يكي از روش هاي تبديل متان به مواد با‌ارزشتر، زوج شدن اكسايشي متان يا Oxidative Coupling of Methane است كه در اين فرايند، متان و اكسيژن به عنوان مواد اوليه وارد راكتور با دماي حدود ۸۰۰ درجه سانتيگراد شده و در مجاورت كاتاليزور و در فشار اتمسفر يك، تبديل به اتيلن و محصولات ديگر مي شوند. از آنجايي‌كه متان نسبت به ساير تركيبات هيدروكربني پايدارتر است، شكستن پيوندهاي بين اتم هاي اين مولكول نياز به صرف انرژي نسبتاً زيادي دارد. براي اين كار به دماي بسيار بالايي نياز است. اين عمل در فرايند پيروليز متان صورت مي‌گيرد كه در آن متان در اثر حرارت بالا، هيدروژن زدايي شده و پس از زوج شدن، به محصولات دوكربني تبديل مي‌شود:

CH۴ + Q ��" C۲H۲ , C۲H۴ , C۲H۶ + H۲

گزارشات منتشر شده در مورد فرايند پيروليز متان، نشان مي دهد كه با استفاده از اين روش فقط در دماهاي بيش از ۱۲۰۰ درجه سانتيگراد و زمان اقامت كم گاز، مقدار اتيلن و استيلن توليدي، زياد خواهد بود. بنابراين استفاده از اين روش در مقياس هاي بزرگ مقرون به صرفه نخواهد بود. روش‌هاي جايگزين به دو دستة روش‌هاي مستقيم و روش‌هاي غير مستقيم تقسيم مي‌گردند:

الف) تبديل غير مستقيم متان

در اين روش، ابتدا متان را به گاز سنتز كه مخلوطي از هيدروژن و مونوكسيد كربن است، تبديل مي كنند. سپس اين گاز از طريق فرايندهاي ديگر به محصولات با ارزشتر تبديل مي گردد. گاز سنتز طبق واكنش زير از طريق رفرمينگ با بخار آب توليد مي شود:

CH۴ + H۲O ��" CO + ۳H۲

اين واكنش شديداً گرماگير است و با استفاده از كاتاليزور نيكل در دماي ^C۹۰ و فشار ۲۰ اتمسفر انجام مي شود. گاز سنتز در فرايندهاي متنوع صنعتي قابل تبديل به متانول، بنزين و ديگر سوخت‌هاي مايع مي شود. بنزين تهيه شده از فرايندهاي فوق، گران تر از بنزين تهيه شده از نفت خام است و اين امر به علت پرهزينه‌بودن فرايند تهيه گاز سنتز است.

ب) تبديل مستقيم متان

تحقيقات در زمينة تبديل مستقيم متان (بدون توليد گاز سنتز)، در دهة ۸۰ ميلادي گسترش يافت. فرايندهاي ذيل مهمترين روش هاي مستقيم هستند. اين فرايند‌ها به طور بالقوه، راندمان بيشتري از نظر انرژي نسبت به روش هاي غير مستقيم دارند. دليل اين امر، فقدان مرحله توليد گاز سنتز است كه نياز به انرژي زياد و دماي بالا دارد.

ب -۱) اكسيداسيون جزئي متان

متان در مجاورت اكسيژن، طبق واكنش زير تبديل مي شود:

CH۴ + ۱/۲O۲ ��" CH۳OH

در واكنش فوق متانول توليد شده، در مجاورت اكسيژن پايداري كمتري نسبت به متان دارد. بنابراين محصولات به طور كلي، به اكسيدهاي كربن تبديل مي شوند. براي بالا نگهداشتن گزينش‌پذيري متانول تا حدود ۸۰% بايد تبديل متان كم (حدود ۸% ) باشد كه اين امر از نظر اقتصادي مقرون به صرفه نيست.

ب- ۲) زوج شدن متان با كلر

متان و كلر به چند صورت مي توانند به همراه يكديگر، هيدروكربن‌هاي با ارزش را توليد كنند. يكي از روش ها، فرايند پيستن بورگ است كه در آن كلر، متان و اكسيژن در يك راكتور بستر سيال در فشار ۱۶ اتمسفر و دماي ^C۳۵۰روي كاتاليست مس و اكنش مي دهند.

CH۴ + HCL + ۱/۲O۲ ��" CH۳CL+H۲O

كلريد متان روي كاتاليزور زئوليت، مخلوط هيدروكربن‌هايي را توليد مي كند كه شامل بنزين با عدد اكتان بالا هستند. دماي پايين و تبديل زياد متان (حدود ۵۰ درصد)، اين فرايند را قابل قبول مي سازد. مشكل اقتصادي اين روش، خروج مقادير زياد HCL توليدي از راكتور است.

ب-۳) پلاسماي غير تعادلي

يكي از جديدترين زمينه هاي تحقيقاتي در خصوص تبديل متان به هيدركربن‌هاي سنگين تر، استفاده از پلاسماي غيرتعادلي است. راكتور شامل دو الكترود فلزي است كه از صفحات آلومينيومي ساخته شده اند كه يكي از آنها توسط يك صفحة دي‌الكتريك پوشانده شده است. گاز از ميان صفحه‌هاي دي‌الكتريك و آلومينيومي ديگر عبور مي كند. همچنين با اعمال ولتاژ بالا در دماي محيط، مي توان متان را به هيدروكربن‌هاي سنگين تر تبديل كرد. يكي از مزاياي اين روش، عدم نياز به اكسيژن براي انجام واكنش است.

ب-۴) زوج شدن اكسايشي متان (OCM)

در اين فرايند (OCM)، گاز متان در فشار اتمسفر يك، در مجاورت كاتاليست جامد و دماي حدود ۷۵۰ تا ۸۰۰ درجة سانتيگراد با اكسيژن تركيب مي شود و محصولات مختلفي از قبيل اتيلن، اتان و گازهاي هيدروژن، مونوكسيد و دي‌اكسيدكربن توليد مي كند. سوخت هاي مايع به عنوان خوراك مجتمع هاي پتروشيمي، معمولاً جزء محصولات مطلوب اين فرايند محسوب مي شوند. انتخاب محصولات، بستگي به موقعيت جغرافيايي كارخانه OCM دارد. در صورتيكه اين واحد در نواحي صنعتي موجود باشد، مي تواند تأمين‌كنندة خوراك مجتمع هاي پتروشيمي باشد. در نواحي دوردست، سوخت مايع حاصل از اين فرايند، قابل انتقال به بازار مصرف خواهد بود. شكل شماتيك واحدهاي فرضي OCM نه تنها در محصولات اصلي بلكه در محصولات فرعي توليد شده نيز متفاوتند.
از بين روش هاي ياد شده به منظور تبديل متان، زوج شدن اكسايشي متان در مجاورت كاتاليزورهاي ناهمگن (OCM)، يكي از محتمل ترين روش هاي تبديل متان حاصل از گاز طبيعي به اتيلن، به عنوان خوراك مجتمع هاي شيميايي و يا سوخت هاي مايع در جهت انتقال انرژي به نظر مي رسد. ولي دو عامل اساسي باعث عدم موفقيت اين فرايند در ابعاد تجاري هستند:
۱. گزينش‌پذيري و راندمان پايين محصولات دو كربنه و بيشتر
افزايش گزينش‌پذيري و راندمان محصولات، اساساً از طريق توسعه و يا بهبود كاتاليست ها صورت مي گيرد. بهينه سازي شرايط واكنش، طراحي راكتور و عمليات نيز بر روي راندمان بهبود كاتاليست مؤثرند.
۲. عدم اطمينان از نتايج جديد تكنولوژيك و تحقيقاتي به منظور افزايش مقياس اين فرآيند
عدم اطمينان تكنولوژيك، به اين علت است كه تمام نتايج در دسترس كه تاكنون منتشر شده اند، در مقياس آزمايشگاهي به دست آمده اند.
با توجه به پيچيدگي فرايند واكنش OCM، افزايش مقياس مي تواند منجر به كاهش و افت كارايي كاتاليست اين فرايند شود. علاوه بر اين، شرايط دشوار واكنش (توليد گرماي زياد) نياز به طراحي راكتورهاي جديد دارد و تجارب موجود در مورد ساير فرايندهاي مشابه به صورت محدود قابل استفاده است. توسعه و بهبود راكتور، به عواملي نظير نوع راكتور، جنس آن و روش كنترل دما بستگي دارد. با كمي دقت مي توان دريافت كه جنبة مهندسي واكنش فرايند OCMنقش اساسي در روند موفقيت تجاري اين فرايند ايفا مي كند.

منبع : نكو نيوز