Разработка конструкции микрореакторной установки для получения водорода из водно-спиртовой смесиПрезентация

Актуальность
*Приведенная стоимость электроэнергии в США, по оценке Lazard
$ за МВт
Сравнение стоимости различных энергоресурсов (за КВт)
На графиках можно наблюдать, что стоимость электроэнергии, получаемой из био-водородных топливных элементов по данным на 2018 год сопоставимо со стоимостью классических источников энергии, например атомных и ископаемых.

Актуальность
2020
2040 - 2050
Стоимость производства водорода ($ за КВт)
2030
Снижение стоимости производства водорода, включая изменение стоимости сырья для производства
Прогноз снижения стоимости водорода
*Оценка проведена IRENA – институтом исследования возобновляемых источников энергии
Топливные ячейки (fuel cells) – одни из самых главных, и самых инновационных генераторов энергии из водорода.
Основной потребитель таких элементов – автомобильная промышленность

топ-менеджеров глобальной автомобильной индустрии, опрошенных KPMG в 2017 году, полагают, что такие автомобили станут прорывом в секторе электромобилей, отодвинув на второй план аккумуляторные машины.
78%
Автомобили на водородных топливных элементах уже выпустили на рынок Honda, Toyota, Hyundai и ряд китайских компаний. К 2050 году доля автомобилей работающих на водородных ТЭ по прогнозам составит
25%

Рынок водорода
20
50
Государств
Корпораций
Приняли долгосрочные программы развития водородных технологий, поддержанных льготами, финансированием из бюджетов разных уровней и международной технологической кооперацией.
В лидерах – Япония, поставившая целью строительство «общества, основанного на водороде»

Микрореактор
Проблемы производства и их решение
H2
Активность
За счет того что реакционный объем установки очень мал и изолирован не возникает опасности крупных аварий
Сложность транспортировки
Производство водорода вблизи мест его целевого использования позволяет избежать необходимости транспортировки на дальние расстояния
Дороговизна
Производство водорода на микрореакторных элементах значительно удешевлется за счет высокой эффективности процесса.
Сложность хранения
За счет производства водорода в микроустановках непосредственно по месту потребления, не возникает необходимости его длительного хранения

Почему именно этанол?
ЭКСПО-Омск 2019
Простота получения
Этанол является легкодоступным сырьем вследствие того, что его можно получать широкоизвестными и общедоступными методами практически из любого органического сырья
Экологическая чистота
Этанол – экологически чистое сырье, поэтому даже в случае аварии или утечки не возникнет значительных экологических последствий
Отсутствие вредных побочных веществ
Все реакции синтеза водорода из этанола не предполагают выброса в атмосферу тяжелых экологических загрязнителей. Основными продуктами всех реакция являются водород, вода и углекислый газ
Этанол (C2H5OH) – один из наиболее перспективных видов сырья для получения водорода каталитическими способами
8

Цель
Разработать методологию синтеза водорода из этанола
Провести обзор технологий синтеза водорода из этанола и выбрать целевую реакцию
Подобрать катализатор процесса
Разработать схему установки
Определить конструкционное оформление микрореактора
Разработать САУ ходом реакции
Разработать первичные модели
Задачи

Паровой риформинг
Существующие технологии
Высочайшая селективность
Простота контроля
Высокая температура
Экзотермическая
Низкая температура
Эндотермическая
Низкая селективность
Автотермическая
Простота контроля
Высокая селективность
Парциальное окисление
Автотермический риформинг
Пиролиз
Электролиз
Фотохимическое разложение
Биосинтез
Высочайшая селективность
Высочайшая температура ~1600
Крайне энергозатратна
Минимум энергозатрат
Низкая скорость реакции
Высочайшая селективность
Крайне энергозатратна
Минимум энергозатрат
Малоизучена
Низкая селективность
Некаталитические малоэффективные технологии
Каталитические эффективные технологии

Выбор технологии
Выбирая наиболее предпочтительную каталитическую реакцию для проведения ее в микрореакторе рассмотрим энергоэффективность каждой реакции в пересчете на 1 моль этанола
1 моль
C2H5OH
n моль
H2
m кДж в
PEM
Катализатор
Оптимальный состав катализатора 10Ni/Ce0,8La0,2O1,9, в присутствие которого достигаются следующие показатели:
100%
300°С
60%
Конверсия этанола
Температура в зоне реакции
Селективность по водороду

Схема установки
ч
Водород-селективная мембрана является наиболее оптимальным методом сепарации продуктового водорода от побочных продуктов реакции
Миканитовый нагреватель обладает достаточно высокой удельной мощностью и точностью для контроля поля температур
Микрореактор является ключевым звеном системы. Его конструкционное исполнении будет показано далее
Микротеплообменник позволит использовать тепло, отходящее из системы вместе с продуктами реакции для предварительного нагрева сырья в целях обеспечения максимальной энергоэффективности процесса
Микросмеситель является главным звеном управления. Контроль температуры в зоне реакции осуществляется за счет управления количеством воздуха, подаваемого в микрореактор.

Первичные математические модели
MPC-контроллер
Математическая модель
Термодинамическая модель
Модель ВС-мембраны
Кинетика реакции, мат. баланс
Распределение компонентов
Мат. баланс
Профиль мембраны
Толщина мембраны
Динамика теплового баланса

Конструкция микрореактора
l – длина каналов
S – площадь сечения
n – количество каналов
Конструкция
Условия процесса
Гидродинамика
11 цилиндрических каналов с площадью поперечного сечения равной 27 мм2, и длиной канала равной 100 мм. Таким образом мы получим оптимальный микрореактор, длина которого будет составлять около 10 см, а ширина, с учетом перегородок между каналами – 60-70 мм.
Результат
Расчет

Система автоматического управления установкой
Управление с прогнозирующими моделями — один из современных методов теории управления, использующийся в основном в управлении производственными процессами.
Объектом управления в данном случае являются динамические модели процесса внутри контроллера
Данные для модели в виде сигналов с трех основных типов датчиков подаются в ПЛК, который, после цифро-аналоговых преобразований подает их в модель внутри контроллера

Заключение
На основании проделанной работы можно сделать несколько выводов:
Технология АТР водно-спиртовой смеси является высокоэффективным и перспективным способом получения чистого водорода из био-сырья, для дальнейшего использования его в топливных элементах как источника дешевой и экологически чистой энергии.
Микрореакторы являются перспективной технологией химического синтеза веществ с высокой степенью чистоты.
Технология автоматического управления на базе совместного использования МРС-контроллера и высокоточных моделей реакции позволяет обеспечить качественное автоматическое управление технологическим процессом.