Важным источником для получения водорода становится в настоящее время природный газ, состоящий в основном (см. табл. 17) из метана. По одному из способов газ смешивают с водяным паром и осуществляют превращение: называемое конверсией метана с водяным паром.
Равновесие реакции при молярном соотношении СН4 : Н20 = 1 : 2 и температуре выше 800° смещено почти полностью в сторону образования водорода. Реакция протекает с достаточной скоростью при 800° лишь в присутствии катализатора-никеля, нанесенного на А1208 или MO, с добавкой активаторов. Катализатор помещается в многочисленные трубы, изготовляемые из жароупорной стали и находящиеся в печи конверсии. Вследствие того что реакция является эндотермической, для поддержания указанной температуры трубы обогреваются снаружи путем сжигания в печи газа.
Природный газ, очищенный от сернистых соединений, нагревается в теплообменнике и смешивается с водяным паром; смесь, пройдя через трубы с катализатором, охлаждается в котле-утилизаторе до 500°. Недостатками данного способа являются необходимость применения дорогих сталей и сжигания газа для поддержания оптимальной температуры. Этих недостатков лишен другой способ получения водорода — неполным окислением метана (конверсией метана с кислородом). Природный газ смешивается с таким количеством кислорода или воздуха, обогащенного кислородом до содержания ~40% 02, которое недостаточно для полного окисления метана. Образующиеся при его сгорании Н20 и С02 взаимодействуют с оставшимся СН4 по уравнениям реакций.
Природный газ поступает в паронасытительную башню с насадкой, орошаемую горячей водой; газ нагревается в ней и насыщается водяным паром. Затем в газ дополнительно вводится водяной пар, и он проходит через теплообменник 2, где нагревается прореагировавшей смесью из конвертора 4. Газ поступает далее в конвертор метана 4 из огнеупорного кирпича и проходит через два слоя катализатора; в верхнюю и среднюю его части подается обогащенный кислородом воздух; помимо реакции (6), в конверторе протекает также эндотермическая реакция (4) с введенным водяным паром, благодаря чему поддерживается оптимальная температура. Затем смесь охлаждается в увлажнителе 3, вследствие испарения вбрызгиваемой воды, и в теплообменнике 2 разбавляется водяным паром и поступает в конвертор 5, содержащий три слоя катализатора. В первом слое реакция протекает быстро, с повышением температуры до 500°; для того чтобы сместить равновесие и полнее осуществить конверсию, в газовую смесь перед входом ее в последующие слои катализатора вбрызгивается вода; вследствие этого температура снижается постепенно до ~400°. Газовая смесь поступает в котел-утилизатор 6, а затем в водонагревательную башню 7 с насадкой, орошаемую водой, стекающей из башни /; здесь газ охлаждается до 70°, а в конденсационной башне 8, орошаемой холодной водой, до 20—30°, после чего поступает на сжатие. Вода, стекающая из башни 7, снова подается насосом 9 в башню /; таким образом, здесь осуществлена непрерывная циркуляция воды, позволяющая использовать часть тепла конденсации водяного пара и тепла газа. Производительность установки до 6000 нм3 природного газа в час.
В дальнейшем газ подвергается очистке, чтобы удалить из него двуокись углерода, содержание которой значительно (до 20%), не прореагировавшую окись углерода (2,5—4%) и остаток сероводорода, так как все эти вещества являются каталитическими ядами.
Для очистки от С02 и H2S газ последовательно сжимают в первых трех ступенях многоступенчатого компрессора 1 (см. цветной рисунок 109), с охлаждением нагревающегося газа после каждой ступени сжатия, до давления 25 am, чтобы повысить растворимость газов в воде. После этого газ промывают водой в поглотительной башне 2, заполненной насадкой из керамических колец. Стекающая из башни вода, насыщенная С02, поступает для утилизации энергии сжатия в водяную турбину 3, где ее давление снижается до атмосферного; турбина соединена общим валом с электромотором и насосом 6 в единый агрегат. Выделившаяся двуокись углерода используется в производстве мочевины, для конверсии СН4 (см. уравнение реакции (5)) или для получения сухого льда, а вода подается снова в башню.
Очистка от окиси углерода основана на способности последней образовывать на холоду растворимые в воде комплексные соли с аммиачными растворами закисных солей меди, например карбоната.
Эти соли снова распадаются при нагревании растворов и уменьшении давления. Для более полного поглощения СО азотоводородную смесь предварительно сжимают до давления 300 am в 4—6 ступенях того же многоступенчатого компрессора 1. Промывка производится в башне 5 с насадкой из колец, причем одновременно из смеси удаляется и остаток СО вследствие образования (NH4)2C03. Очищенная смесь направляется в систему синтеза аммиака (см. часть IV, гл. III). Содержание С02 в этой смеси допускается не более 0,0006 объемных процента, а СО — не более 0,0045%.
Если в конвертор метана подается чистый кислород, то после конверсии СО и удаления из газа С02 очистка от СО производится промывкой в колонне жидким азотом, как указано выше для коксового газа.
Для получения так называемого синтез газа, содержащего Н2и СО в объемном соотношении и служащего для синтеза метанола (см. часть XIII, гл. II), производится конверсия метана с водяным паром и с С02 или с кислородом; затем из смеси удаляется С02.
Попутный нефтяной газ и газы нефтепереработки, состоящие из метана и этана с примесью пропана, можно также подвергать конверсии, так как гомологи метана конвертируются легче, чем метан.
Получение водорода из генераторных газов. Для получения азотоводородной смеси для синтеза аммиака обычно смешивают получаемые раздельно водяной газ с генераторным газом таком соотношении, чтобы содержание СО -f + Н2 (в объемных процентах) превышало содержание N2 в 3,2 раза. Такая смесь называется полуводяным газом и имеет примерно следующий состав: СО— 34,5%, Н2 — 36%, N2 — 22%, СО— 6,5%, СН4 и др. — 1%. Затем осуществляют конверсию СО и очистку от С02 и СО, как указано выше.
Сырьевая база для получения водорода в производстве аммиака в СССР будет изменяться за годы семилетки в сторону возрастания доли газового сырья и сокращения доли твердого топлива, используемого для газификации (кокс, бурый уголь и др.); это приведет к значительному снижению себестоимости аммиака.