47. Получение водоpода. Физико-химические основы конвеpсии метана.

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается на Земле в чистом виде и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов. В настоящее время существует множество методов промышленного производства водорода: разрабатывались технологии производства водорода из мусора, этанола, металлургического шлака, биомассы и другие технологии.

Физикохимические основы процесса конверсии метана

Конверсия природного газа может быть осуществлена либо термическим разложением метана

СН₄ С+2Н₂ - 75,8 кДж (2.1)

либо каталитическим окислением метана водяным паром, кислородом и двуокисью углерода:

СН₄ + 0,5О₂ CO + 2H₂ + 35,6 кДж, (2.2)

СН₄ + H₂O CO + 3H₂ - 206,4 кДж, (2.3)

СН₄ + CO₂ 2CO + 2H₂ - 248,3 кДж, (2.4)

СО + H₂O CO₂ + H₂ + 41 кДж. (2.5)

В каталитическом окислении метана используют в качестве катализатора Ni. Основное назначение катализатора это увеличение скорости реакции. Подробно свойства и принцип действия катализатора мы разберем позже.

Выбор окислителей и их возможные сочетания определяются назначением процесса и технологической схемой дальнейшей переработки полученного газа.

Реакции (2.1) (2.2) практически необратимы. Реакции (2.3) (2.5) являются обратимыми, т. Е. в зависимости от условий, в которых они осуществляются, могут проходить как слева направо, так и справа налево.

Вследствие обратимости реакции прямой процесс невозможно осуществить до конца. В самом деле, в обратимых реакциях, например в реакции (2.3), оба процесса прямой (взаимодействие метана с водяным паром) и обратный (взаимодействие окиси углерода с водородом) протекают одновременно. При достаточно высоких температурах и концентрациях метана в газовой смеси скорость прямой реакции гораздо больше, чем скорость обратного процесса. Постепенно скорости прямого и обратного процессов выравниваются и наступает химическое равновесие, при котором в смеси присутствуют как исходные вещества, так и продукты реакции.

48. Двухступенчатая конвеpсия метана.

Одним из способов получения водорода является конверсия метана; широко используется метод двухступенчатой каталитической конверсии метана природного газа с водяным паром и кислородом (или воздухом), поскольку он является ведущим в промышленности. Метод представляет также наибольший интерес с точки зрения обсуждения закономерностей протекания химико-технологических процессов и аппаратурного оформления.

В основе конверсии метана лежат следующие реакции:

СН4 + Н2О = СО + ЗН2 - 206,4 кДж (1 )

СН, + 0,502 = СО + 2Н2 + 36,6 кДж (2 )

Источником метана служит природный газ, в котором 98 % составляет метан, остальное -- этан и пропан (в попутном нефтяном газе метан присутствует несколько в меньшем количестве). Примеси этана и пропана участвуют в реакциях аналогично метану. В качестве окислителей используют водяной пар и кислород. Последний добавляют для компенсации теплоты, поглощаемой при конверсии метана.

Образующийся по реакциям (1) и (2) оксид углерода конвертируется водяным паром:

CO+H2O= CO2 +Н2 + 41,0 кДж ( 3)

Все три реакции обратимы. Для каждой из них существует определенное равновесное соотношение между концентрациями веществ, которое при постоянной температуре остается неизменным и определяется константой равновесия:

Константа равновесия реакции (2) при температурах в интересующих нас пределах так велика, что практически реакция идет вправо до конца. Реакции (1) и (2) идут с увеличением числа молей, реакция (3)--без изменения числа молей. Суммарный процесс конверсии метана-- эндотермический.

На практике широко внедряется двухступенчатая каталитическая конверсия метана с применением в качестве окислителей водяного пара и воздуха (вместо чистого кислорода). На первой ступени конверсию проводят водяным паром в трубчатом реакторе при 800°С со степенью конверсии метана 90%. На второй ступени конверсию остаточного метана осуществляют с воздухом в шахтном реакторе при 1000 °С

В конвертированном газе содержится 0,3 % СН4. При одноступенчатой конверсии в качестве окислителя применяют водяной пар и воздух, обогащенный кислородом до 40--50%. Таким образом, в двухступенчатой конверсии отпадает необходимость в сооружении дорогостоящей и энергоемкой установки для получения кислорода, что в значительной степени улучшает экономические показатели производства по сравнению с одноступенчатой каталитической и высокотемпературной конверсией (где большой расход энергии на создание высоких температур 1350--1400°С). Кроме того, использование воздуха в качестве окислителя, позволяет получить конвертированный газ с содержанием азота (поступающего с воздухом) в таком количестве, которое необходимо для получения азотоводородной смеси для синтеза аммиака, т. е. 75 % водорода 25 % азота.