РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 519.876.5:661.931

Микитова К.К., Василенко В.А., Кольцова Э.М.

РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОЛИЗА

Микитова Карина Казбековна - студент 2 курса магистратуры кафедры информационных компьютерных технологий

Василенко Виолетта Анатольевна - к.т.н., доцент кафедры информационных компьютерных технологий Кольцова Элеонора Моисеевна - д.т.н., заведующий кафедрой информационных компьютерных технологий ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская пл., д. 9.

Проведены работы по разработке компьютерной модели технологической схемы получения водорода методом щелочного электролиза. Разработка велась с помощью пакета для математического моделирования и оптимизации процессов химической промышленности Aspen Plus компании AspenTech. Ключевые слова: водород, энергетика, компьютерное моделирование, щелочной электролиз.

DEVELOPMENT OF TECHNOLOGICAL SCHEME COMPUTER MODEL FOR HYDROGEN PRODUCTION BY ELECTROLYSIS METHOD

Mikitova K.K., Vasilenko V.A., Koltsova E.M.

D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow

The work has been carried out on the development of a computer model of the technological scheme for hydrogen production by alkaline electrolysis. The development was carried out using the Aspen Plus software for mathematical modeling and optimization of chemical industry processes by AspenTech. Keywords: hydrogen, energy, computer modeling, alkaline electrolysis.

В настоящее время актуальной задачей в развитии энергетики является реализация альтернативных производств, основанных на использовании возобновляемых энергоносителей, в частности на основе водорода. Для производства водорода используются различные методы, широкое распространение получили следующие способы промышленного получения водорода: паровой риформинг, пиролиз метана и электролиз [1]. Электролиз воды - наиболее распространенный способ производства водорода. В зависимости от применяемого электролита, условий эксплуатации и участвующих ионных агентов выделяют следующие методы электролиза воды: водно-щелочной электролиз, электролиз воды в аппаратах с твердополимерным электролитом, электролиз воды в высокотемпературных твердооксидных

электролизерах [2]. Водно-щелочной электролиз является основным процессом получения водорода разложением воды. В качестве электролита в водно-щелочном электролизере применяются водные растворы гидроксидов щелочных металлов калия или натрия. Концентрация электролита в растворе, как правило, составляет до 40% масс., рабочая температура от 30°С до 90°С. В качестве электродов используют стальные сетки, покрытые в основном слоем пористого никеля. Асбестовая диафрагма / мембрана разделяет катодное и анодное пространство. Разложение воды в общем случае может быть записано реакцией (1):

2Н2О ^ 2Н2 + О2. (1)

На катоде происходит выделение водорода, на аноде - кислорода.

Электролизные установки оснащены насосами для циркуляции воды/электролита, что обеспечивает охлаждение электролизной батареи. В случае применения высокотемпературных электролизеров в состав установки входит также испаритель воды.

Достоинством данного типа электролизеров является относительно низкая стоимость электродных и мембранных материалов, отработанная технология их производства и эксплуатации. Однако получаемый водород содержит примеси (кислород, водяной пар со щелочью), поэтому необходима его дальнейшая очистка.

Выделяют следующие основные

технологические блоки производства водорода методом электролиза:

- блок водоподготовки;

- блок разложения воды методом электролиза;

- блок сепарации водорода;

- блок очистки водорода;

- блок сепарации кислорода.

Электрохимическая модель щелочного электролизера воды приведена в [2, 3]. Напряжение в ячейке электролизера отличается от его равновесного значения. Напряжение ячейки VceU можно определить как сумму равновесного значения Е, перенапряжения катодной (выделение водорода) Цcat и анодной (выделение кислорода) Цст реакций, омического перенапряжения Ж, связанные с сопротивлением электролита и электронных проводников при прохождении тока, и концентрационных перенапряжений.

Концентрационные перенапряжения возникают при очень высоких значениях плотностей тока,

превышающих обычный диапазон работы

электролизера, поэтому ими можно пренебречь.

Уравнение для определения напряжения ячейки электролизера имеет вид (2):

Усв11 = Е + Пса( + Пап +1Я (2) где УевИ - напряжение ячейки электролизера, В; Е - равновесное значение разности потенциалов реакции (!) при стандартных условиях, В; Цеаь Пап - активационное перенапряжение катодной и анодной реакции соответственно, В;

I- сила тока, А;

Я - сопротивление электролита и проводников, Ом.

Для корректного моделирования необходимо учитывать влияние температуры на активационные и омические перенапряжения. Для расчетов используется выражение для определения напряжения ячейки электролизера, предложенное автором [4]:

'1 + f + f2 i +1

. (3)

усв11 = Е + (п + Г2Т)' + 5 •

где Т- температура, К; I - плотность тока, А/м2;

п, Г2 - эмпирические параметры, характеризующие сопротивление электролита и проводников, (п, Ом м2), (Г2, Ом м2/К);

5 - эмпирический коэффициент, характеризующий перенапряжение на электродах, В; (1, t2, (з - эмпирические коэффициенты, характеризующий перенапряжение на электродах, ((1, м2/А), ((2, К-м2/А), рз, К2-м2/А).

Мощность, потребляемая электролизером, определяется соотношением (4):

* = УсвП • N • I. (4) где - потребляемая мощность, Вт; N - количество ячеек в батарее. Молярный поток производимого водорода определяется формулой (5):

(H 2 ) = -

W

(5)

Vcell •z •F где n - молярный поток, моль/с; z - число электронов; F - постоянная Фарадея, Кл/моль. Технологическая схема получения водорода методом электролиза, смоделированная без учета блока водоподготовки в пакете Aspen Plus, представлена на рисунке 1. Разработка компьютерной модели проводилась аналогично в работе [3].

Входящий водный поток для разложения (поток R-INLET) поступает в электролизер. На схеме представлен в виде блока STACK. Так как в библиотеке оборудования пакета Aspen Plus отсутствует такой аппарат, как электролизер, то по аналогии с [5] он реализован в виде комбинации 2-х аппаратов: реактора конверсии, в котором протекает реакция электролиза воды (1) при температуре 70°С и аппарата для гипотетического разделения смеси газов водорода и кислорода (потоки H2-STACK и O2-STACK).

Рис. 1 Компьютерная модель получения водорода методом электролиза

Полученные водород (поток H2-STACK) и кислород (поток O2-STACK), направляются в сепараторы для отделения оставшейся воды (SEP-H2 и SEP-O2). Далее отделенный электролит с целью ресурсосбережения возвращается обратно в систему водоподготовки (на схеме рисунка 1 не отображено) рециркуляционными насосами (PUMP-R1 и PUMP-R2). Водород и кислород, отделенные в аппаратах для двухфазного разделения, проходят через водоотделители (TRAP-H2 и TRAP-O2) для удаления максимального количества конденсата.

В таблице 1 приведены значения входных параметров, используемых при моделировании процесса щелочного электролиза.

Таблица 1. Значения параметров, используемых при расчетах процесса электролиза.

Наименование параметра Обозначение, размерность Значение

Равновесное значение

разности потенциалов реакции (1) при Е, В 1,23

стандартных условиях

Температура t, °С 70

эмпирический параметр, [2] ri, Ом-м2 4,45-10"5

эмпирический параметр, [2] Г2, Ом-м2/ °С 6,89-10"9

эмпирический параметр, [2] 5, В 0,34

эмпирический параметр, [2] ti, м2/А -0,015

эмпирический параметр, [2] t2, м2-°с/а 2

эмпирический параметр, [2] t3, м2-°С2/А 15,24

Количество ячеек [3] N 12

В таблице 2 приведены результаты моделирования для потоков.

Для моделирования реального производства с требуемыми значениями выхода по водороду необходимо провести масштабирование мощностей использованного оборудования, провести моделирование блока водоподготовки, оптимизацию технологической схемы с целью ресурсо- и энергосбережения.

Таблица 2. Результаты компьютерного

моделирования.

Наименование Температура, Давление, Массовый

потока °С МПа поток,

кг/ч

R-INLET 70 0,70 900

H2-STACK 73 0,67 449,37

O2-STACK 73 0,67 450,63

H2-PROD 73 0,67 0,23

H2-OUT 25 0,67 0,19

PURG-1 25 0,67 0,04

O2-PROD 73 0,67 1,44

O2-OUT 25 6,7 1,42

PURG-2 25 0,67 0,02

Список литературы

1. Кодряну Н.П., Ишмурзин А.А., Дауди Д.И., Насиров И.Р., Черных С.П. Теоретическая основа и практический анализ технологий для водородной стратегии Российской Федерации // газовая промышленность. — 2022. — № 1 (827). — С. 56-70.

2. Григорьев С.А., Порембский В.И., Фатеев В.Н., Самсонов Р.О., Козлов С.И. Получение водорода электролизом воды: современное состояние, проблемы и перспективы // Транспорт на альтернативном топливе. — 2008. — № 3. — С. 6269.

3. Sanchez M., Amores E., Abad D., Rodriguez L., Clemente-Jul C. Aspen Plus model of an alkaline electrolysis system for hydrogen production // International journal of hydrogen energy. — 2020. — № 45. — С. 3916-3929.

4. Ulleberg 0. Modeling of advanced alkaline electrolyzers: a system simulation approach // International journal of hydrogen energy. — 2003. — № 28. — С. 21-33.

5. Koh J.H., Yoon D.J., Oh C.H. Simple electrolyzer model development for high-temperature electrolysis system analysis using solid oxide electrolysis cell // Journal of Nuclear Science and technology. — 2010. — Т. 7. — № 7. — С. 599-607.