zemní plyn a propan-butan (LPG) kapalný vzduch kyslík dusík vzácné plyny acetylén vodík Zemní plyn a technické plyny

Transkript

1 zemní plyn a propan-butan (LPG) kapalný vzduch kyslík dusík vzácné plyny acetylén vodík Zemní plyn a technické plyny

2 Zemní plyn (natural gas) přírodní, hořlavý plyn různého složení dle místa původu, lehčí než vzduch 0,7 kg/m 3 složení: uhlovodíky hořlavé, majoritní složky: metan % etan, propan, butan 0 20 % vyšší uhlovodíky 0 5 % inertní plyny: oxid uhličitý 0 30 % sulfan 0 30 % dusík 0 15 % helium 0 5 % ve směsi se vzduchem výbušný 4 15 obj. % pod spodní mezí výbušnosti je reakce se vzduchem utlumena absorpcí volných radikálů nad horní mezí výbušnosti není dost kyslíku pro šíření exploze, plyn hoří vysoká výhřevnost 34 MJ/kg (po odstranění inertů, jinak MJ/kg) nejnižší produkce CO 2 na jednotku uvolněného tepla 18 MJ/kg CO 2 o 30 % více v porovnání s benzinem

3 Výskyt naleziště po celém světě Zemní plyn (natural gas) Zdroj: en.wikipedia.org

4 Zemní plyn (natural gas) Produkce celosvětově 3800 bilionů m 3 / rok USA + Kanada 950 bil. m 3 země bývalého Sovětského svazu 920 bil. m 3 střední východ 630 bil. m 3 Ložiska naleziště společná s nalezišti ropy kapsy zemního plynu se formují nad ložiskem ropy v některých ložiscích je těžba plynu nežádoucí kvůli komplikacím s transportem v minulosti pálen přímo v místě težby v současné době injektován zpět do ložiska a uchováván společně s nalezišti uhlí methan přirozeně doprovází uhelné sloje výbuchy v dolech izolovaná naleziště uvnitř nepropustných hornin břidlicový plyn zemní plyn uzavřený uvnitř porézních hornin významné zásoby břidlicového plynu objeveny mezi v USA očekávají se značné dostupné zásoby také v Číně, Argentině a Alžírsku

5 Zemní plyn (natural gas) Zdroj: en.wikipedia.org

6 Zemní plyn (natural gas) Použití palivo v energetice 38 % - ekologičtější než jiná fosilní paliva palivo a surovina v průmyslu 30 % teplo, pára zdroj uhlovodíků metan výroba vodíku domácnosti a komerční sféra 29 % teplo Těžba těžební vrty ve vhodných lokalitách plyn je čerpán svým vlastním tlakem ložiska jsou rozšiřována horizontálním vráním okolí vrtu je narušováno také vysokotlakou vodou s přídavkem žíravin ekologické riziko

7 Zemní plyn (natural gas) Zpracování vytěžený plyn je třeba transportovat na místo spotřeby už pro účely transportu je třeba plyn upravit tak, aby splňoval požadavky odběratelů a nezpůsoboval korozi odstraňují se: volná voda kyselé plyny systém absorpce CO 2 a H 2 S do methanolu (Rectisol), či vodných roztoků aminů (MDEA, DEA, TEA) vodní pára absorpcí do etylenglykolu vyšší uhlovodíky částečným zkapalněním plynu plyn je stlačen a následně expanuje do nižšího tlaku část plynu zkondenzuje kondenzát obsahuje především vyšší uhlovodíky, ty se následně dělí destilací produkce především propan-butanu zbylý plyn je dopravován do plynovodů, či stlačován CNG (compressed natural gas) a zkapalňován LNG (liquified natural gas) a dopravován tankery

8 Zdroj: en.wikipedia.org Zemní plyn (natural gas)

9 LPG (liquified petroleum gas) směs propanu a butanu v různém poměru v ČR obvykle poměr (40:60 60:40) poměr se upravuje pro roční období v létě více butanu, v zimě více propanu např. v Austrálii spíše propan těžší než vzduch 1,9 2,5 kg/m 3 v ČR 2,1 hořlavý, ve směsi se vzduchem výbušný (2 10 %) rel. vysoká teplota varu (-10-5 C), v tlakových lahvích se skladuje kapalný při 20 C tlak v lahvi cca 400 kpa butan má nižší tlak, v létě je proto LPG bohatší na butan výhřevnost 46 MJ/kg Výroba destilací zemního plynu, či ropy při destilaci jsou frakce kapalné a přímo se stáčí do tlakových zásobníků

10 Kapalný vzduch Vzduch směs plynů tvořících plynný obal Země tlak a složení jsou téměř nezávislé na zeměpisné délce a šířce, tlak klesá s nadmořskou výškou 0 m n.m. 101 kpa 2,5 km n.m. 75 kpa 5 km n.m. 55 kpa hranice dýchatelnosti 8 km n.n. 36 kpa 100 km n.m. 0,3 Pa složení vzduchu Kapalný vzduch vyrábí se zkapalňováním atmosférického vzduchu pro zkapalnění je využívána kombinace postupného stlačování a ochlazování před zkapalněním je třeba odstranit prach, vodu a CO 2 při výrobních teplotách a tlacích by voda a CO 2 existovaly ve formě krystalů a mechanicky by narušovaly výrobu

11 Kapalný vzduch

12 Zkapalňování a dělení vzduchu zkapalňování vzduchu je založeno na Joule-Thomsonově jevu Joulův Thomsonův jev je fyzikální děj, při kterém se při adiabatické expanzi do vakua přes pórovitou přepážku mění teplota plynu. Pro každý plyn (a daný tlak) existuje inverzní teplota; expanduje-li přes přepážku plyn s teplotou nižší než inverzní, dále se ochlazuje, naopak plyn s vyšší teplotou se zahřívá. při vhodném uspořádání teplot a tlaků dojde při expanzi ke zkapalnění části plynu zbylá část je odváděna jako ochlazený plyn a využívána jako chladivo Popis procesu filtrace, odstranění prachu průchod hydroxidem sodným k odstranění CO 2 absorpce vysoušení sušidlem k odstranění vodní páry stlačení (nárůst teploty) + ochlazení vhodným chladicím médiem voda, čpavkový chladicí systém, chladný stlačený vzduch prudká expanze přes škrticí ventil, ochlazení u většiny plynů (Joule- Thomsonův efekt)

13 Zkapalňování vzduchu Lindeho proces 1. kompresor tlak 20 MPa vícestupňový, mezi stupni zařazeno chlazení 2. strojové chlazení chlazení na -45 C 3. výměník chlazení plynnou frakcí po expanzi 4. expanzní ventil snížení tlaku na cca 150 kpa - zkapalní cca 10 % vzduchu 5. zásobník na kapalný vzduch 6 - přívod vzduchu 7 - chladící médium např. čpavkové chlazení tlak na výstupu z kompresoru: 20 MPa

14 Zkapalňování a dělení vzduchu Claudeho proces 1. kompresor tlak 4-6 MPa vícestupňový, mezi stupni zařazeno chlazení, lze i výrazně nižší tlak 0,6 MPa 2. chlazení vodou 3. výměníky chlazení plynnou frakcí po expanzi 4. expanzní turbína (detander) snížení tlaku výměnou za mechanickou práci, nedochází ke zkapalnění 5. expanzní ventil 6. dělení kapalné a plynné frakce 75 % ochlazeného vzduchu přes detander tlak cca 5 MPa nižší spotřeba energie (cca 50 %)

15 detander Zkapalňování vzduchu

16 Dělení vzduchu výroba kyslíku vs. kyslíku a dusíku dělení vzduchu je založené na destilaci zkapalněného vzduchu destilace dělení kapalných směsí na základě rozdílné těkavosti složek / rozdílného bodu varu vzduch 79 % dusík, t V = -196 C; 21 % kyslík, t V = -183 C dusík má nižší bod varu, odděluje se jako destilát kyslík zůstává ve vařáku rektifikační kolony při destilaci vzduchu není dostupné chladivo pro kondenzaci par dusíku pokud není potřeba výroba dusíku, vypouští se odpadní dusík (s obsahem kyslíku cca 6 %) zpět do atmosféry kolona pracuje při atmosférickém tlaku při výrobě obou kapalných plynů je potřeba použít dvě destilační kolony pracující za různých tlaků kondenzátor vysokotlaké kolony (550 kpa) slouží jako vařák kolony nízkotlaké (100 kpa) za 550 kpa jsou vyšší teploty varu: dusík -178 C, kyslík -163 C mezi kondenzátorem (dusík, vysoký tlak, -178 C) a vařákem (kyslík, nízký tlak, -183 C) je teplotní rozdíl 5 C

17 Dělení vzduchu výroba kyslíku Zdroj: en.wikipedia.org

18 Dělení vzduchu výroba kyslíku a dusíku 1 - tlaková kolona 2 - atmosférická kolona 3 kondenzátor / vařák 4 vařák ohřev chlazením stlačeného vzduchu 5 - expanzní ventil 6 - tlak vzduchu 5 MPa 7 - tlak vzduchu 0,55 MPa 8 - kapalný vzduch obohacený kyslíkem 9 - kapalný dusík s malým podílem kyslíku Rektifikační kolona na dělení vzduchu koncentrace O 2 99 % koncentrace N 2 98,8 %

19 Výroba 97 % - frakční destilace vzduchu 3 % - elektrolýza vody Použití: 67 % - oxidační procesy 30 % - řezání a svařování kovů Kyslík třetí nejrozšířenější prvek ve vesmíru - 1,04 % druhý nejrozšířenější prvek na Zemi - 30 % 3 % - medicinální kyslík ve zdravotnictví

20

21 Dusík Výroba 95 % - frakční destilace vzduchu 5 % - koksárenské plyny Použití: 60 % - při výrobě amoniaku 15 % - metalurgie ochrana materiálů (např. svařování) 10 % - potravinářský průmysl 15 % - chladící médium (kapalná forma)

22

23 Dělení vzduchu membránami alternativní metoda k destilaci vzduchu nižší produkce, vyžaduje vysoké investiční náklady a vysoký tlak oproti destilaci umožňuje proměnnou produkci, či odstávku výroby dělení na základě rozdílné propustnosti porézní či neporézní membrány pro kyslík a dusík plyn, který projde přes membránu je bohatší na jednu ze složek poměr propustnosti membrány pro jednotlivé složky je dán tzv. selektivitou membrány u neporézních membrán je selektivita dána rozdílnou rozpustností a difuzivitou plynů v materiálu membrány u porézních membrán je selektivita dána velikostí a uspořádáním pórů stěna dutého vlákna propustná pro kyslík

24 Dělení vzduchu adsorpcí/desorpcí alternativní metoda k destilaci vzduchu nižší produkce, vyžaduje vysoké investiční náklady a vysoký tlak oproti destilaci umožňuje proměnnou produkci, či odstávku výroby dělení na základě rozdílné afinity (ochoty se vázat) plynů k povrchu provádí se v adsorpčních kolonách v cyklech, kdy se střídají tlakové a nízkotlaké fáze v tlakové fázi se na povrch adsorbentu naváže plyn s vyšší afinitou v nízkotlaké fázi se navázaný plyn uvolní

25 Vzácné plyny (helium, neon, argon, krypton, xenon) atmosférický vzduch cca 1 % vzácných plynů 1 - tlaková kolona 2 - atmosférická kolona 3 vařák 4 kondenzátor 5 - expanzní ventil 6 - vzduch obohacený kyslíkem 7 - vzduch obohacený dusíkem 8 - kapalný kyslík 9 - kryptonová kolona 10 - argonová kolona Použití: elektrotechnika neon, argon, krypton, xenon inertní atmosféra při svařování argon chladící systémy, nosný plyn - helium

26 Vzácné plyny destilace vzduchu

27

28

29 Vzácné plyny helium (He) druhý nejrozšířenější plyn ve vesmíru nachází se v ložiscích zemního plynu většina helia se vyrábí destilací zemního plynu produkt α-rozpadu izotopů radioaktivní minerály, především uranu, jsou díky rozpadu nasycené heliem helium je možné uvolnit zahříváním (1200 C) původně izolováno zahříváním Cleveitu Cleveit (odrůda Uraninitu)

30 Vzácné plyny helium (He) Použití: lehčí, než vzduch ( 0,18 kg/m 3 ) - plnění balónů a vzducholodí málo rozpustný ve vodě 10 x méně, než vzduch ředění O 2 do potápěčských bomb zamezení hloubkového opojení a kesonové nemoci-bublinky teplonosné médium pro jaderné reaktory (vysoká tepelná kapacita)

31 Vodík H 2 nejrozšířenější prvek ve vesmíru 75 % lehčí, než vzduch, nejlehčí plyn ( 0,09 kg/m 3 ) rozpustný v platinových kovech hořlavý, ve směsi se vzduchem výbušný (4-75 %) redukční činidlo Výroba: 92 % - petrochemické procesy + vedlejší zdroje elektrolýza NaCl výroba Cl 2 dehydrogenace pyrolýzy 5 % tepelné štěpení vody 3 % elektrolýza vody

32

33 Vodík výroba - elektrolýza vody energeticky náročné celková účinnost % (včetně výroby el. energie) měrná spotřeba na 1 Nm 3 H 2 4,5 5,5 kwh katoda anoda + 2H + 2e H 2 2 OH 2e H O O 2 teplota: C rozkladné napětí: 1.9-2,3 V (pro zvýšení vodivosti vody přídavek KOH) vedlejší produkt těžká voda D 2 O (Zakoncentrování v ellytu) Elektrody: katoda železná anoda železná poniklovaná diafragma (nepropustná pro plyn)

34 Vodík výroba parní reforming Parní reforming zemního plynu a uhlovodíků - štěpení vízkovroucích uhlovodíků (benzín) CH H2O CO 2H2 CO + H O CO H kompresor 2 - pec parního reformingu 3 - katalytický reaktor 4 - výměník tepla 5 - oddělovač páry Parní reforming uhlovodíků

35 Vodík výroba parciální oxidace vakuového zbytku Produkt: vodík + syntézní plyn (směs CO a H 2 reakce bez katalyzátoru, tepelně samonosná n C nhm + O2 nco + 2 m 2 H 2 C n H m + nh 2 O nco + n + m H 2 2 Procesní podmínky: štěpení tlak 3 MPa, teplota cca C

36 Vodík výroba parciální oxidace vakuového zbytku 1-reaktor, 2- kotel na odpadní teplo, 3-vypírka sazí, 4-vypírka HCN a NH 3 5- alkazidová vypírka H 2 S

37 Vodík použití Použití: výroba amoniaku (cca 56 %) rafinérské procesy (cca 25 %) hydrokrakování (zlepšení kvality ropných produktů) hydrogenační odstranění sloučenin síry (hydrotreating) výroba metanolu (cca 7%; kat. hydrogenace CO + 2 H 2 CH 3 OH) hydrogenace (cca 12 %) ztužování tuků syntéza anilinu a cyklohexanu metalurgie elektronika svářecí technika

38

39 Oxid uhličitý CO 2 nedýchatelný plyn, těžší než vzduch ( 1,56 kg/m 3 ) v koncentracích nad 9 % je dusivý, nad 20 % způsobuje náhlý kolaps a smrt má poměrně vysokou teplotu varu (-57 C za 500 kpa), za nižšího tlaku neexistuje kapalný a přechází rovnou z pevného do plynného skupenství sublimuje v tlakových lahvích se skladuje kapalný Zdroje: rozklad CaCO 3 odplyn z vypírky CO 2 po konverzi CO kvasné procesy Použití: výroba močoviny stojírenství (inertní atmosféra) potravinářský průmysl (inertní atmosféra, výroba šumivých nápojů) chladivo (pevný CO 2 -suchý led) hasivo pěnové, sněhové hasicí přístroje zabraňuje přívodu kyslíku, chladí

40 Suchý led expanzí kapalného oxidu uhličitého z ~15 bar do atmosféry vstřik do lisů s vysněžovacími věžemi nebo komorami tvorba cca 50 % CO 2 sněhu a 50 % studeného CO 2 plynu (-78,5 C) hydraulické stlačení sněhu do bloků, pelet nebo tenkých plátků speciální rozměry plátků řezáním bloků menší závody: výroba suchého ledu bez rekuperace plynného CO 2 u větších závodů rekuperace vyžadována komprese, kondenzace ve zkapalňovači CO 2 nezbytné chlazení s uzavřeným okruhem chladiva

41 Acetylén HC-CH hořlavý, bezbarvý plyn nepatrně lehčí, než vzduch, poměrně rozpustný ve vodě (1,2 g/l), dobře rozpustný v acetonu (28 g/kg) meze výbušnosti 1,5 80 % při stlačování je nestálý, nad 200 kpa(abs.) se samovolně explozivně rozkládá prakticky neexistuje v podobě kapaliny, podobně jako CO 2 sublimuje v tlakových lahvích se skladuje rozpuštěný v acetonu Výroba: parciální oxidace methanu reakce karbidu vápenatého s vodou (Wohlerův proces) reakce páleného vápna (CaO) s koksem (C) za vysokých teplot (2200 C) CaO + 3 C CaC 2 + CO rozklad CaC 2 vodou CaC H 2 O C 2 H 2 + Ca(OH) 2

42 Acetylén HC-CH Použití: sváření kyslíkovo-acetylénový plamen 3300 C výroba plastů hydrogenace na ethylen výroba polyethylenu výroba akrylátů výroba acetaldehydu metalurgie

43 Značení tlakových lahví bojovy-rad-32-p-pozary-spritomnosti-tlakovych-lahvi-stechnickymi-stlacenymi-azkapalnenymi-plyny/