Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из процесса Sabatier )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Поль Сабатье (1854-1941) лауреат Нобелевской премии по химии в 1912 году и первооткрыватель реакции в 1897 году.

Реакция Сабатье или процесс Сабатье производит метан и воду в результате реакции водорода с диоксидом углерода при повышенных температурах (оптимально 300–400 ° C) и давлениях (возможно, 30 бар [1] ) в присутствии никелевого катализатора . Он был открыт французскими химиками Полем Сабатье и Жан-Батистом Сендеренсом в 1897 году. Возможно, рутений на оксиде алюминия (оксид алюминия) является более эффективным катализатором. Это описывается следующей экзотермической реакцией . [2]

 ∆ H = −165,0 кДж / моль

Существуют разногласия относительно того, происходит ли метанирование CO 2 путем сначала ассоциативной адсорбции адатома водорода и образования промежуточных соединений кислорода перед гидрированием или диссоциации и образования карбонила перед гидрированием. [3]

 ∆ H = −206 кДж / моль

Считается, что метанирование CO происходит по диссоциативному механизму, когда углеродно-кислородная связь разрывается до гидрирования, причем ассоциативный механизм наблюдается только при высоких концентрациях H 2 .

Реакция метанирования на различных металлических катализаторах, включая Ni, [4] Ru [5] и Rh [6] , широко исследовалась для производства CH 4 из синтез-газа и других инициатив в области энергетики. [3] Никель является наиболее широко используемым катализатором из-за его высокой селективности и низкой стоимости. [2]

Приложения [ править ]

Создание синтетического природного газа [ править ]

Основная статья: углеродно-нейтральное топливо

Метанирование - важный шаг в создании синтетического или заменителя природного газа (SNG). [7] Уголь или древесина подвергаются газификации, в результате чего образуется генераторный газ, который должен подвергаться метанированию, чтобы получить пригодный для использования газ, который просто необходимо пройти заключительную стадию очистки.

Первый коммерческий завод по производству синтетического газа открылся в 1984 году и является заводом Great Plains Synfuel в Беуле , Северная Дакота. [2] Он по-прежнему работает и производит СПГ мощностью 1500 МВт с использованием угля в качестве источника углерода. За годы, прошедшие с момента открытия, были открыты и другие коммерческие предприятия, использующие другие источники углерода, такие как древесная щепа. [2]

Во Франции AFUL Chantrerie, расположенная в Нанте, запустила в ноябре 2017 года демонстратор MINERVE. Эта установка метанирования 14 нм3 / день была проведена Top Industrie при поддержке Leaf. Эта установка используется для подпитки станции КПГ и закачки метана в котел, работающий на природном газе. [8]

В энергетической системе, в которой преобладают возобновляемые источники энергии, было замечено использование избыточной электроэнергии, генерируемой ветром, солнечными фотоэлектрическими, гидроэнергетическими, морскими потоками и т. Д., Для производства водорода посредством электролиза воды и последующего применения реакции Сабатье для получения метана [ 9] [10] В отличие от прямого использования водорода для транспорта или хранения энергии, [11] метан может закачиваться в существующую газовую сеть, емкость которой во многих странах составляет от одного до двух лет. [12] [13] [14]Затем метан можно использовать по запросу для выработки электроэнергии (и тепла - комбинированного производства тепла и электроэнергии), преодолевая низкие точки производства возобновляемой энергии. Процесс представляет собой электролиз воды электричеством для создания водорода (который частично может использоваться непосредственно в топливных элементах) и добавление углекислого газа CO 2 (процесс Сабатье) для создания метана. CO 2 может быть извлечен из воздуха или отработанных газов ископаемого топлива с помощью аминового процесса , среди многих других. Это система с низким содержанием CO 2 , эффективность которой аналогична сегодняшней энергетической системе.

Завод по производству электроэнергии на газе мощностью 6 МВт был запущен в производство в Германии в 2013 году, и его автопарк насчитывал 1500 автомобилей Audi A3. [15]

Синтез аммиака [ править ]

При производстве аммиака CO и CO 2 считаются ядами для наиболее часто используемых катализаторов. [16] Катализаторы метанирования добавляются после нескольких стадий получения водорода, чтобы предотвратить накопление оксида углерода в контуре синтеза аммиака, поскольку метан не оказывает аналогичного неблагоприятного воздействия на скорость синтеза аммиака.

Система жизнеобеспечения Международной космической станции [ править ]

Генераторы кислорода на борту Международной космической станции производят кислород из воды с помощью электролиза ; произведенный водород ранее был сброшен в космос. Когда космонавты потребляют кислород, образуется углекислый газ, который затем необходимо удалить из воздуха и выбросить. Этот подход требовал, чтобы на космическую станцию ​​регулярно доставлялось обильное количество воды для выработки кислорода в дополнение к тому, которое используется для потребления человеком, гигиены и других целей - роскошь, которая не будет доступна для будущих длительных миссий за пределами низкой околоземной орбиты. .

НАСА использует реакцию Сабатье для извлечения воды из выдыхаемого углекислого газа и водорода, ранее выброшенного при электролизе на Международной космической станции и, возможно, для будущих миссий. [17] [18] Другое химическое вещество, метан, выбрасывается в космос. Поскольку половина входящего водорода тратится впустую в виде метана, с Земли доставляется дополнительный водород, чтобы компенсировать разницу. Однако это создает почти замкнутый цикл между водой, кислородом и углекислым газом, для поддержания которого требуется лишь относительно небольшое количество импортируемого водорода.

Игнорируя другие результаты дыхания, этот цикл выглядит так [ необходима цитата ] :

Контур можно было бы дополнительно замкнуть, если бы отработанный метан был разделен на его составные части путем пиролиза , высокая эффективность которого (до 95% конверсии) может быть достигнута при 1200 ° C: [19]

Высвободившийся водород затем рециркулирует обратно в реактор Сабатье, оставляя легко удаляемый осадок пиролитического графита . Реактор был бы немногим больше, чем стальная труба, и его мог бы периодически обслуживать космонавт, когда месторождение вырубается. [ необходима цитата ]

В качестве альтернативы, контур может быть частично закрыт (75% H 2 из CH 4 извлечено) неполным пиролизом отработанного метана, при этом углерод остается заблокированным в газообразной форме в виде ацетилена : [20]

С этой целью НАСА также исследует реакцию Босха : [21]

Реакция Боша представит полностью замкнутый водородно-кислородный цикл, который производит только атомарный углерод в качестве отходов. Однако трудности с поддержанием температуры до 600 ° C и правильным обращением с углеродными отложениями означают, что потребуется значительно больше исследований, прежде чем реактор Bosch станет реальностью. Одна из проблем состоит в том, что образование элементарного углерода имеет тенденцию загрязнять поверхность катализатора (закоксовывание), что отрицательно сказывается на эффективности реакции.

Производство топлива на Марсе [ править ]

Реакция Сабатье была предложена в качестве ключевого шага в снижении стоимости полета человека на Марс ( Mars Direct , SpaceX Starship ) за счет использования ресурсов на месте . Водород объединяется с CO 2 из атмосферы, а затем метан хранится в качестве топлива, а водный побочный продукт подвергается электролизу, давая кислород для сжижения и хранения в качестве окислителя, а водород возвращается обратно в реактор. Исходный водород можно было транспортировать с Земли или отделять от марсианских источников воды. [22] [23]

Импорт водорода [ править ]

Импорт небольшого количества водорода позволяет избежать поиска воды и просто использует CO 2 из атмосферы.

«Вариант основной реакции метанирования Сабатье может быть использован через слой смешанного катализатора и обратную конверсию водяного газа в одном реакторе для производства метана из сырья, доступного на Марсе, с использованием диоксида углерода в марсианской атмосфере. Испытание прототипа 2011 года Операция, которая собирала CO 2 из смоделированной марсианской атмосферы и прореагировала на нее с H 2 , производила метановое ракетное топливо со скоростью 1 кг / день, работала автономно в течение 5 дней подряд, поддерживая почти 100% коэффициент конверсии. Оптимизированная система этого конструкция массой 50 кг »рассчитана на производство 1 кг / сутки O 2 : CH 4.топливо ... с чистотой метана 98 +% при потреблении ~ 17 кВтч в сутки электроэнергии (при продолжительной мощности 700 Вт). Общий коэффициент преобразования единицы, ожидаемый от оптимизированной системы, составляет одну тонну топлива на 17 МВт-ч потребляемой энергии. [24] "

Проблема стехиометрии при импорте водорода [ править ]

Стехиометрическое отношение окислител и топливо составляет 2: 1, для кислорода: метан двигателя:

Однако один проход через реактор Сабатье дает соотношение только 1: 1. Больше кислорода можно получить, запустив обратную реакцию конверсии водяного газа (WGSR) (RWGS), эффективно извлекая кислород из атмосферы за счет восстановления диоксида углерода до монооксида углерода .

Другой вариант - произвести больше метана, чем необходимо, и пиролизировать его избыток в углерод и водород (см. Раздел выше), где водород возвращается обратно в реактор для получения дополнительных метана и воды. В автоматизированной системе углеродные отложения могут быть удалены путем продувки горячим марсианским CO 2 , окисляя углерод до монооксида углерода (через реакцию Будуара ), который удаляется. [25]

Четвертое решение стехиометрии проблемы было бы совместить реакцию Sabatier со сдвигом обратного водяного газа (RWGS) реакции в одном реакторе следующим образом : [ править ]

Эта реакция является слегка экзотермической, и когда вода подвергается электролизу, отношение кислорода к метану составляет 2: 1.

Независимо от того, какой метод кислородной фиксации используется, общий процесс можно резюмировать следующим уравнением: [ необходима ссылка ]

Глядя на молекулярные массы, мы получили 16 граммов метана и 64 грамма кислорода, используя 4 грамма водорода (который должен был быть импортирован с Земли, если марсианская вода не была подвергнута электролизу) для увеличения массы 20: 1; а метан и кислород находятся в правильном стехиометрическом соотношении для сжигания в ракетном двигателе. Такой вид использования ресурсов на месте приведет к значительной экономии веса и стоимости любых предлагаемых пилотируемых миссий на Марс или миссий по возврату образцов.

См. Также [ править ]

  • Использование ресурсов на месте  - использование материалов, собранных в космическом пространстве, в космонавтике
  • Микролит (каталитический реактор) [26]
  • Хронология водородных технологий
  • Паровой риформинг
  • Процесс Фишера-Тропша  - химические реакции, в результате которых оксид углерода и водород превращаются в жидкие углеводороды.
  • Электрометаногенез
  • Электрохимическое восстановление диоксида углерода

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Процесс метанирования» . HELMETH Project . Проверено 13 ноября 2020 .
  2. ^ a b c d Рёнш, Стефан; Шнайдер, Йенс; Маттишке, Штеффи; Шлютер, Михаэль; Гётц, Мануэль; Лефевр, Джонатан; Прабхакаран, Прасит; Баджор, Зигфрид (15 февраля 2016 г.). «Обзор метанирования - От основ до текущих проектов». Топливо . 166 : 276–296. DOI : 10.1016 / j.fuel.2015.10.111 .
  3. ^ a b Мяо, Бин; Ма, Су Су Хине; Ван, Синь; Су, Хайбинь; Чан, Сью Хва (13.06.2016). «Механизмы катализа метанирования СО2 и СО» . Наука и технологии катализа . 6 (12): 4048. DOI : 10.1039 / C6CY00478D . ISSN 2044-4761 . 
  4. ↑ KO Xavier, «Эффекты легирования оксидом церия на катализаторах Ni / Al2O3 для метанирования», Catalysis Today , 1999, p. 17–21
  5. ^ Тошимаса Утака, «Удаление CO из реформированного топлива над катализаторами из меди и драгоценных металлов», Applied Catalysis A: General , 2003, p. 117-124 ([10.1016 / S0926-860X (03) 00048-6 lire en ligne])
  6. ^ Параскеви Панагиотопулу, «Селективное метанирование CO на нанесенных катализаторах из благородных металлов: влияние природы металлической фазы на каталитические характеристики», Applied Catalysis A: General , 2008, p. 45-54 ([10.1016 / j.apcata.2008.03.039 lire en ligne])
  7. ^ Kopyscinski, Ян; Schildhauer, Tilman J .; Биоллаз, Серж М.А. (01.08.2010). «Производство синтетического природного газа (SNG) из угля и сухой биомассы - обзор технологий с 1950 по 2009 год». Топливо . 89 (8): 1763–1783. DOI : 10.1016 / j.fuel.2010.01.027 .
  8. ^ "Un demonstrateur Power to gas en service à Nantes" . Lemoniteur.fr (на французском). 2018 . Проверено 9 февраля 2018 ..
  9. ^ Биоэнергетика и возобновляемая энергия метана в интегрированной системе 100% возобновляемой энергии , [1] ,
  10. ^ scénario négaWatt 2011 (Франция) , [2] ,
  11. ^ Эберле, Ульрих; Мюллер, Бернд; фон Гельмольт, Риттмар. «Электромобили на топливных элементах и ​​водородная инфраструктура: статус 2012» . Энергетика и экология . Проверено 16 декабря 2014 .
  12. ^ "Подземные рабочие хранилища природного газа - Управление энергетической информации США" .
  13. ^ https://energy.gov/sites/prod/files/2015/06/f22/Appendix%20B-%20Natural%20Gas_1.pdf
  14. ^ https://www.entsog.eu/public/uploads/files/publications/Maps/2017/ENTSOG_CAP_2017_A0_1189x841_FULL_064.pdf
  15. ^ https://web.archive.org/web/20160820080317/http://www.etogas.com/en/references/article///industrial-63-mw-ptg-plant-audi-e-gas-plant /
  16. ^ Хорсанд, Кайван (2007). «Моделирование и моделирование каталитического реактора метанирования в аммиачной установке» . Нефть и уголь . 49 : 46–53.
  17. Рианна Хардинг, Пит (9 октября 2010 г.). «Союз ТМА-01М стыкуется с МКС, экипажи проводят монтаж оборудования» . NASASpaceFlight.com .
  18. ^ Генератор метана на борту МКС
  19. ^ «ПИРОЛИЗ МЕТАНА И УТИЛИЗАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ УГЛЕРОДА» (PDF) . Водород можно получить из метана пиролизом в интервале температур 1000-1200 ° C. Основными продуктами реакции являются водород и углерод, хотя образуются очень небольшие количества высших углеводородов, включая ароматические углеводороды. Эффективность преобразования составляет около 95% при 1200 ° C. Необходимо различать термодинамическое равновесное преобразование и преобразование, ограниченное кинетикой в ​​конечном реакторе.
  20. ^ «Третье поколение Advanced PPA Development» . Международная конференция по экологическим системам 2014 .
  21. ^ «Регенеративное жизнеобеспечение: производство воды» . урегулирование.arc.nasa.gov . Проверено 16 мая 2015 .
  22. ^ Брайнер, Jeanna (15 марта 2007). "Гигантская лужа водяного льда на Южном полюсе Марса" . Space.com .
  23. ^ Добыча атмосферной воды на Марсе
  24. ^ Зубрин, Роберт М .; Мускателло, Берггрен (2012-12-15). «Интегрированная система производства ракетного топлива Mars In situ». Журнал аэрокосмической техники . 26 : 43–56. DOI : 10,1061 / (ASCE) as.1943-5525.0000201 . ISSN 1943-5525 . 
  25. ^ Спейт, Джеймс Г. (1 марта 2019 г.). «Глава 13 - Модернизация за счет газификации» . Извлечение и модернизация тяжелой нефти . DOI : 10.1016 / B978-0-12-813025-4.00013-1 . ISBN 978-0-12-813025-4.
  26. ^ Компактный и легкий реактор Сабатье для восстановления двуокиси углерода

Внешние ссылки [ править ]

  • Миссия на Марс с экипажем
  • Разработка усовершенствованного реактора Сабатье
  • Улучшенная реакция Сабатье для использования ресурсов на месте в миссиях на Марс
  • Инструкции, видео и теория экспериментов по каталитическому метанированию