Мембранная установка для получения особо чистого водорода
Мембранная установка предназначена для получения особо чистого водорода каталитической конверсией углеводородов, включая метан и природный газ, и может быть использована в различных отраслях промышленности, включая водородную энергетику. Высокотемпературный конвертор метана и мембранный аппарат последовательно установлены в едином корпусе по ходу газового потока. Мембрана выполнена из жаростойкого палладиевого сплава и делит мембранный аппарат на полости высокого и низкого давления. В полости высокого давления размещен дополнительный катализатор конверсии метана. Дополнительный катализатор нанесен на носитель блочного типа из теплопроводного высокопроницаемого материала. Внутри корпус оснащен теплоизоляцией и нагревателями. Нагреватели могут быть выполнены в виде набора отдельных секций. Совокупность заявленных признаков позволила упростить установку, сократив количество основных технологических блоков до двух, повысить выход особо чистого водорода на единицу сырья, снизить тепловые потери и, следовательно, энергозатраты. 1 з.п. ф-лы, 1 илл.
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.
Известная установка сложна в аппаратурном исполнении, и имеет ограниченный выход целевого продукта - особо чистого водорода (ОЧВ), - не превышающий 98 об.% (или 0,98 м 3 водорода на 1 м3 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.
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-Pt5. 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.
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 Н2, H 2O, CO2, CO и СH4 . 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 СН4 +Н2OЂ3Н2+СО и CO+H 2OЂH2+CO2 вправо.
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 СO2, СО, СН4 и другие.
Пример 1. В представленной установке на вход подается 270 м3/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:
- производительность мембранной установки по водороду-продукту 250 м3/ч.
- чистота водорода - продукта - 99,9999%.
- объемный выход водорода - 0,93 м 3 водорода на 1 м3 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 3 водорода на 1 м3 сырьевого газа.
Пример 2. В представленной установке на вход подается 194 м3/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:
- производительность мембранной установки по водороду-продукту 250 м3/ч.
- чистота водорода - продукта - 99,9999%.
- степень полного извлечения водорода - 0,956
- объемный выход водорода - 1,28 м3 водорода на 1 м3 сырьевого газа.
Для известной мембранной установки объемный выход водорода при отношении пара и метана, равном 1,75:1, составлял 0,978 м 3 водорода на 1 м3 сырьевого газа.
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 3 водорода на 1 м3 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.
1. Установка для получения особо чистого водорода, содержащая высокотемпературный конвертор метана с катализатором, смеситель и мембранный аппарат с мембраной из палладиевого сплава, отличающаяся тем, что в ней 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, который нанесен на носитель блочного типа из теплопроводного высокопроницаемого материала.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что нагреватели выполнены в виде набора отдельных секций.
