3. Выбор оптимальных условий для проведения паровой конверсии метана

   1. Катализатор и температура

Никель напыляется на твердый носитель Al₂O₃. В качестве промоторов ─ оксиды кальция и магния. Данный катализатор понижает энергию активации основой реакции до 92 кДж/моль. Катализатор изготавливается в виде гранул, таблеток или колец и состоит из пористого носителя и активного компонента. Наличие катализатора позволяет не только увеличить скорость основной реакции, но и при соответствующем избытке окислителей исключить протекание побочной реакции. Рабочая температура - 800 – 1000°С.

Катализатор легко отравляется сернистыми соединениями, вследствие образования на его поверхности сульфидов никеля, неактивных в конверсии метана и его гомологов. Восстановление нанесенного на поверхность носителя оксида никеля до металлического никеля происходит водородом, водяным паром или метаном.

2. Давление.

Несмотря на то, что понижение давления по принципу Ле-Шателье смещает равновесие реакции (1) вправо, процесс проводят при повышенном давлении (примерно 2 - 5 МПа), что позволяет:

1) увеличить скорость процесса и его интенсивность;

2) уменьшить объем оборудования;

3) использовать давление природного газа в магистральных трубопроводах;

4) уменьшить расход энергии при последующей компрессии газов, направляемых, например, на синтез аммиака или синтез метанола;

5) создавать более компактные и эффективные системы утилизации тепла.

Отрицательное действие давления на выход компенсируют повышенной температурой и избытком водяного пара. При температуре 900°С и давлении ≈ 4 МПа равновесный выход реакции (1) близок к 100 %.

3. Соотношение исходных веществ

Процесс ведут с избытком водяного пара - Н₂О:СН₄ = 2-3:1, который необходим:

1) для увеличения степени превращения метана;

2) для предотвращения образования отложений кокса на поверхности катализаторе.

С + Н₂О = СО + Н₂ (10)

3) для последующей паровой конверсии монооксида углерода.

2. Паровоздушная конверсия метана

Сначала протекает экзотермическая реакция с кислородом. Затем, по мере повышения температуры, начинает идти реакция с паром, так как в газовой смеси содержание пара велико (первая стадия конверсии проводится с большим избытком пара). Применение паровоздушной конверсии метана позволяет уменьшить энергетические затраты путем совмещения в одном реакторе эндотермической, а также ввести в состав получаемого газа соответствующего количества азота, необходимого для синтеза аммиака.

СН₄ + 0,5О₂ → СО + 2Н₂ (3) (ΔН = - 35,6 кДж)

Реакция (3) - необратимая, экзотермическая, является суммарной. На первой стадии процесса часть метана окисляется до диоксида углерода и воды:

СН₄ + 2О₂ → СО₂ + 2Н₂О (11) (ΔН = - 800 кДж)

Далее метан реагирует с продуктами окисления в соответствии с реакциями (1) и (2):

СН₄ + Н₂О (пар) ↔ СО+3Н₂ (1)

СН₄ + СО₂ ↔ 2СО + 2Н₂ (2)

На первой ступени (при паровой конверсии) природного газа превращается около 90 % метана и соответственно на второй (паровоздушной конверсии) – около 10 % метана.