Химические свойства водорода

Институт химии и энергетики

(институт)

Рациональное природопользование и ресурсосбережение

(кафедра)

 

КУРСОВАЯ РАБОТА  

 

по учебному курсу «Технологии переработки и утилизации отходов 4»

 

Вариант № 22

 

Тема: Процессы и аппараты переработки отходов химического

предприятия.

 

 

Студент	Головин Михаил Алексеевич (И.О. Фамилия)
Группа	ЭРТбз-1501Д (И.О. Фамилия)
Ассистент	(И.О. Фамилия)
Преподаватель	к.п.н., доцент Кравцова Марианна Викторовна (И.О. Фамилия)

 

 

Тольятти 2020

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Тольяттинский государственный университет»

Институт химии и инженерной экологии

 (наименование института полностью)

Кафедра «Рациональное природопользование и ресурсосбережение»

^{(наименование кафедры полностью)}

                                                                                                                       

	УТВЕРЖДАЮ
	Завкафедрой
	____________ М.В.Кравцова                       (подпись)                    (И.О. Фамилия)        «13» февраля2020 г.

ЗАДАНИЕ

На выполнение курсовой работы

Студент Головин Михаил Алексеевич

1.Тема Проектирование энерго – и ресурсосберегающих процессов в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии. Вариант 22

2. Срок сдачи студентом законченной курсовой работы  13 февраля 2020 г.

3. Исходные данные к курсовой работе Данные НИР

4. Содержание курсовой работы (перечень подлежащих разработке вопросов, разделов):

1 Описание технологической установки/процесса (технологическая схема, стадии технологического процесса, технологические показатели, обоснование выбора)

2 Расчет материального и энергетического балансов

3 Анализ преимуществ предлагаемой технологии

5. Ориентировочный перечень графического и иллюстративного материала (с точным указанием чертежей и форматов их представления) не предусмотрено  

6. Рекомендуемые учебно-методические материалы Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Технологии переработки и утилизации отходов 4»

 

Дата выдачи задания «22» января 20 20 г.

Руководитель курсовой работы _____________          М. В. Кравцова

                                                                        (подпись)                                   (И.О. Фамилия)

Задание принял к исполнению ______________        М.А.Головин

                                                                                  (подпись)                                   (И.О. Фамилия)

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение.. 4

1 Описание технологической установки. 5

1.1 Получение водорода. 5

1.2 Химические свойства водорода. 5

1.3 Установка производства водорода в цикле нефтеперерабатывающего завода 8

2 Расчет материального и энергетического балансов процесса получения водорода. 10

2.1 Материальный баланс. 10

2.2 Тепловой баланс. 13

2.3 Анализ преимуществ предлагаемой технологии. 13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.. 16

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.. 17

 

 

Введение

 

«Водород — это высокоэффективное и экологически чистое топливо. В наши дни крупномасштабное использование водорода освоено в промышленных химических процессах и ракетной технике. Производство водорода в мире превысило 50 млн т и быстро растет. При дальнейшем развитии этот энергоноситель мог бы служить источником энергии для локального производства электричества и тепла, бытового энергоснабжения, аккумулирования энергии, для транспорта, в том числе для заправки автомашин. Будучи произведенным из воды с помощью возобновляемых или ядерных ресурсов и технологий, водород становится возобновляемым топливом, способствующим устойчивому развитию мирового сообщества» [1].

Цель курсовой работы – формирование практических навыков организации энерго- и ресурсосберегающих промышленных производств на основе совершенствования химических, нефтехимических и биотехнологических процессов.

Задачи курсовой работы:

1. Обосновать выбор энерго- и ресурсосберегающего процесса (установки).

2. Провести расчет материального и энергетического балансов для выбранной технологии.

3. Предоставить преимущества выбранной технологии.

Структура курсовой работы.

Курсовая работа состоит из введения, двух разделов, заключения и списка использованных источников.

 

Описание технологической установки

 

Получение водорода

Водород является самым распространенным элементом на земле, но его редко можно найти в чистом виде.

Фактически это означает, что для получения водорода его необходимо извлечь его из различных соединений.

Конечно, этот процесс извлечения требует энергии, но водород может быть получен или извлечен с использованием практически любого первичного источника энергии, будь то ископаемые или возобновляемые источники.

Характерно, что водород может быть получен с использованием различных ресурсов, включая ископаемые виды топлива, такие как природный газ и уголь, биомасса, непродовольственные культуры, ядерная энергия и возобновляемые источники энергии, такие как ветер, солнечная, геотермальная и гидроэлектрическая энергия для разделения воды.

Это разнообразие потенциальных источников питания является наиболее важной причиной, по которой водород является таким перспективным энергоносителем.

В настоящее время (новые методы исследуются каждый день) наиболее заметными производственными путями являются следующие:

− электролиз и высокотемпературный электролиз;

− паровая конверсия метана.

Наиболее интересным с точки зрения ресурсосберегающей технологии получения водорода является получение водорода из синтез-газа парокислородной газификацией нефтяных остатков.

 

Химические свойства водорода

В лаборатории водород получают по реакции:

Zn + 2HCl → Zn + H₂

Или

2Al + 2NaOH + 6H₂O → 2Na[Al(OH)₄] + 3H₂.

В промышленности водород получают из природного газа, состоящего в основном из метана СН₄, при высокой температуре или каталитическом пиролизе:

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂.

«Водород высокой степени чистоты получают электролизом воды (или водного раствора KОН), на катоде выделяется водород, на аноде — кислород» [12].

Свойства водорода и его соединений.

Атомарный водород, получаемый при воздействии на молекулярный водород электрического разряда, обладает высокой химической активностью и соединяется с азотом, фосфором, серой, кислородом и другими неметаллами, восстанавливает оксиды металлов.

Молекулярный водород может проявлять как восстановительные (отдавая электроны), так и окислительные (принимая электроны) свойства.

Восстановительные свойства у водорода преобладают.

Молекулярный водород при обычных условиях взаимодействует с фтором и щелочными металлами, при нагревании или в присутствии катализатора водород реагирует со всеми галогенами (Hal):

F₂, Cl₂, Br₂, I₂:

H₂ + Hal₂ → 2HHal,

образуя соответствующие галогениды HHal.

Галогениды при растворении в воде образуют сильные кислоты (за исключением HF, которая является слабой кислотой, так называемая плавиковая кислота).

Сила кислот в ряду HCl — HBr — HI возрастает.

В молекуле HF проявляется водородная связь, в результате чего образуются ассоциаты (HF)n, в которых n = 2–6, простейший димер H₂F₂ в водном растворе диссоциирует ступенчато:

H₂F₂ ⇄ H+ + HF₂‒ ⇄ 2H+ + 2F‒,

образуя по первой ступени диссоциации дифторогидрогенат-ион HF₂‒, который может вступать в дальнейшие реакции, образуя соли:

KF + HF → K[HF₂].

При более высокой температуре водород соединяется с серой, селеном, теллуром, образуя соответствующие халькогениды — H₂S, H₂Se, H₂Te.

 «При высоком давлении (p ≈ 30 МПа) и повышенной температуре (T ≈ 450⁰C) водород соединяется с азотом, образуя аммиак NH₃.» [13].

Реакция водорода с кислородом в присутствии катализатора протекает практически необратимо с выделением большого количества теплоты:

2H₂ + O2 → 2H₂O.

Газовая смесь, состоящая из двух объемов водорода и одного объема кислорода, называемая гремучим газом, взрывается при поджигании.

В этих реакциях водород является восстановителем и в образующихся соединениях проявляет степень окисления +1.

Водород и его соединения находят широкое применение в различных производствах:

− в органическом синтезе для получения спиртов, альдегидов, кетонов;

− для получения аммиака;

− в пирометаллургии;

− для очистки продуктов переработки нефти;

− для гидрогенизации твердого и жидкого топлива;

− сварке и резке металлов;

− изотопы водорода — дейтерий и тритий используются в ядерной энергетике;

− в микробиологии: тяжелая вода — как теплоноситель и замедлитель нейтронов.