Як і з чого в даний час отримують водень?
Водень як альтернативний вид палива
Зміст
Введення
1 Водень на Землі
2 Що таке воднева технологія?
3 Як і з чого в даний час отримують водень?
4 Отримання водню - майбутня технологія
5 Багатоликий водень
6 Роль водню і водневої технології у кругообігу речовин у природі
7 Увага, водень!
8 Проблеми отримання енергії
9 Водневі двигуни
Висновок
В ступ
Дослідження Сонця, зірок, міжзоряного простору показують, що найпоширенішим елементом Всесвіту є водень (в космосі у вигляді розжареної плазми він становить 70% маси Сонця і зірок).
За деякими розрахунками, кожну секунду в глибинах Сонця приблизно 564 млн. тонн водню в результаті термоядерного синтезу перетворюються в 560 млн. тонн гелію, а 4 млн. тонн водню перетворюються на потужне випромінювання, яке йде в космічний простір. Немає побоювань, що на Сонці незабаром вичерпаються запаси водню. Воно існує мільярди років, а запас водню в ньому достатній для того, щоб забезпечити ще стільки ж років горіння.
Людина живе в воднево-гелієвої всесвіту.
Тому водень представляє для нас дуже великий інтерес.
Вплив і користь водню в наші дні дуже велика. Практично всі відомі зараз види палива, за винятком, зрозуміло, водню, забруднюють навколишнє середовище. У містах нашої країни щорічно проходить озеленення, але цього, як видно, недостатньо. У мільйони нових моделей автомобілів, які зараз випускаються, заливають таке паливо, яке випускає в атмосферу вуглекислий (СО2) і чадний (СВ) гази. Дихати таким повітрям і постійно перебувати в такій атмосфері представляє дуже велику небезпеку для здоров'я. Від цього відбуваються різні захворювання, багато з яких практично не піддаються лікуванню, а вже тим більше неможливо лікувати їх, продовжуючи перебувати в можна сказати «зараженої» вихлопними газами атмосфері. Ми хочемо бути здоровими, і зрозуміло, хочемо, щоб покоління, які підуть за нами, теж не скаржилися і не страждали від постійно забруднюють повітря, а навпаки, пам'ятали і довіряли прислів'ї: «Сонце, повітря і вода - наші кращі друзі".
|
|
А поки я не можу сказати, що ці слова виправдовують себе. На воду нам вже взагалі доводиться закривати очі, оскільки зараз, якщо навіть брати конкретно наше місто, відомі факти, що з кранів тече забруднена вода, і пити її в жодному разі не можна.
Що стосується повітря, то тут на порядку денному вже багато років стоїть не менш важлива проблема. І якщо уявити, хоча б на секунду, що всі сучасні двигуни будуть працювати на екологічно чистому паливі, яким, зрозуміло, є водень, то наша планета стане на шлях, що веде до екологічного раю. Але це все фантазії і подання, які, на превеликий наш жаль ще не скоро стануть реальністю.
|
|
Незважаючи на те, що наш світ наближається до екологічної кризи, всі країни, навіть ті, які більшою мірою забруднюють своєї промисловістю навколишнє середовище, (ФРН, Японія, США, і як це не сумно - Росія) не квапляться панікувати і починати екстрену політику за її очищення.
Скільки б ми не говорили про позитивний вплив водню, на практиці це можна побачити досить таки не часто. Але все ж розробляється безліч проектів, і метою моєї роботи був не лише розповідь про сам чудовому паливі, але і про його застосування. Ця тема дуже актуальна, оскільки зараз жителів не тільки нашої країни, але і всього світу, хвилює проблема екології та можливі шляхи вирішення цієї проблеми.
Водень на Землі
Водень - один з найбільш поширених елементів і на Землі. У земній корі з кожних 100 атомів 17 - атоми водню. Він становить приблизно 0,88% від маси земної кулі (включаючи атмосферу, літосферу і гідросферу). Якщо згадати, що води на земній поверхні більше
1,5 ∙ 1018 м3 і що масова частка водню у воді становить 11,19%, то стає ясно, що сировини для одержання водню на Землі - необмежена кількість. Водень входить до складу нафти (10,9 - 13,8%), деревини (6%), вугілля (буре вугілля - 5,5%), природного газу (25,13%). Водень входить до складу всіх тваринних і рослинних організмів. Він міститься і у вулканічних газах. Основна маса водню потрапляє в атмосферу в результаті біологічних процесів. При розкладанні в анаеробних умовах мільярдів тонн рослинних залишків у повітря виділяється значна кількість водню. Цей водень в атмосфері швидко розсіюється і дифундує у верхні шари атмосфери. Маючи малу масу, молекули водню володіють високою швидкістю дифузійного руху (вона близька до другої космічної швидкості) і, потрапляючи у верхні шари атмосфери, можуть полетіти в космічний простір. Концентрація водню у верхніх шарах атмосфери складає 1 ∙ 10-4%.
|
|
Що таке воднева технологія?
Під водневої технологією мається на увазі сукупність промислових методів і засобів для отримання, транспортування та зберігання водню, а також засобів і методів його безпечного використання на основі невичерпних джерел сировини та енергії.
У чому ж привабливість водню і водневої технології?
Перехід транспорту, промисловості, побуту на спалювання водню - це шлях до радикального вирішення проблеми охорони повітряного басейну від забруднення оксидами вуглецю, азоту, сірки, вуглеводнями.
|
|
Перехід на водневу технологію та використання води в якості єдиного джерела сировини для отримання водню не може змінити не тільки водного балансу планети, але і водного балансу окремих її регіонів. Так, річна потреба енергетики такої високо індустріальної країни, як ФНР, може бути забезпечена за рахунок водню, отриманого з такої кількості води, яка відповідає 1,5% середнього стоку річки Рейн (2180 л води дають 1 тут у вигляді H2). Відзначимо попутно, що на наших очах стає реальною одна з геніальних здогадок великого фантаста Жуля Верна, який вустами героя рому «Таємничий острів» (гл. XVII) заявляє: «Вода - це вугілля майбутніх століть».
Водень, що отримується з води, - один з найбільш енергонасичених носіїв енергії. Адже теплота згоряння 1 кг H2 становить (за нижчого межі) 120 МДж / кг, у той час як теплота згоряння бензину або кращого вуглеводневої авіаційного палива - 46 - 50 МДж / кг, тобто в 2,5 рази менше 1 т водню відповідає за своїм енергетичного еквіваленту 4,1 тут, до того ж водень - легковідтворюєме паливо.
Щоб накопичити викопне пальне на нашій планеті, потрібні мільйони років, а щоб у циклі отримання та використання водню з води отримати воду, потрібні дні, тижні, а іноді години та хвилини.
Але водень як паливо і хімічна сировина володіє і рядом інших найцінніших якостей. Універсальність водню полягає в тому, що він може замінити будь-який вид пального в самих різних областях енергетики, транспорту, промисловості, у побуті. Він замінює бензин а автомобільних двигунах, гас в реактивних авіаційних двигунах, ацетилен в процесах зварювання та різання металів, природний газ для побутових та інших цілей, метан у паливних елементах, кокс у металургійних процесах (пряме відновлення руд), вуглеводні в ряді мікробіологічних процесів. Водень легко транспортується по трубах і розподіляється по дрібним споживачам, його можна отримувати і зберігати в будь-яких кількостях. У той же час водень - сировина для ряду найважливіших хімічних синтезів (аміаку, метанолу, гідразину), для одержання синтетичних вуглеводнів.
Як і з чого в даний час отримують водень?
У розпорядженні сучасних технологів є сотні технічних методів отримання водневого палива, вуглеводневих газів, рідких вуглеводнів, води. Вибір того чи іншого методу диктується економічними міркуваннями, наявністю відповідних сировинних і енергетичних ресурсів. У різних країнах можуть бути різні ситуації. Наприклад, в країнах, де є дешева надлишкова електроенергія, що виробляється на гідроелектростанціях, можна отримувати водень електролізом води (Норвегія); де багато твердого палива та дороги вуглеводні, можна отримувати водень газифікацією твердого палива (Китай); де дешева нафта, можна отримувати водень із рідких вуглеводнів (Близький Схід). Однак найбільше водню отримують в даний час з вуглеводневих газів конверсією метану і його гомологів (США, Росія).
У процесі конверсії метану водяною парою, діоксидом вуглецю, киснем та оксиду вуглецю водяною парою протікають наступні каталітичні реакції. Розглянемо процес отримання водню конверсією природного газу (метану).
Отримання водню здійснюється в три стадії. Перша стадія - конверсія метану в трубчастої печі:
CH4 + H2O = CO + 3H2 - 206,4 кДж / моль
або
CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 - 248, 3 кДж / моль.
Друга стадія пов'язана з доконверсіею залишкового метану першій стадії киснем повітря і введенням в газову суміш азоту, якщо водень використовується для синтезу аміаку. (Якщо виходить чистий водень, другої стадії принципово може і не бути).
CH4 + 0,5 O2 = CO + 2H2 + 35,6 кДж / моль.
І, нарешті, третя стадія - конверсія оксиду вуглецю водяною парою:
CO + H2O = СO2 + H2 + 41,0 кДж / моль.
Для всіх зазначених стадій потрібно водяна пара, а для першої стадії - багато тепла, тому процес в енерго - технологічному плані проводиться таким чином, щоб трубчасті печі зовні обігрівалися спалюється в печах метаном, а залишкове тепло димових використовувалося для отримання водяної пари.
Розглянемо, як це відбувається в промислових умовах (схема 1). Природний газ, який містить в основному метан, попередньо очищають від сірки, яка є отрутою Щоб каталізатора конверсії, підігрівають до температури 350 - 370 C° і під тиском 4,15 - 4,2 МПа змішують з водяною парою в співвідношенні обсягів пар: газ = 3 , 0: 4,0. Тиск газу перед трубчастою піччю, точне співвідношення пар: газ підтримуються автоматичними регуляторами.
Утворюється парогазова суміш при 350 - 370 C° надходить у підігрівник, де за рахунок димових газів нагрівається до 510 - 525 С. Потім парогазову суміш направляють на першу сходинку конверсії метану - в трубчасту піч, в якій вона рівномірно розподіляється по вертикально розташованими реакційним труб (8). Температура конвертованого газу на виході з реакційних труб досягає 790 - 820 С°. Залишковий зміст метану після трубчастої печі 9 - 11% (об'емн.). Труби заповнені каталізатором.
Після реакційних труб конвертована парогазова суміш проходить підйомні труби (9) і по колектору (10) потрапляє в шахтний конвертор метану другого ступеня (11). Тут на нікелевому каталізаторі відбувається киснева конверсія залишкового метану. Температура конвертованого газу на виході з реактора другого ступеня досягає 990 - 1000 C°, залишкове вміст метану в конвертованій газі становить 0,35 - 0,55% (об'емн.).
Після двоступеневої конверсії метану, якщо водень призначається для синтезу аміаку, в конвертованій газі крім водню (57%) і азоту (22,4%) утримуються оксид вуглецю 13,4% і діоксид вуглецю 7,7% (об'емн.).
Оксид вуглецю далі перетворюється на водень та діоксид вуглецю в системі парової конверсії. Парова конверсія оксиду вуглецю до водню проводиться в два ступені. Перший ступінь конверсії здійснюється при температурі 330 - 400 С° на залізо-хромовому каталізаторі, при цьому на виході з конвертора першого ступеня вміст оксиду вуглецю у конвертованій газі падає до 3,3% (об'емн.), і з таким змістом оксиду вуглецю газ, пройшовши через випарник , набуває в другу, низькотемпературну ступінь конверсії. Тут на низькотемпературному каталізаторі конверсії, що містить оксидні сполуки міді, цинку, алюмінію, хрому, при температурі 190-210 С° відбувається доконверсія залишкового оксиду вуглецю до його змісту на виході з конвертора 0,4 - 0,5%. Далі газ надходить на очищення вуглецю різного роду поглиначами. Так у промислових умовах отримують чистий водень і азот-водневу суміш.
Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 79; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!