Железо паровой способ получения водорода

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Железо-паровой способ

Железо-паровой способ является мало совершенным и имеет ряд существенных недостатков, к которым следует отнести: большой расход водяного газа, идущего на восстановление реакционной массы, загрязненность водорода вредными примесями ( окись углерода и др.), периодичность процесса, отсутствие автоматического контроля над процессом, высокая стоимость получаемого водорода, малая производительность генераторов и др. Попытки удешевить производство водорода по этому способу путем замены водяного газа коксовым успеха не имели вследствие загрязнения водорода метаном и окисью углерода. [1]

Железо-паровой способ уступает способу конверсии водяного газа в силу более высокого расхода газа и низкой производительности реакционной аппаратуры. [2]

Наиболее старый железо-паровой способ , основанный на взаимодействии свежевосстановленного железа с водяным паром при температуре красного каления, отличается высокими расходными коэффициентами и низким качеством получаемого водорода и в настоящее время на азотных заводах не применяется. [3]

Железо-паровой способ производства водорода имеет широкое распространение, но применяется лишь на установках небольшой мощности. Это связано с тем, что агрегаты для производства водорода этим методом имеют небольшую производительность, кроме того, этот метод мало экономичен. [4]

Железо-паровой способ получения водорода требует большого количества аппаратов и дает дорогой продукт. Следует иметь в виду, что газы, получаемые в газогенераторах, а также водород применяются не только в азотной промышленности. Генераторные газы служат сырьем для производства спиртов, искусственного жидкого топлива, а также сами употребляются в качестве топлива. [5]

Железо-паровой способ производства водорода имеет широкое распространение, но применяется лишь на установках небольшой мощности. Это связано с тем, что агрегаты для производства водорода этим методом имеют небольшую производительность, кроме того, этот метод мало экономичен. [6]

Железо-паровой способ получения водорода является одним из распространенных на наших заводах. [7]

Сущность железо-парового способа получения водорода заключается в чередующемся воздействии на раскаленное железо водя-ногр пара и водяного газа. [8]

Дальнейшее развитие железо-паровой способ получил после того, как Жилар в 1846 г. установил [2], что окислы железа восстанавливаются при обработке генераторным газом и, таким образом, из определенного количества железа можно получать теоретически неограниченные объемы водорода. [9]

Основной дефект железо-парового способа — его периодичность, естественным результатом которой является громоздкость и сложность работы, необходимость усиленного контроля и значительной затраты рабочей силы. [10]

Получение водорода железо-паровым способом может вестись в агрегатах разного типа. [12]

Получение водорода железо-паровым способом основано на взаимодействии водяного пара с железом при высокой температуре. В настоящее время этод метод малорентабелен и применение его весьма ограничено. [13]

Получение водорода по железо-паровому способу осуществляется в промышленности на установках разных систем. Одна из более распространенных установок схематически изображена на фиг. Она состоит в основном из генератора и регенератора, соединенных между собой внизу горловиной. Оба эти аппарата имеют цилиндрическую форму и снабжены шамотной футеровкой. [14]

Однако получение водорода железо-паровым способом в современном его технологическом оформлении оказывается экономически неприемлемым для сколько-нибудь значительных по своим масштабам производств водорода из-за малой производительности этого процесса. [15]

Источник

Получение водорода

История открытия водорода История водорода начинается с XVI века, когда было замечено, что при действии кислот на железо и другие металлы выделяется некий неизвестный газ. Первоначально его назвали «горючим воздухом». Такое название газ получил из-за способности гореть. Во второй половине XVIII века английский ученый Генри Кавендиш получил водород при действии соляной кислоты HCl на цинк:

Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2­

Что же такое кислота с точки зрения химии? Кислота – это сложное вещество, в состав которого всегда входят атомы водорода. В формулах кислот атомы водорода принято писать на первом месте. Атомы, следующие в формуле за водородом, называют кислотным остатком. Так, в соляной кислоте HCl кислотный остаток – Cl.

Например, в серной кислоте H2SO4, кислотный остаток – SO4. Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток Генри Кавендиш изучил свойства «горючего воздуха». Он установил, что этот газ намного легче воздуха, а при сгорании на воздухе образует прозрачные капли жидкости. Этой жидкостью оказалась вода.

Генри Кавендиша считают первооткрывателем водорода. Вывод о том, что «горючий воздух» представляет собой простое вещество, был сделан в 1784 году французским химиком Антуаном Лораном Лавуазье. Антуан Лоран Лавуазье дал этому веществу латинское название (Hydrogenium), которое происходило от греческих слов «хюдор» – вода и «геннао» – рождаю. В те годы под элементами подразумевали простые вещества, которые нельзя далее разложить на составные части. Поэтому у химического элемента водорода такое же название, как и у просто вещества H2. Русское слово водород – это точный перевод латинского названия Hydrogenium.

Получение водорода в лаборатории

Современный лабораторный способ получения водорода не отличается от того, которым его получал Генри Кавендиш. Это реакции металлов с кислотами. В лаборатории водород получают в аппарате Киппа (рисунок 152).

Аппарат Киппа изготовляется из стекла и состоит из нескольких частей:

1. реакционная колба с резервуаром;
2. воронка с длинной трубкой;
3. газоотводная трубка.

Реакционная колба имеет верхнюю шарообразную часть с отверстием, в которое вставляется газоотводная трубка, снабженная краном или зажимом, и нижний резервуар в виде полусферы. Нижний резервуар и реакционная колба разделены резиновой или пластиковой прокладкой с отверстием, через которое проходит в нижний резервуар длинная трубка воронки, доходящая почти до дна. На прокладку через боковое отверстие шпателем насыпают твёрдые вещества (мрамор, цинк). Отверстие закрывается пробкой с газоотводной трубкой. Затем при открытом кране или зажиме в верхнюю воронку заливается раствор кислоты. Когда уровень жидкости достигает вещества на прокладке, начинается химическая реакция с выделением газа. При закрытии крана давление выделяющегося газа выдавливает жидкость из реактора в верхнюю часть воронки. Реакция прекращается. Открытие крана приводит к возобновлению реакции. Поместим в реакционную колбу кусочки цинка. В качестве кислоты воспользуемся серной кислотой. При контакте цинка и серной кислоты протекает реакция:

Zn + H2SO4 = ZnSO4 + H2­

Водородом можно заполнить мыльный пузырь.

Для этого необходимо опустить газоотводную трубку в мыльный раствор. На конце трубки начнется формирование мыльного пузыря, заполненного водородом; со временем пузырь отрывается и улетает вверх, что доказывает легкость водорода. Соберем выделяющийся водород. С учетом того, что водород намного легче воздуха, для сбора водорода сосуд, в котором собирается газ, необходимо располагать вверх дном, или производить собирание методом вытеснения воды. Как обнаружить водород? Заполним пробирку водородом, держа ее вверх дном, по отношению к газоотводной трубке. Поднесем пробирку отверстием к пламени спиртовки – слышится характерный хлопок.

Хлопок – это признак того, что в пробирке содержится водород. При поднесении пробирки к пламени водород вступает в реакцию с кислородом, содержащимся в воздухе. При малых количествах реакция кислорода и водорода сопровождается хлопком. Более подробно об этой реакции будет рассказано в следующем параграфе.

Получение водорода в промышленности

Одним из промышленных способов получения водорода является реакция разложения воды под действием электрического тока:

2H2O эл.ток → 2H2­ + O2­.

Данный метод позволяет получить чистый водород и кислород. Процесс превращения химических веществ в другие вещества под действием электричества называется электролизом.

Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока Проведем электролиз воды. В стакан наполненный водой, опустим металлические электроды. Поверх электродов опустим в стакан пробирки, заполненные водой. Подсоединим электроды к источнику тока – батарейке. В пробирках наблюдается выделение газов – водорода и кислорода, которые вытесняют воду. Наблюдая за процессом электролиза, можно заметить, что в одной из пробирок газа собирается в два раза больше, чем в другой. Проанализировав уравнение реакции электролиза воды, можно сделать вывод, в какой пробирке выделяется водород, а в какой – кислород. Попробуйте это сделать самостоятельно.

Существуют и другие способы получения водорода. Железо-паровой метод долгое время широко применялся в промышленности. Через электрическую трубчатую печь проходит трубка из нержавеющей стали, заполненная железными стружками. Через трубку с железными стружками пропускают водяной пар. При температуре около 800°С пары воды взаимодействуют с железом, образуя оксид Fe3O4 (железную окалину) и газообразный водород:

3Fe + 4Н2О = 4Н2­ + Fe3O4.

Можно получить Н2, пропуская Н2О через слой раскаленного угля. При этом образуется смесь двух газов – СО и Н2 (водяной газ):

Н2О + С = CO­ + Н2­

В настоящее время водород получают взаимодействием углеводородов (в основном метана, СН4) с водяным паром или неполным окислением метана кислородом:

2СН4 + О2 = 2СО + 4Н2

Итог статьи:

• В лаборатории водород получают в аппарате Киппа
• Исходными веществами для получения водорода в лаборатории являются некоторые металлы и кислоты
• Собирать водород нужно методом вытеснения воды, или методом вытеснения воздуха, расположив пробирку вверх дном по отношению к газоотводной трубке
• Кислота – сложное вещество, в состав которого входят атомы водорода и кислотный остаток
• Обнаружить водород можно по характерному хлопку при поднесении пробирки с водородом к пламени
• Одним из промышленных способов получения водорода является электролиз воды
• Электролиз – химическая реакция, протекающая под действием электрического тока

Источник

Получение водорода

Атом водорода состоит из ядра и одного электрона. С атомами металлоидов атомы водорода образуют ковалентные связи, более или менее поляризованные. В некоторых из этих соединений (Н₂O, НСl и др.) состояние атома водорода приближается к ионизированному Н + .

Главным источником получения водорода служит вода. Для получения из нее водорода можно воспользоваться способностью многих металлов вытеснять из воды водород с одновременным образованием гидроокисей или окисей взятых металлов. Особенно легко уже при обыкновенной температуре взаимодействуют с водой щелочные металлы натрий и калий, а также кальций, барий и др.

Если кусочек натрия бросить в чашку с водой, то происходит энергичная реакция; натрий с шипением начинает двигаться по поверхности воды, вытесняя из нее водород. При этом образуется так много тепла, что натрий плавится и превращается в шарик, который быстро уменьшается в размерах и вскоре исчезает (рис. 56). Иногда разогревание столь сильно, что выделяющийся водород загорается.

Взаимодействие натрия с водой выражается уравнением

Сущность этой реакции заключается в отдаче электрона атомом натрия одному иону водорода из молекулы воды. Атомы натрия превращаются при этом в положительно заряженные ионы, в виде которых и входят в состав NaOH, а ионы водорода превращаются в атомы, связывающиеся затем попарно с образованием молекул Н₂. Аналогично протекает реакция с калием и кальцием.

Кроме указанных металлов, с водой могут взаимодействовать и другие металлы, но уже при более высоких температурах. Так, магний вытесняет водород из воды при температуре ее кипения, цинк и железо только при накаливании их в струе водяного пара. Во всех этих случаях водород, находящийся в состоянии, близком к ионизированному, получает электроны от атомов металла и превращается в нейтральные атомы.

В промышленности для получения водорода из воды пользуются следующими методами.

Конверсионный метод является наиболее распространенным методом получения водорода, особенно идущего на синтез аммиака. При работе по этому методу сквозь слой раскаленного угля пропускают водяной пар. Образующаяся при этом смесь окиси углерода с водородом носит название водяного

г а з а и может применяться как газообразное топливо . Если процесс ведется с целью получения водорода, то для удаления из полученной смеси окиси углерода водяной газ пропускают вместе с водяным паром над раскаленной окисью железа, служащей катализатором. Окись углерода взаимодействует с водяным паром, образуя водород и углекислый газ. Эта реакция, называемая конверсией окиси углерода, выражается уравнением

При низких температурах равновесие сдвинуто вправо, а с повышением температуры смещается в сторону образования исходных веществ.

Так как реакция протекает с достаточной скоростью только при температурах не ниже 450°, то для повышения степени конверсии окиси углерода водяной пар добавляют к водяному газу в количестве, значительно большем, чем это следует из уравнения реакции, благодаря чему равновесие, несмотря на высокую температуру, остается сильно сдвинутым вправо.

Образовавшийся в результате конверсии углекислый газ отделяют от водорода, промывая газовую смесь водой, под давлением 20 ат. Для окончательной очистки водород пропускают еще через ряд растворов, поглощающих все примеси.

При работе по конверсионному методу вместо водяного газа часто пользуются другими газами, содержащими окись углерода, в частности генераторным газом.

Железо-паровой метод является наиболее старым из методов получения водорода, утратившим в настоящее время свое былое значение. Метод основан на взаимодействии железа с водяным паром при пропускании последнего над накаленными железными стружками:

Реакция обратима и в направлении слева направо идет с выделением тепла. Следовательно, в соответствии с принципом Ле-Шателье, чем ниже температура, тем сильнее равновесие должно быть сдвинуто в сторону образования водорода. Однако при низких температурах из-за малой скорости реакции равновесие устанавливается слишком медленно. Поэтому на практике реакцию ведут при температурах не ниже 700°. При 700° равновесная смесь содержит приблизительно равные объемы водорода и водяного пара, т. е. половина пропускаемого пара остается неиспользованной. Так как образующийся водород вместе с избытком водяного пара сейчас же удаляется из сферы реакции, то процесс идет непрерывно до тех пор, пока все железо не превратится в окалину. Образовавшуюся окалину восстанавливают затем водяным газом и снова пускают в реакцию.

Электрохимический метод получения водорода

При наличии дешевой электрической — энергии экономически целесообразно получать водород из воды, разлагая ее электрическим током. Преимуществом этого метода является высокая степень чистоты получаемого водорода, что исключает необходимость в весьма сложных устройствах для его очистки от примесей. Кроме того, с электролизом воды в настоящее время связано и получение тяжелой воды, необходимой для ядерных реакторов.

Электрохимическим методом получают около 18% мировой продукции водорода.

Некоторое количество водорода получается также методом глубокого охлаждения коксового газа. При нагревании каменного угля без доступа воздуха до 900—1200° образуется так называемый коксовый газ — смесь, содержащая около 50—60% водорода; твердый остаток представляет собой кокс. Для выделения водорода из коксового газа последний подвергают глубокому охлаждению. При этом все газы, кроме водорода, переходят в жидкое состояние и таким путем отделяются от водорода.

За последние двадцать лет в качестве источника получения водорода стал широко применяться метан, содержащийся в при родных газах и газах переработки нефти. В 1940 году в США из нового вида сырья было получено 5% водорода, идущего на синтез аммиака, в 1945 году — уже 45%, а в 1953 году—-66%.

Получение водорода из метана можно осуществить разными способами:

1) термическим разложением метана:

2) взаимодействием метана с водяным паром:

3) взаимодействием метана с двуокисью углерода или со смесью двуокиси углерода я водяного пара:

4) неполным окислением метана:

При всех этих способах, кроме первого, получаются газовые смеси с сравнительно высоким содержанием окиси углерода. Для увеличения выхода водорода эти смеси вместе с водяным паром подвергают конверсии.

Если водород не используют непосредственно на месте получения, то его транспортируют в сжатом состоянии в стальных баллонах, где он находится под большим давлением.

В лабораториях водород обычно получают действием разбавленной серной или соляной кислоты на цинк:

Вместо цинка можно взять железо, но в этом случае реакция идет гораздо медленнее.

Водород, получающийся при действии кислот на цинк и другие металлы, всегда содержит пары воды, а также некоторые газообразные примеси. Если нужен сухой водород, то получающийся газ освобождают от водяных паров, пропуская через концентрированную серную кислоту, жадно поглощающую влагу. Для удаления других примесей пользуются растворами различных солей.

Вы читаете, статья на тему Получение водорода

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник