Способ получения особо чистого водорода и установка для его осуществления

 

Использование: в металлургической, химической и пищевой промышленности для выделения технологических газов. Сущность изобретения: при получении особо чистого водорода проводят конверсию парогазовой смеси и конверсию оксида углерода при давлении 0,105-0,110 МПа. Конверсию парогазовой смеси ведут при объемном соотношении природного газа и водяного пара 1:1,75-1:2,1, конверсию оксида углерода ведут при температуре 370-470 K, выделение диоксида углерода и воды из газовой смеси ведут сжатием ее до давления 1,0-5,0 МПа с последующим ступенчатым отделением воды и пищевого диоксида углерода вымораживанием, диффузию водорода осуществляют при температуре палладиевой мембраны 773-900 К. Установка включает в себя блок сероочистки, смеситель, реактор конверсии природного газа, конвертер оксида углерода, компрессор, блок выделения воды и диоксида углерода и диффузионный аппарат. 2 с.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технологии получения особо чистого водорода конверсией углеводородов и может быть использовано в металлургической, пищевой и др. отраслях промышленности для выделения технологических газов.

Известен наиболее близкий к предлагаемому способ получения особо чистого водорода, включающий сероочистку природного газа, смешение очищенного природного газа с водяным паром, конверсию полученной парогазовой смеси при температуре конверсии углеводородов (1123 K), конверсию оксида углерода в диоксид углерода, выделение из газовой смеси диоксида углерода и воды и диффузию водорода через палладиевую мембрану.

Установка, обеспечивающая реализацию известного способа, включает блок сероочистки, смеситель, реактор конверсии природного газа, конвертер оксида углерода, блок выделения воды и диоксида углерода и диффузионный аппарат, причем реактор конверсии природного газа, конвертер оксида углерода и диффузионный аппарат размещены в одной камере.

Недостатками известного способа и установки являются: ограниченный выход целевого продукта (86,3 об.); низкое качество получаемого водорода, содержащего примеси диоксида углерода, метана и др.

Цель изобретения повышение выхода и качества целевого продукта, за счет практически полной деструкции углеводородов и отвода диоксида углерода и воды.

Цель достигается тем, что в известном способе получения особо чистого водорода, включающем сероочистку природного газа, смешение очищенного природного газа с водяным паром, конверсию полученной парогазовой смеси при температуре конверсии углеводородов, конверсию оксида углерода в диоксид углерода, выделение из газовой смеси диоксида углерода и воды и диффузию водорода через палладиевую мембрану, согласно изобретению, конверсию парогазовой смеси и конверсию оксида углерода ведут при давлении 0,105-0,110 МПа, конверсию парогазовой смеси ведут при объемном соотношении природного газа и водяного пара 1:1,75 1:2,10, конверсию оксида углерода ведут при температуре 370-470 K, выделение диоксида углерода и воды из газовой смеси ведут сжатием ее до давления 1,0 5,0 МПа с последующим ступенчатым отделением воды и пищевого диоксида углерода вымораживанием, диффузию водорода осуществляют при температуре палладиевой мембраны 773 900 K.

Известная установка для получения особо чистого водорода, включающая блок сероочистки, смеситель, реактор конверсии природного газа, конвертер оксида углерода, блок выделения воды и диоксида углерода и диффузионный аппарат, согласно изобретению, снабжена компрессором, установленным после оксида углерода, а блок выделения воды и диоксида углерода выполнен в виде низкотемпературного отделителя жидкости и холодильной машины для вымораживания диоксида углерода.

Осуществление конверсии парогазовой смеси в заявляемых условиях с использованием предлагаемой установки позволяет уменьшить количество непрореагировавшего метана в целевом продукте до 0,02 об. и практически исключить процесс сажеобразования и блокировки поверхности мембраны свободным углеродом, что обеспечивает повышение выхода и качества водорода.

Проведение конверсии оксида углерода в предлагаемых условиях и аппаратурном оформлении снижает концентрацию CO до 1,03 об. воды до 0,2 об. повышая тем самым выход и качество водорода с последующим получением пищевого диоксида углерода (до 19 об.).

Осуществление сжатия газовой смеси с использованием компрессора и последующие ступенчатые отделения воды и пищевого диоксида углерода в заявляемых условиях с применением предлагаемого оборудования приводит к практически полному разделению компонентов газовой смеси, повышая выход водорода до 96,99 об.

Предлагаемый способ получения особо чистого водорода реализован в условиях предприятий химико-металлургической промышленности Уральского региона на предлагаемой полупромышленнной установке.

На чертеже дана схема установки для получения особо чистого водорода.

Обозначения: 1 блок сероочистки 2 смеситель 3 реактор конверсии 4 конвертер оксида углерода 5 компрессор 6 блок выделения воды и диоксида углерода 7 диффузионный аппарат Установка для получения особо чистого водорода работает следующим образом.

Природный газ по трубопроводу поступает в блок сероочистки 1, где происходит его очистка от серы и механических примесей традиционным путем. Затем очищенный природный газ поступает в смеситель 2, куда также подается водяной пар. Соотношение расходов очищенного природного газа и водяного пара измеряется и поддерживается автоматически. Полученная парогазовая смесь направляется в реактор конверсии природного газа 3, где осуществляется процесс конверсии углеводородов на катализаторе ГИ-АП-18 (ТУ 113-03-31-46-87) и инертном материале на основе диоксида циркония. Температура процесса конверсии углеводородов измеряется и регулируется при помощи термопары. Окончание процесса конверсии углеводородов определяется путем отбора проб газа. Затем парогазовая смесь, практически не содержащая метан <0,02 об. подается в конвертер оксида углерода 4, где осуществляется окисление CO до диоксида углерода на катализаторе низкотемпературной конверсии оксида углерода. Окончание процесса конверсии оксида углерода определяется путем отбора проб газа. После этого образовавшаяся смесь сжимается компрессором 5 и подается в блок выделения воды и диоксида углерода 6, где осуществляется ступенчатое отделение воды с помощью низкотемпературного отделителя жидкости и пищевого диоксида углерода вымораживанием в холодильной машине. Полученный водород через палладиевую мембрану, расположенную в диффузионном аппарате 7, направляется потребителю. Пример 1. Получение особо чистого водорода. 72 м³ природного газа, нагретого до температуры 653 K, направляли в блок сероочистки, где осуществляли его очистку до остаточного содержания серы 0,005 об. Затем очищенный природный газ направляли в смеситель, куда подавали также водяной пар. Объемное соотношение природного газа и водяного пара 1:1,75. Полученную парогазовую смесь подавали в реактор конверсии природного газа, где проводили процесс при температуре конверсии углеводородов (1173 K) и давлении 0,105 МПа. Процесс контролировали путем отбора проб газа до остаточного содержания метана 0,02 об. Образовавшуюся парогазовую смесь подавали в конвертер оксида углерода, где осуществляли конверсию оксида углерода в диоксид углерода при температуре 370 K и давлении 0,105 МПа. Окончание процесса контролировали путем отбора проб газа до остаточной концентрации оксида углерода не более 1,03 об.

воды не более 0,2 об.

При этом концентрация водорода достигла 80 об. а диоксида углерода не более 15,6 об.

Далее газовую смесь сжимали компрессором до давления 1,0 МПа и подавали в блок выделения воды и диоксида углерода, где ступенчато отделяли воду и диоксид углерода вымораживанием в низкотемпературном отделителе жидкости и холодильной машине.

Водород, имеющий незначительные примеси твердых микрочастиц, кислорода, окиси углерода и метана, подавали в диффузионный аппарат, где осуществляли его тонкую очистку пропусканием через палладиевую мембрану, нагретую до температуры 773 K. Полученный особо чистый водород исследовали на чистоту известным методом и направляли потребителю. При этом выход водорода составил 97,8 об. при чистоте 99,9999 об.

В условиях, аналогичных примеру 1, осуществляли получение особо чистого водорода в примерах 2 и 3 с варьированием параметров способа в заявляемых пределах. Одновременно осуществляли получение особо чистого водорода известным способом, взятым за прототип.

Условия осуществления способов и результаты исследований приведены в таблице.

Как видно из приведенных примеров и данных таблицы, предлагаемый способ и установка позволяют получить водород высокой степени чистоты 99,9999 об. с выходом 96-98 об. по сравнению с 86,3 об. по способу прототипу.

Осуществление заявляемого способа получения особо чистого водорода на предлагаемой установке обеспечивает следующие технические и общественно-полезные преимущества:
повышение выхода и качества целевого продукта,
возможность получения пищевого диоксида углерода,
повышение коэффициента использования исходного сырья,
возможность автоматизации систем управления процессами,
упрощение ремонта установки за счет замены отдельных вышедших из строя модулей вместо ремонта целого агрегата.

повышение срока службы палладиевой мембраны за счет исключения сажеобразования и влияния окислителей,
создание экологически чистого производства за счет утилизации продуктов проводимых процессов.

Формула изобретения

1. Способ получения особо чистого водорода, включающий сероочистку природного газа, смешение очищенного природного газа с водяным паром, конверсию полученной парогазовой смеси при температуре конверсии углеводородов, конверсию оксида углерода в диоксид углерода, выделение из газовой смеси диоксида углерода и воды и диффузию водорода через палладиевую мембрану, отличающийся тем, что конверсию парогазовой смеси и конверсию оксида углерода ведут при давлении 0,105 0,110 МПа, конверсию парогазовой смеси ведут при объемном соотношении природного газа и водяного пара 1 1,75 1 2,1, конверсию оксида углерода ведут при 370 470^oК, выделение диоксида углерода и воды из газовой смеси ведут сжатием ее до давления 1 5 МПа с последующим ступенчатым отделением воды и пищевого диоксида углерода вымораживанием, диффузию водорода осуществляют при температуре палладиевой мембраны 773 900^oК.

2. Установка для получения особо чистого водорода, включающая блок сероочистки, смеситель, реактор конверсии природного газа, конвертор оксида углерода, блок выделения воды и диоксида углерода и диффузионный аппарат, отличающаяся тем, что она снабжена компрессором, установленным после конвертора оксида углерода, а блок выделения воды и диоксида углерода выполнен в виде низкотемпературного отделителя жидкости и холодильной машины для вымораживания диоксида углерода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2