ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА НА ВЫХОД МЕТАНОЛА

Том 331 № 10 (2020)

DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2020/10/2871

Актуальность исследования обусловлена отсутствием научно-обоснованных данных о выходе метанола из сырья в зависимости от типа используемого окислителя (кислород, обогащенный воздух, воздух) и оптимизации состава и параметров водородсодержащего газа по критериям отношения компонентов синтез-газа Н₂/СО и модуля (факториала) водородсодержащего газа М для оптимального синтеза метанола. Проблема особенно важна для малотоннажных установок по производству метанола в промысловых условиях, работающих на забалластированном азотом водородсодержащем газе.

Цель: оценить влияние оптимизации состава водородсодержащего газа на выход метанола. Объекты: малотоннажные установки по производству метанола из водородсодержащего газа, состоящие из комплекса генерации водородсодержащего газа и комплекса каталитического синтеза метанола. Комплекс генерации водородсодержащего газа включает трехкомпонентный газогенератор синтез-газа (природный газ – окислитель – химочищенная вода), в котором осуществляется парциальное окисление природного газа, блок теплообменных аппаратов и блок коррекции состава и параметров водородсодержащего газа для обеспечения отношения компонентов Н₂/СО=2,2÷2,8 и модуля М=2,0÷2,3. Комплекс каталитического синтеза метанола включает проточный каскад, состоящий из трех последовательно соединенных изотермических реакторов с выводом метанола-сырца после каждого реактора без рециркуляции отходящих и «хвостового» газов. Методы: термодинамические расчеты.

Результаты. Подтвержден известный факт повышения удельного выхода метанола в зависимости от концентрации кислорода в окислителе на стадии парциального окисления природного газа; показано, что оптимизация состава водородсодержащего газа, идущего на каталитический синтез метанола, обеспечивает прирост удельного выхода метанола; средний удельный прирост выхода метанола при синтезе на оптимизированном составе при М=2,05 по сравнению с синтезом на неоптимизированном составе газа составляет 8–12 %; прирост удельного выхода метанола сохраняется вне зависимости от принятой в расчетах степени конверсии газа в реакторах каскада комплекса синтеза метанола для всех типов окислителей; выявлена нелинейная зависимость удельного выхода метанола от концентрации кислорода в окислителе, заключающаяся в уменьшении прироста удельного выхода метанола при увеличении концентрации кислорода в окислителе свыше 70 %; выявленная зависимость требует дополнительного изучения и экспериментального подтверждения, она позволяет оптимизировать эксплуатационные затраты на окислитель за счет уменьшения удельных затрат кислорода на выход метанола из сырья.

Ключевые слова:

Метанол, синтез-газ, газогенератор, термодинамика, парциальное окисление природного газа

Авторы:

Юрий Владимирович Загашвили

Алексей Михайлович Кузьмин

Скачать PDF

Влияние состава водородсодержащего газа на выход метанола

Please use this identifier to cite or link to this item:

http://earchive.tpu.ru/handle/11683/63312

Title:	Влияние состава водородсодержащего газа на выход метанола
Other Titles:	Influence of hydrogen-containing gas composition on methanol yield
Authors:	Загашвили, Юрий Владимирович Кузьмин, Алексей Михайлович Zagashvili, Yuri Vladimirovich Kuzmin, Alexey Mikhailovich
Keywords:	метанолы; синтез-газ; газогенераторы; термодинамика; парциальное окисление; природные газы; составы; водородсодержащие газы; оптимизация; термодинамические расчеты; methanol; synthesis gas; gas generator; thermodynamics; partial oxidation of natural gas
Issue Date:	2020
Publisher:	Томский политехнический университет
Citation:	Загашвили Ю. В. Влияние состава водородсодержащего газа на выход метанола / Ю. В. Загашвили, А. М. Кузьмин // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. Инжиниринг георесурсов. — 2020. — Т. 331, № 10. — [С. 187-195].
Abstract:	Актуальность исследования обусловлена отсутствием научно-обоснованных данных о выходе метанола из сырья в зависимости от типа используемого окислителя (кислород, обогащенный воздух, воздух) и оптимизации состава и параметров водородсодержащего газа по критериям отношения компонентов синтез-газа Н[2]/СО и модуля (факториала) водородсодержащего газа М для оптимального синтеза метанола. Проблема особенно важна для малотоннажных установок по производству метанола в промысловых условиях, работающих на забалластированном азотом водородсодержащем газе. Цель: оценить влияние оптимизации состава водородсодержащего газа на выход метанола. Объекты: малотоннажные установки по производству метанола из водородсодержащего газа, состоящие из комплекса генерации водородсодержащего газа и комплекса каталитического синтеза метанола. Комплекс генерации водородсодержащего газа включает трехкомпонентный газогенератор синтез-газа (природный газ – окислитель – химочищенная вода), в котором осуществляется парциальное окисление природного газа, блок теплообменных аппаратов и блок коррекции состава и параметров водородсодержащего газа для обеспечения отношения компонентов Н[2]/СО=2,2-2,8 и модуля М=2,0-2,3. Комплекс каталитического синтеза метанола включает проточный каскад, состоящий из трех последовательно соединенных изотермических реакторов с выводом метанола-сырца после каждого реактора без рециркуляции отходящих и “хвостового” газов. Методы: термодинамические расчеты. Результаты. Подтвержден известный факт повышения удельного выхода метанола в зависимости от концентрации кислорода в окислителе на стадии парциального окисления природного газа; показано, что оптимизация состава водородсодержащего газа, идущего на каталитический синтез метанола, обеспечивает прирост удельного выхода метанола; средний удельный прирост выхода метанола при синтезе на оптимизированном составе при М=2,05 по сравнению с синтезом на неоптимизированном составе газа составляет 8-12 %; прирост удельного выхода метанола сохраняется вне зависимости от принятой в расчетах степени конверсии газа в реакторах каскада комплекса синтеза метанола для всех типов окислителей; выявлена нелинейная зависимость удельного выхода метанола от концентрации кислорода в окислителе, заключающаяся в уменьшении прироста удельного выхода метанола при увеличении концентрации кислорода в окислителе свыше 70 %; выявленная зависимость требует дополнительного изучения и экспериментального подтверждения, она позволяет оптимизировать эксплуатационные затраты на окислитель за счет уменьшения удельных затрат кислорода на выход метанола из сырья. The research relevance is caused by the lack of scientific evidence about methanol yield from natural gas depending on the type of oxidant (oxygen, enriched air or air) and optimization of structure and parameters of hydrogen-containing gas according to the criteria of the ratio of the components of the synthesis gas H[2]/CO and module (factorial) hydrogen-containing gas M for optimal methanol synthesis. The problem is particularly important for low-tonnage plants producing methanol in field conditions operating on nitrogen-ballasted hydrogencontaining gas. The aim of the research is to evaluate the effect of optimizing the composition of hydrogen-containing gas on the yield of methanol. Objects: low-tonnage plants for production of methanol from hydrogen-containing gas, consisting of a complex for generating hydrogencontaining gas and a complex for the catalytic synthesis of methanol. The complex for generating hydrogen-containing gas includes a three-component synthesis gas generator (natural gas – oxidizer -chemical-treated water), in which the partial oxidation of raw material is carried out, a block of heat exchangers and a block for correcting the composition and parameters of hydrogen-containing gas to ensure the ratio of components H[2]/CO=2,2-2,8 and the module M=2,0-2,3. The complex of catalytic synthesis of methanol includes a flow cascade consisting of three sequentially connected isothermal reactors with the output of raw methanol after each reactor without recirculating the waste and tail gases. Methods: the thermodynamic calculations. Results. The paper confirms the known fact of increasing the specific yield of methanol depending on the concentration of O[2] in the oxidizing agent under partial oxidation of natural gas. It is shown that optimization of the hydrogen-containing gas which goes through the catalytic methanol synthesis provides an increase in specific yield of methanol. Average specific growth yield of methanol during the synthesis in an optimized composition at M=2,05 compared to non-optimized synthesis gas composition is 8-12 %. The increase in specific yield of methanol is maintained regardless of the adopted in the calculation of gas conversion degree of in the reactors of the cascade complex for the synthesis of methanol for all types of oxidizing agents. The authors have identified the nonlinear dependence of methanol yield on the concentration of O[2] in the oxidant. It consists of reducing the increase in specific yield of methanol, when the concentration of O[2] in the oxidizer is over 70 %. The revealed dependence requires additional study and experimental confirmation. It allows optimizing the operating costs of the oxidizer by reducing the specific cost of O[2] on methanol yield from the raw material.
URI:	http://earchive.tpu.ru/handle/11683/63312
ISSN:	2413-1830
Appears in Collections:	Известия ТПУ

Show full item record   Google Scholar

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.

Водород – что это? | Водородная энергия

Здесь, на Земле, огромное количество атомов водорода содержится в воде, растениях, животных и, конечно же, в людях. Но хотя он присутствует почти во всех молекулах живых существ, его очень мало в виде газа — менее одной части на миллион по объему.

Водород может быть получен из различных ресурсов, таких как природный газ, ядерная энергия, биогаз и возобновляемая энергия , например, солнечная энергия и ветер. Задача состоит в том, чтобы использовать водород в качестве газа в больших масштабах для топлива наших домов и предприятий.
 

Почему водород важен как экологически чистый источник энергии будущего?

Топливо — это химическое вещество, которое можно «сжечь» для получения полезной энергии. Горение обычно означает, что химические связи между элементами в топливе разрываются, и элементы химически соединяются с кислородом (часто из воздуха).

В течение многих лет мы использовали природный газ для отопления наших домов и предприятий, а электростанции — для выработки электроэнергии. В Великобритании 85% домов и 40% электричества в стране в настоящее время зависят от газа; в США 47% домохозяйств используют природный газ и 36% — электричество ¹ .

Метан является основным компонентом «природного газа» нефтяных и газовых месторождений. Мы продолжаем использовать природный газ, потому что это легкодоступный ресурс, он экономически эффективен и является более чистой альтернативой углю — самому грязному ископаемому топливу, на которое мы исторически полагались для отопления и производства электроэнергии.

При сжигании природного газа выделяется тепловая энергия. Но побочным продуктом наряду с водой является углекислый газ, который при выбросе в атмосферу способствует изменение климата . При сжигании водорода не выделяется углекислый газ.
 

В чем разница между синим водородом и зеленым водородом?

Синий водород производится из невозобновляемых источников энергии одним из двух основных способов. Паровая конверсия метана является наиболее распространенным методом производства объемного водорода и составляет большую часть мирового производства. В этом методе используется реформинг-установка, в которой пар при высокой температуре и давлении реагирует с метаном и никелевым катализатором с образованием водорода и монооксида углерода.

Альтернативно, автотермический риформинг использует кислород и двуокись углерода или пар для реакции с метаном с образованием водорода. Недостатком этих двух методов является то, что они производят углерод в качестве побочного продукта, поэтому улавливание и хранение углерода (CCS) необходимо для улавливания и хранения этого углерода.

Зеленый водород производится с использованием электричества для питания электролизера, который отделяет водород от молекул воды. Этот процесс производит чистый водород без вредных побочных продуктов. Дополнительным преимуществом является то, что, поскольку в этом методе используется электричество, он также дает возможность направить любой избыток электричества, который трудно хранить (например, избыточную энергию ветра), на электролиз, используя его для создания газообразного водорода, который можно хранить для будущего. энергетические потребности.

Узнайте больше о цветовом спектре водорода

 

Водород уже используется в качестве топлива?

Да. Уже есть автомобилей , которые работают на водородных топливных элементах. В Японии есть 96 общественных станций заправки водородом, что позволяет вам заправляться так же, как бензином или дизельным топливом, и в те же сроки, что и автомобиль на традиционном топливе. В Германии 80 таких водородных станций, а США занимают третье место с 42 станциями.

Водород также является интересным вариантом легкого топлива для автомобильного, воздушного и морского транспорта. Международная служба доставки DHL уже располагает парком из 100 фургонов h3, способных проехать 500 км без дозаправки.
 

Каковы потенциальные тормоза для ускорения использования водорода в качестве экологически чистой энергии?

Чтобы водород стал жизнеспособной альтернативой метану, его необходимо производить в больших масштабах, экономично, а существующую инфраструктуру необходимо адаптировать.

Хорошая новость заключается в том, что водород можно транспортировать по газопроводам, сводя к минимуму нарушения и уменьшая объем дорогостоящей инфраструктуры, необходимой для строительства новой сети передачи водорода. Также не будет необходимости в изменении культуры в нашей домашней жизни, поскольку люди привыкли использовать природный газ для приготовления пищи и отопления, и появляются эквиваленты водородной энергии .
 

Что делает компания National Grid для продвижения водорода в качестве альтернативного зеленого топлива?

Мы взяли на себя обязательство достичь чистый ноль к 2050 году, а это означает, что мы должны начать подготовку к изменению использования газа в ближайшие годы. Один из способов, который мы предлагаем для этого, — водород.

В Великобритании действующая Национальная система передачи (NTS) транспортирует природный газ по всей стране, и люди, предприятия и промышленность полагаются на нашу сеть.

NTS представляет собой уникальную и сложную сеть, в которой используются стальные трубы для транспортировки природного газа под высоким давлением. Нам необходимо полностью понять влияние, которое воздействие водорода под высоким давлением может оказать на трубы, прежде чем сеть можно будет переоборудовать. Необходимы обширные испытания и подробные испытания, чтобы установить, какие модификации нам могут понадобиться для безопасной транспортировки водорода.

Под лозунгом HyNTS — Водород в НТС — мы уже запустили несколько проектов, изучающих физические возможности НТС по транспортировке водорода. В этих проектах рассматривалось не только влияние водорода на наши трубопроводы, но и на все связанное с ними оборудование, такое как компрессоры и клапаны, а также на то, как водородная сеть может работать по-другому в будущем.

В США один из первых и крупнейших проектов чистого водорода – TheHyGrid Project , расположенный на Лонг-Айленде, был запущен в 2021 году. Смешивая зеленый водород с существующей системой распределения, он поможет обезуглероживать существующие газовые сети и, как ожидается, будет обогревать около 800 домов.
 

Центр данных по альтернативным видам топлива: основы водорода

Водород (H ₂ ) — это альтернативное топливо, которое можно производить из различных внутренних ресурсов. Хотя рынок водорода в качестве транспортного топлива находится в зачаточном состоянии, правительство и промышленность работают над экологически чистым, экономичным и безопасным производством и распространением водорода для широкого использования в электромобилях на топливных элементах (FCEV). Легкие FCEV теперь доступны в ограниченных количествах для потребительского рынка в локализованных регионах внутри страны и по всему миру. Рынок также развивается для автобусов, погрузочно-разгрузочного оборудования (например, вилочных погрузчиков), наземного вспомогательного оборудования, грузовиков средней и большой грузоподъемности, морских судов и стационарных приложений. Дополнительные сведения см. в разделе о свойствах топлива и в Центре ресурсов по анализу водорода.

В окружающей среде много водорода. Он хранится в воде (H ₂ O), углеводородах (таких как метан, CH ₄ ) и других органических веществах. Одной из проблем использования водорода в качестве топлива является его эффективное извлечение из этих соединений.

В настоящее время паровой риформинг — сочетание высокотемпературного пара с природным газом для извлечения водорода — составляет большую часть водорода, производимого в Соединенных Штатах. Водород также можно получить из воды путем электролиза. Это более энергоемко, но может быть сделано с использованием возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнце, и избегая вредных выбросов, связанных с другими видами производства энергии.

Почти весь водород, ежегодно производимый в Соединенных Штатах, используется для очистки нефти, обработки металлов, производства удобрений и переработки пищевых продуктов.

Хотя производство водорода может привести к выбросам, влияющим на качество воздуха, в зависимости от источника, FCEV, работающий на водороде, выбрасывает в выхлоп только водяной пар и теплый воздух и считается транспортным средством с нулевым уровнем выбросов. Основные исследования и разработки направлены на то, чтобы сделать эти автомобили и их инфраструктуру практичными для широкого использования. Это привело к выпуску серийных автомобилей малой грузоподъемности для розничных потребителей, а также к первоначальному внедрению автобусов и грузовиков средней и большой грузоподъемности в Калифорнии и доступности автопарка в северо-восточных штатах.

Узнайте больше о водороде и топливных элементах в офисе технологий водорода и топливных элементов.

Водород считается альтернативным топливом в соответствии с Законом об энергетической политике 1992 года. Интерес к водороду как к альтернативному транспортному топливу обусловлен его способностью питать топливные элементы в автомобилях с нулевым уровнем выбросов, его потенциалом для внутреннего производства и быстрым время наполнения и высокая эффективность. На самом деле топливный элемент в паре с электродвигателем в два-три раза эффективнее двигателя внутреннего сгорания, работающего на бензине. Водород также может служить топливом для двигателей внутреннего сгорания. Однако, в отличие от FCEV, они производят выбросы выхлопных газов и менее эффективны. Узнайте больше о топливных элементах.

Энергия 2,2 фунта (1 кг) газообразного водорода примерно такая же, как энергия 1 галлона (6,2 фунта, 2,8 кг) бензина. Поскольку водород имеет низкую объемную плотность энергии, он хранится на борту транспортного средства в виде сжатого газа, чтобы обеспечить запас хода обычных транспортных средств. В большинстве современных приложений используются резервуары высокого давления, способные хранить водород при давлении 5000 или 10000 фунтов на квадратный дюйм (psi). Например, FCEV, производимые производителями автомобилей и доступные в дилерских центрах, имеют баки на 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Розничные заправочные колонки, которые в основном расположены на автозаправочных станциях, могут заполнить эти баки примерно за 5 минут. В электрических автобусах на топливных элементах в настоящее время используются баки на 5000 фунтов на квадратный дюйм, которые заполняются за 10–15 минут. Другие способы хранения водорода находятся в стадии разработки, включая химическое связывание водорода с таким материалом, как гидрид металла или низкотемпературные сорбирующие материалы. Узнайте больше о хранении водорода.

Данные с розничных заправочных станций, собранные и проанализированные Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии, показывают, что среднее время, затрачиваемое на заправку FCEV, составляет менее 4 минут.

Калифорния лидирует в стране по строительству водородных заправочных станций для автомобилей FCEV. По состоянию на середину 2021 года для публики были открыты 47 розничных водородных станций в Калифорнии, а также одна на Гавайях, а еще 55 находились на различных стадиях строительства или планирования в Калифорнии. Эти станции обслуживают более 8000 FCEV. Калифорния продолжает выделять средства на строительство водородной инфраструктуры в рамках своей Программы чистого транспорта. Калифорнийская энергетическая комиссия уполномочена выделять до 20 миллионов долларов в год до 2023 года и инвестирует в первые 100 общественных станций для поддержки и поощрения этих автомобилей с нулевым уровнем выбросов. Кроме того, в северо-восточных штатах запланировано открытие 14 АЗС, причем некоторые из них уже обслуживают клиентов автопарка.