Producția de hidrogen


Distribuiți acest articol cu ​​prietenii dvs.:

Tehnici și mijloace industriale de producere a hidrogenului.

Cuvinte cheie: generare de hidrogen, industrie, electroliză, piroliză, reformare, catalizatori metalici, costuri, condiții, funcționare.

Introducere

Foarte la modă acum și considerată, poate greșit, ca o soluție energetică pentru generațiile viitoare, hidrogenul nu există în starea nativă de pe Pământ.

Nu poate să nu fie considerată o sursă de energie (spre deosebire de energiile fosile sau regenerabile), ci pur și simplu un vector de energieadică un mijloc de transport sau de transfer al energiei. Din nefericire, constrângerile legate de utilizarea hidrogenului în domeniul energiei sunt numeroase, astfel încât combustibilii lichizi din petrol să aibă încă mulți ani înainte.

Dar, pe lângă aceste considerații legate de utilizarea hidrogenului, să ajungem la obiectul acestui articol. Într-adevăr, deoarece hidrogenul nu există în formă naturală pe pământ, a fost necesar (și, mai presus de toate, necesar) să se dezvolte metode de producție profitabile din punct de vedere ecologic. Iată o prezentare generală a metodelor actuale.

Pentru informații, în prezent, energia pe bază de hidrogen (în plus față de vehiculele cu celule de combustibil marginal care operează pe H2 pur) este utilizată numai într-o zonă: lansatoare de spațiu.

1) Materii prime

În principal hidrocarburi (gaz natural) și apă.

2) Producție industrială.

Principiul reducerii H2O prin:
(a) hidrocarburi, în special gaze naturale,
(b) electroliza,
(c) carbon.

3) Reformarea gazului natural: principala sursă de dihidrogen.

Din moment ce 1970, reformarea naftei este, în general, înlocuită cu cea a gazelor naturale.

a) Principiu

Gazul de sinteză este produs prin reformarea cu abur, în 800 - 900 ° C și 3,3 MPa, în prezența catalizatorului de oxid de nichel pe inele de alumină impregnate cu 10 la 16% din masa Ni (durata de viață 8 la 10 ani) și în funcție de reacție:

CH4 + H2O <====> CO + 3 H2 Reacția de entalpie la 298 ° K = + 206,1 kJ / mol

Reacția este extrem de endotermică și necesită o alimentare continuă cu energie. Amestecul gazos circulă în tuburi, încălzite extern, conținând catalizatorul. În ordinea a zece până la câteva sute de tuburi (până la 500), diametrul 10 cm și lungimea 11 m sunt plasate într-un cuptor. După reformare, gazul de sinteză conține 5 la 11% în volum de metan neprelucrat.

Catalizatorul este foarte sensibil la prezența sulfului care dă NiS: mai puțin decât atomul 1 S pentru atomul de Ni 1000 este suficient pentru a otrăvi catalizatorul. Gazul natural trebuie să fie desulfurat la mai puțin de 0,1 ppm S

După prédésulfuration obținut prin hidrogenare catalitică, urmată de absorbția într-o soluție apoasă de dietanolamină (vezi gazul de prelucrare Lacq în capitolul sulf), o nouă hidrogenare efectuată la 350 - 400 ° C, face posibilă, în prezența catalizatorilor de molibden -cobalt sau molibden-nichel, pentru a transforma toți compușii de sulf în hidrogen sulfurat. Hidrogenul sulfurat este atașat la 380 - 400 ° C pe oxid de zinc, conform reacției:

H2S + ZnO ---> ZnS + H2O

b) Utilizarea gazului de sinteză pentru a produce amoniac (fără recuperare de CO):

Reformarea secundară se realizează prin adăugarea de aer într-o astfel de cantitate încât conținutul de dinitrogen să fie, cu H2, în proporțiile stoichiometrice ale reacției formării NH3. Aerul O2 oxidează restul CH4. Catalizatorul utilizat este bazat pe oxid de nichel.

CO din gazul de sinteză este apoi convertit, prin conversie, în CO2 cu producție suplimentară de H2, în etapele 2. Se obține astfel un gaz conținând 70% din H2.

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

- la 320 - 370 ° C, cu un catalizator pe bază de oxid de fier (Fe3O4) și oxid de crom (Cr2O3) cu adaos de metal pe bază de cupru. Catalizatorul este sub formă de granule obținute din oxizi pudră sau spineli, 4 său de viață la 10 de ani și peste. 2 3% în volum de CO reziduală sunt convertite într-o a doua etapă,

- 205 - 240 ° C cu un catalizator pe bază de oxid de cupru (15 30% în greutate) și oxizi de crom și zinc pe alumină, durata de viață 1 până la 5 ani. După conversie: CO rezidual de aproximativ 0,2% în volum.

- CO2 se îndepărtează prin dizolvare într-o soluție de amine la bara 35 sau într-o soluție de carbonat de potasiu. Prin relaxare la presiune atmosferică, CO2 este eliberat și soluția este reciclată.

- Dihidrogenul este apoi utilizat pentru a sintetiza amoniacul

c) Utilizarea gazului de sinteză cu recuperarea CO și H2.

Reformarea este o sursă interesantă de materie primă CO pentru fabricarea acidului acetic, a acidului formic, a acidului acrilic, a fosgenului și a izocianatului.

După îndepărtarea bioxidului de carbon prezent și uscare, se separă monohidrogenul și monoxidul de carbon. Air Liquide utilizează două procese criogenice:

- Prin răcirea schimbătoarelor și condensarea CO: CO are o puritate de 97-98% și H2 conține 2 la 5% CO.

- Prin răcire prin spălare cu metan lichid: CO are o puritate de 98-99%, iar H2 conține doar câteva ppm de CO.

De exemplu, unitatea de acid acetic de la Rhone-Poulenc în Pardies (64) (14 800 m3 / h de CO și 32 290 m3 / h H2) recuperarea prin Acetex (Canada) în 1995 și a fosgenului SNPE din Toulouse utilizează aceste metode.

d) Obținerea de puritate înaltă H2

Aplicații precum electronica, prelucrarea alimentelor și propulsia spațială necesită un dihidrogen de puritate foarte mare. Acesta este purificat prin adsorbția impurităților pe cărbune activat (procesul PSA). Puritatea obținută poate fi mai mare decât 99,9999%.

4) Electroliză

- produsul co-produs NaCl: H2 (28 kg de H2 pe tonă de Cl2) dă 3% din H2 din lume. În Europa, mai mult de jumătate din dihidrogenul distribuit de producătorii industriali de gaze provine din această sursă.

- H2O: nu este în prezent profitabil. Rentabilitatea este legată de costul energiei electrice, consumul este de ordinul 4,5 kWh / m3 H2. Capacitatea instalată globală, 33 000 m3 de H2 / h, generează aproximativ 1% din valoarea globală H2.

Electroliza se realizează utilizând o soluție apoasă de KOH (de la 25 40 concentrație%), folosind pură apă disponibilă (filtrare carbon activat și demineralizare totală de rășini schimbătoare de ioni). Rezistivitatea trebuie să fie mai mare decât 2 104 W.cm. Catodul este oțelul moale activat prin formarea unui depozit de suprafață bazată pe Ni. Anodul este oțel placat cu nichel sau nichel solid. Diafragma mai larg utilizat este azbestul (crisotil). Tensiunea este între 1,8 și 2,2 V. Puterea pe electrolizor poate ajunge la 2,2 2,5 MW.

5) Piroliza cărbunelui care conține aproximativ 5% H2.

producția de cocs (prin devolatilizare a cărbunelui, 1100-1400 ° C) dă un gaz 60% H2 - 25% CH4 (1 t cărbune dă gaz 300 m3). Deoarece utilizarea gazelor naturale pentru a produce H2, cocs cuptor pe gaz este ars și recuperată energia eliberată (a se vedea capitolul gaze naturale).

6) Gazificarea cărbunelui

Principala sursă de H2 înainte de a utiliza gazele naturale. Nu mai este folosit decât în ​​Africa de Sud (societatea Sasol), care produce sinteze pentru combustibil sintetic. Această tehnică nu este în prezent profitabilă, cu excepția câtorva unități de producție: NH3 (Japonia), metanol (Germania), anhidrida acetică (Statele Unite, de Eastmann-Kodak).

- Principiu: formarea gazului cu apă sau gaz de sinteză la 1000 ° C

C + H2O <====> CO + H2
Entalpia reacției la 298 ° K = + 131 kJ / mol

Reacția endotermică care necesită suflarea O2 pentru a menține temperatura prin arderea de carbon. Compoziția gazului: 50% H2 - 40% CO.

Producția îmbunătățită de conversie H2 prin CO, vezi mai sus.

- Tehnica utilizată: gazificarea în generatoare de gaz (Lurgi).



În viitor, gazificarea subterană ar putea fi utilizată.

7) Alte surse

- Reformarea și cracarea catalitică a produselor petroliere.

- Vapocracking de nafta (producția de etilena).

- Produsul secundar al fabricării stirenului (Elf Atochem, Dow): o sursă importantă.

- Cracarea metanolului (procesul Grande Paroisse): utilizat în Kourou, Guyana, de către Air Liquide, pentru a produce dihidrogen lichid (10 milioane L / an) pentru zborurile Ariane.

- oxidarea parțială a fracțiilor de petrol (procesele Shell și Texaco).

- Gaz de purjare din unități de producere a amoniacului.

- Microorganisme prin reacții biochimice. De exemplu, cu o micro-alga: randamentele Chlamydomonas sunt încă destul de scăzute, dar cercetările curente sunt promițătoare. Mai multe informații, cliquez ici. Dar aveți grijă: modificările genetice asupra organismelor de la baza lanțului alimentar ocean nu sunt fără riscuri ...


Facebook Comentarii

Lasă un comentariu

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate *