ТЕРМОАКУСТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ВОДОРОДА

Использование водорода в перспективных двигательных установках транспортных средств требует его сжижения. Полезная модель направлена на объединение в одной энергетически автономной установке процессов синтеза водорода из воды и природного газа или СПГ и сжижения водорода.
Существующие способы и устройства для получения водорода из синтез-газа в каталитическом реакторе представлены в следующих базовых патентах:
US 3926583 - PROCESS FOR THE CATALYTIC STEAM - 1975
US 4021366 - Production of hydrogen-rich gas - 1977
US 4089941 - Steam reformer process for the production of hydrogen - 1978
US 4190641 - Method for producing hydrogen - 1980
US 4460704 - Catalyst for the production of hydrogen - 1984
US 4479925 - Preparation of ammonia synthesis gas - 1984
US 4522894 - Fuel cell electric power production - 1985
US 4581157 - Catalyst and steam reforming process - 1986
US 4618451 - Synthesis gas - 1986
US 4909808 - Steam reformer with catalytic combustor - 1990
US 4925456 - Process and apparatus for the production of synthesis gas - 1990
US 5110559 - Hydrogen generating apparatus - 1992
US 5181937 - Apparatus for production of synthesis gas - 1993
US 5226928 - Reforming apparatus for hydrocarbon - 1993
US 5300275 - Steam reforming - 1994
US 5458857 - Combined reformer and shift reactor - 1995
US 5679614 - Steam reforming catalyst and method of preparation - 1997
US 6162267 - Process for the generation of pure hydrogen for use with fuel cells - 2000
US 6245303 - Reactor for producing hydrogen from hydrocarbon fuels - 2001
US 6436363 - Process for generating hydrogen-rich gas - 2002
US 6506510 - Hydrogen generation via methane cracking - 2003
US 6517805 - Method and apparatus for producing hydrogen - 2003
US 6596423 - Method for low temperature catalytic production of hydrogen - 2003
US 6734137 - Method and catalyst structure for steam reforming of a hydrocarbon - 2004
US 6770186 - Rechargeable hydrogen-fueled motor vehicle - 2004
US 7074509 - Hydrogen generators for fuel cells - 2006
US 7335346 - Catalyst and method of steam reforming - 2008
Решение задачи создания энергетически автономной установки для синтеза и сжижения водорода путем объединения каталитического реактора и традиционного холодильника на основе компрессионной технологии сжижения требуют применения механических компрессоров, газотурбинных или электрических приводов.
Наличие движущихся механический частей и отсутствие энергетической автономности требуют больших энергозатрат на производство и сжижение водорода, не обеспечивают должной надежности и приводят к высокой стоимости установок.
Термоакустические тепловые насосы, в отличие от традиционных установок, не требуют применения механических компрессоров, газотурбинных или электрических приводов и подвода силового электроснабжения. В термоакустических тепловых насосах отсутствуют движущиеся механические части, что позволяет эффективно использовать их для получения сжиженного водорода.
Термоакустический тепловой насос описан в следующем патенте:
US 4398398 Acoustical heat pumping engine - 1983
Прототипом изобретения является патент US 3361534 - «Hydrogen production by steam reforming» (Получение водорода путем конверсии пара). Термоакустический тепловой насос состоит из термоакустического двигателя, волновода и термоакустического холодильника. Термоакустический двигатель приводится в действие подводом тепловой энергии к горячему теплообменнику. Акустические волны из термоакустического двигателя через волновод приводят в действие термоакустический холодильник.
Полезная модель направлена на объединение в одной энергетически автономной установке процессов синтеза и сжижения водорода и повышение энергетической эффективности установки.
Указанный технический результат достигается тем, что полученный из синтез-газа водород сжижают в термоакустическом холодильнике, который через волновод приводится в действие термоакустическим двигателем, в котором сжигается горючий газ, который остается после выделения водорода из синтез-газа. Таким образом, рационально используются отходы блока выделения водорода из синтез-газа, что существенно повышает КПД установки.
Принципиальная схема термоакустической установки для получения водорода представлена на Фиг.1. Установка состоит из следующих основных узлов:
1. Реактор каталитической автотермической конверсии
2. Блок циклической адсорбции (PSA)
3. Термоакустический двигатель
4. Волновод
5. Термоакустический холодильник
Полученный в реакторе 1 каталитической автотермической конверсии природного газа, воздуха и воды синтез-газ направляют в блок 2 циклической адсорбции (pressure swing adsorption, PSA), где происходит разделение потока синтез-газа на газообразный водород и остаточный газ. Газообразный водород сжижают в термоакустическом холодильнике 5, который через волновод 4 приводится в действие термоакустическим двигателем 3, в котором сжигается остаточный горючий газ.
Таким образом, рационально используются отходы блока выделения водорода из синтез-газа, что существенно повышает КПД установки.
Снижение себестоимости получаемого водорода достигается использованием в реакторе синтез-газа воздуха, а не кислорода, для производства которого необходимы дополнительные узлы. При этом поступающий вместе с воздухом азот играет положительную роль при сжигании остаточного горючего газа в горелке термоакустического двигателя, снижая температуру пламени до рабочего значения.
Техническим результатом изобретения является обеспечение энергетической независимости установок для получения сжиженного водорода из природного газа или СПГ, высокой надежности и низкой стоимости установок.
Обозначения
1. Реактор каталитической автотермической конверсии
2. Блок циклической адсорбции (PSA)
3. Термоакустический двигатель
4. Волновод
5. Термоакустический холодильник