Производство белка на водороде - Волова Т.Г.
Скачать (прямая ссылка):
Водород. В современном промышленном производстве водород используется в больших количествах для синтеза аммиака и метилового спирта, для гидроочистки и гидрокрекинга нефтяных продуктов. В последнее десятилетие его применение возросло в связи с развитием нефтехимии, ракетной техники и энергетики. Темпы его мирового производства увеличились с 1970 по 1977 г. от 18 до 30 млн. т/год. Около половины получаемого водорода используется для синтеза азотных удобрений. Если этот водород применять для синтеза БВБ, то можно полностью покрыть имеющийся в мире белковый дефицит. Сырьем для получения водорода служат вода и любое топливо (уголь, нефть, природный газ). Мировые запасы органического топлива оцениваются в (10—300) X 1019 ккал, из них 1,5-1013 ккал каменного угля; запасы воды в океанах — в 1,3-1018 т. Таким образом, ресурсы водорода на Земле можно считать неисчерпаемыми. Роль того или иного сырьевого ресурса для получения водорода меняется в зависимости от технической разработанности технологий и стоимостной конъюнктуры. На рис. 43 представлена схема [Иоффе, 1960], на которой показаны способы получения Н2 в промышленности из различных видов сырья. До 60-х годов основным способом получения Н2 в СССР была газификация твердых топлив (кокса, антрацита и бурых углей).
При взаимодействии угля с нагретым паром (t° > 650°С) происходит реакция:
С + Н20 -j- СО + Н2 - 28,4 ккал,
С + 2Н20 -*¦ С02 + 2Н2 - 18 ккал.
Примерный состав водяного газа, получаемого в процессах газификации углей: С02 — 6%, СО — 38, Н2 — 50, СН4 —
0,5 и N2 — 5,5%. Водяной газ подвергается дальнейшей конверсии на катализаторах при t = 400—450°С:
СО + 2Н2 С02 + Н2 + 9,8 ккал.
Для получения 1000 м3 Н2 расходуется 0,67 т кокса, 7,1 т водяного пара, 260 м3 воды, 106 кВт-ч электроэнергии.
125
Рис. 43. Способы производства водорода из различных видов сырья.
В послевоенные годы в нашей стране и за рубежом более широкое распространение получил метод паровой каталитической конверсии углеводородов, который оказался более экономичным. Стоимость аммиака при производстве водорода из природного газа в 2,2 раза меньше, чем из кокса. При этом методе сырьем служат углеводородные газы (природные, коксовые), газы переработки нефти, жидкие нефтепродукты (наф-та, бензин, мазут) и вода.
Способ паровой каталитической конверсии имеет несколько разновидностей [Производство технологического газа..., 1971; Письмен, 1976].
1. Паровая каталитическая конверсия с подогревом. Химический процесс может быть описан реакциями
СН4 + НгО sft СО + ЗН2 - 49 ккал;
CO + Н20 С02 + Н2 + 9,8 ккал.
Процесс ведется при t = 830°С и давлении 2 атм с применением никелевых катализаторов. Конвертированный газ до очистки от окислов углерода имеет состав, близкий к следующему: С02 - 10-14%, СО — 10-15, Н2 - 71-76, СН4 — 1,3— 2,6%. Конверсия происходит в стальных реакционных трубах (id = 100—150 мм) с внешним обогревом. Парогазовый поток движется через слой катализатора высотой до 12 м. Интенсивность процесса определяется интенсивностью подвода тепла для реакции, сопротивлением слоя катализатора и его активностью.
2. Автотермическая парокислородная конверсия. Основные реакции:
СН4 + 0,502 & СО + 2Н2 + 8,5 ккал;
СН4 + Н20 СО + ЗН2 - 49,3 ккал;
126
CO -f- Н20 C02 -|- H2 4* 9,8 ккал;
CH4 + C02 & 2CO + 2H2 - 59,1 ккал.
Конвертированный газ имеет состав: С02 — 23%, СО — 4, Н2 — 72, остальное — примесь СН4. В зависимости от давления и избытка окислителя соотношение Н2/СО может довольно широко варьировать. Расход кислорода 205 м3 на 1000 м3 СО + Н2.
Приведенные способы конверсии технически и аппаратур-но хорошо разработаны. КПД современных установок составляет 60—65%, производительность — 30—40 тыс. т Н2/год.
Находят применение и другие методы конверсии и газификации.
3. Высокотемпературная некаталитическая конверсия метана за счет неполного горения в кислороде (t = 1400—1500°С):
СН4 4- 02 -*¦ СО + Н2 + Н20 + 66,4 ккал.
Состав получаемого газа: СО — 34,7%, Н2 — 62%.
4. Конверсия на окислах металлов (t — 760—810°С);
СН4 + МеО -> 2Н2 + СО + Me;
Me + Н20 -> МеО + Н2.
5. Конверсия в псевдоожиженном слое катализатора.
6. Газификация твердого топлива в кипящем слое катализатора.
7. Газификация топлива (любого) под давлением 25 атм и t — 1400°С путем форсунного ввода в реактор одновременно с нагретым кислородом и паром.
8. Термическое разложение углеводородов при t = 980°С:
СН4 С + 2Н2.
Перспективным считается метод получения водорода из воды с помощью восстановленных природных и искусственных окислов, называемых энергоаккумулирующими веществами (ЭАВ). Ими могут служить шлаки твердотопливных электростанций. Разрабатываются методы их активации. Хорошо разработанный и имеющий промышленное значение способ производства водорода — электролиз воды. Процесс схематически описывается уравнениями
2Н20 -у 2Н+ + 20Н";
2Н+ -f- 2е~ —Н2 (катод);
20Н~ — 2е~ —1/202 (анод).
В современных промышленных электролизерах процесс осуществляется при температуре около 100°С с применением жидких электролитов и напряжением на ячейках 1,8—2,9 В. Затраты воды 0,9 л Н20/1 м3 Н2; коэффициент полезного дей-
