Термическое разложение природного газа

Пиролиз метана: понятие, реакция, уравнение, продукты

Какой станет наша планета через пару десятков лет – вот вопрос, который до сих пор мучает все человечество. Превратится ли наш дом в уютный уголок, или же постоянно расширяющаяся свалка скоро доберется до наших дворов? Переработка бытового мусора используется в развитых странах вот уже более 40 лет, но для России до сих пор являются чем-то новым. Тем более, что общественности практически ничего не известно о наиболее прогрессивных технологиях в сфере переработки мусора.

Так, далеко не все из нас знают о том, что из обычного бытового мусора, которым забит каждый полигон ТБО, вернее из его органической составляющей при помощи такого устройства как биореактор можно получить биогаз – газ, имеющий в своем составе метан.

Полученная путем сжигания биогаза электроэнергия способна не только удовлетворить собственные нужды мусороперерабатывающего завода, но и использоваться для последующей продажи. Представьте себе, как это удобно, ведь из обычных отходов можно получить доходы. Причем данная технология переработки мусора является абсолютно безопасной и экологически чистой.

Однако полученный из мусора метан можно не только сжигать для получения тепла и электричества. Из метана путем процесса пиролиза можно получать ацителен. Что же это за вещество, и для чего оно нужно? Об этом мы поговорим чуть позже, а пока сделаем основной упор на самом процессе пиролиза метана.

Пиролиз метана реакция

Пиролиз метана это процесс, осуществляемый при высокой температуре в 1200-1500°С с последующим ему быстрым охлаждением продуктов реакции. В результате пиролиза образуется ацитилен, который здесь является скорее не конечной целью, а промежуточным продуктом, необходимым для дальнейшего производства продуктов органического синтеза. Поскольку пиролиз метана только для получения ацетилена экономически невыгоден, данная технология обычно применяется на заводах, осуществляющих его дальнейшую переработку в такие продукты как, например, синтетический каучук. Важным фактором, определяющим степень эффективности процесса пиролиза метана, является стойкость получаемых и исходных углеводородов при высокой температуре.

Судить о термической стойкости углеводородов можно по изменению в зависимости от температуры свободной энергии их образования. Чем ниже при данной температуре будет свободная энергия, тем стабильнее углеводород. Исследования данной зависимости показали, что стабильность ацетилена увеличивается с повышением температуры у, в то время как у других углеводородов стабильность падает. Это означает, что они при соответствующих условиях способны превратиться в ацетилен. Поскольку свободная энергия образования ацетилена при температуре 1200 °С меньше чем свободная энергия образования метана, то это сделало возможным образование ацетилена непосредственно из метана.

Однако ацетилен при 1500°С является термодинамически неустойчивым веществом, и в весьма короткий промежуток времени может разложиться на водород и углерод (сажу). Во избежание разложения получившегося в процессе пиролиза метана ацетилена время пребывания пиролизных газов в реакционной зоне ни в коем случае не должно превышать сотой доли секунды.

Продукты, полученные в результате реакции пиролиза метана, быстро охлаждаются до температуры 90—200 «С. Делается это для того, чтобы сохранить ацитилен, поскольку при такой температуре реакция разложения ацетилена прекращается. Охлаждение ацитилена производят путем впрыскивания в газовый поток воды. Данный процесс называется закалкой ацитилена.

Пиролиз метана уравнение

В настоящее время подробной кинетической схемы процесса пиролиза метана не существует. Однако метод и реакции пиролиза можно представить в виде ряда химических уравнений. Ацетилен добывают из метана путем термического разложения (пиролиза) по реакции:

Для поддержания реакции пиролиза необходимо тепло, которое подводится путем нагрева исходных газов и образуется в результате сжигания непосредственно в реакционном объеме небольшого количества метана. В связи с тем фактом, что процесс пиролиза метана осуществляется в факеле, одновременно с образованием ацетилена протекает целый ряд побочных реакций, среди которых:

Помимо указанных, также протекают и реакции образования высших ацетиленовых углеводородов, например, таких как диацетилен, метил ацетилен, винилацетилен и др.

Продукты пиролиза метана.

Ацетилен это бесцветный горючий газ с формулой C₂H_2. Данное вещество, которое по своей массе легче воздуха, обладает резким запахом. Ацетилен был впервые получен в 1836 году химиком Эдмондом Дэви, который получил его путем обработки карбида калия водой. Тогда ацетилен было решено использовать для освещения улиц. Ацетиленовые горелки давали примерно в 15 раз больше света, нежели обычные газовые фонари на метане, которыми освещали улицы. С течением времени они были вытеснены электрическими фонарями, но еще долго использовались в отдельных местностях.

Данное вещество так и осталось бы забытым, если бы не развитие химической промышленности не нашло ему новое применение. В середине прошлого века ацетилен нашел все более широкое применение в качестве исходного сырья при производстве самых различных химических продуктов. Ацитилен используется для получения:

• мономеров для хлоропренового каучука
• различных пластических масс (поливинилхлорид, поливинилацет)
• химических волокон
• растворителей

• Комментарии к статье
• Вконтакте

Источник

2.1.3.1. Термоокислительный пиролиз природного газа.

Наиболее распространенный способ переработки природного газа в ацетилен. При работе по этому методу часть газа сжигается в токе кислорода с получением тепла, необходимого для конверсии оставшейся части сырья до ацетилена. Исходные продукты – метан и кислород – предварительно нагревают до температуры 550-600 0 С­­ и направляют в реактор, состоящий из смесителя (СН₄:О₂ – 1:0,65), диффузора, горелки, реакционной камеры и закалочного устройства. Закалка способствует предотвращению разложения ацетилена на элементы. На 1 кг С₂Н₂ расходуется: природного газа – 4,5-6,5 кг; кислорода – 4,9 кг; водяного пара – 4 кг, электроэнергии — 1,5-2,0 кВт.ч. Выход сажи составляет — 3%, (такой же порядок, как при канальном способе ее производства). Состав газа (% объемные): С₂Н₂ – 7-9 %, Н₂ – 45-55 %, СН₄ – 5-25 %, СО – 26-27 %, СО₂ – 3-4 % [65].

Сажи, получаемые в этом процессе, имеют довольно высокие значения удельной поверхности (60-120 м₂/г), являются низкоструктурными (0,65-0,85 см 3 ДБФ/г).

2.1.3.2. Электрокрекинг природного газа.

Осуществляется в стальных охлаждаемых водой реакторах, в которых между двумя электродами, подключенными к высоковольтному (8000 В) источнику постоянного тока, возбуждается электрическая дуга. В зону ее действия, где средняя температура поддерживается на уровне 1600 0 С, вихревым потоком со скоростью 100 м/с подается природный газ. Выводимые из этой области продукты реакции, проходя через водоохлаждаемую трубу, остывают до температуры 600 о С, а затем, впрыскиванием воды, резко охлаждаются до 150 о С. После выделения сажи в нескольких последовательно установленных циклонах, пенном аппарате и электрофильтре, реакционные газы поступают на разделение. Их состав (% объемные): С₂Н₂ — 11-13 %, СН₄ (неразложившийся) – 28-30 %, Н₂ – 56-58 %, N₂ – 3-7 %. Расход электроэнергии составляет 13000 кВт.ч/тонну С₂Н_2.. На тонну С₂Н₂ в зависимости от исходного состава газа получается от 60 до 180 кг сажи.

Сажи электрокрекинга метана имеют высокие значения удельной поверхности и являются высокоструктурными [65].

2.1.3.3. Разложение жидких углеводородов в различных видах электрических разрядов [19,71].

Общим для всех рассмотренных выше способов получения саж является то, что их реакционные устройства имеют высокотемпературную область, в которой происходит превращение сырья и образование целевых продуктов, направляемых далее в зону, где производится их закалка. Вся образовавшаяся сажа находится в объеме реакционных газов.

При разложении жидких углеводородов в электрических разрядах образующиеся газы мгновенно вытесняются в окружающую жидкую среду, где происходит их мгновенная закалка. Затем реакционные газы, пройдя слой сырья, удаляются из реактора, а сажа почти полностью в диспергированном виде остается в жидком продукте.

Исследования с использованием высоковольтной дуги [67], возбуждаемой от источника напряжением 15000 В промышленной частоты, позволили установить, что характер перерабатываемого сырья оказывает существенное влияние на составы и выходы продуктов распада. Из парафиновых углеводородов получается газ, содержащий (в объемных %) : С₂Н₂ – 31-33 %, С₂Н₄ — 9 %, СН₄ — 2 %, Н₂ – 57-58 %. Выход сажи составил — 14%, а расход электроэнергии – 9 кВт.ч/кг С₂Н₂. Из бензола получено: С₂Н₂ – 41,4 %, С₂Н₄ — 0,8 %, СН₄ — 0,2 %, Н₂ – 58%. Выход сажи составил 53,7%, а расход электроэнергии – 9,3 кВт.ч/кг С₂Н₂. При использовании высоковольтных дуговых разрядов можно работать под давлением до 0,5 МПа [68], осуществлять совместное разложение тяжелых и легких фракций нефтепродуктов, подавая последние в испаренном виде между электродами, находящимися в окружении высококипящего сырья [69].

Разложению в электрической дуге могут быть подвергнуты различные фракции углеводородов. Состав образующихся газов и выход сажи зависит от природы сырья, что иллюстрируется данными, приведенными в табл. 2.2. [71].

Составы и выходы продуктов, полученных при электрокрекинге нефтепродуктов и пиролизных смол [71].

Источник