Данный метод реализуется на основе многостадийной цепной реакции хлорирования метана CH4.
Хлор получают электролизом раствора поваренной соли:
2NaCl → 2Na+ + 2Cl- — электролиз → 2Na + Cl2,
в растворе вместо металлического натрия на катоде получается щёлочь и водород (NaOH и H2), а на аноде нужный нам хлор (Cl2).
Характерные особенности взаимодействия метана с хлором: реакция не идет в темноте при низких температурах, хлор взаимодействует с метаном при ультрафиолетовом облучении или при высоких температурах, реакция экзотермична - протекает с выделением тепла и без контроля может привести к взрыву.
Общая схема реакции хлорирования метана такова:
CH4 + Cl2 → CH3Cl + HCl
Стадии процесса:
- I стадия Cl2 → 2Cl- (на свету) (зарождение цепи)
- II стадия Cl- + H-CH3 → HCl + -CH3 (развитие цепи)
- III стадия -CH3 + Cl2 → CH3Cl + Cl- (развитие цепи)
- IV стадия Cl- + CH3Cl → HCl + -CH2Cl2 (развитие цепи) и т.д.
- V стадия H3C- + -CH3 → H3C-CH3 (обрыв цепи)
- VI стадия Cl- + -CH3 → CH3Cl (обрыв цепи)
I, II (или III, IV) и V (или VI) - последовательные стадии, II, III, IV и V, VI - параллельные.
CH3Cl - хлористый метил, используется в производстве кремнийорганических соединений. Молекулярная масса = 50,5. Внешний вид - газ (у сжиженного температура кипения = -240oС) . Горючий газ, образует с воздухом взрывоопасные смеси.
Итак: подвергаем раствор поваренной соли электролизу (1), полученные (2) CH3Cl + HCl обрабатываются раствором щёлочи (3), NaOH - остаётся после электролиза поваренной соли, что позволяет сделать зациклить процессы в установке.
В результате получаем раствор CH3OH и NaCl:
CH3Cl + NaOH → CH3OH + NaCl,
а также гасятся излишки соляной кислоты:
HCl + NaOH → NaCl + H2O
Чтобы из водного раствора выделить метанол, его достаточно просто перегнать в обычном самогонном аппарате-дистилляторе (4). В итоге получится метиловый спирт-первак крепостью около 80o, в чем можно убедиться при помощи спиртометра.
Функциональная схема установки
Окончательно производят ректификацию метанола-сырца, либо просто сушат негашёной известью.
Существенным недостатком этого способа получения метанола - является его огромная энергетическая затратность на электролиз (да и отходы, включая водород, просто теряются).
Однако, этот минус можно скомпенсировать - для этого потребуется автономная энергоустановка (предпочтительней дизель-генератор), работающая на метане от газовой сети (туда же скармливаются газообразные отходы и бесполезный водород).
Это естественно удорожит конечную стоимость полученного жидкого топлива, но если нет счётчиков на газовой трубе - то и нет этой проблемы, в принципе народ и электричество левым путём умеет тратить, но тут надо будет постараться, чтобы скрыть факт постоянной недостачи в несколько кВт/ч!
Немного посчитаем...
Согласно закону Фарадея, для выделения на электроде 1 моля вещества (в частности хлора Cl2) требуется пропустить через раствор 96500 кулонов электричества. Если пытаться переработать 1м3 метана/ч, что соответствует приблизительно 44 молям/ч, в хлористый метил, нам необходимо электролизом получать порядка 22 моля Cl2 в час, что эквивалентно току электролиза в 590А.
Сколько вольт надо подавать на одну ячейку электролизера, сходу не скажу, все зависит от конструкции, но, для простоты предположим, надо 2В (реально вполне можно расчитать сопротивление идеальной ячейки из 2-х листов металла, помещенных в раствор соли). Два вольта - это величина порядка стандартных электрохимических потенциалов, но сколько точно - надо считать.
Ну, а теперь, умножаем 590А на 2В, получается - 1.18 кВт/м3.
Само собой еще надо учесть КПД электролизеров, а он обычно небольшой. Так что надо умножать потребляемую мощность как минимум на 2, а может и на 4.
Можно ячейки соединить последовательно, это позволит уменьшить ток, увеличив напряжение, но потребляемая мощность, естественно, останется такой же.
Можно посчитать энергетические затраты исходя из энергии образования NaCl из простых веществ, энергия разложения будет эквивалентна, плюс энергетические потери на разогрев всех электрических цепей.
Но я, наверное, этого делать не стану. Навскидку, способ кажется мне весьма энергоемким и потому малоперспективным (применительно к метанолу). Однако, если посмотреть на это дело с другой сторону, то допустим, на переработку одного кубометра метана требуется максимум 4 кВт*ч, стоит эта энергия 9 рублей, а с учётом всяких потерь и отходов, ну пусть будет 12 рублей. Один кубометр метана, примерно, соответствует 1 литру бензина (на самом деле больше, чем литр), и даже при легальном расходе электроэнергии и метана, получается всё-равно в два раза дешевле, чем стоимость литра бензина (или диз. топлива).
96500 Кулонов на 1 эквивалент!
А в реакции получения 1 моль хлора - 2 эквивалента и нужно 2*96500=193000 Кл!
2Cl- + 2 e- = Cl2