Как получают синтетический метан. Производство метана

Как получают синтетический метан - Автомобили

Изначально предполагалось, что это электричество, выработанное исключительно с помощью возобновляемых источников будет использоваться при производстве электрических автомобилей семейства e-tron, а также для их дальнейшего использования. В частности, председатель правления компании Руперт Штадлер в 2010 году неоднократно заявлял, что все электромобили «Audi» будут работать на электричестве, полученном экологически безопасным способом. Поэтому, собственно, на протяжении двух следующих лет этот топливный проект выглядел лишь как дополнение к проекту e-tron. Но кто бы мог подумать, что в итоге все это поставит под угрозу бизнес, например, Газпрома? Мечты Алексея Миллера явно выглядят иначе...

Выработка экологически чистого электричества действительно оказалась частью более крупной программы, но не совсем автомобильной. Инициатива со скромным названием Audi balanced mobility вплотную связана с машинами, но главной ее задачей является достижение нейтрального баланса по диоксиду углерода на протяжении всей жизни автомобиля, начиная с момента производства и заканчивая моментом утилизации. И одной из ключевых составляющих программы является проект Audi e-gas, а выработка электроэнергии в Северном море и ее транспортировка – лишь его составляющая. И это выглядит куда интереснее, чем повальное увлечение электромобилями и попытки создания эффективного гибрида.

Дело в том, что e-gas отчасти можно считать углеводородом, так как речь идет о выработке синтетического... метана! Этот газ сам по себе является одним из самых быстровосполняемых углеводородов на планете. Однако искусственный метан, по мнению немцев, позволит еще и очистить Землю от парниковых газов. Суть в том, что при его выработке реакция происходит с использованием воды и диоксида углерода и, следовательно, предотвращает поступление последнего в атмосферу. В результате же мы получаем замкнутый, по сути, цикл оборота СО2. Единственным же выхлопом на первом этапе является кислород, а на втором – дистиллированная вода. Кроме того, гидролиз позволяет вырабатывать водород, который, в свою очередь также является источником энергии и в среднесрочной перспективе может использоваться на машинах с топливными ячейками.

Наряду с разработкой водородных машин, эта схема выглядит более чем перспективной, поскольку уж что-что, а запасы СО2 на планете не никогда иссякнут. Поэтому даже если для синтеза, в итоге, будет использоваться не «экологически чистое» электричество, она все равно окажется более реальной и эффективной, чем любое другое подобное начинание.

Дело в том, что установка, предназначенная для получения топлива может быть каких угодно размеров. Audi сейчас построила завод и ближайшем будущем собирается создать целую сеть подобных предприятий. Но кто мешает сделать сделать установку более компактной и обеспечить таким образом топливом, скажем, деревню? Или улицу? Или отдельно стоящий дом? Для гидролиза понадобится электричество, однако на этот случай есть ветряки. Разумеется, скажем, в Средней полосе России они не будут являться основным источником энергии, но почему им при этом не быть вспомогательным? В любом случае, вы производите дешевый метан, которым в последствии и топитесь, и машину заправляете.

А теперь сравните эту идею с «умным домом», который придумал «Nissan». После трагедии в Фукусиме японцы решили оградить соотечественников от длительных отключений электроэнергии: мол, ребята, ваш LEAF теперь умеет не только потреблять электричество, но и отдавать его – подключаете его к дому и можете пользоваться... Все отлично, если не одна мелочь: LEAF – аккумулятор, который, как известно, имеет свойство разряжаться, и в конце концов это произойдет. Для Японии, думаю, пять-шесть часов без энергии – нонсенс, у нас, как показывает практика, нормой считаются и несколько дней, так что программа e-gas в нашем случае – проект не только интересный, но и полезный, а для Европы еще и стратегический, так как в перспективе он позволит Старому Свету полностью слезть с российской газовой иглы. Учитывая, что эта схема давно и достаточно эффективно используется в химической промышленности, проблем с ее использованием быть не должно, единственная проблема, которую предстоит решить инженерам немецкой компании (в проекте также участвуют ETOGAS GmbH, MT-BioMethan GmbH, Центр по исследованию солнечной и водородной энергии (ZSW), Фрауэнхофский институт по ветроэнергетике и технологиям энергосистем (IWES) и EWE Energie AG) – возможность получения СО2 непосредственно из атмосферы, и если это случится мечты сбудутся у всех, а не только у менеджеров Газпрома.

Как это работает

Если упростить схему до школьного уровня, то она становится практически элементарной. Фактически технология состоит из трех этапов. Первый – выработка «зеленого» электричества. Второй – электролиз, в ходе которого вода расщепляется на кислород и водород. Третий – метанирование. Полученный в ходе гидролиза водород поступает в соответствующий резервуар, где в дальнейшем реагирует с СО2, образуя тот самый e-gas. В качестве же побочного продукта образуется дистиллированная вода.

Ветровые электростанции в Северном море

Электричество для проекта e-gas вырабатывают с помощью четырех энергетических установок, построенных на старых нефтяных платформах в Северном море. За счет постоянных ветров они примерно на 40% эффективнее наземных ветряков того же размера.

Каждая из турбин рассчитана на 3,6 мегаватт, то есть ежегодно они вырабатывают порядка 53 гигаватт энергии, которых вполне хватает для нужд среднего города. Притом, с повышением эффективности отдача ветряков будет только увеличиваться.

Топливный завод

В данном случае речь о громадном заводе по производству синтетического метана в немецком Верльте, который Audi с партнерами запустили 28 июня прошлого года. Его строительство началось в сентябре 2012 года, а закончено в декабре. Как заявили немцы, излишки тепла, образующиеся в ходе метанирования, используются на соседнем заводе по производству биогаза, а оттуда на предприятие поставляется высококонцентрированный CO2, использующийся как базовое сырье для производства e-gas. Последний момент и является основной технологической препоной для повсеместного внедрения подобных комплексов, поскольку иные составляющие – вода и электричество – по сути, есть где угодно.

Этот завод вписан в общую энергетическую и газораспределительную сети Германии со всеми отсюда вытекающими. Проще говоря, синтезируя с помощью «зеленого» электричества искусственный метан, немцы его, как минимум, сохраняют, поскольку он в последствии может быть использован в качестве топлива на газовых или тепловых электростанциях.

Стоит заметить, что e-gas практически идентичен природному газу. Предприятие в Верльте будет производить около 1000 тонн e-gas в год, химически связывая при этом около 2800 тонн двуокиси углерода. Примерно такое же количество СО2 за год поглощает буковый лес, состоящий из 220 000 деревьев.

Audi g-tron

В конце 2012 года менеджмент Audi объявил о том, что компания отказывается от выпуска R8 e-tron, обосновывая свое решение тем, что этот проект оказался слишком дорогим и неэффективным. В частности немцев не устроила стоимость аккумуляторов. В итоге те автомобили, которые уже были произведены, они планируют использовать для дальнейших испытаний. Нет существенных подвижек и в деле о запуске аналогичного А1. Машину обновили, но что с ней будет в дальнейшем пока неизвестно. В общем, реализацию концепции электромобиля в Ингольштадте, можно сказать, заморозили.

В то же время, не так давно оттуда пришло сообщение, что компания выпустит 1500 Audi A3 Sportback g-tron. В пятидверном хэтчбеке с двигателем 1.4 TFSI в качестве топлива может использоваться природный газ, биометан и Audi e-gas. Кроме того, двухтопливная концепция машины позволяет ей ездить и на бензине. Все это обеспечивает единовременный запас хода около 1300 километров.

Предполагается, что покупая Sportback g-tron клиент может заказать квоту на e-gas. С этого момента он будет включен в процесс учета топлива, гарантирующий, что весь газ, закачиваемый в баллон автомобиля на газозаправочной станции, поступил в газотранспортную сеть именно с завода Audi e-gas.

Audi утверждает, что A3 Sportback g-tron потребляет в среднем менее 3,5 кг e-gas на 100 км пути. Выбросы CО2 при этом не превышают 95 г/км по циклу NEDC, и что работа двигателя этого автомобиля является нейтральной с точки зрения влияния на климат, так как вся двуокись углерода, образующаяся во время эксплуатации автомобиля, ранее была изъята из атмосферы при производстве топлива. В итоге, даже при комплексном анализе wheel-to-well, который учитывает строительство и эксплуатацию завода, а также строительство и обслуживание ветрогенераторов, выбросы CO2 составляют лишь 20 г/км, что является рекордно низким показателем, который недавно был подтвержден сертификатом TÜV Nord.

www.avtovzglyad.ru

Выработка сжиженного метана из низкосортных горючихс применением газогидратной технологии

IV конференция "ТРИЗ. Практика применения методических инструментов"

Выработка сжиженного метана из низкосортных горючихс применением газогидратной технологии

В.В. Велицко

Наличие широкого спектра нестандартных горючих, таких как биомасса, различные каустобиолиты (торф, уголь сланцы и т.п.), а также различных горючих углеводородных газов, таких как попутный нефтяной (ПНГ), сланцевый, шахтный газ, биогаз и т.п. ставит задачу рационального использования данных видов энергоносителей. При этом рациональное использование заключается не только в сжигании для производства максимального количества энергии, но и в том, что бы энергоносители добывались, транспортировались и использовались с максимальными безопасностью (как по отношению к природе, так и по отношению к потребителю) и максимальной экономической эффективностью. При этом критерию экологическая безопасность будет соответствовать вовлечение в использование возобновляемых видов горючих, таких как биомасса (древесина и т.п.), торф и биогазы (биогаз, газ мусорных свалок).

Поддержка производства энергии из возобновляемых источников распространяется не только на выработку по «зелёным» тарифам электроэнергии и тепла, но и на производство горючих из возобновляемых источников. К последнему примеру можно отнести производство метана из биогаза и газа мусорных свалок, которое также стимулируется в странах ЕС. Однако существующие положение с производством энергии и горючих из возобновляемых источников требует их дотирования и стимулирования различными способами, т.к., в большинстве случаев, такие энергоносители неконкурентоспособны ни по себестоимости, ни по качественным параметрам в сравнении с классическими видами энергоносителей, естественно, при доступности последних и отсутствии мер государственного принуждения к использованию потребителями нестандартных энергоносителей.

Типичным примером является наличие в странах ЕС «зелёных» тарифов на скупку газоснабжающими компаниями метана, выработанного из биогаза по цене, на уровне 1 000 – 1 200 $ за 1 000 Нм³ при стоимости природного газа для конечных потребителей на уровне 500 $/1 000 Нм³. Аналогичная тарифная политика, за которую, в конечном счёте, платят потребители, существует и по другим направлениям возобновляемой энергетики. Эта ситуация связана с тем, что нестандартные энергоносителей разнотипны, имеют децентрализованную добычу, в большинстве случаев, без предварительной переработки, не могут транспортироваться по существующей энерготранспортной инфраструктуре (газо,- и нефтепроводы, продуктопроводы и т.п.). Также использование возобновляемых энергоносителей сопряжено с необходимостью установки специализированного оборудования, зачастую имеющего более высокие удельную стоимость и стоимость жизненного цикла, чем оборудование, предназначенное для потребления стандартных энергоносителей.

Изложенные выше проблемы с использованием возобновляемых энергоносителей, также, в значительной мере, относящиеся и к нестандартным невозобновляемым, а также к медленно возобновляемым энергоносителям, ставят задачу разработки малотоннажной технологии по экономически-эффективной переработке указанного сырья в квалифицированные горючие, такие как углеводородные газы (метан, пропан-бутановая смесь – СПБТ) и моторные горючие (бензин, дизтопливо, реактивное топливо). При этом необходимо обеспечить возможность использования полученных энергоносителей, в том числе и на месте их производства, что позволит минимизировать как затраты на логистику, так и затраты на локальное топливоснабжение.

Примером такой переработки является переработка ПНГ и ископаемого природного газа (ИПГ) в синтетическую нефть с применением синтеза Фишера-Тропша (СФТ). Однако данная технология неприменима для получения конечного продукта, который может быть использован на месте производства, т.к. низкая селективность процесса позволяет получать исключительно синтетическую нефть, а не только её целевые фракции (бензиновую, дизельную), что требует дополнения ГВЖ – установки (газ в жидкость или gas to liquids – GTL) нефтеперерабатывающим заводом (ПНЗ).

Учитывая, что СФТ позволяет вырабатывать широкий спектр углеводородов начиная от метана и заканчивая парафинами, применение технологии ГВЖ обусловлено несколькими факторами, такими как более высокая стоимость синтетической нефти, чем углеводородных газов, простота отделения жидкой углеводородной фракции от примесей – в первую очередь от азота, поступающего в составе воздуха в газогенератор при парциальном окисления сырья для выработки монооксида углерода и водорода, на базе которых производится СФТ, а также простотой транспорта жидких углеводородов.

Учитывая, что разрабатываемая технология приоритетно ориентировалась для использования на территории России, с возможностью унифицированной переработки в квалифицированные виды горючего различного сырья, такого как древесина, торф, низкосортные угли, нестандартны газы и т.п., изначальным условием являлось отсутствие или низкое качество автомобильных дорог, что требовало использования альтернативной транспортной инфраструктуры для вывоза и распределения полученных квалифицированных горючих. В результате введения данных условий было сформулировано техническое противоречие (ТП) №1.

ТП№1: синтезированные углеводороды, если они жидкие, при нормальных термобарических условиях, легко сепарировать и они имеют высокую отпускную стоимость, но они требуют сооружения НПЗ или завоза на место производства моторных топлив со стороны, тогда как синтезированные газообразные углеводороды (приоритетно – метан), при низкой стоимости и отсутствии известной технологии дешёвого разделения от газообразных примесей, не требуется разделять на отдельные углеводородные фракции, можно транспортировать по существующей газотранспортной инфраструктуре и можно непосредственно использовать в качестве моторных топлив.

Усилив ТП №1 получим, что целевой продукт – синтезированный метан, который может транспортироваться по газотранспортной инфраструктуре, не может быть дёшево очищен от примесей с использованием известных технологий газоочистки.

Выбрав в качестве полезного свойства в ТП №1 возможность транспорта метана по газотранспортной инфраструктуре, сформулируем ТП №2.

ТП №2: синтезированный метан до потребителя может транспортироваться в компактном виде, что потребует дополнительного энергозатратного передела (компримирование до 200 ати и выше или ожижение) или же метан может транспортироваться при низком давлении по локальному газопроводу, что снизит маневренность перерабатывающего комплекта по производству метана.

Усилим ТП №2: сжиженный метан имеет минимальный удельный объём при максимальной энергозатратности процесса получения (известно, что на заводах по производству СПГ для покрытия энергозатрат расходуется 30-50% ИПГ, поступающего на завод).

В качестве полезного свойства в ТП №2 выбираем возможность транспорта метана в компактном (сжиженном) виде.

Учитывая, что в компактном виде метан может быть представлен в качестве как отдельного вещества, т.е. в сжиженном виде или в виде льда или же в виде химического и/или физического соединения с другими веществами, которые помимо компактности транспортировки могут обеспечить снижение пожароопасности сжиженного метана, было сформулировано ТП №3.

ТП №3: сжиженный метан максимально компактен, но сложен в транспортировке и пожароопасен, а метан в соединении с другим веществом не столь компактен и требует дополнительного передела по превращению в метан у потребителя.

В качестве полезной функции ТП №3 выберем транспорт метана в смеси или в соединении с другим, как минимум одним веществом.

Опустим многоитерационный путь длиной в несколько лет и кратко опишем полученные результаты. Веществом, в соединении с которым метан, как и многие другие углеводородные газы, приобретает компактную форму и очень низкую пожароопасность, является вода. Этим соединением является газогидрат – гидрат метана, состоящий только из молекул воды и метана, преимущественно образуемый при воздействии пониженных температур и невысоких избыточных давлений. Гидрат метана содержит в 1 м³ 164 Нм³ метана. По энергосодержанию он, аналогичен сжатому метану и безопасен в транспортировке. На фотографии (Рис. 4) представлено горение гидрата метана на воздухе.

Газогидрат является стабильным и безопасным для транспортировки веществом. Ведущие мировые страны в настоящее время не только разрабатывают и внедряют технологии разработки природных месторождений газогидратов, но и сооружают заводы (Рис. 5) по выработке газогидратов для транспортировки морским транспортом, что обеспечивает общее снижение затрат на доставку метана в сравнении с технологией ожижения природного газа. На Рис. 5 приведены пилотные заводы, сооружённые компанией Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC) для отработки технологии производства, транспорта и применения гидрата метана, а также приведена фотография гидратных пеллет.

Существующие технологии получения синтетического метана, соответствующего по составу ископаемому природному газу, из низкосортных горючих являются экономически неэффективными, т.к. требуют высоких капитальных и эксплуатационных затрат. В существующих технологических схемах в дополнение к основному технологическому оборудованию, включающему в себя оборудование по подготовке сырья, например древесины, её газификации, очистке полученного газогенераторного газа и синтезу углеводородов (в том числе и метана) требуется криогенный комплекс по производству кислорода сопоставимый по стоимости и эксплуатационным затратам с остальным оборудованием всего производства. Также, для производства СПГ требуется сооружение энергозатратного комплекса по ожижению метана.

Разработана инновационная технология производства синтетического метана с применением процесса синтеза по методу Фишера-Тропша, отличается техническим решением, позволяющим исключить из технологической цепочки криогенный кислородный завод. Данное решение обеспечивает существенное снижение капитальных и текущих затрат, что делает рентабельным производство синтетического метана.

Весь производственный цикл инновационный технологии синтеза метана может быть реализован на базе существующего стандартного технологического оборудования.

В настоящее время патентуются ключевые технические решения предлагаемой технологии.

Суть предлагаемой технологии заключается в газификации низкосортного топлива воздухом, последующем синтезе из полученного газогенераторного газа метана и последующем одностадийном выделении метана из полученных продуктов синтеза. Выделение метана осуществляется путём его превращения в газогидрат с последующим транспортом гидрата метана на комплекс по производству LNG. В LNG гидрат метана перерабатывается путём термического разложения гидрата метана, в результате чего давление метана превышает 700 атмосфер избыточных (ати). Метан с указанным давление может ожижаться в большинстве известных установок по производству LNG, при этом не требуя дополнительных затрат на компримирование. Остаточный газообразный метан с давлением 55 ати подаётся в магистральный газопровод. LNG используется для экспортных поставок, а также для топливоснабжения парка заготовительной техники, что исключает потребность в завозе дизтоплива.

Суть разработанной технологии заключается в газификации низкосортного топлива воздухом, последующем синтезе из полученного газогенераторного газа метана и последующем одностадийном выделении метана из полученных продуктов синтеза. Выделение метана осуществляется путём его превращения в газогидрат с последующим транспортом гидрата метана на комплекс по производству СПГ. В СПГ гидрат метана перерабатывается путём термического разложения гидрата метана, в результате чего давление метана превышает 700 атмосфер избыточных (ати, BarG), при этом технология, без существенных дополнительных энергозатрат, позволяет увеличивать давление вырабатываемого метана вплоть до 4 000 ати и более. Метан с указанным давление может ожижаться по процессам, аналогичным процессам в большинстве известных установок по производству СПГ, при этом не требуя дополнительных затрат на компримирование. Остаточный газообразный метан с давлением на уровне 55 ати подаётся в магистральный газопровод. СПГ используется для экспортных поставок, а также для топливоснабжения парка заготовительной техники, что исключает потребность в завозе дизтоплива.

Технологические блок-схемы производства приведены на Рис. 6 и 7. Позиции по Рис. 6 и 7:

заготовка сырья,
транспорт гидрата метана на переработку,
выработка электроэнергии,
выработка тепла,
выработка летучих зол,
сброс очищенных отходящих газов,
транспорт гидрата метана на переработку,
выработка воды питьевого качества,
заправка компримированным метаном автотранспорта,
заправка LNG автотранспорта,
Транспорт компримированного метана потребителями по газопроводу,
Транспорт LNG железнодорожным / морским транспортом потребителям.

Рис. 6

Рис. 7

Аналогично технологиям, приведённым на Рис. 6 и 7 могут перерабатываться и нефтеоотходы. Технология переработки нефтеотходов представлена на Рис. 8. Последующая технологическая цепочка полностью аналогична технологиям переработки, представленным на Рис. 6 и 7.

Рис. 8

Ключевые особенности технологии: технология нацелена на переработку любых нестандартных метаносодержащих газов в чистый метан. Также в чистый метан могут перерабатываться органическое сырьё любого качества. Технология применима в угольных шахтах для выделения метана из шахтного воздуха, что обеспечит предотвращение взрывов шахтного газа в угольных шахтах и эффективное парирование суфлярных выбросов шахтного газа.

Технология очистки метана сопряжена с производством КПГ и СПГ, что делает процесс компримирования и производства сжиженного метана энергоизбыточным, а не энергодефицитным и позволяет отказаться от использования компрессоров для сжатия или ожижения метана. Побочными продуктами производства СПГ и КПГ являются электроэнергия и техническая вода. При этом в виде СПГ возможно производство от 60% метана и выше, тогда как остальная часть метана может подаваться потребителям в газообразном виде.

Перерабатывающие комплексы могут устанавливаться у потребителей, обладающих запасами низкосортных топлив и органических отходов коммунального (ТБО) и промышленного происхождения, а также в местах добычи нефти и горючих газов, таких как ПНГ, ИПГ и сланцевый газ.

Приоритетными потребителями являются страны, импортирующие природный газ, а также страны, нацеленные на рациональное природопользование.

Приоритетными регионами, в которых располагаются потребители, является Евросоюз и азиатско-тихоокеанский регион (АТР). Приоритетными странами, где может размещаться переработка низкосортного сырья с СПГ, являются страны СНГ (Россия, Украина, Белоруссия, Казахстан), Австралия, США, Канада, Бразилия, Индия.

По предварительным оценка реализация данной технологии в России позволит решить несколько ключевых задач, таких как экономически-эффективное использование торфяников и низкосортной древесины, экономическое стимулирование развития депрессивных регионов и неудобных земель, к которым отсутствует подвод энергоносителей с созданием на них новых сельскохозяйственных и перерабатывающих производств и эффективное производство по конкурентоспособным ценам на уровне более 90 млрд. нм³ метана в год по России, для чего потребуется 1 – 1,5 тыс. головных производств и 10 – 20 тыс. заготовительных производств суммарной стоимостью 20 – 40 млрд $. При этом комплектные производства могут полностью изготавливаться в России, что напрямую создаст на уровне 300 тыс. рабочих мест без учёта мультипликативного эффекта, а также эффекта от того, что будет развёрнута параллельная газотранспортная инфраструктура, наличие которой также обеспечит стимулирование всех сфер промышленного производства.

Литература

Klinkhammer G. Фотография горения гидрата метана // Интернет, Oregon State University’s College of Oceanic and Atmospheric Sciences.
Хавкин А.Я., Велицко В.В. Очистка шахтного газа от метана // Содействуя экономическому развитию России. Проекты международного общественного фонда «Фонд содействия экономическому развитию им. Байбакова Н.К.» за 1996–2011 гг. // М., Нефть и газ, 2011, с. 117–118.
Велицко В.В., Хавкин А.Я. Очистка шахтного воздуха от метана с применением газогидратных технологий // Естественные и технические науки, 2012, №1, с.150–162.

www.metodolog.ru

Начата разработка технологий масштабного производства метана из

Экология потребления.Наука и техника: CCR Study Group займется разработкой крупномасштабных технологий, при помощи которых можно будет получать жидкое и газообразное топливо, используя атмосферный углекислый газ и водород.

Руководители Института индустриальных наук (Institute of Industrial Science) Токийского университета, Национального института науки и передовых технологий (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, AIST), компаний Hitachi Zosen Corp, JGC Corp и EX Research Institute Ltd 18 ноября 2016 года приняли решение об организации новой объединенной научно-исследовательской группы "CCR (carbon capture & reuse) Study Group". Эта группа займется разработкой крупномасштабных технологий, при помощи которых можно будет получать жидкое и газообразное топливо, к примеру, метан, используя для этого атмосферный углекислый газ и водород, полученный путем электролиза при помощи энергии от экологически чистых возобновляемых источников. В первую очередь эта группа займется исследованиями, направленными на увеличение эффективности использования энергии, получаемой из возобновляемых источников, эффективности технологий выделения углекислого газа из атмосферы и его дальнейшего использования и разработкой новых, более современных методов получения водорода из воды путем электролиза.

В основе будущих технологий будут лежать достаточно известные физические процессы и химические превращения, реализованные на современном технологическом уровне. Углекислый газ, попадающий в атмосферу при сжигании любого типа ископаемого топлива, будет реагировать с водородом. Этот водород будет получен методом электролиза, а требующаяся для этого энергия будет поступать исключительно из экологически чистых источников, в основном от солнечных и ветряных электростанций.

Данная технология рассматривается не только в качестве чистого источника жидкого и ископаемого топлива. Еще одной функцией такой технологии станет сохранение в виде топлива излишков энергии, получаемой от солнечных и ветряных электростанций в часы ее минимального потребления.

Группа CCR будет иметь дело со всеми существующими видами возобновляемых источников чистой энергии. Помимо этого, будут исследоваться и разрабатываться новые эффективные методы получения водорода, выделения углекислого газа и превращения его в топливо.

Работа над всеми исследуемыми и разрабатываемыми технологиями будет вестись с двух позиций. Первой позицией будет создание малогабаритных, возможно мобильных установок не очень большой мощности, которые смогут обеспечить газообразным метаном потребности некоей отдельной небольшой группы людей (децентрализованная модель). А вторым направлением станет разработка крупномасштабных производственных систем, которые будут иметь достаточно высокую мощность и которые могут быть включены в общую энергетическую сеть страны (централизованная модель). опубликовано econet.ru

econet.ru

Свойства метана

Метан горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1м3. С воздухом образует взрывоопасные смеси. Особую опасность представляет метан, выделяющийся при подземной разработке месторождений полезных ископаемых в горные выработки, а также на угольных обогатительных и брикетных фабриках, на сортировочных установках. Так, при содержании в воздухе до 5–6% метан горит около источника тепла (температура воспламенения 650—750 °С), от 5–6% до 14–16% взрывается, свыше 16% может гореть при притоке кислорода извне. Снижение при этом концентрации метана может привести к взрыву. Кроме того, значительное увеличение концентрации метана в воздухе бывает причиной удушья (например, концентрации метана 43% соответствует 12% O2).

Взрывное горение распространяется со скоростью 500—700 м/сек; давление газа при взрыве в замкнутом объёме равно 1 Мн/м2. После контакта с источником тепла воспламенение метана происходит с некоторым запаздыванием. На этом свойстве основано создание предохранительных взрывчатых веществ и взрывобезопасного электрооборудования. На объектах, опасных из-за присутствия метана (главным образом, угольные шахты), вводится т.н. газовый режим.

При 150-200 °С и давлении 30-90 атм метан окисляется до муравьиной кислоты.

Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Применение метана

Метан — наиболее термически устойчивый насыщенный углеводород. Его широко используют как бытовое и промышленное топливо и как сырьё для промышленности. Так, хлорированием метана производят метилхлорид, метиленхлорид, хлороформ, четырёххлористый углерод.

При неполном сгорании метана получают сажу, при каталитическом окислении — формальдегид, при взаимодействии с серой — сероуглерод.

Термоокислительный крекинг и электрокрекинг метана— важные промышленные методы получения ацетилена.

Каталитическое окисление смеси метана с аммиаком лежит в основе промышленного производства синильной кислоты. Метан используют как источник водорода в производстве аммиака, а также для получения водяного газа (т. н. синтез-газа): Ch5 + h3O → CO + 3h3, применяемого для промышленного синтеза углеводородов, спиртов, альдегидов и др. Важное производное метана — нитрометан.

Метан и парниковый эффект

Метан является парниковым газом. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 23 единицы. Содержание в атмосфере метана росло очень быстро на протяжении последних двух столетий.

Сейчас среднее содержание метана Ch5 в современной атмосфере оценивается как 1,8 ppm (parts per million, частей на миллион). И, хотя это в 200 раз меньше, чем содержание в ней углекислого газа (CO2), в расчете на одну молекулу газа парниковый эффект от метана — то есть его вклад в рассеивание и удержание тепла, излучаемого нагретой солнцем Землей — существенно выше, чем от СО2. Кроме того, метан поглощает излучение Земли в тех «окошках» спектра, которые оказываются прозрачными для других парниковых газов. Без парниковых газов — СO2, паров воды, метана и некоторых других примесей средняя температура на поверхности Земли была бы всего –23°C , а сейчас она около +15°C.

Метан высачивается на дне океана через трещины земной коры, выделяется в немалом количестве при горных разработках и при сжигании лесов. Недавно обнаружен новый, совершенно неожиданный источник метана — высшие растения, но механизмы образования и значение данного процесса для самих растений пока не выяснены.

studfiles.net

Сжижение природного газа: сжиженный метан

Природные газы в большом количестве содержат метан (до 98%), который при средних давлениях и низких температурах может быть превращен в жидкость – так называемый сжиженный метан. Метан также в значительных количествах (до 97%) содержится в попутном нефтяном газе. После выделения из последнего тяжелых углеводородов он также может быть превращен в сжиженный метан.

Главное преимущество сжиженного метана состоит в том, что каждый кубометр его при атмосферном давлении и температуре –161,45°С занимает в 600 раз меньший объем, чем в газообразном виде. Кроме того, запасы сжиженного газа можно создать в любом пункте независимо от геологических условий. Транспорт сжиженного газа позволяет осуществить широкую международную торговлю газом путем морских поставок его в танкерах. Ниже приведены некоторые свойства чистого сжиженного метана.

Свойства сжиженного метана
Показатель	Значение
Молекулярный вес	16,04
Относительный удельный вес	0,555
Критическая температура	–82,5°С
Критическое давление	45,8 кг/см2
Точка кипения при атмосферном давлении	–161,5°С
Плотность сжиженного газа (жидкая фаза при температуре точки кипения)	415 г/л
Плотность газовой фазы:
при температуре точки кипения	1,8 г/л
при 0°C	0,045 г/л
Теплота испарения	122-138 кал/г
Теплосодержание	73,27 ккал/г

После выделения из попутного нефтяного газа высших углеводородов (пропан + высшие) он может направляться на установку снижения для получения сжиженного метана. Процессы получения сжиженного метана из природного газа и из отбензиненного попутного нефтяного газа одинаковы.

Значение теоретически минимальной работы является функцией только первоначального состояния газа и конечного состояния жидкости и не зависит от вида применяемого процесса.

Формула для определения теоретически минимальной работы имеет следующий вид:

Wr = T0 · ΔS – ΔH, где

Wr– минимальная (или обратимая) работа;

T0 – температура окружающей среды, в которую может быть отведено тепло;

ΔS – уменьшение энтропии при переходе газа от начального до конечного состояния;

ΔH – уменьшение энтальпии при переходе газа от начального состояния до конечного.

Вычисленная по этой формуле теоретически минимальная работа, которая требуется для превращения чистого метана, находящегося под давлением 34 кг/см2 и при температуре 38°С, в жидкость при атмосферном давлении и температуре –161,5°С, составляет 117 квт·ч/100 м3 сжиженного газа.

Действительные затраты работы будут находиться в пределах 285÷632 квт·ч/100 м3 сжиженного газа и зависят главным образом от цикла, используемого для сжижения. Считают, что величина 285 квт·ч/100 м3 сжиженного газа близка к экономически минимальному значению.

Ряд патентов в США по сжижению, хранению и транспортировке газа в сжиженном состоянии известны еще с 1914 года. А первые попытки промышленного использования процессов сжижения относятся к 1941 году.

Способы сжижения природного газа

Классический каскадный цикл с последовательным использованием в качестве хладагентов пропана, этилена и метана путем последовательного снижения их температуры кипения.
Цикл с двойным хладагентом – смесью этана и метана.
Расширительные циклы сжижения.
Новый способ «объединенный» автохолодильный каскадный цикл (ARC), в котором производится ступенчатая конденсация углеводородов с использованием их в качестве хладагентов в последующей ступени охлаждения при циркуляции неконденсирующегося азота.

Преимущество этого нового способа, испытываемого на опытной установке в Нанте (Франция) мощностью 28,3 тыс.м3/сутки, заключается в том, что отсутствует стадия получения и хранения хладагентов, и они извлекаются непосредственно в процессе сжиженияе природного газа. Процесс требует меньших капитальных затрат в сравнении с обычным каскадным циклом, так как необходима только одна машина для циркуляции хладагентов и меньшее число теплообменников.

Процесс сжижения Mixed Fluid Cascade (MFC®) Каскадная схема, в которой раздельно используются три хладоагента с последовательно снижающейся температурой кипения, требует больших капитальных, но меньших эксплуатационных затрат. Эта схема была последовательно усовершенствована; в настоящее время чаще применяется смесь хладоагентов; новая схема называется самоохлаждающей, так как часть хладоагента – этан и пропан – получаются из сжижаемого природного газа. Капитальные затраты при этом несколько ниже. В большинстве случаев в каскадных схемах используются поршневые компрессоры, сравнительно дорогостоящие как по капитальным, так и по эксплуатационным затратам.

Расширительные схемы представляют существенный интерес, так как в них могут использоваться центробежные, более экономичные, машины, но расширительные циклы требуют затрат энергии на 20-30% больших, чем каскадные. Охлаждение достигается изоэнтропийным расширением метана в турбодетандере. Поток газа, предварительно очищенного от воды, углекислого газа и других загрязнений, сжижается под давлением за счет теплообмена с холодным расширенным газовым потоком. Для получения одной части жидкости необходимо подвергнуть сжатию и расширению примерно 10 частей газа.

Интересная модификация расширительной схемы может быть получена при подаче потребителю газа значительно более низкого давления, чем в питающем трубопроводе. Тогда за счет расширения поступающего из трубопровода газа можно получить дополнительное количество СПГ в количестве около 10% подаваемого газа. При этом экономятся капитальные затраты на компрессоры и эксплуатационные расходы на их обслуживание.

Источник: «Производство и использование сжиженных газов за рубежом (Обзор зарубежной литературы)» (Москва, ВНИИОЭНГ, 1974)

lngas.ru

Метан - это... Что такое Метан?

Мета́н (лат. Methanum) — простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха[2], химическая формула — Ch5. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно меркаптаны) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека[3]. Однако имеются данные, что метан относится к токсическим веществам, действующим на центральную нервную систему[4]. Накапливаясь в закрытом помещении, метан взрывоопасен. Обогащение одорантами делается для того, чтобы человек вовремя заметил утечку газа. На промышленных производствах эту роль выполняют датчики и во многих случаях метан для лабораторий и промышленных производств остается без запаха.

Метан — первый член гомологического ряда насыщенных углеводородов (алканов), наиболее устойчив к химическим воздействиям. Подобно другим алканам вступает в реакции радикального замещения (галогенирования, сульфохлорирования, сульфоокисления, нитрования и др.), но обладает меньшей реакционной способностью. Специфична для метана реакция с парами воды, которая протекает на Ni/Al2O3 при 800—900 °C или без катализатора при 1400—1600 °C; образующийся синтез-газ может быть использован для синтеза метанола, углеводородов, уксусной кислоты, ацетальдегида и других продуктов.

Взрывоопасен при концентрации в воздухе от 4,4 % до 17 %[5]. Наиболее взрывоопасная концентрация 9,5 %. Является наркотиком; действие ослабляется ничтожной растворимостью в воде и крови. Класс опасности — четвёртый[6].

Источники

Основной компонент природных (77—99 %), попутных нефтяных (31—90 %), рудничного и болотного газов (отсюда другие названия метана — болотный или рудничный газ). В анаэробных условиях (в болотах, переувлажнённых почвах, рубце жвачных животных) образуется биогенно. Получается также при коксовании каменного угля, гидрировании угля, гидрогенолизе углеводородов в реакциях каталитического риформинга.

Классификация по происхождению:

абиогенный — образован как результат химических реакций неорганических соединений;
биогенный — образован как результат химической трансформации органического вещества;
бактериальный (микробный) — образован в результате жизнедеятельности бактерий;
термогенный — образован в ходе термохимических процессов.

Предположительно, что на поверхности Титана (спутник Сатурна) в условиях низких температур (−180 °C) существуют целые озёра и реки из жидкой метано[источник не указан 27 дней]-этановой смеси.

Получение

В лаборатории получают нагреванием натронной извести (смесь гидроксидов натрия и кальция) или безводного гидроксида натрия с ледяной уксусной кислотой.

Для этой реакции важно отсутствие воды, поэтому и используется гидроксид натрия, так как он менее гигроскопичен.

Возможно получение метана сплавлением ацетата натрия с гидроксидом натрия[7]:

Также для лабораторного получения метана используют гидролиз карбида алюминия или некоторых металлорганических соединений (например, метилмагнийбромида).

Химические свойства

Горит в воздухе голубоватым пламенем, при этом выделяется энергия около 39 МДж на 1 м³. С воздухом образует взрывоопасные смеси при объёмных концентрациях от 5 до 15 процентов. Точка замерзания −184oС (при нормальном давлении)

Вступает с галогенами в реакции замещения, которые проходят по свободно радикальному механизму:

Выше 1400 °C разлагается по реакции:

Окисляется до муравьиной кислоты при 150—200 °C и давлении 30—90 атм. по цепному радикальному механизму:

Соединения включения

Метан образует соединения включения — газовые гидраты, широко распространенные в природе.

Применение метана

Топливо.
Сырьё в органическом синтезе.

Физиологическое действие

Метан является самым физиологически безвредным газом в гомологическом ряду парафиновых углеводородов. Физиологическое действие метан не оказывает и не ядовит (из-за малой растворимости метана в воде и плазме крови и присущей парафинам химической инертности). Погибнуть человеку в воздухе, с высокой концентрацией метана можно только от недостатка кислорода в воздухе для дыхания при очень высоких концентрациях метана. Так, при содержании в воздухе 25—30 % метана появляются первые признаки асфиксии (учащение пульса, увеличение объёма дыхания, нарушение координации тонких мышечных движений и т. д.). Более высокие концентрации метана в воздухе вызывают у человека кислородное голодание — головную боль, одышку, — симптомы, сходные с горной болезнью.

Так как метан легче воздуха, он не скапливается в проветриваемых подземных сооружениях. Поэтому весьма редки случаи гибели людей от вдыхания смеси метана с воздухом, от асфиксии.

Первая помощь при тяжелой асфиксии: удаление пострадавшего из вредной атмосферы. При отсутствии дыхания немедленно (до прихода врача) искусственное дыхание изо рта в рот. При отсутствии пульса — непрямой массаж сердца.

Хроническое действие метана

У людей, работающих в шахтах или на производствах, где в воздухе присутствуют в незначительных количествах метан и другие газообразные парафиновые углеводороды, описаны заметные сдвиги со стороны вегетативной нервной системы (положительный глазо-сердечный рефлекс, резко выраженная атропиновая проба, гипотония) из-за весьма слабого наркотического действия этих веществ, сходного с наркотическим действием диэтилового эфира.

Метан и экология

Является парниковым газом, в этом отношении, более сильным, чем углекислый газ, из-за наличия глубоких вращательных полос поглощения его молекул в инфракрасном спектре. Если степень воздействия углекислого газа на климат условно принять за единицу, то парниковая активность метана составит 21 единицу[8].

ПДК метана в воздухе рабочей зоны составляет 7000 мг/м3[9].

Ссылки

Примечания

↑ Обзор: Растворимость некоторых газов в воде
↑ Статья «Метан» на сайте «Химик»
↑ З. Гауптман, Ю. Грефе, Х. Ремане «Органическая химия», М. «Химия», 1979, стр. 203.
↑ Куценко С. А. Основы токсикологии / С.А. Куценко. — СПб.: Фолиант, 2004.
↑ ГОСТ Р 52136-2003
↑ Газохроматографическое измерение массовых концентраций углеводородов: метана, этана, этилена, пропана, пропилена, н-бутана, альфа-бутилена, изопентана в воздухе рабочей зоны. Методические указания. МУК 4.1.1306-03 (УТВ. ГЛАВНЫМ ГОСУДАРСТВЕННЫМ САНИТАРНЫМ ВРАЧОМ РФ 30.03.2003)
↑ Б. А. Павлов, А. П. Терентьев. Курс органической химии. — Издание шестое, стереотипное. — M.: Химия, 1967. — С. 58.
↑ EBRD Methodology for Assessment of Greenhouse Gas Emissions, Version 3 February 2009 (англ.)
↑ Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.1313-03 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны»

dic.academic.ru

Производство метанола | Полезное своими руками

Краткие сведения о метаноле

Метанол в качестве топлива для автомобиля Если посмотреть в Википедии, метанол (метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, СН3ОН) — простейший алифатический спирт, бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим запах этилового спирта.

Температура кипения: +64,5°C, температура замерзания: —97,8°C, плотность: 792 г/л.

Пределы взрывоопасных концентраций в воздухе 6,7—36% по объему. Октановое число больше 110.

Температура воспламенения 467°C, теплота сгорания 24000 кДж/кг — меньше, чем у бензина (44000 кДж/кг), поэтому расход метанола (в литрах) будет выше примерно в два раза.

Как топливо применяется в гоночных машинах, например в Формуле-1.

Метиловый спирт смешивается в любых концентрациях с водой и органическими растворителями.

Метанол и его пары ядовиты: выпитые 30 миллилитров метанола могут быть СМЕРТЕЛЬНЫ, если не принять срочных мер!

Традиционно метанол получали возгонкой древесины. Но более перспективен способ получения метанола — из природного газа. В дальнейшем по мере совершенствования этой технологии возможны и другие источники сырья, например биомасса (навоз).

Промышленные способы получения метилового спирта пока недостаточно эффективны для использования метанола в качества топлива, но если в ближайшие десятилетия цена на нефть будет подниматься, то ситуация может изменится в пользу спиртового топлива (особенно при использовании автомобилей на топливных ячейках).

Природный газ, как известно, почти на 100% состоит из метана — СН4. Ни в коем случае не надо его путать с баллонным газом пропан-бутаном, последний является продуктом крекинга нефти и используется напрямую в качестве автомобильного топлива.

Можно перевести любой автомобиль с бензиновым двигателем на смесь пропана и бутана, достаточно установить соответствующее оборудование. А при использовании метанола даже не потребуется никакого дополнительного оборудования.

Мы подробно опишем, как, используя метанол в качестве топлива, как можно существенно повысить мощность двигателя. Пока же только скажем, что это достигается увеличением диаметра главных жиклеров или уменьшением количества воздуха в топливной смеси.

Итак, поговорим немного о химии процесса получения метанола из природного газа.

Метан при неполном окислении превращается в окись углерода и водорода, реакция эта выглядит следующим образом:

2СН4+О2 —> 2СО + 4Н2 + 16,1 ккал.

Более простой технологически способ проходит по реакции конверсии метана с водяным паром:

СН4 + Н2O —> СО + 3Н2 - 49 ккал.

В первом уравнении стоит +16,1 ккал. Это означает, что реакция идет с выделением тепла. Во втором - с поглощением. Тем не менее, мы остановимся на втором способе получения окиси углерода и водорода.

При наличии этих двух компонентов уже можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле:

СО + 2Н2 <=> СН3ОН.

Сложность в том, что конечный продукт получается лишь при высоком давлении и температуре (Р>20 атм, Т=350°C), но при наличии катализатора этот процесс смещается вправо и при низком давлении.

Полученный метанол выводится из реакции охлаждением до конденсации, а не сконденсировавшие газы будем сжигать. При правильном сжигании остатков водорода и СО никаких вредных веществ не выделяется (отходы СО2 и Н2O — безвредны), так что никаких вытяжных устройств не требуется.

Дальше метанол заливается через трубку, обязательно с герметизацией (!), в канистру.

Как видите, химический процесс очень прост, он основывается на двух реакциях.

Сложности есть только технологические и по мерам безопасности. Мы ведь здесь имеем дело с сильно горючими и ядовитыми веществами. Нужно опасаться как взрыва, так и утечки этих газов. Поэтому необходимо строжайше соблюдать технологию и правила техники безопасности, которые мы будем описывать.

Для сборки установки нужно будет приобрести: лист нержавеющей стали (1мм), трубку из "нержавейки" бесшовную, наружным диаметром 6—8 мм, толщиной стенок не менее 1 мм и длиной около 2 метров, компрессор от любого бытового холодильника (можно со свалок, но рабочий). Ну и, само собой разумеется, нужна будет аргоновая электросварка.

Для производительности 10 л/час теплообменник может быть длиной 600 мм, а для 3 л/час должно хватить и 200 мм, h — 20 мм. Размеры частиц могут варьироваться, оптимум где-то в пределах 0,5—1 мм.

ТЕПЛООБМЕННИКИ

Теплообменники обычно состоят из трубок, окруженных охлаждающей средой. В обиходе их называют "змеевиками".

Для жидкостей, теплопроводность которых велика, такой теплообменник может быть приемлем. Но с газами ситуация совершенно другая.

Дело в том, что на небольших скоростях поток газа движется ламинарно и практически не обменивается теплом с окружающей средой.

Посмотрите на дымок, подымающийся от горящей сигареты. Эта стройная струйка дыма и есть ламинарный поток. Сам факт того, что дымок поднимается вверх, говорит о его высокой температуре. А то, что он остается цельным прутком примерно на высоту до 20 сантиметров подъема, свидетельствует о сохранении им тепла. То есть на этом расстоянии даже при совсем малых скоростях поток газа не успевает охладиться, обменяться теплом с воздухом.

Именно вследствие ламинарности потока газовые теплообменники всегда получаются очень громоздкими.

Внутри трубок теплообменников появляются "сквозняки", которые даже на десятках метров практически не дают теплообмена.

Это хорошо известно тем, кто когда-либо гнал самогон. Длинная, интенсивно охлаждаемая трубка, из неё вытекает конденсат, но при этом обязательно идет и пар. Значит, теплообмен недостаточно эффективен.

Проблема, однако, имеет решения и оно может быть несложным. Например, наполнить трубку медным порошком (см. рис.1).

Учитывая задачи теплообмена, материалом корпуса могут быть и железо, и медь, и алюминий, материалом набивки — медь, алюминий, — что найдется. Тогда вокруг каждой частички металла струйка газа будет образовывать завихрения.

Тем самым сразу ликвидируются сквозняки и поток становится турбулентным. Ну и одновременно увеличивается в огромной степени контакт газа с охлаждаемой поверхностью.

С уменьшением размеров и увеличением количества частиц медного порошка растет сопротивление газовому потоку. Поэтому не стоит использовать для теплообменника частицы мельче 0,5—1 мм.

Набитый в трубку порошок меди постоянно принимает или отдает тепло стенкам, и поскольку теплопроводность меди примерно в 100 тысяч раз выше теплопроводности газа, то газ сравнительно быстро примет температуру стенок, если мы будем их интенсивно охлаждать.

Проточную охлаждающую воду, конечно, целесообразно пропускать навстречу потоку газа. Это дает возможность в каждый точке теплообменника иметь свою определенную температуру. Поскольку тепловой контакт у нас близок к идеальному, температура на выходе конденсируемой жидкости будет равна температуре охлаждающей жидкости.

Вот каков по идее обсуждаемый здесь теплообменник.

Приведенный эскиз есть не что иное, как дистиллятор, он же самогонный аппарат, он же теплообменник. Производительность такого дистиллятора приблизительно 10 литров в час. Его также можно применять практически в любых целях, включая установку для получения этилового спирта.

Такие теплообменники при огромной производительности в сотни раз меньше существующих.

КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НАСОС-РЕАКТОР

В существующих химических газовых процессах обычный катализатор идет в гранулах довольно значительного размера от 10 до 30 мм.

Площадь контакта газа с такими шариками в тысячи раз меньше, чем если бы мы использовали частицы в 1—1000 микрон. Но тогда проходимость газа весьма затруднится.

Кроме того, мельчайшие частицы катализатора довольно скоро выйдут из строя вследствие поверхностного загрязнения.

Нами найден способ увеличить площадь контакта газа с катализатором, не затрудняя проходимости его в реакторе, и одновременно непрерывно производить очистку от так называемого "отравления" самого катализатора. Делается это следующим образом.

Порошковый катализатор смешивается с ферромагнитными частицами - железным либо ферритовым порошком, который можно получить, разбивая магниты от неисправных громкоговорителей.

Ферриты теряют магнитные свойства при температуре выше 150 градусов. Поэтому никогда не допускайте их перегрева.

Ферриты очень твёрдое вещества - это их полезное свойство пригодится в дальнейшем и позволит обойтись без добавления абразивного порошка (об этом далее).

Смесь ферромагнитного порошка с катализатором помещается в немагнитную трубку, например, из стекла, керамики, можно и в алюминиевую или медную.

Теперь смотрите, какая может быть схема.

Снаружи трубки идут обмотки катушек. Каждая из них включена через диоды, так, например, как дано на рис.3.

При включении в сеть переменного тока обмотки включаются поочередно с частотою 50 Гц. При этом ферромагнитный порошок непрерывно сжимает и расширяет катализатор, обеспечивая пульсирующую проходимость газа.

Если же включать электромагниты в трехфазною сеть (см. рис.4), то в этом случае обеспечивается поступательная пульсация сжатий, и за счет этого непрерывно газ будет сжиматься в продольном направлении вперед.

Таким образом, система работает, как насос. При этом — многократно перемешивая газ, сжимая и расширяя его и тысячекратно увеличивая интенсивность процесса на катализаторе.

Попутно частички катализатора трутся друг о друга и о ферритовый абразивный порошок, что приводит к их очистке от загрязняющих пленок.

Схема работает следующим образом: с частотой 50 Гц происходит смена полярности на питании. Ток попеременно проходит по обмотке 1,3 и 2,4 (см. рис. 2). При этом в них появляется магнитное поле, которое намагничивает ферромагнитные частицы и заставляет их взаимодействовать друг с другом, вовлекая в движение частицы катализатора.

Таким образом попеременно возникает для газа проходимость сквозь мелкие частицы, сменяемая большим сопротивлением, оказываемым сдавленной массой частиц.

Активность катализатора, сжимающего и разжимающего реагирующий газ, по еще не изученным причинам дополнительно повышается в 20—50 раз. По всей видимости, эффекты усилятся при подаче прямоугольных импульсов или колебаний высокой частоты.

Работа описанного каталитического реактора эквивалентна реактору размером метров в 20—30. Увеличить производительность реактора можно, включая обмотки в трехфазную сеть. При этом система работает не как клапаны, а как активный насос, совмещая все положительные эффекты первой схемы и дополнительно принуждая газ перемещаться в направлении смещения сдвига фаз. При таком включении важно правильно выбрать фазировку.

Итак, в реакторе, приведенном здесь, работают следующие положительные факторы:

Увеличение площади катализатора в 300—1000 раз за счет уменьшения размеров частиц.
Происходит постоянная очистка катализатора от поверхностного загрязнения.
Постоянные пульсации давления реагирующих газов между частицами катализатора, а во второй схеме дополнительно происходит еще и перекачки газа внутри самого реактора.

Недостаток этого реактора — повышенное сопротивление потоку газа. Это устраняется попеременным уплотнением/освобождением частиц внутри четных/нечетных катушек.

Одна важная деталь: необходимо теплоизолировать катушки от корпуса реактора.

В связи с этим, а также из практических соображений автором сайта были внесены следующие изменения (см.рис.справа).

Корпус реактора вытачивается из латунной или бронзовой болванки диаметром 50 мм. Размеры можно взять прежние - 160 мм общая длина, рабочая реакторная длина около 140 мм, внутренний диаметр 33 мм, толщина стенок приблизительно 5...8 мм, т.е. внешний диаметр около 50 мм и того же диаметра - заглушки, их толщина по 20 мм и на каждой нарезана резьба М36х1,0 мм и длиной по 10 мм.

Всё это должно быть сделано из одного и того же материала!

К заглушкам в отверстия вставляются и привариваются переходные штуцера или просто соединительные бесшовные стальные трубки с внутренним диаметром 6...8 мм и толщиной стенок около 2 мм.

Данную конструкцию необходимо снаружи теплоизолировать листовым асбестом и разделить по всей длине на четыре секции с помощью пяти перегородок, также вырезанных из листового асбеста.

Для фиксации перегородок их можно промазать силикатным клеем. После просушки наматывается медная проволока (d=0,15мм) в каждую секцию.

Сопротивление, измеренное омметром, для каждой секции должно быть около 1200 Ом.

Обмотки включаются по схеме рис.3 через регулятор напряжения, например, лабораторный трансформатор (ЛАТР).

Чтобы избежать перегрева обмоток, их надо охлаждать, для этого можно проложить под обмотки стеклянные трубочки диаметром 6...8 мм, возможен принудительный обдув катушек, с контролем температуры внутри реактора.

Следует отметить, что подобная схема реактора на рис. 2 была заявлена на патент ее автором - гражданином Г.Н. Вакс. Она может работать в любых каталитических газовых процессах.

Для профессиональных химиков данная схема - это не домашняя разработка, а принципиально новый, еще не совсем изученный, но эффективный реактор.

Производство синтез-газа

Синтез-газом называется смесь h3 и СО, необходимая для производства метанола.

Вначале рассмотрим технологию синтез-газа.

Традиционные методы получения СО и h3 из метана (Ch5) состоят в том, что метан смешивается с водяным паром и в нагретом состоянии поступает в реактор, где к паро-метанной смеси добавляется дозированное количество кислорода. При этом происходят следующие реакции:

СН4 + 2O2 <—> СО2 + 2Н2О + 890 кДж ;
СН4 + Н2O <—> СО + ЗН2 - 206 кДж ;
СН4 + СО2 <—> 2СО + ЗН2 - 248 кдж ;
2Н2 + O2 <—> 2Н2О + 484 кдж ;
СО2 + Н2 <—> СО + Н2O - 41,2 кДж.

Как видно, некоторые реакции эндотермические (т.е. с поглощением тепла), а некоторые экзотермические. Наша задача создать такой баланс, чтобы реакции шли с контролируемым выделением тепла.

Итак, вначале требуется дозированное смешение Н2О и СН4.

Традиционные методы ведения этого процесса сложны и громоздки. Мы будем насыщать метан водяными парами путем пропускания пузырьков этого газа через нагретую до 100 градусов Цельсия воду, а чтобы пузырьки активно разбивались, размещаем на их пути твердые ферритовые частички размером 1—2 мм.

Но в этой массе рано или поздно пузырьки находят дорогу и затем, практически не разбиваясь, проходят по образовавшемуся каналу. Чтобы этого не происходило, частички из феррита и смесительную камеру ставим в соленоид с подачей переменного тока.

В этом и заключается существенное отличие нашего диспергатора от традиционных устройств (см.рис 5).

Диспергатор

Это такое устройство, в котором метан насыщается парами воды.

Под действием вибрации частиц феррита в пульсирующем магнитном поле пузырьки метана постоянно разбиваются, проходят сложный зигзагообразный путь и насыщаются парами воды.

К соленоиду жестких требований нет, поскольку запитывается он от ЛАТРа или от какого-либо из имеющихся в продаже регуляторов света.

Регулировка напряжения на соленоиде необходима, чтобы, изменяя магнитное поле, одновременно изменять и степень насыщения метана парами воды. О цели этих изменений будет сказано ниже.

Количество витков в катушке может быть от 500 до 1000. Диаметр провода 0,1— 0,3мм. Труба диспергатора берется из неферромагнитного металла, поэтому в переменном магнитном поле она будет разогреваться. Кроме того, и метан поступает в воду разогретым.

Но не смотря на это, воду все равно требуется предварительно нагревать до кипения, иначе не получить нужного количества водяного пара.

Ещё необходим бачок для подпитки водой, поскольку она непрерывно расходуется на образование паро-метановой смеси, для этой цели подойдет сливной бачок от стандартного унитаза, чьё сливное отверстие закрывается стальной пластиной, с приваренной сливной трубкой, конец этой трубки вставляется в диспергатор и изгибается вниз на 180° (см. рис. 5).

Делается это с целью безопасности, чтобы исключить попадание газа-метана в бачок.

Готовая паро-метановая смесь разогревается до температуры 550—600 градусов в теплообменнике.

Необходимо расположить бачок таким образом, чтобы уровень воды в смесителе—диспергаторе не поднимался выше 150 мм, т.е. до половины его высоты, это связано с величиной давления в газовой сети (=150 мм водного столба!), иначе вода будет препятствовать проходу газа-метана в диспергатор.

Также воду перед подачей в бачок необходимо очистить от примесей хлора. С этим справятся стандартные средства очистки воды для бытовых целей.

Готовая паро-метановая смесь разогревается до температуры 550—600 градусов в теплообменнике. Устройство теплообменника (см. рис. 6) уже достаточно подробно было описано выше (см. рис.1). Поэтому приведем только уточнение размеров.

Теплообменник изготавливается из нержавеющей стали, обязательно варится в среде инертного газа. Трубки из нержавеющей стали крепятся к корпусу только сваркой.

Наполнитель теплообменника изготовляется из 1—2 миллиметровых частиц керамики. Это может быть, например, дробленая фарфоровая посуда. Наполнять емкость надо достаточно плотно, с обязательным встряхиванием.

Возможная ошибка: при недостаточном наполнении теплообменника частицами керамики газ найдет себе дорогу, и потоки будут ламинарными, чем ухудшается теплообмен.

ВНИМАНИЕ: вся система должна быть герметична и не допускать никаких утечек! Так как в теплообменнике поддерживается очень высокая температура, нельзя применять какие-либо уплотнители — только аргонная сварка.

Самым сложный и ответственным узлом является конвертор-реактор (рис. 7). В нем собственно и происходит конверсия метана (превращение его в синтез-газ).

Конвертор состоит из кислород-паро-метанового смесителя и реакционных каталитических колонн. Вообще, реакция идет с выделением тепла. Однако в нашем случае, чтобы процесс начался, на подводящих трубках необходим нагрев, поскольку мы осуществляем конверсию метана по реакции:

СН4 + Н2О <—> СО + ЗН2 - 206 кДж , с потерей тепла,

а значит нужно обязательно подводить тепло в конвертор. Для этого паро-метановый газ мы пропускаем через трубки, обогреваемые горелками.

Конвертор работает следующим образом: паро-метановая смесь поступает в камеру, в которой вварены трубки из нержавеющей стали. Количество трубок может быть от 5 до 20 в зависимости от желательной производительности конвертора.

Пространство верхней камеры должно быть обязательно плотно набито крупнозернистым песком или дробленой керамикой или крошкой нержавейки, размеры частиц 0,5—1,5 мм. Это необходимо для лучшего перемешивания газов, а самое главное — для пламягашения.

При соединении воздуха с горячим метаном может произойти загорание. Поэтому в верхней камере набивка осуществляется с обязательным встряхиванием и досыпкой.

Трубки и сборная камера (на рис. 7 - нижняя), как раз и набиваются частицами, содержащими катализатор — окись никеля. Массовая доля никеля в катализаторе при пересчете на NiO, должна составлять не менее 7,5±1,5%.

Остаточное содержание метана при конверсии с водяным паром природного газа (соотношение пар:газ=2:1), при температуре 500°С — 38,5%, а при 800°С — не более 1,5%.

Массовая доля "вредной" серы в пересчете на SОз, должна быть не более 0,005%.

В качестве катализатора лучше всего использовать готовый промышленный, но в крайнем случае можно сделать его самостоятельно.

Для этого нужно на воздухе прокалить частицы никеля. Если чистого никеля нет, то можно его приготовить из никель-содержащих 10—15—20-копеечных монет СССР.

Сотрите их на грубом абразивном круге или мелкой фрезой. Попадание абразива в набивку допускается. Полученный порошок прокалите и смешайте в пропорции 1/3 объема порошка с 2/3 объема молотой керамики (0,5 мм) или чистого грубозернистого песка.

Чтобы не перегревать верхнюю камеру, промежуток между верхними частями трубок заполняются на 10 см любым высокотемпературным теплоизолятором.

Простой способ получения теплоизолятора: обычный канцелярский силикатный клей смешивают с 10—15 весовыми процентами тонкомолотого мела или талька или глины. Перемешивают тщательно.

Наливают смесь тонким слоем и сразу же прижигают огнем паяльной лампы.

Вскипевшая в клее вода образует пемзообразную белую массу. Когда она остынет, опять наливают на нее слой клея с мелом и опять обрабатывают пламенем.

И так повторяют до тех пор, пока не получат, необходимый слой теплоизолятора. В итоге покрытие получается похожим на профессиональную теплоизоляцию центрального отопления: Как сделать теплоизоляцию из канцелярского клея

После окончания сборки конвертора его помещают в стальной короб, которой обязательно теплоизолируют материалом, выдерживающим температуру до 1000 градусов, например, асбестом.

Горелки инжекционного типа, могут быть любые, от 5 штук до 8. Чем их больше, тем равномернее нагрев. Возможна также система, использующая одну горелку. Пламя ее имеет несколько выходов через отверстия в трубе.

Газовые горелки есть в продаже, например, те, что используются для обработки лыж. Есть в продаже также газовые паяльные лампы, поэтому мы даем только общую схему.

Горелки должны соединяться параллельно и регулироваться стандартным газовым краном, например, от газовой плиты, но лучше взять автоматический регулятор от бытовой газовой плиты - дороговат, но надёжен и удобен - с его помощью можно задать нужную температуру внутри конвертора-реактора, повысив тем самым степень автономности установки в целом.

Эжекторный смеситель

Эжекторный смеситель подачи воздуха и метана в камеру конвертора (см.рис.8.) - это еще один из ответственных узлов.

Смеситель состоит из двух сопел одно подает метан, насыщенный парами воды, а другое — эжектор воздуха. Воздух поступает от компрессора , количество его регулируется клапаном давления (рис. 9).

Компрессор может быть практически от любого бытового холодильника, давление регулируется от "нуля" до необходимого, которое будет не на много выше давления в газовой магистрали (т.е. => 150 мм. вод. ст.).

Необходимость подачи воздуха (кислорода) в конвертор обусловлена тем, что по реакции [5] часть водорода должна быть поглощена с выделением СО, тем самым увеличивается количество окиси углерода до пропорции СО:Н2 = 1:2, т.е. число молей (объемов) водорода должно быть в два раза большим объемов окиси углерода.

Наличие избыточного воздуха приведёт к синтезу побочных продуктов - кислот, высших спиртов - "сивухи" и прочих вредных компонентов.

Но возникновение CO2 произойдет по реакции [1] с выделением большого количества тепла. Поэтому вначале процесса компрессор мы не включаем и винт держим вывернутым. Воздух не подаем. И по мере разогрева камеры и включении всей системы будем постепенно, включив компрессор и вворачивая винт клапана давления, увеличивать подачу воздуха и одновременно уменьшать пламя на горелках.

Контроль будем вести по количеству излишков водорода на выходе из конденсатора метанола (теплообменник 3. и 3.1) через фитиль(13, рис. 10), сокращая его.

Фитиль для дожига излишка синтез-газа представляет собой 8-миллиметровую трубку, длиной 100 мм, набитую медным проводом по всей длине, чтобы пламя не пошло вниз, в канистру с метанолом.

Мы разобрали все узлы установки получения метанола.

Как ясно из предыдущего, вся установка состоит из двух основных узлов: конвертора для создания синтез-газа (конверсия метана) и синтезатора метанола. Синтезатор (каталитический насос, см. рис. 2) достаточно хорошо описан выше. Единственно, что следует добавить — это необходимость установки теплоизолятора между трубой и катушкой. Как изготовить теплоизолятор, мы рассказывали чуть выше.

Общая схема установки

Работа общей схемы: из газовой магистрали метан поступает через вентиль (14) в теплообменник (3.1), разогревается до 250—300°C, затем поступает в фильтрующий реактор (15), который работает по принципу каталитического насоса (как на рис.2, только диаметр трубы - 8см) и содержит в себе окись цинка - для очистки газа от примесей серы и лишь затем газ поступает в смеситель-диспергатор (2), где насыщается парами воды.

Вода (дистиллированная) добавляется в диспергатор непрерывно из бачка (1).

Вышедшая газовая смесь поступает в теплообменник (3.2), где разогревается до 500—600°C и идет в конвертор (4). На катализаторе при температуре 800°C происходит реакция [2]. Для создания этой температуры работают горелки (12).

После установления температурных режимов включается компрессор (5) и постепенно подается воздух в смеситель (11).

Повышение давления осуществляется путем вворачивания винта в клапане (8). Одновременно уменьшаем пламя на горелках (12) при помощи вентиля (14.2).

Полученный на выходе синтез-газ поступает в теплообменники (3.1; 3.2), где охлаждается до температуры 320—350°. Затем синтез-газ поступает в синтезатор метанола (6), где на катализаторе из смеси одинакового количества ZnO, CuO, CoO происходит превращение его в метанол СН3ОН.

Смесь газообразных продуктов на выхода охлаждается в теплообменнике (3.3), который описан выше (см. рис. 1) и поступает в накопительный бачок (10). В верхней его части находится трубка — фитиль (13), где дожигаются продукты, которые не прореагировали в процессах.

ВНИМАНИЕ: сжигание непрореагировавших газов совершенно необходимо!

Метан через вентиль (14) поступает в теплообменник (3.1), разогревается до 250—300 градусов и поступает через реактор-фильтр (15) в смеситель—диспергатор (2), где насыщается парами воды.

Вода добавляется в диспергатор непрерывно из бачка(1). Вышедшая газовая смесь поступает в теплообменник (3.2), где разогревается до 500—600 градусов и идет в конвертор (4).

На NiO — катализаторе при температуре 800—900 градусов происходит реакция [2]. Рабочую температуру создают горелки (12).

Важные советы

Катализаторы можно готовить самому путем прокаливания порошковых металлов на воздухе.

Измерение температуры можно осуществлять при помощи термоиндикаторных красок, которые в настоящее время достаточно распространены. Измерение нужно проводить на входных и выходных трубках.

Если термокрасок вы не достанете, можно изготовить сплав олово — свинец — цинк. При определенных, найденных экспериментально, пропорциях смешения они будут иметь необходимую температуру плавления. Нанося полученные сплавы на трубки и следя за их плавлением, можно с некоторой погрешностью контролировать температуру.

Если вы не допустили образования газовых карманов (т.е. полностью заполнены все полости соответствующей крошкой), если устранили утечки и самое главное — своевременно зажжен и постоянно горит фитиль (11), то установка будет абсолютно безопасна.

Подбирая катализаторы можно повышать тепловой КПД, увеличить процент выхода метанола. Для достижения оптимума здесь требуются эксперименты. Они проводятся во многих институтах разных стран. В России к числу таких НИИ относится, например, ГИАП (Государственный институт азотной промышленности).

Следует иметь в виду, что получение метанола из природного газа в компактных установках — новое дело, и многие процессы еще недостаточно изучены. В то же время метанол — одно из самых экологически чистых и практически идеальных топлив. И, самое главное, получение его основано на безграничных и возобновляемых ресурсах — метане.

Реакция государства на публикацию этой информации

Приведем фрагмент интервью с редакцией журнала "Приоритет", где впервые была опубликована схема и теоритическое обоснование возможности получения метилового спирта в домашних условиях:

Дорогой спирт — это соблазн правительству залатать свою бездарную экономическую литику. Спирт дешев, и его искусственная дороговизна безумно дорого обходится всем нам. Так что, когда у власти находятся временщики, проблемы, им вверенные, остается решать изобретателям.

Мы научим людей делать чистый спирт практически из чего угодно.

- Вы всерьез хотите связать проблему власти с "бесплатным" автомобильным топливом?

Нам внушают идею о выравнивании цен на бензин под мировые цены. Но за месячную зарплату немецкий рабочий мог бы купить 3,3 тонны бензина, наш работяга — 220 литров. Это притом, что Германия бензин ввозит. Так что, вывозя в огромных количествах топливо и, обогащая на этом кучку дельцов, нас лишают не только будущего, но и настоящего.

Поэтому мы и пошли на публикацию технологии лучения метанола из природного газа.

- Но возникнут сложные проблемы. Нужно будет опять ставить газовые счетчики на каждую квартиру, контролировать их. том это просто опасно: ведь метанол — страшный яд.

Что касается счетчиков — это не наша проблема и не проблема граждан. Думаю, что в настоящее время проконтролировать лучение метанола в квартирах невозможно. Не смогли же тысячи участковых кончить с самогоноварением. А маленький чемоданчик, дключенный к плите и водопроводу и к тому же не издающий никаких запахов, искать безнадежно.

Что же до ядовитости метанола здесь вы абсолютно правы — 30 мл выпитого метанола, смертельны. Но и рюмка бензина ядовита не меньше. Но если выхлоп сгоревшего в двигателе бензина медленно губит все живое в городах, то выхлоп метанола абсолютно чист.

Кроме того, двигатель, работающий на метаноле, служит во много раз дольше и мощность его намного выше. Поэтому его широко ис льзуют в спортивных машинах. Знаю это как бывший мотогонщик. Самое главное для безопасности производства метанола на нашем оборудовании — точно следовать рекомендациям.

electro-shema.ru