Производство электрохимического водорода
Обоснования электрохимического способа получения водорода и кислорода электролизом воды. Характеристика технологической схемы. Выбор электролизера. Подготовка сырья (чистой воды) и первичная переработка, получающихся при электролизе водорода и кислорода.
| Рубрика | Химия |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 12.12.2011 |
1. Технологическая часть
1.1 Теория процесса. Обоснования электрохимического способа
1.2 Описание технологической схемы
1.3 Выбор и обоснования состава электролита, режима процесса
1.4 Выбор электролизера
2. Расчетная часть
2.1 Материальный расчет
Электролиз — разложение воды электричеством представляет собой физико-химическую модификацию состава водной среды (вещества Н2О) с появлением в ней ионов Н + , ОН — , а также гидратов окисей металлов, кислот, перекисных соединений и радикалов, свободного хлора, озона, перекиси водорода, аниона гипохлорита и т.д., возникающих в результате реакций продуктов электролитического разложения воды с присутствующими в ней примесями. При внешних воздействиях (в том числе при прохождении через воду постоянного тока) дипольная молекула Н2О меняет форму за счет изменения валентного угла и межъядерных расстояний. Разложение воды — крайний вариант деформации ее дипольной структуры.
Электролиз — разложения воды электричеством в установке HySTAT-A является актуальным производством т.к. в данном процессе получают особо чистый водород, который необходим на многих производствах, в том числе и производство поликристаллического кремния (ПКК) на предприятии ООО”Усолье-Сибирский Силикон”
Как говорилось, вода в обычных условиях (даже самая чистая) представляет собой сильно разбавленный раствор минеральных и некоторых органических веществ. В случае реального электролиза водно-минеральной среды (в том числе обычной питьевой воды, обладающей тем или иным фоном минерализации) происходят многочисленные, многообразные, в значительной степени уникальные реакции. Чистые продукты этих реакций в полном наборе нельзя приобрести в магазине химреактивов (то есть их нельзя подвергнуть выделению и фасовке), так как многие из них синтезируются исключительно в условиях электрохимического реактора и существуют только в совокупности с другими компонентами электрохимического синтеза (и не существуют без этих компонент). Иными словами, в процессе электролитического разложения воды (даже дистиллированной) образуются частицы и соединения, которые не могут существовать вне воды, т.е. в ином агрегатном состоянии.
Физические свойства водорода
Водород — самый лёгкий газ, он легче воздуха в 14,5 раз. Очевидно, что чем меньше масса молекул, тем выше их скорость при одной и той же температуре. Как самые лёгкие, молекулы водорода движутся быстрее молекул любого другого газа и тем самым быстрее могут передавать теплоту от одного тела к другому. Отсюда следует, что водород обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ. Его теплопроводность примерно в семь раз выше теплопроводности воздуха.
Таблица 1 — Применение водорода
При производстве аммиака, метанола, мыла и пластмасс, производство поликристаллического кремния (ПКК)
При производстве маргарина из жидких растительных масел.
Зарегистрирован в качестве пищевой добавки E949 (упаковочный газ)
Водород очень лёгок и в воздухе всегда поднимается вверх. Когда-то дирижабли и воздушные шары наполняли водородом. Но в 30-х гг. XX в. произошло несколько катастроф, когда дирижабли взрывались и сгорали. В наше время дирижабли наполняют гелием.
Водород используют в качестве ракетного топлива.
Ведутся исследования по применению водорода как топлива для легковых и грузовых автомобилей. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар.
В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую.
Физические свойства кислорода
При нормальных условиях кислород это газ без цвета, вкуса и запаха. 1л его весит 1,429 г. Немного тяжелее воздуха. Слабо растворяется в воде (4,9 мл/100г при 0 °C, 2,09 мл/100г при 50 °C) и спирте (2,78 мл/100г при 25 °C). Хорошо растворяется в расплавленном серебре (22 объёма O2 в 1 объёме Ag при 961 °C). Является парамагнетиком.
При нагревании газообразного кислорода происходит его обратимая диссоциация на атомы: при 2000 °C — 0,03 %, при 2600 °C — 1 %, 4000 °C — 59 %, 6000 °C — 99,5 %.
Жидкий кислород (темп. кипения ?182,98 °C) это бледно-голубая жидкость.
Таблица 2 — Применение кислорода
Конвертерный способ производства стали связан с применением кислорода.
Сварка и резка металлов
Кислород в баллонах широко используется для газопламенной резки и сварки металлов.
В качестве окислителя для ракетного топлива применяется жидкий кислород, пероксид водорода, азотная кислота и другие богатые кислородом соединения. Смесь жидкого кислорода и жидкого озона — один из самых мощных окислителей ракетного топлива (удельный импульс смеси водород — озон превышает удельный импульс для пары водород-фтор и водород-фторид кислорода).
Кислород используется для обогащения дыхательных газовых смесей при нарушении дыхания, для лечения астмы, в виде кислородных коктейлей, кислородных подушек и т. д.
В пищевой промышленности
В пищевой промышленности кислород зарегистрирован в качестве пищевой добавки E948[5], как пропеллент и упаковочный газ.
1. Технологическая часть
1.1 Теория процесса. Обоснование электрохимического способа
Получение водорода и кислорода электролизом воды осуществляется по сравнительно простой технологической схеме. Подготовка сырья — чистой воды — и первичная переработка получающихся при электролизе водорода и кислорода (охлаждение, очистка от щелочного тумана, осушка) не требуют сложного оборудования.
Электролиз воды протекает по общему суммарному выражению:
Удельная электропроводимость обычной водопроводной воды невелика и близка к 10 -1 См м -1 , а очень чистой дистиллированной воды — около 4 10 -6 Смм -1 . Для увеличения удельной электропроводимости воды при электролизе применяют водные растворы электролитов — кислот, щелочей, солей.
В промышленности в настоящее время используют практически только щелочные электролиты: водные растворы едкого кали или едкого натра. Другие электролиты (растворы некоторых солей или кислот) иногда применяются в специальных электролитических установках.
Для предотвращения или уменьшения коррозии деталей электролизеров при приготовлении электролита применяют только чистые КОН или NaOH, обычно получаемые электролизом растворов хлоридов щелочных металлов методом с ртутным катодом.
Для получения водорода электролизом воды используют дистиллированную или обессоленную природную воду, что позволяет избежать накопления в электролите различных примесей. Однако, несмотря на эти предосторожности, в электролите при длительной работе накапливаются примеси, содержащиеся (хотя и в небольшом количестве) в питательной воде или появляющиеся там в результате коррозии деталей электролизеров. Обычными примесями к электролиту являются СО3 2- , Cl — , SO4 2- , SiO3 2- , железо, продукты разрушения металлических деталей электролизера и диафрагмы.
В процессе электролиза происходят небольшие потери электролита, и при длительной работе устанавливаются стационарные концентрации примесей в результате равновесия между количествами примесей, поступающих в электролизер и теряемых с электролитом.
При питании электролизера дистиллированной или обессоленной водой содержание посторонних ионов в электролите обычно очень невелико и не превышает для всех примесей (исключая карбонаты) 1-5 г/л. Содержание карбонатов может достигать нескольких десятков граммов на 1 л раствора. Особенно высоким оно может быть в том случае, если имеется постоянный контакт электролита с воздухом.
В процессе электролиза в кислых растворах на катоде происходит разряд ионов водорода с образованием атомарного водорода и последующей рекомбинацией его в молекулярный по каталитическому или электрохимическому механизму в зависимости от материала катода и условий проведения электролиза
1.2 Описание технологической схемы
Получение водорода в HySTAT-A производится методом электролиза: находящаяся в электролизере вода под воздействием электричества расщепляется на молекулы водорода и кислорода. При прохождении тока между двумя электродами, разделенными токопроводящим электролитом — так называемой «ионно-транспортной средой», — на отрицательном электроде (катоде) выделяется водород, а на положительном (аноде) — кислород. Как видно из химической формулы воды Н2О, водорода при этом производится вдвое больше, чем кислорода. Химическая реакция имеет следующий вид:
Пузырьки водорода и кислорода, образовавшиеся внутри отдельных ячеек электролизера, поднимаются по электролиту в верхнюю часть ячейки, где попадают в один из двух отдельных каналов. Через их выпускные отверстия каждый газ поступает в отдельный газосепаратор, где отделяется от жидких частиц электролита.
Из газосепаратора газ направляется в газоочиститель и промывается деминерализованной водой с целью удаления из газового потока остатков КОН.
Далее водород поступает в коалесцирующий фильтр, где из газа удаляются капельки воды. Отсюда газ выпускается в атмосферу или поступает в трубопровод подачи потребителю.
1.3 Выбор и обоснование состава электролита, режима процесса
В щелочных растворах, где концентрация ионов водорода очень мала, и в кислых растворах при очень высоких плотностях тока недостаток ионов водорода у катода должен восполняться за счет прямого разряда молекул воды с образованием атомарного водорода и иона ОН — с последующей рекомбинацией атомарного водорода в молекулярный
В электролите не должны содержаться ионы, разряжающиеся при потенциале выделения водорода, а также примеси, которые могли бы восстанавливаться на катоде. Если в растворе присутствуют катионы, имеющие более положительный потенциал выделения по сравнению с водородом, происходит их выделение на катоде с образованием соответствующего осадка. Практически же в электролите всегда имеются небольшие количества ионов железа, попадающих в него с питательной водой и в результате коррозии металлических деталей электролизеров. Поэтому в промышленных условиях на катодной поверхности всегда осаждается осадок металлической губки, причем скорость ее образования на катоде зависит от количества примесей, поступающих в электролит.
Выделение кислорода на аноде происходит в результате разряда гидроксилионов или молекул воды. В щелочных растворах при умеренной плотности тока разряжаются ионы гидроксила
В кислых электролитах и при высоких плотностях тока в щелочных растворах происходит также разряд молекул воды
В щелочных электролитах перенос тока осуществляется главным образом ионами ОН — и щелочных металлов (К + или Nа + ). Участие ионов примесей, загрязняющих электролит, в общем переносе тока невелико вследствие невысокой их концентрации. Ионы К + и Nа + , а также ионы примесей к электролиту (С1 — , SO4 2- и др.) на электродах не разряжаются.
В качестве электролита в установках HySTAT-A используется водный раствор гидроокиси калия (КОН) с соотношением массы к объему 30%.
1.4 Выбор электролизера
Существует три основных типа электролизных установок HySTAT-A, которые различаются по своей производительности.
HySTAT-A-S-1000 обеспечивает производство до 10 (тип S10) или до 15 Н*м 3 /час.
HySTAT-A-D-1000 обеспечивает производство до 30 Н*м 3 /час.
HySTAT-A-Q-1000 обеспечивает производство до 60 Н*м 3 /час.
Номинальное давление при производстве водорода составляет от 8 до 10 бар(g), а давление в трубопроводе, по которому газ доставляется потребителю, определяется конфигурацией HySTAT-A.
Как расшифровывается название модели, описано ниже.
HySTAT™ = Hydrogen STATion (Станция по производству водорода) — торговый знак.
А = Alkaline technology (Щелочная технология).
S, D или Q = Система с одним (Single), двумя (Double) или четырьмя (Quadruple) электролизерами.
1000 = Площадь мембранной поверхности в электролизере (1 000 см 2 ).
В моем случае электролизер типа HySTAT-A-Q-1000.
В одном электролизёре 48 ячеек (соответственно в четырёх 192 ячейки)
Установка HySTAT-A состоит из двух подсистем — технологической части, где происходит генерация водорода, и силового модуля EPS (Electrolyzer Power Supply — источник питания электролизеров), который, в свою очередь, содержит блок питания и систему управления PLC (Programmable Logic Controller — программируемый логический контроллер). Последняя представляет собой микропроцессорное устройство, управляющее работой всей системы HySTAT-A.
Рис. 1 1 — Каркас; 2 — Фланец подключения потребительского трубопровода; 3 — Фланец подключения к вентиляционной системе; 4 — Газосепаратор; 5 — Водяной затвор; 6 — Клапан электролита; 7 — Коалесцирующий фильтр; 8 — Насос деминерализованной воды; 9 — Компенсационные баки; 10 — Теплообменник электролита; 11 — Электролизер; 12- Поддон.
2. Расчетная часть
2.1 Материальный расчет
электрохимический электролиз водород кислород
По закону Фарадея в результате прохождения через электролит двух фарадеев электричества на катоде выделяется 2 г-экв водорода (1 моль занимающий при нормальном давлении и температуре 0,0224 ) и 1 г-экв кислорода (0,5 моля — объем 0,0112 ) и израсходован 1 моль воды. Фактически водорода и кислорода выделяется меньше, так как выход по току в этом процессе ниже 100 % и составит 95-98%, а воды израсходуется больше из-за уноса ее паров с газами. Паров уносится тем больше, чем выше температура, при которой идет электролиз.
Материальный баланс-количество загружаемых реагентов и получаемых продуктов на каждой стадии технологического процесса с учетом промежуточных и побочных продуктов.
Материальный баланс составляется на основании закона сохранения массы вещества — количество веществ, вступивших в реакцию, равно количеству веществ, полученных в результате реакции.
Приходные статьи баланса
Расход воды на электролиз
где gH2O — электрохимический эквивалент воды, г/А *ч;
Расходные статьи баланса
На катоде выделяется газообразного водорода за 1 час:
где I — cила тока, проходящего через электролизер, А;
n — количество ячеек в электролизере, шт;
gH2 — электрохимический эквивалент водорода, г/А * ч;
Bm — выход по току, доли; ф — продолжительность электролиза, час.
mH2 = 1000 * 1 * 0,037 * 0,95 * 192 = 6748,8 г/ч
На аноде выделится газообразный кислород за 1 час:
где gO2 — электрохимический эквивалент кислорода, г/А * ч;
Или gO2 = 11,2/2 * 26,8 = 0,209 л/А * ч
mO2 =1000 * 1 * 192 * 0,298 * 0,95 = 55355,2 г/ч
Расход воды на испарение:
Так как электролизер герметичен, то
Потери воды за счет уноса с газами:
Для расчета требуется найти объем газов в реальных условиях, т.е в условиях температуры и влажности атмосферы промышленного предприятия.
Объем выделившихся за 1 час газов — водорода и кислорода (6)
V 0 p = gp * Bm * I * n * ф = 0,418 * 0,98 * 1000 * 192 * 1 = 78650,88
V 0 O2 = gO2 * Bm * I * n * ф = 0,209 * 0,98 * 1000 * 192 * 1 = 39325,44
Объем влажного газа при реальной температуре:
где p — давление насыщенного водяного пара при температуре воздуха, Па; B- барометрическое давление, Па; t — реальная температура в аппарате, .
V t H2 = 78650,88 * 760 * (273+80) / 273 *(7502 — 17,5) * 0,995 = 10378,8 л
V t O2 = 39325,44 * 760 * (273+80) / 273 * (7502 — 17,5) * 0,995 = 5189,3
Суммарный объем влажных газов:
V r газ — 15,6 м 3
где y — влагосодержание газов, г/
m унос pO = 15,6 * 20 *10 -3 = 0,31 м/час
Данные расчета баланса сводятся в таблицу 3
Источник
