Производство водорода: технологии получения в лаборатории

Определение водорода

Водород — самый распространенный во Вселенной элемент. Он составляет основную часть массы Солнца и других звезд. Водород входит в состав газообразных туманностей, межзвездного газа, звезд во Вселенной, где его атомы превращаются в атомы гелия. Этот процесс происходит с выделением энергии (термоядерная реакция), что служит для многих звезд, в том числе и Солнца, основным источником энергии.

Рис.23 Полет воздушного шара,  заполненного    водородом. Париж, 1783 г.

Эта энергия необходима для многих природных процессов. Солнечная энергия согревает Землю, приводит в движение воздушные массы атмосферы и воду рек, морей и океанов, обеспечивает процесс фотосинтеза у зеленых растений, наконец, является основным условием для существования жизни.

Водород широко распространен на Земле в виде свободной воды, кристаллизационной воды минералов, метана и углеводородов нефти, различных гидроксидов, растительной и животной биомассы, органического вещества почвы.

Положение в периодической системе химических элементов

Водород расположен в главной подгруппе I группы  и в первом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение водорода

Электронная конфигурация  водорода в основном состоянии:

+1H 1s1     1s

Атом водорода содержит на внешнем энергетическом уровне один неспаренный электрон в основном энергетическом состоянии.

Степени окисления атома водорода — от -1 до +1. Характерные степени окисления -1, 0, +1.

Водород его формула и молярная масса

Как простое вещество водород состоит из двух атомов
. Его относительная молекулярная масса равна ~ 2 г/моль, он является самым легким и хорошо проводящим теплоту газом. При обычных условиях он встречается в атмосфере в небольших количествах. Водород обладает способностью растворяться в металлах. Как самый легкий газ, он обладает самой большой скоростью диффузии. Его молекулы по сравнению с молекулами других газов быстро распределяются в среде соответствующего вещества, легко проходят через различные препятствия. При высоком давлении и температуре эта его способность значительно возрастает.

Физические свойства. Водород — это газ без цвета, вкуса и запаха, плохо растворяется в воде (в 1 л при нормальных условиях растворяется 21,5 мл), хорошо растворяется в некоторых металлах (никель, палладий, платина). Это самый легкий газ — в 14,5 раз легче воздуха. Температура кипения -252,6°С; при -259, ГС образуются прозрачные кристаллы.

Химические свойства

При обычной температуре активность молекулярного водорода небольшая, но атомарный водород очень активен.

Водород образует летучие соединения почти со всеми неметаллами. В зависимости от активности неметалла реакция протекает быстро или медленно.

1. Со фтором он взаимодействует уже при комнатной температуре:

2. С хлором вступает в реакцию на свету, а при нагревании взрывается (в темноте и без нагревания соединяется медленно):

3. При обычных условиях с кислородом не взаимодействует. Смесь водорода и кислорода в объемном соотношении 2:1 называется «гремучим газом», который при внешнем воздействии взрывается. Водород горит в кислороде:

При этой реакции температура может достичь 3000°С.

Со многими неметаллами водород вступает в реакцию при высоких температуре и давлении, в присутствии катализаторов (например, с серой и азотом).

1. При высоких температурах водород восстанавливает (вытесняет) металлы из их оксидов:

2. Щелочные и щелочноземельные металлы образуют с водородом при высоких температурах солеподобные соединения — гидриды:

Атомарный водород при комнатной температуре вступает в реакцию с серой, мышьяком, фосфором, кислородом, восстанавливает металлы из оксидов.

Физические свойства

Водород– легкий газ без цвета, без запаха. Молекула водорода состоит из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью:

Н–Н

Соединения водорода

Основные степени окисления водорода +1, 0, -1.

Типичные соединения водорода:

Степень окисления	Типичные соединения
+1	кислоты H2SO4, H2S, HCl и др. вода H2O и др. летучие водородные соединения (HCl, HBr) кислые соли (NaHCO3  и др.) основания NaOH, Cu(OH)2 основные соли (CuOH)2CO3
-1	гидриды металлов NaH, CaH2 и др.

 Методы производства водорода

• паровая конверсия метана и природного газа;
• газификация угля;
• электролиз воды;
• пиролиз;
• частичное окисление;
• биотехнологии.

Промышленный метод получения водорода .

1. Электролиз водных растворов солей (поваренная соль NaCl).

2. Пропускание паров поды над раскаленным коксом (Т = 1000 °С):

H2O + C = H2 ↑+ CO,

Реакция обратима!

Смесь (Н2, СО и Н2О) называется водяным газом.

А на 2-ой стадии водяной газ пропускают над оксидом железа (III) при температуре около 450°С:

СО + Н2О = СО2 + Н2↑,

Часто эту реакцию называют реакцией сдвига.

3. Получение из природного газа. Основа – конверсия метана (основной компонент природного газа, СН4) с водяным паром. В итоге получается обратимая смесь, которая называется синтез-газом. Условия протекания процесса: никелевый катализатор и 1000°С:

СН4 + Н2О = СО2 + 3Н2↑,

Эту реакцию часто используют для получения водорода для реакции Габера (синтез аммиака).

4. Крекинг нефтяных продуктов.

Лабораторный метод получения водорода.

1. Под воздействием разбавленных кислот на металлы, которые стоят в ряду напряжения левее водорода.

Zn + HCl = ZnCl2 + H2↑,

2. Электролиз растворов кислот, щелочей на катоде выделяется водород.

3. Действие щелочей на цинк или алюминий:

2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2↑

4. Гидролиз гидридов:

NaH + H2O = NaOH + H2↑,

5. Реакция кальция с водой:

Ca + 2H2O = Ca(ОН)2 + H2↑.

Вычисление водорода

В химических реакциях наряду с жидкими и твердыми веществами участвуют и газы. Осуществление расчетов с газообразными веществами происходит обычно в единицах объема

В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул. Например, в 22,4 л любого газообразного вещества при 0°С и 101,325 кПа содержится
молекул.

Плотность газа р — это отношение молярной массы газа (М) к его молярному объему

Относительная плотность газов рассчитывается как отношение их молекулярных масс по уравнению:

 Сырье и продукты

На российских НПЗ наиболее распространенным методом получения водорода является паровая конверсия углеводородов (СУГ, нафты, природного газа).

Продуктами являются чистый водород с концентрацией >99% об., а также отдувочный газ, который чаще всего используется в качестве топлива для печей.

 Технологическая схема

В состав установки производства водорода входят следующие блоки и узлы:

• блок подготовки и очистки сырья;
• блок предриформинга;
• блок парового риформинга;
• блок конверсии и охлаждения конвертированного газа;
• блок очистки водородсодержащего газа по технологии КЦА;
• блок утилизации тепла продуктовых потоков и дымовых газов.

Принципиальная схема установки производства водорода методом паровой конверсии 1 – печь риформинга; 2 – реактор гидрообессеривания; 3 – адсорберы; 4 – реактор предриформинга; 5 – реактор конверсии СО; 6 – блок короткоцикловой адсорбции (КЦА)

Очистка сырья

Природный газ поступает в подогреватель, нагревается до температуры 40 °С. Для гидрирования сернистых соединений, содержащихся в сырье, до серо­водорода, требуется небольшое количество водорода.

С этой целью часть водоро­да, полученного на установке, подается в качестве рециркуляционного водорода в поток сырья. Смесь сырья и рециркулирующего водорода, последова­тельно поступая в теплообменники, нагревается до температуры 380 °С, необходимой для предварительной очистки сырья.

Кстати, прочтите эту статью тоже:  Установка гидрокрекинга

Подогретая газосырьевая смесь поступает в реактор гидрообессеривания, где происходит гидрирование соединений серы до H2S. Газосырьевая смесь из реактора последо­вательно проходит через адсорберы, где происходит улавливание хлоридов (НСl) и сернистых соединений (H2S). В каждом из этих реакторов имеется три слоя катализатора:

• модифицирован­ный оксид алюминия для удаления НСl,
• оксид цинка,
• слой специального катализатора для эффективного и глубо­кого удаления H2S.

 Предриформинг

Очищенная газосырьевая смесь смешивается с перегретым паром высокого давления. Соотношение расходов регулируется с поддержанием заданного мольного соотношения водяного пара и углерода. Величина значения этого соотношения зависит от типа сырья, подаваемого на установку.

Далее парогазовая смесь нагревается до температуры реакции 475 °С – 500 °С, в змеевике подогрева сырья предриформинга, расположенном в конвек­ционной секции печи парового риформинга и направляется в реактор пред­риформинга.

Предриформинг служит для превращения тяжелых углеводородов, содер­жащихся в сырье, в метан, а также для частичного проведения реакций рифор­минга, при этом эффективность процесса повышается.

В зависимости от типа перерабатываемого сырья, может наблюдаться уве­личение или снижение общей температуры по реактору. Так при переработке бен­зинов увеличивается общая температура по реактору, за счет преобладания про­текания реакций с экзотермическим эффектом, а при переработке природного газа температура по реактору падает, за счет протекания реакций с эндотермическим эффектом.

 Риформинг

Парогазовая смесь нагревается до температуры 650 °С в змеевике по­догрева сырья риформинга, расположенном в конвекционной секции печи парового риформинга, и затем поступает в коллектор, расположенный в радиантной секции печи парового риформинга.

В радиантной секции печи парового риформинга смесь сырья и пара посту­пает в катализаторные трубы, находящиеся в радиантной секции печи парового риформинга Н-1, проходит сверху вниз катализаторные трубы. В результате реак­ции, протекающей на катализаторе, загруженном в катализаторные трубы, полу­чается равновесная смесь, состоящая из Н2, СО, СO2, СН4 и Н2O.

Для предотвращения образования кокса и отложения его на катализаторе технологический пар подается в избытке, превышая стехиометрическое количест­во, требуемого на реакцию.

Полученный конвертированный газ (парогазопродуктовая смесь) выходит из печи парового риформинга при температуре 888 °С и далее направляется в те­плообменник. В теплообменнике происходит охлаждение питательной воды до температуры 320-343 °С, регенерированное тепло используется для генериро­вания насыщенного пара высокого давления.

Общий тепловой эффект реакций парового риформинга является в сильной степени эндотермическим, поэтому для достижения требуемой степени конверсии необходим подвод тепла.

Конверсия окиси углерода и охлаждение синтез-газа

Водородсодержащий газ после парового риформинга и охлаждения поступает в реактор высокотемпе­ратурной конверсии, где избыточный пар превращает большую часть СО в С02 и Н2 при прохождении через слой катализатора.

Синтез-газ, подвергнутый конверсии, охлаждается, отдавая тепло потокам системы выработки водяного пара. Далее частично охлажденный синтез-газ поступает в воздушный, а затем на доохлаждение в водяной холодильник, где охлаждается до температуры 35 °С и поступает в сепаратор для разделения смеси на неочищенный водород и технологический конденсат.

Технологический конденсат смешивается с химочищенной водой, посту­пающей из сетей завода и направляется в деаэратор, а неочищенный водород подается в блок короткоцикловой адсорбции.

Короткоцикловая адсорбция водородсодержащего газа

Поток неочищен­ного водородсодержащего газа поступает в блок короткоцикловой адсорбции (КЦА), где происходит удаление примесей в процессе циклической адсорбции. Для выполнения заданной степени концентрирования водорода и удаления при­месей в процессе используются многочисленные адсорбционные слои. Принятая схема блока позволяет извлечь водород с концентрацией 99,5 % (об.) из кон­вертированного газа, а сбросной газ направляется в качестве топлива в реакторную печь.

Блок короткоцикловой адсорбции (КЦА)

В блоке КЦА происходит очистка конвертированного водородсодержащего газа от примесей метана, окислов углерода путем адсорбции загрязнений на ад­сорбенте при высоком давлении и десорбции при низком давлении.

Блок утилизации тепла дымовых газов

В блоке утилизации тепла дымовых газов и продуктовых потоков произво­дится водяной пар высокого давления за счет охлаждения дымовых газов и про­дуктовых потоков. Одновременно с этим предусмотрено использование тепла дымовых газов для нагрева питательной воды, перегрева производимого водяного пара и подогрева воздуха, подаваемого к горелкам печи.

Способы получения

Еще один важный промышленный способ получения водорода — паровая конверсия метана. При взаимодействии перегретого водяного пара с метаном образуется угарный газ и водород:

СН4 + Н2O → СО + 3Н2

Также возможна паровая конверсия угля:

C0 + H2+O → C+2O + H20

Паровая конверсия

Более 50% всего водорода получается путём паровой конверсии воды и метана. При этом три основных составляющих (природный газ, водяной пар и оксиген) смешиваются в определённых пропорциях.

Таким образом, часть природного газа сгорает вместе с кислородом, тем самым поддерживая необходимую температуру для продолжения химической реакции. Метан, не выгоревший во время реакции конверсии, реагирует с водяным паром, образуя оксид углерода (то есть сажу) и непосредственно гидроген.

Простота и относительная лёгкость делает производство водорода путём паровой конверсии наиболее дешёвым из всех доступных.

Разделение метана на углерод и водород

Второй метод получения гидрогена – крекинг метана, простейшего по составу углеводорода. Благодаря специальному процессу сжиженный метан нагревается до температур свыше 1000-1400 °С, после чего газ начинает разлагаться на гидроген и карбон.

Благодаря дешевизне метана, а также простому способу его получения, такой тип добычи водорода проще всего. Однако высокие температуры и потенциальная пожароопасность требуют дополнительных мер безопасности. К тому же, оборудование для полного процесса крекинга не из дешёвых.

Электролиз воды

Ещё один вид добычи гидрогена – электролиз воды. Это второй по распространённости метод добычи водорода, обеспечивающий достаточно высокую чистоту конечного продукта. Сопутствующим «бонусом» в этом технологическом процессе становится кислород, не менее важный элемент.

Для такого способа производства требуются значительные запасы воды. Тем не менее он совсем не требователен к её качеству – для электролиза можно использовать промышленную, дождевую или даже сточную воду.

Пиролиз

Последняя из наиболее распространённых методик – пиролиз. Иными словами – разложение органики при помощи термической обработки.

«Топливом» для этого могут служить отходы сельского хозяйства и пищевых производств:

• Птичий помёт и другие побочные продукты животноводства.
• Отходы рыбных, соко- и мясокомбинатов.
• Некоторые виды технических культур, специально выращенных для получения биомассы.

При переработке всех этих биоотходов при помощи специальных бактерий образуется синтез-газ, в основном состоящий из двуокиси карбона и метана. Продуктом их переработки и становится гидроген.

Такой способ производства набирает всё большую популярность ввиду того, что, помимо гидрогена, из биомассы добываются этилен и ацетилен. Также ценным сырьём являются и сами биоотходы, которые широко используются в сельском хозяйстве для производства удобрений.

Как превратить воду в водород: простейший опыт

Солнечный генератор водорода / кислорода DIY — простой «электролиз» с использованием солнечного света! (превращает воду в топливо).

Соблюдайте безопасность в опытах с воспламеняющимися веществами!

Я покажу вам, как сделать простое устройство, которое превращает / расщепляет воду на водород и кислород. Это удивительно просто и прекрасно работает. (не забудьте посмотреть видео, так как оно показывает много дополнительных деталей — в том числе пузырьки, просто вылетающие из карандашей). Видео показывает, что генератор водорода питается от солнечной батареи, батареи 9 В и трансформатора переменного / постоянного тока.

Применение водорода

Применение водорода основано на его физических и химических свойствах:

• как легкий газ, он используется для наполнения аэростатов (в смеси с гелием);
• кислородно-водородное пламя применяется для получения высоких температур при сварке металлов;
• как восстановитель используется для получения металлов (молибдена, вольфрама и др.) из их оксидов;
• водород используется для получения аммиака и искусственного жидкого топлива;
• получение твердых жиров (гидрогенизация).

Распространение водорода в природе

Влейте в пробирку немного разбавленной серной или соляной кислоты и опустите туда 2-3 кусочка цинка или алюминия. Подождите, когда из пробирки выйдет весь воздух, и потом подожгите полученный водород. Что вы наблюдаете? Запишите уравнение реакции.

Общая характеристика:

• Химической знак: Н
  
• Химическая формула простого вещества:
• Относительная молекулярная масса простого вещества:
• Валентность: I
• Относительная атомная масса:

На земном шаре водород по массе составляет 1%. Элемент водорода содержится в составе большинства органических соединений. Водород считается самым распространённым химическим элементом во вселенной (в космосе). Примерно 50% Солнца и все звёзды состоят в основном из водорода. Как вы знаете, в природе существует три изотопа водорода — Протий: Дейтерий:Тритий:

Наиболее широко распространённым в природе является Протий, наименее встречаемым — Дейтерий и в минимальном количестве, редко встречаемым — Тритий.

Впервые водород в чистом виде был получен английским учёным Г. Кавендишем в 1766 году.

Английский ученый. В 1766 году им был получен водород в чистом виде. Ученый вначале принял водород вследствие его легкости за флогистон.

Ваша оценка?