Промислові способи отримання водню - студопедія
Федеральне агентство з освіти
Державна освітня установа
Вищої професійної освіти
Московська державна академія тонкої хімічної технології ім. М.В. Ломоносова
Кафедра загальної хімічної технології
Основні хімічні виробництва.
(Для студентів V курсу факультету "Мененджмент, екологія та економіка" у напрямку № 060800 "Економіка і організація виробництва")
Навчальний посібник призначений для студентів V курсу денного відділення факультету "Мененджмент, екологія та економіка" по спеціальньності № 060800 "Економіка і організація виробництва". У посібник представлені основні хімічні виробництва. Хімізм процесів, оптимальні умови їх проведення, технологічні схеми, конструкції основних апаратів.
Рекомендовано Бібліотечно-видавничої комісією МИТХТ ім. М.В. Ломоносова в якості навчально-методичного посібника.
Області застосування: у виробництві аміаку, метанолу, соляної кислоти, в металургії, використовується при гідрокрекінгу і гідроочистки нафтопродуктів і т.д.
Промислові способи отримання водню.
1). Фізичний - витяг водню з коксового газу методом глибокого охолодження фракційно-термічна конденсація).
2). Електрохімічний метод - електроліз води. Чистота одержуваного водню - 99,8%. Недолік методу - велика витрата електроенергії.
3). Хімічний метод - конверсія вуглеводневих газів. В якості вихідної сировини застосовуються: вуглеводневий газ -метан або вуглеводні бензинової фракції нафти.
Конверсія метану - це окислення метану при високій температурі киснем або кисневмісними сполуками: Н2 Про або СО2.
По використовуваному окислювача і технологічного оформлення можна виділити наступні варіанти процесу отримання водню: каталітична парокіслородной конверсія, високотемпературна киснева конверсія, каталітична пароуглекіслотная конверсія.
Окислення метану при отриманні синтез-газу протікає за такими основними сумарним реакцій:
СН4 + Н2 Про СО + 3Н2 -Q (1.1.)
СН4 + СО2 2СО + 2Н2 -Q (1.3.)
В реальних умовах ведення процесу реакції 1.1. і 1.3. є оборотними і ендотермічними, реакція 1.2. - необоротна і екзотермічна.
Перший ступінь конверсії метану.
СН4 + Н2 Про СО + 3Н2 - Q (1.1.)
Крім основної реакції можливе протікання побічної реакції розкладання метану при температурі близько 950 0 С:
Реакція (1.1.) В газовій фазі йде повільно (Е = 62,2 кКал / моль). Для її прискорення процес проводять гетерогенно на поверхні твердого нікелевого каталізатора. Нікель Напилювана ся на твердий носій Al2 O3 або MgO. Каталізатор виготовляється у вигляді гранул, таблеток або кілець і складається з пористого носія і активного компонента. Наявність каталізатора дозволяє не тільки збільшити швидкість основної реакції, але і при відповідному надлишку окислювачів виключити протікання побічної реакції.
Термін служби каталізаторів конверсії при правильній експлуатації досягає трьох років і більше. Їх активність знижується при дії різних каталітичних отрут. Нікелеві каталізатори найбільш чутливі до дії сірчистих сполук. Отруєння відбувається внаслідок утворення на поверхні каталізатора сульфідів нікелю, абсолютно неактивних по відношенню до реакції конверсії метану. Отруєний сірої каталізатор вдається майже повністю регенерувати в певних температурних умовах при подачі в реактор чистого газу. Активність зауглероженного каталізатора можна відновити, обробляючи його водяною парою. Тому перед конвектором метану газ піддають сіркоочистки.
Нікелевий каталізатор працює в широкому температурному інтервалі 600-1000 0 С.
Зі збільшенням температури збільшується вихід, але чим вище температура, тим більше витрати електроенергії, вище вимоги до термічної стійкості матеріалів, і, відповідно, стає більш дорогий апаратура.
Так як частина метану конвертується в другому ступені повітрям, реакцію (1.1.) Не потрібно доводити до кінця. Тому оптимальна температура процесу визначається не умовами рівноваги, а кінетикою реакції.
Крім того, слід зазначити, що при температурі 950 0 С починає інтенсивно проходити побічна реакція розкладання метану з утворенням сажі. Втрачається активність каталізатора.
Тому, найбільш оптимальною температурою проведення першої стадії конверсії метану є 800 0 С. У першій стадії конвертується близько 90% метану.
Для зміщення рівноваги в бік утворення продуктів необхідно тиск знижувати, так як процес йде зі збільшенням числа молей. Однак, на практиці процес конверсії метану проводять при тиску 4 МПа. Негативна дія тиску на вихід компенсують підвищеною температурою і надлишком водяної пари.
Переваги підвищеного тиску:
1). Оскільки подальші процеси, в яких використовують водень, (виробництво аміаку і метанолу) протікають при високому тиску (30 МПа), то підвищення тиску при конверсії метану в цілому дозволяє знизити витрати на компримування.
2). При підвищеному тиску збільшується швидкість реакції, зростає продуктивність.
3). Знижуються капітальні витрати на будівництво водневої установки (зменшується обсяг водневої установки, обсяг трубопроводів, число компресорів). Використовується магістральний тиск трубопроводів.
4). При підвищеному тиску поліпшується можливість використання прихованої теплоти водяної пари.
5). Поліпшується очищення від СО2.
Вибір співвідношення вихідних компонентів.
Процес конверсії метану проводять з надлишком водяної пари. Надлишок водяної пари вибирають з таким розрахунком, щоб компенсувати високий тиск, а також необхідністю його для подальшого процесу конверсії СО.