WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ. Laboratorium LABORATORIUM Z TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

Transkrypt

1 WYDZIAŁ CHEMICZNY POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ Laboratorium LABORATORIUM Z TECHNOLOGII CHEMICZNEJ Instrukcja do ćwiczenia pt. PROCES WYTWARZANIA WODORU Prowadzący: dr inż. Bogdan Ulejczyk

2 WSTĘP Wodór jest uważany za czysty nośnik energii, paliwo przyszłości. Obecnie wodór jest stosowany w ogniwach paliwowych oraz silnikach o spalaniu wewnętrznym. Przemysłowo wodór wytwarza się za w procesie konwersji alkanów pochodzących z gazu ziemnego i ropy naftowej. Uzyskanie wodoru taką metodą wiąże się z uwolnieniem do środowiska dużej ilości dwutlenku węgla, którego ilość w atmosferze powinna być ograniczana. Dlatego rozwijane są metody otrzymywania wodoru z innych surowców, np. wody, biomasy. Wodór z wody otrzymuje się w procesie elektrolizy. Wodór bezpośrednio z biomasy otrzymuje się w procesie rozkładu biomasy przez niektóre szczepy bakterii heterotroficznych, albo w procesie fotofermentacji w obecności niektórych szczepów bakterii purpurowych. Opracowywane są także procesy przetwarzania biomasy w alkokohole, a następnie ich przetwarzania w wodór. Dwutlenek powstający w procesach wytwarzania wodoru z biomasy jest ponownie wykorzystywany przez rośliny (obieg zamknięty dwutlenku węgła). W ćwiczeniu wodór będzie wytwarzany z mieszaniny wody i etanolu lub metanolu. Stosowany będzie reaktor katalityczny, plazmowy lub plazmowo-katalityczny. KATALIZATORY Katalizatory (Rys. 1) są to substancje, które powodują obniżenie energii aktywacji, która jest niezbędna do zajścia przemiany. Katalizatory nie wpływają na termodynamiczną stałą równowagi reakcji. Katalizator nie występuje w równaniu reakcji, ponieważ nie ulega trwałej przemianie, mimo że bierze udział w reakcji. Katalizator tworzy produkty przejściowe z substratami, które na końcu przekształcają się w produkty końcowe, a sam katalizator ulega odtworzeniu. W ćwiczeniu stosowane będą katalizatory stałe. Na katalizatorach stałych reakcja zachodzi na powierzchni katalizatora i składa się z procesów chemicznych oraz fizycznych. O szybkości reakcji decyduje najwolniejszy etap. Katalizatory stałe składają się zazwyczaj z fazy aktywnej, nośnika, promotora. Faza aktywna odpowiada za aktywność katalizatora, ponieważ jest ona źródłem centrów aktywnych. Najczęściej faza aktywna osadzona jest na nośniku. Nośnik stosowany jest w celu: rozwinięcia powierzchni właściwej, modyfikacji składnika aktywnego, zwiększenia stabilności i odporności mechanicznej. W trakcie trwania reakcji powierzchnia nośnika nie powinna ulegać zmianie. Promotor odpowiada za modyfikację struktury geometrycznej fazy 2

3 aktywnej i jego wprowadzenie do katalizatora ma zwiększyć selektywność, stabilność oraz aktywność katalizatora. Rys. 1. Przykładowy katalizatory PLAZMA Plazmę (czwarty stan skupienia materii) można zdefiniować jako przewodzący gaz, który zawiera tyle dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek, że decydują one o jego właściwościach, jednak wypadkowy ładunek jest równy zero. Każda substancja w odpowiednio wysokiej temperaturze może przejść w stan plazmy w wyniku jonizacji. Wyróżnić można plazmę równowagową i nierównowagową. Plazma równowagowa, to taka, która znajduje się w stanie równowagi termodynamicznej, określenie to jest stosowane również do układów, które warunek równowagi spełniają w przybliżeniu. Plazma, która nie spełnia warunku równowagi, jest to tzw. plazma nierównowagowa. Jej istotna cecha jest to, że średnia energia poszczególnych rodzajów cząstek nie jest jednakowa. W takim układzie średnia energia elektronów może być wielokrotnie większa od średniej energii pozostałych składników. W plazmie nierównowagowej możliwe jest prowadzenie reakcji chemicznych, których praktycznie nie można było by prowadzić w innych warunkach. Hipotetyczny mechanizm zjawisk zachodzących w plazmie nierównowagowej można w ogólnej formie przedstawić następująco. Wyładowanie iskrowe (Rys. 2) składa się z wielu krótkotrwałych strimerów, zaś wyładowanie barierowe (Rys. 3) składa się z wielu krótkotrwałych mikrowyładowań. W czasie trwania strimeru lub mikrowyładowania wytwarzane są wysokoenergetyczne elektrony. Zderzenia wysokoenergetycznych elektronów z cząsteczkami gazu obecnego w reaktorze powodują rozerwanie wiązań chemicznych. W ten sposób wytwarzane są aktywne molekuły np. jony, atomy wzbudzone i rodniki. Po wygaśnięciu strimeru lub mikrowyładowania stężenie elektronów zmniejsza się o kilka 3

4 rzędów wielkości i reakcje z ich udziałem przestają mieć znaczenie. Natomiast czas trwania wzbudzonych molekuł wynosi od kilku nanosekund do kilkunastu milisekund. Przez ten czas zachodzą reakcje chemiczne z ich udziałem. Wraz z zanikiem aktywnych molekuł stabilizuje się zawartość produktów końcowych reakcji zainicjowanych w strimerze lub mikrowyładowaniu. Rys. 2. Wyładowanie iskrowe Rys. 3. wyładowanie barierowe APARATURA Schemat aparatury do prowadzenia badań przedstawiono na Rys. 4. alkohol masowy regulator przepływu Miejsce poboru próbki do analizy chromatograficznej TI reaktor chłodnica gazomierz woda masowy regulator przepływu zbiornik na ciecz Rys. 4.Schemat aparatury W procesie stosowane będą woda destylowana i alkohol. Strumienie alkoholu i wody (lub strumień roztworu wodnego alkoholu) dozowane będą do reaktora przez masowe regulatory przepływu. W reaktorze następować będzie zmiana fazy z ciekłej na gazową i zachodzić reakcje chemiczne. Powstała mieszanina gazów kierowana będzie do chłodnicy, w której nastąpi skroplenie nieprzereagowanych substratów. Pozostałe gazy kierowane będą do przepływomierza gazu. Przed wejściem do przepływomierza mierzona będzie temperatura strumienia gazów i pobierana próbka do analizy chromatograficznej wykonywanej chromatografem gazowym HP 6890 z detektorem termokonduktometrycznym (TCD) i kolumną pakowaną (ShinCarbon ST, wypełnienie 100/120). 4

5 W mieszaninie wody i alkoholu może zachodzić wiele reakcji prowadzących do powstania różnych produktów. Ich powstawanie obniża wydajność wytwarzania wodoru. Poniżej przedstawiono najwazniejsze reakcje zachodzące w mieszaninie wody i etanolu. C 2 H 5 OH+H 2 O=2CO+4H 2 CO+H 2 O=CO 2 +H 2 C 2 H 5 OH=CO+CH 4 +H 2 C 2 H 5 OH=CH 3 CHO+H 2 C 2 H 5 OH=C 2 H 4 +H 2 O CO+3H 2 =CH 4 +H 2 O CO 2 +4H 2 =CH 4 +2H 2 O 2CO=CO 2 +C Analiza chromatograficzna umożliwia zmierzenie stężeń: H 2, CO, CO 2 i węglowodorów. Wyniki z analizy chromatograficznej i pomiaru natężenia przepływu gazu umożliwią obliczenie strumieni molowych produktów gazowych po reakcji i wydajności przemiany etanolu w wodór. gdzie: n wydajność przemiany alkoholu w wodór [%] W y [H 2 ] strumień wodoru na wyjściu z reaktora [mmol/h] W e [EtOH] strumień etanolu na wejściu do reaktora [mmol/h] gdzie: W e [MeOH] strumień metanolu na wejściu do reaktora [mmol/h] Definicja wydajności wytwarzania wodoru z alkoholu wynika ze stechiometrii. C 2 H 5 OH + 3 H 2 O 6 H CO 2 CH 3 OH + H 2 O 3 H 2 + CO 2 Bilanse pierwiastków umożliwią wyznaczenie strumienia alkoholu na wyjściu z reaktora i całkowitego stopienia przemiany alkoholu. 5

6 gdzie: x całkowity stopień przemiany alkoholu [%] W e [EtOH] strumień alkoholu na wejściu do reaktora [mmol/h] W y [EtOH] strumień alkoholu na wyjściu z reaktora [mmol/h] W procesach prowadzonych w reaktorach plazmowych i plazmowo-katalitycznych istotnym parametrem wpływającym na koszt energetyczny procesu jest moc wyładowania. Natomiast w reaktorze katalitycznym koszt energetyczny procesu zależy od temperatury złoża katalizatora. W czasie badań reaktor katalityczny ogrzewany będzie piecem elektrycznym. SZCZEGÓŁOWY CEL ĆWICZENIA Badania prowadzone w ramach ćwiczenia są elementem prac badawczych prowadzonych w Katedrze Technologii Chemicznej nad opracowaniem technologii wytwarzania wodoru. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie: a) wydajności przemiany etanolu w wodór w zależności od mocy lub temperatury, b) wydajności przemiany etanolu w wodór w zależności od natężenia przepływu reagentów, c) wydajności przemiany etanolu w wodór zależności od stosunku wody do etanolu, d) określenie strumieni innych produktów powstających w procesie wytwarzania wodoru z etanolu. SPOSÓB OPRACOWANIA I ANALIZA WYNIKÓW 1. Na podstawie uzyskanych wyników analizy chromatograficznej i natężenia przepływu produktów gazowych obliczyć strumienie produktów. 2. Obliczyć wydajność przemiany etanolu w wodór. 3. Przedstawić na rysunkach zależności wydajności przemiany etanolu w wodór od natężenia przepływu reagentów, stosunku molowego wody do alkoholu, mocy wyładowania lub temperatury. 6

7 ZASADY BHP I PRZECIWPOŻAROWE 1. Wszystkie czynności związane z montażem aparatury należy prowadzić po wyłączeniu napięcia zasilającego i przepływu reagentów. 2. Szczególną ostrożność zachować pobierając gazy do analizy. 3. Wszelkie usterki pracy aparatury zgłosić prowadzącemu. 4. Badania należy prowadzić przy włączonym wyciągu. 5. W razie niebezpieczeństwa natychmiast wyłączyć zasilanie układu elektrycznego. 7