Получение метана из углерода и водорода – Как из углерода получить метан 🚩 для получения метана 🚩 Естественные науки

Получение метана из углерода

Прежде чем показать, как происходит получение метана из углерода, нужно дать понятия классу органических веществ «алканы» и охарактеризовать сам метан.
Предельные углеводороды (алканы) – это ациклические насыщенные углеводороды, состав которых подчиняется общей формуле . В соответствии с этой формулой алканы образуют гомологический ряд, в котором гомологи отличаются друг от друга на гомологическую разность .
Соединения этого класса являются родоначальными структурами для многих классов органических соединений.
Метан (тривиальные названия – болотный или рудничный газ) – органическое соединение класса алканов. Первый член гомологического ряда алканов. Метан – это газ без цвета и запаха, который хорошо растворяется в этаноле, эфирах, углеводородах и плохо – в воде.
Выделяют промышленные и лабораторные способы получение метана. В промышленности его получают из природного газа или крекинг-газа, а лаборатории – путем прокаливания ацетата натрия () со щелочью или при гидролизе карбида алюминия ().
Известен способ получения метана из простых веществ – углерода и водорода при их нагревании в присутствии катализатора. Уравнение реакции выглядит следующим образом:

.
Эта реакция описывает процесс получения метана из каменного угля, т.е. ещё один промышленный способ.

ru.solverbook.com

Катализатор и способ получения углерода и водорода из метана

 

Изобретение относится к производству углерода, предпочтительно нитевидного, и водорода из углеводородов. Сущность изобретения: катализатор содержит, мас.%: оксид никеля - 69 - 74; оксид меди - 9,5 - 12; гидроксид алюминия - 9,5 - 12 и оксид железа - 2 - 12. Указанный катализатор позволяет при 651 - 800oC перерабатывать метан или метановодородные смеси с 70 - 80% степенью использования. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к производству углерода, предпочтительно, нитевидного и водорода из углеводородов. Нитевидный углерод образуется в виде клубка нитей, имеющих диаметр в несколько сот ангстрем и длиной до нескольких микрон. Благодаря наличию высокодисперсных частиц никеля и железа нитевидный углерод имеет ферромагнитные свойства и может быть использован для получения ферромагнитных чернил, графитовых пигментов для копирования, синтетических и природных каучуков и пластиков. Наряду с этим, углеродный материал может быть использован как при выплавке сталей, так и в качестве восстановителя в порошковой металлургии.

Известно несколько катализаторов и способов получения углерода и водорода: 1. Разложением метана в присутствии массивного металлического катализатора (Fe, Co, Ni) при 650 - 720oC [1]. 2. Разложением углеводородных газов на поверхности железосодержащего катализатора при 850 - 900oC под давлением 1 - 35 атм [2]. 3. Разложением метана или других углеводородов на поверхности брикетированной сажи с никелем или сажи с железом при температурах ниже точки разложения этих соединений [3]. 4. Разложением метана на поверхности Ni/Al2O3 или Ni/MgO катализаторов при 500 - 550oC [4]. 5. Разложением метана на поверхности Ni-Cu/Al2O3 или Ni-Cu/MgO катализаторов при температурах 560 - 650oC [5]. По достигаемому положительному эффекту наиболее совершенным является катализатор и способ получения углерода и водорода, который и выбран за прототип [5]. По прототипу катализатор имеет состав, мас.%: 70 - 90 оксида никеля с 2 - 16 оксида меди и 8 - 14 гидроксида алюминия или магния. Способ приготовления катализатора включает механохимическую активацию двойной смеси оксидов никеля и меди, а затем тройной смеси никеля и меди с гидроксидом алюминия или магния в планетарной центробежной мельнице с последующим восстановлением смеси водородом при нагревании до температуры реакции разложения метана. Способ получения углерода и водорода состоит в пропускании метана над вышеуказанными катализаторами при 560 - 650
o
C и атмосферном давлении. Основными недостатками рассматриваемого катализатора и способа получения углерода и водорода являются: 1. Относительно невысокие общие выходы углерода и водорода на грамм восстановленного катализатора. 2. Стабильность работы катализатора и, соответственно, выходы углерода и водорода резко снижаются при увеличении рабочей температуры выше 650oC, а при 560 - 650oC метан разлагается на углерод и водород не полностью, разложение ограничено константой равновесия. Степень превращения 20 - 60%, т.е. значительная часть метана не используется. На выходе из реактора получается метано-водородная смесь, что затрудняет ее дальнейшее использование. 3. Невозможно перерабатывать метано-водородные смеси с содержанием в них водорода больше 60 - 70%. Изобретение решает задачу повышения выхода углерода и водорода и увеличения степени использования метана. Задача решается использованием катализатора состава, мас.%: 69 - 74 оксида никеля, 9,5 - 12 оксида меди, 9,5 - 12 гидроксида алюминия и 2 - 12 оксида железа и следующим способом получения углерода и водорода из метана: 1) восстановление катализатора водородом во время нагрева до температуры реакции 651 - 800
o
C; 2) замена водорода на метан и проведение реакции разложения до полного прекращения; 3) охлаждение реактора в токе метана или инертного газа до комнатной температуры. Отличительными признаками предлагаемого катализатора является его состав, включающий, мас.%: 69 - 74 оксида никеля, 9,5 - 12 оксида меди, 9,5 - 12 гидроксида алюминия и 2 - 12 оксида железа. Выбор состава катализатора продиктован соображениями достижения максимального выхода углерода и водорода из метана при повышении степени использования метана. Оказалось, что этого можно достигнуть, если к составу катализатора из прототипа добавить оксид железа. Отличительными признаками предлагаемого способа получения углерода и водорода из метана являются: состав катализатора и температура проведения процесса. Выбор температурного интервала проведения реакции определяется тем, что при температурах ниже 651
o
C резко снижается скорость реакции, уменьшается степень разложения метана из-за термодинамических ограничений, падает выход продукта, а использование температур выше 800oC не увеличивает выход углерода и водорода и оказывается невыгодным с энергетической точки зрения. Неизвестна заявляемая совокупность признаков, приводящая к увеличению выхода углерода и водорода при одновременном повышении степени использования метана, поэтому предлагаемый катализатор и способ получения углерода и водорода можно классифицировать как соответствующий критерию "изобретательский уровень". Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и подтверждается данными, приведенными в таблице. Примеры 1 - 3 приведены для сравнения. Пример 1. Катализатор, состоящий из 90 мас.% NiO и 10 мас.% Al(OH)3 и полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0046 г загружают в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 700
o
C. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 700oC в течение 1,5 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 350 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 2. Катализатор, состоящий из 75 мас.% NiO, 12,5 мас.% CuO и 12,5 мас. % Al(OH)3 и полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0039 г загружают в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 700oC. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 700oC в течение 1,5 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 2350 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 3. Катализатор, состоящий из 77 мас.% NiO, 14 мас.% Al(OH)3 и 9 мас. % Fe2O3, полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0031 г загружают в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 700
o
C. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 700oC в течение 3 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 1018 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Примеры 4 - 13 иллюстрируют сущность изобретения. Пример 4. Катализатор, состоящий из 74 мас.% NiO, 12 мас.% CuO, 12 мас.% Al(OH)3 и 2 мас. % Fe2O3, полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0029 г загружают в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 700oC. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 700oC в течение 5 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 10548 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 5. Аналогичен примеру 4, отличается только составом катализатора 73 мас. % NiO, 11,5 мас.% CuO, 11,5 мас.% Al(OH)3 и 4 мас.% Fe2O3. Привес катализатора за счет углерода составил 16010 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 6. Аналогичен примеру 4, отличается только составом катализатора 72 мас. % NiO, 11 мас.% CuO, 11 мас.% Al(OH)
3
и 6 мас.% Fe2O3. Привес катализатора за счет углерода составил 14370 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 7. Аналогичен примеру 4, отличается только составом катализатора 71 мас. % NiO, 10,5 мас.% CuO, 10,5 мас.% Al(OH)3 и 8 мас.% Fe2O3. Привес катализатора за счет углерода составил 11868 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 8. Аналогичен примеру 4, отличается только составом катализатора 70 мас.% NiO, 10 мас.% CuO, 10 мас.% Al(OH)3 и 10 мас.% Fe2O3. Привес катализатора за счет углерода составил 9218 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 9. Аналогичен примеру 4, отличается только составом катализатора 69 мас. % NiO, 9,5 мас.% CuO, 9,5 мас.% Al(OH)3 и 12 мас.% Fe2O3. Привес катализатора за счет углерода составил 6346 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 10. Катализатор, состоящий из 72 мас.% NiO, 11 мас.% CuO, 11 мас. % Al(OH)
3
и 6 мас.% Fe2O3, полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0033 г загружают в проточный реактор с весами Бак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 651oC. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 651oC в течение 4 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 5433 мас. % по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 11. Катализатор, состоящий из 73 мас.% NiO, 11,5 мас.% CuO, 11,5 мас.% Al(OH)3 и 4 мас.% Fe2O3, полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0023 г загружают в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 725oC. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 725oC в течение 3 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 15916 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 12. Катализатор, состоящий из 73 мас. NiO, 11,5 мас.% CuO, 11,5 мас.% Al(OH)
3
и 4 мас.% Fe2O3, полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0023 г загружают в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 750oC. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 750oC в течение 3 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 15276 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Пример 13. Катализатор, состоящий из 73 мас.% NiO, 11,5 мас.% CuO, 11,5 мас.% Al(OH)3 и 4 мас.% Fe2O3, полученный 30 мин механохимической активацией в планетарной центробежной мельнице, в количестве 0,0034 г загружают в проточный реактор с весами Мак-Бена, нагревают в течение 30 - 35 мин в потоке водорода 20 л/ч до температуры 800oC. Затем водород заменяют на метан и проводят реакцию разложения при 800oC в течение 3 ч и расходе метана 3 л/ч. Привес катализатора за счет углерода составил 423 мас.% по отношению к весу восстановленного катализатора. Как видно из описания примеров и таблицы предлагаемое изобретение позволяет получать нитевидный углерод и водород из метана и может найти промышленное применение в утилизации газовых углеводородных выбросов.

Формула изобретения

1. Катализатор получения углерода и водорода из метана, включающий в свой состав оксиды никеля, меди, гидроксид алюминия, отличающийся тем, что в состав катализатора дополнительно вводят оксид железа при следующем соотношении компонентов, мас.%: NiO - 69,0 - 74,0 CuO - 9,5 - 12,0 Al(OH)3 - 9,5 - 12,0
Fe2O3 - 2,0 - 12,0
2. Способ получения углерода и водорода, включающий разложение метана на никельсодержащем катализаторе при повышенной температуре, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют смесь оксидов никеля, меди, железа и гидроксида алюминия, восстановленную водородом при нагревании до 651 - 800oC, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
NiO - 69,0 - 74,0
CuO - 9,5 - 12,0
Al(OH)3 - 9,5 - 12,0
Fe2O3 - 2,0 - 12,0
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что разложение метана ведут при 651 - 800oC.

РИСУНКИ

Рисунок 1

www.findpatent.ru

Способ получения метана из атмосферного диоксида углерода

Изобретение относится к способу получения метана из атмосферного диоксида углерода. Способ характеризуется тем, что используют механическую смесь термически регенерируемого сорбента - поглотителя диоксида углерода, который представляет собой карбонат калия, закрепленный в порах диоксида титана, и имеет состав: мас%: K2CO3 - 1-40, TiO2 - остальное до 100, и фотокатализатора для процесса метанирования или восстановления выделяемого в процессе регенерации диоксида углерода состава: мас.%: Pt≈0,1-5 мас.%, CdS≈5-20 мас.%, TiO2 - остальное до 100, содержание фотокатализатора в смеси составляет 10-50 мас.%. Данный способ представляет собой энергоэффективный способ получения метана из диоксида углерода воздуха, использует альтернативную возобновляемую энергию для синтеза топлив. 4 з.п. ф-лы, 4 пр., 1 ил.

 

Изобретение относится к технологии получения метана из диоксида углерода воздуха.

Прямое использование солнечной энергии в качестве движущей силы химических процессов может найти широкое применение в решении задач охраны окружающей среды, так и задач химической технологии. Среди таковых важной является задача утилизации атмосферного диоксида углерода. Повышение уровня содержания CO2 в атмосфере приводит к усилению парникового эффекта, что в свою очередь может вести к катастрофическим изменениям климата Земли, приводящим, например, к таянию вечных льдов и затоплению больших площадей прибрежных территорий. Поэтому с одной стороны возникает задача удаления диоксида углерода из атмосферы, с другой стороны дополнительно возникает проблема утилизации концентрированного диоксида углерода. Каталитическое преобразование диоксида углерода в топлива в будущем может стать одним из базовых направлений в синтезе топлив и продуктов - предшественников органического синтеза, особенно принимая во внимание сокращающиеся запасы ископаемых углеродсодержащих энергоносителей. Поэтому возникает необходимость в абсорбции диоксида углерода из атмосферы Земли и его каталитической переработке в полезные виды топлива, например в метан.

Из уровня техники известно, что в последние 30-40 лет широкое распространение получила концепция полифункциональных реакторов - когда в одном реакторе одновременно проводятся несколько целевых химических реакций. Такая организация процесса позволяет существенно снизить потери тепла, избежать дополнительных расходов на теплообменное оборудование, а также позволяет существенно уменьшить размеры устройств, что актуально для малых предприятий и частных фермерских хозяйств.

В А.С. №465897 (RU), C01B 3/44, 07.10.1984 показано, например, что для получения высокочистого водорода может быть использован сорбционно-каталитический реактор, в котором катализатор паровой конверсии перемешан с селективным абсорбентом диоксида углерода. Реакцию проводят в кипящем слое, при этом на катализаторе происходит реакция конверсии углеводородов и воды в водород и оксиды углерода. Диоксид углерода, являющийся побочным продуктом реакции, связывается высокотемпературным регенерируемым сорбентов непосредственно в реакторе, в результате чего равновесие реакции паровой конверсии сдвигается в сторону продуктов и чистота получаемого водорода увеличивается с 70 до 85%.

В патенте US 6103143 вместо кипящего слоя использовали неподвижный слой смеси катализатора паровой конверсии и высокотемпературного сорбента. При достижении сорбентом предельной емкости по диоксиду углерода реакцию прекращали, реактор продували перегретым паром, благодаря чему происходила регенерация сорбента и унос диоксида углерода из реакторной зоны. Далее циклы повторяли, чистота водорода в циклах достигала 90-95% об.

Наиболее близким изобретением представленному в данном патенте является способ сорбционно-каталитического получения монооксида углерода, описанный в патенте US 6328945, B01D 53/02, B01J 19/00, 11.12.2001. Для увеличения выхода СО по реакции:

CO22→СО+H2O

было предложено конвертировать дополнительный диоксид углерода, который поступал непосредственно в зону каталитической реакции при десорбции с поверхности высокотемпературного сорбента.

Таким образом, высокотемпературный сорбент диоксида углерода был использован как временный концентратор CO2, и в нужный момент, при изменении условий проведения процесса, диоксид углерода десорбировался и вовлекался в полезный химический процесс.

Сущность данного изобретения заключается в том, что в процессе десорбции с низкотемпературного сорбента диоксид углерода практически одновременно адсорбируется на фотокатализаторе и под действием света вступает в реакцию с водородом с образованием полезного продукта - метана по реакции Сабатье:

CO2+4Н2→СН4+2H2O

Водород для проведения реакции метанирования предварительно получают методом электролиза. Стоит отметить, что нагрев смеси низкотемпературного регенерируемого сорбента и фотокатализатора, активация фотокатализаторавидимым светом идет в прозрачном кварцевом реакторе непосредственно под действием солнечной радиации, сконцентрированной и переданной при помощи системы зеркал. Водород для процесса метанирования может быть получен путем электролитической диссоциации воды под действием внешнего электрического поля, создание которого обеспечивает система солнечных батарей.

Важной задачей для организации функционирования такой сложной системы, как сорбент/фотокатализатор, является подбор стабильных и высокопроизводительных каталитических систем и надежных низкотемпературных сорбционных материалов. В качестве подобных фотокаталитических систем для процесса метанирования могут быть использованы фотокатализаторы, представляющие собой диоксид титана с нанесенными на его поверхность сульфидом кадмия и металлической платиной, например фотокатализатор, предложенный в заявке на патент.

Из уровня техники известно, что для перевода рабочей области фотокатализатора в видимую область светового спектра необходимо промотировать диоксид титана полупроводниковыми частицами типа CdS или ZnO. Также для экономии материалов в качестве носителя может быть использован более дешевый силикагель, на который далее наносят диоксид титана.

Концентрирование диоксида углерода из атмосферы - также ключевая часть предлагаемого процесса синтеза метана. Основной трудностью при концентрировании диоксида углерода является процесс его выделения из воздуха, поскольку содержание CO2 в атмосфере составляет всего ≈390 м.д.; кроме того, существующие методы концентрирования CO2 из газовых смесей зачастую оказываются непригодными для выделения CO2 из воздуха, поскольку традиционные типы поглотителей (цеолиты, активированные угли) имеют, как правило, значительно большее сродство к воде, нежели к CO2, и резко снижают свою емкость во влагосодержащей атмосфере. Для уменьшения влажности очищаемых газовых смесей и повышения емкости сорбентов на основе цеолитов по диоксиду углерода в ряде патентов предложено использовать блок предварительной осушки, устанавливаемый перед адсорбером с цеолитом (US 6309445, B01D 53/02, 30.10.2001; US 6106593, B01D 53/04, 22.08.2000). Однако такой метод решения проблемы ведет к существенному усложнению технологической схемы процесса.

В патенте (US 3865924, B01D 53/02, 11.02.1975) описан регенерируемый поглотитель CO2, представляющий собой механическую смесь порошков оксида алюминия и карбоната калия. Такой поглотитель предлагают применять для удаления диоксида углерода в системах жизнеобеспечения, например, подводных лодок. Поглощение CO2 осуществляется по реакции:

K2CO3+H2O+CO2→2KHCO3

В патенте (ЕР 1084743, B01D 53/02, 21.03.200) 1 для поглощения CO2 предлагают использовать оксид алюминия, допированный небольшими добавками щелочных металлов (до 7,25 мас.% K2O и/или Na2O). Достоинством данного метода поглощения CO2 является то, что активное вещество находится в порах матрицы и не вызывает коррозии оборудования, а сам поглотитель может выпускаться в виде гранул любого размера и формы или блоков. В то же время небольшое содержание оксидов щелочных металлов не обеспечивает высокой емкости поглотителя.

Аналогичная система разработана и для процесса короткоцикловой безнагревной адсорбции (US 5656064, B01D 53/02, 12.08.1997).

Авторы патента (РФ №2244586, B01D 53/02, 20.01.2005) показали, что наиболее предпочтительным носителем для карбоната калия является оксид алюминия. Поглотитель с матрицей из оксида алюминия обладал наиболее высокой скоростью сорбции CO2. Таким образом, данный поглотитель может быть использован в качестве регенерируемого сорбента для получения чистого технического диоксида углерода.

Задача выделения диоксида углерода из воздуха для обеспечения процесса конверсии CO2 в метан решается способом концентрирования диоксида углерода, в котором используют термически регенерируемый поглотитель диоксида углерода, представляющий собой карбонат калия, закрепленный в порах диоксида титана; концентрирование диоксида углерода осуществляют продувкой атмосферного воздуха периодически с процессом регенерации сорбента.

Термически регенерируемый сорбент-поглотитель диоксида углерода имеет состав, мас.%: K2CO3 - 1-40, TiO2 - остальное до 100.

Сорбцию CO2 из атмосферы осуществляют при 20-40°C.

Регенерацию сорбента проводят, нагревая адсорбер до температуры 150-250°C источником видимого сфокусированного света. Выделяющийся из сорбента диоксид углерода немедленно реагирует с водородом в реакторе на поверхности фотокатализатора, также облучаемого видимым светом.

Фотокатализатор имеет состав, мас.%: Pt≈0,1-5, CdS≈5-20, TiO2 - остальное до 100.

Содержание фотокатализатора в смеси составляет 10-50 мас.%.

Выход метана составляет 0,1-65%.

Технический результат - энергоэффективный и экологически безопасный способ получения метана из диоксида углерода воздуха, снижение атмосферной концентрации диоксида углерода, использование альтернативных неисчерпаемых энергоресурсов для химического синтеза топлив.

Таким образом, предложен способ десорбционно-каталитической конверсии диоксида углерода из воздуха в метан, в котором абсорбция и десорбция CO2 периодически осуществляются твердофазным регенерируемым сорбентом, стадия десорбции диоксида углерода совмещена со стадией фотокаталитического метанирования, что позволяет существенно снизить затраты энергии на производство метана, а также использовать исключительно энергию Солнца для всего процесса.

При этом цикл работы установки по получению метана из диоксида углерода воздуха разбивается на две стадии:

1. Концентрирование диоксида углерода из воздуха (температура адсорбера 20-40°C) достигается путем продувки атмосферного воздуха через реактор со смесью регенерируемого сорбента и фотокатализатора.

2. После насыщения сорбента диоксидом углерода проводят термическую регенерация сорбента при температуре 150-250°C, при этом в реактор подается количество водорода, соответствующее стехиометрии процесса Сабатье. Десорбирующийся с регенерируемого сорбента CO2 взаимодействует с водородом на поверхности фотокатализатора с образованием метана. Далее проводят очистку метансодержащей смеси от примесных газов, после чего чистый метан подвергается компремации для хранения в баллонах либо по трубопроводам низкого давления доставляется потребителям.

Циклы концентрирования и регенерации/метанирования многократно периодически повторяются.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами и илл.

Пример 1.

Гранулированный диоксид титана пропитывают по влагоемкости 40% раствором K2CO3 и высушивают в сушильном шкафу при температуре 200°C в течение 2 ч. Содержание K2CO3 в приготовленном регенерируемом сорбенте составляет ≈27 мас.%.

Смешивают полученный сорбент с гранулированным фотокатализатором, который имеет состав Pt≈2 мас.%, CdS≈10 мас.%, остальное - гранулированный TiO2. Полученная механическая смесь имеет состав 75 мас.% - регенерируемый сорбент, 25 мас.% - фотокатализатор.

4 кг смеси загружают в проточный адсорбер, выполненный из прозрачного кварцевого стекла. В течение 20 ч через адсорбер продувают смесь насыщенного при 25°C парами воды воздуха, с объемной скоростью подачи 200 н.л./мин. Концентрация диоксида углерода на выходе из адсорбера не превышает 390 м.д. Затем сорбент регенерируют прокаливанием в токе водорода при 250°C в течение 30 мин. Десорбирующийся с регенерируемого сорбента CO2 взаимодействует с водородом на поверхности фотокатализатора, облучаемого видимым светом, с образованием метана. Далее проводят очистку метансодержащей смеси от примесных газов и повторяют эксперимент 20-30 раз.

В течение последующих циклов «сорбция/регенерация» выделяется метан в количестве 30 н.л./цикл.

Пример 2.

100 г смеси фотокатализатора и регенерируемого сорбента, полученной аналогично примеру 1, загружают в проточный кварцевый адсорбер, на вход которого подают смесь насыщенного при 25°C парами воды воздуха, объемная скорость подачи 150 нсм3/мин. В момент достижения концентрации CO2 380 м.д. продувку воздуха прекращают, затем сорбент регенерируют прокаливанием при 200°C в атмосфере водорода. Выделяющийся диоксид углерода метанируется по реакции Сабатье на поверхности фотокатализатора, облучаемого видимым светом.

Проводят 27 адсорбционно-десорбционных циклов.

Выход метана составляет около 45%.

Изменение конверсии в ходе последовательных циклов представлено на Фиг.

Пример 3.

Готовят смесь смешением 100 г регенерируемого сорбента и 20 г фотокатализатора, полученных аналогично примеру 1, и загружают в кварцевый реактор, на вход которого подают смесь насыщенного при 25°C парами воды воздуха, объемная скорость подачи 150 нсм3/мин. В момент достижения концентрации CO2 380 м.д. продувку воздуха прекращают. Реактор облучают солнечным светом при помощи системы фокусировочных зеркал, на вход реактора подают водород с расходом 5 мл/мин. Облучение абсорбента приводит к его разогреву, при этом диоксид углерода десорбируется из объема сорбента и немедленно взаимодействует с водородом на поверхности фотокатализатора с образованием метана. На выходе смесь анализируется при помощи газового хроматографа. Выход метана составляет 65%.

Пример 4.

В 11 проточных адсорберов, соединенных параллельно, загружают по 1 кг смеси фотокатализатора и сорбента, полученной аналогично примеру 3, на вход каждого подают смесь насыщенного при 25°C парами воды воздуха, объемная скорость подачи 85 л/мин. После насыщения сорбентов проводят нагрев и облучение каждого адсорбера видимым светом последовательно в течение 1 ч, температура слоя в реакторе при этом составляет 180°C, и получают равномерный поток метансодержащего газа на выходе из сорбционной системы - 10 н.л./ч с концентрацией СН4≈20% об. Сразу же после завершения стадии регенерации через адсорбер снова начинают продувать воздух.

Таким образом, организуется непрерывное производство метансодержащего газа.

1. Способ получения метана из атмосферного диоксида углерода, отличающийся тем, что используют механическую смесь термически регенерируемого сорбента - поглотителя диоксида углерода, который представляет собой карбонат калия, закрепленный в порах диоксида титана, и имеет состав: мас.%: K2CO3 - 1-40, TiO2 - остальное до 100, и фотокатализатора для процесса метанирования или восстановления выделяемого в процессе регенерации диоксида углерода состава: мас.%: Pt≈0,1-5 мас.%, CdS≈5-20 мас.%, TiO2 - остальное до 100, содержание фотокатализатора в смеси составляет 10-50 мас.%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбцию диоксида углерода из атмосферы осуществляют при температуре 20-40°C.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что регенерацию-десорбцию диоксида углерода проводят термической обработкой насыщенного сорбента - поглотителя при температуре 150-250°C, выделяющийся во время регенерации диоксид углерода взаимодействует с водородом на поверхности фотокатализатора, облучаемого видимым светом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс регенерации сорбента и фотокаталитическое метанирование или восстановление диоксида углерода на поверхности фотокатализатора проводят одновременно в одном реакторе, в качестве источника энергии используют солнечное излучение.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что сорбцию диоксида углерода из атмосферы осуществляют периодически с процессами десорбции и метанирования диоксида углерода.

www.findpatent.ru

Расплавы металлов разложили метан на углерод и водород без побочных продуктов

Схема каталитической колонны, в которой метан, двигаясь через расплав катализатора, превращается в газообразный водород и уголь

Brian Long / University of California, Santa Barbara

Американские химики-технологи разработали каталитическую колонну, в которой расплав металлов превращает метан в водород и углерод без образования побочных продуктов. За счет продувания пузырьков метана через расплав температурой около 1000 градусов эффективность конверсии метана в таких колоннах достигает 95 процентов. По словам авторов работы, опубликованной в Science, наиболее эффективным катализатором оказался сплав, который содержит 27 процентов никеля и 73 процента висмута.

Основной проблемой получения чистого водорода с помощью паровой конверсии метана является образование в ходе реакции углекислого газа. Когда этот процесс только разрабатывался, образование углекислого газа в качестве одного из продуктов реакции не считалось проблемой, однако сейчас из-за постоянного роста концентрации CO2 в атмосфере в промышленных процессах по возможности стараются избегать его образования даже в качестве побочного продукта. В случае конверсии метана это можно сделать, например, используя реакцию пиролиза метана с образованием простых веществ: углерода и водорода. Осложняется переход к новой технологии тем, что образующийся углерод осаждается на поверхность твердых катализаторов реакции, что приводит к их пассивации и остановке процесса.

Для решения этой проблемы группа химиков-технологов из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре под руководством Эрика Макфарланда (Eric W. McFarland) предложила схему каталитической колонны высотой чуть больше одного метра, в которую катализатор помещается в виде расплава при температуре около 1000 градусов. Через этот расплав продуваются пузырьки метана, которые постепенно превращаются в водород и углерод. Образующийся уголь всплывает на поверхность расплава, где может быть собран и удален из реакционной зоны.

В качестве катализаторов такой реакции ученые использовали расплавы металлов и их сплавов, в которых активным компонентом являются переходные и благородные металлы. В своей работе химики сравнили активность расплавов различных катализаторов пиролиза метана, и наиболее эффективным катализатором в такой каталитической системе оказался сплав, содержащий 27 процентов никеля и 73 процента висмута. Активным компонентом в такой системе является никель, а висмут выполняет роль своеобразного «растворителя». С помощью такого расплава удалось получать 17 наномоль водорода в секунду с каждого квадратного сантиметра поверхности катализатора. Это примерно в сто раз больше, чем для расплава чистого висмута, в 50 раз эффективнее расплава свинца, и в 2 — 5 раз быстрее, чем при использовании других сплавов, содержащих платину и никель.

Для объяснения активности катализатора авторы работы провели компьютерное моделирование расплава металла, через который двигаются молекулы метана. Оказалось, что атомы активного компонента катализатора (например, никеля или платины) находятся в материале в виде отрицательно заряженных ионов, эффективный заряд которых и определяет каталитическую активность материала. А он в свою очередь сильно зависит от свойств металла-растворителя, в частности, его температуры плавления.

С помощью такой каталитической системы удалось провести конверсию метана с эффективностью около 95 процентов, которая не снижается и при повышении давления газа до примерно двух атмосфер. Поэтому уже в ближайшее время такие системы можно будет использовать для дешевого и экологически безвредного получения чистого водорода из метана.

В случае, если углерод является побочным продуктом реакции, а не основным, то его осаждение на поверхность катализатора можно предотвратить с помощью небольшого изменения химического состава катализатора. Например, если добавить в никелевый катализатор олово, то оно встраивается в те позиции, куда мог бы осаждаться углерод и таким образом сильно замедляет возможную пассивацию.

Александр Дубов

nplus1.ru

Способ получения углерода и водорода

 

М 43587

Класс 12 о,- -1ПАТЕНТ HA ИЗОБРЕТЕНИЕ

ОП ИСАНИЕ способа получения углерода и водорода.

К патенту Всесоюзного Государственного Треста „Союзгаз", заявленному

9 октября 1930 года (заяв. свид. № 77183).

Действительный изобретатель ин-ц Н. Б. Грюнштейн (Nathan GrUnstein).

0 выдаче патента опубликовано 30 июня 1935 года.

Действие патента распространяется на 15 лет от 30 июня 1935 года. (1391

Предлагаемое изобретение касается способа получения углерода и водорода.

Получение углерода и водорода из углеводородов или газов, содержащих таковые, например метана и его гомологов, возможно лишь при температуре, превышающей температуру разложения этих соединений. Известно, что, например, метан. распадается на углерод и водород при температуре ниже точки разложения в присутствии катализаторов никеля, кобальта, железа и т. и, Этот важный технический процесс может быть проводим и ниже температуры разложения углеводородов, если пользоваться катализаторами или смесями таковых, носителями которых являются мелкоразделенная сажа, древесный уголь и т. п. Действительно, если пользоваться смесью измельченной сажи или брикетированной сажи с никелем или сажей с железом и т. п., или же смесью катализаторов с подобными носителями, то имеет место интенсивное расщепление метана или т. п. на мелкораспределенный уголь и водород, притом ниже температуры разложения.

Вместо измельченного или брикетированного угля можно также применять соответственно подготовленный кусковой древесный уголь. Отделение вновь полученного углерода не представляет затруднений.

Однако до сих пор техническое получение углерода и водорода из метана или других углеводородов и присутствии катализаторов затрудняется тем обстоятельством, что катал итическая масса во время процесса все время разбавляется вновь образующимся углеродом (сажей).

С целью поддержания оптимальной концентрации катализатора (никеля или железа) на носителе предложено по мере разбавления каталитической массы подводить новые количества никеля или железа в виде карбонилов этих металлов.

Если пользоваться карбонилами, например железа, никеля и т. и., то соответственно металлические соединения или металлы можно осаждать на носитель, например, сажу, древесный уголь и т. п. и затем разлагать и непрерывноили периодически вводить в газообразном состоянии вместе с метаном.

Можно также в пространстве, где происходит реакция, помещать твердые активированные катализаторы, причем они непрерывно переходят в продукт реакции и противодействуют разбавлению катализатора.

Далее было найдено, что выгодно вести работу с системой аппаратов та-ким образом, что расщепляемый исходный углеводород сначала пропускают. над катализатором, сильно разбавленным образовавшимся углем, а затем над катализаторами с большой концентрацией металла.

При этом метан или другие углево .дороды целиком разлагаются на углерод и водород, а вместе с тем аппараты используются наиболее олагоприятным образом,. не считая того, что конечный продукт содержит минимальное количество катализатора.

В случае необходимости, полученный углерод может быть освобожден от катализатора (никеля или железа) по одному из существующих способов, например действием окиси углерода, лучше всего под давлением, в виде карбонилов вышеупомянутых металлов, обработкой хислотамн или же механическим путем.

При удалении железа в виде карбонила в углероде иногда остается карбид же.леза, который лучше всего разложить кислотами.

Пирогенетическому разложению по предлагаемому способу можно подвергать метан, газы с содержанием метана, а также другие алифатические или ароматические углеводороды, например этан, метан или этан с содержанием этилена, пентан, бензол, толуол и т. д.

Вместо отдельных катализаторов можно применять и смеси их, Особенно важным является использование жидких, алифатических или ароматических углеводоров или смесей таковых, как-то керосина и т. п., которые отчасти являются отбросами и .имеются в значительном количестве. Расщепление этих углеводородов происхо.дит весьма энергично, так что даже с небольшими аппаратами можно получать значительные количества сажи и вместе с тем ценный газ — водород.

Необходимо подчеркнуть, что высшие алифатические и ароматические углеводороды легче поддаются расщеплению, нежели метан. Расщепление метана требует черезвычайно высокой температуры, равно как и чувствительных .и активных катализаторов, Наоборот, высшие углеводороды, даже загрязненные серой, например керосин, могут быть без труда расщеплены при более низкой температуре, нежели метан, при .помощи железа или иных осажденных на углероде катализаторов, причем получается высококачественная сажа.

Получаемый углерод обладает превосходными качествами. В качестве сажи он может найти себе применение, например, в резиновой промышленности. Кроме того путем последующей специальной обработки углерода можно ему придать некоторые особые свойства. Например,путем обработки углекислотой при повышенной температуре можно получать активный или обесцвечивающий уголь.

Пример 1. 100 ч, сажи смешивают с концентрированным раствором уксуснокислого никеля, соответствующим 20 ч. металлического никеля, высушивают, разлагают в токе азота в железной трубе с электрическим обогревом и восстанавливают водородом при температуре

250 — 325 . После восстановления каталитической массы через нее пропускают метан или газ, таковой содержащий, при температуре 600 — 850, лучше всего при

700 — 750 .

При этом метан расщепляется на углерод и водород, причем в трубе, где происходит реакция, собирается мелкий углерод. В случае, если газ, выходящий из аппарата, еще содержит метан, то его пропускают по принципу противотока во второй аппарат, пока метан не окажется вполне разложенным, т. е. на ряду с углеродом будет получаться свободный от метана водород.

По мере разбавления каталитической массы вновь образующимся во время процесса углеродом в реакционное пространство вместе с метаном вводят карбонил никеля. Карбонил никеля может быть также непрерывно подводим в незначительных количествах; точно так же могут быть вводимы и твердые катализаторы.

Разгрузку аппарата от углерода производят периодически, хотя удаление образующегося углерода может быть и непрерывным, например, при помощи самих выходящих газов.

Остающийся в углероде катализатор выделяют в виде карбонила, после чего он вновь может быть введен в процесс.

Вместо метана можно с успехом пользоваться этаном, пентаном, бензолом и т. и. — 3

Предмет патента.

1. Способ получения углерода и водорода путем пирогенетического разложения метана или других углеводородов в присутствии никеля или железа, осажденных на различного рода носителях, отличающийся тем, что, с целью поддержания оптимальной концентрации катализатора — никеля или железа на носителе по мере раздробления каталитической массы выделяющейся сажей, подводят новые количества никеля или

Зксяерт И. Ф. Сукневич

Редактор 3. Я. Хинич

I железа в виде карбонилов этих металлов.

2. Прием выполнения способа, согласно п. 1, отличающийся тем, что расщепляемый исходный углеводород сначала пропускают над катализатором, сильно разбавленным образовавшимся углем, а затем над катализаторами сбольшой концентрацией металла.

3. Прием выполнения способа согласно пп. 1 и 2, отличающийся тем. что из отработанных масс удаляют никель или железо в виде карбонилов.

Тип..Печатный Труд . Зак. 48бб — 406

   

www.findpatent.ru

Ответы@Mail.Ru: водород из метана!

это зависит от технолога на производстве. Но вообще есть оптимальный состав. Из уравнения видно, что обьемы водяного пара надо в 2 раза больше, чем обьемы метана. Но на самом деле пара берут больше - так реакция смещается вправо. В конце все равно промывка водой. Для каждой конкретной установки это количесво расчитывают индивидуально. В зависимости от возможностей аппаратуры и вообще от оформления процесса. На графике равновесное состояние продуктов в зависимости от соотношения метан / воздух <img src="//otvet.imgsmail.ru/download/fcedead181c14e8c280a62d12cd783f8_i-378.jpg" >

Растворимость метана в воде по данными Вики0,35 г/100 мл, что составляет ровно 0.35% Точнее - в источнике, растворимость газов сильно зависит от температуры и давления. <img src="//otvet.imgsmail.ru/download/71def54cdde463b4598b9f24465e9472_i-163.gif" >

А существуют ли промышленные способы получать метан из водорода?

touch.otvet.mail.ru

Химик.ПРО - Получение метана | Решение задач по химии бесплатно

Рассчитайте, какой объем метана (CH4) можно получить из 1 тонны каменного угля, содержащего 85 %  по массе углерода (C), если выход реакции получения метана (CH4) составляет 75 %.

Решение задачи

Запишем уравнение реакции получения метана (CH4) из каменного угля:

Найдем массу углерода (C), вступившего в реакцию. Для этого, используя формулу нахождения массовой доли растворенного вещества:

выразим массу вещества:

Получаем:

m (C) = 1 ∙ 0,85 = 0,85 (т) или 85 ⋅ 104 г.

Если раствор 85-процентный, то массовая доля  углерода (C) в нем 0,85.

Учитывая, что молярные массы углерода (C) и метана (CH4) соответственно равны 12 г/моль и 16 г/моль, по уравнению реакции рассчитаем теоретический выход реакции получения метана (CH4):

из 12 г углерода (C) получают метана (CH4) 16 г

из 85 ⋅ 104 г углерода (C) получают метана (CH4) х г

Откуда:

Учитывая, что метан (CH4) – газ, вычислим объем метана (CH4), по формуле перерасчета, устанавливающей связь между массой и объемом газа:

Получаем:

V (CH4) = 113,3 ⋅ 104 ∙ 22,4 / 16 = 158,62 ⋅ 104 (л).

Найдем практический объем метана (CH4) (практический выход реакции получения метана (CH4)) с учетом выхода по формуле:

Получаем:

V (практ.) = 158,62 ⋅ 104 л ⋅ 75 % / 100 % = 119 ⋅ 104 (л) или 1190 м3.

Ответ:

объем метана равен 1190 м3.

 

Похожие задачи по химии

himik.pro

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *