Синтез-газ

Си́нтез-газ, смесь оксида углерода СО и водорода H₂, соотношение которых варьируется в зависимости от способа получения смеси. В промышленности синтез-газ получают конверсией природного газа или нефтепродуктов (например, газификацией нефтяных остатков), плазменной газификацией отходов и сырья, газификацией твёрдых топлив (генераторный газ), в небольших количествах – химической переработкой древесины и биомассы. Устойчивое выражение «синтез-газ» появилось в 19 в. и обозначало продукт углехимии, который использовали для получения различных синтетических веществ. Первым методом получения синтез-газа была газификация угля, которая затем была вытеснена процессами с применением природного газа и нефти ввиду их увеличивающейся добычи и использования менее энергоёмких технологий получения синтез-газа.

Получение синтез-газа конверсией метана является наиболее масштабным направлением химической переработки природного газа. В зависимости от применяемого окислителя различают несколько методов получения синтез-газа.

Паровая конверсия метана – наиболее распространённый метод получения синтез-газа путём реакции взаимодействия метана с водяным паром:

$CH_{4} + H_{2} O \rightleftarrows CO + 3H_{2}$.

Процесс проводят при температуре 800–1000 °С и давлении 30–50 атм в присутствии никелевых катализаторов, в которых в качестве носителя используется оксид алюминия (Ni/Al₂O₃). Получаемый синтез-газ имеет соотношение H₂:CO = 3:1. Побочным продуктом реакции является углекислый газ СО₂, поскольку в данных условиях водяной пар взаимодействует с оксидом углерода (паровая конверсия СО):

$CO + H_{2}O \rightleftarrows CO_{2} + H_{2}$.

Парциальное (частичное) окисление метана:

$CH_{4} + \frac{1}{2} O_{2} \rightleftarrows CO + 2H_{2}$.

Для осуществления данного процесса можно использовать как чистый кислород, так и воздух. В случае применения в качестве окислителя воздуха значительно увеличиваются размеры аппаратов. Некаталитический процесс парциального окисления метана требует высоких температур (1100–1300 °С). Для понижения температуры протекания процесса окисления метана до 700–900 °С используют катализаторы (Ni/Al₂O₃). Основными недостатками парциального окисления метана являются высокая стоимость кислорода и его взрывоопасность.

Углекислотная конверсия метана:

$CH_{4} + CO_{2} \rightleftarrows 2CO + 2H_{2}$.

Конверсия метана с использованием СО₂ находится на стадии исследования и разработки. Процесс проводят при 700 °С и атмосферном давлении в присутствии катализатора (оксиды металлов). Использование процесса затруднительно, так как в результате протекания побочных реакций происходит образование отложений углерода на поверхности катализатора, что приводит к его деактивации.

В промышленности используют также комбинации методов: паро-углекислотная и парокислородная конверсии метана. Процессы паровой и углекислотной конверсии представляют собой эндотермические реакции, требующие подвода тепла извне. Реакция метана с кислородом является экзотермической, при этом выделяющейся теплоты достаточно и для кислородной конверсии, и для покрытия расхода теплоты на эндотермические реакции паровой и углекислотной конверсии метана. Сочетание различных окислителей используют для снижения энергозатрат.

Синтез-газ используется в процессах оксосинтеза, при получении аммиака (с использованием водорода после очистки от СО), ацетилена и метанола, который применяется в качестве растворителя и в качестве сырья при синтезе формальдегида, уксусной кислоты, метил-трет-бутилового эфира (высокооктановая добавка к бензину); на основе полученных из метанола продуктов производят синтетические смолы, пластмассы, лекарственные средства и пестициды. Из синтез-газа на основе синтеза Фишера – Тропша можно получать синтетическое жидкое топливо (бензин, дизель).