Виробництво водню


Поділіться цією статтею з друзями:

Техніки та промислові засоби виробництва водню.

Ключові слова: генерація водню, промисловість, електроліз, піроліз, риформінга, металеві каталізатори, витрати, умови, експлуатація.

введення

Дуже модний зараз і вважається, можливо неправильно, як енергетичне рішення для майбутніх поколінь, водень не існує в рідному стані на Землі.

Це не може Не можна вважати джерелом енергії (на відміну від викопних або поновлюваних джерел енергії), але просто як вектор енергіїтобто засоби транспортування або передачі енергії. На жаль, обмеження, пов'язані з використанням енергії водню, численні, так що рідке нафтове паливо досі має добрі роки вперед.

Але крім цих міркувань, пов'язаних із використанням водню, давайте підійдемо до мети цієї статті. Дійсно, оскільки водень не існує в природній формі на Землі, було необхідно (і, перш за все, це буде необхідно) розробити екологічно вигідні способи виробництва. Ось огляд поточних методів.

Для інформації, в даний час воднева енергія (крім маржинальних паливних елементів транспортних засобів, що працюють на чистому H2) використовується тільки в одній зоні: космічні пускові установки.

1) Сировина

В основному вуглеводні (природний газ) і вода.

2) Промислове виробництво.

Принцип зменшення H2O:
(а) вуглеводні, переважно природний газ,
(б) електроліз,
(в) вуглець.

3) Реформування природного газу: основне джерело дигідрогену.

З часів 1970 реформування нафти взагалі замінюється на природний газ.

а) Принцип

Синтез-газ отримують шляхом парового риформінгу, в 800 - 900 ° С і 3,3 МПа, в присутності каталізатора оксиду нікелю на кільцях глинозему, просочених 10 до 16% по масі Ni (тривалість життя 8 до 10 років) і за реакцією:

CH4 + H2O <====> CO + 3 H2 Реакція на ентальпію при 298 ° K = + 206,1 кДж / моль

Реакція сильно ендотермічна і вимагає безперервної подачі енергії. Газова суміш циркулює в трубках, нагрівається зовні, що містить каталізатор. По порядку від десяти до кількох сотень труб (до 500) діаметр 10 см та довжина 11 м поміщають у духовку. Після реформування синтез-газ містить 5 при 11% обсягу непереробленого метану.

Каталізатор дуже чутливий до присутності сірки, яка дає NiS: менше атомів 1 S для атомів 1000 Ni достатньо для отруєння каталізатора. Природний газ повинен бути зневоднений до менш ніж 0,1 ppm S

Після того, як prédésulfuration, отриманого шляхом каталітичного гідрування з подальшим поглинанням в водному розчині діетаноламіну (див обробки газу в главі Лак сере), нове гідрування проводиться для 350 - 400 ° С, робить можливим, в присутності каталізаторів молібдену кобальт або молібден-нікель, щоб перетворити всі сполуки сірки в сірководень. Сірководень прикріплюється до 380 - 400 ° C оксиду цинку відповідно до реакції:

H2S + ZnO ---> ZnS + H2O

б) Використання синтез-газу для виробництва аміаку (без вилучення СО):

Вторинний реформізм здійснюється шляхом додавання повітря в такій кількості, що вміст динатрию з H2 в стехіометричних пропорціях реакції утворення NH3. O2 повітря окисляє решту CH4. Використовуваний каталізатор заснований на окисі нікелю.

Потім СО синтез-газу перетворюється шляхом перетворення в CO2 з додатковим виробництвом H2 на кроки 2. Таким чином, одержують газ, що містить 70% H2.

CO + H2O <====> CO2 + H2 DrH ° 298 = - 41 кДж / моль

- при 320 - 370 ° C з каталізатором на основі оксиду заліза (Fe3O4) та оксиду хрому (Cr2O3) з додаванням металу на основі міді. Каталізатор у формі гранул отриманий з порошку оксиду або шпінелі, його термін служби від 4 до 10 років і більше. 2 3% за об'ємом залишкового СО перетворюють на другій стадії,

- 205 - 240 ° C з каталізатором на основі оксиду міді (15 30% мас.) Та оксидів хрому та цинку на глиноземі, час життя 1 до 5 років. Після перетворення: залишковий СО приблизно 0,2% за обсягом.

- CO2 видаляють шляхом розчинення в розчині аміни 35 бар або в розчині карбонату калію. Після розслаблення при атмосферному тиску CO2 вивільняється, а розчин переробляється.

- Потім дигідроген використовується для синтезу аміаку

в) Використання синтез-газу з відновленням СО та H2.

Реформування - це цікаве джерело сировини СО для виробництва оцтової кислоти, мурашиної кислоти, акрилової кислоти, фосгену та ізоціанатів.

Після видалення присутності вуглекислого газу та сушіння дигідроген та оксид вуглецю відділяються. Air Liquide використовує два криогенні процеси:

- охолоджуючи в обмінниках та конденсації CO: CO має чистоту 97-98%, а H2 містить 2 при 5% CO.

- охолоджуючи шляхом прання рідким метаном: СО має чистоту 98-99%, а H2 містить лише кілька ppm CO.

Наприклад, блок оцтової кислоти з Rhone-Poulenc в Pardies (64) (14 800 m3 / ч СО і 32 290 m3 / ч H2) відновлення за допомогою Acetex (Канада) в 1995 і що фосгену SNPE в Тулузі використовують ці методи.

г) Отримання високої чистоти H2

Такі програми, як електроніка, харчова промисловість та космічний двигун, вимагають дуже високої чистоти дигідрогену. Це очищається адсорбцією домішок на активованому вугіллі (процес ПСА). Отримана чистота може бути більшою за 99,9999%.

4) Електроліз

- NaCl: сумісний продукт H2 (28 кг H2 за тонну Cl2) дає 3% світового H2. У Європі з цього джерела надходить більше половини дигідрогену, розподіленого виробниками промислових газів.

- H2O: зараз не вигідно. Прибутковість пов'язана з вартістю електроенергії, споживання яких становить близько 4,5 кВтг / м3 H2. Глобальна встановлена ​​потужність, 33 000 m3 з H2 / год, приносить приблизно 1% світового H2.

Електроліз проводять з використанням водного розчину КОН (від 25 до концентрації 40%), використовуючи найчистішу доступну воду (активоване фільтрації вуглецю і загальне демінералізації за допомогою іонообмінних смол). Опір має бути більше, ніж 2 104 W.cm. Катод виготовлений з легкої сталі, активованої шляхом утворення наземного родовища на основі Ni. Анод - це нікельована сталь або твердий нікель. Найпоширенішою діафрагмою є азбест (хризотил). Напруга між 1,8 та 2,2 V. Електролізерна потужність може досягати 2,2 при 2,5 MW.

5) Піроліз вугілля, що містить близько 5% H2.

Виробництво коксу (при випаровуванні вугілля, 1100-1400 ° С) дає газ 60% H2 - 25% CH4 (1 т вугілля дає 300 газ m3). Оскільки використання природного газу для отримання H2, коксовий газ спалює і витягує енергію, що виділяється (глава природного газу).

6) Газифікація вугілля

Головне джерело H2 перед використанням природного газу. Він більше не використовується, за винятком у Південній Африці (компанія Сасол), яка виробляє синтетичний газ для синтетичного палива. Цей метод зараз не вигідний, крім декількох виробничих одиниць: NH3 (Японія), метанол (Німеччина), ангідрид оцтова (США, Eastmann-Kodak).

- Принцип: утворення газу з водою або синтез-газу, при 1000 ° C.

C + H2O <====> CO + H2
Ентальпія реакції при 298 ° K = + 131 кДж / моль

Ендотермічна реакція, яка вимагає продування O2 для підтримки температури шляхом спалювання вуглецю. Склад газу: 50% H2 - 40% CO.

Покращена продукція H2 шляхом конверсії CO, див. Вище.

- Техніка використана: газифікація в газових генераторах (Луггі).



У майбутньому може бути використана підземна газифікація.

7) Інші джерела

- Реформування та каталітичний розтріскування нафтопродуктів.

- Вапоратування нафти (виробництво етилену).

- Побічний продукт виробництва стиролу (Elf Atochem, Dow): важливе джерело.

- Крекінг метанол (Grande процес Paroisse), який використовується в Куру, Французька Гвіана, за допомогою Air Liquide для отримання рідкого водню (10 млн л / рік) для Ariane рейсів.

- Часткове окислення фракцій нафти (процеси Shell та Texaco).

- Очистити газ від агрегатів виробництва аміаку.

- Мікроорганізми за допомогою біохімічних реакцій. Наприклад, з мікро-водоростями: урожай хламідомонаса все ще досить низький, але сучасні дослідження є перспективними. Більше інформації, натисніть тут, Але будьте обережні: генетичні модифікації на організми на базі океанського харчового ланцюга не без ризику ...


Зворотній зв'язок

Залишити коментар

Ваша електронна адреса не буде опублікований. Обов'язкові поля позначені *