Метан широко используется как источник энергии и сырье для химической промышленности. Однако иногда возникает необходимость в получении из него более ценных соединений, например этана. Давайте разберем основные способы превращения метана в этан.
Свойства и строение метана и этана
Метан CH4 – простейший представитель предельных углеводородов, так называемых алканов. Это бесцветный газ без запаха, плохо растворимый в воде. В природе он встречается в составе природного газа и нефти. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение, атом углерода находится в sp3-гибридном состоянии.
Химические свойства метана обусловлены наличием только сильных σ-связей C-H. Поэтому он инертен и устойчив к действию кислот, оснований и окислителей. Однако связи С-Н могут разрываться с образованием свободных радикалов, запуская цепные радикальные реакции. Например, при хлорировании или нитровании.
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Этан C2H6 – следующий гомолог метана в ряду алканов. Он также представляет собой бесцветный газ, но с более высокой температурой кипения (-88°C против -161°C у метана). Химические свойства этана сходны со свойствами метана.
Основные области применения:
- Метан – природный источник энергии, сырье для органического синтеза.
- Этан – производство пластмасс, растворителей и других полезных химических продуктов.
Основные способы получения этана из метана
Существует несколько способов получения этана на основе исходного метана:
- Синтез Вюрца – хлорирование метана с получением хлорметана, который затем взаимодействует с натрием.
- Частичное окисление метана до ацетилена и последующее каталитическое гидрирование.
- Процессы термической или каталитической метанации метана.
- Фотохимическое превращение на основе TiO2.
Эти методы отличаются энергозатратами, выходом целевого продукта, наличием побочных реакций. Наиболее распространен в промышленности синтез Вюрца. Рассмотрим подробнее механизм этой реакции.
Механизм реакции Вюрца
Синтез Вюрца из метана в этан протекает в две стадии.
- Хлорирование метана:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl - Взаимодействие хлорметана с натрием:
2CH3Cl + 2Na → C2H6 + 2NaCl
Альтернативные пути получения этана
Кроме синтеза Вюрца, существуют и другие способы получить этан из исходного метана. Рассмотрим некоторые из них.
Метанация метана
Процесс метанации заключается в термическом разложении метана при температурах порядка 1500°C или его взаимодействии с катализатором при 900°C. Продуктами являются этан, а также водород.
Катализаторы процесса метанации
Для увеличения выхода этана и скорости реакции метанации используются катализаторы. Наиболее эффективными являются никелево-медные и сурьма-молибденовые катализаторы.
Они позволяют получить этан с высоким выходом при относительно невысоких температурах порядка 900°C. Катализаторы увеличивают скорость реакции в 100-1000 раз по сравнению с не каталитическим процессом.
Сравнение методов получения этана
Рассмотренные методы отличаются энергозатратами, используемыми реагентами, условиями реакции, выходом этана и возможностью масштабирования.
Наиболее подходящий метод выбирается в зависимости от целей и масштаба производства. Для небольших объемов чаще используют синтез Вюрца или фотохимические методы. В промышленных масштабах - метанация с катализаторами.
Промышленное производство этана
В промышленности основным сырьем для получить этана служит природный или попутный нефтяной газ, содержащий метан.
Технологии конверсии метана в этан
Для промышленного производства этана из метана применяются различные технологии, включающие подготовку и подачу сырья, реакторы, системы разделения и очистки продуктов.
В качестве реакторов могут использоваться трубчатые печи, шахтные печи, псевдоожиженный слой. Разделение и выделение этана обычно проводится методом ректификации или адсорбции.
Экономические аспекты
Конверсия метана в этан экономически оправдана, поскольку этан имеет более высокую добавленную стоимость как химическое сырье по сравнению с использованием метана в качестве топлива.
Однако процессы конверсии довольно энергоемки. Поэтому важным фактором является цена на энергоносители.
Экологические аспекты
Конверсия метана в этан позволяет уменьшить выбросы парникового газа метана в атмосферу. Однако при этом могут образовываться другие вредные вещества.
Поэтому необходима очистка отходящих газов производства с применением каталитических или абсорбционных методов.
