застосуванням тиску і нікелевого каталізатора. Високотемператур­ну кисневу і кисневоповітряну конверсії СН₄ провадять при 1275 – 1400° С без каталізатора.

Враховуючи, що температура каталітичних реакцій при конверсії СО в СО₂ перебуває в межах 400 – 500° С, після конверсії СН₄ проводять конверсію СО в іншому апараті і з іншим каталізатором. Для конверсії СО найефективнішими є залізооксидні каталізатори з домішкою акти­ваторів на основі Сr, Pb, Mg, Cu та інших металів; вони працюють при температурах 425 – 4 50° С і співвідношенні пара – газ, рівному 3:1[5].

Парову каталітичну конверсію СН₄ і СО проводять за схемою – природний газ, що надходить на конверсію, нагрівається в трубчастому теплообміннику, до 380 – 400° С. Для кон­версії СН₄ використовують нікелевий каталізатор, тому природний газ ретельно очищають від H₂S і органічних сполук S при 380 – 400° С у поглиначі, виготовленому на основі Zn. Після поглинача сірчистих сполук у газі залишається не більш як 2 – 3мг/м³. Водяна пара для кон­версії підігрівається в пароперегрівнику до 380 – 400° С і потім змі­шується з очищеним природним газом у співвідношенні газ – пара, що дорівнює 1 : 2,5. Парогазова суміш надходить у трубчасту піч, де основна маса СН₄ зазнає конверсії. В зоні каталізатора парогазова суміш нагріваєть­ся до 700 – 750° С. Об'ємна швидкість процесу дорівнює 500 – 600 м³/(м³ ∙ год) в перерахунку на природний газ. З трубчастої печі конвертора СН₄ першого ступеня газова суміш надходить у конвертор СН₄ другого ступеня, куди подається і повіт­ря, після чого частково надходить у котел-утилізатор, де охолоджу­ється до 400° С, а частково — у зволожувач, де насичується до норми водяною парою. У змішувачі до газової суміші ще додається надлишок водяної пари, приблизно у півтора раза більший від стехіо­метричної кількості, що необхідно для повнішої конверсії СО в конвер­торі [2].

Газ, що виходить з конвертора, розділяється на два паралельних потоки, один з яких іде в теплообмінник для нагрівання природного газу, другий – у пароперегрівник для нагрівання водяної пари. У промисловості застосовують також процеси каталітичної конверсії під тиском до 30 ∙ 10⁵ Па, каталітичну парокисневу і парокисневоповітряну конверсії природного газу та ін. В останньому процесі ви­трата О₂ з розрахунку на 1 т NН₃ на 40% менша, оскільки використовується також О₂ повітряю.

У верхній частині конвертора, заповненого нікелевим каталізатором, частина СН₄ кислюється О₂ повітря за реакцією (2.8) внаслідок чого температура газової суміші підвищується до 950 – 1000° С. В нижній частині конвертора триває реакція між СН₄, що не прореагував у печі, і водяною парою, а також частково відбувається конверсія СО. У конверторі на залізохромовому каталізаторі СО окисляється во­дяною парою до СО₂ і одночасно, внаслідок відновлення водяної пари, утворюється Н₂. Конверсію СО провадять у дві стадії. Кисень вводиться в такій кількості, щоб процес проходив автотермічно і весь час підтримувалась потрібна температура. Щоб запобігти спалаху газової суміші у вільному об'ємі перед каталізатором, швид­кість газового потоку в змішувачі та у вхідному каналі конвертора повинна бути значно більшою від швидкості поширення полум'я, тобто приблизно 100 м/с [2].

Високотемпературну (некаталітичну) конверсію СН₄ проводять киснем або повітрям, збагаченим О₂, без участі каталізаторів при 1275 – 1400° С (рис. 2). Процес відбувається надзвичайно швидко і внаслідок крекін­гу СН₄ утворюється сажа за реакцією

СН₄ = С + 2Н₂ – Q (2.11).

При температурах реакції, нижчих за 1275° С, утворюється дуже багато сажі, проте підвищенням температури до 1350° С утворенню са­жі можна запобігти. Конверсія здійснюється під тиском до 30 ∙ 10⁵ Па.

Природний газ, нагрітий до 450° С в підігрівачі 2, і О₂, нагрітий у підігрівачі 1 до 350° С, надходять у пальник 3 конвертора СН₄ 4, де змі­шуються, і при температурі близько 400° С подаються у реакційну зону конвертора.

У реакційній зоні конвертора, де відбувається інтенсивне окислення СН₄ (і його гомологів), суміш нагрівається до 1400^о С і надходить у зво­ложувач, в який впорскується конденсат водяної пари. При цьому газ охолоджується до 300° С і надходить у башту 6 для очистки від сажі. Внаслідок змішування з великою кількістю води, яка циркулює за допомогою насоса 5, газ охолоджується і часточки сажі відокремлю­ються. Далі парогазова суміш, нагріта до 390° С в теплообміннику 7, надходить у двоступінчастий конвертор 8, де СО окислюється до СO₂ киснем водяної пари. Конвертована парогазова суміш через теплообмінник 7 надходить у котел-утилізатор 9, там охолоджується, віддаючи тепло для добування водяної пари.

Утворена після очистки газова суміш містить 57 – 70% Н₂, 0,2 – 0,4% СН₄, 3,7% СО, 19 – 24% СO₂ і 0,8% N₂ (при кисневій конверсії) (або 19,9% N₂ (при кисневоповітряній конверсії) [5].

Виробництво водню розділенням коксового газу. З розвитком техніки, глибокого охолодження стало можливим розділення коксового газу методом фракційної конденсації.

Оборотний коксовий газ містить невеликі кількості органічних сполук сірки, бензолу, нафталіну, ціаністоводневої кис­лоти, ацетилену та моноксиду азоту.

У хімічній промисловості коксовий газ є джерелом добування Н₂ для синтезу NН₃ і ряду органічних продуктів. Вуглеводні етиленової фракції використовують для синтезу поліетилену, оксиду етилену, етанолу, дивінілу, етилбензолу, ізопропілбензолу, етиленгліколю, дихлоретану та інших цінних органічних продуктів. Сірководень, який виділяють при очищенні коксового газу, використовують для ви­робництва Н₂SO₄ або S.

Залежно від складу оборотного коксового газу Н₂ або азотоводневу суміш з коксового газу можна добувати двома способами: розділенням газової суміші при низьких температурах або конверсією вуглеводневих газів.

При наявності великої кількості коксового газу Н₂ доцільно вилу­чати низькотемпературним розділенням газової суміші. При цьому добувають цінну продукцію: етиленову фракцію, газовий залишок — СН₄ і СО, які використовують на металургійних заводах як паливо.

Конверсійний метод переробки коксового газу дає можливість збіль­шити вихід Н₂, проте для цього треба добре очищати газ від сір­чистих сполук, внаслідок чого втрачається олефінова фракція [1].

Розділення коксового газу при низьких температурах грунтується на великій різниці температур кипіння компонентів газової суміші і застосовується в основному при добуванні Н₂.

Очищений від бензолу, нафталіну, оксидів азоту, NН₃, ціаністих і сірчистих сполук, СO₂ і водяної пари коксовий газ надходить на розділювальну установку.

Практично для розділення коксового газу глибоким охолодженням користуються методом фракційної конденсації. Крім водню з коксово­го газу вилучають ще фракції.

Технологічний процес розділення коксового газу складається з та­ких операцій:

1. очищення коксового газу від нафталіну, Н₂О, оксидів азоту і водяної пари;

2. стиснення газу до (12 – 13) 10⁵ Па;

3. виділення бензолу виморожуванням;

4. виділення СО₂;

5. охолодження до – 45° С;

6. глибоке охолодження і фракційна конденсація.

Газова суміш – коксовий газ – охолоджується в аміачних холодильниках до – 45° С, звільняється при цьому від водяної пари і над­ходить в установку для розділення коксового газу методом фракційної конденсації.

Промивання рідким N₂ дає можливість глибоко очистити водень від таких домішок, як СН₄, СО і О₂, замість того, щоб охолоджувати до – 210°С.

Змішуванням метанової фракції, СО і етиленової фракції коксового газу, утворюють «багатий газ» з теплотворною здатністю до 25140 кДж/м³, який використовують як паливо. Крім того, метанову і етиленову фракції використовують в органічному синтезі. Треба мати на увазі, що в газовій суміші є оксиди азоту і можливе утворення вибухових сумішей [1].

2.1 Біологічне виробництво водню

Ферментативне виробництво водню - це ферментативне перетворення органічного субстрату в біоводень, що здійснюється групою бактерій за допомогою мультиферментативних систем в три кроки, аналогічно до анаеробного перетворення. Темнова ферментація не потребує світлової енергії, тому можливе неперервне виробництво водню з органічних сполук - вдень і вночі. Фотоферментація відрізняється від темнової ферментації тим, що вона протікає лише за наявності світла. Єлектрогідрогенезис використовується в мікробних паливних елементах, де водень виробляється з органічних речовин (наприклад, зі стічних вод або твердих речовин) при напрузі 0,2 - 0,8 V.

Біоводень може вироблятися у біореакторі, що містить водорості. Наприкінці 1990-х років було виявлено, що якщо з водоростей вилучити сульфур, вони вироблятимуть водень замість кисню, як під час звичайного фотосинтезу. Біоводень може вироблятись в біореакторах, які використовують іншу сировину, найчастіше цією сировиною є відходи. Цей процес здійснюється бактеріями, що поглинають вуглеводні та виділяють водень і вуглекислий газ. Є кілька способів подальшого ізолювання CO₂, в результаті чого залишається лише водень [3].

3. Розрахунок витрат сировина на виробництво 1 т. Водню

16 16 28 4

СН₄ + 0,5О₂ СО + 2Н₂

х у 1000 z

х = кг. 571,4 – 21%

у = кг Повітря – 100%

z = кг Азот – 79%

Повітря = кг.

Азот = кг

СН₄

571,4 кг

0,5 О₂

571,4 кг

Повітря

2720,9 кг

СО

142,8 кг

N₂

2149,5 кг

2Н₂

1000 кг

Висновки

1. Використання водню як палива позитивно вплине на енергетичну безпеку, екологію та економічне зростання.

2. Водень є одним із вихідних речовини для синтезу найважли­віших хімічних продуктів.

3. Біологічне значення водню визначається тим, що він входить до складу молекул води і всіх найважливіших груп природних сполук, в тому числі білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів і приблизно 10% маси живих організмів припадає на водень.

4. В основному виробництво водню базується на використанні природного газу, 30% — нафти і 18% — вугілля; на електроліз води припадає лише 4%.

5. Для виробництва 1 т. водню необхідно: СН₄ – 571,4 кг, О₂ – 571,4 кг, при цьому в атмосферу викидається 142,8 кг. – СО.

Перелік використаної літератури

1. Гончаров А.І., Середа І.П. Хімічна технологія., ч. 1. – К:. – «Вища школа». 1979. – 288с.

2. В.Т. Яворський, Т.В. Перекупко, З.О. Знак, Л.В. Савчук Загальна хімічна технологія. – Львів: «Львівська політехніка», 2005. – 552с.

3. Електронний ресурс http://www.wikipedia.

4. І.І. Юкельсон Технология основного органического синтеза . – М., Химия, 1968г., 848с.

5. І.П. Мухленов и др. Общая химическая технология. ч. 2. – К: - «Вища школа», 1982. – 519с.