангидратов невелика и составляет около 1% от общего потока.

Увеличение поступления потока метана в атмосферу вызовет дальнейшее ускорение в повышении температуры атмосферы, что будет иметь огромные негативные последствия.

В настоящее время общее количество метана в атмосфере оценивают в пределах 4600-5000 тераграмм Тг (Тг = 10¹²г). В южном полушарии концентрация метана несколько ниже, чем в северном полушарии. Такое различие обычно связывают с меньшей мощностью источников метана в южном полушарии: считается, что основные источники метана расположены на континентах, а океаны не вносят заметного вклада в глобальный поток метана. Время жизни метана в атмосфере 8-12 лет.

Метан по происхождению бывает:

- бактериальный (микробный) - образован в результате жизнедеятельности бактерий (микроорганизмов);

- биогенный - образован как результат химических превращений органических веществ;

- термогенный - образован в ходе термохимических процессов;

- абиогенный - образован в результате химических реакций неорганических соединений, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой.

Бактериальный метан образуется в донных отложениях болот и других водоемов, в результате процессов пищеварения в желудках насекомых и животных (преимущественно жвачных).

Таким образом, процесс микробиохимического техногенного метанообразования включает следующие стадии развития: окисление свободного кислорода специальными бактериями; микробиологическое образование водорода; образование метана в результате реакции:

CO₂+ 4H₂= CH₄ + 2H₂O

Условия многих шахт (температура 15-20^oС и pH 6,4-7,5) способствуют протеканию подобных микробиохимических процессов целенаправленного образования техногенного метана. А так как образование метана протекает в анаэробной среде, то для развития этих процессов необходимо понизить концентрацию кислорода в угольном пласте.

Термогенный метан возникает в осадочных породах при их погружении на глубины 3-10 км, где осадочные породы подвергаются химической трансформации в условиях высоких температур и давлений.

Абиогенный метан образуется обычно на больших глубинах в мантии Земли.

Получения метана из угольного пласта за счет его микробиологического воспроизводства включает бурение скважин, подачу в угольный пласт бактерий, образующих метан, выдерживание до образования метана и извлечение метана. Последовательно подают кислородоокисляющие и водородообразующие бактерии и выдержку осуществляют без доступа кислорода до образования промышленных концентраций метана. Причем водородообразующие бактерии подают после 90% окисления свободного кислорода в угольном пласте, а в качестве водородообразующих используют бактерии рода Clostridium.

1.2 Строение метана

или

Выясним, почему же молекула метана представляет собой тетраэдр. Мы должны исходить, очевидно, из строения атома углерода. Но здесь мы сталкиваемся с противоречием. У атомов углерода четыре валентных электрона, два из них являются спаренными s-электронами, они не могут образовывать химических связей с атомами водорода. Химические связи могут установиться только за счет двух неспаренных p-электронов. Но тогда молекула метана должна иметь формулу не CH₄, а CH₂, что не соответствует действительности. Такое противоречие устраняется следующей трактовкой образования химических связей.

Когда атом углерода вступает во взаимодействие с атомами водорода, s-электроны наружного слоя в нем распариваются, один из них занимает вакантное место третьего p-электрона и образует при своем движении облако в виде объемной восьмерки, перпендикулярное по отношению к облакам двух других p-электронов. Атом при этом переходит, как говорят, в возбужденное состояние. Теперь все четыре валентных электрона стали неспаренными, они могут образовать четыре химические связи. Но возникает новое противоречие. Три p-электрона должны образовать три химические связи с атомами водорода во взаимно перпендикулярных направлениях, т. е. под углом 90°, а четвертый атом водорода мог бы присоединяться в произвольном направлении, так как облако s-электрона имеет сферическую форму и эти связи, очевидно, отличались бы по свойствам. Между тем известно, что все связи C--H в молекуле метана одинаковы и расположены под углом 109°28'. Разрешить это противоречие помогает представление о гибридизации электронных облаков.

В процессе образования химических связей облака всех валентных электронов атома углерода (одного s- и трех p-электронов) выравниваются, становятся одинаковыми. При этом они принимают форму несимметричных, вытянутых в направлении к вершинам тетраэдра объемных восьмерок (несимметричное распределение электронной плотности означает, что вероятность нахождения электрона по одну сторону от ядра больше, чем по другую).

Угол между осями гибридных электронных облаков оказывается равным 109°28', что позволяет им, как одноименно заряженным, максимально удалиться друг от друга. Будучи вытянутыми к вершинам тетраэдра, такие облака могут значительно перекрываться с электронными облаками водородных атомов, что ведет к большему выделению энергии и образованию прочных, одинаковых по свойствам химических связей (рис. А).

Ковалентные химические связи в молекуле метана: А - перекрывание электронных облаков атома углерода с атомами водорода; Б - образование общих электронных облаков связей C--H.

Гибридизация может распространяться на разное число электронных облаков. В данном случае, когда атом углерода образует ковалентные связи с четырьмя атомами водорода, в гибридизации участвуют облака всех четырех наружных электронов возбужденного атома - одного s-электрона и трех p-электронов. Такой вид ее называется sp³-гибридизацией.

Тетраэдрическая форма молекулы метана обусловливается, следовательно, тетраэдрическим направлением четырех гибридных электронных облаков атома углерода в химическом соединении.

Поскольку электроны при образовании ковалентных связей образуют общие для связываемых атомов облака, охватывающие оба ядра, электронное строение молекулы метана можно еще изобразить так, как показано на рис. Б.

1.3 Получение метана

Промышленное производство и получение метана в лаборатории проводятся разными методами. Существуют также способы получения газа в домашних условиях, например, в частном хозяйстве для удовлетворения потребности в топливе.

Промышленные методы получения метана

Поскольку газ в больших количествах поступает при добыче нефтегазового сырья, способы его производства нацелены не на искусственный синтез, а на выделение в процессах переработки нефти и газа. Кроме того, метан может быть получен при технологической обработке каменноугольного сырья.

Очистка и переработка природного газа

Метан - главный компонент такого важного вида горючих полезных ископаемых, как природный газ. Содержание метана в газе различных месторождений составляет 70-98%.

После очистки от твердых частиц и примесей (сероводород, азот, углекислый газ, гелий) и осушки (отделения водяных паров) природный газ подвергается низкотемпературному фракционированию. Более тяжелые углеводородные компоненты газа - этан, пропан и бутан - переходят в жидкую фазу при более высоких температурах, чем метан, и последовательно отделяются от него в конденсационной колонне.

Переработка нефти и попутного газа

В процессах термического разложения (пиролиза) высокомолекулярных алканов, входящих в состав нефти, в числе продуктов получают метан:

Переработка каменного угля

• Коксование угля. Большое количество метана (в среднем 34%) содержится в коксовом газе, образующемся при термической переработке угольного сырья. В числе прочих углеводородов метан отделяется от шихты при .

• Гидрирование угля. Метан образуется при обработке угольной массы водородом (ожижение угля с целью получения жидкого топлива). Реакции идут на металлическом катализаторе:

Лабораторный синтез метана

В лабораторной практике используются два основных способа получения метана:

• гидролиз карбида алюминия;

• щелочное плавление ацетата натрия.

Взаимодействие карбида алюминия с водой (метод Муассана)

Неорганическое бинарное соединение с кристаллической структурой в реакции с водой разлагается с образованием метана и нерастворимого гидроксида алюминия:

Реакция необратима и служит простым и удобным способом получения газа в лабораторных условиях.

Взаимодействие ацетата натрия с щелочью (метод Дюма)

Еще один простой лабораторный способ получения метана - прокаливание натриевой соли уксусной кислоты с едким натром :

Подробное рассмотрение лабораторного процесса показывает, как с помощью щелочи получить метан из ацетата натрия.

Присутствие воды препятствует этой реакции, поэтому уксуснокислый натрий должен быть обезвожен, а гигроскопичный гидроксид натрия - смешан с негашеной известью (оксидом кальция). Такая смесь носит название натронной извести. В реакционной смеси она должна присутствовать с избытком 1:3, чтобы обеспечить полное использование ацетата натрия.

Порошки реагентов хорошо перемешиваются и помещаются в колбу с отводной трубкой или в пробирку. Выделяющийся газ собирают по методу вытеснения воды в пробирку. При нагревании колбы на пламени горелки используется асбестовая сетка. Пробирку нагревают на открытом пламени. Для улавливания примесей может использоваться промывная склянка с раствором щелочи. Для проверки результата опыта газ в пробирке поджигается.

Варианты сборки прибора для получения метана в лаборатории изображены на рисунке.

Получение метана в домашних условиях

Метан можно получать и как продукт биологических процессов. Он выделяется в ходе обмена веществ особыми анаэробными микроорганизмами - бактериями-метаногенами. Они широко распространены в органических отходах животного и растительного происхождения.

Поскольку метан может применяться в качестве горючего для водонагревательных установок, печей и кухонного оборудования, в частных хозяйствах, располагающих большим количеством отходов, становится выгодным самостоятельное получение из них метана и его использование.

Получение из органических отходов животноводства

Метаногены обитают в кишечном тракте позвоночных и принимают участие в пищеварительном процессе. Поэтому в хозяйствах, занимающихся разведением крупного рогатого скота, свиней или домашней птицы, отходы жизнедеятельности животных могут быть переработаны с помощью биогазовых установок. Неразложимый остаток служит органическим удобрением.

Технология получения биогенного метана состоит из нескольких этапов:

• анаэробное брожение биомассы в специальном резервуаре - ферментере, или биореакторе, с соблюдением температурного режима;

• отвод выделяющейся газовой смеси, в которой доля метана составляет до 70%;

• транспортировка биогаза к оборудованию-потребителю;

• регулярная выгрузка отработанной массы и загрузка биореактора новым сырьем.

В некоторых установках предусмотрена система очистки биогаза от примесей - углекислого газа и сероводорода.

Получение из древесины

В качестве сырья для биогазовой технологии могут использоваться и растительные отходы, такие как древесная щепа. Пригодна для использования в биореакторе некондиционная древесина (например, пораженная вредителями или пострадавшая от пожаров), а также отходы лесозаготовок - ветки, кора и пр.

Так как древесина содержит смолы, в установках по ее переработке нужно применять катализаторы для очистки газа. В качестве катализатора подходят шлаки металлургических производств, особенно эффективны мартеновские шлаки.

Эффективность выработки биогаза зависит от поддержания нужной температуры ферментации, поэтому в холодных регионах работа биогазовой установки потребует дополнительных затрат на подогрев и устройство надежной теплоизоляции. Большую роль играет биохимическое равновесие: выход газа снижается при возрастании кислотности. В этом случае требуется добавление нейтрализующего агента.

Крупные фермерские хозяйства могут позволить себе привлечение специалистов, установку полностью автоматизированных биореакторов с большим выходом газа и получать дополнительный доход от его продажи.

Для эффективной работы установки необходимо бесперебойноепоступление сырья, поэтому хозяйствам с малым количеством животных невыгодно заниматься производством биометана. Если количество биомассы позволяет наладить синтез газа в небольшом хозяйстве, мини-установку для его производства можно сделать собственными силами. Следует помнить, что ее сооружение потребует серьезных вложений, составления технологической схемы, оформления документации, согласования с СЭС, пожарной и газовой инспекциями.

Если хозяйство имеет возможность установить биогазовый реактор, оно получает существенные выгоды:

• экономия при затратах на энергию;

• производство удобрения;

• ликвидация отходов и оздоровление экологической обстановки на участке.

2.Синтезы на основе метана

Получение ацетилена из метана

В лабораторной практике проводится дегидрирование метана. Реакция требует сильного нагревания:

В промышленности используются такие методы, как:

• Электрокрекинг:

• Окислительный пиролиз (Заксе-процесс):

В этой реакции используется теплота частичного сгорания сырья, благодаря которой реакционная смесь разогревается до 1600 ? .

Получение метанола из метана

Метиловый спирт может быть получен:

• Каталитическим окислением метана:

• Двухступенчатым процессом, в ходе которого сначала получают хлорпроизводное метана, которое затем подвергается щелочному гидролизу:

Получение анилина из метана

Ароматическое соединение анилин получают в несколько стадий:

• Крекинг метана:

• Тримеризация ацетилена:

• Нитрование бензола:

• Восстановление нитробензола:

Синтезы наоснове метана

1) СН₄+Н₂0-->СО+ЗН₂

Технология получения метана

Технологически способ проходит по реакции конверсии метана с водяным паром:

СН₄+Н₂0-->СО+ЗН₂ - 49ккал. В первом уравнении стоит "+16,1 ккал". Это означает, что реакция идет с выделением тепла. Во втором - с поглощением. Тем не менее, мы остановимся на втором способе получения окиси углерода и водорода. При наличии этих двух компонентов уже можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле: СО+2Н₂<=>СН₃ОН .

Сложность в том, что конечный продукт получается лишь при высоком давлении и высокой температуре (Р>20 атм., Т=350 градусов), но при наличии катализатора этот процесс смещается вправо и при низком давлении. Полученный метанол выводится из реакции охлаждением до конденсации, а не сконденсировавшие газы будем сжигать. При правильном сжигании остатков водорода и СО никаких вредных веществ не выделяется (отходы СО₂ и Н₂0 -- безвредны), так что никаких вытяжных устройств не требуется. Дальше метанол заливается через трубку, обязательно с герметизацией (!), в канистру. Как видите, химический процесс очень прост, он основывается на двух реакциях. Сложности есть только технологические и по мерам безопасности. Мы ведь имеем здесь дело с сильно горючими и ядовитыми веществами. Нужно опасаться как взрыва, так и утечки этих газов. Поэтому -- необходимо строжайше соблюдать технологию и правила обращения, которые мы будем описывать. Для сборки установки нужно будет приобрести: лист нержавеющей стали (1мм), трубку из "нержавейки" бесшовную, наружным диаметром 6--8 мм, толщиной стенок не менее 1 мм и длиной около 2 метров, компрессор от любого бытового холодильника (можно со свалок, но рабочий). Ну и само собой разумеется нужна будет аргоновая электросварка.

ТЕПЛООБМЕННИКИ. Теплообменники обычно состоят из трубок, окруженных охлаждающей средой. В обиходе их называют "змеевиками". Для жидкостей, теплопроводность которых велика, такой теплообменник может быть приемлем. Но с газами ситуация совершенно другая. Дело в том, что на небольших скоростях поток газа движется ламинарно и практически не обменивается теплом с окружающей средой. Посмотрите на дымок, подымающийся от горящей сигареты. Эта стройная струйка дыма и есть ламинарный поток. Сам факт. что дымок поднимается вверх, говорит о его высокой температуре. А то, что он остается цельным прутком примерно на высоту до 20 сантиметров подъема, свидетельствует о сохранении им тепла. То есть на этом расстоянии даже при совсем малых скоростях поток газа не успевает охладиться, обменяться теплом с воздухом. Именно вследствие ламинарности потока газовые теплообменники приходится конструировать громоздкими. Внутри их трубок появляются "сквозняки", которые даже на десятках метров практически не дают теплообмена. Это хорошо известно тем, кто когда-либо гнал самогон. (Всякий опыт полезен!) Длинная, интенсивно охлаждаемая трубка, из неё вытекает конденсат, но при этом обязательно идет и пар. Значит, теплообмен недостаточно эффективен. Проблема, однако, имеет решения и оно может быть несложным. Наполнить трубку, например, медным порошком (см. рис.1). Для производительности 10 л/час теплообменник может быть длиной 600 мм, а для 3 л/час должно хватить и двухсот мм, h -- 20 мм. Размеры частиц могут варьироваться, оптимум где-то в пределах 0,5--1 мм. Учитывая задачи теплообмена, материалом корпуса могут быть и железо, и медь, и алюминий, материалом набивки -- медь, алюминий, -- что найдется.Тогда вокруг каждой частички металла струйка газа будет образовывать завихрения. Тем самым сразу ликвидируются сквозняки и поток становится турбулентным. Ну и одновременно увеличивается в огромной степени контакт газа с охлаждаемой поверхностью. Набитый в трубку порошок меди постоянно принимает или отдает тепло стенкам, и поскольку теплопроводность меди примерно в 100 тысяч раз выше теплопроводности газа, то газ сравнительно быстро примет температуру стенок, если мы будем их интенсивно охлаждать. Нужно учесть, что с уменьшением размеров частиц и увеличением их количества растет также и сопротивление газовому потоку. Поэтому вряд ли удастся использовать для теплообменника частицы мельче 0,5--1 мм. Проточную охлаждающую воду, конечно, целесообразно пропускать навстречу потоку газа.Это дает возможность в каждый точке теплообменника иметь свою определенную температуру. Поскольку тепловой контакт у нас близок к идеальному, температура на выходе конденсируемой жидкости будет равна температуре охлаждающей жидкости. Вот каков по идее обсуждаемый здесь теплообменник. Приведенный эскиз есть не что иное, как дистиллятор, он же самогонный аппарат, он же теплообменник. Производительность такого дистиллятора прикидочно 10 литров в час.

Его также можно применять практически в любых целях, включая установку для получения обычного этилового спирта (см. "Приоритет" № 1'91г и № 1-2'92г). Такие теплообменники при огромной производительности в сотни раз меньше существующих.

Теплообменник

Каталитический насос (реактор). В существующих химических газовых процессах обычный катализатор идет в гранулах довольно значительного размера от 10 до 30 мм. Площадь контакта газа с такими шариками в тысячи раз меньше, чем если бы мы использовали частицы в 1--1000 микрон. Но тогда проходимость газа весьма затруднится. Кроме того, мельчайшие частицы катализатора довольно скоро выйдут из строя вследствие поверхностного загрязнения. Нами найден способ увеличить площадь контакта газа с катализатором, не затрудняя проходимости его в реакторе, и одновременно непрерывно производить очистку от так называемого "отравления" самого катализатора. Делается это следующим образом. Порошковый катализатор смешивается с ферромагнитными частицами (железным либо ферритовым порошком). Тут не должно возникнуть затруднений: если такого порошка невозможно достать, его легко самому получить. Обычный феррит, известный всякому радиолюбителю, размолоть в ступке -- и готово.

Рассматривается схема включения обмоток. Сопротивление обмотки 1200 Ом. Диаметр провода 0,15 мм (до заполнения катушки). Диоды любой илы тока, не менее 1 А, напряжение не менее 450 В.



Смещение фаз на 120 градусов заставляет катушки работать не попеременно как в предыдущей, а поочередно, по принципу «бегущих огней»

Смесь ферритового порошка с катализатором помещается в неферромагнитную трубку, например, из стекла, керамики, можно и в алюминиевую или медную. Теперь смотрите, какая может быть схема. Снаружи трубки идут обмотки катушек. Каждая из них включена через диоды, так, например, как дано на рис. При включении в сеть переменного тока обмотки включаются поочередно с частотою 50 Гц. При этом ферромагнитный порошок непрерывно сжимает и расширяет катализатор, обеспечивая пульсирующую проходимость газа. Если же включать электромагниты в трехфазною сеть (см. рис.4), то в этом случае обеспечивается поступательная пульсация сжатий, и за счет этого непрерывно газ будет сжиматься в продольном направлении вперед. Таким образом, система работает, как насос.При этом -- многократно перемешивая газ, сжимая и расширяя его и тысячекратно увеличивая интенсивность процесса на катализаторе. Попутно частички катализатора трутся друг о друга и о ферритовый абразивный порошок, что приводит к их очистке от загрязняющих пленок. Схема работает следующим образом: с частотой 50 Гц происходит смена полярности на питании. Ток попеременно проходит по обмотке 1,3 и 2,4 (см. рис.). При этом в них появляется магнитное поле, которое намагничивает ферритовые частицы и заставляет их взаимодействовать друг с другом, вовлекая в движение частицы катализатора. Таким образом попеременно возникает для газа проходимость сквозь мелкие частицы, сменяемая большим сопротивлением, оказываемым сдавленной массой частиц. И самое главное: активность катализатора, сжимающего и разжимающего реагирующий газ, по еще не изученным причинам повышается дополнительно в 20--50 раз. Работа описанного каталитического реактора эквивалентна реактору размером метров в 20--30. Увеличить производительность реактора можно, включая обмотки в трехфазную сеть. При этом система работает не как клапаны, а как активный насос, совмещая все положительные эффекты первой схемы и дополнительно принуждая газ перемещаться в направлении смещения сдвига фаз. При таком включении важно правильно выбрать фазировку. Итак, в реакторе, приведенном здесь, работают следующие положительные факторы:

1. Увеличение площади катализатора в 300--1000 раз за счет уменьшения размеров частиц.

2. Происходит постоянная очистка катализатора от поверхностного загрязнения.

3. Постоянные пульсации давления реагирующих газов между частицами катализатора, а во второй схеме дополнительно происходит еще и перекачки газа внутри самого реактора.

Недостаток этого реактора -- повышенное сопротивление потоку газа -- устраняется попеременным уплотнением -- освобождением частиц внутри четных--нечетных катушек. Одна важная деталь: необходимо теплоизолировать катушки от корпуса реактора.

Следует отметить, что подобная схема реактора заявлена на патент, и она может работать в любых каталитических газовых процессах. Поэтому для химиков -- это не домашняя разработка, а принципиально новый, еще не совсем изученный, но эффективный реактор. По всей видимости, эффекты усилятся при подаче прямоугольных импульсов или колебаний высокой частоты.

Как будущие патентообладатели, настоящим заявляем, что разрешаем безвозмездное пользование данной информацией. Это право мы передаем, однако, только частным лицам. В случае коммерческого использования, либо использования данного изобретения юридическими лицами, предлагаем заключить лицензионный договор в соответствии с законом.

Катализатор с ферритовым порошком, может быть в соотношении 1:1. Сетки предназначены для фиксации порошков. Песок - фиксирует сетки

ПРОИЗВОДСТВО СИНТЕЗ--ГАЗА.

СИНТЕЗ--ГАЗОМ называется смесь H2 и СО, необходимая для производства метанола. Поэтому вначале рассмотрим технологию синтез-газа. Традиционные методы получения СО и H2 из метана (CH4) состоят в том, что метан смешивается с водяным паром и в нагретом состоянии поступает в реактор, где к паро-метанной смеси добавляется дозированное количество кислорода. При этом происходят следующие реакции:

(1) СН4 + 202 <--> СО2 + 2Н2О + 890 кдж;

(2) СН4 + Н20 <--> СО + ЗН2 - 206 кдж;

(3) СН4 + СО2 <--> 2СО + ЗН2 - 248 кдж;

(4) 2Н2 + 02 <--> 2Н2О + 484 кдж;

(5) СО2 + Н2 <--> СО + Н20 - 41,2 кдж .

Как видно, некоторые реакции эндотермические -- с поглощением тепла -- а некоторые экзотермические -- с выделением. Наша задача создать такой баланс, чтобы реакции шли с контролируемым выделением тепла. Итак, вначале требуется дозированное смешение Н2О и СН4. Традиционные методы ведения этого процесса сложны и громоздки. Мы будем насыщать метан водяными парами путем пропускания пузырьков этого газа через нагретую до 100 градусов Цельсия воду, а чтобы пузырьки активно разбивались, размещаем на их пути твердые ферритовые частички размером 1--2 мм. Но в этой массе рано или поздно пузырьки находят дорогу и затем, практически не разбиваясь, проходят по образовавшемуся каналу. Чтобы этого не происходило, частички из феррита и смесительную камеру ставим в соленоид с подачей переменного тока. В этом существенное отличие нашего диспергатора. Под действием вибрации частиц феррита в пульсирующем магнитном поле пузырьки метана постоянно разбиваются, проходят сложный зигзагообразный путь и насыщаются парами воды. Этот процесс осуществляется в диспергаторе (см.рис.).

К соленоиду жестких требований нет, поскольку запитывается он от ЛАТРа или от регулятора света (в продаже имеются). Регулировка напряжения на соленоиде необходима, чтобы, изменяя магнитное поле, одновременно изменять и степень насыщения метана парами воды.

Диспергатор

О цели этих изменений будет сказано ниже. Количество витков в катушке может быть от 500 до 1000. Диаметр провода 0,1-- 0,3мм. Необходим бачок воды для подпитки, поскольку вода непрерывно расходуется на образование паро-метановой смеси (см. рис.). Труба диспергатора берется из неферромагнитного металла, поэтому в переменном магнитном поле она будет разогреваться. Кроме того, и метан поступает в воду разогретым. Поэтому специального нагревателя для воды не требуется.

ВНИМАНИЕ: необходимо расположить бачок таким образом, чтобы уровень воды в смесителе--диспергаторе не поднимался выше 150 мм, т.е. до половины его высоты, это связано с величиной давления в газовой сети (=150 мм водного столба).

ВСЯ СИСТЕМА ДОЛЖНА БЫТЬ ГЕРМЕТИЧНА И НЕ ДОПУСКАТЬ УТЕЧЕК! Готовая паро-метановая смесь разогревается до температуры 550--600 градусов в теплообменнике . Устройство теплообменника уже достаточно подробно описано (см. рис.). Поэтому приведем только уточнение размеров.

Теплообменник изготавливается из нержавеющей стали, обязательно варится в среде инертного газа. Трубки из нержавеющей стали крепятся к корпусу только сваркой. Наполнитель теплообменника изготовляется из 1--2 миллиметровых частиц керамики. Это может быть, например, дробленая фарфоровая посуда. Наполнять емкость надо достаточно плотно, с обязательным встряхиванием. Возможная ошибка: при недостаточном наполнении теплообменника частицами керамики газ "найдет себе дорогу", и потоки будут ламинарными, чем ухудшается теплообмен.

ВНИМАНИЕ: В теплообменнике 3.2 (см.рис.) температуры высокие! Никакие уплотнители не применять -- только аргонная сварка.

Теплообменник

САМЫМ СЛОЖНЫМ И ОТВЕТСТВЕННЫМ УЗЛОМ УСТАНОВКИ ЯВЛЯЕТСЯ КОНВЕРТОР-РЕАКТОР (см. рис.7), где происходит конверсия метана (превращение его в синтез--газ).

Конвертор состоит из кислород-прометанного смесителя и реакционных каталитических колонн. Вообще, реакция идет с выделением тепла. Однако в нашем случае, чтобы процесс начался, на подводящих трубках проводим нагрев, поскольку мы осуществляем конверсию метана по реакции:

СН4 + Н2О <--> СО + ЗН2 - 206 кдж ,

с потерей тепла, а значит нужно обязательно подводить тепло в конвертор. Для этого паро-метановый газ мы пропускаем через трубки, постоянно обогреваемые горелками "Г". Конвертор работает следующим образом. Парометанная смесь поступает в камеру, в которой вварены трубки из нержавеющей стали. Количество трубок может быть от 5 до 20 в зависимости от желательной производительности конвертора. Пространство камеры должно быть обязательно плотно набито крупнозернистым песком или дробленой керамикой или крошкой нержавейки, размеры частиц 0,5--1,5 мм. Это необходимо для лучшего перемешивания газов, а самое главное -- для пламягашения. При соединени воздуха с горячим метаном может произойти загорание. Поэтому в камере набивка осуществляется с обязательным встряхиванием и досылкой. Трубки и сборная камера (на рис 7.-нижняя), как раз и набиваются частицами, содержащими катализатор-- окись никеля. Который смешивается в пропорции 1/3 объема порошка с 2/3 объема молотой керамики (0,5 мм) или чистого грубозернистого песка. Промежуток между верхними частями трубок заполняются на 10 см любым высокотемпературным теплоизолятором. Это делается. чтобы не перегревать камеру. Мы можем предложить свой способ получения такого теплоизолятора. Обычный канцелярский силикатный клей смешивают с 10--15 весовыми процентами тонкомолотого мела или талька или глины. Перемешивают тщательно. Наливают смесь тонким слоем и сразу же прижигают огнем паяльной лампы. Вскипевшая в клее вода образует пемзообразную белую массу. Когда она остынет, опять наливают на нее слой клея с мелом и опять обрабатывают пламенем. И так повторяют до тех пор, пока не получат, необходимый слой теплоизолятора. После окончания сборки конвертора его помещают в стальной короб, которой обязательно теплоизолируют материалом, выдерживающим температуру до 1000 градусов, например, асбестом. Горелки инжекционного типа, могут быть любые, от 5 штук до 8. Чем их больше, тем равномернее нагрев. Возможна также система, использующая одну горелку. Пламя ее имеет несколько выходов через отверстия в трубе. Газовые горелки есть в продаже, например, те, что используются для обработки лыж. Есть в продаже также газовые паяльные лампы, поэтому мы даем только общую схему. Горелки должны соединяться параллельно и регулироваться стандартным газовым краном, например, от газовой плиты, или "родным" краном от "лыжной" горелки.

Конвектор-реактор

Ещё один из ответственных узелов -- это эжекторный смеситель подачи воздуха и метана (рис.) в камеру конвертора. Эжекторный смеситель воздуха и метана состоит из двух сопел: одно подает метан, насыщенный парами воды, а другое -- эжектор воздуха. Воздух поступает от компрессора , количество его регулируется клапаном давления (Рис.9.). Компрессор может быть практически от любого бытового холодильника, давление регулируется от "нуля" до необходимого, которое будет не на много выше давления в газовой магистрали (т.е. =>150 мм.вод.ст.).

Необходимость подачи воздуха (кислорода) в конвертор обусловлена тем, что по реакции [5] часть водорода должна быть поглощена с выделением СО, тем самым увеличивается количество окиси углерода до пропорции СО:Н2 == 1:2, т.е. число молей (объемов) водорода должно быть в два раза большим объемов окиси углерода. Но возникновение CO2 произойдет по реакции [1] с выделением большого количества тепла. Поэтому вначале процесса компрессор мы не включаем и винт держим вывернутым. Воздух не подаем. И по мере разогрева камеры и включении всей системы будем постепенно, включив компрессор и вворачивая винт клапана давления, увеличивать подачу воздуха и одновременно уменьшать пламя на горелках, Контроль будем вести по количеству излишков водорода на выходе из конденсатора метанола (теплообменник 3.3 и 3.1) через фитиль 13 (рис.10), сокращая его. Фитиль для дожига излишка синтез--газа представляет собой 8-миллиметровую трубку, длиной 100 мм, набитую медным проводом по всей длине,- чтобы пламя не пошло вниз, в канистру с метанолом. Мы разобрали все узлы установки получения метанола. Как ясно из предыдущего, вся установка состоит из двух основных узлов: конвертора для создания синтез--газа (конверсия метана) и синтезатора метанола. Синтезатор (каталитический насос) достаточно хорошо описан выше. Единственно, что следует добавить -- это необходимость установки теплоизолятора между трубой и катушкой. Как изготовить теплоизолятор, мы сообщали при описании изготовления конвертора (см. рис.).

ПЕРЕЙДЕМ К ОБЩЕЙ СХЕМЕ УСТАНОВКИ. Работа общей схемы. Из газовой магистрали метан поступает через вентиль 14 в теплообменник 3.1, разогревается до 250--300 градусов [в этом месте нужно бы добавить фильтр из окиси цинка - для очистки газа от примесей серы !] и поступает в смеситель--диспергатор 2, где насыщается парами воды. Вода добавляется в диспергатор непрерывно из бачка 1. Вышедшая газовая смесь поступает в теплообменник 3.2, где разогревается до 500--600 градусов и идет в конвертор 4. На NiO -- катализаторе при температуре 800--900 градусов происходит реакция (2). Для создания этой температуры работают горелки "12". После установления температурных режимов включается компрессор 5 и постепенно подается воздух в смеситель 11. Повышение давления осуществляется путем вворачивания винта в клапане 8. Одновременно уменьшаем пламя на горелках "12" при помощи вентиля 14.2 . Полученный на выходе синтез--газ поступает в теплообменники 3.1 и 3.2, где охлаждается до температуры 320--350 градусов. Затем синтез--газ поступает в синтезатор метанола 6, где на катализаторе из смеси однинакового количества ZnO, CuO, CoO (по возможности) происходит превращение его в метанол СН4ОН . Смесь газообразных продуктов на выхода охлаждается в теплообменнике 3.3. который описан выше (см.рис.1) и поступает в накопительный бачок 10. В верхней его части находится трубка -- фитиль (13), где дожигаются продукты, которые не прореагировали в процессах. Поджигание необходимо, обязательно!

Общая схема установки

Несколько советов. Катализаторы можно готовить самому путем прокаливания порошковых металлов на воздухе. Измерение температуры можно осуществлять при помощи термоиндикаторных красок, которые в настоящее время достаточно распространены. Измерение нужно проводить на входных и выходных трубках. Если термокрасок вы не достанете, можно изготовить сплав олово -- свинец -- цинк. При определенных, найденных экспериментально пропорциях смешения они будут иметь необходимую температуру плавления. Нанося полученные сплавы на трубки и следя за их плавлением, можно с некоторой погрешностью контролировать температуру. Если вы не допустили образования газовых карманов (т.е. полностью заполнены все полости соответствующей крошкой), если устранили утечки и самое главное -- своевременно зажжен и постоянно горит фитиль (11), то установка будет абсолютно безопасна. Подбирая катализаторы можно-- повышать тепловой КПД, увеличить процент выхода метанола. Для достижения оптимума здесь требуются эксперименты. Они проводятся во многих институтах разных стран. В России к числу таких НИИ относится, например, ГИАП (Государственный институт азотной промышленности). Следует иметь в виду, что получение метанола из природного газа в компактных установках -- новое дело, и многие процессы еще недостаточно изучены. В то же время метанол -- одно из самых экологически чистых и практически идеальных топлив. И, самое главное, получение его основано на безграничных и возобновляемых ресурсах -- метане.

Завершая первый цикл публикаций, мы будем продолжать отвечать на вопросы, которые у вас возникнут в процессе создания и эксплуатации установки, рассматривать и комментировать новые ваши предложения по этой теме. метан химический биогенный

Прямое неполное окисление метана:

CH4 + O2 --(450°C, 1-2 МПа, AlPO4)--> HCOH + H2O

Или более долгим методом:

CH4 + Cl2 --(hv)--> CH3Cl + HCl

CH3Cl + NaOH (водн.) --> СН3ОН + NaCl

CH3OH --(400°C, Cu)--> HCOH + H2

дегидрировании двух молекул метана при температуре свыше 1400 °C:

В промышленности получают по реакции метана с парами серы в присутствии силикагеля при 500--700 °C в камере из хромоникелевой стали:

*хлорированием метана СН4 + Cl2 --> CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 --> CH2Cl2 + HCl

CH2Cl2 + Cl2 --> CHCl3 + HCl



Заключение

Метан востребован во многих областях. Росту объемов его производства для различных нужд способствует достаточно высокая распространенность в природе. Однако метан производится не только на крупных промышленных предприятиях. Простота его получения с использованием биологических отходов стимулирует производство индивидуальными хозяйствами, что идет на пользу экологической обстановке, снижая бесконтрольное гниение отходов и выброс ценного продукта в атмосферу.

Размещено на Allbest.ru

...