Способы получения искусственных газов

Виды природных и искусственных газов

Виды природных и искусственных газов.

Все виды газового топлива по способу получения подразделяются на природные и искусственные: к первой группе относятся газы природных месторождений и попутные газы газонефтяных месторождений, ко второй — коксовый, сланцевый и другие газы, получаемые путем термической переработки твердых топлив, а также газы, получаемые при переработке нефти.

Газовое топливо представляет собой смесь горючих и негорючих газов. Горючими являются метан, пропан, бутан, этан, водород и окись углерода; негорючими — азот, углекислый газ и кислород, а также некоторое количество примесей как горючих, так и негорючих веществ, количество которых лимитируется ГОСТ 5542—78.

Природные газы чисто газовых месторождений состоят в основном из метана (СН4), относятся к категории сухих (тощих) газов и характеризуются относительным постоянством состава, в то время как состав газов газонефтяных месторождений непостоянен и зависит от природы нефти, величины газового фактора и условий разделения нефтегазовых смесей.

Попутные газы из газовых шапок нефтяной залежи, как правило, содержат меньше тяжелых углеводородных газов, чем газы, получаемые из месторождений нефти, в которой они были растворены.

Все виды газового топлива подразделяют на природные и искусственные.

К природным относят газы природных месторождений и попутные газы газонефтяных месторождений — метан, пропан, бутан. Газовое топливо представляет собой смесь горючих (метан, этан, пропан, бутан, этилен, водород, оксид углерода и др.) и негорючих (азот, углекислый газ, кислород) газов. В некоторых видах топлива содержится горючая, но вредная примесь — сероводород. Природный газ, добываемый из недр земли, не имеет вкуса, цвета и запаха. Для придания запаха с целью распознавания его в воздухе в случае утечки используется одоризация — внесение в газ пахнущего вещества (этил меркаптан). Одоризация позволяет обнаружить газ при концентрации его в воздухе 1 %, что составляет 1/5 нижнего предела взрываемости. Важнейшей теплотехнической характеристикой природного газа является теплота сгорания — количество теплоты, выделяющееся при сгорании 1 м3 сухого газа и зависящее от того, в каком агрегатном состоянии находится в продуктах горения вода, выделяющаяся из топлива и образующаяся при сгорании водорода и углеводородов, — в парообразном или жидком. Если в продуктах горения все водяные пары конденсируются и образуют жидкую фазу, то теплота сгорания называется высшей. Если же конденсации водяного пара не происходит, то теплоту сгорания называют низшей.

К искусственным относят коксовый, сланцевый, доменный и другие газы, получаемые путем переработки твердых топлив, нефти, а также выделяющиеся при технологических процессах на химических, металлургических и других предприятиях.

В котельных установках в качестве газообразного могут быть использо­ваны следующие газы:

1) природный газ;

2) доменный газ – отход металлургического производства;

3) коксовый газ – для отопления котлов используется очень редко (идет на металлургических заводах чаще всего на мартены).

Все газы, кроме природного, занимают незначительную долю в газообразном топливе электростанций.

Источник

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.

Источник

История искусственных горючих газов

18 Марта 2021 г.

История газовой промышленности начиналась не с использования природного газа, а с синтеза искусственного. Искусственный газ применяли как для освещения, так и для обогрева.

Искусственные газы

Искусственные горючие газы — смесь газообразных продуктов переработки (газификации) топлива в специальных аппаратах. В их состав входят метан, оксид углерода, водорода и другие газообразные углеводороды, а также негорючие диоксид углерода и азота.

В зависимости от способа их назначения, получения и исходного топлива различают: светильный, топливный; генераторный, доменный, коксовый; водяной, каменноугольный, нефтяной, древесный и т.д.

Искусственные газы получают при коксовании угля (коксовый газ), нефтепереработке, выплавке металлов (доменный газ), газификации твердых топлив (генераторный газ).

Состав светильного газа

Светильный газ

В 1798 году был открыт каменноугольный светильный газ. Авторами открытия стали Филипп Леблон (Париж) и Вильям Мердок (Англия). Поразительно в этом открытие и то, что оно было совершенно одновременно и независимо друг от друга.

Такое необычное название “светильный газ” было получено благодаря своему первому применению — освещению. Со временем светильный газ начали использовать и в других областях.

Такой газ добывали из углей определенного сорта, из 1 пуда которых получалось 160-180 фут 3 или 0,28-0,30м 3 /кг и кокс 65-70%. Помимо этого этого в процессе карбонизации образуется смола (5%) и аммиачная вода (8%).

Выгодность получения газа таким образом зависит не только от свойств газа, но и от получаемых попутно продуктов. Но все же в 19 веке под светильным газом понимали каменноугольный газ.

Древесный газ

Древесный газ получается путем сухой перегонки дерева. Разницы в породе дерева не существует: везде получится один и тот же объем газа (100 кг дров = 40 м 3 газа, 30 кг угля, 45 кг древесного уксуса, 5 кг смолы).

Состав нефтяного газа

Древесный газ будет иметь примерно на 20% больше световой силы, чем из угля.

Нефтяной газ

Нефтяной газ добывают в процессе разложения нефти под действием высокой температуры. Количество получаемого газа из нефти гораздо больше, чем из угля.

Сам газ содержит меньше вредных примесей, а световые, теплотворные и силовые параметры гораздо лучше. Сырьем для такого газа служит мазут (нефтяной остаток), нефть и солярный дистиллятор. Из 100 кг нефти примерно получается около 60 м 3 нефтяного газа, 25-30 кг газовой смолы, 4-5 кг кокса. Этот газ бесцветен и имеет резкий запах.

Газ нефтяной применялся достаточно широко:

1. для освещения крупных объектов: заводов, лабораторий;
2. в сжатом состоянии для освещения маяков, вагонов и даже для автогенной сварки;
3. иногда для усиления света от светильного газа его смешивали с нефтяным.

Состав водяного газа (коксовый газ)

Водяной газ (или коксовый газ)

Этот газ добывают достаточно необычным образом: через кокс пропускают перегретый водяной пар при температуре выше 1000ºС.

Открытие такого взаимодействия раскаленного угля и пара принадлежит Феличе Фонтана (1780 г.). Первый раз применили для освещения в Дублине в 1830 году, и только около 1855 года водяной газ начали использовать во Франции и других странах Европы.

Стоит отметить, что кроме водяного газа есть карбюрированный, чьи свойства зависят от способа и степени карбюрации.

Воздушный газ

Для изготовления воздушного газа применяется газолин. В продаже он чаще всего называется нефтяным эфиром, гидририном и др. Для приготовления воздушного газа воздух пропускается через карбюратор с газолином. Также имеется второй вариант получения, который заключается в смешении определенного объема газолина с определенным количеством сжатого воздуха. Свое применение газ нашел в США: в основном, его использовали для освещения небольшие города, гостиницы, ж/д станции, заводы.

Блаугаз

Свое название блаугаз получил от фамилии немецкого инженера Блау. Ученый получил этот газ путем сжатия нефтяного газа при давлении 2,0 МПа в присутствии абсорбирующих веществ. Получаемый таким образом светильный газ и есть блаугаз, который может быть сжижен, но в отличие от других газов при более высоком давлении.

Из вышесказанного можно сделать вывод: многие искусственные газы производились из твердых материалов и получили большее распространение. Нельзя забыть и о побочных газах, которые, в основном, получают в металлургии, например, доменный газ.

В 30-ые годы XX века один городской житель потреблял: во Франции — 40 м 3 , в Германии — 51 м 3 , в Нидерландах — 74 м 3 , в США- чуть больше 100 м 3 , В Австралии — 117 м 3 , Великобритания была лидером — 178м 3 .

В XX веке газ постепенно вытесняется в сфере освещения электричеством. Созданная инфраструктура для производства и распространения искусственного газа сохранилась. Еще долгое время газ, получаемый из угля, использовали в котельных, на электростанциях для получения электричества и в газовых плитах.

Источник

Искусственные газы

Искусственные газы

В годы, предшествующие развитию промышленности природных газов, широкое применение находил светильный или городской газ, получаемый в результате сухой перегонки (без доступа воздуха) твердого топлива, в частности каменного угля с высоким содержанием летучих или горючих сланцев. Производство таких газов было сосредоточено на специальных газовых заводах. Область применения — в основном бытовые нужды: газовые плиты и водонагреватели.

В настоящее время выработка таких газов, в связи с развитием промышленности природных газов, незначительна.

В больших количествах аналогичные искусственные газы получаются на современных коксохимических заводах в качестве побочного продукта при производстве металлургического кокса из коксующихся каменных углей или в специальных установках полукоксования (низкотемпературного коксования).

Искусственные газы процесса полукоксования (полукоксовый газ) содержит в своем составе различные углеводороды, водород, окись углерода и балласт: двуокись углерода, азот и водяные пары. Значительная часть углеводородов при обычных температурах окружающей среды конденсируется в виде смол, бензола, газового бензина, которые улавливаются, так как представляют собой ценное сырье для химической промышленности. Искусственные газы после улавливания конденсирующихся продуктов и очистки находит применение в качестве топлива. Теплота сгорания полукоксового газа 20,0-30,0 Mдж/м 3 .

Коксовый газ является попутным продуктом производства кокса. Выплавка чугуна требует большого количества металлургического кокса, для получения которого осуществляется процесс высокотемпературного коксования в специальных печах. Процесс сухой перегонки специальных коксующихся углей при температуре 1000-1200° С протекает с выделением значительного количества газа, состоящего из метана, водорода, окиси углерода и балласта.

После улавливания в специальной аппаратуре компонентов ценных для химической промышленности, коксовый газ используется как топливо для промышленных печей и котельных установок. Теплота сгорания коксового газа 15-20 Мдж/м 3 , плотность — 0,45-0,50 кг/м 3 .

Доменный газ выделяется при выплавке чугуна в доменных печах, когда в результате термического воздействия дутья на кокс протекает процесс его газификации, близкий по своим показателям к процессу в специальных газогенераторных установках. Этот доменный, или как его иногда называют колошниковый, искусственные газы состоят из окиси углерода, углекислого газа, азота и очень небольшого количества водорода, углеводородных соединений, водяного пара и кислорода.

Теплота сгорания его лежит в пределах 3,5-4,0 Мдж/м 3 , плотность близка к плотности воздуха или несколько ниже. Количество выделяемого газа колеблется в пределах 3500-4500 м 3 на тонну выплавляемого чугуна.

В связи с низкой теплотой сгорания этот газ неэкономично транспортировать на большие расстояния, поэтому он используется в пределах металлургического комбината: в котельных, на отопление коксовых и нагревательных печей.

Искусственные газы подземной газификации угля получается в результате осуществления генераторного процесса непосредственно в угольном пласте. Подземная газификация угля, впервые осуществленная в нашей стране, выгодно отличается от газификации топлива в специальных газогенераторных установках относительной простотой оборудования и возможностью использовать маломощные и крутопадающие угольные пласты.

Однако управление ходом процесса газификации топлива, протекающего в условиях естественного залегания пласта, является более трудным, чем управление процессом в обычных газогенераторах. В связи с этим качество газа подземной газификации угля обычно несколько ниже, чем генераторного, хотя по мере совершенствования техники оно непрерывно повышается.

Теплота сгорания газа подземной газификации лежит в пределах от 3,5 до 4,5 Мдж/м 3 . Плотность и состав примерно такие же, как и у доменного газа.

Следует заметить, что подземной газификации может подвергаться не только каменный уголь, но также бурый уголь и сланцы, хотя при газификации сланцев возникают дополнительные трудности.

Генераторный газ — результат генераторного процесса, осуществляемого в специальных аппаратах — газогенераторах. Этот процесс представляет собой термическую переработку твердого топлива в присутствии окислителя (свободного или связанного кислорода) с переводом всей горючей части топлива в газ.

До последних лет наиболее распространены были газогенераторные установки, работающие при атмосферном давлении с подачей в них воздуха с некоторым количеством водяного пара. В таких газогенераторах получается так называемый смешанный генераторный газ с теплотой сгорания от 4,5 до 6,5 Мдж/м 3 . Основными горючими компонентами этого газа являются окись углерода и водород при небольшом содержании углеводородных соединений. Негорючая часть (балласт) состоит из азота, углекислого газа и водяных паров.

Газ, получаемый из топлив с большим выходом летучих (бурый уголь, древесина, торф, сланцы), содержит значительное количество смол.

В последние годы получила распространение газификация топлива под давлением 10-25 бар на парокислородном дутье. Такой метод газификации приводит к увеличению количества углеводородных соединений в газе, а за счет этого — к увеличению теплоты сгорания (до 15,0-17,0 Мдж/м 3 ) и плотности газа. Повышенная теплота сгорания и наличие избыточного давления позволяют с выгодой транспортировать зтот газ на умеренные расстояния (100-120 км).

Рассмотренные генераторные искусственные газы (кроме доменного, являющегося отходом производства) относительно дороги и не могут конкурировать с природными. Применение их оправдывается только в районах, которым нельзя подать природный газ.

Водяной газ также относится к генераторным газам. Он получается в результате воздействия водяных паров на раскаленный кокс. Реакция образования водяного газа сопровождается большими затратами тепла, подвод которого осуществляется за счет периодической продувки горящего топлива воздухом, что приводит к интенсивному разогреву слоя до 1100-1200° С. После этого при продувке раскаленного слоя водяным паром образуется водяной газ, горючая часть которого состоит из водорода и окиси углерода, а балластом являются углекислый газ и водяные пары при незначительном содержании других компонентов. Теплота сгорания газа колеблется в пределах 8,5-12,0 Мдж/м 3 , плотность около 0,7 кг/м 3 .

Так как получение этого газа значительно сложнее и дороже, чем получение других горючих газов, и осуществляется с относительно низким к. п. д., то газ не находит применения в качестве промышленного топлива. Используется он как химическое сырье с высоким содержанием водорода или как топливный газ для некоторых специальных технологических аппаратов.

Крекинг-газ — побочный продукт крекинга жидкого топлива. Процесс крекинга сопровождается интенсивным расщеплением углеводородных молекул, входящих в состав этого топлива. В результате этого расщепления наряду с молекулами, образующими жидкие горючие с самыми различными плотностями (бензин, лигроин, керосин, масла), значительная часть молекул образует газовую смесь, состоящую из углеводородов и балластных газов. Количество таких газов в зависимости от технологического процесса переработки и свойств сырья лежит в пределах от 40 до 250 м 3 на тонну исходного топлива. Теплота сгорания крекинг- газа 60,0-80,0 Мдж/м 3 .

При переработке нефти, содержащей сернистые соединения, в крекинг-газе имеется значительное количество сернистых соединений, в частности сероводорода. Крекинг-газ представляет собой ценное химическое сырье, а также хорошее топливо для промышленных печей и котельных установок.

Кроме широко распространенного жидкофазного крекинга в промышленности находят применение и другие процессы термической переработки жидких топлив. Одним из таких процессов является парофазный крекинг — пиролиз, в результате которого имеет место выход больших количеств углеводородных газов с теплотой сгорания 45,0-47,0 Мдж/м 3 .

Источник