CC BY
8УДК 620.9.001.12
ВИХРЕВОЙ МЕМБРАННЫЙ АППАРАТ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ГАЗОВ
1 12 О.С. Макушева , А.В. Дмитриев , Н.А. Николаев
1Нижнекамский химико-технологический институт 423570 Республика Татарстан, г. Нижнекамск, пр. Строителей, д. 47 Тел.: 89046631696 (А.В. Дмитриев), e-mail: [email protected] 2Казанский государственный технологический университет, 420000 Республика Татарстан, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 68 Тел.: (843) 236-33-59
Заключение Совета рецензентов 12.07.09 Заключение Совета экспертов 16.07.09 Принято к публикации 26.07.09
В статье представлено современное состояние проблемы разделения водородсодержащих газов. Предложен вихревой мембранный аппарат для разделения этих газов, рассмотрен принцип действия данного аппарата.
MEMBRANE VORTEX DEVICE FOR THE SEPARATION OF HYDRIC GASES O.S. Makusheva1, A.V. Dmitriev1, N.A. Nikolaev2
'Nizhnekamsk Chemical-technological Institute 47 Stroiteley av., Nizhnekamsk, Tatarstan, Russia, 423570 Tel.: 89046631696 (A.V. Dmitriev), e-mail: [email protected] 2Kazan State Technological University, 68 K.Marks str., Kazan, Tatarstan, Russia, 420000 Tel.: (843) 236-33-59
Referred: 12.07.09 Expertise: 16.07.09 Accepted: 26.07.09
The current situation of the problem of hydric gases separation is described in the present article. For the purpose of hydric gases separation a membrane vortex device is suggested and the principle of its operation is covered.
Ведущую роль в научно-технологическом перевороте первой половины XXI века сыграет глобальная энергетическая революция - переход от преобладания истощающегося, загрязняющего окружающую среду ископаемого топлива к возобновляемым, экологически чистым источникам энергии. Ключевое место в глобальной энергетической революции займет водородная энергетика [1].
Водород, являясь экологически чистым топливом, сочетает в себе такие качества, как возобнов-ляемость, доступность, обладает такими уникальными характеристиками, как наивысшая теплота сгорания на единицу массы, высокая температура сгорания и реакционная способность, широкий диапазон воспламенения. Он по праву считается универсальным энергоносителем. Научный и практический интерес перехода к водородной энергетике связан с тем, что запасы легкоперерабатываемого топлива -нефти и газа ограничены и невозобновляемы. По данным [2], уже к 2030 г. мировая экономика начнет испытывать существенный дефицит нефти и газа.
-ВЯ-
В настоящее время водород нашел широкое применение в химической, нефтехимической и другой промышленности, металлургии, автомобильном и авиационном транспорте. Известно несколько способов получения водорода. Большинство современных процессов получения водорода основано на конверсии природного газа, газификации угля и жидких топлив.
В процессах конверсии углеводородных топлив в качестве основного сырья и реагентов используется природный газ, состоящий в основном из метана, сухих газов нефтепереработки, бензина и водяного пара.
Технология процессов конверсии и газификации давно используется в промышленности. Однако в таких процессах наряду с водородом получаются побочные газы, такие как окись и двуокись углерода, оксиды азота, соли тяжелых металлов и другие вещества, отрицательно воздействующие на окружающую среду. Например, при самом эффективном, с точки зрения получения водорода, методе BASF полученный газ содержит следующие компоненты
Статья поступила в редакцию 22.06.2009. Ред. рег. № 489
The article has entered in publishing office 22.06.2009. Ed. reg. No 489
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 8 (76) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Энергоэффективные способы и устройства разделения и очистки агрессивных газовых смесей
(об. %): водород - 59; окись углерода - 28,1; двуокись углерода - 12; азот - 0,7; метан - 0,2 [3].
По действующим схемам выделения водорода существует ряд трудностей, связанных с отделением целевого продукта от побочных газов. Традиционно это осуществляется в узлах абсорбционной очистки, однако большие объемы конвертированного газа и высокие температуры процесса существенно увеличивают капитальные и текущие затраты, что существенно повышает конечную стоимость произведенного товарного водорода. Эти факторы обуславливают необходимость перехода к использованию устройств, способных отделять водород от других газов без использования дорогостоящих химических процессов (абсорбция, адсорбция, десорбция) и компрессорных и вакуумных машин [3].
В данной работе для эффективного разделения водородсодержащих газов предложен вихревой мембранный аппарат, который обладает большой пропускной способностью при малом гидравлическом сопротивлении, позволяет разделять многокомпонентные газовые смеси за счет избирательной проницаемости мембран. Схема предложенного аппарата представлена на рисунке [4].
Вихревой мембранный аппарат для разделения водородсодержащих газов: 1 - корпус; 2 - патрубок ввода водородсодержащей смеси; 3 - направляющее устройство; 4 - стакан; 5 - палладиевая мембрана; 6 - патрубок вывода газа; 7 - патрубок вывода водорода Membrane vortex device for the separation of hydric gases: 1 - frame; 2 - hydric mixture input socket; 3 - guiding device;
4 - cup; 5 - palladium membrane; 6 - gas output socket;
7 - hydrogen output socket
Поток водородсодержащего газа подается в аппарат через патрубок 2, расположенный тангенциально к корпусу, приобретает поступательно-вращательное движение и проходит над поверхностью мембраны 5. Отличие вихревого течения газов в том, что на периферии аппарата создается избыточное давление (которое тем выше, чем выше степень крутки потока), а в центре - разрежение. Таким образом, за счет вихревого течения газа создается существенная движущая сила процесса разделения. Конструктивная особенность аппарата в том, что мембрана выполне-
на в виде тонкого слоя палладия, нанесенного на стакан из пористого термостойкого материала. Преимущество палладия в том, что через его кристаллическую решетку диффундируют только атомы водорода, а конструкция, состоящая из тонкого слоя палладия и основы из пористого материала, обеспечит механическую прочность мембраны при высокой пропускной способности. Для поддержания крутки потока внутренняя поверхность стакана выполнена спиральной с определенным шагом. Шаг спирали совпадает с шагом шнекового направляющего устройства 3. Такое сочетание позволяет увеличить длину пути газа над поверхностью мембраны, увеличить рабочую площадь мембраны, время пребывания газа в аппарате, способствует созданию избыточного давления над мембраной. Все это в конечном счете приведет к увеличению эффективности процесса мембранного отделения водорода от других газов.
Предложенный вихревой мембранный аппарат для выделения водорода может быть использован в химической, нефтехимической промышленности и энергетике. Процесс мембранного разделения газов является намного более эффективным, получение целевого продукта из газовой смеси достигается за счет селективной проницаемости специальных тонких пленок - мембран.
Таким образом, применение вихревого мембранного аппарата позволит уменьшить расход энергозатрат, обеспечит наиболее полное выделение водорода из газов. Все это делает аппарат более перспективным для использования на практике, так как он обладает лучшими экономическими и экологическими показателями.
Список литературы
1. Кузык Б.Н., Яковец Ю.В. Россия: стратегия перехода к водородной энергетике. М.: Институт экономических стратегий, 2007.
2. Golsov V.A., Veziroglu T.N., Goltsova L.F. Fundamentals of novel IAHE conception of hydrogen civilization of future // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2006. № 5. P. 42-53.
3. Калимуллин И. Р., Дмитриев А. В., Николаев Н.А. Производство и применение водорода. Казань: ЗАО «Новое знание», 2008.
4. Пат. 78690 Российская Федерация, МПК7 В01/0 61/00. Вихревое устройство для выделения водорода / Калимуллин И.Р., Латыпов Д.Н., Дмитриев А.В. // № 2008107902; заявл. 28.02.08; опубл. 10.12.2008 // БИ № 34.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 8 (76) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
