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

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