Конверсия метана в синтез-газ

Углекислотная конверсия метана в синтез-газ СО + Н₂ — одна из важнейших химических реакций, пригодная для промышленного получения водорода и дающая начало синтезу углеводородов (жидкое топливо) и других технически ценных продуктов.

Существует три метода окислительной конверсии метана в синтез-газ:

паровая конверсия.

CH₄ + H₂O — CO + 3H₂

ДН = +206 кДж/моль (1).

парциальное окисление кислородом.

CH₄ + ½O₂ — CO + 2H₂

ДН = -35,6 кДж/моль (2).

углекислотная конверсия.

2CO + 2H₂ — CH₄ + CO₂

ДН = +247 кДж/моль (3).

В промышленности используется практически лишь метод паровой конверсии (1). Реакцию проводят на нанесенном Ni-катализаторе при высокой температуре (700 — 900 °С). Что касается реакции (2), то на ее основе фирмой «Shell» был разработан технологический процесс в некаталитическом варианте при очень высоких температурах (1100 — 1300 °С), реализованный на небольшом заводе в Малайзии. Заметим, что по последним сведениям из-за аварии этот завод сейчас не работает. Реакция (3) пока находится в стадии исследования на уровне лабораторных и пилотных испытаний. Как следует из уравнений (1) — (3), количественный состав образующегося синтез-газа в этих реакциях различный: в реакции (1) получается синтез-газ состава СО: Н₂ = 1:3, в реакции (2) — смесь 1:2, в реакции (3) — смесь 1:1. Потребность в синтез-газе того или иного состава определяется его последующим техническим назначением.

Так, для синтеза метанола требуется синтез-газ состава 1:2.

СО + 2Н₂ = СН₃ОН (4).

В производстве аммиака из азото-водородной смеси на стадии ее получения применяют синтез-газ состава 1CO:3H₂. Относительно недавно предложено использовать синтез-газ состава 1:1 для промышленного получения диметилового эфира [9, 10]. Формальная стехиометрия этой реакции соответствует уравнению.

2СО + 4Н₂ = СН₃ОСН₃ + Н₂О (5).

Однако, с учетом того, что в условиях этого процесса H₂O вступает во взаимодействие с CO (паровая конверсия CO).

CO + H₂O — CO₂ + H₂

ДH = - 41 кДж/моль (6).

реально для получения диметилового эфира требуется смесь CO: H₂ состава 1:1:

3СО + 3Н₂ = СН₃ОСН₃ + СО₂ (7).

Термодинамическое рассмотрение реакции (7) указывает, что она может осуществляться при давлениях значительно меньших, чем реакция (4). Катализатором реакции (7) может служить комбинация катализаторов дегидратации и синтеза метанола. Получаемый диметиловый эфир предлагается применять в качестве топлива в дизельных двигателях без переделки самих двигателей (это топливо резко снижает вредные выхлопы — «топливо 21 века», как его назвали разработчики).