Хімічні методи виробництва водню і азотоводневої суміші

ЗМІСТ Вступ

1. Теоретична частина

1.1 Одержання синтез-газу із твердих палив 1.2 Синтез-газ із рідких вуглеводнів 2. Технологічні розрахунки

2.1 Завдання 1

2.2 Завдання 2

2.3 Завдання 3

Література

Вступ

Тема контрольної роботи «Хімічні методи виробництва водню і азотоводневої суміші» з дисципліни «Технологія основного неорганічного синтезу».

Дисципліна «Технологія основного неорганічного синтезу» вивчається в з метою засвоєння основних теоретичних основ технологій і методів одержання продуктів основного неорганічного синтезу.

Вивчення даної дисципліни ґрунтується на знаннях, одержаних при вивченні таких дисциплін: «Загальна і неорганічна хімія», «Фізична хімія», «Фізика», «Вища математика», «Теоретичні основи технології неорганічних речовин», «Кінетика і каталіз», «Процеси та апарати хімічної технології», «Основи наукових досліджень і наукова інформація» та інших.

Задачею вивчення курсу являється засвоєння фізико-хімічних основ промислових процесів та їх апаратурного оформлення, вивчення технологічних схем промислових виробництв зв’язаного азоту, вміння виконувати технологічні розрахунки.

 

1.  Теоретична частина

До хімічних методів виробництва водню відносяться:

1) газифікація твердих і рідких палив.

2) конверсія метану;

У промисловості найбільш широке розповсюдження знайшли установки для каталітичної конверсії метану, однак у зв'язку з неминучим виснаженням родовищ природного газу, підвищення вартості його видобутку й транспортування, в останні роки в ряді країн у широкому масштабі відроджуються методи газифікації твердого й рідкого палива з метою одержання водню та оксидів вуглецю.

  1.1 Одержання синтез-газу із твердих палив

хімічний азотоводнева суміш водень

Першим з основних джерел сировини для одержання синтез-газу з'явилося тверде паливо, що перероблялося в газогенераторах водяного газу. При цьому протікають наступні реакції:

С+Н2О = СО+Н2 - Q (1.1)

2С + О2 = 2СО + Q (1.2)

С + О2 = СО2 + Q (1.3)

Такий спосіб одержання полягає в почерговій подачі через шар твердого палива (антрациту, коксу, напівкоксу) повітряного й парового дуття. Синтез-газ одержують на стадії парового дуття, а необхідна температура шару палива досягається протягом стадії повітряного дуття. Цикл роботи генератора становить 3-5 хв. Отриманий водяний газ містить 50 -53% H2 і 36-37% СО.

Для подальшого використання у виробництві водяний газ необхідно очистити від сірчистих сполук і провести конверсію оксиду вуглецю відповідно до реакції

СО + Н2О = CO2 + Н2 + Q, (1.4)

а потім видалити диоксид вуглецю повністю у випадку його застосування для синтезу аміаку або частково - для синтезу метанолу.

Недоліками процесу є його періодичність, низька одинична продуктивність газогенератора, а також високі вимоги до сировини по кількості й температурі плавлення золи, його гранулометричному складу й іншим характеристикам.

Розміри шахти газогенератора визначаються заданою для нього продуктивністю W, що виражається добутком кількості палива, що згоряє на 1 м2 колосникової решітки за добу, на всю площу колосникової решітки S (під площею колосникової решітки мається на увазі перетин шахти газогенератора на рівні верхньої частини решітки, тобто враховується тільки ефективна площа поверхні решітки):

W = Q*S (м3/добу) (1.5)

Позначивши середній перетин генератора через f, а відношення середнього перетину f до площі колосникової решітки S через A, одержимо A=f/S, звідки

f = A*S (1.6)

Разом з тим ; отже , тоді діаметр генератора визначимо з рівняння:

(1.7)

Об'єм шахти генератора визначимо з наступного вираження:

 (1.8)

де Н - висота генератора.

Аналогічно знаходимо об'єм палива в генераторі:

де Н' - висота шару палива в генераторі;

А' - відношення середнього перетину стовпа палива, що згоряє в генераторі, до площі колосникової решітки.

Час перебування палива в генераторі (у частках доби) визначають із рівняння

Відношення об'єму газогенератора до добової витрати палива виразиться рівнянням:

, (1.9)

а відношення об'єму генератора до об'єму палива в ньому визначиться з рівняння

(1.10)

У випадку циліндричної шахти генератора й при завантаженні палива без великих зазорів

Час перебування палива в генераторі залежить від ряду факторів: роду палива, величини шматків, вологості й ін.

При конструюванні генераторів значення цих величин вибирають на підставі практичних даних, зведених у табл. 1.1.

Таблиця 1.1. Основні параметри генератора

Параметр	Кам'яне вугілля				Торф і сурогати
	Кокс	Буре вугілля	Середньої якості	Напівантрацит	Сухий	Середньої сухості(1 м3-275 кг)	Вологий
Q, м3	10,0-12,0	6,5	6,0	9,5	24,0	24,0	24,0
τ, доба	0,40	0,45	0,50	0,55	0,50	0,60	0,70
C/τ	1,15	1,40	1,40	1,40	1,20	1,20	1,20
A	1,0	1,0	1,0	1,0	2,5	2,5	2,5

1.2 Синтез-газ із рідких вуглеводнів

Одержання синтез-газу з рідких вуглеводнів поширено в країнах, бідних запасами природних газів. Так, наприклад, на початку XXI ст. у Японії 67%, а у ФРН 59% усього аміаку одержано на базі переробки рідкого палива. Очевидно, і у виробництві метанолу в аналогічних умовах рідкі палива мають таке ж значення.

По технологічним схемам переробки в синтез-газ рідкі палива можна розділити на дві групи. Перша група включає палива, що переробляються шляхом високотемпературної кисневої конверсії. Сюди відносяться важкі рідкі палива — мазут, крекінг-залишки й т.п. Друга група — легкі прямоточні дистиляти (нафта), що мають кінцеву температуру кипіння не вище 200-220°С: вона включає бензини, лігроїни, суміші світлих дистилятів. Друга група рідких палив переробляється в синтез-газ каталітичною конверсією водяною парою в трубчастих печах.

Високотемпературна киснева конверсія рідких палив в закордонних країнах здійснена в процесах, в яких рідке паливо під тиском проходить через підігрівник, звідки при 400-600° С надходить у газогенератор. Туди ж подають підігрітий кисень і перегріту водяну пару. У газогенераторі при температурах 1350-1450° С утвориться синтез-газ, однак при цьому виділяється також деяка кількість сажі. Газ очищають від сажі, а потім направляють на очищення від сірчаних сполук. Після цього газ, до складу якого входить 3—5% СО2, 45—48% СО, 40— 45% Н2, а також певні кількості метану, азоту й аргону, проходить конверсію СО і очищення від СО2. Процес протікає під тиском, що може досягати 15 МПа. Агрегати мають продуктивності 30 тис. м3/год (Н2+СО) і більше. Недоліками процесу є висока витрата кисню, необхідність виділення сажі, а також складність технологічної схеми.

 

2.  Технологічні розрахунки

 

2.1 Завдання 1

Визначити витрату бурого вугілля, що містить 70% ваг. вуглецю, водяної пари й повітря для одержання 1000 м3 генераторного газу наступного складу в % об.: СО - 40, Н2 – 18, N2 – 42. Склад повітря приймаємо, % об.: N2 – 79, О2 – 21.

Рішення:

Генераторний газ одержують при взаємодії вугілля і пароповітряної суміші.

С+Н2О = СО+Н2 - Q (I)

2С + О2 = 2СО + Q (II)

За умовою в 1000 м3 газу міститься 420 м3 азоту. Отже, витрата кисню повітря по реакції (II) складе:

Відповідно, витрата повітря

де 29 - молекулярна маса повітря.

Визначимо витрату водяної пари по реакції (I). Вихід водню становить1 моль з 1 моль водяної пари. 180 м3 водню, що знаходяться в 1000 м3 генераторного газу, потребують витрати такої ж кількості водяної пари, тобто витрата водяної пари складе 180 м3 або .

Визначимо витрату вуглецю:

- по реакції (I):

- по реакції (II):

Сумарна витрата вуглецю:

96,5 + 120 = 216,5 кг

Тоді витрата бурого вугілля, що містить 70% вуглецю, складе:

 

2.2 Завдання 2

Визначити кількість теплоти, що виділяється при газифікації твердого палива, якщо з генератора водяного газу виходить газ, в якому міститься, % об: СО – 38; Н2 – 50; СО2 – 6,2; N2 – 5,8.

Розрахунок вести на 1000 м3 генераторного газу. Теплоти утворення (кДж/моль) СО – 110,58, СО2 – 393,79; Н2О (пара) – 242,0.

С+Н2О = СО + Н2 - Q (I)

СО + Н2О = СО2 + Н2 + Q (II)

Рішення:

По реакції (I) з урахуванням витрати по реакції (II) утворилося СО:

380 + 62 = 442 м3,

а по реакції (II) – 62 м3 – СО2.

Q=(110,58*442*103/22,4)-(242,0*442*103/22,4)+(393,79*62*103/2,4)- – (110,58*62*103/22,4) - (242*62*103/22,4)= - 2511477 кДж

Задача може бути вирішена і іншим способом . Наприклад, в 1000 м3 газу вміщується 380 м3 СО; 500 м3 Н2; 62 м3 СО2. Для здійснення процесу використано 500 м3 водяної пари.

Кількість теплоти:

Q= (380*103*110,58/22,4) + (62*103*393,79/22,4) – (500*103*242/22,4)

= - 2476000 кДж

2.3 Завдання 3

Визначити розміри шахти газогенератора для газифікації 60 т коксу на добу. Насипна маса коксу - 500 кг/м3.

Рішення:

Для заданого приклада приймаємо кількість палива, що згоряє в добу на 1 м2 колосникової решітки, Q =12 м3 (таблиця 1.1). При насипній масі коксу, рівної 500 кг/м3, одержимо його масу:

12*500=6000 (кг).

Час перебування палива в генераторі τ приймаємо рівним 0,4 доби, або 9,6 год, а відношення об'єму генератора до об'єму палива С/τ = 1,15. Звідси, С =1,15*0,40 = 0,46.

Площа решітки генератора буде дорівнює:

60000/600 = 10м2,

а діаметр газогенератора при А = 1 складе:

Висота шару коксу над шлаками (без врахування зони його горіння) складе:

Н' = 12*0,40 = 4,8 (м).

Висоту генератора визначимо з рівняння:

Література

1. Ганз С.И. Синтез аммиака - М.: Химия, 1983, с.280.

2. Справочник азотчика. - М.: Химия, 1986, т.l., с.510.

3. Технология связанного азота / Под ред. В.И.Атрощенко К.: Вища шк., 1985, с.91-94

4. Расчеты химико-технологических процессов/ Под ред. И.П.Мухленова. Л.: Химия, 1976. -304 с.