| Главная » Файлы » Рефераты » Рефераты |
Промислове отримання водню
| [ Скачать с сервера (71.5 Kb) ] | 04.04.2017, 19:42 |
| Водень як технічний продукт широко використовується в багатьох галузях народного господарства - в технологічних процесах переробки нафти, виробництва аміаку, метанолу, в металургійній промисловості, в багатьох галузях науки і техніки. Вельми перспективне використання водню в якості пального в транспортних засобах (авто-і авіатранспорт, авіаційно-космічні об'єкти) через його високу теплоту згорання. Особливий інтерес представляє водень як акумулятор енергії - вторинний енергоносій, який можна ефективно використовувати, наприклад, на електростанціях для покриття пікових навантажень. Крім того, застосування водню як енергоносія дає можливість передавати енергію на великі відстані з більш високим ККД, чим забезпечують сучасні системи. При розгляді фізико-хімічних основ процесів одержання водню перевага була віддана найбільш ефективним промисловим і, особливо перспективним (електрохімічним, фотохімічним, термохімічним та ін.) Також приділено увагу аналізу ефективності методів отримання водню з різної сировини з використанням різних джерел енергії. Властивості водню У вільному стані і за нормальних умов водень - безбарвний газ, без запаху і смаку. Щодо повітря водень має щільність 1/14. Він зазвичай і існує в комбінації з іншими елементами, наприклад, кисню у воді, вуглецю в метані і в органічних сполуках. Оскільки водень хімічно надзвичайно активний, він рідко присутня як незв'язаний елемент. Охолоджений до рідкого стану водень займає 1/700 об'єму газоподібного стану. Водень при з'єднанні з киснем має саме високий вміст енергії на одиницю маси: 120.7 ГДж / т. Це - одна з причин, чому рідкий водень використовується як паливо для ракет та енергетики космічного корабля, для якої мала молекулярна маса і високий питомий енергосклад водню має першорядне значення. При спалюванні в чистому кисні єдині продукти - високотемпературне тепло і вода. Таким чином, при використанні водню не утворюються парникові гази і не порушується навіть кругообіг води в природі. Отримання водню електролізом води. Електроліз води один з найбільш відомих і добре досліджених методів отримання водню. Він забезпечує одержання чистого продукту (99,6-99,9% Н2). Економіка процесу в основному залежить від вартості електроенергії. У виробничих витратах на отримання водню вартість електричної енергії становить приблизно 85%. Цей метод отримав застосування в ряді країн, що володіють значними ресурсами гідроенергії. Найбільш великі електрохімічні комплекси перебувають у Канаді, Індії, Єгипті, Норвегії, але створені і працюють більше тисячі дрібних установок у багатьох країнах. Важливий цей метод і тому, що він є найбільш універсальним щодо використання первинних джерел енергії. У зв'язку з розвитком атомної енергетики можливий новий розквіт електролізу води на базі дешевої енергії атомних електростанцій. Електрохімічний метод отримання водню з води володіє такими позитивними якостями: 1) висока чистота одержуваного водню - до 99.9%; 2) простота технологічного процесу, його безперервність, можливість найбільш повної автоматизації, відсутність рухомих частин в електролітичної осередку; 3) можливість отримання найцінніших побічних продуктів - важкої води та кисню; 4) загальнодоступна сировина - вода; 5) гнучкість процесу і можливість отримання водню безпосередньо під тиском; 6) фізичний поділ водню і кисню в самому процесі електролізу. Якщо створити у водному розчині електроліту, куди занурені два електроди, постійне електричне напруга, яка перевищує напругу розкладання води, то в ланцюзі з'явиться струм і на аноді почне виділяться кисень, а на катоді - водень, в об'ємному відношенні 1:2. При цьому будуть відбуватися наступні реакції (у лужному середовищі): Питома провідність очищеної води незначна: при 18 ° С вона складає (2-6) • 10-6 Ом-1 • м-1. Тому електролізу піддаю водні розчини сильних кислот або лугів. Інші електроліти звичайно не використовують, оскільки вони самі розкладаються при електролізі і дають небажані побічні продукти. Зважаючи на істотні корозійних проблем, що виникають при електролізі кислот, в даний час майже всі електролізери використовують водні розчини на основі гідроксидів калій і натрію концентрацією 350-400 г / л. Розчини КОН мають переваги перед NaOH в силу більше провідності К + проти іона Na +. Рівноважний склад пари над водним розчином КОН нижче, а це означає, що в кінцевих продуктах електролізу Н2 і О2 міститься менше водяної пари. Концентрація КОН відповідає оптимальним значенням густин струму. Невеликі домішки до КОН не є перешкодою до його використання. Розглянемо механізм катодного виділення водню з лужних розчинів. На першій стадії відбувається розряд молекул води з утворенням адсорбованих на електроді атомів водню Далі происходи реакція так званої електрохімічної десорбції (реакція Гейровского): У сумі ці два процеси дають катодну реакцію виділення водню. На аноді вірогідною першою стадією є розряд гідроксил-іонів з утворенням радикалів ОН: Потім відбувається ланцюжок процесів: Міститься в розчині луг, як видно з наведених рівнянь, не бере участь у розряді. А служить тільки для перенесення іонів. Сумарний процес розкладання води електролізом є процесом, зворотним горінню водню. Тому теоретична величина енергії, яка потрібна на одиницю кількості виробленого водню, дорівнює теплоті згоряння водню. Кожна молекула водню утворюється при приєднанні двох електронів до двох іонам водню в розчині, так що існує прямий зв'язок між минаючим струмом та швидкістю виробництва водню. Добування Н2 конверсією водяного газу. З газових сумішей, які містять СО, добувають Н2, проводячи реакцію конверсії СО водяною парою. Генераторний (водяний або напівводяний) газ та газ після кон¬версії СН4 містять від 20 до 40% СО. Він взаємодіє з водяною парою за оборотною екзотермічною реакцією СО + Н20---- С02 + Н2 + 36,6 кДж (500 °С). (а) Потім газову суміш очищають від СО2 та інших небажаних для син¬тезу NН3 домішок. При певних умовах ця реакція супроводиться побічними реакціями при яких утворюються сажа і СН4: 2СО = С + С02; (б) СО + ЗН2 = СН4 + Н20. (в) Як видно з табл. 8, при 400—500° С, коли швидкість реакції дос¬татня, константа рівноваги реакції (а) наближається до 0,1—0,2, що свідчить про трудність зрушення рівноваги. Разом з тим бажано, щоб азотоводнева суміш мала якнайменше СО, який дуже важко вилу¬чити і який заважає синтезу NН3. В реакції конверсії, яка відбувається без зміни об'єму, не можна змістити рівновагу підвищенням тиску: це тільки прискорить процес. Тому для зміщення рівноваги застосовують великий надлишок водя¬ної пари або ж систематично видаляють С02. Як показало вивчення процесу, навіть при шестикратному надлишку водяної пари в сухій азотоводневій суміші залишається ще близько 2% CO. Реакція між CO і водяною парою є гетерогенно-газовою каталітич¬ною реакцією, яка відбувається за участю каталізаторів: оксидів Fe, Сг, Ni, Co, Mn, Zn, Mg, V та ін. Найбільш поширені в промисловості каталїзатори на основі оксидів Fe з домішкою активаторів — окси¬дів Cr, А1, К та Мn. Каталізатори на основі оксидів Co, Ni та Cu мають вищу продуктивність навіть при менших температурах, але вони дуже чутливі до отрут —сірчистих сполук, які є у газових сумішах, а також дорожчі, ніж каталізатори на основі Fe. На залізних каталізаторах при зниженні температури і зменшенні надлишку водяної пари стає добре помітною шкідлива побічна реакція (б) з утворенням сажі, яка осідає на поверхні каталізатора. При підвищенні тиску стає помітною побічна реакція (в). Тому при використанні залізних каталізаторів підвищення тиску не бажане. ' Отрути для каталізаторів — сірчисті сполуки, фосфор, силан тощо. Залізний, каталізатор отруюється сірчистими сполуками тимча¬сово, а кобальтовий — необоротно. Оксиди Mg і К на активованому вугіллі стійкі проти S. Органічні сполуки S реагують з водяною парою і утворюють на каталізаторі H2S: COS + Н20 = С02 + H2S; CS2 + 2Н20 = С02 + 2H2S. Отруєння каталізатора цими сполуками має такий самий характер, як і отруєння сірководнем, тому газову суміш треба завжди ретельно очищати від сірчистих сполук. Низькотемпературний цинкохромовомідний каталізатор, на яко¬му процес відбувається при 250—300° С, при цьому залишковий вміст CO становить 0,2—0,4%, дуже чутливий до сірчистих сполук і потребуе особливо ретельної очистки газів. | |
| Просмотров: 606 | Загрузок: 13 | Рейтинг: 0.0/0 | |
| Всего комментариев: 0 | |