Спосіб виділення водню з сірководневої водяної суміші

Реферат: UA 72279 U UA 72279 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі хімії, зокрема до способів одержання водню з різних речовин шляхом розкладання сірководню, а саме до способів виділення водню з сірководневої водяної суміші, насамперед, з тієї, що знаходиться у глибоководних шарах морської води. Відомо [1], що вагова теплотворна здатність водню (28630 ккал/кг) в 2,8 разу вище в порівнянні з бензином. Ефективність згоряння у двигуні внутрішнього згоряння у водню на 3040 % вище, ніж у використовуваних зараз вуглеводнів (похідні нафти, природний газ). Застосування водню у двигунах внутрішнього згоряння завдяки його унікальним властивостям, дає можливість підвищити, в порівнянні з бензиновими двигунами, ККД двигуна на 50-70 %. Енергія запалення в 15 разів менше, ніж для вуглеводневого палива, максимальна швидкість поширення фронту полум'я в 8 разів більше у порівнянні з вуглеводнями, випромінювання полум'я в 10 разів менше у порівнянні з полум'ям вуглеводнів. Іншою перевагою використання водню як пального є екологічність. В процесі згоряння водню утворюється вода, яка безпечна для навколишнього середовища. При використанні як палива водневометанових сумішей різко знижується токсичність викидів. Так при згорянні паливної суміші із вмістом водню 20-40 % за об'ємом (5-10 % за вагою) токсичність викидів зменшується в 2-4 рази, ніж при згорянні безводневого палива. При цьому на 35-40 % зменшується експлуатаційна витрата палива і на 20-25 % збільшується експлуатаційна економічність. При роботі двигунів, що використовують суміші із часток водню (де кількість водню 20 %), виконуються норми Євро-4, а із часток водню (де кількість водню 44-48 %) - Євро5. У порівнянні з відомими промисловими методами одержання водню з метану [2], з води [3] використання для цих цілей сірководню приводить до менших витрат енергії, тому що енергія зв'язку H-S у сірководні значно менше енергії зв'язку Н-0 у воді, при цьому за зазначеними методами крім водню одержується сірка - важлива хімічна сировина. Відомий спосіб одержання водню з сірководнеутримуючої суміші, при якому здійснюють окислювання сірководнеутримуючої суміші при підвищеній температурі з наступним виділенням цільових продуктів з реакційної газової суміші, при цьому як окислювач використовують пероксид водню з концентрацією 10-20 % і процес ведуть при температурі 350-400 °C і молекулярному співвідношенні H2S:H2O2=2:1 [4]. До недоліків відомого способу належить те, що процес проводиться при високій температурі, що потребує додаткової енергії. Процес потребує також наявності каталізатора, при цьому процес необхідно проводити у додатковому реакторі, що сумарно підвищує вартість вихідного продукту - чистого водню. Відомий спосіб одержання елементарної сірки і молекулярного водню з сірководнеутримуючої газової суміші, при якому пропускають вихідну суміш через реакційну зону, що піддається електромагнітному впливу, наступне фазове розділення продуктів дисоціації сірководню і відведення їх з реакційної зони, при цьому електромагнітний вплив здійснюють безупинно шляхом подачі в реакційну зону спрямованого НВЧ-випромінювання, що збігається з напрямком вихідної суміші, а фазовий розподіл продуктів дисоціації і відведення їх з реакційної зони здійснюють на виході з реакційної зони шляхом зміни напрямку переміщення вихідної суміші і продуктів дисоціації, причому вихідну суміш піддають нагріванню до температури +135 °C і сполучають нагрівання з впливом на суміш НВЧ-випромінювання, а після фазового розподілу продуктів реакції і непрореагованих продуктів вихідної суміші здійснюють поглинання НВЧ-випромінювання, попередньо змінивши напрямок останнього [5]. До недоліків відомого способу належить те, що неможливе отримання водню у великій промисловій кількості, а сам процес характеризується великою енергоємністю. Недоліками зазначеного способу також є висока температура, необхідна для досягнення високого ступеня розкладання сірководню; неможливість зниження ступеню розкладання сірководнеутримуючої суміші за рахунок зворотної взаємодії водню і сірки при охолодженні газу; низька ефективність процесу при зниженні концентрації сірководню в вихідній сірководнеутримуючій суміші (газі); необхідність застосування спеціальних дорогих конструкційних матеріалів з підвищеною термостійкістю для оформлення високотемпературної реакційної зони. Відомий спосіб одержання водню і кисню, згідно з яким водяний пар подають на каталізатор водночас із пропусканням цього пару через електричне поле з отриманням на виході цільових продуктів - чистих водню і кисню [6]. До недоліків відомого способу відноситься те, що неможливе отримання водню у великій кількості, процес характеризується великою енергоємністю. Також до недоліків способу належить: - складність пристрою для отримання цільових продуктів - чистих водню і кисню, та необхідність використання дорогих матеріалів; 1 UA 72279 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - неможливість здійснення цього способу при використанні технічної води тому, що при температурі насиченої пари на стінках пристрою і на каталізаторі будуть утворюватися відкладення і накип, що призведе до швидкого виходу пристрою з ладу. Відомий спосіб термічного розкладання сірководню на водень і сірку, що полягає в пропущенні сірководнеутримуючого газу через реакційну зону при температурі +850-1600 °C, де проходить розкладання Н2S на водень і сірку, і наступному охолодженні зазначеного сірководнеутримуючого газу до температури +110-150 °C для конденсації сірки, що утворилася [7]. До недоліків відомого способу відноситься висока температура, необхідна для досягнення високого ступеня розкладання сірководню; неможливість зниження ступеню розкладання сірководнеутримуючоі' суміші за рахунок зворотної взаємодії водню і сірки при охолодженні газу; низька ефективність процесу при зниженні концентрації сірководню в вихідній сірководнеутримуючій суміші. Відомий спосіб каталітичного розкладання сірководню на водень і сірку, що полягає в пропущенні сірководнеутримуючого газу через шар каталізатора при температурі +450-800 °C [8]. До недоліків відомого способу належить низький рівноважний ступінь розкладання сірководню в діапазоні температур, при яких проводиться зазначений процес. До недоліків відомого способу належить й те, що неможливе отримання водню у великій промисловій кількості, а сам процес характеризується великою енергоємністю. Найбільш близьким технічним рішенням як за суттю, так і за задачею, що вирішується, яке обрано за найближчий аналог (прототип), є спосіб виділення водню з сірководневої водяної суміші, що полягає в пропущенні сірководнеутримуючої суміші через шар твердого матеріалу, здатного активувати сірководень із одержанням на виході водню, при цьому процес проводять при температурі не більше +200° С [9]. До недоліків відомого способу, який обрано за найближчий аналог (прототип), відноситься те, що неможливе отримання водню у великій промисловій кількості, а сам процес характеризується великою енергоємністю. Недоліками зазначеного способу також є висока температура, необхідна для досягнення високого ступеня розкладання сірководню, неможливість зниження ступеню розкладання сірководнеутримуючоі суміші за рахунок зворотної взаємодії водню і сірки при охолодженні газу; низька ефективність процесу при зниженні концентрації сірководню в вихідній сірководнеутримуючій суміші. В основу корисної моделі покладено задачу шляхом введення у технологічний процес виділення водню з сірководневої водяної суміші електрохімічної схеми, по якій вихідна сірководнева суміш надходить на анод, де водень на поверхні електрода вступає в контакт із твердим полімерним електролітом, що являє собою сіль, інертну стосовно матеріалів електродів, компонентна сполука якого не змінюється за часом, забезпечити зменшення енергозатрат на отримання водню у великій промисловій кількості і водночас отримати дорогий продукт - сірку. Суть корисної моделі в способі виділення водню з сірководневої водяної суміші, що полягає в пропущенні сірководнеутримуючої суміші через шар твердого матеріалу, здатного активувати сірководень із одержанням на виході водню, при цьому процес проводять при температурі не більше +200 °C, полягає в тому, що попередньо підключають до шару твердого матеріалу, який виконано у вигляді твердополімерного електроліту, електрохімічну схему, що містить джерело електричного струму та електроди, а саме анод, розміщений з однієї сторони зазначеного шару твердого матеріалу, і катод, розміщений з іншої сторони зазначеного шару твердого матеріалу, перед подачею сірководнеутримуючої суміші на шар твердого матеріалу, попередньо подають сірководнеутримуючу суміш на анод з наступним забезпеченням контакту водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, із зазначеним твердим полімерним електролітом, що представляє собою сіль, інертну стосовно матеріалів електродів, з компонентною сполукою, що не змінюється у часі, забезпечують створення за допомогою електрохімічної схеми зовнішнє електричне поле між анодом, катодом і твердополімерним електролітом, що знаходиться між ними, забезпечують вступ водню на поверхні електрода, а саме, анода, у контакт із твердим полімерним електролітом, забезпечують за допомогою зовнішнього електричного поля в шарі твердополімерного електроліту процес відділення водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, з перетворенням виділеного в результаті зазначеного процесу водню в протони, і рух протонів через зазначений твердополімерний електроліт до катоду, а водень одержують за допомогою зовнішнього електричного поля шляхом перетворення протонів на катоді в молекули чистого водню. Суть корисної моделі полягає і в тому, що прикладена електрична напруга для переміщення протонів від анода через твердополімерний електроліт до 2 UA 72279 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 катода, витрачається на подолання втрат опору і на підйом тиску від його парціального тиску на аноді до катодного тиску. Суть корисної моделі полягає також і в тому, що у процесі відділення водню, який утримується у вихідній сірководневій суміші, виділяють із реакційної суміші сірку як побічний цільовий продукт. Досягнення технічного результату в способі виділення водню з сірководневої водяної суміші дійсно можливе тому, що: - як твердий матеріал, здатний активувати сірководень із одержанням на виході водню, використовують твердополімерний електроліт, який забезпечує інертність по відношенню до матеріалів електродів своїм незмінним за часом компонентним складом; - шляхом введення електрохімічної схеми, до складу якої входять джерело електричного струму та електроди, а саме, анод, розміщений з однієї сторони зазначеного шару твердого матеріалу, і катод, розміщений з іншої сторони зазначеного шару твердого матеріалу, забезпечується створення електричного поля в районі твердополімерного електроліту, яке, у свою чергу, забезпечує прикладення електричної напруги для переміщення протонів від анода через твердополімерний електроліт до катода; - шляхом введення у технологічний процес етап переміщення протонів від анода через твердополімерний електроліт до катода, забезпечується в шарі твердополімерного електроліту процес відділення водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, з перетворенням виділеного в результаті зазначеного процесу водню в протони, і рух протонів через зазначений твердополімерний електроліт до катоду, при цьому робота, що витрачається на електрохімічний стиск, вдвічі більше оборотної роботи. Сумарний ефект полягає в зменшенні енергозатрат на отримання водню і отримання водночас (додатково) дорогого продукту - сірки. Суть корисної моделі пояснюється за допомогою креслень, де на Фіг. 1 показано блок-схему технологічного процесу, основаного на способі виділення водню з сірководневої водяної суміші (що заявляється), на Фіг. 2 показано електрохімічну схему для проведення процесу відділення водню, який утримується у вихідній сірководневій суміші, на Фіг. 3 показано схему, що забезпечує електрохімічний процес відділення водню від діоксиду сірки, на Фіг. 4 показано схему отримання як безпосередньо водню в процесі відділення водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, так і сірки, яку виділяють із реакційної суміші сірку як побічний цільовий продукт. Спосіб виділення водню з сірководневої водяної суміші (що заявляється), здійснюється таким чином (див. блок-схему на Фіг. 1). Попередньо підготовляють складові для проведення технологічного процесу виділення водню з сірководневої водяної суміші, в якому повинен бути отриманий чистий водень і, як побічний цільовий продукт відділення водню, а саме, діоксиду сірки - сірка. Для здійснення технологічного процесу використовують електрохімічну схему (1) (див. схему на Фіг. 2). Зазначену електрохімічну схему (1), що містить джерело (2) електричного струму та електроди, а саме, анод (3) (позиція А(+) - див. схему на Фіг. 3), розміщений з однієї сторони зазначеного шару твердого матеріалу (4), і катод (5) (позиція К(-) - див. схему на Фіг. 3), розміщений з іншої сторони зазначеного шару твердого матеріалу (4), підключають до шару твердого матеріалу (4), який виконано у вигляді твердополімерного електроліту (див. схему на Фіг. 2). Далі подають сірководнеутримуючу суміш (позиція "СС") на анод (3) з наступним забезпеченням контакту водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, із зазначеним твердим полімерним електролітом (позиція 4), що являє собою сіль, інертну стосовно матеріалів електродів, з компонентною сполукою, що не змінюється у часі. Продовжують технологічний процес виділення водню з сірководневої водяної суміші тим, що пропускають сірководнеутримуючу суміш через шар твердого матеріалу (4), здатного активувати сірководень (що володіє одночасно адсорбційною ємністю стосовно сірководню і здатністю активувати сірководень в області низьких температур), при цьому процес проводять при температурі не більше +200° С. Водночас із пропусканням сірководнеутримуючу суміш через шар твердого матеріалу (через твердий полімерний електроліт - позиція 4) забезпечують створення за допомогою електрохімічної схеми (1) зовнішнє електричне поле (позиція "ЕП") між анодом (3), катодом (5) і зазначеним твердополімерним електролітом (позиція 4), що знаходиться між ними, при цьому 3 UA 72279 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 забезпечують вступ водню на поверхні електрода, а саме, анода (3), у контакт із твердим полімерним електролітом (твердого матеріалом - позиція 4) (див. схему на Фіг. 3). Далі за допомогою зовнішнього електричного поля (позиція "ЕП") (що створене зазначеною вище електрохімічною схемою) забезпечують в шарі твердополімерного електроліту (позиція 4) процес відділення водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, з перетворенням виділеного в результаті зазначеного процесу водню в протони (6), і рух протонів (6) через зазначений твердополімерний електроліт (позиція 4) до катоду (5) (див. схему на Фіг. 3), при цьому прикладена електрична напруга для переміщення протонів (6) від анода (3) через твердополімерний електроліт (позиція 4) до катода (5), витрачається на подолання втрат опору і на підйом тиску від його парціального тиску Рн2 на аноді (3) до катодного тиску Р0: Emin=IR+0,059/2ln(P0/PH2), (1) [10] де: Emin - електродний потенціал; R - універсальна газова постійна, що дорівнює 8,312 Дж/(моль К); І - електрична напруга для переміщення протонів від анода через твердополімерний електроліт до катода. Після здійснення процесу руху протонів (6) через зазначений твердополімерний електроліт (позиція 4) до катоду (5), одержують водень (7) за допомогою зовнішнього електричного поля (позиція "ЕП") шляхом перетворення протонів (6) на катоді (5) в молекули чистого водню (див. схему на Фіг. 3). Таким чином відбувається адсорбція сірководню з утворенням газоподібного водню і твердих сіркоутримуючих продуктів (насамперед, сірки) на поверхні твердого матеріалу (4). Ефективність способу виділення водню з сірководневої водяної суміші можлива у випадку, коли необхідна робота на електрохімічний стиск більше оборотної роботи, яка визначається рівнянням (1). Водночас із здійсненням процесу виділення водню з сірководневої водяної суміші додатково у процесі відділення водню виділяють із реакційної суміші сірку (8) як побічний цільовий продукт (див. схему на Фіг. 4). На цьому процес виділення водню з сірководневої водяної суміші закінчується. Основною перевагою способу виділення водню з сірководневої водяної суміші, який заявляється, є можливість проведення адсорбції сірководневої водної суміші з виділенням водню при низькій температурі (нижче +200 °C), що, у свою чергу, дозволяє переробляти сірководневу водну суміш без попереднього нагрівання, чим забезпечується зниження енергетичних витрат на здійснення способу і мінімізація використання дорогої теплообмінної апаратури. Крім того, у цьому випадку в переробку втягується тільки сірководень, і виключаються небажані побічні реакції інших компонентів і домішок, які входять до складу сірководневої водної суміші, що дозволяє переробляти зазначену вихідну сірководневу водну суміш із низькою концентрацією сірководню та з її складною сполукою без попереднього концентрування і очищення сірководню. При цьому розподіл у часі стадій адсорбції сірководню з виділенням водню і регенерації твердого матеріалу - сірки, дозволяє зрушити рівновагу реакції розкладання сірководню у бік утворення водню і сірки й досягати ступеня перетворення сірководню, який істотно буде перевищувати теоретичний рівноважний рівень для здійснення реакції в одну стадію, що складається з операцій, послідовно перехідних одна в іншу. Це також сприяє зниженню енерговитрат. Додатковою перевагою здійснення способу є утворення побічного продукту (сірки) у формі молекул S6 і S8 замість молекул S2 (характерних для високих температур процесу одержання водню із сірководневої водної суміші), що істотно поліпшує тепловий баланс реакції розкладання сірководню і сприяє подальшому зниженню енерговитрат, сумарне зниження яких у порівнянні із прототипом може становити 2,5 і більше разів. Підвищення ефективності способу виділення водню з сірководневої водяної суміші, який заявляється, у порівнянні із прототипом, досягається тим, що в технологічний процес виділення водню з сірководневої водяної суміші додатково введено технології по відділення водню за допомогою електрохімічної схеми (що містить джерело електричного струму та електроди, а саме анод, розміщений з однієї сторони зазначеного шару твердого матеріалу, і катод, розміщений з іншої сторони зазначеного шару твердого матеріалу), за допомогою якої створене зовнішнє електричне поле між анодом, катодом і твердополімерним електролітом, що знаходиться між ними, забезпечує вступ водню на поверхні електрода, а саме, анода, у контакт із твердим полімерним електролітом, з наступним перетворенням виділеного в результаті зазначеного процесу водню в протони, і рух протонів через зазначений твердополімерний електроліт до катоду, що забезпечує на прикінцевій стадії технологічного процесу перетворення 4 UA 72279 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 протонів на катоді в молекули чистого водню за допомогою зазначеного зовнішнього електричного поля (відбувається створення цільового продукту - водню). Джерела інформації: 1. Справочник. "Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение". Москва, "Химия", - 1989 г. 2. Патент Російської Федерації RU № 2113401 від 20.06.1998 "Способ получения газообразного водорода", МПК 6 С01В 3/24, С 01 В 3/06. 3. Патент Російської Федерації RU № 2142905 від 27.04.1999 "Дешевый способ получения водорода и кислорода из воды", МПК 6 С 01 В 1/03. 4. Патент Російської Федерації RU № 2069172 від 20.11.1996 "Способ получения серы и водорода", МПК 6 С01В 17/04, С 01 В 3/04 - аналог. 5. Патент Російської Федерації RU № 2090493 від 20.09.1997 року "Способ получения элементарной серы и молекулярного водорода из сероводородсодержащей газовой смеси", МПК 6 С01В 17/04, С01В 3/04, В01J 19/12 - аналог. 6. Патент Великобританії № 1585527 "Способ получения водорода и кислорода", 1981, МПК 6 С01В 3/04 - аналог. 7. Патент США № 4302434 від 24.11.1981 "Способ термического разложения сероводорода на водород и серу", МПК 6 С01В 17/04 -аналог. 8. Патент США № 3962409 від 08.06.1976 "Способ каталитического разложения сероводорода на водород и серу", МПК 6 С01В 17/04 - аналог. 9. Патент Російської Федерації RU № 2216506 (13) С1 від 20.11.2003 "Способ получения водорода и элементарной серы из сероводорода", МПК 8 С01В 13/02, С01В 17/04, С01В 3/00 прототип. 10. Васильев В. П. Аналитическая химия. В 2 кн. Кн. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для студ. вузов, обучающихся по химико-технологическим специальностям. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство Дрофа, 2002. - 384 с, ил. - С. 179-181. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Спосіб виділення водню з сірководневої водяної суміші, що полягає в пропущенні сірководнеутримуючої суміші через шар твердого матеріалу, здатного активувати сірководень із одержанням на виході водню, при цьому процес проводять при температурі не більше +200 °С, який відрізняється тим, що попередньо підключають до шару твердого матеріалу, який виконано у вигляді твердополімерного електроліту, електрохімічну схему, що містить джерело електричного струму та електроди, а саме анод, розміщений з однієї сторони зазначеного шару твердого матеріалу, і катод, розміщений з іншої сторони зазначеного шару твердого матеріалу, перед подачею сірководнеутримуючої суміші на шар твердого матеріалу, попередньо подають сірководнеутримуючу суміш на анод з наступним забезпеченням контакту водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, із зазначеним твердим полімерним електролітом, що являє собою сіль, інертну стосовно матеріалів електродів, з компонентною сполукою, що не змінюється у часі, забезпечують створення за допомогою електрохімічної схеми зовнішнє електричне поле між анодом, катодом і твердополімерним електролітом, що знаходиться між ними, забезпечують вступ водню на поверхні електрода, а саме анода, у контакт із твердим полімерним електролітом, забезпечують за допомогою зовнішнього електричного поля в шарі твердополімерного електроліту процес відділення водню, що утримується у вихідній сірководневій суміші, з перетворенням виділеного в результаті зазначеного процесу водню в протони, і рух протонів через зазначений твердополімерний електроліт до катоду, а водень одержують за допомогою зовнішнього електричного поля шляхом перетворення протонів на катоді в молекули чистого водню. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що прикладена електрична напруга для переміщення протонів від анода через твердополімерний електроліт до катода витрачається на подолання втрат опору і на підйом тиску від його парціального тиску на аноді до катодного тиску. 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що у процесі відділення водню, який утримується у вихідній сірководневій суміші, виділяють із реакційної суміші сірку як побічний цільовий продукт. 5 UA 72279 U 6 UA 72279 U 7 UA 72279 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8