Устройство для извлечения водорода из жидкого органического носителя Российский патент 2024 года по МПК C01B3/02 C01B3/22 C01B3/26 C07C5/333 

Область применения

Изобретение относится к области производства экологически чистых источников энергии, позволяющих вырабатывать электроэнергию в электрохимическом генераторе на водородных топливных элементах в водородной энергетике, может использоваться для генераторов водорода для промышленных производств, для стационарных, автономных и мобильных энергетических установках.

Уровень техники

Известен Способ выделения водорода из водородсодержащих газовых смесей методом контактирования их с твердым материалом, где водород связывают взаимодействием водородсодержащих газовых смесей с ароматическими углеводородами на твердом катализаторе гидрирования, содержащем металл (ы) VIII группы, после чего продукты гидрирования разделяют и связанный водород в виде циклогексановых углеводородов направляют далее в зону каталитического дегидрирования, продукты дегидрирования разделяют на чистый водород, который выводят из процесса в качестве конечного продукта, а ароматические углеводороды возвращают в зону гидрирования на смешение с исходной водородсодержащей газовой смесью по патенту RU2160700 (С01В 3/38, публ.20.12.2000).

Известен Способ извлечения водорода из газовых смесей нефтепереработки, включающий пропускание исходной смеси через активированный поглотитель с образованием гидрогенизированного соединения и последующее его термическое разложение с выделением водорода, где с целью увеличения степени извлечения и удешевления процесса за счет увеличения емкости поглотителя по водороду, в качестве ароматического углеводорода используют толуол или толуол-метилциклогексановую фракцию, а в качестве активаторов - никелевый или алюмоплатиновый катализатор по патенту SU1798296 (C01B3/34, публ. 28.02.1993).

Известен патент Системы подачи водорода и способа подачи водорода, включающий получение водорода из углеводорода и подача полученного водорода.

Паровой риформинг является одним из возможных процессов, при осуществлении которого получают водород и монооксид углерода по реакции между паром и углеводородами, такими как природный газ и нефть, при высокой температуре в присутствии катализатора. Полученный водород превращают в гидрированное ароматическое соединение (органический гидрид), которое находится в жидкой форме при нормальной температуре, так что транспортирование полученного водорода облегчается. Поскольку гидрированное ароматическое соединение легко высвобождает водород при реакции дегидрирования, то водород может быть подан потребителю, патент RU2667550, E21B 43/00, публ.21.09.2018.

Недостатками выше приведенных систем является увеличенные размеры установок дегидрирования в связи с наличием аппаратов для предварительного процесса гидрирования углеводородов и возможного загрязнения водорода и очистка от оксида углерода.

Дегидрирование – химический процесс, в основе которого лежит реакция отщепления водорода от органического соединения. Наиболее распространенными в промышленности процессами являются дегидрирование спиртов, алкилароматических соединений и парафинов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является метод выделения водорода из жидкого органического носителя LOHC (Liquid Organic Hydrogen Carrier).

Технология хранения водорода с использованием жидкого органического носителя (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC) обеспечивает эффективное альтернативное решение задачи хранения и транспортировки водорода за счет химического связывания. Существенный плюс такого подхода состоит в том, что даже в насыщенном водородом состоянии LOHC остается стабильной негорючей жидкостью и может храниться при давлении и температуре окружающей среды. Эта технология устраняет необходимость работы при экстремальных давлениях и температурах, делает весь процесс намного более безопасным и практичным. Появляется возможность использовать традиционные топливно-распределительные сети. Жидкий носитель пригоден для многократного использования, стабилен как в ненасыщенном, так и насыщенном состоянии и может длительное время храниться при нормальных условиях без каких-либо потерь энергии.

А в целом технология LOHC удобна, безопасна и способна обеспечить емкость хранения водорода в промышленных масштабах.

Известен Жидкий органический носитель водорода, способ его получения и водородный цикл на его основе (патент №2699629, C01B 3/26, публ. 06.09.2019), где водородный цикл жидкого органического носителя водорода, включающий связывание водорода при температурах 60-160°С и его высвобождение при температурах 320-350°С из жидкого органического носителя водорода в каталитических процессах гидрирования-дегидрирования.

Известна «Реакторная установка для дегидрирования несущей среды» (Reactor apparatus for dehydrogenating a carrier medium), US Patent US10,350,566 (Reactor apparatus for dehydrogenating a carrier medium)

Реакторное устройство представляет собой кожухотрубный реактор с распределительным устройством, которое имеет предварительное пространство, соединенное трубопроводом с резервуаром несущей среды - жидким носителем, насыщенным водородом, фактически LOHC+.

Жидкий носитель, насыщенный водородом из резервуара с LOHC+ через трубопровод, поступает в предварительное пространство и оттуда через капиллярные соединительные отверстия подается в реакционные трубки.

Из второго подпространства жидкий носитель под действием силы тяжести автоматически выходит через выпускной трубопровод, который соединен с резервуаром для хранения обедненного LOHC-.

В промежуточное пространство, образованное реакционными трубками, подается теплоноситель противотоком жидкому носителю водорода.

Недостатком известного устройства является возможный нежелательный выброс жидкого носителя из реакционных трубок в распределительное пространство, а также необходимость прокачки теплоносителя через реактор.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является установка для дегидрирования входящая в состав исследовательского комплекса, разработанного компанией Bronkhorst®, для оптимизации процессов гидрирования/дегидрирования LOHC (https://www.massflow.ru/solutions/tehnologii-hraneniya-vodoroda-v-jidkom-organicheskom-nositele/), которая может быть выбрана в качестве прототипа.

Установка дегидрирования состоит из следующих блоков и узлов: резервуара с жидким органическим носителем, насыщенным водородом, далее LOHC+, (Резервуар с Н₂); насоса с электроприводом, предназначенного для перекачки LOHC+ (Насос); измерителя расхода жидкости (ИРЖ), предназначенного для регулирования расхода LOHC+; реактора, предназначенного для дегидрирования LOHC+ с целью извлечения водорода; резервуара (Резервуар LOHC без Н₂), в который поступает дегидрированный жидкий органический носитель LOHC - после реактора под действием перепада давления; измерителя расхода (ИРГ), фиксирующего количество (массу) полученного газа, установленного в выходной водородной линии. Далее водород поступает в водородный топливный элемент, где преобразовывается в электрическую и тепловую энергию. Газ предварительно проходит через теплообменник, поэтому его температура близка к комнатной.

Основным недостатком данного решения является высокое энергопотребление установки.

Сущность изобретения

Задачей предлагаемого технического решения является выделение водорода методом каталитического дегидрирования жидкого органического носителя, насыщенного водородом LOHC+.

Техническим результатом, на достижение которого направлено решение, является снижение энергопотребления устройства для извлечения водорода из жидкого органического носителя, а также возможность работы устройства непрерывно в режиме постоянной скорости подачи органического носителя без использования насоса и с рекуператором для предварительного нагрева исходного органического носителя.

Данный технический результат достигается в устройстве, состоящем из общих блоков и узлов, соединенных трубопроводными линиями: резервуара с жидким органическим носителем, насыщенным водородом, соединенным через блок регулирования расхода жидкого органического носителя с дегидратором жидкого органического носителя, с резервуаром с обедненным жидким органическим носителем и выходной водородной линией, соединенной с топливными элементами, при этом в устройство введены новые блоки и узлы:

- баллон с инертным газом, установленный с возможностью выдавливания носителя из резервуара с жидким органическим носителем, насыщенный водородом и соединенный с резервуаром через блок регулирования и поддержания давления инертного газа,

- при этом резервуар с жидким органическим носителем, оснащен датчиком уровня жидкого органического носителя,

- при этом через подающую линию трубопровода носитель поступает в дегидратор через рекуператор с замкнутым контуром, в режиме постоянной скорости, предварительно нагреваемый, парогазовой смесью продуктов реакции, выходящей из дегидратора;

- выход рекуператора соединен через блок сепарации с резервуаром с обедненным органическим носителем, и выходной водородной линией, соединенной с топливными элементами через блок фильтров.

Кроме того, датчик уровня жидкого органического носителя предназначен для контроля минимального значения уровня жидкости.

Для достижения этой цели в новом устройстве, в отличие от прототипа, осуществлена подача жидкого органического носителя LOHC+ в дегидратор методом выдавливания из резервуара за счет давления инертного газа, поступающего из баллона. Кроме того, при помощи рекуператора осуществлен предварительный нагрев органического носителя LOHC+, за счет выходящей из дегидратора, разогретой парогазовой смеси.

Принципиальная технологическая схема установки представлена на фиг. 1,

где указаны позиции:

1 – резервуар для хранения жидкого органического носителя водорода;

2 – баллон с инертным газом;

3 – датчик уровня жидкого органического носителя;

4 – блок регулирования и поддержания давления инертного газа;

5 – блок регулирования расхода жидкости;

6 – рекуператор;

7 – дегидратор;

8 – блок сепарации;

9 – резервуар обедненного органического носителя;

10 – блок фильтров.

Описание работы устройства

В соответствии с Фиг. 1 жидкий органический носитель водорода (LOHC+) из резервуара 1 с датчиком уровня жидкого органического носителя 3, предназначенный для контроля минимального значения уровня жидкости, под давлением инертного газа, поступающего из баллона 2 через блок 4, предназначенный для регулирования и поддержания давления инертного газа, через блок 5, предназначенный для регулирования и поддержания постоянного расхода жидкого органического носителя, подается в теплообменник рекуператора 6. В рекуператоре жидкий органический носитель (LOHC+) нагревается парогазовой смесью продуктов реакции дегидрирования и поступает на вход дегидратора 7, предназначенный для дегидрирования жидкого органического носителя (LOHC+) с целью извлечения водорода.

В дегидраторе 7 на катализаторе при нагревании происходит выделение водорода, и образовавшаяся парогазовая смесь продуктов реакции дегидрирования из дегидратора с высокой температурой поступает в рекуператор 6, где нагревает поступающий на дегидрирование жидкий органический носитель водорода.

Затем, охлажденная в рекуператоре 6 парогазовая смесь, поступает в блок сепарации 8, где охлаждается до более низкой температуры и разделяется на водород и обедненный жидкий органический носитель (LOHC-), который под действием силы тяжести поступает в резервуар 9.

Водород проходит блок фильтров 10, очищается от следов органического носителя, и в качестве топлива подается для дальнейшего использования на блок водородных топливных элементов. Стрелками указаны направления потоков в трубопроводных линиях.

Таким образом, благодаря введению новых блоков и узлов: баллон с инертным газом; блок регулирования и поддержания давления инертного газа, блок регулирования и поддержания постоянного расхода жидкого органического носителя (которые дают возможность автономной работы устройства непрерывно с заданной регулируемой скоростью подачи жидкого органического носителя насыщенного водородом), и с рекуператором для предварительного нагрева жидкого органического носителя насыщенного водородом, достигается поставленная цель по снижению энергопотребления за счет исключения насоса с электроприводом и уменьшения энергии затрачиваемой на нагрев жидкого органического носителя насыщенного водородом поступающего в дегидратор.

Изобретение относится к области производства экологически чистых источников энергии, позволяющих вырабатывать электроэнергию в электрохимическом генераторе на водородных топливных элементах в водородной энергетике, может использоваться для генераторов водорода для промышленных производств, для стационарных, автономных и мобильных энергетических установках. Описано устройство для извлечения водорода из жидкого органического носителя, блоки которого соединены трубопроводными линиями, состоящее из резервуара с жидким органическим носителем, насыщенным водородом, соединенным через блок регулирования расхода жидкого органического носителя с дегиратором жидкого органического носителя, с резервуаром с обедненным жидким органическим носителем без водорода и выходной водородной линией, соединенной с топливными элементами, при этом устройство содержит: баллон с инертным газом, установленный с возможностью выдавливания жидкого органического носителя, насыщенного водородом из резервуара, и соединенный с резервуаром через блок регулирования и поддержания давления инертного газа; при этом резервуар с жидким органическим носителем оснащен датчиком контроля минимального значения уровня жидкого органического носителя; жидкий органический носитель поступает в дегидратор через рекуператор с замкнутым контуром, в режиме постоянной скорости, предварительно нагреваемый парогазовой смесью продуктов реакции, выходящей из дегидратора; выход рекуператора соединен через блок сепарации с резервуаром с обедненным органическим носителем без водорода, и выходной водородной линией, соединенной с топливными элементами через блок фильтров. Технический результат - снижение энергопотребления устройства для извлечения водорода из жидкого органического носителя, а также возможность работы устройства непрерывно в режиме постоянной скорости подачи органического носителя без использования насоса и с рекуператором для предварительного нагрева исходного органического носителя. 1 ил.

Устройство для извлечения водорода из жидкого органического носителя, блоки которого соединены трубопроводными линиями, состоящее из резервуара с жидким органическим носителем, насыщенным водородом, соединенным через блок регулирования расхода жидкого органического носителя с дегидратором жидкого органического носителя, с резервуаром с обедненным жидким органическим носителем без водорода и выходной водородной линией, соединенной с топливными элементами, отличающееся тем, что устройство содержит:

- баллон с инертным газом, установленный с возможностью выдавливания жидкого органического носителя, насыщенного водородом из резервуара, и соединенный с резервуаром через блок регулирования и поддержания давления инертного газа;

- при этом резервуар с жидким органическим носителем оснащен датчиком контроля минимального значения уровня жидкого органического носителя;

- жидкий органический носитель поступает в дегидратор через рекуператор с замкнутым контуром, в режиме постоянной скорости, предварительно нагреваемый парогазовой смесью продуктов реакции, выходящей из дегидратора;

- выход рекуператора соединен через блок сепарации с резервуаром с обедненным органическим носителем без водорода и выходной водородной линией, соединенной с топливными элементами через блок фильтров.