Đang tải... (xem toàn văn)
Bên cạnh đó, hydro là một trong những hóa phẩm quan trọng của ngành công nghiệp hóa chất. Trước đây, khi con người vừa tìm ra và điều chế được hydro, nó đã được dùng để vận chuyển kinh khí cầu [2]. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật, hydro đã được sản xuất với quy mô ngày càng lớn, dùng cho nhiều mục đích khác nhau: tổng hợp, điều chế hóa chất, dầu mỏ, sử dụng làm nhiên liệu, công nghiệp hàng không vũ trụ… Có ba phương pháp chính sản xuất hydro: - Steam reforming khí tự nhiên và các sản phẩm dầu mỏ - Oxy hóa không hoàn toàn khí tự nhiên và các sản phẩm dầu mỏ - Khí hóa than Bên cạnh đó, việc thu khí H2 từ nguyên liệu khí tổng hợp cũng như một vài phương pháp tổng hợp khác cũng rất cần thiết và cũng sẽ được đề cập đến trong bài tiểu luận này. Nhu cầu thị trường về hydro ngày càng lớn, đặc biệt là dùng cho năng lượng. Nhiên liệu hydro đã bắt đầu được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ. Pin nhiên liệu hydro, xe chạy bằng năng lượng hydro ngày càng phổ biến… Sử dụng hydro để thay thế nhiên liệu hóa thạch đang dần phổ biến trước những tác hại trong việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và sự cạn kiệt dần nguồn nhiên liệu này. Từ những nhận thức trên, chúng tôi đã lựa chọn đề tài: “SẢN XUẤT HYDRO” để làm bài tiểu luận này. Nội dung tiểu luận, ngoài việc đề cập đến ý nghĩa, vai trò và các đặc trưng, tinh chất của hydro thì chúng tôi còn đưa ra các phương pháp sản xuất hydro, các quy trình công nghệ sản xuất đồng thời đánh giá, lựa chọn công nghệ thích hợp có thể ứng dụng để xây dựng nhà máy ở Việt Nam.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HĨA HỌC BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HỮU CƠ – HĨA DẦU o0o TIỂU LUẬN MƠN HỌC CƠNG NGHỆ TỔNG HỢP HỮU CƠ HĨA DẦU Đề tài: SẢN XUẤT HYDRO Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Hồng Liên Hà Nội, 9/2018 MỤC LỤC Trang MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HYDRO I.1.1 Tính chất vật lý I.1.2 Tính chất hóa học I.1.3 Ứng dụng I.2 TÌNH HÌNH SẢN XUẤT VÀ NHU CẦU THỊ TRƯỜNG 10 I.2.1 Sản lượng Việt Nam giới 10 I.2.2 Phân bố ứng dụng thị phần 11 I.3 ĐẶC TÍNH TỒN TRỮ, VẬN CHUYỂN 11 CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT VÀ QUY TRÌNH CƠNG NGHỆ .13 II.1 SẢN XUẤT HYDRO VÀ KHÍ TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP REFORMING HƠI NƯỚC 13 II.1.1 Nguyên liệu sử dụng cho trình steam reforming 13 II.1.2 Nguyên tắc trình steam reforming 14 II.1.3 Xúc tác yếu tố ảnh hưởng đến trình reforming nước 16 II.1.4 Cơng nghệ reforming nước 16 II.2 SẢN XUẤT HYDRO BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HỐ KHƠNG HOÀN TOÀN 19 II.2.1 Nguyên liệu sử dụng cho trình oxy hóa khơng hồn tồn 20 II.2.2 Ngun tắc q trình oxy hóa khơng hồn tồn 20 II.2.3 Xúc tác trình oxy hố khơng hồn tồn 21 II.2.4 Cơng nghệ tổng hợp hydro phương pháp oxy hố khơng hồn tồn 23 II.3 SẢN XUẤT HYDRO TỪ Q TRÌNH KHÍ HỐ THAN 25 II.3.1 Nguyên liệu đầu than 26 II.3.2 Nguyên tắc trình 26 II.3.3 Các cơng nghệ khí hố than 29 II.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ TÁCH HYDRO TỪ KHÍ TỔNG HỢP 32 II.4.1 Tách khí axit 33 II.4.2 Chuyển hoá CO 36 II.4.3 Các trình xử lý 38 II.5 PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN NƯỚC 38 CHƯƠNG III: SO SÁNH VÀ ĐÁNH GIÁ 40 III.1 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT HYDRO CHÍNH .40 III.2 MỘT SỐ CƠNG NGHỆ TIÊN TIẾN HIỆN NAY TRÊN THẾ GIỚI 41 III.2.1 Công nghệ Haldor Topsoe (Đan Mạch) 41 III.2.2 Công nghệ Partial Oxidation Texaco Shell .42 III.2.3 Công nghệ Underground Coal Gasification- UCG 42 III.2.4 Công nghệ khí hóa than Shell 43 III.3 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP Ở VIỆT NAM 44 III.4 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ĐỂ XÂY DỰNG TẠI VIỆT NAM 45 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 MỞ ĐẦU Nhiên liệu thân thiện với môi trường chiếm vị trí quan trọng ngành cơng nghiệp giao thông vận tải nước ta Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường ngày trở nên nghiêm trọng toàn cầu, buộc nhà khoa học, phủ quốc gia phải có định hướng việc nghiên cứu phát triển công nghiệp lượng lượng thay Trong số hướng nghiên cứu đó, việc sản xuất nâng cao quy trình cơng nghệ sản xuất hydro chiếm mối quan tâm không nhỏ thách thức lớn nhà khoa học Nghiên cứu phát triển công nghệ sản xuất hydro để làm sản phẩm trung gian cho q trình sản xuất nhiên liệu có tiềm lớn việc giải ba thách thức lĩnh vực lượng: (a) cung cấp nhiên liệu để đáp ứng nhu cầu ngày cao nhiên liệu lỏng, khí điện; (b) tăng hiệu suất sử dụng lượng cho nhiên liệu điện sản xuất; (c) để loại bỏ chất ô nhiễm giảm thiểu phát thải khí nhà kính [1] Bên cạnh đó, hydro hóa phẩm quan trọng ngành cơng nghiệp hóa chất Trước đây, người vừa tìm điều chế hydro, dùng để vận chuyển kinh khí cầu [2] Ngày nay, với phát triển khoa học, kỹ thuật, hydro sản xuất với quy mô ngày lớn, dùng cho nhiều mục đích khác nhau: tổng hợp, điều chế hóa chất, dầu mỏ, sử dụng làm nhiên liệu, cơng nghiệp hàng khơng vũ trụ… Có ba phương pháp sản xuất hydro: - Steam reforming khí tự nhiên sản phẩm dầu mỏ - Oxy hóa khơng hồn tồn khí tự nhiên sản phẩm dầu mỏ - Khí hóa than Bên cạnh đó, việc thu khí H từ ngun liệu khí tổng hợp vài phương pháp tổng hợp khác cần thiết đề cập đến tiểu luận Nhu cầu thị trường hydro ngày lớn, đặc biệt dùng cho lượng Nhiên liệu hydro bắt đầu phát triển ứng dụng mạnh mẽ Pin nhiên liệu hydro, xe chạy lượng hydro ngày phổ biến… Sử dụng hydro để thay nhiên liệu hóa thạch dần phổ biến trước tác hại việc đốt cháy nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt dần nguồn nhiên liệu Từ nhận thức trên, lựa chọn đề tài: “SẢN XUẤT HYDRO” để làm tiểu luận Nội dung tiểu luận, ngồi việc đề cập đến ý nghĩa, vai trị đặc trưng, tinh chất hydro chúng tơi cịn đưa phương pháp sản xuất hydro, quy trình cơng nghệ sản xuất đồng thời đánh giá, lựa chọn cơng nghệ thích hợp ứng dụng để xây dựng nhà máy Việt Nam CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I.1 TÍNH CHẤT VÀ ỨNG DỤNG CỦA HYDRO I.1.1 Tính chất vật lý Ở điều kiện thường, hydro chất khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị, nhẹ khơng khí gần 14,5 lần (dH2/KK = MH2/MKK=2/29), nóng chảy 14,01 K (-259,14 oC), nhiệt độ sơi 20,28K (-252,87 oC) Hydro chất khí nhẹ so với khí khác, nên khuếch tán nhanh nhất, chất khí dẫn nhiệt tốt Ở nhiệt độ cao hydro khuếch tán qua kim loại Phân tử hydro có momen lưỡng cực số khơng, kích thước nhỏ, nhẹ, nên hydro có nhiệt độ nóng chảy (-259,1 oC) nhiệt độ sơi (-252,6 oC) thấp, tan nước dung môi hữu tan tốt số kim loại ( 1lít nước hịa tan 19ml khí hydro 15 oC 1atm, thể tích paladin hịa tan 1000 thể tích hydro điều kiện thường) Khí hydro bền nhiệt độ thường, khó phân ly, bị phân ly nhiệt độ khoảng 2000 °C Các thơng số vật lý thể tính chất đặc trưng hydro trình bày cụ thể bảng I.1 đây: Bảng I.1 Đặc điểm, thông số vật lý hydro Màu Trạng thái Tỉ trọng Tỉ trọng lỏng điểm chảy Tỉ trọng lỏng điểm sôi Điểm chảy Điểm sôi Điểm pha Điểm tới hạn Nhiệt tạo thành Nhiệt hóa Nhiệt dung riêng ( 25 °C ) ( H2 ) Khơng màu Khí ( 0°C, 101.325 kPa ) 0.08988 g/L 0.07 ( 0.0763 solid ) g.cm-3 0.07099 g.cm-3 14.01 K, -259.14 °C, -434.45 °F 20.28 K, -252.87 °C, -423.17 °F 13.8033 K ( -259 °C ), 7.042 kPa 32.97 K, 1.293 MPa 0.117 kJ.mol-1 0,904 kJ.mol-1 28.836 J.mol-1.K-1 I.1.2 Tính chất hóa học Nguyên tử hydro có độc electron 1s 1, nên tạo liên kết σ phân tử Hydro vừa thể tính oxy hóa, vừa thể tính khử tùy theo chất phản ứng với Tuy nhiên, tính chất khử hydro đặc trưng Trong tự nhiên, hydro có ba đồng vị, proti 1H, doteri 2H triti 3H • Tính bền nhiệt hydro: Phân tử hydro bền, bắt đầu phân hủy thành nguyên tử nhiệt độ khoảng 2000K theo phản ứng: H2 (k) ↔ 2H (k) ∆Ho298 = 432 kJ Ở áp suất 1atm 2000K phân hủy đạt khoảng 0,1%, cịn 5000K 95% Do tính bền nhiệt, hydro hoạt động điều kiện thường, trừ số trường hợp có mặt chất xúc tác • Tính khử hydro: Ở nhiệt độ thường, khơng có xúc tác, hydro phản ứng với flo tạo thành HF Ở nhiệt độ cao hydro tác dụng với nhiều chất: phản ứng cháy với oxy, khử oxit kim loại, phản ứng với brom, iot, lưu huỳnh… Ví dụ: H2 + 1/2 O2 → H2O H2 + CuO → Cu + H2 O Hydro phản ứng với nito nhiệt độ cao, áp suất cao, có mặt chất xúc tác • Tính oxy hóa hydro Hydro thể tính oxy hóa tác dụng với kim loại nhiệt độ cao Ví dụ: H2 + 2Na → 2NaH • Hydro sinh Hydro sinh dạng nguyên tử hoạt động hydro phân tử nhiều phản ứng với hydro nguyên tử không cần phải tốn lượng để phá lien kết bền H-H Ví dụ: Zn + H2SO4 → ZnSO4 + 2H MnSO4 + 5H + 3H+ → Mn2+ + 4H2O Hydro sinh khử SO2 mơi trường axit thành H2S, khử NO2-, NO3- thành NH3 môi trường kiềm I.1.3 Ứng dụng Lượng lớn hydro dung để tổng hợp amoniac Ngồi cịn dung chế hóa dầu mỏ, tổng hợp metanol, andehit xeton từ olefin, đèn xì hydro Hydro hóa lỏng sử dụng làm nhiên liệu… • Tổng hợp amoniac: Phản ứng: N2(k) + 3H2(k) ↔ 2NH3 (k) ∆H (500ºC) = -109kJ/mol Phản ứng thực nhiệt độ 450 - 500ºC, áp suất khoảng 20-25 MPa, có mặt chất xúc tác Fe3O4 hoạt hóa K2O, CaO (khoảng 1%) Al 2O3, SiO2, MgO (khoảng 3%).Hiệu suất chuyển hóa tối đa khoảng 17% • Tổng hợp metanol: Metanol nguyên liệu đầu để sản xuất formaldehit, clorometan, amin, metacrylat, MTBE… làm dung môi Phản ứng: CO + 2H2↔ CH3OH ∆H (298) = -90,6kJ/mol (1) CO2 + 3H2↔ CH3OH + H2O ∆H (298) = -49,5kJ/mol (2) Phản ứng thứ (2) xem hệ phản ứng số (1) phản ứng nghịch q trình chuyển hóa CO nước CO2 + H2↔CO + H2O ∆H(298)= 41,3kJ/mol Hỗn hợp phản ứng chứa đồng thời H2-CO-CO2 cho hiệu suất metanol cao gấp 6, lần so với hỗn hợp H 2-CO H2-CO2.Tùy thuộc vào thành phần CO CO 2, để đạt độ chuyển hóa yêu cầu hỗn hợp khí pahir có tỉ lệ mol H/C bng 2ữ3 ã Tng hp Fischer- Tropsch (FT): Quỏ trỡnh tổng hợp FT ứng dụng sản xuất hydrocacbon lỏng từ khí tổng hợp Các phản ứng xảy q trình metal hóa tổng hợp FT CO + 3H2→ CH4 + H2O ... tài: “SẢN XUẤT HYDRO? ?? để làm tiểu luận Nội dung tiểu luận, việc đề cập đến ý nghĩa, vai trò đặc trưng, tinh chất hydro chúng tơi cịn đưa phương pháp sản xuất hydro, quy trình cơng nghệ sản xuất. .. rãi cơng nghiệp sản xuất khí hydro, chiếm tới 40% tổng lượng hydro sản xuất giới Công nghệ sản xuất phát triển thương mại hố nhiều quy mơ: từ phân xưởng sản xuất cỡ nhỏ nhà máy sản xuất amoniac... III.2.3 Công nghệ Underground Coal Gasification- UCG 42 III.2.4 Cơng nghệ khí hóa than Shell 43 III.3 CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP Ở VIỆT NAM 44 III.4 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ ĐỂ XÂY
