МЕМБРАННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ОСОБО ЧИСТОГО ВОДОРОДА

Полезная модель относится к химической промышленности, в частности к устройствам для получения особо чистого водорода паровой каталитической конверсией углеводородного сырья, включая метан и природный газ, и может быть использована в различных отраслях промышленности, науки и техники, включая водородную энергетику.
Известна установка для получения особо чистого водорода (Пат. РФ №2085476, МПК6 C01B 3/32; С01В 3/56, опубл. 27.07.97 г.), включающая блок сероочистки, смеситель, конвертор природного газа, состоящего практически из одного метана, содержащий катализатор и инертный материал на основе диоксида циркония, конвертор оксида углерода, блок выделения воды и диоксида углерода, диффузионный (мембранный) аппарат с палладиевой мембраной, а также компрессор, установленный после конвертора диоксида углерода. Блок выделения воды и диоксида углерода выполнен в виде низкотемпературного отделителя жидкости и холодильной машины для вымораживания диоксида углерода. Диффузию водорода осуществляют через палладиевую мембрану.
Общим для известной и заявленной установок получения особо чистого водорода является наличие в них конвертора природного газа (метана) с катализатором, смесителя и металлической мембраны, содержащей палладий.
3
3
Известная установка сложна в аппаратурном исполнении, и имеет ограниченный выход целевого продукта - особо чистого водорода (ОЧВ), - не превышающий 98 об.% (или 0,98 м водорода на 1 м сырья - смеси водяного пара и метана).
Наиболее близкой по технической сути и достигаемому эффекту к заявленной является многоступенчатая мембранная установка, содержащая высокотемпературный паровой конвертор метана, низкотемпературный конвертор оксида углерода, аппараты для извлечения соответственно паров воды и диоксида углерода, а также высокотемпературный мембранный аппарат с мембраной из палладиевого сплава В1 (А.Б.Вандышев, Л.А.Муравьев, В.А.Куликов, И.В.Кирнос. Получение особо чистого водорода при высоком и низком входном давлениях природного газа. Труды Международного симпозиума по водородной энергетике. 1-2 ноября 2005 г., Москва, Россия. М. Изд-во МЭИ. 2005 г., с.84-87. Рис.1, 1-й вариант технологического режима).
Общим для известной и заявленной установок является наличие в них высокотемпературного конвертора метана с катализатором, смесителя и мембранного аппарата, в котором мембрана выполнена из палладиевого сплава.
Основным недостатком известной мембранной установки для получения особо чистого водорода (ОЧВ) является ее аппаратурная сложность, связанная с использованием в качестве материала мембраны палладиевого сплава типа В1 с рабочей температурой, ограниченной 873 К, и требующей многоступенчатого
технологического преобразования продуктов паровой конверсии метана, связанного с необходимостью автоматического поддержания рабочей температуры каждой технологической стадии. Установка характеризуется значительными тепловыми потерями, обусловленными протяженностью технологической линии. Кроме того, известная установка обеспечивает ограниченный выход конечного продукта (ОЧВ) на единицу сырья-смеси метана и водяного пара.
Заявленная полезная модель направлена на устранение указанных недостатков.
Это достигается тем, что в установке для получения особо чистого водорода, содержащей высокотемпературный конвертор метана с катализатором, смеситель и мембранный аппарат с палладиевой мембраной, высокотемпературный конвертор метана и мембранный аппарат расположены последовательно по ходу газового потока в едином корпусе, снабженном теплоизоляцией и нагревателями, в мембранном аппарате, разделенном на полости высокого и низкого давления, мембрана выполнена из жаростойкого палладиевого сплава, а в полости высокого давления размещен дополнительный катализатор конверсии метана, нанесенный на носитель блочного типа из теплопроводного высокопроницаемого материала. Нагреватели - электрические или газовые - установлены внутри корпуса и могут быть выполнены в виде набора отдельных секций.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлен один из вариантов реализации заявленной установки для получения особо чистого водорода из метана с электрическими нагревателями. На чертеже отсутствует вспомогательная аппаратура: устройство сероочистки, побудитель расхода и т.д.
5
Мембранная установка для получения особо чистого водорода содержит высокотемпературный конвертор 1 метана и мембранный аппарат 2, установленные последовательно один за другим по ходу газового потока в едином корпусе 3, снабженном теплоизоляцией 4. Внутри корпуса 3 размещены секции электрических нагревателей 5, обеспечивающие нагрев обоих аппаратов до одинаковой рабочей температуры, близкой к 1073 К, и отвечающей условиям максимальной эффективности конверсии метана (нагреватели 5 могут быть также газовыми). Конвертор 1 метана заполнен гранулированным катализатором 6 конверсии метана. Мембранный аппарат 2 разделен мембраной 7 на полости 8 и 9 соответственно высокого и низкого давления. В качестве водородоселективной мембраны 7 использован тонколистовой прокат из жаростойкого палладиевого сплава, в частности Pd-Pt. В полости 8 высокого давления размещен дополнительный катализатор 10 конверсии метана, в данном примере никелевый, нанесенный на носитель блочного типа из теплопроводного высокопроницаемого материала. Природный газ - метан подается через вентиль 11 в смеситель 12. Туда же поступает через вентиль 13 водяной пар. Из смесителя 12 паро-метановая смесь поступает на вход конвертора 1. Через вентиль 14 из полости 9 низкого давления мембранного аппарата 2 отводится особо чистый водород, а через вентиль 15 из полости 8 высокого давления аппарата 2 - сбросной газ.
Установка работает следующим образом.
2
2
2
4
4
2
2
2
2
2
На вход конвертора 1, расположенного в корпусе 3, от смесителя 12, соответственно через вентили 11 и 13, подаются метан и водяной пар в отношении, равном 3:1-1,75:1, под давлением 2-3 МПа. В конверторе 1 исходная паро-метановая смесь на катализаторе 6 полностью конвертируется и превращается в водородсодержащую многокомпонентную газовую смесь, содержащую Н, HO, CO, CO и СH. В корпусе 3 нагревателями 5 устанавливается температура, близкая к 1073К, поддержание которой обеспечивается теплоизоляцией 4. Указанная многокомпонентная газовая смесь подается в полость 8 высокого давления мембранного аппарата 2, где в присутствии дополнительного катализатора 10 конверсии метана, нанесенного на блочный носитель из теплопроводного высокопроницаемого материала, по мере движения газового потока вдоль жаростойкой палладиевой мембраны 7 и под воздействием перепада давлений, происходит селективное извлечение молекулярного водорода. Содержание молекулярного водорода в газовой фазе по мере его отбора через мембрану пополняется за счет смещения химических равновесий СН+НOЂ3Н+СО и CO+HOЂH+CO вправо.
2
4
Чистый водород диффундирует через мембрану 7 в полость 9 низкого давления мембранного аппарата 2 и через вентиль 14 и в виде особо чистого водорода (99,9999%) поступает потребителю. Обедненная по водороду газовая смесь удаляется через вентиль 15 из полости 8 высокого давления аппарата 2 в виде сбросного газа, содержащего СO, СО, СН и другие.
3
Пример 1. В представленной установке на вход подается 270 м/ч смеси водяного пара и метана в отношении равном 3:1. Рабочая температура высокотемпературного конвертора метана и мембранного аппарата одинакова и составляет 1073 К. Материал мембраны - фольга из палладиевого платинового сплава толщиной 0,05 мм. Абсолютные давления газа на входе в установку и в полости низкого давления мембранного аппарата равны соответственно 26 и 0,125 МПа.
В результате получены следующие данные:
3
- производительность мембранной установки по водороду-продукту 250 м/ч.
- чистота водорода - продукта - 99,9999%.
3
3
3
3
- объемный выход водорода - 0,93 м водорода на 1 м сырьевого газа, В наиболее близкой многоступенчатой мембранной установке (1-й вариант технологического режима) объемный выход водорода при соотношении пара и метана, равном 3:1, составлял 0,63 м водорода на 1 м сырьевого газа.
3
Пример 2. В представленной установке на вход подается 194 м/ч смеси водяного пара и метана в отношении, равном 1,75:1. Рабочая температура высокотемпературного конвертора метана и мембранного аппарата одинакова и составляет 1073 К. Материал мембраны фольга из палладиевого платинового сплава толщиной 0,05 мм. Абсолютные давления газа на входе в установку и в полости низкого давления мембранного аппарата равны соответственно 26 и 0,125 МПа.
В результате получены следующие данные:
3
- производительность мембранной установки по водороду-продукту 250 м/ч.
- чистота водорода - продукта - 99,9999%.
- степень полного извлечения водорода - 0,956
3
3
- объемный выход водорода - 1,28 м водорода на 1 м сырьевого газа.
3
3
Для известной мембранной установки объемный выход водорода при отношении пара и метана, равном 1,75:1, составлял 0,978 м водорода на 1 мсырьевого газа.
3
3
Таким образом, заявленная установка достаточно проста как в конструктивном отношении, так и в обслуживании, позволяет получать водород высокой чистоты (99,9999 об.%) из смесей метана и водяного пара с высоким объемным выходом водорода порядка 1,28 м водорода на 1 м сырьевого газа за счет совместного использования в мембранном аппарате тонкой водородоселективной мембраны из жаростойкого палладиевого сплава и дополнительного катализатора конверсии метана, нанесенного на блочный носитель из теплопроводного высокопроницаемого материала.
Дополнительным преимуществом заявляемой установки является более низкий уровень тепловых потерь, поскольку высокотемпературный конвертор метана и мембранный аппарат находятся в одном корпусе и работают при одной температуре 1073 К, а, следовательно, и уровень энергозатрат.