1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (811219), страница 21
Текст из файла (страница 21)
По наиболее надежным из этих данных построен рис. 3.10 147!. Сделанный в большинстве упомянутых исследований вывод о том, что электролитический товарный водород при крупномасштабном производстве даже в перспективе будет иметь нижнюю границу стоимости (в пересчете на условное топливо) около 90 †1 руб т ', представляется сегодня вполне достоверным. Дополнительными резервами снижения стоимости водорода могут быть кислород и тяжелая вода, получаемые как сопутствующие продукты. В том случае, если кислород может быть реализован на месте производства водорода, возможно снижение стоимости тонны условного топлива в водороде на 5 — 10 руб., дальний >ке транспорт получаемого кислорода, по-видимому, нерентабелен, В настоящее время предложено несколько схем электролизного производства водорода с одновременным получением тяжелой воды различными методами.
При условии реализации получаемой тяжелой воды по ценам мирового рынка !около 200 долл. за 1 кг) можно о>кидать некоторого снижения стоимости водорода (в пределах 10— 40 руб т-' в пересчете на условное топливо). Эти предло>кения, однако, пока экспериментально не подтверждены. Следует также отметить, что возможные масштабы производства электролитического водорода, удешевленного за счет реализации сопутствующих продуктов, дополнительно ограничиваются возможными масштабами реализации этих продуктов. Снижения затрат на производство водорода электролизом воды можно ожидать при использовании щелочных перспективных электролизеров (с ярд=50 —:75 руб.кВт-'), электролизеров с расплавами, электролизеров с ТПЭ и высокотемпературных электролнзеров, работающих прн 5> э-.Е",, В настоящее время опыт создания и эксплуатации промышленных установок для высокотемпературного электролиза водяного пара отсутствует, поэтому техникоэкономические показатели этих процессов могут быть оценены лишь сугубо приблизительно.
Определяющую роль при этом играют технико-экономические показатели энергоисточника 1ВТЯР), которые также в настоящее время оцениваются по проектным н опытно-конструкторским разработкам, а не по данным их эксплуатации. Такие приблизительные оценки приводят к значениям затрат на получение товарного водорода высокотемпературным электролизом в пересчете на условное топливо около 90— 120 руб.т-' при температуре процесса около 1000 †13 К и КПД преобразования энергии около 40 %. Близкие значения затрат на получение водорода приводятся в лите.
Ратуре и для электролизеров с ТПЭ. Следует отметить, что при многоцелевом энерготехнологическом использовании ВТЯР затраты на водород, получаемый высокотемпературным электролизом в составе энерготехнологической установки, могут существенно снизиться. (4.1) (4. 2) Многочисленные прогнозные оценки, учитывающие Рост цен на природные жидкие и газообразные топлива в перспективе, а также совершенствование существующих и развитие новых типов электролизеров в будущем указывают на то, что к 2000 г.
производство товарного водорода из воды электролизом может оказаться дешевле, чем получение его нз природных топлив. Глава четвертая Термохимические и комбинированные методы получения водорода из воды 4.1. Термодинамические основы термохимического разложения воды Термодинамика реакции разложения воды Реакция разложения воды НО,„,=Н,+ — О, 1 2 при Т=298,15 К и при стандартном давлении р= =0,1013 МПа характеризуется следующими величинами; дбрвв )в) 228,78 кДж. моль ДН)мвв,)в)=241,98 кДж.моль ', ЛЗоэж ю) = 44,497 Дж кмаль ' К ', где индекс 0 означает, что все реагенты находятся при стандартном давлении.
Эти величины связаны между собой уравнением Лбв (Т) =ЛН'(Т) — ТЛ8в(т), (4.3) вытекающим из определения энергии Гиббса и из условия, что да реакции и после нее реагенты находятся при одинаковой температуре. Приведенные характеристики реакции разложения воды позволяют непосредственно определить необходимые затраты работы и теплоту при условии, чта водяной пар, как и водород и кислород, находится при указанных давлении и температуре.
Для проведения обратимого изо- 102 термического процесса в соответствии со вторым законом термодинамики необходимо затратить теплоту Я=ТЛЯ. (4.4) В то же время для осуществления обратимой изобарно-изотермической реакции необходимо затратить работу — Е'=Лб. (4.5) Очевидно, чта если процессы хоть в какой-то части необратимы, та в соответствии с основными законами термодинамики необходимая затрата работы возрастает. р=);т р=г т Рнс. 4.1. К определению необходимой работы разложе- ннн воды Смысл работы, необходимой для проведения обратимой реакции (4.!), поясняет рис.
4.1, на котором стандартное давление условно принята за единицу. В реакторе в условиях термодипампческого равновесия при заданных р= ! н Т устанавливаются равновесные парциальные давления всех компонентов рн ,,а н но н.и т)о, определяемые уравнением изотермы реакции )тз (4. 6) рп,о цт Поскольку реакция является одновременно изотермической и изобарной и по предположению равновесйой (обратимой), должно выполняться равенство ЛН (Т) = ТАЗ (Т), (4.7) где ЛН(Т) и Л5(т) взяты для равновесных парциальных давлений реагентов.
В предположении, что последние могут Рассматриваться как идеальные газы (для небольших давлений это вполне допустимо), имеем Лн(т) =ДН (т). Что касается величины Л5(Т), то она в большинстве слу- чаев существенно отличается от ~Л5г(Т): Л5(Т) = ~5н,(Т, р„) + — 5о,(Т, ро,)~ — 5н,о(Т, рн.о), (48) тогда как Л5е (Т) = [5й, (Т) + — 5оо (Т)~ — 5й о (Т) (4 9) Так как для идеального газа в общем случае 5 (Т, р) =5г(Т) — Ипр, то из (4.8) н (4.9) следует (4.10) ,пг Рн,о или с учетом (4.6) Л5(Т) =Л5'(Т)+ —. Т (4.1 1) (4.12) Для равновесной реакции, когда выполняется (4.7), исходя из определения энергии Гиббса должно быть справедливо (4,14) Ен,о=И'1п— Р Рн,о 104 :Лб(Т) =О (4.13) и соответственно для самого реактора Е'=О.
При этом выражение для Лб(Т), так же как и для Л5(Т), относится к равновесным парциальным давлениям и его не следует путать с Лб'(Т). Вернемся к рис. 4.1. Обратимое протекание всего процесса в целом обеспечивается в этой схеме тем, что водяной пар, поступающий для реакции при давлении р= 1, предварительно изотермически расширяется до равновесного парциального давления рн о.
Для того чтобы при этом давлении пар мог быть подан в реактор, где обгцее давление р=1, необходимо применить полупроницаемую перегородку а (су~цествование такой перегородки, проницаемой для молекул только одного сорта, в данном случае молекул НгО, не противоречит основным законам термодинамики).
При обратимом изотермическом расширении исходного пара будет получена работа за счет подвода извне равного этой работе количества теп- лоты Ян,о=Ен,о=ЯТ1п —. Р (4.15) Рн,о Водород и кислород, полученные в реакторе при соответствуюшнх парциальных давлениях, для обратимого протекания всех процессов должны быть выведены из реактора через полупроннцаемые перегородки б и в и изотермически сжаты до давления р=1. При этом в алгебраическом смысле будет получена работа Ен,=ЙТ1п — * Р (4.16) Ео, = — КТ)п — ' ! Ро, 2 Р а соответствующие количества подведенной теплоты опре- делятся выражениями Ян, = 7(Т 1п — "'; Р (4.17) Яо, = —, РТ 1п — '.
1 Ро, 3 Полное количество полученной работы в рассмотренной схеме при условии, что р= 1, составит иг ЕЕ Ен.о+Ен.+Ео,=ЙТ1п "* * . (4.18) Рн„о Сопоставляя (4.18) с (4.6) и учитывая знаки составляюгцих работ, получаем количество работы, необходимое для обратимого проведения реакции по схеме, показанной на рис. 4.1: тЕ Лбо(Т) Е~ (4.19) Таким образом, затраты работы на осуществление обратим " имой реакции в идеально-газовой смеси связаны только с необходимостью обратимого расширения и сжатия реагентов от исходного давления до равновесного парциального и наоборот. Распространенным заблуждением является утверждение, будто разделение компонентов газовой смеси т еб Р Ует затраты работы.
Как показано выше,стермодинамичсской точки зрения разделение компонентов смеси производнтся с помощью полупроницаемых перегородок без какой-либо затраты работы, Но прн этом разделенныекомпоненты ы имеют давления, равные их парциальным давле- 105 пням в смеси, Работа нужна длй того, чтобы сжать каж. дый компонент от парциального давления до конечного (в нашем случае до р=1). Величина Дбо(Т) изменяется с температурой в соответствии с известным термодинамическим соотношением йД6'(г(Т= — ДБо( Т) . (4.20) Поскольку в рассматриваемом случае ДБо(Т) )О, с ростом температуры Дбо уменьшается.
Для реакции (4.1) это приводит к тому, что при Тт5000К Дб' обращается в нуль. Значит лн это, что для обратимого проведения реакции (4.1) при этой температуре источники работы вообще не нужны? Из приведенного выше рассмотрения очевидно, что это не так. При дб'(Т) =0 из (4.6) получаем 1пКр(Т) =-О, откуда с учетом рн, + ро,+рн,о=1 и рн,=2ро, получаем рн,= =05; ро — — 0,25 и р„о — — 0,25, т. е.
работа для расширения н сжатия реагентов будет нужна и в этом случае. Условие Дб'(Т)= — Е'=0 означает, что работы расширения и сжатия сбаланснруются; работа, полученная при расширении водяного пара от 1 до р„о, будет как раз достаточна для сжатия водорода и кислорода от рн н ро до 1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
