В настоящее время пара «азотная кислота - НДМГ» используется на ракетах-носителях «Протон», РН «Космос», РН «Циклон», РН «Днепр», РН «Титан»; в двигательных установках пилотируемых кораблей, орбитальных и межпланетных станций, а также в некоторых баллистических ракетах.
Литература
1.Братков А. А. Химмотология ракетных и реактивных топлив /А. А. Братков, Е. П. Серегин, А. Ф. Горенков; под. Ред. А. А. Браткова. – М.: Химия, 1987. – 304с.
2.Неорганическая химия: учеб. Пособие для хим. и химикотехнол. спец. вузов /Б. Д. Степин, А. А. Цветков. – М.: Высш. шк., 1994.-608 с.
3.Алешков М.Н. Физические основы ракетного оружия /М.Н. Алешков, И.И. Жуков.- М.: Воениздат, 1965. -464 с.
4.Зрелов В.Н., Серегин Е.П. Жидкие реактивные топлива /В.Н.Зрелов, Е.П.Серегин. - М.: Химия, 1975. -320 с.
5.Ушакова В.Г. О. Н. Шпигун, О.И. Старыгин. Особенности химических превращений НДМГ и его поведение в объектах окружающей среды / О.Н. Шпигун, О.И. Старыгин //Ползуновский вестник. - 2004.- Н94.-С. 81-87.
УДК 681.518.54
ПРОМЫШЛЕННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ СМЕСИ ГАЗОВ
В.А. Бакаев, КБХА, инженер, тел. (473) 237-44-40
Г.И. Скоморохов, ВГТУ, д-р техн. наук, проф., тел. (473) 2376-484
В работе приводится принципиальная схема энергетической установки для получения водорода из смеси газов. Для выделения водорода используется диффузионный фильтр новой конструкции с металлической мембраной на основе палладия.
75
Ресурсы ископаемого топлива, которые в наше время удовлетворяют до 85% мировой потребности в энергоресурсах, ограничены и не возобновляются. Главное направление глобальной энергетической стратегии на долгосрочную перспективу обозначается довольно отчетливо: все более широкая замена ископаемого топлива альтернативными, возобновляемыми, экологически чистыми источниками энергии, к которым принадлежит и водородная энергетика, отходом использования которой является обыкновенная вода.
Среди альтернативных экологически чистых топлив водород является универсальным энергоносителем. Водород перспективен для использования в ракетных двигателях, в двигателях внутреннего сгорания, для выработки электроэнергии в топливных элементах, для производства синтетических жидких топлив и др. В связи с этим возникает задача поиска и исследования технологии крупномасштабного получения водорода, характеризующиеся высокими энергетическими, экологическими и экономическими показателями.
Водород практически весь находится в виде соединений, поэтому для его получения применяют химические методы. Следует отметить следующие основные способы получения водорода [1].
1)Паровая каталитическая конверсия легких углеводородов с подводом тепла в трубчатых печах. Этим способом конвертируются
природный газ, сжиженные газы и бензиновые фракции с температурой кипения до 20000С.
2)Автотермическая каталитическая конверсия легких углеводородов. Этим способом перерабатываются природный, коксовый, и некоторые другие газы.
3)Высокотемпературная кислородная конверсия различных типов углеводородного сырья. Процесс представляет собой неполное окисление углеводородов с образованием СО и Н2. В качестве сырья могут использоваться любые углеводороды, начиная от метана и кончая высокосернистыми мазутами.
4)Кислородная или парокислородная газификация твердого топлива. Процесс осуществляется в газогенераторах с неподвижным или движущимся слоем мелкозернистого топлива (угля, торфа, сланца).
76
5)Термоконтактные методы разложения углеводородов для
получения водорода. Сущность методов заключается в том, что при температуре порядка 13000С на инертной насадке или при 9009500С на катализаторах протекает термическое разложение углеводородного сырья до углерода и водорода. Метод достаточно экономичен, однако является периодичным и широкого распространения не получил.
6)Электролиз воды. Это единственный промышленный способ получения водорода, не основанный на использовании топлива. Электролиз выгодно отличается от других методов получения водорода простотой и надежностью технологической схемы. Например, при электролизе водных растворов солей:
2NaCl + 2H2O → H2↑ + 2NaOH + Cl2.
В настоящее время в ОАО «КБХА» создана станция получения технического газообразного водорода, которая выполнена на базе существующего электролизного участка криогенного производства двумя стационарными установками СЭУ-40 производительностью 40 м3/ч каждая. В процессе эксплуатации станции получения электролизного водорода была выявлена высокая энергоемкость процесса и как следствие, высокая себестоимость выходного продукта, что обуславливает поиск новых способов получения водорода.
7) Окислительная конверсия метана плазмохимическим методом [2]. С целью снижения капитальных затрат и энергопотребления в технологическом процессе получения газообразного водорода был разработан плазмохимический реактор для разложения метана в водородной плазменной дуге и одновременным парциальным окислением продуктов реакции водяным паром. Конечным продуктом реакций является синтез-газ состоящий из Н2, С2Н2, СН4, СО, СО2, который затем может компримироваться для дальнейшего выделения газообразного водорода на металлических мембранах. При этом себестоимость получения газообразного водорода сокращается в 5-6 раз по отношению к другим методам.
8) Извлечение водорода как побочного продукта процессов нефтепереработки и нефтехимии. Во многих процессах
77
нефтепереработки и нефтехимии имеются отходящие газы со значительным содержанием водорода. В настоящее время уделяется серьезное внимание этому источнику водорода. В процессе каталитического реформинга образуется водород в количестве 0,7- 2,3 мас.% от исходного сырья.
К настоящему моменту в ОАО «КБХА» завершены работы по проектированию и изготовлению установки для получения синтезгаза плазмохимическим методом паровой конверсией водорода. Основным узлом установки является пароконверсионный плазмохимический реактор, включающий в себя двухструйный плазмотрон, камеру смешения метана и пара с потоком водорода и реактор, где происходит конверсия метана. В процессе экспериментальной отработки был обеспечен выход 200-220 нм3/ч синтез-газа, содержащего 60-65% водорода.
Особенностью получения синтез-газа на данной установке является то, что процесс парциального окисления проходит в смесительной камере плазмохимического реактора при температуре 1600-18000С и избыточных давлениях около 0,01-0,02 МПа, что позволяет выполнить его без присутствия катализаторов и значительно уменьшить сажеобразование.
Водород, получаемый промышленным способом, находится в составе газовых смесей содержащих такие газы как СО, СО2, N2. CH4. Для использования водорода в качестве ракетного топлива или в качестве топлива для энергетических установок необходима высокая чистота водорода. Известны различные способы выделения водорода из газовой смеси, основными из которых являются:
1.Адсорбционный [1]. Процесс очистки водорода методом короткоцикловой адсорбции основан на адсорбции цеолитами всех имеющихся в смеси газов (СО, СО2, СН4, Н2О, N2), кроме водорода.
2.Низкотемпературный (криогенный) способ. Процесс заключается в разделении жидкой смеси на компоненты, основанный на различной температуре кипения отдельных веществ,
входящих в состав смеси [3]. Процесс выделения проходит при температуре минус 190-2000С. Степень извлечения водорода составляет 80-98% [4].
3.Диффузионное выделение на мембранах. Практический интерес представляет выделение водорода на металлических и
78
полимерных мембранах. При разделении на полимерных мембранах достигается чистота фракции 90-96% [4].
Для выделения водорода из смеси газов в промышленных масштабах применение металлических мембран на основе палладия является наиболее целесообразно, так как не требуется энергоемких процессов.
Для исследования процесса разделения водорода от попутных газов, получаемых плазмохимическим методом разложения метана [2], разработана энергетическая установка для разделения газовых компонентов диффузионным фильтром (ДФ). Принципиальная схема экспериментальной установки представлена на рисунке.
Водород от баллонной рампы через редуктор КР3 поступает в коллектор смешения газов. Расход водорода измеряется дроссельной шайбой ДРН4. Азот через редуктор КР4 поступает так же в коллектор смешения газов. Из коллектора смешения газовая смесь, состоящая из водорода и азота поступает через отсечной клапан К5 в диффузионный фильтр. Давление на входе в диффузионный фильтр контролирует датчик давления ДД3 (МД60ТС).
Из коллектора смешения газовая смесь поступает в диффузионный фильтр, в котором происходит разделение газовой смеси. Температура в ДФ контролируется двумя поверхностными датчиками температуры ДТП1, ДТП2 (ТП033-01). Температура водорода на выходе из ДФ контролируется датчиком температуры ДТС4 (ТТ149).
Очищенный водород охлаждается в теплообменнике АТ2 до 25-500С и через клапан К4 подается на компрессор и затем поступает потребителю. Расход спектрально чистого водорода определяется ротаметром РМ1. Давление и температуру водорода после мембраны ДФ контролируют датчик давления ДД2 (МД-6ТС) и датчик температуры ДТС4 (ТТ149).
Отбор газа после мембраны на химический анализ осуществляется через вентиль ВН2.
Температура газовой смеси (N2, Н2) на выходе из ДФ контролируется датчиком температуры ДТС5 (ТТ149). Газовая смесь охлаждается в теплообменнике АТ1 до 25-500С и выбрасывается в атмосферу за пределами испытательного стенда. Расход газовой смеси определяется дроссельной шайбой ДРН1.
79