Промышленные способы получения водорода. Промышленный способ получения водорода

Промышленные способы получения водорода.

Стр 1 из 9Следующая ⇒

Вторая стадия конверсии метана.

 

Поскольку полученный водород в дальнейшем пойдет в производствр аммиака, вторым окислителем служит кислород.

СН4 +0,5О2 = СО + 2Н2 +Q (1.2.)

Характеристика процесса: простой, обратимый, экзотермический, гетерогенно-каталитический.

Процесс конверсии метана кислородом проводят на никелевом катализаторе пари температуре 900-10000С.

В схемах с двухступенчатой конверсией метана сначала протекает экзотермическая реакция с кислородом. Затем, по мере повышения температуры, начинает идти реакция (1.1.) с паром, так как в газовой смеси содержание пара велико (первая стадия конверсии проводится с большим избытком пара).

В результате процесса необходимо достичь высокой степени конверсии метана, чтобы остаточное его содержание не превышало 0,5%.

 

Конверсия оксида углерода.

Конверсия оксида углерода протекает по следующей реакции:

СО + Н2О = Н2 + СО2 + Q (1.5.)

Характеристика реакции: сложная, экзотермическая, обратимая, гетерогенно-каталитическая.

Помимо основной, протекает побочная реакция разложения оксида углерода:

2СО = С + СО2 (9.6.)

В соответствии с условиями термодинамического равновесия повысить степень конверсии СО можно удалением диоксида углерода из газовой смеси, увеличением содержания водяного пара или проведением процесса при возможно низкой температуре. Конверсия оксида углерода, как видно из уравнения реакции, протекает без изменения объема, поэтому повышение давления не вызывает смещения равновесия. Вместе с тем проведение процесса при повышенном давлении оказывается экономически целесообразным (см. преимущества повышенного давления).

Концентрация водяного пара в газе обычно определяется количеством, дозируемым на конверсию метана и оставшимся после ее протекания.

Соотношение пар : газ перед конверсией СО в крупных агрегатах производства аммиака составляет 0,4-0,5.

Проведение процесса при низких температурах – рациональный путь повышения равновесной степени превращения СО, но возможный только при наличие высокоактивных катализаторов.

В случае проведения процесса под давлением 2-3 МПа нижний температурный предел составляет 180-2000С. Снижение температуры ниже точки росы вызывает конденсацию влаги, что нежелательно.

Реакция конверсии СО сильно экзотермична, т.е. идет с выделением значительного количества тепла. Это вызвало необходимость проведения процесса в два этапа при разных температурных режимах.

Температурный режим на каждой стадии конверсии определяется свойствами применяемых катализаторов.

На первой ступени используется железохромовый катализатор, который выпускается в таблетированном и формованном видах и является активным в области температур 450-5000С. Для железохромового катализатора ядами являются сернистые соединения, соединения фосфора, бора, кремния, хлора.

На высокотемпературном железохромовом катализаторе обеспечивается высокая скорость конверсии СО.

Низкотемпературные катализаторы содержат с своем составе соединения цинка, меди, хрома. На поверхности этого катализатора процесс конверсии проводят в пределах 200-2500С и получают высокую степень конверсии СО.

Срок службы низкотемпературных катализаторов обычно не превышает двух лет. Одной из причин их дезактивации является рекристаллизация под действием температуры и реакционной среды. При конденсации влаги на катализаторе происходит снижение его механической прочности и активности.

 

Глава 2.

 

Производство аммиака.

Аммиак – ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве.

Области применения: в производстве азотной кислоты, карбамида, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, красителей, полимерных материалов и т.д.

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции:

N2 + 3h3↔ 2Nh4 + Q (2.1.)

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (ΔН298 = - 91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической. Изменении энтропии в данном случае тоже отрицательно ( ΔS0298 =-198,13 кДж/моль.К) и не благоприятствует протеканию реакции. При отрицательном значении ΔS0 повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции, так как при этом ΔG0 становится все более положительной величиной.

Поэтому, чем выше температура, тем менее термодинамически вероятным будет процесс.

Поскольку процесс синтеза аммиака является обратимым, экзотермическим и идет с уменьшением числа молей, для смещения равновесия вправо необходимо снижать температуру и увеличивать давление.

Синтез аммиака не идет в газовой фазе даже при очень высоких температурах из-за высокой энергии активации. Для ее снижения процесс необходимо проводить на поверхности катализатора.

Наибольшей каталитической активностью обладают Fe, Os, W, Pt, Ru. В промышленности нашли применения железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующим восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяют Al2O3 и K2O для уменьшения роста кристаллов железа и для облегчения диффузии образовавшегося аммиака с поверхности катализатора соответственно.

Катализатор из активированного железа необратимо отравляется сернистыми соединениями и обратимо –кислородосодержащими соединениями. Поэтому перед синтезом свежая АВС подвергается тщательной очистке.

Таким образом, процесс является гетерогенно-каталитическим. Лимитирующая стадия – хемсорбция азота на поверхности катализатора.

N2 + Z = ZN2 (2.2.)

ZN2 +3h3 = 2Nh4 + Z (2.3.), где Z – свободный центр поверхности катализатора.

Так как синтез аммиака идет в кинетической области, то для увеличения скорости процесса необходимо увеличивать температуру.

Катализатор –активированное железо, работает в узком температурном интервале 420-5000С, что и будет определять температуру синтеза.

Выбор давления.

Осуществляются три режима работы:

1). Низкое 10-20 МПа

2) Среднее 28-35 МПа

3) Высокое 45 –100 МПа.

Установки низкого давления применяются редко, из-за их малой экономичности и сложности схемы.

Преимущества аппаратов высокого давления: увеличивается концентрация аммиака в газе, растет производительность установок, проще схема. Однако, наряду с позитивными моментами, существуют и недостатки: увеличивается концентрация инертных примесей, большой расход электроэнергии, уменьшается срок службы катализатора.

Большинство установок в промышленности работают при среднем давлении – 30 – 32 МПа.

Повышение давления оказывает положительное влияние как на выход, так и на скорость процесса, так как скорость прямой реакции зависит от давления в степени 1,5, а скорость обратной реакции – в степени 0,5.

Выбор соотношения исходных компонентов.

Так как процесс синтеза аммиака является обратимым несмещенным, то избыток компонента не сможет существенно сместить равновесие реакции. И с другой стороны, лимитирующая стадия – хемсорбция азота, поэтому для увеличения скорости процесса он должен быть выбран, как реагент, используемый в избытке. А это приведет к накоплению инертов и снижению давления в системе, что в свою очередь снизит выход и скорость процесса.

Таким образом, целесообразно поддерживать стехиометрическое соотношение исходных компонентов, т.е. N2 :h3=1:3

Для увеличения степени использования сырья процесс проводят по циркуляционной схеме вдали от положения равновесия с большими объемными скоростями. Повышение объемной скорости приводит к снижению выхода аммиака, но в целом ведет к увеличению интенсивности процесса.

Для предотвращения накопления инертов в циркуляционном газе проводят отдувку – часть циркуляционного газа выбрасывают в атмосферу с таким расчетом, чтобы количество инертов, поступающих со свежим газом, было равно количеству инертов, удаляемых из системы отдувкой.

Для разрешения противоречия между выходом и скоростью, процесс проводят по линии оптимальных температур. Для этого в колонне синтеза предусмотрена подача холодного байпасного газа после каждого слоя катализатора.

 

Технологическое оформление процесса синтеза аммиака.

В современных агрегатах синтеза аммиака большой единичной мощности процесс ведут на плавленых железных катализаторах при температурах 420-5000С, давлении 25-32 МПа, объемной скорости 15-20 тыс.ч-1.

На рис. 2.1. представлена упрощенная технологическая схема синтеза аммиака.

 

 

 

 

2.1.Упрощенная технологическая схема синтеза аммиака:

1 –колонна синтеза, 2 –теплообменник, 3 –сепаратор, 4 –сборник жидкого аммиака, 5 –конденсационная колонна, 6 –испаритель, 7 –компрессор.

Газообразная азото-водородная смесь поступает в компрессор (7) и сжимается до 30 МПа. Затем поступает в колонну синтеза (1), где при температуре 450—5000С идет реакция (2.1.). Из колонны синтеза выходит смесь, содержащая: азот, водород и аммиак.

Дальнейшие действия необходимо направить на отделение образовавшегося аммиака от непрореагировавшей азото-водородной смеси. Это можно сделать, превратив аммиак в жидкость.

Поэтому смесь направляют в теплообменник (2), где она охлаждается.

В сепараторе (3) жидкий аммиак отделяется и поступает в сборник жидкого аммиака (4).

Газообразная смесь: h3, N2, Nh4 проходит конденсационную колонну (5) и поступает в испаритель жидкого аммиака (6). В межтрубном пространстве испарителя кипит автономный жидкий аммиак при температуре –50С. Газообразная смесь в испарителе охлаждается, в результате чего весь газообразный аммиак превращается в жидкий. Для отделения жидкого аммиака от непрореагировавшего азота и водорода смесь возвращают в нижнюю часть конденсационной колонны (5), где расположено сепарационное устройство. Жидкий аммиак отделяется и стекает в сборник жидкого аммиака (4). Непрореагировавшая азото-водородная смесь идет на рециркуляцию.

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертов производится отдувка. Часть циркуляционного газа выбрасывается в атмосферу с таким расчетом, чтобы количество инертных примесей, поступающее со свежим газом, было равно количеству инертов, удаляемых из системы отдувкой.

На рис. (2.2) и (2.3.) представлены основные аппараты технологической схемы синтеза аммиака.

 

 

Оборудование агрегата.

Колонна синтеза. В агрегатах мощностью 1360 т/сут получили распространение аксиальные четырехполочные насадки с предварительным теплообменником и трехполочные с выносным теплообменником. На рис.2.2. показана четырехполочная колонна с аксиальными насадками.

Рис.2.2. Четырехполочная колонна синтеза аммиака:

1 –люк для выгрузки катализатора, 2 –центральная труба, 3 –корпус катализаторной коробки, 4 –термопарный чехол, 5 –загрузочный люк, 6 –теплообменник, 7, 9, 11, 13 –ввод байпасного газа, 15 –корпус колонны.

 

 

Основной поток газа поступает в колонну снизу, проходит по кольцевой щели между корпусом колонны 15 и кожухом катализаторной коробки 3 и поступает в межтрубное пространство теплообменника 6. Здесь синтез газ нагревается конвертированным газом до 420-4400С и проходит последовательно четыре слоя катализатора 8, 10, 12, 14, между которыми подается холодный байпасный газ. После четвертого слоя катализатора газовая смесь при 500-5150С поднимается по центральной трубе 2, проходит по трубкам теплообменника 6, охлаждаясь при этом до 320-3500С, и выходит из колонны.

Конденсационная колонна. (Рис.2.3.). Представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоит из теплообменника и сепаратора, размещенного под теплообменником. Охлаждаемый газ идет по межтрубному пространству теплообменника, а газ после сепарации аммиака – по трубам.

 

 

Рис.2.3. Конденсационная колонна:

1 –корпус, 2- теплообменник, 3 –отбойник, 4 –сепарационное устройство.

 

Газ, охлажденный в испарителе, через нижний штуцер поступает в сепарационное устройство 4, в котором создается вращательное движение, при этом частицы жидкости отделяются от газового потока, собираются в нижней части аппарата и непрерывно выводятся. Газ поднимается вверх, проходит отбойник 3 и, проходя трубное пространство, отдает свой холод. Свежий газ, входящий через боковой штуцер в нижней части аппарата, барботирует через слой жидкого аммиака, освобождаясь от паров воды и СО2

 

 

Катализатор.

Реакция (11.1) в объеме не идет даже при высоких температурах из-за большой величины энергии активации. Для реализации этой реакции необходимы катализаторы, активно адсорбирующие кислород. В промышленности чаще всего применяют платиново-родиевые катализаторы. Окисление аммиака на этих катализаторах протекает очень быстро, время контактирования – 10-4 сек, выход при этом составляет 98%.

Неплатиновые катализаторы, состоящие из оксидов железа и хрома, также дают высокие выходы (около 96%), но скорость реакции уменьшается в 100 раз.

Таким образом, процесс окисления аммиака до оксида азота (II) является гетерогенно-каталитическим, идет во внешнедиффузионной области. Лимитирующая стадия – диффузия аммиака к поверхности катализатора.

Помимо активности, катализатор должен обладать селективностью, так как состав конечных продуктов будет определяться соотношением скоростей реакций 3.1 – 3.3.

Температура.

На платиновом катализаторе зависимость выхода NO от температуры имеет максимум, рис. 3.1.

Рис. 3.1. Зависимость практического выхода оксида азота (II) от темепартуры:

1 –при давлении 0,1 МПа, 2 –п ри давлении 0,8 МПа.

Такой характер кривой определяется влиянием температуры на возможность протекания побочных реакций.

При низких температурах, примерно до 5000С, когда количество адсорбированного кислорода сравнительно невелико, окисление аммиака протекает в основном с образованием элементарного азота. С повышением температуры до 700-8000С выход NO возрастает, так как увеличивается доля активных центров катализатора, занятых кислородом, и растет скорость диффузии исходных веществ к поверхности катализатора. При дальнейшем повышении температуры происходит десорбция кислорода и резко возрастают скорости побочных реакций.

Давление.

Давление в процессе окисления аммиака связано с температурой. Чем выше давление, тем требуется более высокая температура для достижения одного и того же выхода (рис.11.1.).

Проведение процесса под давлением имеет ряд преимуществ: повышается скорость процесса, увеличивается интенсивность катализатора, значительно возрастает скорость реакции:

NO +0,5O2 =NO2 (3.6.),

которая является лимитирующей в производстве азотной кислоты.

В промышленности процесс окисления аммиака до оксида азота (II) проводят при давлении – 0,8 МПа.

4. Соотношение исходных компонентов.

При стехиометрическом соотношении кислорода к аммиаку равном 1,25 в смеси будет содержаться 14,4 об.% аммиака, что соответствует области взрывоопасных концентраций. Кроме этого, при таком соотношении часть активных центров катализатора не заполняется кислородом, что будет способствовать протеканию побочных реакций с образованием элементарного азота.

Глава 4

 

Глава 5.

Глава 6.

Глава 7.

Производство метанола.

Метанол по значению и объемам производства является одним из важнейших многотоннажных продуктов, выпускаемых современной химической промышленностью.

Области применения: для получения пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, в качестве растворителя, для микробиологического синтеза и т.д.

Метанол впервые был обнаружен Р. Бойлем в 1661 году в продуктах сухой перегонки древесины (отсюда название метанола – древесный спирт). В чистом виде выделен в 18344 году Ж. Дюма и Э. Пелиго, установившими его формулу.

Промышленное производство метанола из водорода и оксида угдерода (II) впервые было осуществлено в 1923 году и с тех пор непрерывно совершенствуется.

В нашей стране производство метанола впервые организовано в 1934 году в объеме 30 т в сутки на Новомосковском химическом комбинате из водяного газа газификацией кокса.

В качестве сырья для получения метанола могут использоваться: природный газ, синтез-газ производства ацетилена, газы нефтепереработки, твердое топливо.

Твердое топливо сохраняет в качестве сырья определенное значение. Разработка процесса газификации угля с целью получения синтез-газа, содержащего Н2, СО, СО2, может изменить структуру сырьевой базы производства метанола, и неудобный для транспортировки уголь будет превращен в удобный для хранения, транспортировки и использования метанол.

Синтез метанола основан на обратимых реакциях, описываемых уравнениями:

СО + 2Н2 СН3ОН; ΔH = -90,8 кДж (7.4.)

СО2 +3Н2 СН3ОН + Н2О; ΔH = -49,6 кДж (7.5.)

Реакции (5.4.) и (5.5.) – обратимы, экзотермичны и протекают с уменьшением объема.

С термодинамической точки зрения для смещения равновесия в сторону образования метанола необходимо проводить процесс при низких температурах и высоком давлении. Однако, для увеличения скорости реакции необходимо повышение температуры. При этом выбирая температурный режим, следует учитывать образование побочных продуктов: метана, высших спиртов, кетонов и эфиров.

Приведем некоторые побочные реакции:

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О (7.6.)

2СО + 4Н2 = (СН3)2О + Н2О (7.7.)

4СО + 8Н2 = С4Н9ОН + 3Н2О (7.8.)

2СО = СО2 + С (7.9.)

т.е. процесс получения метанола является сложным.

Побочные реакции обуславливают бесполезный расход синтез-газа и удорожают очистку метанола.

Применяемый для синтеза метанола катализатор должен обладать высокой селективностью, т.е. максимально ускорять образование метанола при одновременном подавлении побочных реакций. Для синтеза метанола предложено много катализаторов. Лучшими оказались катализаторы, основными компонентами которых являются оксид цинка или медь.

Катализаторы синтеза метанола весьма чувствительны к каталитическим ядам, поэтому первой стадией процесса является очистка газа от сернистых соединений. Сернистые соединения отравляют цинк-хромовые катализаторы обратимо, а медьсодержащие катализаторы – необратимо. Необходима также тщательная очистка газа от карбонила железа, который образуется в результате взаимодействия оксида углерода с железом аппаратуры. На катализаторе карбонил железа разлагается с выделением элементного железа, что способствует образованию метана.

Процесс получения метанола осуществляется либо на цинк-хромовом катализаторе при давлении 30 МПа, либо на низкотемпературном медьсодержащем катализаторе при давлении 5 МПа.

Цинк-хромовый катализатор работает в области температур 370-3900С, медьсодержащий – 220-2800С.

Таким образом, процесс получения метанола является гетерогенно-каталитическим. Лимитирующая стадия – адсорбция водорода на поверхности катализатора.

Для смещения равновесия реакции вправо процесс проводят с избытком водорода, при следующем соотношении исходных компонентов- Н2: СО= 2,15-2,30. Кроме того, водород ускоряет процесс, обладая высокой теплопроводностью, позволяет проводить процесс в узком температурном интервале, гидрирует продукты уплотнения на катализаторе, чем повышает срок его службы.

С возрастанием объемной скорости газа выход метанола падает. Такая закономерность основана на том, что с увеличением объемной скорости уменьшается время контакта газа с катализатором и, следовательно, концентрация метанола в газе, выходящем из реактора.

С увеличением объемной скорости подачи сырья содержание метанола в газе снижается, однако за счет большего объема газа, проходящего в единицу времени через тот же объем катализатора, производительность последнего увеличивается. На практике процесс синтеза метанола осуществляют при объемных скоростях 20 000-40 000 ч-1. Степень превращения СО за проход составляет 15-50%, при этом в контактных газах содержится только –4% метанола.

С целью возможно более полной переработки синтез-газа необходимо его возвращение в цикл после выделения метанола и воды.

При циркуляции в синтез-газе накапливаются инертные примеси, что приводит к снижению давления в системе и повлечет за собой снижение выхода и скорости процесса. Поэтому концентрацию инертных примесей регулируют частичной отдувкой циркуляционного газа. Отдувка проводится с таким расчетом, чтобы количество инертов, поступающих со свежем синтез-газом, было равно количеству инертов, удаляемых с отдувкой.

 

Глава 8.

Глава 9.

Производство этилбензола.

Области применения этилбензола: используется в производстве стирола, важного сырья для получения ряда полимеров, полистерола, применяемого в автомобилестроении, электро-радиотехнической промышленности, при изготовлении бытовых товаров и упаковок, при производстве ионообменных смол- катализаторов процесса получения кислородсодержащих добавок при производстве реформулированных бензинов и т.д.

В промышленности этилбензол получают взаимодействием бензола с этиленом:

C6H6 + C2h5 = C6H5C2H5 (9.1.)

Одновременно с основной протекает ряд побочных реакций. Наибольшее значение имеют реакции последовательного алкилирования:

C6H5C2H5 + C2h5 = C6h5(C2H5)2 (9.2.)

C6h5(C2H5)2 + C2h5 = C6h4(C2H5)3 (9.3.)

C6h4(C2H5)3 + C2h5 = C6h3(C2H5)4 (9.4.)

 

Для подавления побочных реакций (2-4) процесс проводят в избытке бензола (мольное отношение этилен:бензол = 0,4:1), при температуре около 1000С и давлении – 0,15 МПа.

Для ускорения основной реакции (1) процесс проводят в присутствии селективного катализатора. В качестве катализатора используют комплексное соединение AlCl3 и HCl с ароматическими углеводородами, который находится в жидкой фазе.

Процесс гетерогенно-каталитический, лимитирующая стадия:

диффузия этилена через пограничную пленку каталитического комплекса хлорида алюминия. Реакция алкилирования идет очень быстро.

При выбранных условиях конверсия этилена составляет 98-100%, основная реакция (1) –необратима, экзотермична.

Для увеличения степени использования сырья организован рецикл по бензолу.

Катализатор на основе хлорида алюминия способствует протеканию реакции переалкилирования диэтилбензола:

 

C6h5(C2H5)2 + C6H6 = 2C6H5C2H5 (9.5.)

 

Поэтому небольшие количества диэтилбензола возвращают в реактор-алкилатор на переалкилирование.

Реакция переалкилирования способствует практически полному превращению этилена и бензола в этилбензол.

На процессы алкилирования и переалкилирования оказывают влияния следующие главные факторы: концентрация катализатора (хлористый алюминий), промотора (соляная кислота), температура, время контактирования, мольное соотношение этилена и бензола, давление.

 

Список литературы.

1. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. Учебник для вузов, - М.: ИКЦ “Академкнига”, 2002, 560 с.

2. Ксензенко В.И. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. Учебник для вузов. – М.: “КолосС”, 2003, 328 с.

3. Соколов Р.С. Химическая технология. В двух томах. Учебное пособие для вузов, - М.: ГИЦ “Владос” , 2000, т.1- 367 с., т.2 – 449 с.

4. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г., Общая химическая технология. Учебник для вузов, - М.: ИКЦ “Академкнига”, 2005, 524 с.

5. Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. Учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. – М.: Академа, 2005, 302 с.

 

 

 

Содержание.

 

Стр.

Глава 1. Производство водорода……………………… 3……….

Глава 2. Производство аммиака…………………………16……..

Глава 3. Производство азотной кислоты…………… …24……

Глава 4. Производство серной кислоты из серы……… 37….

Глава 5. Производство аммиачной селитры……………48…….

Глава 6. Производство этанола………………………… 54…….

Глава 7. Производство метанола…………………… …57…….

Глава 8. Производство уксусной кислоты………………65…….

Глава 9. Производство этилбензола……………… ……68….

Список литературы…………………………… …………77.

 

Промышленные способы получения водорода.

1). Физический – извлечение водорода из коксового газа методом глубокого охлаждения фракционно-термическая конденсация).

2). Электрохимический метод – электролиз воды. Чистота получаемого водорода – 99,8%. Недостаток метода – большой расход электроэнергии.

3). Химический метод – конверсия углеводородных газов. В качестве исходного сырья применяются: углеводородный газ –метан или углеводороды бензиновой фракции нефти.

Конверсия метана – это окисление метана при высокой температуре кислородом или кислородосодержащими соединениями: Н2О или СО2.

По используемому окислителю и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водорода: каталитическая парокислородная конверсия, высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая пароуглекислотная конверсия.

Окисление метана при получении синтез-газа протекает по следующим основным суммарным реакциям:

СН4 + Н2О СО +3Н2 -Q (1.1.)

СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2 + Q (1.2.)

СН4 + СО2 2СО + 2Н2 -Q (1.3.)

В реальных условиях ведения процесса реакции 1.1. и 1.3. являются обратимыми и эндотермическими, реакция 1.2. – необратимая и экзотермическая.

 

Первая ступень конверсии метана.

 

СН4 + Н2О СО + 3Н2 - Q (1.1.)

Помимо основной реакции возможно протекание побочной реакции разложения метана при температуре около 9500С:

СН4 = С + 2Н2 (1.4.)

Реакция (1.1.) в газовой фазе идет медленно (Е=62,2 кКал/моль). Для ее ускорения процесс проводят гетерогенно на поверхности твердого никелевого катализатора. Никель напыляет ся на твердый носитель Al2O3 или MgO. Катализатор изготавливается в виде гранул, таблеток или колец и состоит из пористого носителя и активного компонента. Наличие катализатора позволяет не только увеличить скорость основной реакции, но и при соответствующем избытке окислителей исключить протекание побочной реакции.

Срок службы катализаторов конверсии при правильной эксплуатации достигает трех лет и более. Их активность снижается при действии различных каталитических ядов. Никелевые катализаторы наиболее чувствительны к действию сернистых соединений. Отравление происходит вследствие образования на поверхности катализатора сульфидов никеля, совершенно неактивных по отношению к реакции конверсии метана. Отравленный серой катализатор удается почти полностью регенерировать в определенных температурных условиях при подаче в реактор чистого газа. Активность зауглероженного катализатора можно восстановить, обрабатывая его водяным паром. Поэтому перед конвектором метана газ подвергают сероочистке.

Никелевый катализатор работает в широком температурном интервале 600-10000С.

Выбор температуры.

С увеличением температуры увеличивается выход, но чем выше температура, тем больше затраты электроэнергии, выше требования к термической устойчивости материалов, и, соответственно, становится более дорогой аппаратура.

Так как часть метана конвертируется во второй ступени воздухом, реакцию (1.1.) не нужно доводить до конца. Поэтому оптимальная температура процесса определяется не условиями равновесия, а кинетикой реакции.

Кроме того, следует отметить, что при температуре 9500С начинает интенсивно проходить побочная реакция разложения метана с образованием сажи. Теряется активность катализатора.

Поэтому, наиболее оптимальной температурой проведения первой стадии конверсии метана является 8000С. В первой стадии конвертируется около 90% метана.

Выбор давления.

Для смещения равновесия в сторону образования продуктов необходимо давление снижать, так как процесс идет с увеличением числа молей. Однако, на практике процесс конверсии метана проводят при давлении 4 МПа. Отрицательное действие давления на выход компенсируют повышенной температурой и избытком водяного пара.

Преимущества повышенного давления:

1). Поскольку последующие процессы, в которых используют водород, ( производство аммиака и метанола) протекают при высоком давлении (30 МПа), то повышение давления при конверсии метана в целом позволяет снизить затраты на компримирование.

2). При повышенном давлении увеличивается скорость реакции, растет производительность.

3). Снижаются капитальные затраты на строительство водородной установки ( уменьшается объем водородной установки, объем трубопроводов, число компрессоров). Используется магистральное давление трубопроводов.

4). При повышенном давлении улучшается возможность использования скрытой теплоты водяного пара.

5). Улучшается очистка от СО2.

Выбор соотношения исходных компонентов.

Процесс конверсии метана проводят с избытком водяного пара. Избыток водяного пара выбирают с таким расчетом, чтобы скомпенсировать высокое давление, а также необходимостью его для последующего процесса конверсии СО.

Н2О/СН4 = (2-4)/1

 

 

Читайте также:

lektsia.com

Производство водорода — WiKi

Из углеводородов

Паровая конверсия природного газа / метана

Водород можно получать разной чистоты: 95-98% или особо чистый. В зависимости от дальнейшего использования водород получают под различным давлением: от 1,0 до 4,2 МПа. Сырье (природный газ или легкие нефтяные фракции) подогревается до 350-400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО2 и затем на метанирование остаточных оксидов. В результате получается водород 95-98,5% чистоты с содержанием в нем 1-5% метана и следов СО и СО2.

В том случае, если требуется получать особо чистый водород, установка дополняется секцией адсорбционного разделения конвертированного газа. В отличие от предыдущей схемы конверсия СО здесь одноступенчатая. Газовая смесь, содержащая h3, CO2, Ch5, h3O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород со степенью чистоты 99,99%. Давление получаемого водорода составляет 1,5-2,0 МПа.

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение.

Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°—1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90 % СО2.

Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется h3, CO и Ch5.

Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить[1] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.

Из мусора

Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 года Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

141 тонны водорода достаточно для работы 13750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.

Химическая реакция воды с металлами

В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий создаёт вокруг алюминия плёнку, предотвращающую окисление алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.

Из одного фунта (≈453 г) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина $3 за галлон (≈3,8 л).

Автомобиль среднего размера с двигателем внутреннего сгорания с 350 фунтами (158 кг) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км). В будущем стоимость такой поездки составит $63 (0,11 $/км), включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.[2]

С использованием водорослей

Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили[источник не указан 931 день], что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

ru-wiki.org

Производство водорода - это... Что такое Производство водорода?

Электролизёр — оборудование для производства водорода из воды

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

Методы производства водорода

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

К ним относятся:

В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов. Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

Производство водорода из различных источников сырья

Из углеводородов

Паровая конверсия природного газа / метана

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700°—1000° Цельсия смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение.

Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°—1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90 % СО2.

Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется h3, CO и Ch5.

Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить[1] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.

Из мусора

Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 году Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

141 тонны водорода достаточно для работы 13750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.

Химическая реакция воды с металлами

В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий создаёт вокруг алюминия плёнку, предотвращающую окисление алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.

Из одного фунта (0,45359237 кг) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина $3 за галлон.

Автомобиль среднего размера с двигателем внутреннего сгорания с 350 фунтами (158 кг.) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км.). В будущем стоимость поездки составит $63, включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.[2]

С использованием водорослей

Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

Домашние системы производства водорода

Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа, или электролизом воды. Honda испытывает свою бытовую установку под названием Домашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшая часть водорода используется для заправки автомобиля.

Британская компания ITM Power Plc разработала и испытала в 2007 г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода досточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале 2008 года. ITM Power уже достигла уровня себестоимости электролизеров $164 за 1кВт.

Крупнейшие производители водорода

См. также

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

Производство водорода - это... Что такое Производство водорода?

Электролизёр — оборудование для производства водорода из воды

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

Методы производства водорода

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

К ним относятся:

В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов. Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

Производство водорода из различных источников сырья

Из углеводородов

Паровая конверсия природного газа / метана

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700°—1000° Цельсия смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение.

Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°—1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90 % СО2.

Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется h3, CO и Ch5.

Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить[1] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.

Из мусора

Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 году Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

141 тонны водорода достаточно для работы 13750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.

Химическая реакция воды с металлами

В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий создаёт вокруг алюминия плёнку, предотвращающую окисление алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.

Из одного фунта (0,45359237 кг) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина $3 за галлон.

Автомобиль среднего размера с двигателем внутреннего сгорания с 350 фунтами (158 кг.) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км.). В будущем стоимость поездки составит $63, включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.[2]

С использованием водорослей

Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

Домашние системы производства водорода

Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа, или электролизом воды. Honda испытывает свою бытовую установку под названием Домашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшая часть водорода используется для заправки автомобиля.

Британская компания ITM Power Plc разработала и испытала в 2007 г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода досточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале 2008 года. ITM Power уже достигла уровня себестоимости электролизеров $164 за 1кВт.

Крупнейшие производители водорода

См. также

Примечания

Ссылки

dikc.academic.ru

Основные способы получения водорода

1. Альтернативная энергетика
2. Водородная энергетика
3. Cпособы получения водорода

Несмотря на множество преимуществ использования водорода в качестве источника топлива, таких как высокая энергоэффективность, экологичность, неограниченность запасов водородная энергетика пока что находится в зачаточном состоянии развития. В первую очередь это связано с тем, что получение водорода в чистом виде довольно дорогостоящий процесс.

Поиск путей решения этой задачи — несколько, и ученые не прекращают разработки в области поиска оптимального способа получения водорода в промышленных масштабах. Если эту задачу удастся успешно решить, водородная энергетика прочно обоснуется в качестве неотъемлемой части общей энергетической системы, а многие проблемы современного человечества уйдут на задний план.

Сегодня существует несколько способов получения водорода в промышленности. Основные из них — паровая конверсия природного газа, газификация угля, электролиз воды, использование специальных ядерной реакторов, использование биосырья.

Получения водорода путем конверсии природного газа

Это способ получения водорода основан на том, что природный газ или метан в присутствии катализатора смешивается с предварительно разогретым до температуры 750-950°С водяным паром.

Больше половины водорода, получаемого промышленным путем в мире, производится способом конверсии природного газа. Стоимость водорода, полученного таким способом находится в пределах 1,8-4,5 $/кг.

В ближайшем будущем рассчитывать на значительное снижение стоимости водорода, полученного из природного газа не стоит, вряд ли цена опустится ниже 1,5 $/кг. Кроме того, запасы природного газа на нашей планете ограничены, что также является проблемой.

Получение водорода на основании способа газификации угля

Данный способ получения водорода заключается в том, что уголь нагревается с водяным паром без доступа воздуха до температуры 850-1300°С.

Преимущества данного способа заключаются в том, что установки для получения водорода таким способом имеют довольно высокую удельную производительность, однако есть и два существенных недостатка — необходимость использования в качестве сырья угля, запасы которого ограничены, и значительное количество углекислого газа, который является продуктом переработки и оказывает негативное воздействие на экологию.

Себестоимость водорода, полученного способом газификации угля находится в пределах 1,9-2,8 $/кг. Как и в случае получения водорода из природного газа, рассчитывать на значительное снижение стоимости водорода, полученного из угля не стоит.

Получение водорода способом электролиза воды

Для получения водорода из воды кроме самой воды требуется значительное количество электроэнергии. Затраты на получение одного килограмма водорода составляют от 5 до 8$.

В будущем возможно снижение стоимости полученного таким способом водорода за счет уменьшения цен на электроэнергию (при условии массового перехода энергосектора на выработку энергии с помощью альтернативных источников — ветровых, солнечных, геотермальных электростанций и т.п.).

Ядерные реакторы для получения водорода

На сегодняшний день разработаны, и уже проходят тестовую эксплуатацию первые модели ядерных реакторов, специально разработанных для получения водорода.

Стоимость водорода, полученного таким способом на данный момент составляет около 2 $/кг. Ядерные реакторы следующего поколения будут более иметь большую производительность, а цена 1 кг водорода может значительно снизится (по прогнозам — вплоть до  1,1 $/кг).

Получение водорода из биомассы

Основным сырьем для получения водорода путем термо- или биохимической переработки биомассы являются отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности (стружка, опилки и т.п.).

При термохимическом способе водород получают благодаря нагреву биомассы до температуры 550-850°C без доступа воздуха. В качестве продуктов реакции получают водород, метан и угарный газ.

При биохимической переработке выработка водорода происходит с помощью специальных бактерий Rodobacter speriodes, которые перерабатывают отходы (в основном используются отходы пищевой промышленности).

Эти два способа получения водорода является довольно перспективным, т.к. в качестве сырья могут выступать возобновляемые источники, а то и вовсе отходы.

Стоимость 1 кг водорода, полученного из древесных отходов на данный момент составляет 4-7$. Водород, полученный из отходов пищевой промышленности несколько дороже, однако эксперты прогнозируют, что в ближайшие годы показатель стоимости удастся снизить до 1-1,5 $/кг в обеих вариантах.

energokeeper.com

Промышленные способы получения водорода.

Вторая стадия конверсии метана.

 

Поскольку полученный водород в дальнейшем пойдет в производствр аммиака, вторым окислителем служит кислород.

СН4 +0,5О2 = СО + 2Н2 +Q (1.2.)

Характеристика процесса: простой, обратимый, экзотермический, гетерогенно-каталитический.

Процесс конверсии метана кислородом проводят на никелевом катализаторе пари температуре 900-10000С.

В схемах с двухступенчатой конверсией метана сначала протекает экзотермическая реакция с кислородом. Затем, по мере повышения температуры, начинает идти реакция (1.1.) с паром, так как в газовой смеси содержание пара велико (первая стадия конверсии проводится с большим избытком пара).

В результате процесса необходимо достичь высокой степени конверсии метана, чтобы остаточное его содержание не превышало 0,5%.

 

Конверсия оксида углерода.

Конверсия оксида углерода протекает по следующей реакции:

СО + Н2О = Н2 + СО2 + Q (1.5.)

Характеристика реакции: сложная, экзотермическая, обратимая, гетерогенно-каталитическая.

Помимо основной, протекает побочная реакция разложения оксида углерода:

2СО = С + СО2 (9.6.)

В соответствии с условиями термодинамического равновесия повысить степень конверсии СО можно удалением диоксида углерода из газовой смеси, увеличением содержания водяного пара или проведением процесса при возможно низкой температуре. Конверсия оксида углерода, как видно из уравнения реакции, протекает без изменения объема, поэтому повышение давления не вызывает смещения равновесия. Вместе с тем проведение процесса при повышенном давлении оказывается экономически целесообразным (см. преимущества повышенного давления).

Концентрация водяного пара в газе обычно определяется количеством, дозируемым на конверсию метана и оставшимся после ее протекания.

Соотношение пар : газ перед конверсией СО в крупных агрегатах производства аммиака составляет 0,4-0,5.

Проведение процесса при низких температурах – рациональный путь повышения равновесной степени превращения СО, но возможный только при наличие высокоактивных катализаторов.

В случае проведения процесса под давлением 2-3 МПа нижний температурный предел составляет 180-2000С. Снижение температуры ниже точки росы вызывает конденсацию влаги, что нежелательно.

Реакция конверсии СО сильно экзотермична, т.е. идет с выделением значительного количества тепла. Это вызвало необходимость проведения процесса в два этапа при разных температурных режимах.

Температурный режим на каждой стадии конверсии определяется свойствами применяемых катализаторов.

На первой ступени используется железохромовый катализатор, который выпускается в таблетированном и формованном видах и является активным в области температур 450-5000С. Для железохромового катализатора ядами являются сернистые соединения, соединения фосфора, бора, кремния, хлора.

На высокотемпературном железохромовом катализаторе обеспечивается высокая скорость конверсии СО.

Низкотемпературные катализаторы содержат с своем составе соединения цинка, меди, хрома. На поверхности этого катализатора процесс конверсии проводят в пределах 200-2500С и получают высокую степень конверсии СО.

Срок службы низкотемпературных катализаторов обычно не превышает двух лет. Одной из причин их дезактивации является рекристаллизация под действием температуры и реакционной среды. При конденсации влаги на катализаторе происходит снижение его механической прочности и активности.

 

Глава 2.

 

Производство аммиака.

Аммиак – ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве.

Области применения: в производстве азотной кислоты, карбамида, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, красителей, полимерных материалов и т.д.

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции:

N2 + 3h3↔ 2Nh4 + Q (2.1.)

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (ΔН298 = - 91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической. Изменении энтропии в данном случае тоже отрицательно ( ΔS0298 =-198,13 кДж/моль.К) и не благоприятствует протеканию реакции. При отрицательном значении ΔS0 повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции, так как при этом ΔG0 становится все более положительной величиной.

Поэтому, чем выше температура, тем менее термодинамически вероятным будет процесс.

Поскольку процесс синтеза аммиака является обратимым, экзотермическим и идет с уменьшением числа молей, для смещения равновесия вправо необходимо снижать температуру и увеличивать давление.

Синтез аммиака не идет в газовой фазе даже при очень высоких температурах из-за высокой энергии активации. Для ее снижения процесс необходимо проводить на поверхности катализатора.

Наибольшей каталитической активностью обладают Fe, Os, W, Pt, Ru. В промышленности нашли применения железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующим восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяют Al2O3 и K2O для уменьшения роста кристаллов железа и для облегчения диффузии образовавшегося аммиака с поверхности катализатора соответственно.

Катализатор из активированного железа необратимо отравляется сернистыми соединениями и обратимо –кислородосодержащими соединениями. Поэтому перед синтезом свежая АВС подвергается тщательной очистке.

Таким образом, процесс является гетерогенно-каталитическим. Лимитирующая стадия – хемсорбция азота на поверхности катализатора.

N2 + Z = ZN2 (2.2.)

ZN2 +3h3 = 2Nh4 + Z (2.3.), где Z – свободный центр поверхности катализатора.

Так как синтез аммиака идет в кинетической области, то для увеличения скорости процесса необходимо увеличивать температуру.

Катализатор –активированное железо, работает в узком температурном интервале 420-5000С, что и будет определять температуру синтеза.

Выбор давления.

Осуществляются три режима работы:

1). Низкое 10-20 МПа

2) Среднее 28-35 МПа

3) Высокое 45 –100 МПа.

Установки низкого давления применяются редко, из-за их малой экономичности и сложности схемы.

Преимущества аппаратов высокого давления: увеличивается концентрация аммиака в газе, растет производительность установок, проще схема. Однако, наряду с позитивными моментами, существуют и недостатки: увеличивается концентрация инертных примесей, большой расход электроэнергии, уменьшается срок службы катализатора.

Большинство установок в промышленности работают при среднем давлении – 30 – 32 МПа.

Повышение давления оказывает положительное влияние как на выход, так и на скорость процесса, так как скорость прямой реакции зависит от давления в степени 1,5, а скорость обратной реакции – в степени 0,5.

Выбор соотношения исходных компонентов.

Так как процесс синтеза аммиака является обратимым несмещенным, то избыток компонента не сможет существенно сместить равновесие реакции. И с другой стороны, лимитирующая стадия – хемсорбция азота, поэтому для увеличения скорости процесса он должен быть выбран, как реагент, используемый в избытке. А это приведет к накоплению инертов и снижению давления в системе, что в свою очередь снизит выход и скорость процесса.

Таким образом, целесообразно поддерживать стехиометрическое соотношение исходных компонентов, т.е. N2 :h3=1:3

Для увеличения степени использования сырья процесс проводят по циркуляционной схеме вдали от положения равновесия с большими объемными скоростями. Повышение объемной скорости приводит к снижению выхода аммиака, но в целом ведет к увеличению интенсивности процесса.

Для предотвращения накопления инертов в циркуляционном газе проводят отдувку – часть циркуляционного газа выбрасывают в атмосферу с таким расчетом, чтобы количество инертов, поступающих со свежим газом, было равно количеству инертов, удаляемых из системы отдувкой.

Для разрешения противоречия между выходом и скоростью, процесс проводят по линии оптимальных температур. Для этого в колонне синтеза предусмотрена подача холодного байпасного газа после каждого слоя катализатора.

 

Технологическое оформление процесса синтеза аммиака.

В современных агрегатах синтеза аммиака большой единичной мощности процесс ведут на плавленых железных катализаторах при температурах 420-5000С, давлении 25-32 МПа, объемной скорости 15-20 тыс.ч-1.

На рис. 2.1. представлена упрощенная технологическая схема синтеза аммиака.

 

 

 

 

2.1.Упрощенная технологическая схема синтеза аммиака:

1 –колонна синтеза, 2 –теплообменник, 3 –сепаратор, 4 –сборник жидкого аммиака, 5 –конденсационная колонна, 6 –испаритель, 7 –компрессор.

Газообразная азото-водородная смесь поступает в компрессор (7) и сжимается до 30 МПа. Затем поступает в колонну синтеза (1), где при температуре 450—5000С идет реакция (2.1.). Из колонны синтеза выходит смесь, содержащая: азот, водород и аммиак.

Дальнейшие действия необходимо направить на отделение образовавшегося аммиака от непрореагировавшей азото-водородной смеси. Это можно сделать, превратив аммиак в жидкость.

Поэтому смесь направляют в теплообменник (2), где она охлаждается.

В сепараторе (3) жидкий аммиак отделяется и поступает в сборник жидкого аммиака (4).

Газообразная смесь: h3, N2, Nh4 проходит конденсационную колонну (5) и поступает в испаритель жидкого аммиака (6). В межтрубном пространстве испарителя кипит автономный жидкий аммиак при температуре –50С. Газообразная смесь в испарителе охлаждается, в результате чего весь газообразный аммиак превращается в жидкий. Для отделения жидкого аммиака от непрореагировавшего азота и водорода смесь возвращают в нижнюю часть конденсационной колонны (5), где расположено сепарационное устройство. Жидкий аммиак отделяется и стекает в сборник жидкого аммиака (4). Непрореагировавшая азото-водородная смесь идет на рециркуляцию.

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертов производится отдувка. Часть циркуляционного газа выбрасывается в атмосферу с таким расчетом, чтобы количество инертных примесей, поступающее со свежим газом, было равно количеству инертов, удаляемых из системы отдувкой.

На рис. (2.2) и (2.3.) представлены основные аппараты технологической схемы синтеза аммиака.

 

 

Оборудование агрегата.

Колонна синтеза. В агрегатах мощностью 1360 т/сут получили распространение аксиальные четырехполочные насадки с предварительным теплообменником и трехполочные с выносным теплообменником. На рис.2.2. показана четырехполочная колонна с аксиальными насадками.

Рис.2.2. Четырехполочная колонна синтеза аммиака:

1 –люк для выгрузки катализатора, 2 –центральная труба, 3 –корпус катализаторной коробки, 4 –термопарный чехол, 5 –загрузочный люк, 6 –теплообменник, 7, 9, 11, 13 –ввод байпасного газа, 15 –корпус колонны.

 

 

Основной поток газа поступает в колонну снизу, проходит по кольцевой щели между корпусом колонны 15 и кожухом катализаторной коробки 3 и поступает в межтрубное пространство теплообменника 6. Здесь синтез газ нагревается конвертированным газом до 420-4400С и проходит последовательно четыре слоя катализатора 8, 10, 12, 14, между которыми подается холодный байпасный газ. После четвертого слоя катализатора газовая смесь при 500-5150С поднимается по центральной трубе 2, проходит по трубкам теплообменника 6, охлаждаясь при этом до 320-3500С, и выходит из колонны.

Конденсационная колонна. (Рис.2.3.). Представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоит из теплообменника и сепаратора, размещенного под теплообменником. Охлаждаемый газ идет по межтрубному пространству теплообменника, а газ после сепарации аммиака – по трубам.

 

 

Рис.2.3. Конденсационная колонна:

1 –корпус, 2- теплообменник, 3 –отбойник, 4 –сепарационное устройство.

 

Газ, охлажденный в испарителе, через нижний штуцер поступает в сепарационное устройство 4, в котором создается вращательное движение, при этом частицы жидкости отделяются от газового потока, собираются в нижней части аппарата и непрерывно выводятся. Газ поднимается вверх, проходит отбойник 3 и, проходя трубное пространство, отдает свой холод. Свежий газ, входящий через боковой штуцер в нижней части аппарата, барботирует через слой жидкого аммиака, освобождаясь от паров воды и СО2

 

 

Катализатор.

Реакция (11.1) в объеме не идет даже при высоких температурах из-за большой величины энергии активации. Для реализации этой реакции необходимы катализаторы, активно адсорбирующие кислород. В промышленности чаще всего применяют платиново-родиевые катализаторы. Окисление аммиака на этих катализаторах протекает очень быстро, время контактирования – 10-4 сек, выход при этом составляет 98%.

Неплатиновые катализаторы, состоящие из оксидов железа и хрома, также дают высокие выходы (около 96%), но скорость реакции уменьшается в 100 раз.

Таким образом, процесс окисления аммиака до оксида азота (II) является гетерогенно-каталитическим, идет во внешнедиффузионной области. Лимитирующая стадия – диффузия аммиака к поверхности катализатора.

Помимо активности, катализатор должен обладать селективностью, так как состав конечных продуктов будет определяться соотношением скоростей реакций 3.1 – 3.3.

Температура.

На платиновом катализаторе зависимость выхода NO от температуры имеет максимум, рис. 3.1.

Рис. 3.1. Зависимость практического выхода оксида азота (II) от темепартуры:

1 –при давлении 0,1 МПа, 2 –п ри давлении 0,8 МПа.

Такой характер кривой определяется влиянием температуры на возможность протекания побочных реакций.

При низких температурах, примерно до 5000С, когда количество адсорбированного кислорода сравнительно невелико, окисление аммиака протекает в основном с образованием элементарного азота. С повышением температуры до 700-8000С выход NO возрастает, так как увеличивается доля активных центров катализатора, занятых кислородом, и растет скорость диффузии исходных веществ к поверхности катализатора. При дальнейшем повышении температуры происходит десорбция кислорода и резко возрастают скорости побочных реакций.

Давление.

Давление в процессе окисления аммиака связано с температурой. Чем выше давление, тем требуется более высокая температура для достижения одного и того же выхода (рис.11.1.).

Проведение процесса под давлением имеет ряд преимуществ: повышается скорость процесса, увеличивается интенсивность катализатора, значительно возрастает скорость реакции:

NO +0,5O2 =NO2 (3.6.),

которая является лимитирующей в производстве азотной кислоты.

В промышленности процесс окисления аммиака до оксида азота (II) проводят при давлении – 0,8 МПа.

4. Соотношение исходных компонентов.

При стехиометрическом соотношении кислорода к аммиаку равном 1,25 в смеси будет содержаться 14,4 об.% аммиака, что соответствует области взрывоопасных концентраций. Кроме этого, при таком соотношении часть активных центров катализатора не заполняется кислородом, что будет способствовать протеканию побочных реакций с образованием элементарного азота.

Глава 4

 

Глава 5.

Глава 6.

Глава 7.

Производство метанола.

Метанол по значению и объемам производства является одним из важнейших многотоннажных продуктов, выпускаемых современной химической промышленностью.

Области применения: для получения пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, в качестве растворителя, для микробиологического синтеза и т.д.

Метанол впервые был обнаружен Р. Бойлем в 1661 году в продуктах сухой перегонки древесины (отсюда название метанола – древесный спирт). В чистом виде выделен в 18344 году Ж. Дюма и Э. Пелиго, установившими его формулу.

Промышленное производство метанола из водорода и оксида угдерода (II) впервые было осуществлено в 1923 году и с тех пор непрерывно совершенствуется.

В нашей стране производство метанола впервые организовано в 1934 году в объеме 30 т в сутки на Новомосковском химическом комбинате из водяного газа газификацией кокса.

В качестве сырья для получения метанола могут использоваться: природный газ, синтез-газ производства ацетилена, газы нефтепереработки, твердое топливо.

Твердое топливо сохраняет в качестве сырья определенное значение. Разработка процесса газификации угля с целью получения синтез-газа, содержащего Н2, СО, СО2, может изменить структуру сырьевой базы производства метанола, и неудобный для транспортировки уголь будет превращен в удобный для хранения, транспортировки и использования метанол.

Синтез метанола основан на обратимых реакциях, описываемых уравнениями:

СО + 2Н2 СН3ОН; ΔH = -90,8 кДж (7.4.)

СО2 +3Н2 СН3ОН + Н2О; ΔH = -49,6 кДж (7.5.)

Реакции (5.4.) и (5.5.) – обратимы, экзотермичны и протекают с уменьшением объема.

С термодинамической точки зрения для смещения равновесия в сторону образования метанола необходимо проводить процесс при низких температурах и высоком давлении. Однако, для увеличения скорости реакции необходимо повышение температуры. При этом выбирая температурный режим, следует учитывать образование побочных продуктов: метана, высших спиртов, кетонов и эфиров.

Приведем некоторые побочные реакции:

СО + 3Н2 = СН4 + Н2О (7.6.)

2СО + 4Н2 = (СН3)2О + Н2О (7.7.)

4СО + 8Н2 = С4Н9ОН + 3Н2О (7.8.)

2СО = СО2 + С (7.9.)

т.е. процесс получения метанола является сложным.

Побочные реакции обуславливают бесполезный расход синтез-газа и удорожают очистку метанола.

Применяемый для синтеза метанола катализатор должен обладать высокой селективностью, т.е. максимально ускорять образование метанола при одновременном подавлении побочных реакций. Для синтеза метанола предложено много катализаторов. Лучшими оказались катализаторы, основными компонентами которых являются оксид цинка или медь.

Катализаторы синтеза метанола весьма чувствительны к каталитическим ядам, поэтому первой стадией процесса является очистка газа от сернистых соединений. Сернистые соединения отравляют цинк-хромовые катализаторы обратимо, а медьсодержащие катализаторы – необратимо. Необходима также тщательная очистка газа от карбонила железа, который образуется в результате взаимодействия оксида углерода с железом аппаратуры. На катализаторе карбонил железа разлагается с выделением элементного железа, что способствует образованию метана.

Процесс получения метанола осуществляется либо на цинк-хромовом катализаторе при давлении 30 МПа, либо на низкотемпературном медьсодержащем катализаторе при давлении 5 МПа.

Цинк-хромовый катализатор работает в области температур 370-3900С, медьсодержащий – 220-2800С.

Таким образом, процесс получения метанола является гетерогенно-каталитическим. Лимитирующая стадия – адсорбция водорода на поверхности катализатора.

Для смещения равновесия реакции вправо процесс проводят с избытком водорода, при следующем соотношении исходных компонентов- Н2: СО= 2,15-2,30. Кроме того, водород ускоряет процесс, обладая высокой теплопроводностью, позволяет проводить процесс в узком температурном интервале, гидрирует продукты уплотнения на катализаторе, чем повышает срок его службы.

С возрастанием объемной скорости газа выход метанола падает. Такая закономерность основана на том, что с увеличением объемной скорости уменьшается время контакта газа с катализатором и, следовательно, концентрация метанола в газе, выходящем из реактора.

С увеличением объемной скорости подачи сырья содержание метанола в газе снижается, однако за счет большего объема газа, проходящего в единицу времени через тот же объем катализатора, производительность последнего увеличивается. На практике процесс синтеза метанола осуществляют при объемных скоростях 20 000-40 000 ч-1. Степень превращения СО за проход составляет 15-50%, при этом в контактных газах содержится только –4% метанола.

С целью возможно более полной переработки синтез-газа необходимо его возвращение в цикл после выделения метанола и воды.

При циркуляции в синтез-газе накапливаются инертные примеси, что приводит к снижению давления в системе и повлечет за собой снижение выхода и скорости процесса. Поэтому концентрацию инертных примесей регулируют частичной отдувкой циркуляционного газа. Отдувка проводится с таким расчетом, чтобы количество инертов, поступающих со свежем синтез-газом, было равно количеству инертов, удаляемых с отдувкой.

 

Глава 8.

Глава 9.

Производство этилбензола.

Области применения этилбензола: используется в производстве стирола, важного сырья для получения ряда полимеров, полистерола, применяемого в автомобилестроении, электро-радиотехнической промышленности, при изготовлении бытовых товаров и упаковок, при производстве ионообменных смол- катализаторов процесса получения кислородсодержащих добавок при производстве реформулированных бензинов и т.д.

В промышленности этилбензол получают взаимодействием бензола с этиленом:

C6H6 + C2h5 = C6H5C2H5 (9.1.)

Одновременно с основной протекает ряд побочных реакций. Наибольшее значение имеют реакции последовательного алкилирования:

C6H5C2H5 + C2h5 = C6h5(C2H5)2 (9.2.)

C6h5(C2H5)2 + C2h5 = C6h4(C2H5)3 (9.3.)

C6h4(C2H5)3 + C2h5 = C6h3(C2H5)4 (9.4.)

 

Для подавления побочных реакций (2-4) процесс проводят в избытке бензола (мольное отношение этилен:бензол = 0,4:1), при температуре около 1000С и давлении – 0,15 МПа.

Для ускорения основной реакции (1) процесс проводят в присутствии селективного катализатора. В качестве катализатора используют комплексное соединение AlCl3 и HCl с ароматическими углеводородами, который находится в жидкой фазе.

Процесс гетерогенно-каталитический, лимитирующая стадия:

диффузия этилена через пограничную пленку каталитического комплекса хлорида алюминия. Реакция алкилирования идет очень быстро.

При выбранных условиях конверсия этилена составляет 98-100%, основная реакция (1) –необратима, экзотермична.

Для увеличения степени использования сырья организован рецикл по бензолу.

Катализатор на основе хлорида алюминия способствует протеканию реакции переалкилирования диэтилбензола:

 

C6h5(C2H5)2 + C6H6 = 2C6H5C2H5 (9.5.)

 

Поэтому небольшие количества диэтилбензола возвращают в реактор-алкилатор на переалкилирование.

Реакция переалкилирования способствует практически полному превращению этилена и бензола в этилбензол.

На процессы алкилирования и переалкилирования оказывают влияния следующие главные факторы: концентрация катализатора (хлористый алюминий), промотора (соляная кислота), температура, время контактирования, мольное соотношение этилена и бензола, давление.

 

Список литературы.

1. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. Учебник для вузов, - М.: ИКЦ “Академкнига”, 2002, 560 с.

2. Ксензенко В.И. Общая химическая технология и основы промышленной экологии. Учебник для вузов. – М.: “КолосС”, 2003, 328 с.

3. Соколов Р.С. Химическая технология. В двух томах. Учебное пособие для вузов, - М.: ГИЦ “Владос” , 2000, т.1- 367 с., т.2 – 449 с.

4. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г., Общая химическая технология. Учебник для вузов, - М.: ИКЦ “Академкнига”, 2005, 524 с.

5. Баранов Д.А., Кутепов А.М. Процессы и аппараты. Учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. – М.: Академа, 2005, 302 с.

 

 

 

Содержание.

 

Стр.

Глава 1. Производство водорода……………………… 3……….

Глава 2. Производство аммиака…………………………16……..

Глава 3. Производство азотной кислоты…………… …24……

Глава 4. Производство серной кислоты из серы……… 37….

Глава 5. Производство аммиачной селитры……………48…….

Глава 6. Производство этанола………………………… 54…….

Глава 7. Производство метанола…………………… …57…….

Глава 8. Производство уксусной кислоты………………65…….

Глава 9. Производство этилбензола……………… ……68….

Список литературы…………………………… …………77.

 

Промышленные способы получения водорода.

1). Физический – извлечение водорода из коксового газа методом глубокого охлаждения фракционно-термическая конденсация).

2). Электрохимический метод – электролиз воды. Чистота получаемого водорода – 99,8%. Недостаток метода – большой расход электроэнергии.

3). Химический метод – конверсия углеводородных газов. В качестве исходного сырья применяются: углеводородный газ –метан или углеводороды бензиновой фракции нефти.

Конверсия метана – это окисление метана при высокой температуре кислородом или кислородосодержащими соединениями: Н2О или СО2.

По используемому окислителю и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водорода: каталитическая парокислородная конверсия, высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая пароуглекислотная конверсия.

Окисление метана при получении синтез-газа протекает по следующим основным суммарным реакциям:

СН4 + Н2О СО +3Н2 -Q (1.1.)

СН4 + 0,5О2 = СО + 2Н2 + Q (1.2.)

СН4 + СО2 2СО + 2Н2 -Q (1.3.)

В реальных условиях ведения процесса реакции 1.1. и 1.3. являются обратимыми и эндотермическими, реакция 1.2. – необратимая и экзотермическая.

 

Первая ступень конверсии метана.

 

СН4 + Н2О СО + 3Н2 - Q (1.1.)

Помимо основной реакции возможно протекание побочной реакции разложения метана при температуре около 9500С:

СН4 = С + 2Н2 (1.4.)

Реакция (1.1.) в газовой фазе идет медленно (Е=62,2 кКал/моль). Для ее ускорения процесс проводят гетерогенно на поверхности твердого никелевого катализатора. Никель напыляет ся на твердый носитель Al2O3 или MgO. Катализатор изготавливается в виде гранул, таблеток или колец и состоит из пористого носителя и активного компонента. Наличие катализатора позволяет не только увеличить скорость основной реакции, но и при соответствующем избытке окислителей исключить протекание побочной реакции.

Срок службы катализаторов конверсии при правильной эксплуатации достигает трех лет и более. Их активность снижается при действии различных каталитических ядов. Никелевые катализаторы наиболее чувствительны к действию сернистых соединений. Отравление происходит вследствие образования на поверхности катализатора сульфидов никеля, совершенно неактивных по отношению к реакции конверсии метана. Отравленный серой катализатор удается почти полностью регенерировать в определенных температурных условиях при подаче в реактор чистого газа. Активность зауглероженного катализатора можно восстановить, обрабатывая его водяным паром. Поэтому перед конвектором метана газ подвергают сероочистке.

Никелевый катализатор работает в широком температурном интервале 600-10000С.

Выбор температуры.

С увеличением температуры увеличивается выход, но чем выше температура, тем больше затраты электроэнергии, выше требования к термической устойчивости материалов, и, соответственно, становится более дорогой аппаратура.

Так как часть метана конвертируется во второй ступени воздухом, реакцию (1.1.) не нужно доводить до конца. Поэтому оптимальная температура процесса определяется не условиями равновесия, а кинетикой реакции.

Кроме того, следует отметить, что при температуре 9500С начинает интенсивно проходить побочная реакция разложения метана с образованием сажи. Теряется активность катализатора.

Поэтому, наиболее оптимальной температурой проведения первой стадии конверсии метана является 8000С. В первой стадии конвертируется около 90% метана.

Выбор давления.

Для смещения равновесия в сторону образования продуктов необходимо давление снижать, так как процесс идет с увеличением числа молей. Однако, на практике процесс конверсии метана проводят при давлении 4 МПа. Отрицательное действие давления на выход компенсируют повышенной температурой и избытком водяного пара.

Преимущества повышенного давления:

1). Поскольку последующие процессы, в которых используют водород, ( производство аммиака и метанола) протекают при высоком давлении (30 МПа), то повышение давления при конверсии метана в целом позволяет снизить затраты на компримирование.

2). При повышенном давлении увеличивается скорость реакции, растет производительность.

3). Снижаются капитальные затраты на строительство водородной установки ( уменьшается объем водородной установки, объем трубопроводов, число компрессоров). Используется магистральное давление трубопроводов.

4). При повышенном давлении улучшается возможность использования скрытой теплоты водяного пара.

5). Улучшается очистка от СО2.

Выбор соотношения исходных компонентов.

Процесс конверсии метана проводят с избытком водяного пара. Избыток водяного пара выбирают с таким расчетом, чтобы скомпенсировать высокое давление, а также необходимостью его для последующего процесса конверсии СО.

Н2О/СН4 = (2-4)/1

 

 

Читайте также:

lektsia.info

Способ - получение - водород

Способ - получение - водород

Cтраница 2

Одним из быстродействующих способов получения водорода на передвижных установках является способ с применением акти-ивированного алюминия.  [16]

Существует несколько способов получения гетерогенного водорода. При этом температура кипения жидкого водорода понижается до тройной точки. Значительная часть паров водорода, откачиваемая вакуум-насосом, возвращается для сжижения. Путем периодического замораживания при вакуумировании и повышения давления, водорода на поверхности жидкости образуются кристаллы твердого водорода размером примерно 1 - 3 мм.  [17]

Еще одним способом получения водорода из воды является применение термохимических циклов, где разложение воды идет в несколько стадий с использованием реагентов, которые теоретически в конце цикла полностью возвращаются в исходное состояние.  [18]

Существует достаточно много способов получения водорода. Рассмотрим наиболее широко используемые лабораторные ( первые три) и промышленные способы.  [19]

Теперь обсудим три способа получения водорода. С одним из этих методов вы уже знакомы.  [20]

Практическое осуществление этого способа получения водорода возможно путем замены реакции непосредственного разложения воды термохимическим циклом, состоящим из нескольких реакций, имеющих значения констант равновесия, допустимые для практики. В разработанных термохимических циклах промежуточные вещества - галогены, элементы VI группы ( сера), металлы II группы ( Mg, Ba, Са), переходные элементы с переменной степенью окисления ( V, Fe) - имеют большое сродство либо по отношению к водороду, либо к кислороду.  [21]

Надо отметить, что старый железопаровой способ получения водорода был основан на периодическом осуществлении отдельных стадий конверсии природного газа.  [22]

Общей тенденцией развития всех способов получения водорода остается повышение давления в процессе конверсии углеводородов. В отличие от процессов неполного окисления [3] возможности повышения давления при конверсии в трубчатых печах наталкиваются на серьезные трудности. Они связаны с условиями работы труб и других элементов печей, работающих под давлением.  [23]

При исследовании и разработке способов получения водорода руководствовались следующими основными положениями; 1) наиболее экономичным является процесс каталитической конверсии углеводородов с водяным паром; 2) повышение давления улучшает экономику процесса.  [24]

Наиболее известен и давно используется в промышленности железопаровой способ получения водорода из воды. Процесс проводят в специальных установках, состоящих из генератора и паронагревателя.  [25]

Кислородная газификация тяжелых топлив - один из способов получения водорода - также может быть использована как основа одного из методов производства ЗПГ. При этом все сырье перерабатывается в низкокалорийный ( искусственный) газ, который в свою очередь может быть использован для получения метана. Так как этот метод состоит из отдельных относительно простых технологических стадий, он недостаточно эффективен с теплотехнической точки зрения, поскольку выделяющееся в процессе метанизации тепло недостаточно полно утилизируется для собственных нужд отдельных стадий процесса, таких, как производство электроэнергии для разделения воздуха и получения кислорода.  [26]

В принципе наиболее простым ( одноступенчатым) способом получения водорода является термокаталитическое разложение метана на элементы. Подобный процесс усиленно рекламировался недавно одной из зарубежных фирм, но, судя по всему, не получил дальнейшего развития, хотя доказано, что он обеспечивает получение наиболее дешевого водорода.  [27]

Наиболее распространенным в школьной и лабораторной практике способом получения водорода является взаимодействие цинка с серной кислотой.  [28]

Одним из распространенных в настоящее время в промышленности способов получения водорода и его смесей с азотом и окисыо углерода является конверсия углеводородных газов. В качестве первичного продукта конверсии углеводородных газов получается смесь На СО ( или На СО NB), которая для выработки из нее водорода ( или соответственно азотово до родной смеси) направляется на конверсию окиси углерода.  [29]

Так как технический кремний носит название силиколя, этот военно-полевой способ получения водорода называется силиколе-вым способом.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

www.ngpedia.ru

---

• 
  Теплогенераторы на твердом топливе
• 
  Теплогенераторы на твердом топливе
• 
  Коммутационные шкафы
• 
  Сверло р9
• 
  Трансформатор для дома
• 
  Ветрогенератор роторный
• 
  Своими руками кавитационный теплогенератор
• 
  Термосифонное охлаждение масла винтового компрессора
• 
  Как хромировать пластик в домашних условиях
• 
  Ресанта 5000
• 
  Тонкопленочные солнечные батареи