химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

бинарной газовой смеси иа чистые компоненты:

1,2 — полупроницаемые мембраны соответственно для водорода и побочного продукта

Для общего случая р\фрг можно записать выражение Амн (Т) = RT [хНа ? ??? + (1 -*н2) Ш ftn-%.)]' (4 62)

^.ll^+(,-"XH')>A(t

юстраияется иа многокомпонеитн юиеитов:

которое легко распространяется иа многокомпонентные смеси, разделяемые до чистых компонентов:

~ (4.63)

Для термохимических циклов важным показателем эффективности является необходимая работа разделения на 1 моль водорода, выделенного из побочных продуктов. График этой величины, определенной для условий 0,1 МПа и 300 К, приведен иа рис. 4.11 [72]. Необходимая работа выделения 1 моля водорода возрастает с ростом концентрации побочных продуктов в исходной газовой смеси. Действительная работа Ls, необходимая для разделения компонентов, может в несколько раз превосходить теоретический минимум ?Мии. Как уже было отмечено в § 4.1, энергию, необходимую для разделения, целесообразно использовать в виде теплоты, а ие работы. Термодинамическую эффективность процесса разделения можно определить как отношение

Г|. = /.мии(Г)/?д. (4.64)

Рассмотрим иа примере конкретного термохимического цикла 2Н1Х**2Н1 (газ)+(*—1)1г; 2HI (газ)**Н2-На

132

Рис. 4.11. Минимальная работа раз- Uiuh

деления на 1 моль водорода Хц2

характерные значения необходимых ^ энергозатрат иа разделение ком-понентов с помощью ряда известных ?

в настоящее время технологических _

процессов [72]. Исходными вещест- 0 05 ?

вами во всех процессах являлась би- ' н2

нарная газовая смесь иодида водорода и чистого водорода при давлении 0,1 МПа и температуре 300 К с молярным содержанием водорода от 10 до 90%. Предполагалось, что процесс разделения был полным — до чистых компонентов. В реальной технологии последнее условие формулируется не столь жестко, однако в термохимических циклах желательно иметь высокую степень разделения в связи с многократным использованием отдельных промежуточных реагентов. Численные результаты для различных процессов разделения приведены в табл. 4.3. Таблица 4.3. Энергозатраты и эффективность процессов выделения водорода в иодидном термохимическом цикле разложения воды [72]_

Процесс

я К ? >j Конденсация Физическая абсорбция Диффузия Физическая адсорбция Термоадсорбция Элгктрохи-мнче ское разделение

l Is l Is l Is l Is l Is Is

0,1 0.2 0,3 0,4 0,5 0,6 0.7 0,8 0,9 0,82 1,25 1,50 1,64 1,74 1 ,64 1,50 1,25 0,82 13,6 12,0 10,5 9,04 7,53 6,02 4,52 3,01 1,51 0,05 0,11 0,14 0,18 0,23 0,27 0,33 0,41 0,55 18,8 16,7 14,6 12,6 10,5 8,37 6,28 4,18 2,09 0,04 0,07 0,10 0,13 0,17 0,20 0,21 0,30 0,39 6,53 7,20 7,82 8,49 9,16 9,79 10,5 11,1 11,8 0,13 0,17 0,19 0,19 0,19 0,17 0,14 0,11 0,07 п,о 10,4 9,71 9,05 8,40 7,74 7,08 6,43 5,77 0,07 0,12 0,15 0,18 0.21 0,21 0,21 0,19 0,14 4,39 4,39 4,39 4,39 4,39 4,39 4,39 4,39 4,39 0,19 0,28 0,34 0,37 0,40 0,37 0,34 0,28 0,19 22,8 16,0 12,0 9,08 6,83 5,03 3,54 2,21 - 1,05 0,04 0,08 0,13 0,18 0,25 0,32 0,42 0,56 0,78

Примечание. Значения энергозатрат l приведены в кДж-моль"1 Н„.

Конденсация

Этот процесс разделения, в котором исходная газовая смесь охлаждается до конденсирования иодида водорода с выходом иекоиденсиро-

ванного водорода в газовую фазу, показан схематически на рис. 4.12. Для разделения исходной смеси необходимо ее охлаждение до температуры ниже точки нормального кипения иодида водорода (237,74 К). Охлажденные продукты целесообразно использовать для

предварительного охлаждения исходного газа в теплооОменни-ке-регеператоре. Если охлаждение осуществляется с помощью обратимого холодильного цик-

1Н2

1

Н1+Н2

HI

Рис. 4.12. Принципиальная схема выделения водорода в процессе конденсации побочного продукта (иодида водорода):

/ — теплообменник; 2 — холодильник: 3 — сепаратор

133

Рис. 4.13. Эффективность разделения в процессе коиден-

сации

ла, то минимальная необходимая работа определяется выражением

0 °'5 % U^ = Qr(T0-Tr)/Tr, (4.65)

где Qr — теплота, выделяемая при конденсации иодида водорода при температуре 7V, которая выбирается исходя из соображений малости' парциального давления иодида водорода в разделителе (результаты, приведенные в табл. 4.3, получены для 7Г = 235 К). В действительности цикл охлаждения необратим и его термодинамическая эффективность составляет около 35% (рис. 4.13). Эффективность разделения в этом процессе прямо зависит от количества теплоты, затрачиваемой на охлаждение, которое в свою очередь определяется количеством иодида водорода в исходной смеси.

Физическая абсорбция

Процесс физической абсорбции основан иа поглощении отделяемого побочного продукта жидким поглотителем (абсорбентом). Отделение иодида^ водорода осуществляется в разделителе-регенераторе, где насыщенный побочным продуктом поглотитель нагревается горячим паром

Рис. 4.14. Принципиальная схема выделения водорода в процессе физической абсорбции:

_^Горячий, / — абсорбер: 2 — холодильник;

Пйр 3~ компрессор; 4—разделитель-регенератор; 5 — насос

до температуры, при которой растворимость иодида водорода в поглотителе становится достаточно низкой. Регенерированный таким образом жидкий поглотитель возвращается в абсорбер для взаимодействия с исходным газом. Схематически этот процесс показан иа рис. 4.14. Результаты, приведенные в табл. 4.3, получены для температур в абсорбере 7а =300 К и в разделителе-регенераторе Гр.р=400 К. Расход теплоты в разделителе-регенераторе Qp.p линейно зависит от содержания побочного продукта в исходной газовой смеси, а общие затраты теплоты определяются выражением

66)

Q = Qp.pr0(T^-^)>(4.

Рис. 4.15. Эффективность разделения в процессе физической абсорбции

134

если предположить, что теплота растворения побочного продукта в поглотителе пренебрежимо мала. Как и в случае процесса конденсации, эффективность разделения при физической абсорбции побочного продукта растет с ростом содержания водорода в исходном газе и с уменьшением в нем вещества, которое должно быть поглощено (рис. 4.15).

Диффузия

Процесс диффузионного разделения основан на применении мембран, изготовленных преимущественно из сплавов на основе палладия способных пропускать с заметной скоростью водород и задерживать другие газы. Схема использования этого процесса показана на рис. 4.16

Рис. 4.16. Принципиальная схема диффузионного процесса разделения газов:

/ — теплообменник-регенератор; ?—подогреватель; 3— диффузионная камера; < — компрессор

Исходная смесь

Побочный, продукт

Для достижения достаточной скорости диффузионного процесса и предотвращения адсорбции молекул иодида водорода на поверхности мембраны принято, что диффузионная камера работает при температуре 615 К и давлении 3 МПа, которое обеспечивает необходимый концентрационный градиент водорода, получаемого в чистом виде при атмосферном давлении. Необходимая работа для этого процесса складывается из двух частей: большей — на сжатие исходной смеси и меньшей — иа ее нагрев. Целесообразно, чтобы побочный продукт процесса — иодид водорода, расширяясь . в турбине, возвращал часть затрачиваемой работы для сжатия исходной смеси. Эффективность диффузионного разделения в предположении, что отношение изотермической работы сжатия к реальной составляет 0,7, иллюстрирует рис. 4.17. Эффективность разделения исходной смеси вначале увеличивается с ростом коицеитраци водорода, достигает наибольшего значения при молярном содержании водорода от 30 до 50%, а затем падает. Зависимость эффективности разделения от молярного содержания водорода существенно отличается от двух предыдущих случаев. Причина появления максимума в этой зависимости заключается в том, что первоначально, при низких содержаниях водорода в смеси, значительная часть работы сжатия исходного газа покрывается срабатыванием давления побочного продукта — иодида водорода. При средних содержаниях водорода (30—50%) необходимая работа возрастает, но возрастает и теоретическая минимальная работа (см. табл. 4.3), приводя тем самым

135

Рис. 4.17. Эффективность разделения в диффузионном процессе

к более высоким значениям эффективности разделения. С дальнейшим ростом содержания водорода в исходном газе необходимая работа растет, а теоретически минимальная убывает и прихНа-> 1 стремится

к нулю. В связи с этим прих^-» 1 КПД обращается в нуль.

Физическая (термическая) адсорбция

Этот процесс, имеющий две разновидности: циклироваиие давления и термоциклирование, применяется для получения водорода высокой степени чистоты (молярное содержание примесей — менее 10-4 %). Рисунок 4.18 иллюстрирует принцип обеих разновидностей этого метода. Положение изотерм показывает, что повышение давления приводит к возрастанию количества адсорбата для обеих произвольных изотерм. Циклирование давления осуществляется между двумя различными давлениями при постоянной температуре, а термоциклирование — между двумя различными температурами при постоянном давлении.

Затраты энергии при физической адсорбции с циклироваиием давления определяются работой сжатия исходного газа (в нашем случае

для удобства сравнения — до ЗМПа). Когда примеси адсорбированы, водород проходит через адсорбер без существенного снижения давления и, расширяясь до атмосферного давления, возвращает часть работы компрессору, сжимающему исходный газ. Эффективность этого процесса разделения показана на рис. 4.19.

Рис. 4.18. Принцип адсорбционного разделения газов:

G — количество адсорбата; ? — его парциальное давление; АВ — циклирование давления; ВС — термоциклирование

?

:> ?

1

? I->

??

Рис. 4.19. Эффективность разделения в процессе физической адсорбции при циклировании давления

Рис. 4.20. Эффективность разделения в процессе физической адсорбции при термоциклиро-вании

Для физической адсорбции с термоцнклироваиием температура десорбции принята равной 600 К. Относительно высокое значение максимума эффективности этого способа разделения (рис.

страница 26
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
кадровые курсы повышения квалификации
ножи япония
самый крупный магазин сантехники в москве
курсы по окрашеванию коралл в москве

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(08.12.2016)