Номер 4, страница 42 - гдз по химии 10 класс учебник Рудзитис, Фельдман

4. Как в промышленности из метана получают синтез-газ?

Синтез-газ — это технологическая газовая смесь, состоящая в основном из монооксида углерода ($CO$) и водорода ($H_2$). Он является важнейшим сырьем в химической промышленности для производства метанола, аммиака, синтетических топлив (по процессу Фишера-Тропша) и других органических продуктов. Основным сырьем для получения синтез-газа в промышленности является природный газ, главной составляющей которого является метан ($CH_4$).

Существует несколько основных промышленных методов получения синтез-газа из метана:

Паровая конверсия метана (паровой риформинг)

Это наиболее распространенный и экономически выгодный метод. Процесс заключается во взаимодействии метана с водяным паром при высокой температуре в присутствии катализатора.

Основная реакция процесса:
$CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$

Эта реакция является сильно эндотермической ($\Delta H > 0$), то есть требует подвода большого количества тепла извне. Процесс проводят при температуре 700–1100 °C и давлении 1.5–4 МПа. В качестве катализаторов обычно используют никель, нанесенный на оксид алюминия ($Ni/Al_2O_3$).

Параллельно протекает обратимая реакция конверсии водяного газа (реакция сдвига водяного газа), которая влияет на конечное соотношение продуктов:
$CO + H_2O \rightleftharpoons CO_2 + H_2$

Соотношение водорода к монооксиду углерода ($H_2/CO$) в получаемом синтез-газе обычно составляет около 3:1, но может регулироваться изменением условий процесса для дальнейшего использования.

Парциальное (неполное) окисление метана

Этот метод основан на неполном сгорании метана в присутствии ограниченного количества кислорода.

Основная реакция:
$CH_4 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO + 2H_2$

Процесс является экзотермическим ($\Delta H < 0$) и протекает при очень высоких температурах (1200–1500 °C) и высоком давлении. Он может быть как каталитическим, так и некаталитическим. Преимущество этого метода в том, что он не требует внешнего источника тепла, так как тепло выделяется в ходе самой реакции. Соотношение $H_2/CO$ в продуктах составляет примерно 2:1, что оптимально для синтеза метанола или жидких углеводородов по методу Фишера-Тропша.

Углекислотная конверсия метана ("сухой" риформинг)

В этом процессе метан реагирует с диоксидом углерода ($CO_2$).

Реакция процесса:
$CH_4 + CO_2 \rightleftharpoons 2CO + 2H_2$

Реакция также является сильно эндотермической и требует высоких температур (800–1000 °C) и катализатора (например, на основе никеля или благородных металлов). Этот метод позволяет утилизировать диоксид углерода, который является парниковым газом. Продукт реакции — синтез-газ с низким соотношением $H_2/CO$, близким к 1:1. Основной проблемой метода является быстрая дезактивация катализатора из-за отложения углерода (закоксовывания).

Автотермический риформинг

Этот процесс объединяет в одном реакторе парциальное окисление и паровую (или углекислотную) конверсию. Метан, кислород и водяной пар подаются в реактор.

Сначала происходит экзотермическое парциальное окисление метана кислородом, которое обеспечивает тепло, необходимое для протекания эндотермической паровой конверсии.

$CH_4 + \frac{1}{2}O_2 \rightarrow CO + 2H_2$ (экзотермическая)
$CH_4 + H_2O \rightleftharpoons CO + 3H_2$ (эндотермическая)

В результате общий процесс становится термически сбалансированным и не требует подвода тепла извне. Автотермический риформинг позволяет гибко регулировать соотношение $H_2/CO$ в получаемом синтез-газе, изменяя соотношение исходных реагентов (метана, кислорода и пара).

Ответ: в промышленности синтез-газ (смесь $CO$ и $H_2$) из метана ($CH_4$) получают несколькими основными способами. Самый распространенный — паровая конверсия, где метан реагирует с водяным паром при высокой температуре (700-1100 °C) и давлении на никелевом катализаторе, образуя синтез-газ с соотношением $H_2/CO \approx 3:1$. Другие методы включают парциальное окисление метана кислородом (экзотермический процесс, $H_2/CO \approx 2:1$), углекислотную конверсию метана с $CO_2$ ($H_2/CO \approx 1:1$) и автотермический риформинг, который комбинирует парциальное окисление и паровую конверсию в одном аппарате для достижения теплового баланса и гибкого контроля состава продуктов.