View
217
Download
2
Category
Preview:
Citation preview
Case: laten we een bijdrage leveren aan het Kyoto-convenant
CO2 problematiek: diffuse emissie, geen opvang mogelijk
opvang is wel mogelijk bij geconcentreerde CO2 emissie
De opdracht:
verlaag de diffuse CO2 emissie bij huishoudelijk gebruik
zet een gedeelte van het aardgas om in H2 en CO2,
meng het H2 (tot 10 %) in het aardgas
gebruik het CO2 voor andere doelen, of
sla het op in uitgeputte aardgasvelden
vraag: schat af of dit energetische nonsens is
Aardgas
Samenstelling:
CO2: 0,9 %
N2: 14,4 %
CH4: 81,4 %
C2H6: 2,7 %
C3H8: 0,4 %
C4H10: 0,2 %
verbrandingswarmte: 54,626 MJ/kg
ontbrandingstemperatuur:670 0C
Verschillende industriële manieren om waterstof te produceren
stoom reforming:
2CnHm +2n H2O 2n CO + (m+2n) H2
partiele oxidatie koolwaterstoffen:
2CnHm +n O2 2n CO + m H2
partiele oxidatie residuen:
2CHm +2n H2O + (2-n)O2 2 CO2 + (m+2n) H2
electrolyse:
2 H2O O2 + 2 H2
We kiezen voor stoom reforming
Klassiek proces: CH4 + H2O 3H2 + COvergelijk met de methanolfabriek
CO kan gebruikt worden als stookgas
katalytische reactor bij 1200 K
verwaarloos in eerste instantie de verliezen
Analyse van het probleem
Hoeveel H2 heb ik nodig om 1 mol CH4 te vervangenin het aardgas (bij gelijkblijvende verbrandingswaarde)?
Hoeveel aardgas heb ik nodig om deze waterstof te maken?
Wat zijn de enthalpiestromen bij deze productie?
Wat zijn mijn energetische verliezen?
Is dit de moeite waard?
We nemen dus als rekengrootheid 10 mol CH4
en vervangen hiervan 1 mol door H2
Eerst een intermezzo over enthalpie*
In dit voorbeeld beschouwen wij enthalpie als de energie-inhoud van een stof. Wij bekijken drie bijdragen tot de enthalpie:
chemische (verbrandings-) enthalpie
temperatuur- enthalpie
verdampings - enthalpie
*Dit is een beetje te simpel, maar goed genoeg voor dit moment.
intermezz
o
Chemische Enthalpie
de chemische enthalpieën voor de technologen:(in tegenstelling tot de andere chemici)
methaan
kool-monoxide
waterstof
OH2COO2CH 2224 Hc 894 kJ mol CH4
CO 0.5O CO2 2
H 0 O H O2 2 2 .5
Hc 279 kJ mol CO
Hc 284 kJ mol H2
intermezz
o
Eenvoudig op te zoeken b.v. in BINAS
wij kennen een enthalpie van nul toe aan lucht (O2) en verbrandingsprodukten bij 298 K
Temperatuur-enthalpie
voor (vloeibaar) water is de soortelijke warmte:
de molaire warmtecapaciteit is:
cp 4 2.kJ
kg K
cp 75J
mol K
gebruiken wij verder niet
voor de andere stoffen in ons proces zijn de cp’s lager; wij gebruiken voor het gemak dezelfde waarde voor alle stoffen:
cp 40 0 04J
mol KkJ
mol K.
intermezz
o
Temperatuur-enthalpie (3)
dus H TT 0 04 298.
HTkJmol 1
helling 0.04
TK
298
(het is gebruikelijk om de temperatuur-enthalpie van een stof op 298 K gelijk aan nul te stellen)
kJmol
intermezz
o
373K 100 C0
warmte JQ 2 2 106.
373K 100 C0
de enthalpie van stoom is groter dan die van water:
HV 2 2 40.MJkg
kJmol
bij 298 K is dit 44 kJ / mol.
Verdampings-enthalpie
intermezz
o
Samengevat:
Chemische enthalpieën: CH4: 894 kJ/molCO: 279 kJ/molH2: 284 kJ/mol
Overige gegevens:
Cp H20(l) = 75 J/mol.KCp overig = 40 J/mol.KHvap H2O = 44 kJ/mol
Fabrieksschema voor de H2 productie
H2(overmaat) H2O
CH4
CO
reformer
Qw
H2O(l) + CH4 CO + 3H2
2CO + O2 2CO2
CH4 + 2O2 2H2O(g) + CO2
Reacties:
O2
CH4
CO2
H2O
fornuis
Waarom een
overmaat H 2O?
Eerst de enthalpiestromen van de reformer
Gelijke verbrandingswaarde voor toegevoegd H2
en verwijderd CH4
CH4 Hc = 894 kJ/molH2 Hc = 284 kJ/mol
totaal nodig 894/284 = 3,15 mol H2H2O + CH4 CO + 3H2
Totaal nodig aan CH4: 1,05 mol + fornuis
Hoeveel H2 heb ik nodig om 1 mol CH4 te vervangen in het aardgas?
Enthalpiebalans (1)
1,05 H2O
1,05 CH4
3,15 H2
1,05 CO
reformer
Qw?
in
uit
stofCH4
H2O (l)
COH2
--
902902
1,051,051,053,15
n
894-
279284
HC
--
3636
HTT 298
n H
938,7
Qw = 1338,8 - 938,7 = 400,1 kW
H2O + CH4 CO + 3H2
1338,8
Enthalpiebalans van het fornuis
in
uit
stofCH4
O2
COCO2
n
O2
? CH4
CO2
H2O
1,05 CO
fornuis
400,1 MW
H2O
HC T 298
--
902902902
894-
279--
x2x+0,53
1,05
x+1,052x
400 = 894x + 331 - 36x - 38 - 72x -44 x = 0,22 mol
Hn
894x0
330,8
36(x+1,05)72x+44
--
3636
HT
36
2CO + O2 2CO2
CH4 + 2O2 2H2O + CO2
Totaal rendement
H2O + CH4 CO + 3H2
2CO + O2 2CO2
CH4 + 2O2 2H2O + CO2
H2O
CH4
O2
CH4
H2
CO2
H2O
CO
reformer
fornuis
Qw
Conclusies:ter vervanging van 1 mol CH4 in aardgas heb ik nodig:
1,05 mol CH4 voor de reformer0,22 mol CH4 voor het fornuis1,27 mol totaal theoretisch rendement = 1/1,27 = 79%
N.b. door het H2O te recyclen kan dit verhoogd worden tot 81%
+
Maar……….
We hadden 10 mol CH4 , d.i. 240 liter (1 bar, 20 0C) ofwel 160 gram
Hierin vervangen we 1 mol CH4 door H2
hiervoor was 3,15 mol H2 nodig
We hebben nu dus in totaal 12,15 mol “vergroend aardgas”d.i. 292 liter (1 bar, 20 0C) ofwel 150 gram
Voor gelijkblijvend volumetrisch transport moeten de druk in de leidingen met 21.5 % verhogen
……Of we moeten het N2 gehalte verminderen(minder NOx)
Wat doe je met het opgevangen CO2 ?
tuinbouw (omzetten van CO2 in tomaten)
koelelementen
isolatieschuim
frisdranken
polycarbonaat productie
opslaan in uitgeputte gasvelden
Kun je bedenken wat hierbij het probleem is ?
Hoe kun je dit oplossen ?
Verdere problemen?
De doorlaatbaarheid van PE voor H2 is veel hoger dan van PVC(± 3 orden van grootte)
Het lage-druk gasnet bestaat uit PVC buizen In het hoge-druk gasnet zitten ook PE buizen
Alternatieven?
Korte termijn: Separaat H2 net naar de LD verdeelstationsLange termijn: HD-net: PE buizen coaten met EVOH
Voordelen van separaat H2 net
Infrastructurele ontwikkeling van een H2 technologie
aansluiten van producentenaansluiten van verbruikers
Schoner transportstimulering waterstof-auto’sgeen vervoer van grote hoeveelheden H2
over weg en spoor
Conclusies van de case “schoon fossiel”:
Vervang 10 % van het CH4 door H2
10 % reductie in diffuse CO2 emissie
2 % energieverlies
verbrandingswaarde/m3 corrigeren met drukverhoging
…of corrigeren met N2 variatie
stringente veiligheidsanalyse en netaanpassingen nodig
Recommended