Получение метана в лаборатории и промышленности

Простейшее углеводородное соединение – метан – используется в промышленности, на транспорте, в быту, находя широкое применение и как сырье для органического синтеза, и в качестве конечного продукта. Потребность в метане испытывают многие отрасли хозяйства, и его производство постоянно расширяется.

Общая характеристика метана

Метан представляет собой легкий бесцветный горючий газ без запаха. Распространен в природе как основной компонент природного газа и попутных нефтяных газов. Химическая формула – .

В атмосферу метан поступает в составе вулканических газов, а также является продуктом жизнедеятельности ряда микроорганизмов. В форме газогидратов в значительных количествах содержится на дне океанов и в многолетней мерзлоте. Является одним из важнейших парниковых газов.

Как представитель ряда предельных углеводородов проявляет низкую химическую активность. Вследствие малой растворимости в воде и химической инертности метан считается малотоксичным веществом (класс опасности – IV), но при высокой концентрации в воздухе (4,4 — 17%) взрывоопасен, а дальнейшее повышение содержания метана приводит к удушью от недостатка кислорода.

Физические свойства

Основные физические характеристики метана при нормальном атмосферном давлении приведены в таблице.

Получение метана

Промышленное производство и получение метана в лаборатории проводятся разными методами. Существуют также способы получения газа в домашних условиях, например, в частном хозяйстве для удовлетворения потребности в топливе.

Промышленные методы получения метана

Поскольку газ в больших количествах поступает при добыче нефтегазового сырья, способы его производства нацелены не на искусственный синтез, а на выделение в процессах переработки нефти и газа. Кроме того, метан может быть получен при технологической обработке каменноугольного сырья.

Очистка и переработка природного газа

Метан – главный компонент такого важного вида горючих полезных ископаемых, как природный газ. Содержание метана в газе различных месторождений составляет 70-98%.

После очистки от твердых частиц и примесей (сероводород, азот, углекислый газ, гелий) и осушки (отделения водяных паров) природный газ подвергается низкотемпературному фракционированию. Более тяжелые углеводородные компоненты газа – этан, пропан и бутан – переходят в жидкую фазу при более высоких температурах, чем метан, и последовательно отделяются от него в конденсационной колонне.

Переработка нефти и попутного газа

В процессах термического разложения (пиролиза) высокомолекулярных алканов, входящих в состав нефти, в числе продуктов получают метан:

Метан входит в состав газа, отделяемого от сырой нефти в процессе крекинга (разложения при высоком давлении и температурах около 450 — 550 ℃ либо с использованием катализатора). Кроме того, метан составляет значительную долю попутных газов, от которых его отделяют методом сепарации.

Переработка каменного угля

1. Коксование угля. Большое количество метана (в среднем 34%) содержится в коксовом газе, образующемся при термической переработке угольного сырья. В числе прочих углеводородов метан отделяется от шихты при .
2. Гидрирование угля. Метан образуется при обработке угольной массы водородом (ожижение угля с целью получения жидкого топлива). Реакции идут на металлическом катализаторе:

Лабораторный синтез метана

В лабораторной практике используются два основных способа получения метана:

1. гидролиз карбида алюминия;
2. щелочное плавление ацетата натрия.

Взаимодействие карбида алюминия с водой (метод Муассана)

Неорганическое бинарное соединение с кристаллической структурой в реакции с водой разлагается с образованием метана и нерастворимого гидроксида алюминия:

Реакция необратима и служит простым и удобным способом получения газа в лабораторных условиях.

Взаимодействие ацетата натрия с щелочью (метод Дюма)

Еще один простой лабораторный способ получения метана – прокаливание натриевой соли уксусной кислоты с едким натром :

Подробное рассмотрение лабораторного процесса показывает, как с помощью щелочи получить метан из ацетата натрия.

Присутствие воды препятствует этой реакции, поэтому уксуснокислый натрий должен быть обезвожен, а гигроскопичный гидроксид натрия – смешан с негашеной известью (оксидом кальция). Такая смесь носит название натронной извести. В реакционной смеси она должна присутствовать с избытком 1:3, чтобы обеспечить полное использование ацетата натрия.

Порошки реагентов хорошо перемешиваются и помещаются в колбу с отводной трубкой или в пробирку. Выделяющийся газ собирают по методу вытеснения воды в пробирку. При нагревании колбы на пламени горелки используется асбестовая сетка. Пробирку нагревают на открытом пламени. Для улавливания примесей может использоваться промывная склянка с раствором щелочи. Для проверки результата опыта газ в пробирке поджигается.

Варианты сборки прибора для получения метана в лаборатории изображены на рисунке.

Получение метана в домашних условиях

Метан можно получать и как продукт биологических процессов. Он выделяется в ходе обмена веществ особыми анаэробными микроорганизмами – бактериями-метаногенами. Они широко распространены в органических отходах животного и растительного происхождения.

Поскольку метан может применяться в качестве горючего для водонагревательных установок, печей и кухонного оборудования, в частных хозяйствах, располагающих большим количеством отходов, становится выгодным самостоятельное получение из них метана и его использование.

Получение из органических отходов животноводства

Метаногены обитают в кишечном тракте позвоночных и принимают участие в пищеварительном процессе. Поэтому в хозяйствах, занимающихся разведением крупного рогатого скота, свиней или домашней птицы, отходы жизнедеятельности животных могут быть переработаны с помощью биогазовых установок. Неразложимый остаток служит органическим удобрением.

Технология получения биогенного метана состоит из нескольких этапов:

1. анаэробное брожение биомассы в специальном резервуаре – ферментере, или биореакторе, с соблюдением температурного режима;
2. отвод выделяющейся газовой смеси, в которой доля метана составляет до 70%;
3. транспортировка биогаза к оборудованию-потребителю;
4. регулярная выгрузка отработанной массы и загрузка биореактора новым сырьем.

В некоторых установках предусмотрена система очистки биогаза от примесей – углекислого газа и сероводорода.

Получение из древесины

В качестве сырья для биогазовой технологии могут использоваться и растительные отходы, такие как древесная щепа. Пригодна для использования в биореакторе некондиционная древесина (например, пораженная вредителями или пострадавшая от пожаров), а также отходы лесозаготовок – ветки, кора и пр.

Так как древесина содержит смолы, в установках по ее переработке нужно применять катализаторы для очистки газа. В качестве катализатора подходят шлаки металлургических производств, особенно эффективны мартеновские шлаки.

Эффективность синтеза биометана

В среднем переработка 1 кг биомассы, разложимой на 70%, дает:

Эффективность выработки биогаза зависит от поддержания нужной температуры ферментации, поэтому в холодных регионах работа биогазовой установки потребует дополнительных затрат на подогрев и устройство надежной теплоизоляции. Большую роль играет биохимическое равновесие: выход газа снижается при возрастании кислотности. В этом случае требуется добавление нейтрализующего агента.

Крупные фермерские хозяйства могут позволить себе привлечение специалистов, установку полностью автоматизированных биореакторов с большим выходом газа и получать дополнительный доход от его продажи.

Для эффективной работы установки необходимо бесперебойное поступление сырья, поэтому хозяйствам с малым количеством животных невыгодно заниматься производством биометана.  Если количество биомассы позволяет наладить синтез газа в небольшом хозяйстве, мини-установку для его производства можно сделать собственными силами. Следует помнить, что ее сооружение потребует серьезных вложений, составления технологической схемы, оформления документации, согласования с СЭС, пожарной и газовой инспекциями.

Если хозяйство имеет возможность установить биогазовый реактор, оно получает существенные выгоды:

• экономия при затратах на энергию;
• производство удобрения;
• ликвидация отходов и оздоровление экологической обстановки на участке.

Это интересно:

Качественные реакции в органической химии

Основания в химии

Метан в органическом синтезе

Метан широко используется для получения многих востребованных соединений, таких как ацетилен, метанол или анилин.

Получение ацетилена из метана

В лабораторной практике проводится дегидрирование метана. Реакция требует сильного нагревания:

В промышленности используются такие методы, как:

• Электрокрекинг:

• Окислительный пиролиз (Заксе-процесс):

В этой реакции используется теплота частичного сгорания сырья, благодаря которой реакционная смесь разогревается до 1600 ℃ .

Получение метанола из метана

Метиловый спирт может быть получен:

• Каталитическим окислением метана:

• Двухступенчатым процессом, в ходе которого сначала получают хлорпроизводное метана, которое затем подвергается щелочному гидролизу:

Получение анилина из метана

Ароматическое соединение анилин получают в несколько стадий:

1. Крекинг метана:
2. Тримеризация ацетилена:
3. Нитрование бензола:
4. Восстановление нитробензола:

Заключение

Метан востребован во многих областях. Росту объемов его производства для различных нужд способствует достаточно высокая распространенность в природе. Однако метан производится не только на крупных промышленных предприятиях. Простота его получения с использованием биологических отходов стимулирует производство индивидуальными хозяйствами, что идет на пользу экологической обстановке, снижая бесконтрольное гниение отходов и выброс ценного продукта в атмосферу.

Примеры решения задач

1. Каков объем метана, выделяющегося при гидролизе карбида алюминия массой 12.5 г.?

Запишем уравнение реакции:

Найдем количество карбида алюминия, вступающего в реакцию, по формуле , где – n количество вещества, m– масса, M – молярная масса.

Из уравнения реакции видно, что . Следовательно, количество метана равно:

Молярный объем газа Vm при нормальных условиях составляет . Следовательно, объем метана будет равен:

2. Какова масса ацетата натрия, необходимого для получения 10 л метана?

Запишем уравнение реакции:

Используя знание молярного объема газа, составим пропорцию:

Вычислим количество получаемого метана:

Из него следует, что количество ацетата натрия равно количеству метана:

Рассчитаем массу ацетата натрия по формуле m=nM.

3. Сколько граммов ацетата натрия затрачено на получение 60 г метана при выходе продукта реакции 75%?

Запишем уравнение реакции:

Выход продукта равен отношению массы вещества, полученной на практике, к массе, рассчитанной по уравнению:

Вычислим расчетную массу метана:

Рассчитаем молярные массы ацетата натрия и метана:

Уравнение показывает, что количества вещества ацетата натрия и метана равны. Вычислим их:

Вычислим массу ацетата натрия: