Компактные системы топливоподготовки для использования на автомобиль­ном транспорте и в жилых домах были разработаны чрезвычайно быстро. Пре - . е чем мы обсудим одну из таких миниатюрных установок, рассмотрим пример расчета характеристик такого устройства. Необходимые для расчета термодина - ические данные сведены в табл. 8.1.

Пример

Рассмотрим схему работы устройства для получения водорода из метанола, которое можно использовать на транспорте или в стационарных установках. В таком уст­ройстве, называемом системой топливоподготовки, может использоваться реакция прямого разложения метанола

СН3ОН —> СО + 2Н2 . (17)

Если метанол сначала испарить, а потом сжечь, то при сжигании выделится 676,34 МДж тепловой энергии в расчете на 1 кмоль водяного пара, который является продуктом реакции горения. Если же метанол сначала разложить, то из 2 кмолей водорода, образованных в результате реакции разложения, можно получить 2 ■ 241,82 = 483,64 МДж и еще дополнительно 282,99 МДж из 1 кмоля монооксида углерода, т. е. общее количество энергии составит 766,63 МДж. Другими словами, при сжигании про - туктов разложения метанола можно получить больше энергии, чем при сжигании исходного топлива, так как реакция разложения является эндотермической и для ее эсугцествления необходимо подвести 766,63 - 676,34 = 90,29 МДж теплоты в расчете на 1 кмоль метанола.

Важно удалить из смеси газов большую часть монооксила углерода, который имеет свойство отравлять катализатор в низкотемпературных топливных элементах, и полу­чить некоторое дополнительное количество водорода. Для этого можно использовать реакцию монооксида углерода с водяным паром

Продолж. примери

При сжигании монооксида углерода выделяется 282,99 МДж/кмоль тепловой знері тогда как при окислении полученного в реакции сдвига водорода — 241,8 МДж/к- Таким образом, реакция сдвига является экзотермической с тепловым эффе равным 282,99-241,8 = 41,19 МДж/кмоль СО.

Общее уравнение реакции

сн3он + н2о -> со2 + зн2,

при этом, очевидно, итоговая реакция является эндотермической, а ее тепловой э составляет 90,29-41,19 = 49,00 МДж на 1 кмоль метанола На каждый киломоль метанола необходимо израсходовать 1 кмоль водяного п Рабочий цикл начинается с подачи в систему смеси метанола и воды в прави ть пропорции. Затем смесь в системе испаряется и нагревается до рабочей темпера - реакции, значение которой лежит в диапазоне от 20и до 600 °С. Уравнение энерге ческого баланса может быть записано в виде

ДЯобщ = ДЯИСП + АНСр + ДЯреак + АН,

где АЯИСП — количество теплоты, которое необходимо подвести к системе для тс чтобы испарить спиртоводную смесь. При условиях, принятых в рассматрива: примере,

Л"сп = мет + АЯИСП. вода = 37,9 • 106 + 44,1 106 = 82,0 • 106 Дж/(кмоль СН3ОН»:

(21,

дНс — количество теплоты, которое необходимо подвести к системе, чтобы повыс температуру газообразной смеси метанола и водяного пара до рабочего значения. п как удельная теплоемкость большинства веществ сильно изменяется в завист от температуры, а точное значение рабочей температуры в рассматриваемом прим не указано, будем использовать для оценочных расчетов характерные значения лоемкости: 37 кДж/(кг-К) для воды и 39 кДж/(кг-К) для метанола:

дНСр = срметАТ + срводаДГ = 37.103ДГ + 39 • Ю3АТ = 76 • 103ДГ .

Если принять, что АТ = 250 К, т. е. температура, при которой протекает реа равна 298 + 250 = 548 К, или 275 °С, то теплота, необходимая для разогрева см составляет

АНс = 19 -106 ДжДкмоль СН3ОН).

Значение АЯреакц было рассчитано выше и составляет 49 МДж на 1 кмоль метанола. Наконец, значение тепловых потерь Д/7пот может быть минимизировано с помош - хорошей теплоизоляции системы. Будем считать, что в рассматриваемом пример размер тепловых потерь пренебрежимо мал.

Общее количество теплоты равно ДЯобщ = 82 +19 + 49 = 150 МДж на 1 кмоль метан Такое количество теплоты может быть получено путем сжигания 150/242 = 0,62 кма' водорода. Таким образом, из 3 кмолей полученного водорода около 20 % необході отправить в печь, а примерно 80 % будет получено на выходе из системы. Система то " воподготовки преобразует метанол, энергоемкость которого составляет 676 МДж/'кч в водород энергоемкостью 575 МДж/кмоль.

Окончание примера

Если не расходовать теплоту на испарение и нагрев спиртоводной смеси и исключить все тепловые потери, то для работы системы понадобится только такое количество теплоты, которое необходимо для проведения реакции разложения, т. е. 49 МДж на 1 кмоль метанола. Для ее получения необходимо 0,2 кмоля водорода, а полезный выход водорода из системы будет равен 2,8 кмоль, или 676 МДж/кмоль. Другими словами, система топливоподготовки будет иметь КПД, близкий к 100 %, как того и следует ожидать при этих условиях.

Температура газа на выходе из системы намного выше температуры смеси, поступающей на ее вход. Часть этой тепловой энергии можно использовать для подогрева исходных веществ, повышая таким образом общую эффективность системы получения водорода.

Фирма Idatech (штат Орегон, США) разработала серию систем топливоподго­товки, принцип работы аналогичен рассмотренному в приведенном выше примере. >ги системы могут перерабатывать различные виды топлива, такие как метанол, метан и др. Обратимся к схеме, представленной на рис. 8.3. Эквимолярная смесь іетанола и воды или аналогичное исходное сырье подается под давлением в рас­положенный в камере сгорания змеевиковый теплообменник, где происходит ее редварительный нагрев и испарение. Затем сырье поступает в зону реформинга, которой происходит конверсия метанола в водород и монооксид углерода. Далее t> реакции паровой конверсии происходит превращение монооксида углерода в уг - | кислый газ, в результате чего образуется дополнительное количество водорода. В полученном газе все еще содержится существенное количество примесей. Для выделения водорода из полученной газовой смеси часть газа пропускают через тладиевый фильтр, который проницаем только для водорода. Небольшую долю - дорода, полученного в зоне реформинга, смешивают с остатками продуктов ре - рминга и направляют не на палладиевую мембрану, а в камеру сгорания, где ссь сжигают в атмосфере воздуха, накачиваемого в камеру сгорания с помощью нтилятора. Искровой воспламенитель (на рисунке не показан) осуществляет роз - 1г смеси. Теплота сгорания водорода, который подается в камеру сгорания вместе дочищенными продуктами реформинга, используется для проведения реакции версии. Внешний источник требуется только на этапе запуска системы. При іуеке небольшой электрообогреватель используется для повышения температу - в зоне реформинга для того, чтобы началась реакция. Время запуска системы івляєт примерно 3 мин.

Небольшое количество монооксида углерода и углекислого газа содержится водороде даже после его фильтрации через палладиевую мембрану. Прежде м водород покидает установку, он протекает через выходной трубопровод, где положены катализаторы, на которых остатки примесных газов преобразуются метан — газ, который не отравляет катализаторы, используемые в топливных ментах. Рассматриваемая установка позволяет получать водород высокой чис - , содержащий менее 1 промилле СО и менее 5 промилле С02.

В некоторых установках для подготовки топлива мембрана имеет цилиндриче­скую форму, в других она выполнена в виде пластины. Последний вариант, усо­вершенствованный специалистами фирмы Idatech, позволяет изготавливать очень компактные фильтры. Такой фильтр состоит из набора элементов, соединенных системой труб таким образом, что одиночные мембраны системы включены парал­ельно. Сборка мембран имеет вход для подачи продуктов конверсии, выход для ’ывода очищенного водорода и коллектор для отфильтрованных примесей, некото­рого количества водорода, не прошедшего фильтрацию, и небольшого количества непрореагировавшего топлива.

Камера

•сгорания

Палладиевый

обменник очистки от СО процесса газы Выходной патрубок ^

реформинга для очищенного водорода

Рис. 8.3. Схема одной из систем топливоподготовки фирмы [datech

Изготовление мембраны из палладиевого сплава для оборудования фирмы tech начинается с размещения пластины толщиной обычно 50 мкм в прямо - больной рамке-держателе. Затем центральную часть пластины вытравливают, ро границам пластины обработку не производят, сохраняя исходную толщину.

Класть травления определяется размером кусочка фильтровальной бумаги, ко - ■орый прикрепляют к пластине. В качестве травильного раствора обычно ис - іьзуется царская водка, которой пропитывают фильтровальную бумагу, что Возволяет распределять химикат по поверхности пластины равномерно.