Hydrogenproduktion


Del denne artikel med dine venner:

Teknikker og industrielle midler til hydrogenproduktion.

Nøgleord: hydrogenproduktion, industri, elektrolyse, pyrolyse, reformering, metalkatalysatorer, omkostninger, betingelser, drift.

Introduktion

Meget moderigtigt nu og overvejet, måske forkert, som en energiløsning til fremtidige generationer, eksisterer der ikke hydrogen i den oprindelige stat på Jorden.

Det kan ikke ikke betragtes som en energikilde (i modsætning til fossile eller vedvarende energikilder), men simpelthen som en energi vektordet vil sige et middel til transport eller overførsel af energi. Desværre er de begrænsninger, der er forbundet med brugen af ​​energi, brede talrige, således at flydende petroleumsbrændstoffer stadig har gode år frem.

Men foruden disse overvejelser relateret til brugen af ​​hydrogen, lad os komme til genstand for denne artikel. Da der ikke findes brint i naturlig form på jorden, har det været nødvendigt (og frem for alt nødvendigt) at udvikle økonomisk rentable produktionsmetoder. Her er et overblik over aktuelle metoder.

Til orientering anvendes i øjeblikket hydrogenenergi (ud over de marginale brændselscellekøretøjer, der opererer på den rene H2) kun i ét område: rumfartøjer.

1) Råvarer

Hovedsageligt kulbrinter (naturgas) og vand.

2) Industriel fremstilling.

Princippet om reduktion af H2O ved:
a) kulbrinter, især naturgas,
(b) elektrolyse,
(c) carbon.

3) Naturgasreformering: den vigtigste kilde til dihydrogen.

Siden 1970 er reformationen af ​​naphtha generelt erstattet af naturgas.

a) Princip

Syntesegassen fremstillet ved dampreformering, i 800 - 900 ° C og 3,3 MPa, i nærvær af katalysator af nikkeloxid på aluminiumoxid ringe imprægneret med 10 at 16 masse-% Ni (varighed liv 8 til 10 år) og ifølge reaktionen:

CH4 + H2O <====> CO + 3 H2 Entalalp reaktion ved 298 ° K = + 206,1 kJ / mol

Reaktionen er yderst endoterm og kræver en kontinuerlig energiforsyning. Den gasformige blanding cirkulerer i rør, der opvarmes eksternt, indeholdende katalysatoren. I størrelsesordenen ti til et par hundrede rør (op til 500) er 10 cm diameter og 11 m lang anbragt i en ovn. Efter reformering indeholder syntesegassen 5 ved 11% volumen ubearbejdet methan.

Katalysatoren er meget følsom over for tilstedeværelsen af ​​svovl, som giver NiS: mindre end 1 S-atom til 1000 Ni-atom er tilstrækkeligt til at forgifte katalysatoren. Naturgas skal afsvovles til mindre end 0,1 ppm S

Efter prédésulfuration opnået ved katalytisk hydrogenering efterfulgt af absorption i en vandig opløsning af diethanolamin (se behandlingsgassen Lacq i kapitel svovl), en ny hydrogenering udføres for at 350 - 400 ° C, gør det muligt, i nærvær af molybdænkatalysatorer -cobalt eller molybdæn-nikkel, for at omdanne alle svovlforbindelser til hydrogensulfid. Brintsulfidet er fastgjort til 380 - 400 ° C på zinkoxid i overensstemmelse med reaktionen:

H2S + ZnO ---> ZnS + H2O

b) Anvendelse af syntesegas til fremstilling af ammoniak (uden CO recovery):

Sekundær reformering udføres ved at tilsætte luft i en sådan mængde, at dinitrogenindholdet er, med H2, i de støkiometriske proportioner af NH3-dannelsesreaktionen. O2 luft oxiderer de resterende CH4. Den anvendte katalysator er baseret på nikkeloxid.

CO'en af ​​syntesegassen omdannes derefter ved omdannelse til CO2 med yderligere produktion af H2 til 2-trin. En gas indeholdende 70% H2 opnås således.

CO + H2O <====> CO2 + H2 DrH ° 298 = - 41 kJ / mol

- til 320 - 370 ° C med en katalysator baseret på jernoxid (Fe3O4) og chromoxid (Cr2O3) med kobberbaseret metal tilsætning. Katalysatoren er i form af pellets opnået fra pulveriserede oxider eller spineller, at dens levetid 4 10 år og derover. Den 2 til 3 volumen% tilbageværende CO omdannes i et andet trin,

- til 205 - 240 ° C med en katalysator baseret på kobberoxid (15 til 30 vægt-%) og chromoxid og zink på aluminiumoxid, til livet 1 5 år. Efter omdannelse: resterende CO på ca. 0,2% vol.

- CO2 fjernes ved opløsning i en opløsning af aminer i 35 bar eller i en opløsning af kaliumcarbonat. Ved afslapning ved atmosfærisk tryk frigives CO2, og opløsningen genanvendes.

- Dihydrogen bruges derefter til at syntetisere ammoniak

c) Anvendelse af syntesegas med udvinding af CO og H2.

Reformering er en interessant kilde til CO råmateriale til fremstilling af eddikesyre, myresyre, acrylsyre, fosgen og isocyanater.

Efter fjernelse af den foreliggende kuldioxid og tørringen adskilles dihydrogenet og carbonmonoxiden. Air Liquide bruger to kryogene processer:

- Ved afkøling i udvekslere og kondensering af CO: CO har en renhed på 97-98%, og H2 indeholder 2 ved 5% CO.

- Ved afkøling ved vask med flydende methan: CO har en renhed på 98-99%, og H2 indeholder kun få ppm CO.

For eksempel eddikesyre enhed fra Rhone-Poulenc i Pardies (64) (14 800 m3 / h CO og 32 290 m3 / h H2) genvinding af Acetex (Canada) i 1995 og den af ​​phosgen SNPE i Toulouse bruger disse metoder.

d) At opnå høj renhed H2

Anvendelser som elektronik, fødevareforarbejdning og rumfremdrift kræver meget høj renhedsdihydrogen. Dette renses ved adsorption af urenhederne på aktivt kul (PSA-proces). Den opnåede renhed kan være større end 99,9999%.

4) Elektrolyse

- NaCl: H2 co-produkt (28 kg H2 pr. Ton Cl2) giver 3% af verdens H2. I Europa kommer mere end halvdelen af ​​dihydrogenet fordelt af industrielle gasproducenter fra denne kilde.

- H2O: For øjeblikket ikke rentabel. Lønsomheden er relateret til omkostningerne ved elektricitet, forbruget er af størrelsesordenen 4,5 kWh / m3 H2. Global installeret kapacitet, 33 000 m3 af H2 / h, giver ca. 1% af den globale H2.

Elektrolysen udføres under anvendelse af en vandig KOH-opløsning (af 25 til 40% koncentration) ved anvendelse af reneste tilgængelige vand (aktivt kul filtrering og total demineralisering af ionbytterharpikser). Modstanden skal være større end 2 104 W.cm. Katoden er lavet af mildt stål aktiveret ved dannelsen af ​​en Ni-baseret overfladeaflejring. Anoden er forniklet stål eller fast nikkel. Den mest anvendte membran er asbest (chrysotil). Spændingen er mellem 1,8 og 2,2 V. effekt pr elektrolysator kan nå 2,2 til 2,5 MW.

5) Pyrolyse af kul, der indeholder ca. 5% H2.

Koksfremstilling (ved afdampning af det kul, 1100-1400 ° C) giver en gas 60% H2 - 25% CH4 (1 t kul giver 300 gas m3). Da anvendelsen af ​​naturgas til frembringelse H2 er koksovnsgas brændt og genvundne energi frigives (se kapitel naturgas).

6) Kulforgasning

Hovedkilde til H2 før brug af naturgas. Det anvendes ikke længere, undtagen i Sydafrika (Sasol-selskab), der producerer syngas til syntetisk brændsel. Denne teknik er i øjeblikket ikke rentabel med undtagelse af et par produktionsenheder af: NH3 (Japan), methanol (Tyskland), eddikesyreanhydrid (USA, af Eastmann-Kodak).

- Princip: dannelse af gas med vand eller syntesegas ved 1000 ° C

C + H2O <====> CO + H2
Entalp af reaktion ved 298 ° K = + 131 kJ / mol

Endotherm reaktion, der kræver blæser O2 for at opretholde temperaturen ved brændende kulstof. Gasens sammensætning: 50% H2 - 40% CO.

Forbedret produktion af H2 ved CO konvertering, se ovenfor.

- Teknik anvendt: Forgasning i gasgeneratorer (Lurgi).



I fremtiden kunne underjordisk forgasning anvendes.

7) Andre kilder

- Reformering og katalytisk krakning af olieprodukter.

- Vapocracking af naphtha (ethylenproduktion).

- Biprodukt ved fremstilling af styren (Elf Atochem, Dow): vigtig kilde.

- Cracking methanol (Grande Paroisse fremgangsmåde) anvendt i Kourou, Fransk Guyana, som Air Liquide at fremstille det flydende hydrogen (10 mio L / år) for Ariane flyvninger.

- Delvis oxidation af oliefraktioner (Shell og Texaco-processer).

- Rensgas fra ammoniakproduktionsenheder.

- Mikroorganismer ved biokemiske reaktioner. For eksempel med en mikroalga: Chlamydomonas udbytter er stadig ret lave, men den nuværende forskning er lovende. Flere oplysninger, klik her. Men pas på: genetiske modifikationer af organismer ved havets fødekæde er ikke uden risiko ...


kommentarer Facebook

Skriv en kommentar

Din e-mail-adresse vil ikke blive offentliggjort. Påkrævede felter er markeret med *