Этиловый спирт или винный является широко распространённым представителем спиртов. Известно много веществ, в состав которых наряду с углеродом и водородом входит кислород. Из числа кислородсодержащих соединений мне интересен прежде всего класс спиртов.
Этиловый спирт
Физические свойства спирта . Этиловый спирт С 2 Н 6 О - бесцветная жидкость со своеобразным запахом, легче воды (удельный вес 0,8), кипит при температуре 78°,3, хорошо растворяет многие неорганические и органические вещества. Спирт «ректификат» содержит 96% этилового спирта и 4% воды.
Строение молекулы спирта .Согласно валентности элементов, формуле С 2 Н 6 О соответствуют две структуры:
Чтобы решить вопрос о том, какая из формул соответствует спирту в действительности, обратимся к опыту.
Поместим в пробирку со спиртом кусочек натрия. Тотчас начнётся реакция, сопровождающаяся выделением газа. Нетрудно установить, что этот газ - водород.
Теперь поставим опыт так, чтобы можно было определить, сколько атомов водорода выделяется при реакции из каждой молекулы спирта. Для этого в колбу с мелкими кусочками натрия (рис. 1) прибавим по каплям из воронки определённое количество спирта, например 0,1 грамм-молекулы (4,6 грамма). Выделяющийся из спирта водород вытесняет воду из двугорлой склянки в измерительный цилиндр. Объём вытесненной воды в цилиндре соответствует объёму выделившегося водорода.
Рис.1. Количественный опыт получения водорода из этилового спирта.
Так как для опыта была взята 0,1 грамм-молекулы спирта, то водорода удаётся получить (в пересчёте на нормальные условия) около 1,12 литра. Это означает, что из грамм-молекулы спирта натрий вытесняет 11,2 литра , т.е. половину грамм-молекулы, иначе говоря 1 грамм-атом водорода. Следовательно, из каждой молекулы спирта натрием вытесняется только один атом водорода.
Очевидно, в молекуле спирта этот атом водорода находится в особом положении по сравнению с остальными пятью атомами водорода. Формула (1) не даёт объяснения такому факту. Согласно ей, все атомы водорода одинаково связаны с атомами углерода и, как нам известно, не вытесняются металлическим натрием (натрий хранят в смеси углеводородов - в керосине). Наоборот, формула (2) отражает наличие одного атома, находящегося в особом положении: он соединён с углеродом через атом кислорода. Можно заключить, что именно этот атом водорода связан с атомом кислорода менее прочно; он оказывается более подвижным и вытесняется натрием. Следовательно, структурная формула этилового спирта:
Несмотря на большую подвижность атома водорода гидроксильной группы по сравнению с другими атомами водорода, этиловый спирт не является электролитом и в водном растворе не диссоциирует на ионы.
Чтобы подчеркнуть, что в молекуле спирта содержится гидроксильная группа - ОН, соединённая с углеводородным радикалом, молекулярную формулу этилового спирта пишут так:
Химические свойства спирта . Выше мы видели, что этиловый спирт реагирует с натрием. Зная строение спирта, мы можем эту реакцию выразить уравнением:
Продукт замещения водорода в спирте натрием носит название этилата натрия. Он может быть выделен после реакции (путём испарения избытка спирта) в виде твёрдого вещества.
При поджигании на воздухе спирт горит синеватым, еле заметным пламенем, выделяя много тепла:
Если в колбе с холодильником нагревать этиловый спирт с галогеноводородной кислотой, например с НВг (или смесью NаВг и Н 2 SО 4 , дающей при реакции бромистый водород), то будет отгоняться маслянистая жидкость - бромистый этил С 2 Н 5 Вг:
Эта реакция подтверждает наличие гидроксильной группы в молекуле спирта.
При нагревании с концентрированной серной кислотой в качестве катализатора спирт легко дегидратируется, т. е. отщепляет воду (приставка «де» указывает на отделение чего-либо):
Эта реакция используется для получения этилена в лаборатории. При более слабом нагревании спирта с серной кислотой (не выше 140°) каждая молекула воды отщепляется от двух молекул спирта, вследствие чего образуется диэтиловый эфир - летучая легко воспламеняющаяся жидкость:
Диэтиловый эфир (иногда называемый серным эфиром) применяется в качестве растворителя (чистка тканей) и в медицине для наркоза. Он относится к классу простых эфиров - органических веществ, молекулы которых состоят из двух углеводородных радикалов, соединённых посредством атома кислорода: R - О - R1
Применение этилового спирта . Этиловый спирт имеет большое практическое значение. Много этилового спирта расходуется на получение синтетического каучука по способу академика С. В. Лебедева. Пропуская пары этилового спирта через специальный катализатор, получают дивинил:
который затем может полимеризоваться в каучук.
Спирт идёт на выработку красителей, диэтилового эфира, различных «фруктовых эссенций» и ряда других органических веществ. Спирт как растворитель применяется для изготовления парфюмерных продуктов, многих лекарств. Растворяя в спирте смолы, готовят различные лаки. Высокая теплотворная способность спирта обусловливает применение его в качестве горючего (автомобильного топлива = этанола).
Получение этилового спирта . Мировое производство спирта измеряется миллионами тонн в год.
Распространённым способом получения спирта является брожение сахаристых веществ в присутствии дрожжей. В этих низших растительных организмах (грибках) вырабатываются особые вещества - ферменты, которые служат биологическими катализаторами реакции брожения.
В качестве исходных материалов в производстве спирта берут семена злаков или клубни картофеля, богатые крахмалом. Крахмал с помощью солода, содержащего фермент диастаз, сперва превращают в сахар, который затем сбраживают в спирт.
Учёные много работали над тем, чтобы заменить пищевое сырьё для получения спирта более дешёвым непищевым сырьём. Эти поиски увенчались успехом.
В последнее время в связи с тем, что при крекинге нефти образуется много этилена, стали
Реакция гидратации этилена (в присутствии серной кислоты) была изучена ещё А. М. Бутлеровым и В. Горяиновым (1873), который предсказал и её промышленное значение. Разработан и внедрен в промышленность также метод прямой гидратации этилена пропусканием его в смеси с парами воды над твердыми катализаторами. Получение спирта из этилена очень экономично, так как этилен входит в состав газов крекинга нефти и других промышленных газов и, следовательно, является широкодоступным сырьем.
Другой способ основан на использовании в качестве исходного продукта ацетилена. Ацетилен подвергается гидратации по реакции Кучерова, а образующийся уксусный альдегид каталитически восстанавливают водородом в присутствии никеля в этиловый спирт. Весь процесс гидратации ацетилена с последующим восстановлением водородом на никелевом катализаторе в этиловый спирт может быть представлен схемой.
Гомологический ряд спиртов
Кроме этилового спирта, известны и другие спирты, сходные с ним по строению и свойствам. Все они могут рассматриваться как производные соответствующих предельных углеводородов, в молекулах которых один атом водорода заменён гидроксильной группой:
Таблица
|
Углеводороды |
Спирты |
Температура кипения спиртов в º С |
| Метан СН 4 | Метиловый СН 3 ОН | 64,7 |
| Этан С 2 Н 6 | Этиловый С 2 Н 5 ОН илиСН 3 - СН 2 - ОН | 78,3 |
| Пропан С 3 Н 8 | Пропиловый С 4 Н 7 ОН или СН 3 - СН 2 - СН 2 - ОН | 97,8 |
| Бутан С 4 Н 10 | Бутиловый С 4 Н 9 ОН илиСН 3 - СН 2 - СН 2 - ОН | 117 |
Будучи сходны по химическим свойствам и отличаясь друг от друга по составу молекул на группу атомов СН 2 , эти спирты составляют гомологический ряд. Сравнивая физические свойства спиртов, мы в этом ряду, так же как и в ряду углеводородов, наблюдаем переход количественных изменений в изменения качественные. Общая формула спиртов данного ряда R - ОН (где R - углеводородный радикал).
Известны спирты, в молекулы которых входит несколько гидроксильных групп, например:
Группы атомов, обусловливающие характерные химические свойства соединений, т. е. их химическую функцию, называются функциональными группами.
Спиртами называются органические вещества, молекулы которых содержат одну или несколько функциональных гидроксильных групп, соединённых с углеводородным радикалом .
По своему составу спирты отличаются от углеводородов, соответствующих им по числу углеродных атомов, наличием кислорода (например, С 2 Н 6 и С 2 Н 6 О или С 2 Н 5 ОН). Поэтому спирты можно рассматривать как продукты частичного окисления углеводородов.
Генетическая связь между углеводородами и спиртами
Произвести непосредственное окисление углеводорода в спирт довольно трудно. Практически проще это сделать через галогенопроизводное углеводорода. Например, чтобы получить этиловый спирт, исходя из этана С 2 Н 6 , можно сначала получить бромистый этил по реакции:
а затем бромистый этил превратить в спирт нагреванием с водой в присутствии щёлочи:
Щёлочь при этом нужна, чтобы нейтрализовать образующийся бромистый водород и устранить возможность реакции его со спиртом, т.е. сдвинуть эту обратимую реакцию вправо.
Подобным же образом метиловый спирт может быть получен по схеме:
Таким образом, углеводороды, их галогенопроизводные и спирты находятся между собой в генетической связи (связи по происхождению).
Группа ученых под руководством Матиаса Беллера (Matthias Beller) из Института Катализа им. Лейбница в Ростоке разработала новый катализатор, с помощью которого можно получать водород в процессе переработки био-спиртов – это спирты, выделяемые из биологического сырья. Представленный новый каталитический процесс обладает хорошей производительностью даже при протекании в относительно мягких условиях.
На сегодняшний день порядка 80% мирового энергопотребления каким-либо образом оказывается связано со сжиганием нефтепродуктов, природного газа либо каменного угля. Но эти природные ресурсы являются невозобновляемыми, а кроме того, при их сгорании выделяются вещества, оказывающие негативное влияние на состояние окружающей среды. В связи с этим все большее внимание людей обращается в сторону альтернативного топлива – в частности, водорода, получаемого из биомассы.
Получение водорода из этанола или других спиртов связано с определенными трудностями – для дегидрирования спиртов требуются активные катализаторы. Используемые сегодня каталитические процессы извлечения водорода из спиртов обладают большим недостатком: очень жесткие условия их реализации (температура процесса даже в присутствии сильных оснований должна быть выше 200°C). Но исследователям из Ростока удалось создать такой катализатор, который ускоряет целевую реакцию при гораздо более мягких условиях протекания реакции.
Новинка демонстрирует недостижимые ранее результаты, она оказалось очень эффективной в дегидрировании спиртов с выделением водорода. Это первая в своем роде система, способная извлекать водород при температуре 100 градусов без оснований и других добавок.
Сперва ученые провели испытания на модельном спирте – он относительно легко поддался отщеплению водорода (изопропанол). Затем новую систему проверили на этаноле – он более привлекателен для использования в качестве источника для альтернативного топлива, но его каталитическую конверсию, протекающую с выделением водорода достаточно сложно осуществить. Но несмотря на это, новая система продемонстрировала очень хорошую конверсию этанола в еще более мягких условиях, чем для изопропанола (60-80 С), что показывает десятикратное увеличение активности по сравнению с аналогичными каталитическими системами.
Активный катализатор, благодаря которому протекает эта реакция, представляет собой генерируемый
дигидридный рутениевый комплекс, стабилизированный тридентатным азотсодержащим лигандом, экранирующим атом рутения с трех сторон. При нагревании водород элиминируется из состава рутениевого комплекса, и координационно-ненасыщенная рутенийсодержащая частица, взаимодействуя с этанолом или бутанолом, отщепляет от молекулы спирта два атома водорода, регенерируя каталитический цикл.
ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2009, том 83, № 11, с. 2044-2048
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И КАТАЛИЗ
УДК 542.941.7
НА НИКЕЛЕВОМ КАТАЛИЗАТОРЕ © 2009 г. Н. В. Лапин, А. Н. Редькин, В. С. Бежок, А. Ф. Вяткин
Российская академия наук,
Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов, Черноголовка Московской области
E-mail: [email protected] Поступила в редакцию 15.07.2008 г.
Показана высокая эффективность никелевого катализатора на $Ю2-носителе в процессе низкотемпературной конверсии этанола с целью получения водорода. Установлено, что из одного моля спирта получается один моль водорода. Отмечено, что данный катализатор не стимулирует реакции ме-танирования и шифт-реакцию.
Вследствие высокой эффективности, высокой плотности тока и низкой рабочей температуры (обычно 80°С) топливные элементы с полимерной протонопроводящей мембраной рассматриваются в настоящее время в качестве одного из наиболее перспективных источников энергии для различных применений. При этом они перспективны и с точки зрения уменьшения выбросов в окружающую среду.
В качестве топлива для этих элементов требуются чистый водород или богатая водородом газовая смесь, которые нуждаются в накоплении и хранении, или могут непосредственно вырабатываться в устройствах, интегрированных непосредственно с топливным элементом. Вследствие отсутствия в настоящее время подходящих накопителей водорода и необходимой инфраструктуры его распределения каталитический реформинг подходящих углеводородов или спиртов с целью получения водорода привлекает все большее внимание. До последнего времени из-за доступности и легкости реформинга метанол рассматривался как основной кандидат для получения водорода. В научной литературе опубликованы неплохие результаты многочисленных исследований в этой области . Однако метанол обладает существенным недостатком - он токсичен. К тому же, вследствие его химической стойкости возникает проблема утилизации метанола.
В последнее время этанол привлекает все большее внимание как перспективный источник водорода для топливных элементов. К тому же, для этой цели возможно использование биоэтанола, который обладает рядом преимуществ: а) он легко доступен, дешев и является возобновляемым источником энергии, б) в противоположность метанолу он не токсичен, в) в отличие от природных углеводородов (бензин и др.) этанол не содержит примесей серосодержащих соедине-
ний, которые (являясь "каталитическими ядами") могут отравлять катализаторы, применяемые при реформинге этанола, и электрокатализаторы топливного элемента.
Изучение конверсии этанола проводилось на различных катализаторах: N1, Со, их сплавах с Си, благородных металлах на различных носителях . Реакция водно-парового реформинга этанола сильно эндотермична и максимальный выход водорода наблюдается при высоких температурах процесса, обычно выше 600°С. Высокая температура процесса способствует образованию большого количества оксида углерода, который отравляет катализатор анода топливного элемента. К тому же при высокой температуре конверсии возникает проблема охлаждения реформата, так как рабочая температура топливного элемента с полимерной мембраной составляет обычно 80°С. При высокой температуре реформинга возникает еще одна проблема - деактивация катализатора из-за высаживания углерода в виде графита или даже нанотрубок .
Катализатор, содержащий Си, предпочтителен для дегидрогенизации, приводящей к образованию больших количеств ацетальдегида . С другой стороны, катализаторы, содержащие N1 и Со, реформируют этанол более эффективно, но приводят к образованию значительного количества СН4 и стимулируют реакции гидрирования СО и СО2, снижающие выход водорода. Потеря активности из-за осаждения углерода представляет дополнительную проблему при использовании этих катализаторов. Катализаторы на основе Си менее эффективны из-за окисления активной фазы . Благородные металлы высокоэффективны при конверсии этанола , однако они дороги и маловероятно, что найдут широкое применение на практике. Природа носителя катализатора также играет роль в селективности образования водоро-
ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПИРОЛИЗОМ ЭТАНОЛА
Рис. 1. Схема экспериментальной установки; 1 - реактор, 2 - печь, 3 - катализатор, 4 - перистальтический насос Патрикеева, 5 - ВРТ, 6 - хроматограф.
да. Кислые носители, такие как А1203 стимулируют дегидратацию, в то время как основные носители, такие как М§0, способствуют реакции дегидрогенизации . Лучшие каталитические характеристики с высокой селективностью по водороду и низкой селективностью по нежелательным побочным продуктам демонстрируют катализаторы на таких носителях, как Се02 и Zr02.
В данной работе исследуется известный, однако малоизученный процесс низкотемпературного реформинга этанола с целью получения водорода. Из литературы известно, что низкотемпературный реформинг этанола можно разделить на две стадии, хотя возможен и вариант совместного протекания реакций. На первой стадии этанол дегидрогенизируется с образованием аце-тальдегида и водорода. На второй стадии ацеталь-дегид расщепляется на метан и оксид углерода. Далее возможно протекание реакции между оксидом углерода и водой с образованием водорода и диоксида углерода. Катализаторы на основе N1 могут стимулировать эту реакцию . Особенность настоящей работы состоит в том, что в ней исследован процесс низкотемпературного реформинга этанола с участием никелевого катализатора, ранее разработанного нами для пиролитиче-ского синтеза углеродных нанотрубок .
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Исследования проводились на проточной установке (рис. 1), основным элементом которой является цилиндрический микрореактор с внутренним диаметром 6 мм и длиной 70 мм. Реактор помещался в печь с резистивным нагревом, температура которой регулировалась высокоточным регулятором температуры (ВРТ), точность регулировки составляла 1 К. Этанол подавался в реак-
тор перистальтическим насосом Патрикеева или из барботера, который продувался потоком аргона. Температура барботера равнялась комнатной температуре. Расход аргона измерялся ротаметром и изменялся в интервале 10-100 см3/мин. Температура реактора изменялась в пределах 50- 425°С. Загрузка катализатора находилась и интервале 0.06-0.08 г. (вместе с носителем). Высота слоя катализатора в реакторе составляла 40 мм. Поток этанола изменялся от величины 0.12 г/ч (барботер) до 1.5 г/ч (перистальтический насос).
Каталитический материал приготавливали по собственной разработанной методике. Для получения основы беззольную фильтровальную бумагу обрабатывали 20%-ным раствором тетраэток-сисилана в спирте, после чего выдерживали в эксикаторе над 10%-ным водным аммиаком. Процедуру повторяли несколько раз до достижения необходимого привеса массы. Далее материал отжигали на воздухе при 200°С в течение часа, затем температуру поднимали до 700°С и выдерживали в течение 2 ч. В результате волокна целлюлозы полностью выгорали, и получался материал, состоящий из спеченных пористых тонкостенных микротрубок из 8Ю2. Полученную "бумагу" из оксида кремния пропитывали раствором нитрата никеля и далее отжигали при 400°С. Приготовленный таким образом каталитический субстрат обладает развитой поверхностью и хорошей газопроницаемостью. В экспериментах использовали образцы с содержанием №0 25 мас. %.
Первые пробные эксперименты с водно-эта-нольной смесью (мольное отношение вода:этанол 1:1) показали, что на этом катализаторе реакция между монооксидом углерода и водой (шифт-ре-акция) не идет. Поэтому дальнейшие эксперименты проводились только со смесью азеотропного
ЛАПИН и др.
Рис. 2. Зависимость степени превращения этанола (конверсии - а) от температуры процесса. Поток этанола 0.12 г/ч. Загрузка катализатора 0.06 г.
состава этанол (96 мас. %) - вода (4 мас. %). Испарение этой смеси в барботере не приводило к изменению состава смеси, что обеспечивало ее постоянство в течение всего эксперимента. Анализ газовой фазы осуществлялся на газовом хроматографе "Цвет-500". Для этого использовались две колонки: с молекулярными ситами А5 (регистрация простых газов) длиной 2м и с полисорбом-1 длиной 2 м (регистрация этанола, воды и ацетальде-гида). Детектор - катарометр. ИК-спектры выходящих из реактора газов записывали на приборе 8рееогё М82.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Ранее с использованием ИК-спектроскопии в работе были качественно изучены особенности пиролиза паров этанола на катализаторе №0/8Ю2 в проточном реакторе при температуре 550°С. Установлено, что при отсутствии каталитического материала пары этанола, проходя сквозь реактор, практически не разлагаются. При наличии катализатора в ИК-спектре выходящих из реактора газов обнаруживается полоса при 1725 см-1, характерная для альдегидов, а также дублет при 2140 см-1, принадлежащий монооксиду углерода, и интенсивные острые пики при 3020 и 1305 см-1, относящиеся к метану. Кроме того, в спектре выходящих газов дополнительно появляется интенсивная полоса при 2350 см-1, относящаяся к диоксиду углерода.
Процесс пиролиза этанола при 550°С сопровождается интенсивным выделением углеродного волокнистого наноматериала (до 100% по отношению к массе катализатора). Осаждение угле-
Рис. 3. Зависимости доли не прореагировавшего этанола от времени контакта при 375 (1) и 325°С (2). Поток этанола 0.12 г/ч. Загрузка катализатора 0.06 г; сх и с0 - концентрация этанола на выходе из реактора и в исходной смеси соответственно.
рода приводит к дезактивации катализатора и процесс пиролиза быстро затормаживается. При снижении температуры скорость осаждения углерода резко уменьшается (практически до нуля при 350°С). Это обстоятельство позволяет существенно увеличить время работоспособности катализатора. Особенности пиролиза паров этанола на исследуемом катализаторе при температуре ниже 400°С исследованы количественно с использованием метода хроматографии.
На рис. 2 показана степень превращения спирта при различных температурах. Из рис. 2 видно, что процесс пироли
ДЬЯНКОВА Н.Я., ЛАПИН Н.В. - 2012 г.
ВЭЙХАНЬ ВАН, ЛИ БЯНЬ, ЦЮЦЗЮНЬ ЧЖУ, ЧЖЭНЬ ЛИ - 2014 г.
Производные углеводородов, в молекулах которых есть одна или несколько гидроксильных групп OH .
Все спирты делятся на одноатомные и многоатомные
Одноатомные спирты
Одноатомные спирты
- спирты, у которых имеется одна гидроксильная группа
.
Бывают первичные, вторичные и третичные спирты:
У первичных спиртов гидроксильная группа находится у первого атома углерода, у вторичных - у второго, и т.д.
Свойства спиртов , которые являются изомерными, во многом похожи, но в некоторых реакциях они ведут себя по-разному.
Сравнивая относительную молекулярную массу спиртов (Mr) c относительными атомными массами углеводородов, можно заметить, что спирты имеют более высокую температуру кипения. Это объясняется наличием водородной связи между атомом H в группе ОН одной молекулы и атомом O в группе -ОН другой молекулы.
При растворении спирта в воде образуются водородные связи между молекулами спирта и воды. Этим объясняется уменьшение объёма раствора (он всегда будет меньше, чем сумма объёмов воды и спирта по отдельности).
Наиболее ярким представителем химических соединений этого класса является этиловый спирт . Его химическая формула C 2 H 5 -OH. Концентрированный этиловый спирт (он же - винный спирт или этанол ) получают из разбавленных его растворов путём перегонки; действует опьяняюще, а в больших доза - это сильный яд, который разрушает живые ткани печени и клетки мозга.
Муравьиный спирт (метиловый)
При этом нужно отметить, что этиловый спирт полезен в качестве растворителя, консерванта, средства понижающего температуру замерзания какого-либо препарата. Ещё один не менее известный представитель этого класса - метиловый спирт (его ещё называют - древесный или метанол ). В отличии от этанола метанол смертельно опасен даже в самых малых дозах! Сначала он вызывает слепоту, затем просто "убивает"!
Многоатомные спирты
Многоатомные спирты
- спирты, имеющие несколько гидроксильных групп OH.
Двухатомными спиртами
называются спирты
,содержащие две гидроксильные группы (группа ОН); спирты содержащие три гидроксильные группы - трёхатомные спирты
. В их молекулах две или три гидроксильные группы никогда не оказываются присоединёнными к одному и тому же атому углерода.
Многоатомный спирт - глицерин
Двухатомные спирты ещё называют гликолями , так как они обладают сладким вкусом, - это характерно для всех многоатомных спиртов
Многоатомные спирты с небольшим числом атомов углерода - это вязкие жидкости, высшие спирты - твёрдые вещества. Многоатомные спирты можно получать теми же синтетическими методами, что и предельные многоатомные спирты .
Получение спиртов
1. Получение этилового спирта (или винный спирт) путём брожения углеводов:
C 2 H 12 O 6 => C 2 H 5 -OH + CO 2
Суть брожения заключается в том, что один из простейших сахаров - глюкоза , получаемый в технике из крахмала, под влиянием дрожжевых грибков распадается на этиловый спирт и углекислый газ. Установлено, что процесс брожения вызывают не сами микроорганизмы, а выделяемые ими вещества - зимазы . Для получения этилового спирта обычно используют растительное сырьё, богатое крахмалом: клубни картофеля, хлебные зёрна, зёрна риса и т.д.
2. Гидратация этилена в присутствии серной или фосфорной кислоты
CH 2 =CH 2 + KOH => C 2 H 5 -OH
3. При реакции галогеналканов со щёлочью:
4. При реакции окисления алкенов
5. Гидролиз жиров: в этой реакции получается всем известный спирт - глицерин
Кстати, глицерин входит в состав многих косметических средств как консервант и как средство, предотвращающее замерзание и высыхание!
Свойства спиртов
1) Горение : Как и большинство органических веществ спирты горят с образованием углекислого газа и воды:
C 2 H 5 -OH + 3O 2 -->2CO 2 + 3H 2 O
При их горении выделяется много теплоты, которую часто используют в лабораториях (лабораторные горелки). Низшие спирты горят почти бесцветным пламенем, а у высших спиртов пламя имеет желтоватый цвет из-за неполного сгорания углерода.
2) Реакция со щелочными металлами
C 2 H 5 -OH + 2Na --> 2C 2 H 5 -ONa + H 2
При этой реакции выделяется водород и образуется алкоголят натрия. Алкоголяты похожи на соли очень слабой кислоты, а также они легко гидролизуются. Алкоголяты крайне неустойчивы и при действии воды - разлагаются на спирт и щелочь. Отсюда следует вывод, что одноатомные спирты не реагируют со щелочами!
3) Реакция с галогеноводородом
C 2 H 5 -OH + HBr --> CH 3 -CH 2 -Br + H 2 O
В этой реакции образуется галогеноалкан (бромэтан и вода). Такая химическая реакция спиртов обусловлена не только атомом водорода в гидроксильной группе, но и всей гидроксильной группой! Но эта реакция обратима: для её протекания нужно использовать водоотнимающее средство, например серную кислоту.
4) Внутримолекулярная дегидратация (в присутствии катализатора H 2 SO 4)
В этой реакции при действии концентрированной серной кислоты и при нагревании происходит . В процессе реакции образуется непредельный углеводород и вода.
Отщепление атома водорода от спирта может происходить в его же молекуле (то есть происходит перераспределение атомов в молекуле). Эта реакция является межмолекулярной реакцией дегидратации
. Например, так:
В процессе реакции происходит образование простого эфира и воды.
Если добавить к спирту карбоновую кислоту, например уксусную, то произойдёт образование простого эфира. Но сложные эфиры менее устойчивы, чем простые эфиры. Если реакция образования простого эфира почти необратима, то образование сложного эфира - обратимый процесс. Сложные эфиры легко подвергаются гидролизу, распадаясь на спирт и карбоновую кислоту.
6) Окисление спиртов.
Кислородом воздуха при обычной температуре спирты не окисляются, но при нагревании в присутствии катализаторов идёт окисление. Примером может служить оксид меди (CuO), марганцовка (KMnO 4), хромовая смесь. При действии окислителей получаются различные продукты и зависят от строения исходного спирта. Так, первичные спирты превращаются в альдегиды (реакция А), вторичные - в кетоны (реакция Б), а третичные спирты устойчивы к действию окислителей.
Что касается многоатомных спиртов
, то они имеют сладковатый вкус, но некоторые из них ядовиты. Свойства многоатомных спиртов
похожи на одноатомные спирты
, при этом различие в том, что реакция идёт не по одной к гидроксильной группе, а по нескольким сразу.
Одно из основных отличий - многоатомные спирты
легко вступают в реакцию гидроксидом меди. При этом получается прозрачный раствор ярко сине-фиолетового цвета. Именно этой реакцией можно выявлять наличие многоатомного спирта в каком-либо растворе.
Взаимодействуют с азотной кислотой:
С точки зрения практического применения наибольший интерес представляет реакция с азотной кислотой. Образующийся нитроглицерин и динитроэтиленгликоль используют в качестве взрывчатых веществ, а тринитроглицерин - ещё и в медицине, как сосудорасширяющее средство.
Этиленгликоль
Этиленгликоль - типичный представитель многоатомных спиртов . Его химическая формула CH 2 OH - CH 2 OH. - двухатомный спирт. Это сладкая жидкость, которая способно отлично растворяться в воде в любых пропорциях. В химических реакциях может участвовать как одна гидроксильная группа (-OH), так и две одновременно.
Этиленгликоль - его растворы - широко применяются как антиобледенительное средство (антифризы ). Раствор этиленгликоля замерзает при температуре -34 0 C, что в холодное время года может заменить воду, например для охлаждения автомобилей.
При всей пользе этиленгликоля нужно учитывать, это это очень сильный яд!
Все мы видели глицерин . Он продаётся в аптеках в тёмных пузырьках и представляет собой вязкую бесцветную жидкость, сладковатую на вкус. - это трёхатомный спирт . Он очень хорошо растворим в воде, кипит при температуре 220 0 C.
Химические свойства глицерина во многом сходны со свойствами одноатомных спиртов, но глицерин может реагировать с гидроксидами металлов (например, гидроксидом меди Cu(OH) 2), при этом образуются глицераты металлов - химические соединения, подобные солям.
Реакция с гидроксидом меди - типовая для глицерина. В процессе химической реакции образуетс ярко-синий раствор глицерата меди
Эмульгаторы
Эмульгаторы - это высшие спирты , эфиры и другие сложные химические вещества, которые при смешивании с другими веществами, например жирами , образуют стойкие эмульсии. Кстати, все косметические средства также являются эмульсиями! В качестве эмульгаторов часто используют вещества, представляющие собой искусственный воск (пентол, сорбитанолеат), а также триэтаноламин, лицетин.
Растворители
Растворители - это вещества, используемые в основном для приготовления лаков для волос и ногтей. Они представлены в небольшой номенклатуре, так как большинство таких веществ легко воспламенимо и вредно для организма человека. Наиболее распространённым представителем растворителей является ацетон , а также амилацетат, бутилацетат, изобутилат.
Есть также вещества, называемые разбавители . Они, в основном применяются вместе с растворителями для приготовления различных лаков .
19 сентября 1783 г. в присутствии короля Франции Людовика воздушный шар с нагретым воздухом, построенный братьями Монтгол поднялся вверх, неся на своем борту утку, петуха и овцу. При этом был зг сирован первый несчастный случай в истории аэронавтики: овца лягнула ха и сломала ему крыло. Тем не менее эксперимент был признан удачным, убедило людей в будущем успехе воздушных путешествий. Уже 21 ноября же года де Розьер и маркиз д’Арландес поднялись в воздух на 150 м в в
Их полет длился 25 мин. Стоит отметить, что в этот раз овцу с собой не взяли, да и сами братья Мотгольфьер предусмотрительно остались на земле.
Воздушные шары на водороде появились удивительно быстро - 1 декабря "83 г., спустя всего 10 дней после первого полета воздушного шара с человеком на борту, Жак Шарль и один из братьев Роберт1 > совершили подъем на шаре, . .полненном водородом. Эксперимент оказался не слишком удачным. После кроткого перелета Роберт сошел на землю, чтобы поприветствовать зрителей, юлюдавших за полетом. При этом облегченный воздушный шар стал стреми - іьно набирать высоту и поднялся на 2700 м, унося с собой взволнованного Ларля, который в конце концов догадался открыть клапан, выпустив некоторое количество водорода, и таким образом безопасно опустился на землю. Шарль - Іфизик, открывший закон, известный нам как «закон Шарля», согласно которому їьем фиксированной массы идеального газа при постоянном давлении прямо ропорционален его температуре. Этот закон, разумеется, является следствием равнения состояния идеального газа.
Интересно отметить, что более простая технология использования горячего возду - V: для подъема воздушных шаров оказалась более жизнеспособной и приобрела шикую популярность тогда как водород для этих целей сейчас не используется. Первоначально водород получали пропусканием водяного пара над раскален - ыми докрасна железными опилками. Железо вступает в реакцию с кислородом, зобождая при этом водород2*:
3Fe + 4Н20 ^ Fe304 + 4Н2. (1)
Затем газ очищался путем барботирования в воде.
При взаимодействии железа с кислородом образуется два вида оксидов - ге - этит (Fe II) в виде солей бледно-зеленого цвета и магнетит (Fe III) в виде со - jr - й желтого, оранжевого и коричневого оттенков. Магнетит Fe304 - природ - ■ й минерал, который входит в состав ферритов, используемых в некоторых пекгронных приборах.
После 1850 г. для получения водорода часто использовали реакцию железа с рной кислотой, что привело к удорожанию водорода из-за дороговизны серії кислоты.
В настоящее время небольшие количества водорода получают, проводя ре - лию между алюминием и каустической содой NaOH. Иногда водород, полу-
1ари Ноэль Роберт. Как ни странно, ему и его брату Анне Джин Роберт, родители дали Lie некие имена.
г Использование реакции железа с водой в настоящее время рассматривается как один способов ■ р нения водорода (см. гл. 9).
чаемый этим способом, используют для наполнения метеорологических Однако основную массу производимого в мире водорода получают из ис мых топлив. Нефть, нафта и природный газ все еще являются основным с для производства водорода. Из-за истощения запасов этих природных ре разрабатываются методы получения водорода с помощью угля, запасы ко; пока еще имеются в избытке.
Методы получения водорода можно разделить на несколько категорий, которых отметим следующие:
1. Производство водорода в небольших количествах для пищевой про ленности и других мелких потребителей. Чаще всего для этих целе пользуются электролитические методы, описанные ниже, так как по емый с их помощью водород обладает высокой степенью чистоты.
2. Производство водорода в промышленных масштабах на стационарныч приятиях, например на предприятиях по производству аммиака.
3. Производство водорода в малых количествах в компактных автоно установках для использования на транспортных средствах в топлн элементах. Эта область применения водорода появилась совсем не и, вероятно, в будущем будет представлять большой экономическим терес.
4. Производство водорода в автономных установках для использован жилых домах или для локального производства тепловой и электриче энергии.
Водород можно получать также из углеводородов и спиртов в процессзх стичного окисления, паровой конверсии или термического разложения. Прол данных методов является так называемый синтез-газ - смесь угарного газа и водорода Н2.
При использовании любой из указанных выше реакций в системе подгот топлива для питания топливного элемента чистым водородом эффективн системы Г) может быть определена как отношение низшей теплоты сгора: водорода, поступившего в топливный элемент, к сумме высшей теплоты С! рания исходного топлива и максимальной теплоты, затраченной на наг системы.
Реакция частичного окисления может быть осуществлена как с исполь нием катализаторов (автотермическая реакция), так и без их использования.
Частичное окисление предпочтительно применять, когда исходным ве ством для получения водорода является тяжелая нефтяная фракция, пар" конверсия больше подходит для работы с легкими фракциями. Тем не ме небольшие системы подготовки топлива для использования на автомобильн
транспорте, в основе действия которых лежит реакция частичного окисления, ?рьезно изучаются.
В реакции частичного окисления окислителем служит воздух, поэтому продукті реакции является смесь водорода и азота. Наличие примеси азота приводит уменьшению парциального давления водорода и, как следствие, к понижению чодной мощности топливного элемента.
Реакция частичного окисления протекает при взаимодействии топлива с ог - ниченным количеством кислорода:
С„Нт + ^ 02 -» и СО + у Н2. (2)
Если в качестве топлива используется метан, то уравнение реакции имеет вид
СН4 + |о2 ^СО+2Н2. (3)
Преимущественное протекание этих реакций связано с тем, что сродство слорода к углероду намного больше, чем к водороду.
В процессе паровой конверсии протекает реакция топлива с водяным паром, ""езультате которой водород, входящий в состав воды, объединяется с водоро-
I. входящим в состав углеводорода, при этом азот в продуктах реакции от-
ствует. В этом заключается основное отличие данного процесса от реакции
гичного окисления. Паровая конверсия обобщенного углеводорода протекает ответствии с уравнением
С„Нт + «Н20 -> «СО + Н2. (4)
Эта реакция известна также как углеродно-паровая реакция.
Для примера рассмотрим чистый углерод (положим т = О, чтобы исключить □род из состава углеводорода). Отметим, что в этом случае весь водород по - ччется только из воды, а топливо (углерод) обеспечивает реакцию энергией:
С + Н,0 -» СО + Н2. (5)
Приведем также уравнение паровой конверсии метана:
Термическое разложение спиртов может быть проил/іюстрировано реакциями Іложеі іия метанола и этанола, уравнения которых имеют вид:
СН30Н -» СО + 2Н2 (7)
С2Н5ОН -> СО + н2 + сн4.
Очевидно, что весь полученный водород извлечен из использованного лива.
Синтез-газ представляет собой смесь угарного газа СО и водорода Н торая является продуктом всех приведенных выше реакций. Синтез-газ использоваться непосредственно как топливо. Он также может быть при без дополнительной обработки в топливных элементах с расплавленным к. натным или керамическим электролитом. Однако использование синтез-га - j питания топливных элементов с твердым полимерным электролитом абсот недопустимо, так как в состав синтез-газа входит монооксид углерода СО
Синтез-газ используется в качестве топлива как для бытовых, так и для мышленных нужд, тем не менее низкая объемная плотность энергии этого лива делает нерентабельной его передачу на большие расстояния удаленн места производства потребителям. Для этой задачи газ может быть обе путем конверсии в метан (см. уравнение (14)). Эта реакция является осн большинства процессов газификации угля. Следует отметить, что синте токсичен, так как в его состав входит угарный газ.
Синтез-газ является важным сырьем при производстве удивительно боль числа химических веществ, многие из которых содержат существенно боль количество атомов водорода на один атом углерода, чем исходный синте По этой причине, а также для того, чтобы использовать синтез-газ в низкот пературных топливных элементах, необходимо проводить его обогащение родом. Этот процесс называют реакцией сдвига.
Химическую реакцию монооксида углерода с водой называют конве] монооксида углерода (реакцией сдвига). Продуктами реакции являются; кислый газ и водород:
СО + Н20 -> С02 + Н2 .
Использование конверсии позволяет в широком диапазоне изменять пар Н/С (количество атомов водорода на один атом углерода) для синтез-газа. Г менительно к топливным элементам конверсия СО используется для удал всего (или почти всего) монооксида углерода из синтез-газа.
В качестве примера рассмотрим получение водорода из природного газа (тана):
СН4 + Н20 СО + ЗН2,
СО + Н20 -» С02 + Н2
Заметим, что теплота сгорания метана составляет 890 МДж/кмоль, тогда как и сгорании 4 кмолей водорода выделяется 4 286 = 1144 МДж теплоты. Таким _азом. энергоемкость продуктов описанной выше реакции превышает энерго - лость исходных веществ, следовательно, реакция является эндотермической, лолнительная энергия подводится в виде теплоты, необходимой для проте - ия реакции. В стационарных установках эту теплоту обычно получают путем игания углеводородов:
В более компактных транспортных и бытовых установках удобным способом іучения необходимой теплоты является сжигание некоторого количества во - эда в реформате (см. примеры, приведенные ниже).
8.2.2.6. Получение метана из синтез-газа
Конверсия синтез-газа в метан, которая является частью процесса преобра - ания любых ископаемых топлив в обычно более ценный «природный газ», .швается метанированием. Кроме того что метанирование играет важную:ь в промышленности, оно также представляет интерес в рамках тематики й главы книги, так как на основе этой реакции можно разработать методику тения большей части монооксида углерода СО из водорода, получаемого из леродных топлив. Уравнение реакции имеет вид:
С02 + 4Н2 -» СН4 + 2НгО.
8.2.2.7. Метанол
Метанол является не только полноценным топливом и полезным химиче - .4 реагентом, но также и важным промежуточным звеном в процессе получе - многих других химических веществ. В немалой степени ценность метанола словлена тем, что это единственное вещество, которое может быть получено е іьно и с высокой эффективностью из синтез-газа. Эффективное получение гих веществ связано с проблемой разделения продуктов реакции.
Метанол может стать приоритетным видом топлива для автомобилей на ливных элементах. Получать его можно из синтез-газа:
СО + 2Н2 -» СН3ОН.
Эта реакция, открытая в 1902 г. химиками Сабатье и Сандеренсоч жит в основе процесса синтеза Фишера-Тропша, который получил кую известность в Германии во время Второй мировой войны. Техно, Фишера-Тропша используется для получения жидких синтетически лив из угля.
Структуры предприятий по производству метанола и аммиака имеют общего. Отличия между ними заключаются только в типе синтез-газа и заторах, используемых в реакторах.
Необходимо отметить, что состав конечного продукта, получаемого из с газа, определяется температурой и давлением, при которых проводят щ и выбором катализатора.
Метанол также может быть получен непосредственно из биомассы, например, как древесина.
Синтетической сырой нефтью называют жидкий продукт, получи _ путем ожижения угля. Ожижение является более эффективным прои преобразования угля, чем газификация. Для ожижения требуется не шое количество воды, а в качестве сырья могут использоваться любые с угля, в том числе и битуминозный уголь, который при газификации но спекается.
По существу, синтетическую сырую нефть получают одним из след> способов:
1. Синтез Фишера-Тропша, аналогичный процессу получения метатвла. личие заключается в том, что в разделении продуктов реакции в д случае нет необходимости. Вместо чистого метанола получают смеоЕ леводородов сложного состава.
2. Пиролиз, или сухая перегонка каменного угля, продуктами которог ляются вещества в газообразном, жиком и твердом (полукокс) сост > Уголь подвергают импульсному нагреву без доступа воздуха. Исполк ние импульсного нагрева обусловлено тем, что при длительном на жидкие фракции разлагаются, превращаясь в газы.
3. Непосредственное гидрирование угля.
4. Экстракция жидкой фазы с помощью растворителя. Используемые в процессе растворители получают на предварительном этапе прямого рирования.
Водород, получаемый методом электролиза (данный метод будет рассмотрен ниже), обладает практически приемлемой степенью чистоты. Водород, который производят с использованием ископаемых топлив, наоборот, содержит ботьшое количество примесей, среди которых углекислый газ С02 в высокой концентрации, нежелательные остатки монооксида углерода СО и в некоторых процессах существенное количество азота. Кроме того, само исходное сырье может содержать нежелательные компоненты, такие как сера и ее соединения. Их робходимо удалить, прежде чем подвергать сырье обработке.
8.2.3.1. Очистка от соединений серы
Если исходные вещества находятся в газообразном состоянии, соединения геры могут быть удалены из них путем распыления этих веществ в суспензии на - V нове кальция (например, известняке). Оксид серы S02, содержащийся в газе, прореагировав, образует сульфиты или сульфаты, которые затем удаляются.
Для преобразования серосодержащих молекул, имеющихся в тяжелой нефти, ъ сероводород H2S можно использовать катализаторы на основе дисульфида мо - юдена с небольшими добавками кобальта или никеля.
Существует и ряд других способов очистки от нефти.
8.2.3.2. Очистка от С02
Синтез-газ, так же как и биогаз (о котором будет рассказано в гл. 11), со - ржит большое количество диоксида углерода, который в лучшем случае дей - ьует как растворитель. При смешении диоксида углерода с водой образуется чушительная кислота, которая может повредить оборудование и трубопро - ды. Очистка от С02 является основной методикой уменьшения выброса этого j в атмосферу.
Удаление С02 может быть осуществлено одним из нескольких способов, почающих в себя следующие:
1. Химические методы, в которых используется гидрооксид кальция для поглощения диоксида углерода с образованием карбоната кальция. Затем, на следующем этапе, карбонат регенерируют, получая гидрооксид кальция.
2 Физические методы, основанные на зависимости растворимости С02 от температуры, которые называют термической цикловой адсорбцией (TSA). В качестве растворителей могут использоваться вода, метанол или один из этаноламинов (моно - или МЕА, ди - или DEA, и триэтаноламин или TEA).
3. В настоящее время самым распространенным способом очистки от С02 является адсорбция с циклированием давления (PSA) - короткоцикловой адсорбцией. В основе этого процесса лежит способность некоторых веществ, например некоторых цеолитов, избирательно адсорбировать диоксид углерода при высоком давлении, а затем при понижении давления
десорбировать его. Для повышения эффективности адсорберов п лагается использовать некоторые органические вещества. Сейчас исследования в этой области.
Частичная очистка от С02 может быть проведена с помощью спепи мембран, изготовленных, например, из ацетата целлюлозы. Эти мем обладают высокой проницаемостью для молекул С02 и низкой п емостью для молекул других веществ. Молекула С02 довольна кр> поэтому фильтрация не может быть основана на размере поры. Др словами, мембрана не работает как фильтр. Она не пористая. Дн углерода растворяется в веществе мембраны, диффундирует скво;; а затем выделяется с противоположной стороны. В этом процессе ется часть полезного газа если допустимая концентрация С02 на составляет 3 %, то будет восстановлено 85 % полезного газа: если емлемое значение концентрации С02 равно 8 %, то доля полезногоI составит 90-92 %.
Для выделения водорода из газовой смеси (с удалением большей части можно использовать металлические мембраны, которые пропускают моле* водорода Н2, но непроницаемы для других газов. Хотя их называют филь мембраны непористые, а их действие основано на диссоциации молекулы рода на атомы на поверхности мембраны с последующим образованием да, его быстрой диффузией через материал мембраны и рекомбинацией а водорода в молекулы на противоположной стороне мембраны. Таким об, механизм «фильтрации» водорода состоит из двух этапов: диссоциация мо. на атомы и образование гидрида с последующей его диффузией. Если в ка материала мембраны используется тантал, то образование гидрида и его зия протекают достаточно быстро, однако тантал является плохим катали ром процесса диссоциации. Палладий характеризуется высокой скоростью процессов, но этот металл очень дорогой. Одним из возможных решений проблемы может быть использование танталовых мембран с очень тонким ладиевым покрытием. При взаимодействии с водородом палладий стано хрупким, поэтому используют сплавы палладия с золотом, серебром или (обычно 60 % Ра и 40 % Си).
Для того чтобы обеспечить достаточно большую скорость «фильтрации» дорода через мембрану без существенного увеличения разности давлении, обходимо, чтобы толщина мембраны была небольшой. С одной сторонь приводит к экономии дорогостоящего палладия, но, с другой стороны, пла получаются очень хрупкими, вследствие чего в них могут появляться де в виде мельчайших отверстий. Просачивание лишних газов через эти отве нарушает избирательность «фильтра». Нанесение очень тонких, но максима;
равномерных слоев палладия на поверхности подложки с высокой пористостью позволит решить данную проблему. Уровень нежелательной пористости мембраны можно оценить путем измерения потока гелия, просачивающегося через нее. Гелий, в отличие от водорода, может проникать через мембрану только проходя через мельчайшие отверстия в ней.
Данные, полученные исследователями фирмы Idatech (рис. 8.1), демонстри - рют соотношение между толщиной мембраны и плотностью потока энергии, т. е. количеством энергии (в джоулях), переносимой в единицу времени в расчете на 1 м2 площади поверхности мембраны (энергия водорода рассчитывается го низшей теплоте сгорания). Данные были получены при температуре 400 °С и разности давлений на мембране 6,6 атм. Разница между проницаемостью мембран с гладкой и вытравленной поверхностью очевидна. Вытравленная поверхность мембраны более шероховата и поэтому имеет большую площадь, чем ’алкая поверхность. Таким образом удается интенсифицировать поверхностное ізаимодействие материала мембраны с водородом. Эффект интенсификации на - более заметен на тонких мембрана^. чем на более толстых, так как в толстых мембранах скорость «фильтрации» водорода в основном определяется диффу - іией газа сквозь материал.
Палладий - это дорогостоящий металл. Топливный элемент мощностью 1 кВт, ютающий с КПД 60 %, потребляет в единицу времени количество водорода, римерно соответствующее 1,7 кВт энергии. Мембрана толщиной 17 мкм при. лепаде давления на ней 6,7 атм имеет производительность, эквивалентную дельной мощности 170 кВт/м2. Таким образом, общая эффективная площадь
|
мембраны должна составлять примерно 0,01 м2 или 100 см2. Если же обшая щадь палладиевой мембраны в 1,5 раза больше рассчитанной, а средняя толі - составляет 20 мкм, объем металла будет равен 0,3 см3. Доля палладия в сп используемом для изготовления мембраны, составляет 60 %, что соответст объему 0,18 см3 Масса такого количества палладия равна 2,2 г. В последнее сятилетие стоимость палладия существенно выросла в связи с его использо ем в автомобильных каталитических нейтрализаторах отработавших газов - нынешней цене 25 долл./г, стоимость палладия, необходимого для топлив элемента мощностью 1 кВт, составит 55 долл., что не так уж и мало. Если окажется, что толщину мембраны можно уменьшить, например, или 2 мкм, затраты на материалы при изготовлении ТЭ существенно сниз Кроме того, конструктор может спроектировать мембрану с более низким репадом давления на ней. 8.2.4. Установки для получения водорода Получение водорода из ископаемых углеводородов в промьіиі ных масштабах (чаще всего для производства аммиака) является отработаї технологией. Обычная схема процесса получения водорода показана на рис. Прежде всего, как правило, осуществляют очистку сырья от серы, так как отравляет катализаторы, которые используются на последующих этапах про са. Затем с помощью паровой конверсии получаю синтез-газ. Как отмечадЫ выше, реакция метана с водой является эндотермической, поэтому на даі « этапе требуется подвод теплоты. |
|
Достатков ■ |
проводить при низких температурах для приближения к равновесным условиям. С другой стороны, в состоянии, близком к равновесному, сильно уменьшается скорость реакции, поэтому были затрачены некоторые усилия на разработку хороших катализаторов. Сначала использовали катализаторы на основе никеля, обальта или оксида железа, при этом уровень рабочей температуры превышал "00 К. Применение современных катализаторов на основе меди позволило снизить рабочую температуру до 520 К. Газ, полученный в процессе конверсии СО, содержит большое количество диоксида углерода, смешанного с водородом. Таким образом, на следующем этапе необходимо удалить С02. Финальным этапом в процессе производства водорода является удаление остатков СО. В противном случае монооксид углерода будет отравлять катализаторы, использующиеся в процессе получения аммиака.
Компактные системы топливоподготовки для использования на автомобильном транспорте и в жилых домах были разработаны чрезвычайно быстро. Пре - . е чем мы обсудим одну из таких миниатюрных установок, рассмотрим пример расчета характеристик такого устройства. Необходимые для расчета термодина - ические данные сведены в табл. 8.1.
Рассмотрим схему работы устройства для получения водорода из метанола, которое можно использовать на транспорте или в стационарных установках. В таком устройстве, называемом системой топливоподготовки, может использоваться реакция прямого разложения метанола
СН3ОН -> СО + 2Н2 .
Если метанол сначала испарить, а потом сжечь, то при сжигании выделится 676,34 МДж тепловой энергии в расчете на 1 кмоль водяного пара, который является продуктом реакции горения. Если же метанол сначала разложить, то из 2 кмолей водорода, образованных в результате реакции разложения, можно получить 2 ■ 241,82 = 483,64 МДж и еще дополнительно 282,99 МДж из 1 кмоля монооксида углерода, т. е. общее количество энергии составит 766,63 МДж. Другими словами, при сжигании протестов разложения метанола можно получить больше энергии, чем при сжигании исходного топлива, так как реакция разложения является эндотермической и для ее эсуществления необходимо подвести 766,63 - 676,34 = 90,29 МДж теплоты в расчете на 1 кмоль метанола.
Важно удалить из смеси газов большую часть монооксита углерода, который имеет свойство отравлять катализатор в низкотемпературных топливных элементах, и получить некоторое дополнительное количество водорода. Для этого можно использовать реакцию монооксида углерода с водяным паром
|
Продолж. примери При сжигании монооксида углерода выделяется 282,99 МДж/кмоль тепловой знері тогда как при окислении полученного в реакции сдвига водорода - 241,8 МДж/к- Таким образом, реакция сдвига является экзотермической с тепловым эффе равным 282,99-241,8 = 41,19 МДж/кмоль СО. Общее уравнение реакции
|
