3 Як і з чого в даний час отримують водень?

У розпорядженні сучасних технологів є сотні технічних методів отримання водневого палива, вуглеводневих газів, рідких вуглеводнів, води. Вибір того чи іншого методу диктується економічними міркуваннями, наявністю відповідних сировинних і енергетичних ресурсів. У різних країнах можуть бути різні ситуації. Наприклад, в країнах, де є дешева надлишкова електроенергія, що виробляється на гідроелектростанціях, можна отримувати водень електролізом води (Норвегія); де багато твердого палива та дороги вуглеводні, можна отримувати водень газифікацією твердого палива (Китай); де дешева нафта, можна отримувати водень із рідких вуглеводнів (Близький Схід). Однак найбільше водню отримують в даний час з вуглеводневих газів конверсією метану і його гомологів (США, Росія).

У процесі конверсії метану водяною парою, діоксидом вуглецю, киснем та оксиду вуглецю водяною парою протікають наступні каталітичні реакції. Розглянемо процес отримання водню конверсією природного газу (метану).

Отримання водню здійснюється в три стадії. Перша стадія - конверсія метану в трубчастої печі:

CH4 + H2O = CO + 3H2 - 206,4 кДж / моль

або

CH4 + CO2 = 2CO + 2H2 - 248, 3 кДж / моль.

Друга стадія повязана з доконверсіею залишкового метану першій стадії киснем повітря і введенням в газову суміш азоту, якщо водень використовується для синтезу аміаку. (Якщо виходить чистий водень, другої стадії принципово може і не бути).

CH4 + 0,5 O2 = CO + 2H2 + 35,6 кДж / моль.

І, нарешті, третя стадія - конверсія оксиду вуглецю водяною парою:

CO + H2O = СO2 + H2 + 41,0 кДж / моль.

Для всіх зазначених стадій потрібно водяна пара, а для першої стадії - багато тепла, тому процес в енерго - технологічному плані проводиться таким чином, щоб трубчасті печі зовні обігрівалися спалюється в печах метаном, а залишкове тепло димових використовувалося для отримання водяної пари.

Розглянемо, як це відбувається в промислових умовах (схема 1). Природний газ, який містить в основному метан, попередньо очищають від сірки, яка є отрутою Щоб каталізатора конверсії, підігрівають до температури 350 - 370 C° і під тиском 4,15 - 4,2 МПа змішують з водяною парою в співвідношенні обсягів пар: газ = 3 , 0: 4,0. Тиск газу перед трубчастою піччю, точне співвідношення пар: газ підтримуються автоматичними регуляторами.

Утворюється парогазова суміш при 350 - 370 C° надходить у підігрівник, де за рахунок димових газів нагрівається до 510 - 525 С. Потім парогазову суміш направляють на першу сходинку конверсії метану - в трубчасту піч, в якій вона рівномірно розподіляється по вертикально розташованими реакційним труб (8). Температура конвертованого газу на виході з реакційних труб досягає 790 - 820 С°. Залишковий зміст метану після трубчастої печі 9 - 11% (обемн.). Труби заповнені каталізатором.

Після реакційних труб конвертована парогазова суміш проходить підйомні труби (9) і по колектору (10) потрапляє в шахтний конвертор метану другого ступеня (11). Тут на нікелевому каталізаторі відбувається киснева конверсія залишкового метану. Температура конвертованого газу на виході з реактора другого ступеня досягає 990 - 1000 C°, залишкове вміст метану в конвертованій газі становить 0,35 - 0,55% (обемн.).

Після двоступеневої конверсії метану, якщо водень призначається для синтезу аміаку, в конвертованій газі крім водню (57%) і азоту (22,4%) утримуються оксид вуглецю 13,4% і діоксид вуглецю 7,7% (обемн.).

Оксид вуглецю далі перетворюється на водень та діоксид вуглецю в системі парової конверсії. Парова конверсія оксиду вуглецю до водню проводиться в два ступені. Перший ступінь конверсії здійснюється при температурі 330 - 400 С° на залізо-хромовому каталізаторі, при цьому на виході з конвертора першого ступеня вміст оксиду вуглецю у конвертованій газі падає до 3,3% (обемн.), і з таким змістом оксиду вуглецю газ, пройшовши через випарник , набуває в другу, низькотемпературну ступінь конверсії. Тут на низькотемпературному каталізаторі конверсії, що містить оксидні сполуки міді, цинку, алюмінію, хрому, при температурі 190-210 С° відбувається доконверсія залишкового оксиду вуглецю до його змісту на виході з конвертора 0,4 - 0,5%. Далі газ надходить на очищення вуглецю різного роду поглиначами. Так у промислових умовах отримують чистий водень і азот-водневу суміш.