1. Паровая конверсия метана
Суть процесса: Взаимодействие метана с водяным паром.
Условия: Катализатор (обычно Ni/Al₂O₃), температура 800–900 °C.
Основная реакция:
CH₄ + H₂O ⇄ CO + 3H₂` (сильно эндотермична)
Особенности:
Процесс эндотермический, требует постоянного подвода тепла (трубчатые печи).
Дает синтез-газ с высоким соотношением H₂/CO ≥ 3:1.
Основным аппаратом является трубчатая печь (реактор) радиантного типа.
Конструкция:
Реактор представляет собой печь, внутри которой расположены сотни жаропрочных стальных труб, заполненных гранулированным никелевым катализатором (Ni/Al₂O₃).
Трубы обогреваются горящими в печи топочными газами за счёт радиационного тепла.
Назначение:
Обеспечение интенсивного подвода тепла для протекания высокоэндотермической реакции.
Создание необходимого времени контакта парогазовой смеси с катализатором.
2. Парциальное (окислительная) конверсия метана
Суть процесса: Неполное окисление метана кислородом.
Условия: Высокая температура (1350–1450 °C), без катализатора.
Основная реакция:
CH₄ + 0.5O₂ → CO + 2H₂ (слабо экзотермична)
Особенности:
Процесс автотермический (не требует подвода тепла извне).
Проводится в шахтных реакторах.
Менее требователен к чистоте сырья.
Дает синтез-газ с соотношением H₂/CO ≈ 2:1.
Основным аппаратом является шахтный реактор (печь) автотермической конверсии.
Конструкция:
Это пустотелый или со слоем катализатора вертикальный аппарат, футерованный огнеупорным кирпичом.
Сверху расположен специальный смеситель, где интенсивно смешиваются потоки метана, кислорода и пара для предотвращения взрыва.
Реактор часто имеет водяную рубашку для охлаждения стенок и генерации пара.
Назначение:
Обеспечение быстрого смешения реагентов и протекания экзотермической реакции окисления в верхней зоне.
Дозавершение конверсии в слое катализатора (если есть) за счёт тепла, выделившегося на первой стадии.
3. Углекислотная конверсия метана
Суть процесса: Взаимодействие метана с диоксидом углерода (CO₂).
Условия: Катализатор, высокая температура.
Основная реакция:
CH₄ + CO₂ ⇄ 2CO + 2H₂ (сильно эндотермична)
Особенности:
Позволяет утилизировать CO₂.
Протекает медленнее, чем паровая конверсия.
Дает синтез-газ с низким соотношением H₂/CO ≈ 1:1.
Для этого процесса используется аппарат, аналогичный трубчатому реактору паровой конверсии.
Конструкция:
Трубчатая печь, так как реакция CH₄ + CO₂ также сильно эндотермична и требует внешнего подвода тепла.
Трубы заполнены специальным катализатором (часто на основе никеля, но модифицированным для устойчивости к коксованию).
Назначение:
Нагрев реакционной смеси до высоких температур (800-1000 °C) для сдвига равновесия в сторону продуктов.
Обеспечение каталитической поверхности для протекания реакции.
Технологическая схема окислительной конверсии метана
Сырье: Природный газ (CH₄), кислород, водяной пар.
Основные стадии процесса:
1. Подготовка сырья
Очистка метана от сернистых соединений (отравляют катализатор).
Смешение метана с водяным паром.
Смешение кислорода с водяным паром.