Расчет установки для ожижения водорода

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский Государственный Университет

Низкотемпературных и Пищевых Технологий

Кафедра криогенной техники

Курсовая работа

На тему «Расчет установки для ожижения водорода»

Выполнил: Бельтюкова Е.А.

Гр. 4 ТФ

Преподаватель: Акулов Л.А.

Санкт-Петербург, 2009 г.
Содержание

Введение

Выбор схемы

Характеристики циклов ожижения водорода

Принципиальная схема ожижительной установки

Исходные данные

Расчет режима работы установки

Результаты расчета

Параметры потока в характерных точках процесса

Принцип работы установки

Список литературы

Введение

Существует три изотопа водорода: протий Н с массовым числом 1; дейтерий Д с массовым числом 2, тритий Т с массовым числом 3. В ядре атома протия один протон, дейтерия - протон и нейтрон, трития — один протон и два нейтрона, У всех изотопов по одному электрону. Протий и дейтерий стабильны. Период полураспада трития составляет 12,262 года; продуктом распада является Не-3

Известно несколько промышленных методов получения водорода. Наиболее экономичны методы получения Н₂ из природного газа и газов, сопутствующих процессам добычи и переработки нефти (попутные газы). Содержащиеся в этих  газах углеводороды (метан, пропан, бутан и др.) подвергаются так называемой каталитической конверсии с водяным паром.

Первая реакция протекает при температуре до 1073 К на никелевом катализаторе, вторая  при температуре около 773 К на окислах железа и хрома. Получаемый газ содержит до 25 % смеси (СО + СО₂), очисткой от которой завершается процесс производства Н₂. В техническом водороде содержание примесей не должно превышать 2,0 — 2,5 %, Используют также метод неполного окисления углеводородов 95 % кислородом при давлении около 4 МПа и температуре до 1773 К:

    В крупнотоннажном производстве большие количества водо­рода получают также из газов, образующихся при переработке нефти- Например, газы каталитического реформинга могут содержать 40-80 % водорода, газы пиролиза этана — до 60 % водорода- Для получения из них водорода используют криоген­ные методы очистки. При получении водорода в сравнительно небольших количествах применяют электролиз воды. Однако, несмотря на высокую степень чистоты получаемого водорода (до 99,9 %), этот метод неэкономичен (расход электроэнергии достигает 60-70 кВт*ч на 1 кг Н₂), Водород высокой чистоты (99,99 %) получают диффузионной очисткой палладием.

Во всех случаях в получаемом водороде содержится до 99,987 % атомов протия. Содержание атомов дейтерия колеблется от 0,013 до 0,016 %. Так как молекула водорода двухатомная, то большая часть атомов дейтерия соединена в молекулы с атомами протия, образуя так называемый водородный дейтерид НД, содержание которого составляет 0,026 — 0,032 %, Температура кипения НД около 22,13 К, поэтому его можно извлечь методом низкотемпе­ратурной ректификации. Впервые такой способ разделения раз­работан группой ученых под руководством проф. М.П. Малкова.

Орто-парасостав и орто-параконверсия водорода. Существуют две модификации водорода; ортоводород (о-Н₂), параводород (п-Н₂), Они различаются направлением вращения ядер, т.е. ядер­ными спинами (рис. 3.20). При разных температурах равновес­ный состав орто-парамодификаций различен:

        40       70       120      200     250     300

Доля молекул пара-
водорода в равновес­
ном водороде, %................ 99,8    97,02   88,73   55,88   32,96   25.97 25,26 25,07

При обычных температурах водород представляет собой смесь 75 % ортомодификации (ядерные спины одного направления) и 25 % парамодификации (ядерные спины противоположных на­правлений); такой водород называют нормальным (см. табл. 3,2). С понижением температуры доля парамодификации увеличи­вается. При равновесии в жидком водороде содержится 99,8 % парамодификации и 0,2 % ортомодификации, т.е. равновесный жидкий водород практически является параводородом. Процесс орто-парапревращения называют орто-парапереходом или орто-параконверсией. В газообразном состоянии орто-параконверсия возможна только в присутствии катализаторов. В жидкой фазе она протекает самопроизвольно, весьма медленно. Например, ожиженный нормальный водород вначале имеет состав исход­ного газообразного водорода; доля молекул параводорода (х_п,_н ) увеличивается с течением времени.

Например, через 100 ч х,,__н составляет 0,595, а через 1000 ч — окало 0,92. Процесс конверсии сопровождается выделением тепло­ты. При низких температурах (15 К < Т < 70 К) теплота орто-параперехода примерно одинакова и составляет около 706 Дж/г; с повышением температуры она быстро уменьшается и, например, при 200 К составляет только 219 Дж/г. Общее количество тепло­ты, выделяющейся при орто-парапревращении (теплота конвер­сии от нормального состояния до равновесного), весьма значительна.