Углекислотная конверсия метана в синтез-газ СО + Н₂ - одна из важнейших химических реакций, пригодная для промышленного получения водорода и дающая начало синтезу углеводородов (жидкое топливо) и других технически ценных продуктов.

Существует три метода окислительной конверсии метана в синтез-газ:

· паровая конверсия

CH₄ + H₂O ↔ CO + 3H₂

ΔН = +206 кДж/моль (1)

· парциальное окисление кислородом

CH₄ + 1/2O₂ ↔ CO + 2H₂

ΔН = -35,6 кДж/моль  (2)

· углекислотная конверсия

2CO + 2H₂ ↔ CH₄ + CO₂

ΔН = +247 кДж/моль (3)

В промышленности используется практически лишь метод паровой конверсии (1). Реакцию проводят на нанесенном Ni-катализаторе при высокой температуре (700 - 900 °С). Что касается реакции (2), то на ее основе фирмой «Shell» был разработан технологический процесс в некаталитическом варианте при очень высоких температурах (1100 - 1300 °С), реализованный на небольшом заводе в Малайзии. Заметим, что по последним сведениям из-за аварии этот завод сейчас не работает. Реакция (3) пока находится в стадии исследования на уровне лабораторных и пилотных испытаний. Как следует из уравнений (1) - (3), количественный состав образующегося синтез-газа в этих реакциях различный: в реакции (1) получается синтез-газ состава СО:Н₂ = 1:3, в реакции (2) - смесь 1:2, в реакции (3) - смесь 1:1. Потребность в синтез-газе того или иного состава определяется его последующим техническим назначением.

Так, для синтеза метанола требуется синтез-газ состава 1:2

СО + 2Н₂ = СН₃ОН                    (4)

В производстве аммиака из азото-водородной смеси на стадии ее получения применяют синтез-газ состава 1CO:3H₂. Относительно недавно предложено использовать синтез-газ состава 1:1 для промышленного получения диметилового эфира [9, 10]. Формальная стехиометрия этой реакции соответствует уравнению

2СО + 4Н₂ = СН₃ОСН₃ + Н₂О                     (5)

Однако, с учетом того, что в условиях этого процесса H₂O вступает во взаимодействие с CO (паровая конверсия CO)

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂

ΔH = - 41 кДж/моль (6)

реально для получения диметилового эфира требуется смесь CO:H₂ состава 1:1:

3СО + 3Н₂ = СН₃ОСН₃ + СО₂                       (7)

Термодинамическое рассмотрение реакции (7) указывает, что она может осуществляться при давлениях значительно меньших, чем реакция (4). Катализатором реакции (7) может служить комбинация катализаторов дегидратации и синтеза метанола. Получаемый диметиловый эфир предлагается применять в качестве топлива в дизельных двигателях без переделки самих двигателей (это топливо резко снижает вредные выхлопы ─ «топливо 21 века», как его назвали разработчики).

Термодинамика процесса

Равновесие в системе 2CO + 2H₂ ↔ CH₄ + CO₂

Большие трудности в практическом осуществлении всех методов конверсии метана связаны со значительным тепловым эффектом: как эндотермичность реакций (1) и (3), так и экзотермичность реакции (2) создают проблему подвода или отвода тепла. В углекислотной конверсии метана (3) при 700 - 800 °С на многих никелевых и платиновых катализаторах достигается равновесная конверсия в синтез-газ СО + Н₂.  В этих условиях одновременно с реакцией (3) осуществляется взаимодействие монооксида углерода с водяным паром (6). Протекание реакции (6) приводит к тому, что в равновесии (3) отношение СО:Н₂ оказывается меньше 1, а конверсия СО₂ больше конверсии СН₄. Лишь при 900 °С и атмосферном давлении выход Н₂ и СО приближается к 100%, а отношение Н₂О/СО к нулю.

На рис. 11 показана зависимость равновесного выхода Н₂ и СО в исходной системе CH₄ + CO₂ от температуры и давления.

Рис. 11. Зависимость равновесного выхода Н₂ и СО от температуры при 0,1 МПа (а) и от давления при 800 °С (б) в исходной смеси 1СН₄:1СО₂

Как видно из рис. 11, с повышением температуры выход водорода и CO возрастает, достигая предела вблизи 900 °С. С ростом давления равновесная конверсия уменьшается.

Основным препятствием к использованию Ni-катализаторов отравляемость коксом. Возможны два пути образования кокса при разложении метана:

· диссоциация метана

СН₄ = С + 2Н₂

 ΔН = +74,8 кДж/моль•С (8)

· реакция Будуара

2CO ↔ C + CO₂

ΔН = -172,5 кДж/моль•С (9)

Первая из них ─ эндотермическая, вторая ─ экзотермическая. Обе реакции могут быть представлены как стадии суммарной реакции (3). Однако в реальности они протекают при разных температурах: реакция (8) ─ преимущественно при высоких температурах, реакция (9) ─ при низких температурах, и в реальных условиях кокс почти всегда образуется. Согласно термодинамическим соображениям суммарное углеотложение должно снижаться с повышением температуры. Действительно, эксперимент подтверждает, что основное количество углерода образуется по реакции (8), а не (9). Часто углерод, диффундируя в металл, образуется на выходе из катализатора в виде нитей.

Одним из путей решения проблемы, связанной с подводом и отводом тепла при получении синтез-газа, является разработка процесса комбинированной конверсии смеси СН₄ + СО₂ + Н₂О + О₂, в котором бы без дополнительного подогрева сочетались реакции (1), (2), (3) и (6). Такую термонейтральную (автотермическую) конверсию можно осуществить, комбинируя углекислотную (3) и кислородную (2) конверсию метана в системе СН₄ + СО₂ + О₂. Термодинамический расчет процесса комбинированной конверсии, включающей реакции (2), (3) и паровой конверсии СО (6), показывает, что в смеси 50% СН₄ + (50 - х)% СО₂ + х% О₂ при 800 °С термонейтральность достигается при х = 23% (рис. 12). В реакции смеси 50% СН₄ + 27% СО₂ + 23% О₂ при 800 °С и 1 атм. равновесные выходы составляют: 49,3% Н₂ и 36,5% СО, т.е. соотношение CO:H₂ сильно отличается от единицы.

Рис. 12. Зависимость равновесного выхода Н₂ и СО и теплового эффекта реакции (теплопоглощения) Q_эндо при 800 °С и 0,1 МПа от содержания кислорода (x) в смеси 50% СН4 + (50-х)% СО₂ + х% О₂

Изменение соотношения исходных компонентов позволяет получить газ состава 1СО:1Н₂ с одновременным сохранением термонейтральности. Например, исходная смесь, содержащая 38% СН₄, 43% СО₂ и 19% СО₂, при 800 °С и 1 атм. дает продукт состава 36,0% Н₂ и 36,4% СО при нулевом тепловом эффекте. При повышении температуры получается избыток СО: при 900 °С ─ 34,6% Н₂ и 38,0% СО, а при снижении температуры ─ избыток Н₂: при 700 °С ─ 36,4% Н₂ и 33,6% СО. В качестве примера на рис. 13 показана зависимость равновесного выхода СО и Н₂ от температуры и давления для исходной смеси 38 % CH₄ + 43% CO₂ + 19% O₂.

Рис. 13. Зависимость равновесного выхода Н₂ и СО и теплового эффекта реакции (тепловыделения) Q_эндо при 0,1 МПа от температуры (а) и при 800 °С от давления (б) в смеси 38%СН₄ +43%CO₂ + 19%O₂

Важно отметить, что для этой смеси, в отличие от смеси 1СО:1Н₂, с ростом давления от 1 до 10 атм. равновесный выход продуктов уменьшается не намного, всего на 2─3%. Это позволяет интенсифицировать процесс путем увеличения давления без изменения соотношения продуктов и термонейтральности.