химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

нергоресурсов [1, 2]. Вытеснение природных жидких и газообразных топлив из энерготехнологических производств в химии, нефтехимии, нефтепереработке, металлургии будет происходить путем создания крупных энерготехнологических комплексов, использующих ядерную энергию и уголь.

Большинство схем таких энерготехнологических комплексов, а также процессов и схем получения искусственных жидких и газообразных топлив с затратой ядерной энергии и путем переработки угля включают в себя в качестве важнейших элементов блоки для получения водоро-16

да или водородсодержащих газов в сочетании с источником первичной энергии. Таким образом, определяющим для развития нескольких крупных направлений энергетики и энерготехнологии становится комплекс проблем, связанных с получением и использованием водорода, что и определяет название этого нового научного направления — водородная энергетика и технология.

Собственно проблема водородной энергетики и Технологии включает несколько аспектов.

Во-первых, речь идет о разработке экономичных и технически приемлемых методов получения водорода. При этом в первую очередь должны рассматриваться методы получения водорода из воды, которые включают в себя электролиз, термохимические методы и их комбинации, фотолиз, радиолиз и некоторые другие. Далее интерес представляют методы получения водорода, связанные с переработкой угля. Наиболее распространенный в настоящее время метод получения водорода из природного газа не решает проблемы полного замещения газового топлива, однако представляет большой интерес в связи с возможностью производства водорода из природного газа с использованием ядерного топлива для компенсации теплового эффекта эндотермической реакции конверсии, что позволяет сэкономить до 40% природного газа.

Во-вторых, важным аспектом является хранение, транспорт и распределение водорода. Здесь необходимо рассматривать хранение, транспорт и распределение как газообразного, так и жидкого водорода, а также хранение водорода в связанном виде в гидридах и другие методы.

В-третьих, большой частью проблемы является изучение вопросов использования водорода в химической промышленности, энергетике, авиации и на транспорте, в нефтепереработке и нефтехимии, в металлургии и некоторых других отраслях народного хозяйства.

Разумеется, каждый из этих аспектов включает в себя вопросы техники безопасности, технологии, материаловедения, измерительной техники и многие другие.

Однако, прежде чем перейти к рассмотрению этих вопросов следует оценить существующие и перспективные масштабы производства и потребления водорода в различных областях народного хозяйства, а также общие особенности процессов производства, транспорта, хранения и использования водорода, связанные с особенностями энергоисточников, возможных потребителей и физико-химическими свойствами самого водорода как энергоносителя. 2-12 17

1.?. Физико-химические свойства водорода

Водород очень широко распространен в природе, ои входит в состав многих органических и неорганических соединений (соединений водорода известно больше, чем какого-либо другого элемента) и встречается в свободном, несвязанном состоянии. В свободном состоянии при нормальных условиях водород является газом, не обладающим ни цветом, ни запахом, ни вкусом. В газообразной форме это самый легкий газ, в жидком (при Г<33 К) и твердом (при Г<13 К) состояниях — самые легкие жидкость и кристалл. Энергия связи для молекулы Н2 составляет 429 кДж-моль-1, межъядерное расстояние — 7,4· 10"" м. Для молекулярного иона водорода Н2+ энергия связи составляет 255 кДж-моль-1, межъядерное расстояние 1,06· Ю-10 м. Энергия ионизации атома водорода равна 1312 кДж-моль-1, сродство к электрону 71 кДж-моль-1. Молекулярный водород может существовать в шести изотопных модификациях: Н2, HD, D2, DT, НТ, Т2. Последние 3 молекулы нестабильны.

Молекулярный водород, как и его изотопы тритий и дейтерий, в зависимости от относительной ориентации ядерных спинов атомов существует в двух модификациях: параводород (рН2), который имеет антипараллельную ориентацию ядерных спинов и четные ротационные квантовые числа и ортоводород (оН2), имеющий параллельные ядерные спины и нечетные ротационные квантовые числа.

Спонтанное превращение одной модификации в другую происходит настолько медленно, что эти модификации можно рассматривать как вещества, различающиеся термическими и другими физическими свойствами в широкой области параметров состояния. Заметные различия в свойствах этих газов наблюдаются при низких температурах (7*^200 К) и относительно невысоких давлениях (Р<: 10 МПа). В жидкой фазе о — ? конверсия Н2 может происходить с заметной скоростью, особенно при наличии катализатора, и сопровождается выделением теплоты. Равновесный орто — пара состав водорода зависит от температуры. При относительно высоких температурах (Т>200 К) состав практически постоянен и составляет 75% оН2 и 25 % рН2. Водород такого состава называют нормальным водородом. При температуре вблизи нормальной точки кипения Т—20,4 К равновесный состав соответствует 99,8 % рН2. Водород такого состава в литературе иногда называют равновесным (еН2). Физико-химические свойства водорода в газообразном и жидком состояниях изучались довольно подробно в различных лабораториях мира, и в настоящее время существует ряд подробных обзоров, обобщающих эти исследования [3—8]. Некоторые физико-химические свойства водорода приведены в табл. 1.1—1.4.

Как энергоноситель и топливо молекулярный водород обладает рядом уникальных характеристик: наивысшей теплотой сгорания на единицу массы (по низшей теплоте сгорания 1 ? Н2 эквивалентна в

18

I!

а.

н S

,<иЧ

о

° к

Б s о —

m S3

«5 о)

1

о

о)

оо

35

ю о

5 Я

o., *-

is?

о п. и

с 5* ? 3

со о

о) to

·* о>

О со

Г- ?-

??

g

1

о S

—· см to

оо

о

о)

·* to 53 с?

to

СО О)

о.

а S3

19

Таблица 1.2. Орто—пара состав водорода при равновесии

г, к

Содержание рН, (равновесный состав), %

Теплота конверсии оНа в рН2, Дж-моль-'

10 20 30 40 50 100 200

99,9999

99,821

97,021

88,727

77,054

38,620

25,974

1417,86 1417,86 1417,86 1417,78 1417,06 1295,56 440,45

Теплота конверсии от нормального состава до равновесного, Дк-моль-'

1058,63 1055,91 1015,72 896,94 730,85 177,48 4,14

длнбрЛН2Ца J'3' КРИВаЯ инВерсии (?Ривая Джоуля-Томсона)

Т. К р, МПа г, к р. МПа т, к р, МПа

28 30 32 40 1,000 2,035 3,024 6,545 50 60 80 100 10,024 12,605 15,553 15,553 140 180 200 14,236 5,164 0,055

Таблица 1.4. Кривые фазовых равновесий

рн2

г, к

Твердое тело-жидкость

МПа

кг-м-«

Жидкость —газ

МПа

кг-м"

Ргаз-кг-м"

14 0,597

16 7,112

20 22,707

25 46,310

30 74,008

40 140,639

50 221,496

77,37 80,60 86,36 92,51

0,008 0,022 0,093 0,329 0,823

76,87 75,07 71,10 64,49 53,83

0,14 0,34 1,24 4,02 10,88

Теплота испарения

ДЯИСП'

кДж-кгм

453,88 452,89 448,92 411,22 292,17

Теплота плавления

????· кДж-кг-'

59,53 64,49 78,87 100,20 125,00 185,52 257,45

20

Таблица 1.5. Характеристики водорода как топлива

Характеристика

Высшая удельная теплота сгорания, МДж-кг—1 Низшая удельная теплота сгоранчя, МДж-кг-1 Высшая объемная теплота сгорания, МДж-м-3 Низшая объемная теплота сгорания, МДж-м~3 Пределы воспламенения в воздухе, объемное содержание, %

Сгехиомегривеское отношение воздух—топливо по массе (состав воздуха: 21 °/о Оа, 78 »/0 N2, 1 % Аг)

Пределы воспламенения в кислороде, объемное содержание, %

Диапазон детонации в воздухе, объемное содержание, %

Диапазон детонации в кислороде, объемное содержание, %

Скорость распространения ламинарного пламени, см-с-1 Температура ламинарного пламени в воздухе при стехио-

метрическом составе смеси, К Температура самовоспламенения стехиометрической смеси

в воздухе, К

Минимальная энергия, инициирующая воспламенение в стехиометрической смеси в воздухе при нормальных условиях, мДж

Минимальное расстояние гашения пламени, см

пересчете на условное топливо 4,1 т, а 1 м3 Н2*—3,6-Ю-4 т), широким диапазоном воспламенения, высокой температурой сгорания. Скорость распространения ламинарного пламени для водорода в 10 раз выше, а минимальная энергия, необходимая для индуцирования воспламенения в 16 раз меньше, чем для метана. Важным достоинством водорода как топлива является отсутствие в продуктах сгорания окиси углерода и радикалов СН*. Некоторые характеристики водорода как топлива приведены в табл. 1.5.

Как химический реагент водород является активным восстановителем и в этом качестве широко используется в химии, металлургии, металлообработке и других отраслях народного хозяйства. Он активно взаимодействует с металлами и другими веществами, образуя широкий спектр гидридов с разнообразными свойствами. Взаимодействуя с конструкционными материалами, водород, в особенности при высоких давлениях и экстремальных температурах, легко диффундирует в объем многих металлов, вызывая водородную хрупкость материалов. Физико-химия взаимодействия водорода с металлами и исследования свойств систем водород — металл бурно развиваются в последнее время. Подробный обзор этих исследований дан в коллективной монографии [7].

* Здесь и далее объем водорода дается при нормальных условиях.

21

1.2. Объем и структура потребления водорода

Развитие новых методов получения, хранения, транспорта и использования водорода в перспективе будет, естественно, определяться потребностью в нем тех или иных отраслей народного хозяйства. Понятно, что в первую очередь водород, производимый из воды, будет использоваться там, где мы сегодня используем водород, производимый из природных жидких и газообразных топлив. Рассмотрим в связи с этим структуру потребления водорода и ее возможные изменения в перспективе.

В настоящее время водород находит достаточно широкое применение в различных отраслях хозяйства:

1) в химической промышленности в процессах производства аммиака, метанола, альдегидов и кетонов, спиртов, соляной кислоты, нафталина, полиэтиленовых и пропи-леновых плено

страница 4
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
вывиски на дом с улицей и номером дома во мценске купить
стул беатрис-2
курсы по отоплению и сантехнике в ростове
Кружки Пластик купить

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(25.02.2017)