СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА НА ПАЛЛАДИЕВОЙ МЕМБРАНЕ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА
METHOD OF EXTRACTING HYDROGEN ON PALLADIUM MEMBRANE WITH HEAT RECUPERATION

Изобретение относится к технологии выделения чистого водорода на палладиевой мембране из водородсодержащего газа, получаемого конверсией углеводородов, и может быть использовано в энергетике и на транспорте, в том числе в составе автономных установок производства электроэнергии в водородных электрохимических генераторах с топливными элементами.
Известны различные способы выделения водорода из водородсодержащего газа, поступающего после конверсии углеводородного сырья в синтез-газ, последующей конверсии содержащегося в синтез-газе оксида углерода и отделения водородсодержащего газа от воды путем его охлаждения, а также от диоксида углерода.
2
Например, в способе получения водорода из углеводородного газа (патент RU 2088518 С01В 3/32, опубл. 1997, бюл. №24), водородсодержащий газ, предварительно очищенный от воды и диоксида углерода, отделяют от оксида углерода, метана, азота и остатков диоксида углерода методом короткоцикловой адсорбции (КЦА) при давлении 15-30 кгс/см.
К недостаткам этого способа относятся:
степень очистки конечного продукта недостаточна (не выше 99,99%), что исключает возможность его использования в ряде областей применения водорода, в частности в топливных элементах электрохимических генераторов стационарных и транспортных силовых установок;
установка КЦА громоздка, т.к. состоит из нескольких параллельно соединенных аппаратов, попеременно включаемых в режим адсорбции и десорбции.
Наиболее близким, принятым за прототип, является способ получения особо чистого водорода (патент RU 2085476 С01В 3/32, опубл. 1997, бюл. №21), в котором из водородсодержащего газа, предварительно очищенного вымораживанием от воды и диоксида углерода, выделяют чистый водород путем диффузии через палладиевую мембрану при давлении 1-5 МПа и температуре 773-900 К. Такой способ позволяет достигнуть значительно более высокой степени очистки конечного продукта (до 99,9999%), чем при использовании КЦА. Однако данный способ имеет следующий существенный недостаток:
вследствие того, что водородсодержащий газ после вымораживания воды и диоксида углерода имеет низкую температуру, а диффузионное выделение водорода на палладиевой мембране должно проводиться при температуре 773-900 К, для проведения этого процесса необходим подвод тепла от внешнего источника для подогрева поступающего газа, что увеличивает затраты энергии на производство водорода.
Задачей настоящего изобретения является повышение экономичности производства чистого водорода путем снижения энергетических затрат на выделение водорода из водородсодержащего газа диффузией через палладиевую мембрану за счет рекуперации тепла, содержащегося в потоках выделенного водорода и продувочного газа.
Для решения поставленной задачи предложен способ выделения водорода на палладиевой мембране с рекуперацией тепла, предусматривающий диффузию водородсодержащего газа, поступающего после очистки от воды и диоксида углерода и содержащего в качестве примесей оксид углерода, метан, азот и остатки диоксида, через палладиевую мембрану с выделением чистого водорода, причем водородсодержащий газ, очищенный от воды и основной части диоксида углерода, до поступления на палладиевую мембрану разделяют на два потока. Один из потоков нагревают в первом теплообменнике за счет передачи тепла от выходящего после мембраны выделенного водорода, а второй поток нагревают во втором теплообменнике за счет передачи тепла от основной части продувочного газа, отводимого от мембраны.
Затем оба потока водородсодержащего газа вновь объединяют, догревают до температуры 400-800°С в газовом нагревателе, снабженном горелкой, дымовыми газами, образующимися при сжигании в горелке другой части продувочного газа, после чего нагретый водородсодержащий газ подают на палладиевую мембрану для выделения из него чистого водорода, а продувочный газ, отводимый от мембраны, разделяют на два потока, один из которых подают на горелку в качестве топлива, а второй поток направляют во второй теплообменник в качестве греющей среды.
Кроме того, для обеспечения примерного равенства температур нагретых в теплообменниках потоков водородсодержащего газа разделение его на два потока осуществляют в соотношении, преимущественно пропорциональном соотношению количеств тепла, вносимых в первый и второй теплообменники соответственно выделенным водородом и продувочным газом.
Кроме того, для обеспечения эффективной рекуперации тепла и минимизации массогабаритных характеристик устройства, выполняемого по предлагаемому способу, целесообразно использовать теплообменники и газовый нагреватель преимущественно радиально-спирального типа.
г
Изобретение поясняется чертежом и примерами реализации предлагаемого способа для трех значений температуры горячего водородсодержащего газа перед палладиевой мембраной Т, равных 400, 500 и 800°С.
На чертеже показана принципиальная блок-схема устройства выделения водорода на палладиевой мембране, выполненного по предлагаемому способу, где:
1 - теплообменник рекуперации тепла выделенного водорода,
2 - теплообменник рекуперации тепла продувочного газа,
3 - газовый нагреватель,
4 - горелка газового нагревателя,
5 - палладиевая мембрана,
6-18 - линии подвода и отвода рабочих сред.
Показанное на чертеже устройство работает следующим образом.
вх
Водородсодержащий газ с температурой Т, предварительно очищенный от воды и основной части диоксида углерода, подводится к устройству по линии 6 и разделяется на два потока.
т1
г
вых
Один поток по линии 7 поступает в теплообменник 1 и нагревается до температуры T выделенным водородом, поступающим с температурой Т по линии 13 из палладиевой мембраны 5. Водород охлаждается в теплообменнике 1 до температуры Т, после чего отводится по линии 14 для использования по прямому назначению.
т2
г
Второй поток водородсодержащего газа по линии 8 поступает в теплообменник 2 и нагревается до температуры Т основной частью продувочного газа, поступающего с температурой Т по линии 17 из палладиевой мембраны 5, после чего продувочный газ, охлажденный в теплообменнике 2, отводится из него по линии 18.
т1
т2
Равенство температур T и Т потоков водородсодержащего газа на выходе из теплообменников 1 и 2 обеспечивается тем, что разделение его на два потока осуществляется в соотношении, пропорциональном соотношению количеств тепла, вносимых в теплообменники 1 и 2 соответственно водородом и продувочным газом.
т1
т2
г
Из теплообменников 1 и 2 потоки водородсодержащего газа, нагретого до температур соответственно Т и Т, выводятся по линиям 9 и 10, вновь объединяются, после чего объединенный поток по линии 11 подается в газовый нагреватель 3, снабженный горелкой 4. В нагревателе 3 водородсодержащий газ догревается до температуры Т за счет тепла дымовых газов, образующихся при сжигании в горелке 4 части продувочного газа, который подводится к ней по линии 16.
г
г
г
Затем водородсодержащий газ с температурой Т поступает по линии 12 к палладиевой мембране 5, на которой осуществляется диффузионное разделение водородсодержащего газа на водород со степенью очистки 99,9995% и продувочный газ. Выделенный водород отводится из мембраны 5 с температурой Т по линии 13 к теплообменнику 1, а продувочный газ с температурой Т отводится из нее по линии 15 и разделяется на две части, основная из которых подается к теплообменнику 2 по линии 17, а другая часть по линии 16 подводится к горелке 4 газового нагревателя 3 для сжигания.
г
Значения температур водородсодержащего газа, выделенного водорода и продувочного газа в узловых точках процесса для трех вариантов температуры горячего водородсодержащего газа Т перед палладиевой мембраной, равных 400, 500 и 800°С, приведены в таблице.
№ варианта
Температуры, °С
Т<sub>г</sub>
T<sub>вx</sub>
T<sub>т1</sub>
T<sub>т2</sub>
Т<sub>вых</sub>
1
400
40
380
380
50
2
500
40
480
480
50
3
800
40
780
780
50
г
При выборе оптимального варианта температурного режима для конкретного устройства следует учитывать следующее: с повышением принимаемого значения Т увеличивается производительность палладиевой мембраны по водороду, но одновременно возрастают расход сжигаемого в горелке топлива, а также стоимость тепло- или жаростойких материалов, из которых изготавливаются элементы конструкции устройства, работающие при повышенных температурах.
Преимущество предлагаемого способа выделения водорода на палладиевой мембране заключается в том, что путем глубокой внутренней рекуперации тепла выделенного водорода и продувочного газа достигается снижение энергетических затрат на производство водорода при обеспечении высокой степени его очистки. Такая рекуперация тепла достигается благодаря использованию теплообменников радиально-спирального типа.