Как получить метанол

Получение метанола

 

Для улучшения антиденатационных свойств метанол стали использовать с 80-х годов прошлого века, — в качестве 15%-й добавки к бензинам низких сортов.

Краткие сведения о метаноле. Метанол, метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, СН3ОН — простейший алифатический спирт, бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим запах этилового спирта. Температура кипения +64,5°C, температура замерзания —97,8°C, плотность — 792 г/л. Пределы взрывоопасных концентраций в воздухе 6,7—36% по объему. Октановое число больше 110. Температура воспламенения 467°C, Теплота сгорания 24000 кдж/кг — меньше, чем у бензина (44000 кдж/кг), поэтому расход метанола (в литрах) будет выше примерно в два раза. Как топливо применяется в гоночных машинах, например в «Формуле-1».


МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ смешивается в любых концентрациях с водой, органическими растворителями и ЯДОВИТ, выпитые 30 миллилитров метанола могут быть СМЕРТЕЛЬНЫ, если не принять срочных мер! Пары также ядовиты!

Традиционно метанол получали возгонкой древесины. Но более перспективен способ получения метанола — из природного газа. В дальнейшем по мере совершенствования этой технологии возможны и другие источники сырья, например биомасса(навоз). Промышленные способы получения метилового спирта пока недостаточно эффективны для использования метанола в качества топлива, но в ближайшие десятилетия цена на нефть будет только подниматься и ситуация может изменится в пользу спиртового топлива (особенно при использовании автомобилей на топливных ячейках). Природный газ, как известно, почти на 100% состоит из метана — СН4. Ни в коем случае не надо его путать с баллонным газом пропан-бутаном, последний является продуктом крекинга нефти и используется напрямую в качестве автомобильного топлива. Впрочем, это и делают многие автомобилисты, устанавливая соответствующее оборудование. А при использовании метанола никакого дополнительного оборудования не требуется. Мы подробно опишем, как, используя метанол в качестве топлива, как можно существенно повысить мощность двигателя. Пока же только скажем, что это достигается увеличением диаметра главных жиклеров или уменьшением количества воздуха в топливной смеси. Метан при неполном окислении превращается в окись углерода и водорода, реакция эта выглядит следующим образом: 2СН4+О2—>2СО+4Н2+16,1 ккал.
лее простой технологически способ проходит по реакции конверсии метана с водяным паром: СН4+Н20—>СО+ЗН2 — 49ккал. В первом уравнении стоит +16,1 ккал. Это означает, что реакция идет с выделением тепла. Во втором — с поглощением. Тем не менее, мы остановимся на втором способе получения окиси углерода и водорода. При наличии этих двух компонентов уже можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле: СО+2Н2<=>СН3ОН.

Сложность в том, что конечный продукт получается лишь при высоком давлении и высокой температуре (Р>20 атм., Т=350 градусов), но при наличии катализатора этот процесс смещается вправо и при низком давлении. Полученный метанол выводится из реакции охлаждением до конденсации, а не сконденсировавшие газы будем сжигать. При правильном сжигании остатков водорода и СО никаких вредных веществ не выделяется (отходы СО2 и Н20 — безвредны), так что никаких вытяжных устройств не требуется. Дальше метанол заливается через трубку, обязательно с герметизацией (!), в канистру. Как видите, химический процесс очень прост, он основывается на двух реакциях. Сложности есть только технологические и по мерам безопасности. Мы ведь имеем здесь дело с сильно горючими и ядовитыми веществами. Нужно опасаться как взрыва, так и утечки этих газов. Поэтому — необходимо строжайше соблюдать технологию и правила обращения, которые мы будем описывать. Для сборки установки нужно будет приобрести: лист нержавеющей стали (1мм), трубку из «нержавейки» бесшовную, наружным диаметром 6—8 мм, толщиной стенок не менее 1 мм и длиной около 2 метров, компрессор от любого бытового холодильника (можно со свалок, но рабочий). Ну и само собой разумеется нужна будет аргоновая электросварка.

ТЕПЛООБМЕННИКИ


Получение метанола в домашних условиях

Теплообменники обычно состоят из трубок, окруженных охлаждающей средой. В обиходе их называют «змеевиками». Для жидкостей, теплопроводность которых велика, такой теплообменник может быть приемлем. Но с газами ситуация совершенно другая. Дело в том, что на небольших скоростях поток газа движется ламинарно и практически не обменивается теплом с окружающей средой. Посмотрите на дымок, подымающийся от горящей сигареты. Эта стройная струйка дыма и есть ламинарный поток. Сам факт. что дымок поднимается вверх, говорит о его высокой температуре. А то, что он остается цельным прутком примерно на высоту до 20 сантиметров подъема, свидетельствует о сохранении им тепла. То есть на этом расстоянии даже при совсем малых скоростях поток газа не успевает охладиться, обменяться теплом с воздухом.
енно вследствие ламинарности потока газовые теплообменники приходится конструировать громоздкими. Внутри их трубок появляются «сквозняки», которые даже на десятках метров практически не дают теплообмена.Это хорошо известно тем, кто когда-либо гнал самогон. (Всякий опыт полезен!) Длинная, интенсивно охлаждаемая трубка, из неё вытекает конденсат, но при этом обязательно идет и пар. Значит, теплообмен недостаточно эффективен. Проблема, однако, имеет решения и оно может быть несложным. Наполнить трубку, например, медным порошком (см. рис.1). Для производительности 10 л/час теплообменник может быть длиной 600 мм, а для 3 л/час должно хватить и 200 мм, высота h — 20 мм. Размеры частиц могут варьироваться, оптимум где-то в пределах 0,5—1 мм. Учитывая задачи теплообмена, материалом корпуса могут быть и железо, и медь, и алюминий, материалом набивки — медь, алюминий, — что найдется.

 Тогда вокруг каждой частички металла струйка газа будет образовывать завихрения. Тем самым сразу ликвидируются сквозняки и поток становится турбулентным. Ну и одновременно увеличивается в огромной степени контакт газа с охлаждаемой поверхностью. Набитый в трубку порошок меди постоянно принимает или отдает тепло стенкам, и поскольку теплопроводность меди примерно в 100 тысяч раз выше теплопроводности газа, то газ сравнительно быстро примет температуру стенок, если мы будем их интенсивно охлаждать. Нужно учесть, что с уменьшением размеров частиц и увеличением их количества растет также и сопротивление газовому потоку.
этому вряд ли удастся использовать для теплообменника частицы мельче 0,5—1 мм. Проточную охлаждающую воду, конечно, целесообразно пропускать навстречу потоку газа. Это дает возможность в каждый точке теплообменника иметь свою определенную температуру. Поскольку тепловой контакт у нас близок к идеальному, температура на выходе конденсируемой жидкости будет равна температуре охлаждающей жидкости. Вот каков по идее обсуждаемый здесь теплообменник. Приведенный эскиз есть не что иное, как дистиллятор, он же самогонный аппарат, он же теплообменник. Производительность такого дистиллятора прикидочно 10 литров в час.
 Его также можно применять практически в любых целях, включая установку для получения обычного этилового спирта (см.»Приоритет» № 1’91г и № 1-2’92г). Такие теплообменники при огромной производительности в сотни раз меньше существующих.

 КАТАЛИТИЧЕСКИЙ НАСОС (РЕАКТОР, см.рис.2)

Получение метанола в домашних условиях

В существующих химических газовых процессах обычный катализатор идет в гранулах довольно значительного размера от 10 до 30 мм. Площадь контакта газа с такими шариками в тысячи раз меньше, чем если бы мы использовали частицы в 1—1000 микрон.
тогда проходимость газа весьма затруднится. Кроме того, мельчайшие частицы катализатора довольно скоро выйдут из строя вследствие поверхностного загрязнения. Нами найден способ увеличить площадь контакта газа с катализатором, не затрудняя проходимости его в реакторе, и одновременно непрерывно производить очистку от так называемого «отравления» самого катализатора. Делается это следующим образом. Порошковый катализатор смешивается с ферромагнитными частицами — железным либо ферритовым порошком, который можно получить, разбивая магниты от неисправных громкоговорителей (прим.- ферриты теряют магнитные свойства при температуре выше 150 град.С), а так как ферриты очень твёрдое вещество — это их полезное свойство пригодится вдальнейшем (читайте ниже — чтобы специально не добавлять абразивный порошок).

Смесь ферромагнитного порошка с катализатором помещается в немагнитную трубку, например, из стекла, керамики, можно и в алюминиевую или медную. Теперь смотрите, какая может быть схема. Снаружи трубки идут обмотки катушек. Каждая из них включена через диоды, так, например, как дано на рис.3.

Получение метанола в домашних условиях

При включении в сеть переменного тока обмотки включаются поочередно с частотою 50 Гц.
и этом ферромагнитный порошок непрерывно сжимает и расширяет катализатор, обеспечивая пульсирующую проходимость газа. Если же включать электромагниты в трехфазною сеть (см. рис.4), то в этом случае обеспечивается поступательная пульсация сжатий, и за счет этого непрерывно газ будет сжиматься в продольном направлении вперед. Таким образом, система работает, как насос. При этом — многократно перемешивая газ, сжимая и расширяя его и тысячекратно увеличивая интенсивность процесса на катализаторе. Попутно частички катализатора трутся друг о друга и о ферритовый абразивный порошок, что приводит к их очистке от загрязняющих пленок.

Схема работает следующим образом:
с частотой 50 Гц происходит смена полярности на питании. Ток попеременно проходит по обмотке 1,3 и 2,4 (см. рис. 2). При этом в них появляется магнитное поле, которое намагничивает ферромагнитные частицы и заставляет их взаимодействовать друг с другом, вовлекая в движение частицы катализатора. Таким образом попеременно возникает для газа проходимость сквозь мелкие частицы, сменяемая большим сопротивлением, оказываемым сдавленной массой частиц. И самое главное: активность катализатора, сжимающего и разжимающего реагирующий газ, по еще не изученным причинам повышается дополнительно в 20—50 раз. Работа описанного каталитического реактора эквивалентна реактору размером метров в 20—30. Увеличить производительность реактора можно, включая обмотки в трехфазную сеть.
и этом система работает не как клапаны, а как активный насос, совмещая все положительные эффекты первой схемы и дополнительно принуждая газ перемещаться в направлении смещения сдвига фаз. При таком включении важно правильно выбрать фазировку. Итак, в реакторе, приведенном здесь, работают следующие положительные факторы:
 1. Увеличение площади катализатора в 300—1000 раз за счет уменьшения размеров частиц.
 2. Происходит постоянная очистка катализатора от поверхностного загрязнения.
 3. Постоянные пульсации давления реагирующих газов между частицами катализатора, а во второй схеме дополнительно происходит еще и перекачки газа внутри самого реактора.

Получение метанола в домашних условиях

 Недостаток этого реактора — повышенное сопротивление потоку газа — устраняется попеременным уплотнением — освобождением частиц внутри четных—нечетных катушек. Одна важная деталь: необходимо теплоизолировать катушки от корпуса реактора. В связи с этим, а также из практических соображений автором сайта были внесены следующие изменения (см.рис.справа):

 Из болванки (бронзы или латуни) диаметром 50 мм, выточим корпус реактора.
змеры можно взять прежние — 160 мм общая длина, рабочая реакторная длина около 140мм, внут. диаметр 33 мм, толщина стенок приблизительно 5…8 мм, т.е. внешний диаметр около 50 мм и того же диаметра — заглушки, их толщина по 20 мм и на каждой нарезана резьба М36х1,0мм и длиной по 10мм. Всё это должно быть сделано из одного и того же материала! К заглушкам в отверстия вставляются и привариваются переходные штуцера или просто соединительные бесшовные стальные трубки с внутренним диаметром 6…8 мм и толщиной стенок около 2 мм. Данную конструкцию необходимо снаружи теплоизолировать листовым асбестом и разделить по всей длине на четыре секции с помощью пяти перегородок, также вырезанных из листового асбеста. Для фиксации перегородок, — можно промазать их силикатным клеем, после просушки наматавается медная проволока (d=0,15мм) в каждую секцию. Сопротивление, измеренное омметром, для каждой секции должно быть около 1200_Ом. Обмотки влючаются по схеме рис.3 через регулятор напряжения (напр: лабораторный трансформатор — ЛАТР), чтобы избежать перегрева обмоток, их надо охлаждать, для этого можно проложить под обмотки стеклянные трубочки диаметром 6…8мм, возможен принудительный обдув катушек, с контролем температуры внутри реактора.

 Следует отметить, что подобная схема реактора(рис.2) была заявлена на патент (автор — Г.Н. Вакс), она может работать в любых каталитических газовых процессах. Поэтому для химиков — это не домашняя разработка, а принципиально новый, еще не совсем изученный, но эффективный реактор. По всей видимости, эффекты усилятся при подаче прямоугольных импульсов или колебаний высокой частоты.

ПРОИЗВОДСТВО СИНТЕЗ—ГАЗА.


Получение метанола в домашних условиях

СИНТЕЗ—ГАЗОМ называется смесь H2 и СО, необходимая для производства метанола. Поэтому вначале рассмотрим технологию синтез-газа. Традиционные методы получения СО и H2 из метана (CH4) состоят в том, что метан смешивается с водяным паром и в нагретом состоянии поступает в реактор, где к паро-метанной смеси добавляется дозированное количество кислорода. При этом происходят следующие реакции:[1] СН4 + 202 <—> СО2 + 2Н2О + 890 кдж ;
 [2] СН4 + Н20 <—> СО + ЗН2 — 206кдж ;
 [3] СН4 + СО2 <—> 2СО + ЗН2 — 248кдж ;
 [4] 2Н2 + 02 <—> 2Н2О + 484 кдж ;
 [5] СО2 + Н2 <—> СО + Н20 — 41,2кдж.

Как видно, некоторые реакции эндотермические — с поглощением тепла — а некоторые экзотермические — с выделением. Наша задача создать такой баланс, чтобы реакции шли с контролируемым выделением тепла. Итак, вначале требуется дозированное смешение Н2О и СН4. Традиционные методы ведения этого процесса сложны и громоздки. Мы будем насыщать метан водяными парами путем пропускания пузырьков этого газа через нагретую до 100 градусов Цельсия воду, а чтобы пузырьки активно разбивались, размещаем на их пути твердые ферритовые частички размером 1—2 мм. Но в этой массе рано или поздно пузырьки находят дорогу и затем, практически не разбиваясь, проходят по образовавшемуся каналу. Чтобы этого не происходило, частички из феррита и смесительную камеру ставим в соленоид с подачей переменного тока. В этом существенное отличие нашего диспергатора (см.рис 5). Под действием вибрации частиц феррита в пульсирующем магнитном поле пузырьки метана постоянно разбиваются, проходят сложный зигзагообразный путь и насыщаются парами воды. К соленоиду жестких требований нет, поскольку запитывается он от ЛАТРа или от регулятора света (в продаже имеются). Регулировка напряжения на соленоиде необходима, чтобы, изменяя магнитное поле, одновременно изменять и степень насыщения метана парами воды. О цели этих изменений будет сказано ниже. Количество витков в катушке может быть от 500 до 1000. Диаметр провода 0,1— 0,3мм. Труба диспергатора берется из неферромагнитного металла, поэтому в переменном магнитном поле она будет разогреваться. Кроме того, и метан поступает в воду разогретым. Поэтому специального нагревателя для воды не требуется (прим.- ошибочное мнение! Воду предварительно надо нагреть до кипения, например газовой грелкой, иначе не получить нужного количества водяного пара). Ещё необходим бачок для подпитки водой, поскольку она непрерывно расходуется на образование паро-метановой смеси, для этой цели подойдет сливной бачок от стандартного унитаза, чьё сливное отверстие закрывается стальной пластиной, с приваренной сливной трубкой, конец этой трубки вставляется в диспергатор и изгибается вниз на 180°(см.рис.5), делается это с целью безопасности, чтобы исключить попадание газа-метана в бачок.

Получение метанола в домашних условиях

 ВНИМАНИЕ: необходимо расположить бачок таким образом, чтобы уровень воды в смесителе—диспергаторе не поднимался выше 150 мм, т.е. до половины его высоты, это связано с величиной давления в газовой сети (=150 мм водного столба!), иначе вода будет препятствовать проходу газа-метана в диспергатор. Также воду перед подачей в бачок необходимо очистить от примесей хлора. С этим справятся стандартные средства очистки воды для бытовых целей.

 Готовая паро-метановая смесь разогревается до температуры 550—600 градусов в ТЕПЛООБМЕННИКЕ. Устройство теплообменника(рис.6) уже достаточно подробно было описано выше (см. рис.1). Поэтому приведем только уточнение размеров. Теплообменник изготавливается из нержавеющей стали, обязательно варится в среде инертного газа. Трубки из нержавеющей стали крепятся к корпусу только сваркой. Наполнитель теплообменника изготовляется из 1—2 миллиметровых частиц керамики. Это может быть, например, дробленая фарфоровая посуда. Наполнять емкость надо достаточно плотно, с обязательным встряхиванием. Возможная ошибка: при недостаточном наполнении теплообменника частицами керамики газ найдет себе дорогу, и потоки будут ламинарными, чем ухудшается теплообмен.
 ВНИМАНИЕ:ВСЯ СИСТЕМА ДОЛЖНА БЫТЬ ГЕРМЕТИЧНА. Никаких утечек! В теплообменнике 3.2 (см.рис.10) температуры высокие! Никакие уплотнители не применять — только аргонная сварка.

САМЫМ СЛОЖНЫМ И ОТВЕТСТВЕННЫМ УЗЛОМ УСТАНОВКИ ЯВЛЯЕТСЯ КОНВЕРТОР-РЕАКТОР (см. рис.7), где происходит конверсия метана (превращение его в синтез—газ).

Получение метанола в домашних условиях

Конвертор состоит из кислород-паро-метанового смесителя и реакционных каталитических колонн. Вообще, реакция идет с выделением тепла. Однако в нашем случае, чтобы процесс начался, на подводящих трубках проводим нагрев, поскольку мы осуществляем конверсию метана по реакции [2]: СН4 + Н2О <—> СО + ЗН2 — 206 кдж , с потерей тепла, а значит нужно обязательно подводить тепло в конвертор. Для этого паро-метановый газ мы пропускаем через трубки, обогреваемые горелками. Конвертор работает следующим образом:
 Паро-метановая смесь поступает в камеру, в которой вварены трубки из нержавеющей стали. Количество трубок может быть от 5 до 20 в зависимости от желательной производительности конвертора. Пространство верхней камеры должно быть обязательно плотно набито крупнозернистым песком или дробленой керамикой или крошкой нержавейки, размеры частиц 0,5—1,5 мм. Это необходимо для лучшего перемешивания газов, а самое главное — для пламягашения. При соединени воздуха с горячим метаном может произойти загорание. Поэтому в верхней камере набивка осуществляется с обязательным встряхиванием и досыпкой. Трубки и сборная камера (на рис7.-нижняя), как раз и набиваются частицами, содержащими катализатор — окись никеля.

 Массовая доля никеля в катализаторе при пересчете на NiO, должна составлять не менее 7,5±1,5%. Остаточное содержание метана при конверсии с водяным паром природного газа (соотношение пар:газ=2:1), при температуре 500° — 38,5%, а при 800° — не более 1,5%. Массовая доля «вредной» серы в пересчете на SОз, должна быть не более 0,005%.

 Изготовить такой катализатор можно самому (но всё же лучше найти готовый, промышленный катализатор). Для этого нужно на воздухе прокалить частицы никеля. Если чистого никеля нет, то можно его приготовить из никель-содержащих 10—15—20-копеечных монет СССР. Сотрите их на грубом абразивном круге или мелкой фрезой. Попадание абразива в набивку допускается. Полученный порошок прокалите и смешайте в пропорции 1/3 объема порошка с 2/3 объема молотой керамики (0,5 мм) или чистого грубозернистого песка.

 Промежуток между верхними частями трубок заполняются на 10 см любым высокотемпературным теплоизолятором. Это делается, чтобы не перегревать верхнюю камеру. Есть простой способ получения такого теплоизолятора. Обычный канцелярский силикатный клей смешивают с 10—15 весовыми процентами тонкомолотого мела или талька или глины. Перемешивают тщательно. Наливают смесь тонким слоем и сразу же прижигают огнем паяльной лампы. Вскипевшая в клее вода образует пемзообразную белую массу. Когда она остынет, опять наливают на нее слой клея с мелом и опять обрабатывают пламенем. И так повторяют до тех пор, пока не получат, необходимый слой теплоизолятора. После окончания сборки конвертора его помещают в стальной короб, которой обязательно теплоизолируют материалом, выдерживающим температуру до 1000 градусов, например, асбестом. Горелки инжекционного типа, могут быть любые, от 5 штук до 8. Чем их больше, тем равномернее нагрев. Возможна также система, использующая одну горелку. Пламя ее имеет несколько выходов через отверстия в трубе. Газовые горелки есть в продаже, например, те, что используются для обработки лыж. Есть в продаже также газовые паяльные лампы, поэтому мы даем только общую схему. Горелки должны соединяться параллельно и регулироваться стандартным газовым краном, например, от газовой плиты, но лучше взять автоматический регулятор от бытовой газовой плиты — дороговат, но надёжен и удобен — с его помощью можно задать нужную температуру внутри конвертора-реактора, повысив тем самым степень автономности установки вцелом.

ЕЩЁ ОДИН ИЗ ОТВЕТСТВЕННЫХ УЗЛОВ — это эжекторный смеситель подачи воздуха и метана в камеру конвертора (см.рис.8.) Эжекторный смеситель воздуха и метана состоит из двух сопел одно подает метан, насыщенный парами воды, а другое — эжектор воздуха. Воздух поступает от компрессора , количество его регулируется клапаном давления (Рис.9.). Компрессор может быть практически от любого бытового холодильника, давление регулируется от «нуля» до необходимого, которое будет не на много выше давления в газовой магистрали (т.е. =>150 мм.вод.ст.).

Получение метанола в домашних условиях

 Необходимость подачи воздуха (кислорода) в конвертор обусловлена тем, что по реакции [5] часть водорода должна быть поглощена с выделением СО, тем самым увеличивается количество окиси углерода до пропорции СО:Н2 == 1:2, т.е. число молей (объемов) водорода должно быть в два раза большим объемов окиси углерода (прим.- наличие избыточного воздуха приведёт к синтезу побочных продуктов — кислот, высших спиртов — «сивухи» и прочих вредных компонентов) . Но возникновение CO2произойдет по реакции [1] с выделением большого количества тепла. Поэтому вначале процесса компрессор мы не включаем и винт держим вывернутым. Воздух не подаем. И по мере разогрева камеры и включении всей системы будем постепенно, включив компрессор и вворачивая винт клапана давления, увеличивать подачу воздуха и одновременно уменьшать пламя на горелках, Контроль будем вести по количеству излишков водорода на выходе из конденсатора метанола (теплообменник 3. и 3.1) через фитиль(13-см.рис.10), сокращая его. Фитиль для дожига излишка синтез—газа представляет собой 8-миллиметровую трубку, длиной 100 мм, набитую медным проводом по всей длине,- чтобы пламя не пошло вниз, в канистру с метанолом. Мы разобрали все узлы установки получения метанола. Как ясно из предыдущего, вся установка состоит из двух основных узлов: конвертора для создания синтез—газа (конверсия метана) и синтезатора метанола. Синтезатор (каталитический насос,см.рис.2) достаточно хорошо описан выше. Единственно, что следует добавить — это необходимость установки теплоизолятора между трубой и катушкой. Как изготовить теплоизолятор, мы сообщали при описании изготовления конвертора (см.рис.7).

 ПЕРЕЙДЕМ К ОБЩЕЙ СХЕМЕ УСТАНОВКИ. Работа общей схемы: из газовой магистрали метан поступает через вентиль (14) в теплообменник (3.1), разогревается до 250—300°C, затем поступает в фильтрующий реактор (15), который работает по принципу каталитического насоса (см.рис.2-только диаметр трубы=8см), содержит в себе окись цинка — для очистки газа от примесей серы и лишь затем газ поступает в смеситель—диспергатор (2), где насыщается парами воды. Вода (дистиллированная) добавляется в диспергатор непрерывно из бачка (1). Вышедшая газовая смесь поступает в теплообменник (3.2), где разогревается до 500—600°C и идет в конвертор (4). На NiO — катализаторе (см.ГИАП-16) при температуре 800°C происходит реакция [2]. Для создания этой температуры работают горелки (12). После установления температурных режимов включается компрессор (5) и постепенно подается воздух в смеситель (11). Повышение давления осуществляется путем вворачивания винта в клапане (8). Одновременно уменьшаем пламя на горелках (12) при помощи вентиля (14.2). Полученный на выходе синтез—газ поступает в теплообменники (3.1; 3.2), где охлаждается до температуры 320—350°. Затем синтез—газ поступает в синтезатор метанола (6), где на катализаторе из смеси однинакового количества ZnO, CuO, CoO (напр.-СМС-4; К-140) происходит превращение его в метанол СН3ОН. Смесь газообразных продуктов на выхода охлаждается в теплообменнике (3.3). который описан выше (см.рис.1) и поступает в накопительный бачок (10). В верхней его части находится трубка — фитиль (13), где дожигаются продукты, которые не прореагировали в процессах. Поджигание необходимо, обязательно!

 Получение метанола в домашних условиях

НЕСКОЛЬКО СОВЕТОВ. Катализаторы можно готовить самому путем прокаливания порошковых металлов на воздухе. Измерение температуры можно осуществлять при помощи термоиндикаторных красок, которые в настоящее время достаточно распространены. Измерение нужно проводить на входных и выходных трубках. Если термокрасок вы не достанете, можно изготовить сплав олово — свинец — цинк. При определенных, найденных экспериментально пропорциях смешения они будут иметь необходимую температуру плавления. Нанося полученные сплавы на трубки и следя за их плавлением, можно с некоторой погрешностью контролировать температуру. Если вы не допустили образования газовых карманов (т.е. полностью заполнены все полости соответствующей крошкой), если устранили утечки и самое главное — своевременно зажжен и постоянно горит фитиль (11), то установка будет абсолютно безопасна. Подбирая катализаторы можно повышать тепловой КПД, увеличить процент выхода метанола. Для достижения оптимума здесь требуются эксперименты. Они проводятся во многих институтах разных стран. В России к числу таких НИИ относится, например, ГИАП(Государственный институт азотной промышленности). Следует иметь в виду, что получение метанола из природного газа в компактных установках — новое дело, и многие процессы еще недостаточно изучены. В то же время метанол — одно из самых экологически чистых и практически идеальных топлив. И, самое главное, получение его основано на безграничных и возобновляемых ресурсах — метане.

 

 По материалам автора-изобретателя Г.Вакса.

Источник: eurosamodelki.ru

Получаемая при помощи данного описания жидкость — метанол. Она известна также под названием метиловый (древесный) спирт и имеет формулу — СН3ОН.

Метанол в чистом виде применяется в качестве растворителя и как высокооктановая добавка к моторному топливу, а также непосредственно как высокооктановое топливо (октановое число => 115).

Это тот самый "бензин", которым заправляют баки гоночных мотоциклов и автомобилей.

Как показывают зарубежные исследования, двигатель, работающий на метаноле, служит во много раз дольше чем при использовании привычного нам бензина, а мощность его, при неизменно рабочем объеме, повышается на 20%.

Выхлоп двигателя, работающего на этом топливе, экологически чист и при проверке его на токсичность, вредных веществ не обнаруживается.

Малогабаритный аппарат для получения этого топлива прост в изготовлении, не требует особых знаний и дефицитных деталей, безотказен в работе. Его производительность зависит от различных причин, в том числе и от габаритов.

Аппарат, схема и описание сборки которого приведены ниже, при диаметре реактора всего 75 мм, выдает три литра готового топлива в час. При этом вся конструкция имеет вес около 20 кг и приблизительно следующие габариты: 20 см в высоту, 50 см в длину и 30 см в ширину.

Химия процесса

Не будем вдаваться глубоко в варианты химических процессов и для простоты расчётов будем считать, что при нормальных условиях (20°С и 760 мм.рт.ст.) из метана получается синтез-газ по следующей формуле:

2СН4 + О2 —> 2СО + 4Н2 + 16,1 ккал,

из 44,8 л метана и 22.4 л кислорода выходит 44,8 л окиси углерода и 89,6 л водорода, затем из этих газов получают метанол по формуле:

СО + 2Н2 <=> СН3ОН

из 22.4 л окиси углерода и 44.8 л водорода получается: 12г(С)+3г(Н)+16г(О)+1г(Н) = 32 г метанола.

Значит, по законам арифметики из 22.4 л метана выходит 32 г метанола или приблизительно: из 1 м.куб метана синтезируется 1,5 кг 100%-го метанола (это ~2 литра).Получение метилового спирта в домашних условиях

Реально же, из-за низкого КПД в бытовых условиях, из 1 м.куб. природного газа получится меньше 1 литра конечного продукта (для данного варианта предел — 1 л/ч!).

На 2011 год цена 1 м.куб. бытового газа в России составляет 3.6-3.8 руб и постоянно повышается. Учитывая, что по теплотворной способности метиловый спирт вдвое хуже бензина, получаем эквивалентную цену, равную 7.5 руб. и, наконец-то, округляем до 8 руб. на прочие расходы — эл. энергия, вода, катализаторы, очистка газа,— все равно выходит гораздо дешевле бензина и означает, что "овчинка стоит выделки" при любом раскладе!

В цену этого топлива не включена стоимость установки (при переходе на альтернативные виды топлив всегда требуются период самоокупаемости), в данном случае цена будет колебаться от 5 до 50 тыс. руб, в зависимости от производительности, автоматизации процессов и чьими силами будет изготавливаться.

При самостоятельной сборке, обойдётся минимум 2, а макс.10 т. р. В основном деньги уйдут на токарные и сварочные работы, а также на подготовку компрессоров (можно от неисправного холодильника, тогда будет дешевле) и на материалы, из которых собирается этот агрегат.

Принцип действия и работа аппарата

Функциональная схема аппарата приведена на рис. 1.

Водопроводная вода подключается ко «входу воды» (15) и, проходя далее, разделяется на два потока: один поток (очищается фильтром от вредных примесей) и через краник (14) и отверстие (С) входит в смеситель (1), а другой поток через краник (4) и отверстие (Ж) идет в холодильник (3), проходя через который вода, охлаждая синтез-газ и конденсат метанола, выходит через отверстие (Ю).

Бытовой природный газ, очищенный от примесей серы и пахучих одорантов, подключается к трубопроводу «Вход газа» (16). Далее газ входит в смеситель (1) через отверстие (Б), в котором, смешавшись с паром воды, нагревается на горелке (12) до температуры 100 — 120°С. Затем из смесителя (1) через отверстие (Д) нагретая смесь газа и водяного пара входит через отверстие (В) в реактор (2).

Реактор (2) заполнен катализатором №1, массовая доли: 25% NiO (оксид никеля) и 60% Al2O3 (окись алюминия) , остальное 15% CaO (негашеная известь) и др. примеси , активность катализатора — остаточная объемная доля метана при конверсии с водяным паром углеводородного газа (метана), полностью очищенного от сернистых соединений, содержащего метан не менее 90%, при объемном соотношении пар:газ=2:1, не более:

при 500°С — 37%
при 700°С — 5%.

В реакторе происходит образование синтез газа под воздействием температуры около 700°С, получаемой за счет нагрева горелкой (13). Далее нагретый синтез-газ входит через отверстие (Е) в холодильник (З), где он должен охладиться до температуры 30-40°С или ниже. Затем охлажденный синтез-газ через отверстие (И) выходит из холодильника и через отверстие (М) входит в компрессор (5), в качестве которого можно использовать компрессор от любого бытового холодильника.

Далее сжатый синтез-газ с давлением 5-10 атм. через отверстие (Н) выходит из компрессора и через отверстие (О) поступает в реактор (6). Реактор (6) заполнен катализатором №2, состоящим из 80% меди и 20% цинка.

В этом реакторе, который является самым главным узлом аппарата, образуется пары метанола. Температура в реакторе не должна превышать 270°С, что можно проконтролировать градусником (7) и регулировать краником (4). Желательно поддерживать температуру в пределах 200-250°С, можно и ниже.

Затем пары метанола и не прореагировавший синтез-газ через отверстие (П) выходят из реактора (6) и через отверстие (Л) входят в холодильник (З), где пары метанола конденсируют и через отверстие (К) выходят из холодильника.

Далее конденсат и не прореагировавший синтез-газ входят через отверстие (У) в конденсатор (8), где накапливается готовый метанол, который выходит из конденсатора через отверстие (Р) и краник (9) в какую-либо емкость.

Отверстие (Т) в конденсаторе (8) служит для установки манометра (10), который необходим для контроля давления в конденсаторе. Оно поддерживается в пределах 5-10 атмосфер или больше в основном с помощью краника (11) и частично краника (9).

Отверстие (Х) и краник (11) необходимы для выхода из конденсатора не прореагировавшего синтез газа, который идет на рециркуляцию обратно в смеситель (1) через отверстие (А), но как показала практика, выходные газы надо сжигать в фитиле, а не запускать обратно в систему. Да, это снижает КПД, но зато значительно упрощает настройку.

Краник (9) регулируют так, чтобы постоянно выходил чистый жидкий метанол без газа.

Лучше будет, если уровень метанола в конденсаторе будет увеличиваться, чем уменьшаться. Но самый оптимальный случай, когда уровень метанола будет постоянным (что можно проконтролировать путем встроенного стекла или какого-либо другого способа).

Краник (14) регулируют так, чтобы в метаноле не было воды, а в смесителе образовывалось пара лучше меньше, чем больше.

Запуск аппарата

Открывают доступ газа, вода (14) пока закрыта, горелки (12), (13) работают. Краник (4) полностью открыт, компрессор (5) включен, краник (9) закрыт, краник (11) полностью открыт.

Затем приоткрывают краник (14) доступа воды, а краником (11) регулируют нужное давление в конденсаторе, контролируя его манометром (10). Но не в коем случае не закрывайте краник (11) полностью!!!

Далее, минут через пять, краном (14) и зажжённой горелкой (21) доводят температуру в реакторе (6) до 200-250°С. После этого горелку (21) гасят, она нужна только для предварительного подогрева, т.к. метанол синтезируется с выделением тепла. Затем чуть-чуть приоткрывают краник (9), из которого должна пойти струя метанола. Если она будет идти постоянно — приоткройте краник (9) чуть больше, если будет идти метанол в смеси с газом — приоткройте краник (14).

Вообще, чем на большую производительность настроите аппарат, тем лучше.

Содержание воды в метаноле вы можете проверить с помощью спиртометра. Плотность метанола = 0,793 г/см3.

Данный аппарат желательно изготавливать из нержавеющей стали или железа. Все детали изготовлены из труб, в качестве тонких соединительных труб можно использовать медные трубки. В холодильнике необходимо сохранить соотношение X:Y=4, то есть, например, если X+Y=300 мм, то X должно быть равно 240 мм, а Y, соответственно, 60 мм. 240/60=4. Чем больше витков уместится в холодильнике с той и с другой стороны, тем лучше.

Все краники применены от газосварочных горелок. Вместо краников (9) и (11) можно использовать редукционные клапана от бытовых газовых баллонов или капиллярные трубки от бытовых холодильников.

Смеситель (1) и реактор (2) нагреваются в горизонтальном положении (см. чертеж).

Ну вот, пожалуй, и все. В заключении хотелось бы добавить, что более прогрессивная конструкция для домашнего изготовления авто топлива была опубликована в нескольких номерах журнала «Приоритет» 1992-93 гг :
№1-2 — общие сведения о получении метанола из природного газа.
№3-4 — чертежи установки по переработке метана в метанол.
№5-6 — монтаж, меры безопасности, контроля, инструкция по включению оборудования.

Как получить метанол
Рисунок 1 — Принципиальная схема аппарата

Как получить метанол
Рисунок 2 — Смеситель

Как получить метанол
Рисунок 3 — Реактор

Как получить метанол
Рисунок 4 — Холодильник

Как получить метанол
Рисунок 5 — Конденсатор

Как получить метанол
Рисунок 6 — Реактор

Дополнения от Квасникова Игоря

Случайно в поисковой системе наткнулся на вашу публикацию и очень заинтересовался её содержимым. После краткого ознакомления сразу всплыли неточности допущенные автором.

Информация о "метанолке" публиковалась в журнале "Приоритет" за 1991, 92, 93 гг. ,но полностью готовый проект опубликован так и не был (зажали обещанные катализаторы для подписчиков).

В данных номерах были чертежи реактора с электрической схемой управления и конструкция охладителя, после чего г-н Вакс (автор статьи) вежливо извинился и сообщил, что дальнейшая публикация прекращается по просьбе силовых структур СССР и для тех, кто захочет повторить данную установку, поле творчества неограничено.

Категорически запрещается подавать воду прямо из крана в реактор т.к. она содержит хлор , который моментально отравит катализатор 2-го реактора, тоже самое относится и к газу, который содержит примеси серы и активных органических веществ.

В своей установке я применял дистиллированную воду и моноэтаноламинную очистку газа, все это даёт неплохой результат. После более детальной проработки оригинальной статьи всплыло множество неточностей которые рассмотрим чуть позже.

Перейдем к рассмотрению изменений принципиальной схемы аппарата по узлам:

Как получить метанол
Рисунок 1(a) — Изменённая схема аппарата

1-я ступень — как говорилось ранее, должна производится очистка газа и воды (бытовым фильтром, ещё лучше дистиллятором), чтобы не отравить сразу катализаторы 2 и 6 реакторов. Точнее придерживаться соотношения пар : газ, как 2 : 1. Не должно быть возврата непрореагировавших продуктов в 1-ю ступень.

2я ступень — конверсия метана начинается при t=~400°С, но при такой низкой t°С низкий процент конвертированного газа, самая оптимальная t=700°С, её желательно контролировать с помощью термопары.

Холодильник 4 — рекомендую для каждой ступени изготовить собственный ,это в дальнейшем облегчит t-регулировку и не использовать для этих целей змеевик.

После реактора и холодильника в установке стоит манометр(10) и редукционный клапан(11) настроенный на давление 25-35 атм (выбор давления зависит от степени износа катализатора). Лучше применить два компрессора от холодильника для нагнетания достаточного давления синтез-газа.

Конденсор (8) советую сделать не цилиндрической формы, а конической (это сделано с целью уменьшения площади испарения метанола) и с окошком для контроля за уровнем метанола. Подводятся прореагировавшие продукты сверху конуса с помощью трубки (у) Ø 8 мм.

Трубка опущена в конический сосуд ниже дросселирующего отвода (Р) на 10 мм.

Непрореагировавший синтез газ отводится через трубку (х) Ø 5мм которая вварена в вершину конуса, выходящий газ через эту трубку сжигается на её конце, для предотвращения ухода пламени в конусный сосуд конец трубки набит медной проволокой.

Уровень метанола поддерживается 2/3 от общей высоты сосуда, для этого лучше сделать прозрачное окошко. Для обеспечения 100%-безопасности можно снабдить выходной фитиль термопарой, по сигналу которой (по отсутствию пламени) автоматически перекрывается подача газа в установку, для этих целей подойдёт любой регулятор от современных газовых плит.

Всё выше сказанное далее представлено в виде функциональной схемы, реализованной на базе кухонного инвентаря:

Как получить метанолКаталичический способ получения метанола (древесного спирта) из природного газа во всех подробностях описан здесь.

Как получить метанол

Источник: electro-shema.ru

Строение молекулы

Для того чтобы выяснить строение метилового спирта, нужно вспомнить, какой вид имеет молекула простейшего предельного углеводорода – метана. Она выражается формулой CH4 и содержит один атом карбона, связанный с помощью простых сигма-связей с атомами водорода.

Если один из них заместить на гидроксильную группу –OH, получим формулу CH3OH. Это метанол. Валентный угол, построенный направлением связи C-O-H, составляет примерно 110⁰, поэтому молекулы одноатомных спиртов имеют угловую форму. Вследствие того, что электроотрицательность кислорода (3,5 эВ) больше, чем карбона (2,5 эВ), связь кислород – углерод очень поляризована, а гидроксогруппа играет роль заместителя, имеющего отрицательный индуктивный эффект. Таким образом, метанол – это спирт, у которого дипольный момент равен 1,69D.

Номенклатура

Рассмотрим три способа образования названия вещества, имеющего формулу CH3OH. Исторически оно образуется от названия углеводородного радикала, к которому присоединилась гидроксильная группа. Радикал CH3 — это метил, поэтому спирт CH3OH именуют метиловым. По Женевской номенклатуре, к названию соответствующего углеводорода – алкана – прибавляют суффикс –ол. Соединение будет называться метанолом. Это название наиболее распространено и используется достаточно часто. В рациональной номенклатуре рассматриваемое нами соединение называется карбинолом.

Физические свойства

Низшие спирты, содержащие до трех атомов карбона, куда входит и метанол, – это жидкости, смешивающиеся с водой в любых пропорциях. Карбинол имеет выраженный алкогольный запах, однако совершенно непригоден для употребления внутрь, так как является сильнейшим нейротоксичным соединением. Плотность его меньше единицы и составляет 0,791 D420. Температуры плавления и кипения равны -97,9 ⁰C и +94,5 ⁰C соответственно.

Получение метанола

Гидролиз соответствующих галогеноалкилов в присутствии гидроксидов активных металлов, например, щелочных или щелочноземельных, и при нагревании – это распространенный метод получения карбинола. В качестве исходных веществ берут хлор- или бромметан, результатом реакции будет замещение атома галогена функциональной группой –OH и получение метанола.

Еще один метод, ведущий к образованию первичных предельных спиртов – это восстановление альдегидов или карбоновых кислот. Для данной окислительно-восстановительной реакции применяют такие сильные восстановители, как натрийборгидрид или литийалюминийгидрид. Исходными соединениями являются муравьиная кислота или формальдегид. Один из современных методов получения карбинола – это его синтез из углерода, воды, водорода и монооксида углерода. Процесс проходит при температуре +250 °C, повышенном давлении и в присутствии окислов цинка и меди в качестве катализаторов. Новым, но экономически оправданным можно назвать метод получения спирта из микроскопических водорослей океанов и морей, биомасса которых действительно огромна. Растительный субстрат подвергают брожению, выделяющийся метан собирают и далее окисляют до метанола. Большими преимуществами производства биометанола считают отсутствие потребности в использовании запасов пресной воды, электроэнергии и чистоту технологии.

Металлорганический синтез

Если на органические вещества с карбонильной группой в составе молекул подействовать магнийорганическими соединениями, можно получить одноатомные спирты. Металлоорганические реагенты добывают при взаимодействии магниевых металлических стружек и бромсодержащих производных алканов в среде сухого диэтилового эфира. Из муравьиного альдегида данной реакцией можно получить не только метанол, применение которого ограничено, но и другие первичные предельные спирты.

Химическая характеристика

У карбинола нет ярко выраженных свойств кислот или оснований, к тому же водный раствор вещества не действует на индикаторы. Типичные реакции метанола – это взаимодействие с активными металлами и карбоновыми кислотами. В первом случае образуются алкоголяты металлов, во втором – сложные эфиры. Например, натрий вытесняет атомы водорода в функциональной гидроксильной группе спирта:

2CH3OH + 2Na = 2CH3ONa +H2.

Взаимодействие между метиловым спиртом и уксусной кислотой приводит к образованию метилацетата, или метилового эфира уксусной кислоты:

CH3COOH+CH3OH<—(H2SO4)—>CH3COOCH3+H2O.

Приведенная выше реакция именуется этерификацией и имеет важное практическое значение.

Окисление спиртов

Реакции метанола, приводящие к получению альдегидов, рассмотрим на примере его взаимодействия с оксидом меди. Если в раствор метанола опустить раскаленную проволоку из меди, покрытую оксидом, то ощущается особый неприятный запах образовавшегося формальдегида. А тусклая поверхность проволоки становится яркой и блестящей вследствие восстановления чистой меди.

Дегидратация

При нагревании и при наличии гигроскопических веществ от молекул спиртов происходит отщепление частиц воды. В продуктах можно обнаружить непредельные углеводороды ряда этилена. В условиях высокой концентрации воды и при пониженной температуре можно получить простые эфиры. Так, из метанола можно добыть диметиловый эфир.

Применение метилового спирта

Метиловый спирт используют в качестве ингибитора гидратов, образующихся в газовых трубопроводах, так как важные свойства метанола — это хорошая растворимость в воде и низкая температура замерзания. Основной объем метилового спирта используется в производстве фенолформальдегидных смол. Высокое октановое число, характерное для карбинола, позволяет применять его в качестве экологически чистого топлива для автомобилей. В лакокрасочной промышленности карбинол используют в качестве растворителя.

Влияние метанола на организм человека

Древесный спирт абсолютно непригоден для использования в качестве алкогольного напитка, так как является сильнейшим токсическим веществом. Попав в желудочно-кишечный тракт, он начинает окисляться до муравьиной кислоты и муравьиного альдегида. Продукты окисления поражают зрительные нервы и сетчатку глаза, содержащую рецепторы. Наступает слепота. Муравьиная кислота, обладающая высокой кумулятивной способностью, разносится кровью к печени и почкам, разрушая эти жизненно важные органы. В результате отравления метанолом имеет место летальный исход, так как способы очистки крови от метаболитов оказываются неэффективными.

В нашей статье мы ознакомились со свойствами, применением и способами получения метанола.

Источник: FB.ru

Краткие сведения о метаноле. Метанол, метиловый спирт, древесный спирт, карбинол, СН3ОН — простейший алифатический спирт, бесцветная жидкость со слабым запахом, напоминающим запах этилового спирта. Температура кипения +64,5°C, температура замерзания —97,8°C, плотность — 792 г/л. Пределы взрывоопасных концентраций в воздухе 6,7—36% по объему. Октановое число больше 110. Температура воспламенения 467°C, Теплота сгорания 24000 кдж/кг — меньше, чем у бензина (44000 кдж/кг) , поэтому расход метанола (в литрах) будет выше примерно в два раза. Как топливо применяется в гоночных машинах, например в «Формуле-1».
МЕТИЛОВЫЙ СПИРТ смешивается в любых концентрациях с водой, органическими растворителями и ЯДОВИТ, выпитые 30 миллилитров метанола могут быть СМЕРТЕЛЬНЫ, если не принять срочных мер! Пары также ядовиты!
Традиционно метанол получали возгонкой древесины. Но более перспективен способ получения метанола — из природного газа. В дальнейшем по мере совершенствования этой технологии возможны и другие источники сырья, например биомасса (навоз) . Промышленные способы получения метилового спирта пока недостаточно эффективны для использования метанола в качества топлива, но в ближайшие десятилетия цена на нефть будет только подниматься и ситуация может изменится в пользу спиртового топлива (особенно при использовании автомобилей на топливных ячейках) . Природный газ, как известно, почти на 100% состоит из метана — СН4. Ни в коем случае не надо его путать с баллонным газом пропан-бутаном, последний является продуктом крекинга нефти и используется напрямую в качестве автомобильного топлива. Впрочем, это и делают многие автомобилисты, устанавливая соответствующее оборудование. А при использовании метанола никакого дополнительного оборудования не требуется. Мы подробно опишем, как, используя метанол в качестве топлива, как можно существенно повысить мощность двигателя. Пока же только скажем, что это достигается увеличением диаметра главных жиклеров или уменьшением количества воздуха в топливной смеси. Метан при неполном окислении превращается в окись углерода и водорода, реакция эта выглядит следующим образом: 2СН4+О2—>2СО+4Н2+16,1 ккал. Более простой технологически способ проходит по реакции конверсии метана с водяным паром: СН4+Н20—>СО+ЗН2 — 49ккал. В первом уравнении стоит +16,1 ккал. Это означает, что реакция идет с выделением тепла. Во втором — с поглощением. Тем не менее, мы остановимся на втором способе получения окиси углерода и водорода. При наличии этих двух компонентов уже можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле: СО+2Н2<=>СН3ОН.

Источник: otvet.mail.ru


Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock
detector