La producción de hidrógeno


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medios técnicos e industriales de producción de hidrógeno.

Palabras clave: generación de hidrógeno, la industria, la electrólisis, pirólisis, de reformado, catalizadores metálicos, los costos, condiciones de explotación.

Introducción

Muy de moda ahora, y se considera tal vez erróneamente, como una solución de energía para las generaciones futuras, de hidrógeno, sin embargo no se encuentra en estado nativo en la Tierra.

Hay, por tanto, puede no serán considerados como una fuente de energía (A diferencia de la energía fósil o renovable), sino simplemente un portador de energía, Es decir, una manera de transportar o transferir energía. Por desgracia, las limitaciones relacionadas con el uso de la energía del hidrógeno son numerosos, por lo que los combustibles líquidos derivados del petróleo todavía tienen muchos años por delante de ellos.

Pero además de estas consideraciones, el uso del hidrógeno, vamos a llegar al tema de este artículo. En efecto, puesto que el hidrógeno no existe en forma natural en la tierra, era necesario (y sobre todo se) desarrollar éconologiquement métodos de producción rentables. He aquí un resumen de los métodos actuales.

Para obtener más información, actualmente la energía de hidrógeno (además de los vehículos de pila de combustible marginales que se ejecutan en H2 pura) se utiliza solamente en un área: el lanzamiento al espacio.

1) materias primas

Principalmente hidrocarburos (gas natural) y agua.

2) de fabricación industrial.

principio de reducción H2O:
a) hidrocarburos, principalmente gas natural
b) la electrólisis,
c) de carbono.

3) reformado de gas natural: principal fuente de dihidrógeno.

Desde 1970, reformado de nafta se sustituye generalmente por gas natural.

a) Principio

El gas de síntesis es producido por reformado con vapor, en 800 - 900 ° C y 3,3 MPa, en presencia de catalizador de óxido de níquel sobre alúmina impregnada con anillos a 10 16% en masa de Ni (duración de 8 10 vida a años) y de acuerdo con la reacción:

CH4 + H2O <====> CO + 3 H2 calor de reacción a 298 206,1 + K = kJ / mol

La reacción, altamente endotérmica, requiere un suministro continuo de energía. La mezcla de gases fluye a través de tubos calentados externamente, que contiene el catalizador. Del orden de diez a unos pocos cientos de tubos (hasta 500 10 11) de cm de diámetro y m de largo se colocan en un horno. Después de la reforma, el gas de síntesis contiene al 5 11% en volumen de metano sin reaccionar.

El catalizador es muy sensible a la presencia de azufre para dar NiS: menos de átomo de S 1 1000 a átomo de Ni es suficiente para envenenar el catalizador. El gas natural debe ser desulfurado dentro 0,1 ppm S.

Después de prédésulfuration obtenido por hidrogenación catalítica seguido de absorción en una solución acuosa de dietanolamina (ver la Lacq gas de procesamiento en el capítulo de azufre), un nuevo hidrogenación realiza para 350 - 400 ° C permite, en presencia de catalizadores de molibdeno -matas de cobalto o molibdeno y níquel, se transforman todos los compuestos de azufre en sulfuro de hidrógeno. El sulfuro de hidrógeno se fija a 380 - 400 ° C en óxido de zinc de acuerdo con la reacción:

H2S + ZnO ---> ZnS + H2O

b) El uso del gas de síntesis para producir amoniaco (sin recuperación de CO):

Se proporciona un secundario de reformado mediante la adición de aire en una cantidad tal que el contenido se diazota con H2, en las proporciones estequiométricas de la reacción de formación NH3. Aire oxida el restante O2 CH4. El catalizador se basa en óxido de níquel.

a continuación, se convierte en gas de síntesis CO, por la conversión, con una producción adicional CO2 H2 en pasos 2. Por lo tanto, un gas que contiene 70% de H2.

CO + H2O <====> CO2 + H2 Altura de manilla ° = 298 - 41 kJ / mol

- Para 320 - 370 ° C con un catalizador a base de óxido de hierro (Fe3O4) y óxido de cromo (Cr2O3) con la adición de metal a base de cobre. El catalizador está en forma de gránulos obtenidos a partir de óxidos en polvo o espinelas su vida a año 4 10 y mayores. Para la 2 3% en volumen de CO residual se convierten en un segundo paso,

- Para 205 - 240 ° C con un catalizador a base de óxido de cobre (15 30 en% en masa) y óxidos de cromo y zinc sobre alúmina, la vida al año 1 5. Después de la conversión: CO residual de aproximadamente 0,2% en volumen.

- CO2 se elimina por disolución en una solución de aminas bar 35 o en una solución de carbonato de potasio. Por la expansión a la presión atmosférica, CO2 se libera, y la solución reciclada.

- El hidrógeno se utiliza luego para sintetizar amoníaco

c) El uso de gas de síntesis con la recuperación de CO y H2.

La reforma es una fuente de materia prima interesante de CO para la fabricación de ácido acético, ácido fórmico, ácido acrílico, fosgeno y isocianatos.

Después de la eliminación de dióxido de carbono y el secado, dihidrógeno y monóxido de carbono se separan. Air Liquide utiliza dos procesos criogénicos:

- Por refrigeración en los intercambiadores y la condensación de CO: CO tiene una pureza de 97-98% y H2 contiene al 2 5% CO.

- Mediante el enfriamiento por lavado con metano líquido: CO tiene una pureza de 98-99% y H2 sólo contiene unas pocas ppm CO.

Por ejemplo, la unidad de ácido acético de Rhône-Poulenc en Pardies (64) (14 800 m3 / h de CO y 32 290 m3 / h H2) adquisición por parte de Acetex (Canadá) y el 1995 de fosgeno SNPE Toulouse utilizando estos métodos.

d) Obtención de alta pureza H2

Aplicaciones tales como la electrónica, procesamiento de alimentos, dihidrógeno de propulsión espacial requieren muy alta pureza. Este se purifica por adsorción de las impurezas sobre carbono activado (proceso PSA). La pureza obtenida puede ser mayor que 99,9999%.

4) Electrólisis

- NaCl: H2 co (28 kg por tonelada de H2 Cl2) da 3% del mundo H2. En Europa, más de la mitad de dihidrógeno distribuido por los productores de gas industriales de esta fuente.

- De H2O: Actualmente no rentable. La rentabilidad está vinculada a la costo de la electricidad, el consumo de aproximadamente 4,5 kWh / m3 H2. capacidad instalada global o 33 000 m3 de H2 / h, dan sobre 1% de la H2 mundo.

La electrólisis se lleva a cabo utilizando una solución acuosa de KOH (de 25 a 40% de concentración), utilizando el agua más pura disponible (filtración de carbón activado y la desmineralización total mediante resinas de intercambio iónico). La resistividad debe ser mayor que 2 104 W.cm. El cátodo es de acero suave activa mediante la formación de un depósito de superficie basado en Ni. El ánodo es níquel plateado o de níquel sólido. El diafragma más utilizado es el amianto (crisotilo). La tensión es entre 1,8 2,2 y V. La potencia puede alcanzar mediante electrolizador de 2,2 2,5 MW.

5) pirólisis de carbón contiene aproximadamente 5% de H2.

La producción de coque (por desvolatilización del carbón, 1100 1400-° C) da un gas 60% H2 - 25% CH4 (1 toneladas de carbón da 300 de gas m3). Dado que el uso de gas natural para producir H2, coque de horno de gas se quema y se recupera energía liberada (ver Capítulo gas natural).

6) La gasificación del carbón

principal fuente de H2 antes del uso del gas natural. Ya no se utiliza ahora a excepción de África del Sur (Sasol) produciendo de este modo gas de síntesis para la fabricación de combustible sintético. Esta técnica no es rentable actualmente a excepción de algunas unidades de producción: NH3 (Japón), metanol (Alemania), anhídrido acético (Estados Unidos, por Eastman Kodak).

- Principio: formación de gas de agua o gas de síntesis, en 1000 ° C.

C + H2O <====> CO + H2
entalpía de reacción 298 ° K = + 131 kJ / mol

reacción endotérmica que requiere un O2 de soplado para mantener la temperatura de combustión de carbono. La composición del gas: 50% H2 - 40% de CO.

Mejorar la producción de H2 por la conversión de CO, véase más arriba.

- Técnica utilizada: gasificadores de gasificación (Lurgi).



En el futuro, la gasificación subterránea podría ser utilizado.

7) Otras fuentes

- La reforma y el craqueo catalítico de productos derivados del petróleo.

- Craqueo a vapor de nafta (producción de etileno).

- Subproducto de la fabricación de estireno (Atochem, Dow): fuente principal.

- Cracking metanol (proceso Paroisse Grande) utilizado en Kourou, en la Guayana francesa, por Air Liquide para producir hidrógeno líquido (10 millones de litros / año) durante los vuelos Ariane.

- La oxidación parcial de fracciones de petróleo (procesos Shell y Texaco).

- El gas de purga en unidades de producción de amoníaco.

- Microorganismos de reacciones bioquímicas. Por ejemplo, con micro-algas: los rendimientos Chlamydomonas son todavía bastante bajo, pero la investigación actual es prometedora. Más información, Haga clic aquí. Pero cuidado: los cambios genéticos en organismos en la base de la cadena alimentaria oceánica no están exentos de riesgos ...


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