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.