ЗМІСТВступ
1. Теоретичначастина1.1Одержання синтез-газу із твердих палив1.2Синтез-газ із рідких вуглеводнів2. Технологічнірозрахунки
2.1 Завдання 1
2.2 Завдання 2
2.3 Завдання 3Література
Вступ
Темаконтрольної роботи «Хімічні методи виробництва водню і азотоводневої суміші» з дисципліни«Технологія основного неорганічного синтезу».
Дисципліна «Технологія основного неорганічногосинтезу» вивчається в з метою засвоєння основних теоретичних основ технологій іметодів одержання продуктів основного неорганічного синтезу.
Вивчення даної дисципліниґрунтується на знаннях, одержаних при вивченні таких дисциплін: «Загальна інеорганічна хімія», «Фізична хімія», «Фізика», «Вища математика», «Теоретичніоснови технології неорганічних речовин», «Кінетика і каталіз», «Процеси таапарати хімічної технології», «Основи наукових досліджень і наукова інформація»та інших.
Задачею вивчення курсуявляється засвоєння фізико-хімічних основ промислових процесів та їхапаратурного оформлення, вивчення технологічних схем промислових виробництвзв’язаного азоту, вміння виконувати технологічні розрахунки.
1. Теоретична частина
До хімічних методіввиробництва водню відносяться:
1) газифікація твердих ірідких палив.
2) конверсія метану;
У промисловості найбільшшироке розповсюдження знайшли установки для каталітичної конверсії метану,однак у зв'язку з неминучим виснаженням родовищ природного газу, підвищеннявартості його видобутку й транспортування, в останні роки в ряді країн уширокому масштабі відроджуються методи газифікації твердого й рідкого палива зметою одержання водню та оксидів вуглецю. 1.1 Одержання синтез-газу із твердих палив
хімічнийазотоводнева суміш водень
Першим з основних джерелсировини для одержання синтез-газу з'явилося тверде паливо, що перероблялося вгазогенераторах 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 одержанняполягає в почерговій подачі через шар твердого палива (антрациту, коксу,напівкоксу) повітряного й парового дуття. Синтез-газ одержують на стадіїпарового дуття, а необхідна температура шару палива досягається протягом стадіїповітряного дуття. Цикл роботи генератора становить 3-5 хв. Отриманий водянийгаз містить 50 -53% H2 і 36-37% СО.
Для подальшоговикористання у виробництві водяний газ необхідно очистити від сірчистих сполукі провести конверсію оксиду вуглецю відповідно до реакції
СО + Н2О = CO2 + Н2 + Q, (1.4)
а потім видалити диоксидвуглецю повністю у випадку його застосування для синтезу аміаку або частково — для синтезу метанолу.
Недоліками процесу є йогоперіодичність, низька одинична продуктивність газогенератора, а також високівимоги до сировини по кількості й температурі плавлення золи, його гранулометричномускладу й іншим характеристикам.
Розміри шахтигазогенератора визначаються заданою для нього продуктивністю W, що виражаєтьсядобутком кількості палива, що згоряє на 1 м2 колосникової решітки за добу, на всю площу колосникової решітки S (під площею колосникової решітки мається наувазі перетин шахти газогенератора на рівні верхньої частини решітки, тобтовраховується тільки ефективна площа поверхні решітки):
W = Q*S (м3/добу) (1.5)
Позначивши середнійперетин генератора через f, а відношення середнього перетину f до площіколосникової решітки S через A, одержимо A=f/S, звідки
f = A*S (1.6)
Разом з тим />; отже />, тоді діаметргенератора визначимо з рівняння:
/>(1.7)
Об'єм шахти генераторавизначимо з наступного вираження:
/> (1.8)
де Н — висота генератора.
Аналогічно знаходимооб'єм палива в генераторі:
/>
де Н' — висота шарупалива в генераторі;
А' — відношеннясереднього перетину стовпа палива, що згоряє в генераторі, до площіколосникової решітки.
Час перебування палива вгенераторі (у частках доби) визначають із рівняння
Відношенняоб'єму газогенератора до добової витрати палива виразиться рівнянням:
/>, (1.9)
авідношення об'єму генератора до об'єму палива в ньому визначиться з рівняння
/>(1.10)
Увипадку циліндричної шахти генератора й при завантаженні палива без великихзазорів
/>
Часперебування палива в генераторі залежить від ряду факторів: роду палива,величини шматків, вологості й ін.
Приконструюванні генераторів значення цих величин вибирають на підставі практичнихданих, зведених у табл. 1.1.
Таблиця1.1. Основні параметри генератораПараметр 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 зрідких вуглеводнів поширено в країнах, бідних запасами природних газів. Так,наприклад, на початку XXI ст. у Японії 67%, а у ФРН 59% усього аміаку одержанона базі переробки рідкого палива. Очевидно, і у виробництві метанолу ваналогічних умовах рідкі палива мають таке ж значення.
По технологічним схемампереробки в синтез-газ рідкі палива можна розділити на дві групи. Перша групавключає палива, що переробляються шляхом високотемпературної кисневоїконверсії. Сюди відносяться важкі рідкі палива — мазут, крекінг-залишки й т.п.Друга група — легкі прямоточні дистиляти (нафта), що мають кінцеву температурукипіння не вище 200-220°С: вона включає бензини, лігроїни, суміші світлихдистилятів. Друга група рідких палив переробляється в синтез-газ каталітичноюконверсією водяною парою в трубчастих печах.
Високотемпературнакиснева конверсія рідких палив в закордонних країнах здійснена в процесах, вяких рідке паливо під тиском проходить через підігрівник, звідки при 400-600° Снадходить у газогенератор. Туди ж подають підігрітий кисень і перегріту водянупару. 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 складуякого 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 підтиском, що може досягати 15 МПа. Агрегати мають продуктивності 30 тис. м3/год(Н2+СО) і більше. Недоліками процесу є висока витрата кисню, необхідністьвиділення сажі, а також складність технологічної схеми.
2. Технологічні розрахунки
2.1Завдання 1
Визначитивитрату бурого вугілля, що містить 70% ваг. вуглецю, водяної пари й повітря дляодержання 1000 м3 генераторного газу наступного складу в % об.: СО — 40, Н2 –18, N2 – 42. Склад повітря приймаємо, % об.: N2 – 79, О2 – 21.
Рішення:
Генераторнийгаз одержують при взаємодії вугілля і пароповітряної суміші.
С+Н2О= СО+Н2 — Q (I)
2С +О2 = 2СО + Q (II)
Заумовою в 1000 м3 газу міститься 420 м3 азоту. Отже, витрата кисню повітря пореакції (II) складе:
/>
Відповідно,витрата повітря
/>
де29 — молекулярна маса повітря.
Визначимовитрату водяної пари по реакції (I). Вихід водню становить1 моль з 1 мольводяної пари. 180 м3 водню, що знаходяться в 1000 м3 генераторного газу, потребують витрати такої ж кількості водяної пари, тобто витрата водяноїпари складе 180 м3 або />.
Визначимовитрату вуглецю:
— пореакції (I):
/>
— пореакції (II):
/>
Сумарнавитрата вуглецю:
96,5+ 120 = 216,5 кг
Тодівитрата бурого вугілля, що містить 70% вуглецю, складе:
/>
2.2Завдання 2
Визначити кількістьтеплоти, що виділяється при газифікації твердого палива, якщо з генератораводяного 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:
Пореакції (I) з урахуванням витрати по реакції (II) утворилося СО:
380+ 62 = 442 м3,
а пореакції (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 вирішенаі 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 Завдання3
Визначитирозміри шахти газогенератора для газифікації 60 т коксу на добу. Насипна масакоксу — 500 кг/м3.
Рішення:
Для заданого прикладаприймаємо 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 вгенераторі τ приймаємо рівним 0,4 доби, або 9,6 год, а відношення об'ємугенератора до об'єму палива С/τ = 1,15. Звідси, С =1,15*0,40 = 0,46.
Площарешітки генератора буде дорівнює:
60000/600= 10м2,
адіаметр газогенератора при А = 1 складе:
/>
Висоташару коксу над шлаками (без врахування зони його горіння) складе:
Н' =12*0,40 = 4,8 (м).
Висотугенератора визначимо з рівняння:
/>
Література
1. Ганз С.И. Синтезаммиака — М.: Химия, 1983, с.280.
2. Справочник азотчика. — М.: Химия, 1986, т.l., с.510.
3. Технология связанногоазота / Под ред. В.И.Атрощенко К.: Вища шк., 1985, с.91-94
4. Расчетыхимико-технологических процессов/ Под ред. И.П.Мухленова. Л.: Химия, 1976. -304с.