Четырехтактный цикл приспособили для получения водорода

Исследователи из Технологического института Джорджии разработали компактную четырехтактовую поршневую установку для каталитического риформинга метана и получения водорода. Последний уже можно использовать, например, в водородных топливных ячейках. Результаты работы ученых опубликованы в Indusrial & Engineering Chemistry Research, а краткое их изложение приводится в сообщении на сайте института. Новые установки могут быть объединены в цепь, тем самым повышая выход водорода.

Риформинг представляет собой процесс каталитической переработки углеводородов, используемый для повышения октанового числа бензинов, получения ароматических углеводородов или водородсодержащего газа. Процесс проходит в больших установках — реакторах, обычно соединенных последовательно. Во время прохождения углеводородной смеси она подогревается до температуры в 490-900 градусов Цельсия и подвергается дегидрированию в присутствии катализатора, обычно — платины или платиновых сплавов.

Каталитический риформинг требует постоянного поддержания давления в 19-35 атмосфер и относительного сильного подогрева, поскольку дегидрирование углеводородов — эндотермический процесс. На это необходимы серьезные энергетические затраты. Кроме того, энергия необходима и для работы каскада компрессоров, перегоняющих водородсодержащий газ, образующийся в процессе риформинга. При этом сегодня все чаще появляется потребность в экономичных и компактных реакторах для риформинга.

Американские исследователи разработали реактор с подвижным поршнем, цилиндром и системой клапанов. Он достаточно компактен и, в отличие от промышленных установок, не требует сильного нагрева. Реактор работает по четырехтактному циклу. На первом такте метан, смешанный с паром, через клапаны подается в цилиндр. При этом поршень в цилиндре плавно опускается. После того, как поршень достигает нижней точки, подача смеси перекрывается.

На втором такте поршень поднимается, сжимая смесь. Одновременно цилиндр подогревается до 400 градусов Цельсия. В условиях высокого давления и нагрева происходит процесс риформинга. По мере выделения водорода, он проходит через мембрану, которая останавливает углекислый газ, также образующийся во время риформинга. Углекислый газ при этом поглощается адсорбирующим материалом, смешанным с катализатором.

На третьем такте поршень опускается в самое нижнее положение, резко снижая давление в цилиндре. При этом углекислый газ высвобождается из адсорбирующего материала. Затем начинается четвертый такт, на котором в цилиндре открывается клапан, а поршень вновь начинается подниматься. Во время четвертого такта углекислый газ из цилиндра выдавливается в атмосферу. После четвертого такта цикл начинается снова. В ближайшее время ученые намерены собрать и испытать крупную установку для риформинга метана.

Весной прошлого года Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин» завершило проектирование дизель-электрической подводной лодки пятого поколения «Калина», способной находиться под водой существенно дольше современных кораблей этого класса. Новый корабль получит воздухонезависимую энергетическую установку, работающую на водородсодержащем газе высокой степени очистки. Его будут получать на борту подлодки из дизельного топлива методом риформинга.

Полученный водород будет подаваться в водородно-кислородные топливные элементы, где и будет вырабатываться электричество для двигателей и бортовых систем. При такой схеме конструкторы рассчитывают получить способ практически бесшумной выработки электроэнергии. Как ожидается, мощность установки, разрабатываемой «Рубином», составит около 400 киловатт. Разработку анаэробной энергетической установки планируется завершить в 2018 году.

Василий Сычёв