что такое синтез газ
Синтез-газ
Определение
Понятие «синтез-газ» применяют к разным смесям монооксида углерода (СО) и водорода (Н2), которые используются для получения некоторых нефтехимических продуктов. Его в основном получают из природного газа (метана). Действительно, важнейшие вещества — аммиак, метанол и парафиновые углеводороды — получают именно из синтез-газа.
Получение
Существуют два основных метода получения синтез-газа – конверсия метана с водяным паром и парциальное (частичное) окисление. Оба метода довольно просты.
Конверсия метана с паром
Конверсия с паром состоит в пропускании метана или нафты и водяного пара над никелевым катализатором. Реакция протекает за счет разрушительной силы высоких температур и давлений, и ее следует проводить в реакторах, аналогичных печам крекинга. При этом происходят побочные процессы, при водящие к образованию СО2 и углерода. Углерод откладывается на катализаторе и дезактивирует его.
Парциальное окисление метана
Другой метод — это парциальное (частичное) окисление метана. Процесс проводят при высоких температурах без катализатора. Метод парциального окисления обычно используют для превращения более тяжелых видов сырья — от нафты до остаточного топлива — в тех случаях, когда в распоряжении нет природного газа и легких углеводородов (этана, пропана и бутана). В обоих процессах выход суммы СО и Н2 составляет 90 – 95%.
В качестве побочного продукта получают СО2, который можно удалить либо экстракцией растворителем, либо можно ввести в реакцию с водяным паром дополнительное количество метана, что даст СО и Н2. Эта реакция протекает при высоких температурах и давлениях и в присутствии никелевого катализатора.
Транспортировка
Обычно установка по производству синтез-газа бывает интегрирована в структуру завода, на котором он перерабатывается.
Единственным приемлемым способом транспортировки синтез-газа является его транспортировка по трубопроводам.
Применение
Получение аммиака
Наиболее важной областью применения синтез-газа является производство аммиака – NH3.
Смесь азота и водорода пропускают над железным катализатором (который содержит оксид алюминия в качестве промотора). Реакция проходит в очень жестких условиях — при температуре 420 С и давлении 280 атм.
Большая часть установок по производству аммиака снабжена оборудованием для отделения СО от сырья, так как СО может отравлять катализатор. Чаще всего с этой целью СО обрабатывают водяным паром для получения СО и Н2. Диоксид углерода удаляют экстракцией этаноламином, а Н2 направляют на рециркуляцию.
Получение метанола
Метанол часто называют древесным спиртом. Это связано с тем, что первым промышленным способом получения метанола была сухая перегонка свежеспиленной древесины лиственных деревьев. Помимо других соединений в летучей фракции присутствует метанол. Отсюда и произошло название «древесный спирт».
С 1923 г. метанол производится в промышленности из синтез-газа; в настоящее время большую часть метанола получают именно таким методом. По нескольким причинам эти установки обычно строят вблизи установок для производства аммиака или даже объединяют с ними.
Технология и оборудование аналогичны, и в производстве метанола можно использовать СО2, образующийся при синтезе аммиака. В этом случае СО2 вводят в реакцию с метаном и водяным паром над никелевым катализатором, приводящую к образованию дополнительного количества СО и Н2, которые затем взаимодействуют, давая метанол.
Процесс проводят при давлении 67 – 100 атм. И температуре 200 – 260оС на катализаторах на основе оксидов меди и цинка.
Синтез Фишера-Тропша
Каталитическое гидрирование оксида углерода (синтез Фишера-Тропша) для получения углеводородов, в частности парафинов, в основном нормального строения и олефинов, является гетерогенной реакцией. Проводится она преимущественно над кобальтовыми или над железными катализаторами с использованием возможно более чистых смесей оксида углерода и водорода. Оптимальные рабочие температуры синтеза различны для различных катализаторов.
Никелевые и кобальтовые катализаторы дают оптимальные результаты при 170-205, железные — при 200-325°С. Синтез на никелевых катализаторах ведется практически только при нормальном давлении, так как при повышенном давлении резко усиливается образование карбонилов.
На железном и кобальтовом катализаторах можно работать без образования карбонилов при давлениях до 20 атм.
Считается, что при синтезе по Фишеру-Тропшу на железных катализаторах оксид углерода гидрируется с образование метиленовой группа, которая затем полимеризуется. Оксид углерода конвертируется в углекислоту. При этом кислород оксида углерода связывается, образуя воду. Этим реакциям благоприятствуют более высокая температура синтеза на железных катализаторах и активность железа по отношению к реакции конверсии.
С технической точки зрения решающее значение при синтезе Фишера-Тропша имеют, во-первых, очень большая теплота реакции каталитического гидрирования оксида углерода и, во-вторых, необходимость очень точного соблюдения постоянной температуры синтеза. В противном случае значительно возрастает нежелательное образование метана. Кроме того, при высоких температурах наблюдается отложение углерода на катализаторе, приводящее к быстрой его дезактивации.
Синтез газ: способы получения, производство, состав и применение
История человечества знает довольно много примеров, когда в силу необходимости рождались кардинально новые подходы к решению существующих жизненно важных проблем. Например, в Германии в промежуток между первой и второй мировыми войнами, лишенной доступа к крупным нефтяным источникам, назревал серьезный дефицит топлива, которое было необходимо для функционирования гражданской и военной техники.
Располагая существенными запасами ископаемого угля, Германия начала искать пути его трансформации в жидкое топливо, пригодное для двигателей внутреннего сгорания. Эта проблему удалось решить благодаря усилиям превосходных химиков, из которых отдельного упоминания заслуживает Франц Фишер, директор Института кайзера Вильгельма по исследованию угля.
В 1926 году Ф. Фишер и Г. Тропш опубликовали работу «О прямом синтезе нефтяных углеводородов при нормальном давлении», где сообщалось, что при восстановлении монооксида углерода водородом при нормальном атмосферном давлении в присутствии катализаторов при температуре в 270 градусов по шкале Цельсия можно получить жидкие и твердые гомологи метана.
Так на свет появился знаменитый способ синтеза углеводородов из монооксида углерода, называемый с тех пор методом Фишера-Тропша. Благодаря данному методу смесь водорода и угарного газа в различных соотношениях может легко быть получена как из каменного угля, так и из любого другого сырья, содержащего углерод. Полученную в результате данного процесса смесь газов начали называть синтез-газом.
Состав синтез-газа
Как мы уже упомянули выше, в состав синтез-газа входят такие вещества как CO и H2. В зависимости от метода получения синтез-газа соотношение CO:Н2 в нем варьируется от 1:1 до 1:3. В прямой зависимости от применяемого сырья и метода его соотношение компонентов в синтез-газе изменяется в широких пределах. Как правило, процентное содержание веществ в сыром неочищенном синтез-газе следующее:
Стоит заметить, что данное соотношение является весьма приблизительным, поскольку повышением температуры в процессе синтеза можно увеличить количество СО, а увеличив давление можно повысить содержание Н2 и СН4.
Также, помимо данных веществ синтез-газ может содержать и другие вещества – инертные газы (N2) и серосодержащие соединения (H2S), если исходное сырье содержало серу. От не нужного присутствия в синтез-газе таких веществ как углекислый газ и сера избавляются путем очистки селективными растворителями.
Способы получения синтез-газа
Первым известным человечеству способом получения синтез-газа была газификация каменного угля. Данный способ был осуществлен в Англии еще в 30-е годы XIX века, и во многих странах мира до 50-х годов XX века. Впоследствии данная методика была вытеснена методами, основанными на использовании нефти и природного газа. Однако в связи с существенным сокращением мировых нефтяных ресурсов, значение процесса газификации каменного угля снова стало возрастать. К тому же, благодаря такому необходимому процессу как переработка ТБО, ученые научились добывать синтез-газ из новых, нетрадиционных источников.
Сегодня существуют три основных метода получения синтез-газа.
1. Газификация угля. Данный процесс основан на взаимодействии каменного угля с водяным паром и происходит по формуле:
Данная реакция является эндотермической, и равновесие при температуре 900-1000 по шкале Цельсия сдвигается вправо. Разработаны различные технологические процессы, использующие парокислородное дутье, благодаря которому наряду с упомянутой реакцией параллельно протекает экзотермическая реакция сгорания угля, которая обеспечивает необходимый тепловой баланс. Ее формула:
2. Конверсия метана. Данная реакция взаимодействия водяного пара и метана проводится при повышенной температуре (800-900 градусов) и давлении при присутствии никелевых катализаторов (Ni-Al2O3). Формула данного процесса:
Также в качестве сырья в данном способе вместо метана можно использовать любое сырье, содержащее углеводород.
3. Парциальное окисление углеводородов. Данный процесс, происходящий при температурах выше 1300 градусов заключается в термическом окислении углеводородов. Формула данной реакции:
Производство синтез-газа
Сегодня производство синтез-газа постоянно совершенствуется, поскольку востребованность данного сырья неизменно растет с каждым годом. В настоящее время учеными разрабатываются проекты подземной газификации угля, то есть планируется, что получение синтез-газа будет происходить непосредственно в пласте угля глубоко под землей. Интересен тот факт, что подобную идею уже высказывал известнейший русский ученый Д.И. Менделеев, причем более 150 лет назад.
Также благодаря современным разработкам сегодня синтез-газ научились получать газификацией не только угля и нефти, но и более нетрадиционных источников углерода, вплоть до бытовых и сельскохозяйственных отходов. Таким образом, сегодня мусороперерабатывающие заводы способны добывать такое ценное сырье как синтез газ в процессе утилизации отходов.
Применение синтез-газа
Сегодня синтез-газ используется в химической промышленности для получения различного сырья. Кроме этого, он также используется в качестве экологически чистого источника тепла и энергии. Сжигая синтез-газ можно получить достаточно большое количество тепла, которое можно использовать в самых различных целях.
Кроме этого, синтез газ используется в качестве исходного сырья для метилового спирта и синтетического жидкого топлива, которое по своим характеристикам ни в чем не уступает традиционному.
Синтез-газ из углекислого газа и воды
Синтез-газ из углекислого газа и воды представляет большой интерес.
Что такое газ из воды и его применение
Синтез газ представляет собой смесь монооксида углерода СО и водорода H2 в пропорциях от 1 к 1 до 1 к 3. Пока, в основном, изготавливается из природного газа, нефти и угля.
Прежде всего это вещество горит с выделением большого количества тепла. Кроме того необходимо как сырье для производства многих химических продуктов.
Хотя известны три способа получения синтез-газа: газификация каменного угля, конверсия метана- реакция взаимодействия метана с водяным паром, окисление углеводородов при температурах выше 1300°С.
Однако рассматривается получение этого газа из воды и углекислого газа.
Разложение воды и углерода
Ученые утверждают, что нашли способ, чтобы получить возобновляемую энергию из легко доступных соединений, таких как вода и диоксид углерода (углекислый газ CO2).
Этот завод в Исландии превращает двуокись углерода в синтез-газ и в конечном итоге в метанол топливо
Задачи по существу сводится к впрыскиванию энергии от солнца или других возобновляемых источников для разрыва химических связей воды и углекислого газа. Это является очень сложной проблемой, но решаемой.
Проблема в том, что CO2 это очень стабильная, инертная молекула. Химики могут заставить разложиться этой молекуле путем выделения электричества или тепла. Первым шагом в этом процессе обычно отделить один атом кислорода сделать из CO2 CO. Молекулы CO затем могут быть объединены с H2 чтобы сделать комбинации известного синтез-газа, который может быть преобразован в метанол. Метанол как простейший одноатомный спирт может быть использован непосредственно или преобразован в другие ценные химические вещества и топливо. Огромные химические заводы делают именно это, но они делают сингаз не из воздуха, а с природного газа.
Таким образом, задача для химиков является синтез-газ из углекислого газа и воды:
Синтез-газ — смесь монооксида углерода СО и водорода H2
Установка по образованию монооксида углерода и водорода
Учитывая эти трудности по-прежнему пытаются разделить CO2 при более низких температурах. Один такой подход уже коммерчески применяется.
В Исландии международная компания проводит рециркуляцию углерода с 2012 года, используя образование синтез газа из углекислого газа и воды. Компания использует на островах изобилие геотермальной энергии для производства электроэнергии, который управляет электролизом машин, которые разделяют CO2 и воду. В результате сингаз затем превращается в метанол.
Синтез-газ можно создать из воды и углекислого газа CO2.
Энергия катализатора
Исследователи в университете штата Делавэр (UD), Норуолк, сообщили что катализаторы из наночастиц серебра делать также можно. Также доказали, что можно даже дешевле использовать катализаторы из цинка, что также оказывается весьма эффективным для получения CO. Также ученые сообщают, что электроды, изготовленные из нанокристаллической меди позволяют непосредственно синтезировать множество более сложного жидкого топлива, как этанол и ацетат при беспрецедентной эффективности возобновляемой энергии.
Процесс электролиза с помощью света
Ученые утверждают, что широкое проникновение возобновляемой энергии в виде солнечной и ветровой произойдет. Дания, например, уже производит около 30% своего электричества от ветряных станций и находится на темпе, чтобы достичь 50% к 2020 году. Особенно в ветреный день в июле ветровые электростанции сформировали 140% потребностей страны в электричестве. Избыток был отправлен соседям в Германию, Норвегию и Швецию. Однако избыток энергии во времена пика производства возобновляемой энергии может привести стоимость электроэнергии к нулю, а рентабельность даже ниже с учетом низкого энергопотребления.
СОДЕРЖАНИЕ
Производство
Химический состав синтез-газа варьируется в зависимости от сырья и процессов. Синтез-газ, получаемый при газификации угля, обычно представляет собой смесь от 30 до 60% окиси углерода, от 25 до 30% водорода, от 5 до 15% двуокиси углерода и от 0 до 5% метана. Он также содержит меньшее количество других газов.
Первая реакция между раскаленным коксом и паром является сильно эндотермической, с образованием монооксида углерода (CO) и водорода H
2 ( водяной газ в старой терминологии). Когда слой кокса охлаждается до температуры, при которой эндотермическая реакция больше не может продолжаться, пар заменяется струей воздуха.
Когда он используется в качестве промежуточного продукта в крупномасштабном промышленном синтезе водорода (в основном используется для производства аммиака ), он также производится из природного газа (посредством реакции парового риформинга) следующим образом:
Чтобы произвести больше водорода из этой смеси, добавляют больше пара и проводят реакцию конверсии водяного газа :
Альтернативные технологии
Каталитическое частичное окисление биомассы
Преобразование биомассы в синтез-газ обычно имеет низкий выход. Университет Миннесоты разработал металлический катализатор, который сокращает время реакции биомассы до 100 раз. Катализатор может работать при атмосферном давлении и снижает содержание полукокса. Весь процесс является автотермическим, поэтому нагрев не требуется. Другой процесс был разработан в DTU Energy, который является эффективным и не имеет проблем с загрязнением катализатора (в данном случае катализатора на основе оксида церия).
Углекислый газ и метан
Углекислый газ и водород
СВЧ энергия
Солнечная энергия
Тепло, вырабатываемое концентрированной солнечной энергией, может быть использовано для запуска термохимических реакций расщепления углекислого газа на окись углерода или для производства водорода. Природный газ может использоваться в качестве сырья на установке, которая объединяет концентрированную солнечную энергию с электростанцией, работающей на природном газе, дополненном синтез-газом, пока светит солнце.
Соэлектролиз
Электричество
В зависимости от технологии, используемой для производства синтез-газа, электричество может быть одним из основных ресурсов.
Использование электричества для извлечения углекислого газа из воды и последующего перехода водяного газа в синтез-газ было опробовано Лабораторией военно-морских исследований США. Этот процесс становится рентабельным, если цена на электроэнергию ниже 20 долларов за МВтч.
Использует
Газовое освещение
Энергетическая емкость
Губчатое железо
Дизель
Метанол
Синтез-газ используется для производства метанола, как в следующей реакции.
Водород
Синтез газа из отходов
В период с 1991 по 2000 год было разработано множество систем газификации отходов. Например, городской совет Логана, Австралия, будет использовать процесс газификации отходов, чтобы резко сократить объем отходов, которые необходимо вывозить на грузовиках, и производить синтез-газ для питания завода. средство. После очистки сточных вод от вредных патогенов и бактерий оставшиеся твердые биологические вещества будут нагреты до высоких температур для получения смеси синтез-газа, состоящей в основном из водорода, монооксида углерода, метана и диоксида углерода. Синтез-газ, производимый на объектах газификации отходов в энергию, можно использовать, например, для выработки электроэнергии.
Синтез-газ, или же синтез-газ, это топливный газ смесь, состоящая в основном из водород, монооксид углерода, и очень часто некоторые углекислый газ. Название происходит от его использования как промежуточные звенья в создании синтетический природный газ (СНГ) [1] и для производства аммиак или метанол. Синтез-газ обычно является продуктом угля. газификация и основное приложение производство электроэнергии. [ нужна цитата ] Синтез-газ является горючим и может использоваться в качестве топлива двигатель внутреннего сгорания. [2] [3] [4] Исторически синтетический газ использовался в качестве замены бензина, когда поставки бензина были ограничены; Например, древесный газ использовался для питания автомобилей в Европе во время Вторая мировая война (только в Германии было построено или перестроено полмиллиона автомобилей для работы на древесном газе). [5] Однако синтез-газ имеет менее половины плотность энергии из натуральный газ. [1]
Синтез-газ можно производить из многих источников, включая природный газ, уголь, биомассу или практически любое углеводородное сырье, путем реакции с паром (паровой риформинг), углекислый газ (сухой риформинг) или кислород (частичное окисление). Синтез-газ является важным промежуточным ресурсом для производства водорода, аммиака, метанола и синтетического углеводородного топлива. Синтез-газ также используется в качестве промежуточного продукта при производстве синтетическая нефть для использования в качестве топливо или смазка через Процесс Фишера-Тропша а ранее Mobil метанол в бензин процесс.
Методы производства включают паровой риформинг природного газа или жидких углеводородов для производства водорода, газификация угля, [6] биомасса, а в некоторых типах превращение отходов в энергию объекты газификации.
Содержание
Производство
Химический состав синтез-газа варьируется в зависимости от сырья и процессов. Синтез-газ, получаемый при газификации угля, обычно представляет собой смесь от 30 до 60% окиси углерода, от 25 до 30% водорода, от 5 до 15% двуокиси углерода и от 0 до 5% метана. Он также содержит меньшее количество других газов. [7]
Основная реакция, производящая синтез-газ, паровой риформинг, является эндотермическая реакция с 206 кДж / моль метана, необходимого для конверсии.
Первая реакция между раскаленным коксом и паром является сильно эндотермической, с образованием монооксида углерода (CO) и водорода. ЧАС
2 (водяной газ в старой терминологии). Когда слой кокса охлаждается до температуры, при которой эндотермическая реакция больше не может продолжаться, пар заменяется струей воздуха.
При использовании в качестве промежуточного продукта в крупномасштабном промышленном синтезе водорода (в основном используется в производстве аммиак), он также производится из натуральный газ (через реакцию парового риформинга) следующим образом:
Чтобы произвести больше водорода из этой смеси, добавляется больше пара и сдвиг водяного газа реакция проводится:
Водород необходимо отделить от CO
2 чтобы иметь возможность его использовать. В первую очередь это делается адсорбция при переменном давлении (PSA), очистка амином, и мембранные реакторы.
Альтернативные технологии
Каталитическое частичное окисление биомассы
Преобразование биомассы в синтез-газ обычно имеет низкий выход. Университет Миннесоты разработал металлический катализатор, который сокращает время реакции биомассы до 100 раз. [8] Катализатор может работать при атмосферном давлении и снижает обугливание. Весь процесс является автотермическим, поэтому нагрев не требуется. В DTU Energy был разработан другой процесс, который является эффективным и не имеет проблем с загрязнением катализатора (в данном случае катализатора из оксида церия). [9] [10]
Углекислый газ и метан
Двуокись углерода и водород
СВЧ энергия
CO2 может быть расщеплен на CO, а затем объединен с водородом с образованием синтез-газа [1]. Способ получения окиси углерода из углекислого газа путем обработки его микроволновым излучением исследуется проектом солнечного топлива Голландский институт фундаментальных энергетических исследований. Этот метод якобы использовался во время холодной войны на российских атомных подводных лодках, чтобы позволить им избавиться от CO.2 газ, не оставляя пузырькового следа. [14] Общедоступные журналы, опубликованные во время холодной войны, показывают, что американские подводные лодки использовали обычные химические вещества. скрубберы удалить CO2. [15] Документы, выпущенные после затопления Курск, эпоха холодной войны Подводная лодка класса «Оскар», указывают, что супероксид калия скрубберы использовались для удаления диоксида углерода на этом сосуде.
Солнечная энергия
Тепло, выделяемое концентрированная солнечная энергия может использоваться для проведения термохимических реакций расщепления диоксида углерода на монооксид углерода или для производства водорода. [16] Натуральный газ может использоваться в качестве сырья в установке, которая объединяет концентрированную солнечную энергию с электростанцией, работающей на природном газе, дополненном синтез-газом, пока светит солнце. [17] [18] [19] В рамках проекта Sunshine-to-Petrol разработано устройство, позволяющее эффективно производить производство с использованием этой технологии. Он называется реактором-приемником с противовращающимся кольцом, или CR5. [20] [21] [22] [23]
Соэлектролиз
Электричество
Использование электричества для извлечения двуокиси углерода из воды [25] [26] [27] [28] [29] а затем переход водяного газа на синтез-газ был опробован Лабораторией военно-морских исследований США. Этот процесс становится рентабельным, если цена на электроэнергию ниже 20 долларов за МВтч. [30]
Возобновляемые источники
Электричество, произведенное из возобновляемые источники также используется для переработки диоксида углерода и воды в синтез-газ через высокотемпературный электролиз. Это попытка сохранить углеродно-нейтральный в процессе генерации. Audiв партнерстве с компанией Sunfire в ноябре 2014 г. открыла пилотную установку по производству электронный дизель используя этот процесс. [31]
Использует
Газовое освещение
Газификация угля процессы создания синтез-газа использовались в течение многих лет для производства осветительный газ (угольный газ) за газовое освещение, приготовление пищи и, в некоторой степени, нагревание перед электрическое освещение и натуральный газ инфраструктура стала широко доступной. [ нужна цитата ] Синтез-газ, производимый на объектах газификации отходов в энергию, может использоваться для выработки электроэнергии.
Энергетическая емкость
Губчатое железо
Синтез-газ используется для прямого уменьшения железная руда к губчатое железо. [33]
Дизель
Метанол
Синтез-газ используется для производства метанол как в следующей реакции.
Водород
Синтез-газ используется для производства водород для Процесс Габера.