Итак, о химии процесса получения метанола из природного газа.

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.

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

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. Именно 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. Поэтому 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)
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. Но 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 в дальнейшем (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.

При включении в сеть переменного тока обмотки включаются поочередно с частотою 50 Гц. При 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. При 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.

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. Размеры 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 наматыавается медная проволока (d=0,15мм) в каждую секцию. Сопротивление, измеренное омметром, для каждой секции должно быть около 1200_Ом. Обмотки включаются 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.

[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.

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). 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 соединении 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 в целом.

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.). 
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 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 одинакового количества ZnO, CuO, CoO 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!

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.