BÀI tập lớn môn KHÍ TRONG CÔNG NGHIỆP

TR NG Đ I H C MỎ Đ A CH T KHOA: D U KHÍ B MƠN: L C HỐ D U -   - BÀI TẬP L N MƠN: KHÍ TRONG CÔNG NGHI P Gi ng viên : T.S Tống Th Thanh H ơng Sinh viên : HOÀNG VI T ANH Mã SV : 1064040001 L p : K55LHD – TH Mư đề : 01 Thanh Hoá, tháng 11 năm 2014 Đề bài: Hãy cho biết ph ơng pháp để thu đ ợc khí hidro ứng dụng hidro công nghi p BÀI LÀM I- Giới thiệu chung hidro Hydro nguyên tố hóa học hệ thống tuần hoàn nguyên tố với nguyên tử số Trước gọi khinh khí ; từ sử dụng S dĩ gọi "khinh khí" hydro nguyên tố nhẹ tồn thể khí, với trọng lượng nguyên tử 1.00794 u Hydro nguyên tố phổ biến vũ trụ, tạo nên khoảng 75% tổng khối lượng vũ trụ tới 90% tổng số nguyên tử Các thuộc dải cấu tạo chủ yếu b i hydro trạng thái plasma Hydro nguyên tố tồn tự nhiên Trái Đất tương đối khí hydro nhẹ nên trư ng hấp dẫn Trái Đất không đủ mạnh để giữ chúng khỏi ngồi khơng gian, hydro tồn chủ yếu dạng hydro nguyên tử tầng cao khí Trái Đất Đồng vị phổ biến hydro proti, kí hiệu H, với hạt nhân proton khơng có neutron Ngồi hydro cịn có đồng vị bền deuteri, kí hiệu D, với hạt nhân chứa proton neutron đồng vị phóng xạ triti, kí hiệu T, với hai neutron hạt nhân Với vỏ nguyên tử có electron, nguyên tử hydro nguyên tử đơn giản biết đến, nguyên tử hydro tự có ý nghĩa to lớn mặt lý thuyết Chẳng hạn, nguyên tử hydro ngun tử trung hịa mà phương trình Schrodinger giải xác nên việc nghiên cứu lượng cấu trúc điện tử đóng vai trị quan trọng phát triển học lượng tử hóa học lượng tử điều kiện thư ng, nguyên tử hydro kết hợp với tạo thành phân tử gồm hai nguyên tử H2 ( nhiệt độ cao, trình ngược lại xảy ra.) Khí hydro lần điều chế cách nhân tạo vào đầu kỉ 16 cách nhúng kim loai vào axit mạnh Vào năm 17662 1781, Henry Cavendish ngư i nhận hydro chất riêng biệt bị đốt khơng khí tạo sản phẩm nước Tính chất nguồn gốc tên "hydrogen", tiếng Hi Lạp nghĩa "sinh nước" điều kiện tiêu chuẩn, hydro chất khí lưỡng ngun tử khơng màu, không mùi, không vị phi kim Trong hợp chất ion, hydro có thể tồn hai dạng Trong hợp chất với kim loại, hydro tồn dạng anionhydrua mang điện tích âm, kí hiệu H- Hydro cịn tồn dạng cation H+ ion dương sinh nguyên tử hydro bị electron Tuy nhiên ion dương với cấu tạo gồm proton trần trụi (khơng có electron che chắn) tồn thực tế tính dương điện hay tính axit khả phản ứng với phân tử khác H + cao Một cation hydro thực tồn trình chuyển proton từ axit sang bazơ (phản ứng axit-bazơ) Trong dung dịch nước H+ (do nước loại axit khác phân ly ra) kết hợp với phân tử nước tạo cation hydroni H3O+, thư ng viết gọn H+ Ion đóng vai trị đặc biệt quan trọng hóa học axit-bazơ Hydro tạo thành hợp chất cộng hóa trị với hầu hết nguyên tố khác Nó có mặt nước hầu hết hợp chất hữu thể sống II- Điều chế hydro 1/ Trong phòng thí nghi m Trong phịng thí nghiệm, hiđrơ điều chế phản ứng axít với kim loại, kẽm chẳng hạn Để sản xuất cơng nghiệp có giá trị thương mại điều chế từ khí thiên nhiên Điện phân nước biện pháp đơn giản không kinh tế để sản xuất hàng loạt hiđrô Các nhà khoa học nghiên cứu để tìm phương pháp điều chế sản xuất hiđrô sinh học sử dụng trình quang phân ly nước tảo lục hay việc chuyển hóa dẫn xuất sinh học glucôda hay sorbitol nhiệt độ thấp chất xúc tác Hiđrơ điều chế theo nhiều cách khác nhau: nước qua than (cacbon) nóng đỏ, phân hủy hiđrôcacbon nhiệt, phản ứng bazơ mạnh (kiềm) dung dịch với nhôm, điện phân nước hay khử từ axít lỗng với kim loại (có khả đẩy hiđrơ từ axít) Việc sản xuất thương mại hiđrô thông thư ng từ khí tự nhiên xử lý nước nóng nhiệt độ cao (700-1.100 °C), nước tác dụng với mêtan để sinh ramơnơxít cacbon hiđrơ CH4(k) + H2O(l) → CO(k) + H2(k) Điện phân dung dịch có màng ngăn: 2NaCl(dd) + 2H2O(l) → 2NaOH(dd) + H2(k) + Cl2(k) Điện phân nước: 2H2O(l) → 2H2(k) + O2(k) 2/ Ph ơng pháp làm l nh thâm đ khí cốc Thành phần khí cốc (%): - Hidro: 35 - 61% - Khí CO2 : – 4% - Metan : 24 – 28% - N2 : – 7% - Oleffin(etylen,propylen) : 1,5 – 3% - Oxi : 0,2 – 2,5% Ngồi ,trong khí cốc cịn có hợp chất hữu lưu huỳnh , benzen, naphtalen ,nito oxit ,axetilen Các phân đoạn khí cốc tách cách ngưng tụ phân đoạn áp suất cao,trong trình làm lạnh phân đoạn lần lược ngưng tụ phân đoạn lần lược ngưng tụ Hình vẽ trình bày sơ đồ tách phân đoạn khí cốc phương pháp làm lạnh thâm độ Sơ đồ l u trình điều chế hiđrơ ph ơng pháp ng ng tụ phân đo n khí cốc - Khí cốc sau làm sơ bộ, nén máy nén (1) áp suất 12 - 13 atm, sau đưa vào hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt + Thiết bị (2) làm lạnh CO + Thiết bị (3) làm lạnh CH4 hỗn hợp H2-N2, hạ nhiệt độ khí cốc đến -25°C + Khí vào thiết bị làm lạnh (4) tiếp tục làm lạnh NH3 lỏng đến -41°C - Từ thiết bị truyền nhiệt ra, khí cốc vào hệ thống phân ly, trao đổi nhiệt, bốc hơi, ngưng tụ, tháp phân ly, từ (5) - (10) ( thiết bị nằm khung hình vẽ) - thiết bị trao đổi nhiệt (5), khí cốc đến -105°C hỗn hợp N2-H2- CH4 làm ngưng tụ phân đoạn propylen Hydro Cacbon khác - Thiết bị trao đổi nhiệt (6) làm lạnh khí cốc hỗn hợp N2-H2 đến 145°C làm ngưng tụ phân đoạn etylen có lẫn Hydro Cacbon mạch dài, nước CO2 dạng rắn - Elylen lại bị phân ly (7) - Hỗn hợp vào thiết bị trao đổi nhiệt (8) làm lạnh hỗn hợp N2-H2 đến -180°C làm metan ngưng tụ - Cả hỗn hợp - lỏng vào thiết bị bốc nitơ (9) t°=190°C Khí khỏi thiết bị bốc nitơ, chủ yếu chứa Hydro nitơ ngồi cịn có CO, CH4, oxi Hỗn hợp thư ng dùng để tổng hợp amôniac, cần phải loại bỏ tạp chất CO, CH4, oxi Do hỗn hợp khí đưa vào tháp phân ly kiểu dĩa (10) để rửa hỗn hợp Trước sử dụng, dòng làm lạnh thiết bị trao đổi nhiệt (8), (6) (2) Ðể cung cấp nitơ cho trình làm lạnh, ngư i ta dùng nitơ nguyên chất điều chế phương pháp phân ly khơng khí, nitơ nén máy nén (11) p=200 atm, làm lạnh amôniac thiết bị (12) đến -45°C sau lại làm lạnh thiết bị thu hổi nhiệt (13) Nitơ thiết bị (13) chia làm nhánh: qua van tiết lưu (14) để tưới vào tháp (10), nhánh dùng làm chất làm lạnh tháp bốc nitơ (9) (15) thiết bị ngưng tụ Bằng cách ngưng tụ phân đoạn, ngư i ta tận dụng tới 95% khí hydro có khí cốc để tổng hợp amơniac, lấy etylen để tổng hợp polyetylen nhiều hợp chất hữu quan trọng khác Khí cịn lại CH4, CO dùng làm nhiên liệu luyện kim 3/ Ph ơng pháp chuyển hóa mêtan v i ch t oxi hóa n c oxi Nguồn nguyên liệu khí thiên nhiên, khí dầu mỏ khí cốc - Các phản ứng chuyển hóa metan là: CH4(k) + H2O(l)  CO(k) + 3H2(k) (1) 2CH4(k) + O2(k)  2CO(k) + 4H2(k) (2) CO(k) + H2O(l)  CO2(k) + H2(k) (3) Quá trình thực qua giai đoạn chuyển hóa metan thành CO hydro chuyển hóa tiếp CO thành H2 CO2 Trong cơng nghiệp,ngư i ta thư ng dùng phương pháp để chuyển hóa CH4: - Chuyển hóa nước có xúc tác - Chuyển hóa nước có oxi, nước - oxi - khơng khí, có xúc tác - Chuyển hóa oxi khơng khí oxi nhiệt độ cao a) Chuyển hóa metan nước có xúc tác: Hình vẽ Sơ đồ cơng ngh chuyển hóa metan n c có xúc tác 1,3 :Thiết bị trao đổi nhiệt : Thiết bị khử tạp chất : Lò ống : Thiết bị chuyển hóa metan cấp : Nồi thu hồi : Thiết bị tăng ẩm : Thiết bị trộn : thiết bị chuyển hóa cacbon oxit Khí thiên nhiên đưa vào thiết bị trao đổi nhiệt (1) để tăng nhiệt độ lên 380 - 400°C, cho vào thiết bị khử tạp chất (2) H2 S tạp chất khác lưu huỳnh cách dùng ZnO để hấp phụ, khỏi thiết bị (2), hàm lượng lưu huỳnh nhỏ - mg/m3 Hơi nước dùng để chuyển hóa gia nhiệt đến 380- 400°C thiết bị truyền nhiệt (3), hỗn hợp với khí thiên nhiên theo tỷ lệ khí : nước = : 2,5 ( theo thể tích) Hỗn hợp khí vào lị ống (4) phản ứng xảy chuyển hóa CH4 nước xúc tác Ni 700- 750°C nhiệt độ phản ứng (1) Hỗn hợp khí ống chứa đầy xúc tác, khí đốt ngồi ống t°= 1000°C Khí sau khỏi ống có thành phần (% thể tích): CH4 : 10% ; H2 : 68,9% ; CO : 10,8% ; CO2 : 9,8% ; N2 : 0,5% Vì lượng metan cịn, cần phải chuyển hóa metan cấp (5) Sau khỏi thiết bị chuyển hóa metan cấp là: CH4 : 0,5% ; H2 : 56,1% ; CO : 13,7% ; CO2 : 7,2% ; N2 : 22,5% Sau chuyển hóa thiết bị (5) chia làm nhánh: Một nhánh vào nồi thu hồi (6) làm lạnh đến 400(C nhánh vào thiết bị tăng ẩm (7) phun nước ngưng tụ để làm hỗn hợp bão hòa nước hạ nhiệt độ Sau nhánh vào thiết bị trộn (8), hỗn hợp - khí đưa vào thiết bị chuyển hóa CO (9) theo sơ đồ: Thiết bị gồm hình trụ có phần: phía thiết bị khu vực phản ứng Mỗi khu vực gồm tầng xúc tác Fe - Cr, khu vực khu vực làm lạnh nước ngưng tụ Phản ứng chuyển hóa thực theo giai đoạn: + Giai đoạn 1: tiến hành hóa, chuyển hóa phần lớn CO khu vực phản ứng thiết bị chuyển nhiệt độ 400°C Do phản ứng tỏa nhiệt, kết thúc giai đoạn 1, nhiệt độ lên đến gần 500°C khí vào khu vực làm lạnh, tưới nước ngưng tụ làm nhiệt độ hỗn hợp khí giảm xuống 400 - 420°C, đồng th i bão hòa nước + Khu vực phản ứng 2: phản ứng tiếp CO nhiệt độ 420 - 440°C Sau khỏi thiết bị chuyển hóa có thành phần (% thể tích): CH4 : 0,4% ; H2 : 59,8% ; CO : 4,0,8% ; CO2 : 15,2% ; N2 : 20,6% Ðể tận dụng nhiệt thiết bị chuyển hóa ra, hỗn hợp khí tách làm nhánh vào thiết bị truyền nhiệt (1) (3) để truyền nhiệt cho khí thiên nhiên b) Chuyển hóa metan nước-oxi nước - oxi - khơng khí có xúc tác: Phương pháp dùng trư ng hợp làm CO nitơ lỏng Phương pháp khử metan dư làm hỗn hợp khí bão hịa nitơ Dưới ta xét lưu trình cơng nghệ chuyển hóa metan nước oxi có xúc tác nêu hình vẽ Khí thiên nhiên đưa vào tháp bão hòa (1) p= atm, t°= 82°C nâng nhiệt độ khí lên 78- 80°C làm khí bão hịa nước ( tỷ lệ nước:khí = 0,35:1) khỏi tháp (1) hỗn hợp khí bổ sung tiếp nước đến tỷ lệ nước:khí =1:1 vào thiết bị trao đổi nhiệt (2) tăng t° lên 500 - 600°C vào thiết bị (3) để trộn oxi khơng khí giàu oxi Sau hỗn hợp - khí đưa vào thiết bị chuyển hóa metan chất xúc tác Ni Sơ đồ l u trình cơng ngh chuyển hóa metan n xúc tác c - oxi có : Tháp bão hòa 2,8 : Thiết bị trao đổi nhiệt : Thiết bị trộn : Thiết bị chuyể hóa metan : Thiết bị tăng ẩm : Thiêt bị chuyển hóa CO : Nồi – thu hồi : Tháp ngưng tụ 10 : Bơm nước Khi khỏi tháp chuyển hóa có nhiệt độ khoảng 850°C, đưa vào tháp tăng ẩm (5) tưới nước ngưng tụ làm khí bão hịa nước giảm nhiệt độ xuống đến 75°C Khí đưa qua thiết bị (2) truyền nhiệt cho khí thiên nhiên hạ nhiệt độ xuống đến 400 - 420°C Ra khỏi thiết bị (2) vào thiết bị chuyển hóa CO2 (6), đưa qua thiết bị nồi - thu hồi (7) để sản xuất có p= - atm Thiết bị truyền nhiệt (8) để gia nhiệt cho nước dùng cho tháp (1) cuối tháp ngưng tụ (9) làm lạnh khí nước c) Chuyển hóa metan oxi khơng khí oxi Metan bị phân hủy nhiệt độ cao nhiệt độ 1000 oC: CH4 → C + 2H2 III- ng dụng c a hydro công nghiệp - Trong ngành cơng nghiệp oto :Cung cấp khí Hydrogen để sản xuất phận xác thiết bị chất lượng cao tất bước trình sản xuất ô tô giao thông vận tải - Trong lĩnh vực xử lý nước thải solventless làm sạch, khí hydro giúp tạo mơi trư ng nhà máy ô tô Và ứng dụng khí hydro giúp giảm khiếm khuyết, hạn chế th i gian chết, lượng khí thải thấp - Trong nghành cơng nghiệp lọc dầu : Hydrogen sử dụng để xử lý dầu thô thành nhiên liệu tinh chế , chẳng hạn xăng dầu diesel , để loại bỏ chất gây ô nhiễm, chẳng hạn lưu huỳnh 10 - Trong nghành cơng nghiệp phân bón thực phẩm : Các ứng dụng khác hydro ngành cơng nghiệp phân bón sơn Nó sử dụng ngành công nghiệp thực phẩm hóa chất Các ngành cơng nghiệp thực phẩm sử dụng yếu tố để làm cho dầu thực vật hydro hóa, chẳng hạn bơ thực vật bơ Trong lĩnh vực này, dầu thực vật kết hợp với hydro Bằng cách sử dụng niken chất xúc tác, chất béo rắn sản xuất - Sử dụng lĩnh vực dự báo th i tiết : Vì hydro ánh sáng, nhà khoa học sử dụng với bóng bay th i tiết Bóng bay khí tượng th i tiết ' có yếu tố cài đặt Những bóng bay trang bị thiết bị để ghi lại thơng tin cần thiết để nghiên cứu khí hậu - Sử dụng phịng thí nghiệm , nghiên cứu , phân tích Ngồi khí Hydro cịn sử dụng nhiều lĩnh vực đ i sống : bơm khí cầu, bóng bay , cổng 11 ... lạnh khí nước c) Chuyển hóa metan oxi khơng khí oxi Metan bị phân hủy nhiệt độ cao nhiệt độ 1000 oC: CH4 → C + 2H2 III- ng dụng c a hydro công nghiệp - Trong ngành cơng nghiệp oto :Cung cấp khí. .. ngành công nghiệp phân bón sơn Nó sử dụng ngành cơng nghiệp thực phẩm hóa chất Các ngành công nghiệp thực phẩm sử dụng yếu tố để làm cho dầu thực vật hydro hóa, chẳng hạn bơ thực vật bơ Trong. .. l nh thâm đ khí cốc Thành phần khí cốc (%): - Hidro: 35 - 61% - Khí CO2 : – 4% - Metan : 24 – 28% - N2 : – 7% - Oleffin(etylen,propylen) : 1,5 – 3% - Oxi : 0,2 – 2,5% Ngồi ,trong khí cốc cịn