Пост опубликован: 13.08.2012

Производство водорода

Наибольшее значение среди технических газов имеет водород. Он применяется для синтеза аммиака, хлористого водорода, гидрирования («ожижения») угля, гидрирования (отверждения) жидких масел, восстановления руд, в производстве капролактам и других органических соединений, при «атомарной сварке, для охлаждения генераторов электрического тока и т. д.
Наибольшее количество водорода применяется при синтезе аммиака. Если в 1950 г. мировое производство аммиака (без СССР) составляло 4270 тыс. т, то в 1960 г. оно превзошло 11,5 млн. г. Водород составляет об. 75% в газах, применяемых для синтеза аммиака, а стоимость его — 80% себестоимости аммиака.
По производству соединений связанного азота, главную массу которых составляют азотные удобрения, СССР занимает сейчас второе место после США. Успешное выполнение хозяйственных планов в этой области поставят СССР на первое место в мире.
Водород получают тремя методами — химическим, электрохимическим и физическим. К химическим методам относятся: получение водорода из водяного пара при взаимодействии с углеродом или с железом, из газообразных углеводородов (природный газ, попутные газы при добыче нефти и газы нефтепереработки). Химическими методами получают водород также из нефти, мазута, крекинг — остатков и пр.
Электрохимический метод используется при электролизе воду (одновременно получается и кислород) и производстве хлора электролизом водного раствора поваренной соли.
Физическими методами выделяют водород из коксового или водяного газа. Водород, и притом чистый образуется как попутный продукт при дегидрогенизации ароматических нефтяных и в результате биохимических процессов, например, брожения кукурузы.
Из перечисленных методов электролиз воды обеспечивает получение наиболее чистого водорода, этот метод выгоден при наличии дешевой электроэнергии; железо-паровой метод сейчас применяется мало, так как он менее рентабелен, чем другие; ‘ большое значение имеет метод глубокого охлаждения.
Наибольшее распространение получил метод конверсии природного газа. В табл. 11 показано значение в производстве аммиака различного вида сырья за 1939-1965 гг.
Из графика видно, что реакция смещается в желательном направлении (вправо) при понижении температуры (константа равновесия увеличивается). Для того чтобы при этом скорость реакции не падала, конверсию проводят в присутствии катализаторов.
Используя тепловой эффект реакции, можно вести процесс, т. е. за счет тепла продуктов реакции нагреть газы, идущие на реакцию, до необходимого оптимума (около 500° С) без затраты тепла извне.
На основании закона действия масс чтобы добиться возможно более полного использования СО, нужно увеличить количество водяного пара сверх стехиометрического. Чем выше отношение Н20 : СО, тем выше степень конверсии и, следовательно, тем меньше остаточное содержание окиси углерода в конвертированном газе. Так как глубокая (98-99%) конверсия СО связана с расходом большого количества пара, на практике ограничиваются меньшей степенью конверсии (85- 90%). В качестве катализаторов конверсии окиси углерода применяются окислы железа, меди, кобальта, никеля и др.; наибольшее распространение получили окисные катализаторы.
При осуществлении этого процесса используют генераторный газ — полуводяной или смешанный, а также продукты конверсии природного газа. Кроме окиси углерода в них содержатся водород, азот, двуокись углерода и ряд сернистых соединений: сероводород, сероуглерод, углерода. Кроме основной реакции конверсии СО, может происходить ряд побочных. Так, при действии водорода на сероуглерод и углерода образуются сероводород и двуокись углерода и др. Под действием сероводорода окись железа превращается в неактивны’ FeS.
Подбором условий — температуры, количества пара, добавок и др.- можно уменьшить выход нежелательных продуктов. После конверсии содержание СО в газе составляет все же 2,5- 3,5%.
Схема двухступенчатой конверсии окиси углерода приведена на рис. 31. Содержащий СО газ газодувной подается в орошаемую горячей водой (90° С) башню 2, где насыщается водяным паром, поглощая около 50% необходимого количества последнего и нагревается до 80-85° С. Отсюда парогазовая смесь с помощью парового инжектора 3 поступает в теплообменник 4.
Окончательное охлаждение газа производится холодной водой в конденсационной башне 7. Циркулирующая вода из поддона башни 2 нагнетается насосом 8. Разогрев контактного аппарата и донагревание его осуществляется с помощью выносной камеры сжигания, где сжигается часть газа, смешиваемая с соответствующим количеством воздуха.
Конвертор состоит из трех царг, в которых размещены 1-я ступень катализатора, испаритель и 2-я ступень катализатора, причем в каждой ступени есть три полки с отверстиями, на которых лежат слои катализатора толщиной 300, 700 и 300 мм. Равномерное распределение газа между полками достигается с помощью решетки 10. Под третьей полкой верхней ступени вмонтирована форсунка 7, разбрызгивающая конденсат. Испаритель заполнен насадкой 8, на поверхности которой испаряется конденсат, переходящий в газопаровую смесь; избыток воды стекает по трубкам в гндрозатвор.
Конвертор покрыт теплоизоляцией, его размеры Д = 3,2 м, Н = 7 м, пропускная способность — около 6000 м3 сухого газа в час; объемная скорость 300 ч-1. Применяют также аппараты с радиальным размещением контактной массы и тремя ступенями.
Размещение катализатора на трех полках вместо одной имеет следующие преимущества: уменьшается статическая нагрузка на каждую полку, сохраняется форма катализатора (так как на нижний слой не давят верхние), верхний, скорее загрязняющийся при подаче газа сверху слой, легче заменить, лучше распределение газа по сечению аппарата.
В последнее время конверсию окиси углерода проводят также под давлением 10-30 атм. Повышение давления не приводит к смещению равновесия основной реакции, так как она идет без изменения объема, по обеспечивает ряд преимуществ, которые благоприятно сказываются на техноэкономических показателях: увеличиваются скорость конверсии и производительность аппаратуры, снижаются температура и количество водяного пара. Поскольку объем аппаратуры для той же производительности можно уменьшить, потери тепла снижаются. К отрицательным сторонам конверсии под давлением относится , повышенная коррозия аппаратуры, I приводящая к увеличению расхода легированной стали; при увеличении парциального давления примесей ускоряется отравление катализатора.
Один из методов улучшения конверсии связан с разработкой способов получения более активных катализаторов из меди и хрома, дающих возможность снизить температуру конверсии до 300° С, т. е. обеспечить более полную конверсию.
Удешевление конверсии идет по пути уменьшения числа аппаратов: две башни — конденсационную и водонагревательную — совмещают в одной башне с водонагревательной частью в нижней половине; кроме того стремятся к увеличению единичной мощности агрегатов, что значительно уменьшает затраты на строительство и эксплуатацию установок конверсии.

Читайте так же:

    Комментарии запрещены.