Proiectarea unei instalații de producere a hidrogenului din metan

Instalatia are ca scop producerea din metan a hidrogenului de puritate 99.9999% utilizat drept combustibil pentru autovehicule. Datorita scaderii drastice a resurselor fossile si cresterii preturilor acestora sectorul industrial a inceput sa investeasca in surse alternative de combustibil precum H2.Din moment ce gazele naturale sunt o resursa mai ieftina decat combustibili fosili producerea de H2 din gazele naturale prin reformare catalitica este o investitie atractiva in cea ce priveste producerea de combustibil.

Materia prima a instalatiei sunt gazele naturale asigurata de Gazprom iar produsele fabricate care vor fi puse pe piata sunt hidrogen de puritate 99.9999% si gheata carbonica (dry ice).instalatia functioneaza 8000 h/an,timp in care produce 146100 kg H2/an ,combustibil suficient sa alimenteze 100 de masini cu o marime a rezervorului de 4kg la 700 atm.Instalatia este construita pentru o capacitate de stocare a H2 de 24 h.De asemenea instalatia produce si 1.5milioane kg de gheata carbonica pe an , 48000 kg CO2/an si 901647 litri apa uzata pe an.Instalatia este proiectata sa functioneze 20 de ani.

Procedeul tehnologic folosit pentru aceasta instalatie este reformarea cu abur, aceasta reprezentand 76% din productia mondiala de hidrogen, fiind de asemenea si cea mai ieftina. In acest proces gazul natural reactioneaza cu aburul la temperaturi ridicate pentru a produce H2. Pentru a ajunge la puritatea dorita a H2 vom folosi sistemul de purificare a hidrogenului adsorbtie prin presiune oscilanta (PSA) iar CO2 obtinut din proces este convertit in gheata carbonica si este vandut pentru a procura venituri suplimentare pentru instalatie. Sunt 6 etape importante in procesul de producere a hidrogenului, acestea fiind urmatoarele: pre-tratarea, reformarea cu abur,reactii de schimbare a temperaturii ,PSA,abosorbtia de CO2 si producerea ghetii carbonice .

Capitalul de lucru pentru această unitate de producție de H2 este de $ 113.600, iar costul total de capital este de $ 2.611.444. Costul operațional total fix este de $ 742.405, iar costul total de operare variabil este de $ 349.155. Produsul H2 va fi vanduta la un pret de 5 $ / kg, iar gheața carbonica va fi vândute la $ 0.05 / kg. Cu o rată de 3% a inflației, o rată de impozitare globală de 35% și o depreciere în linie dreaptă, fluxul de cash flow pentru instalatie este o pierdere de 28 de milioane $ până la sfârșitul duratei de viață a instalației. Prin ajustări ale costurilor și ratele de produs pentru fabrica de H2 se obține un profit net pentru fabrica în al unsprezecelea an de viață al instalței. La o rată de produse H2 de vânzare de 10 $ / kg, o rată de actualizare de 9,82%, și fara inflație, instalația de H2 atinge punctul de breakeven la 11 ani și randamentele un profit net de aproximativ 4,5 milioane $ până la sfârșitul duratei de viață a instalației.

Considerații privind sănătatea și siguranța mediului au fost încorporate în proiectarea instalației de producție a H2. Instalația are zero emisii de hidrogen sulfurat (H2S) și monoxid de carbon (CO), care sunt produse intermediare toxice ale procesului de producție. CO2, care este un gaz cu efect de seră (GES), este un produs secundar prim al acestui proces de producție. Cea mai mare parte a CO2 din fluxul de proces al fabricii este recuperat și convertit la gheață carbonică, iar restul sunt emisi de la o rată anuală de 48.000 kg / an. Măsuri de siguranță au fost puse în aplicare pentru a evita riscul unor scurgeri de explozie sau de gaz. Aceste măsuri de precauție includ punerea echipamentelor majore de proces subteran, folosind izolare dubla pentru vase sub presiune înaltă, adăugând detectoare de temperatură și de CO pentru echipamentele de proces și instruirea angajaților din punct de vedere al siguranței , operari proceselor, precum și materialele de manipulare.

Proiectarea procesului

Instalatia a fost conceputa pt a respecta toate cerintele specificate cu consum minim de energie. Pentru a echilibra fiabilitatea si eficienta , procesul se bazeaza pe reformarea cu abur, dar a fost minimizat si modificat astfel incat sa calculeze carbon si sa economiseasca utilitatile.

Urmatoarea diagrama bloc include principalele componente ale instalatiei

Patul de ZnO

Patul de ZnO este un adsorbant care se gaseste in etapa de pretratare a intregului proces.

Patul de ZnO are are functia de a elimina H2S si impuritatile cu sulf din gazul natural, inainte ca aceasta sa intre in etapa de reformare cu abur.Eliminarea sulfului este esentiala pt ca sulful afecteaza catalizatorul din reactoarele procesului. De asemenea, H2S este un gaz toxic ce nu poate fi eliminat din instalatie.

Alimentarea patului de ZnO se face cu gaz natural iar produsul obtinut este un gaz desulfurizat.

In instalatia de producere H2 au fost luate masuri cu privire la protectia mediului inconjurator.Astfel emisiile de hirogen sulfurat (H2S) si monoxid de carbon (CO) , care sunt produse intermediare , sunt egale cu yero. Dioxidul de carbon(co2) care este un gaz de sera ,este un produs secundar. Cea mai mare parte a CO2-ului in proces este recuperat si transformat in gheata carbonica, iar restul este eliminat in instalatie, atingand valoarea de 48000 kg/am.

Pt a evita riscurile de explozii si de scurgeri de gaze au fost luate masuri ce constau in punerea echipamentelor de proces pe pamant, folosind dubla izolare pt vasele aflate sub presiune mare adaugand detectoare de CO si de temperatura si asigurand angajatilor siguranta.

Reactorul de reformare cu abur

In primul reactor de reformare abur-metan cea mai mare parte din metan este convertit. Următoarele trei reacții au loc simultan în prezența unui catalizator de Ni / MgAl2O4, la o temperatură de 1123 K: