Энергетический баланс

Составить тепловой (энергетический) баланс реактора для получения водорода каталитической конверсией метана.[1]

Расчет ведем на 1000 м³ Н₂.

Потери теплоты в окружающую среду примем 6% от прихода теплоты.

Расчет ведем по реакции

СН₄ + Н₂О ↔ СО + 3Н₂ – 206200 кДж

 Исходные данные:

СН₄:Н₂О = 1:2.

Температура поступающих в реактор реагентов 1050 С; температура в зоне реакции 9000 С.

Теплоемкости в кДж/(кмоль ∙⁰С):

С	СН4	Н2О	СО	Н2
0
1000С	36,72	33,29	28,97	29,10
0
900 С	-	38,14	31,36	29,90

 

В соответствии с условием на 1000м3 Н₂ объем исходных реагентов[6]

и полученных продуктов будет составлять:

Приход		Расход
Исходное вещество	м	Продукт	м3
СН4	333	СО	333
Н2О	667	Н2О	334
		Н2	1000
Итого	1000		1667

 

Приход теплоты:

Q_физ.СН4 = (334/22,4)∙36.72∙105 =58180 кДж

Q_физ.Н2О = (667/22,4)∙33.29∙105 = 104130 кДж

ΣQ_физ = 162310 кДж

Расход теплоты

Теплота, уносимая продуктами реакции из реактора при 9000С:

Q_СО = (333/22,4)∙37.36∙900 = 419500 кДж

Q_Н2 = (1000/22,4)∙29.90∙900 =1202700 кДж

Q_Н2О = (334/22,4) ∙38.14∙900 = 511825 кДж

ΣQ_{физ ун}. = 2133025 кДж

Q_р = (333/22,44) ∙206200 = 3065400 кДж

Всего: 5198425 кДж

Q_п = 162310∙0.06 = 9738 кДж

Тепловой баланс конверсии метана:

Приход		Расход
Вещество	кДж	Вещество	кДж
QH2O	104130	QСО	419500
QCH4	58180	QH2	1201700
		QH2O	511805
		Qп	9738
		Qр	3065400
Итого	162130		5208160

 

ΔQ = 5208160 – 162130 = 5040030 кДж

Подвод теплоты в зону реакции осуществляется за счет сжигания части метана природного газа (98% СН4 и 2% N₂):

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О + 890950 кДж/кмоль.

Для покрытия образовавшегося дефицита теплоты ΔQ необходимо сжечь метана

5046030/890950 = 5.66 кмоль или 5.66 · 22.4 = 127м3 СН4_., то есть. 129.5 м³ природного газа.

Анализ преимуществ предлагаемой технологии

Паровая конверсия метана является наиболее широко используемым процессом для получения водорода.

Это во многом связано с его экономической эффективностью в получении высокого уровня чистоты в его производимом водороде. Водород, полученный из SMR, может быть использован в промышленных процессах и в топливных элементах из-за его чистоты.[5]

Хотя водород сам по себе является безэмиссионным топливом, исходным сырьем для производства водорода часто является природный газ, который приводит к выбросам парниковых газов.

Кроме того, процесс SMR требует огромного количества тепла и поэтому является очень энергоемким.

Поскольку мир продолжает рассматривать водородную экономику, технология SMR будет оставаться критическим элементом этой головоломки.

Но несмотря на указанные выше недостатки паровая конверсия метана имеет еще ряд преимуществ, таких как:

− производит 4 моля водорода на каждый моль потребляемого метана;

− сырье для процесса (метан и вода легко доступны);

− процесс адаптируется к широкому спектру углеводородного сырья;

− работает при низких давлениях;

− требует низкого отношения пар/углерод (2,5–3).

Нельзя обойти стороной и технологию электролиза воды, которая тоже используется для получения водорода.

Водород, полученный в результате электролиза, может привести к нулевым выбросам парниковых газов, в зависимости от источника используемого электричества.

Источник необходимой электроэнергии-включая ее стоимость и эффективность, а также выбросы в результате производства электроэнергии—должен учитываться при оценке выгод и экономической целесообразности производства водорода с помощью электролиза.

Во многих регионах страны сегодняшняя энергосистема не идеальна для обеспечения электроэнергией, необходимой для электролиза из-за выделяющихся парниковых газов и необходимого количества топлива из-за низкой эффективности процесса производства электроэнергии.

Производство водорода с помощью электролиза осуществляется для возобновляемых (ветровых) и ядерных энергетических вариантов.

Эти пути приводят к практически нулевым выбросам парниковых газов и критериев загрязнителей.

 

Производство водорода посредством электролиза может предложить возможности для синергии с переменным производством электроэнергии, что характерно для некоторых технологий использования возобновляемых источников энергии.

Например, хотя стоимость энергии ветра продолжает снижаться, присущая ветру изменчивость является препятствием для эффективного использования энергии ветра.

Водородное топливо и производство электроэнергии могут быть интегрированы на ветряной электростанции, что позволяет гибко переключать производство, чтобы наилучшим образом соответствовать наличию ресурсов с системными эксплуатационными потребностями и рыночными факторами.

Кроме того, во времена избыточного производства электроэнергии из ветряных электростанций, вместо того, чтобы сократить потребление электроэнергии, как это обычно делается, можно использовать эту избыточную электроэнергию для производства водорода посредством электролиза.

Современная сетевая электроэнергия не является идеальным источником электроэнергии для электролиза, поскольку большая часть электроэнергии вырабатывается с использованием технологий, которые приводят к выбросам парниковых газов и являются энергоемкими.

Производство электроэнергии с использованием возобновляемых или ядерных энергетических технологий, либо отдельно от сети, либо в качестве растущей части сетевой смеси, является возможным вариантом преодоления этих ограничений для производства водорода с помощью электролиза.

Ведущие страны продолжают усилия по снижению стоимости производства электроэнергии на основе возобновляемых источников и развитию более эффективного производства электроэнергии на основе угля с улавливанием, использованием и хранением углерода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной курсовой работе были рассмотрены методы получения водорода посредство электролиза воды и паровой конверсией метана; описаны физико-химические характеристики вещества; описаны все существующие методы и схемы получения водорода; представлена характеристика водорода как продукта вторичной переработки; рассчитан материальный и энергетический баланс.

На данный момент проблема сохранения нашей планеты в экологическом разнообразии и относительной чистоте водного бассейн и почв весьма актуальна.[14]

Рассмотренные в данной курсовой работе методы получения водорода являются наиболее современными и направленными на минимизацию вредных выбросов в атмосферу токсичных газов и продуктов их переработки.

Водород как побочный продукт является интересным и дешевым источником энергии для  предприятий, где он производится.

Поэтому неудивительно, что регионы с высоким содержанием водорода в качестве побочного продукта являются одними из самых передовых в своем стремлении использовать водород.