RO126560A2 - Tehnologie pe baza reacţiei chimice reversibilă, derivată, exotermă a acidului fosforic cu exces energetic (), din care se produce: hidrogen combustibil şi oxigen industrial - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi la o instalaţie pentru obţinerea hidrogenului combustibil şi a oxigenului industrial. Procedeul conform invenţiei constă din electroliza unei soluţii de HPO, cu concentraţia de 85%, din care rezultă hidrogen combustibil. Instalaţia conform invenţiei conţine un grup (14) de baterii de electroliză, un grup (15) de ventilare gaz radical pentoxid de fosfor neutru, un grup (16) de camere ionizare, un grup (17) de filtrare-ventilare oxigen, o staţie (18) de comprimare şi expediere oxigen, nişte grupuri 1 şi 2 (19 şi 20) de ventilare hidrogen, o staţie (21) de comprimare expediere hidrogen, o staţie (22) de alimentare cu apă, două cazane (23) de vaporizare apă, o staţie (24) de alimentare cu energie electrică şi un grup ( 25) de automatizare flux tehnologic.

Description

I. DESCRIEREA INVENȚIEI.

1.1. Titlul Invenției:

TEHNOLOGIE PE BAZA REACȚIEI CHIMICE REVERSIBILĂ, DERIVATĂ,EXOTERMĂ A ACIDLILUI FOSFORIC CU

EXCES ENERGETIC(R.C.R.D.E.A.F.E.E-), DIN CARE SE PRODUCE: HIDROGEN COMBUSTIBIL Șl OXIGEN INDUSTRIAL.

1.2. Precizarea domeniului tehnic In care poate fl aplicată Invenția.

Hidrogenul poate fi folosit în multe domenii precum sânt: industria chimicâ(amoniac, hidrocracare), industria metalurgică, încălzirea locuințelor. Deasemenea oxigenul are o largă întrebuințare în domenii ca: industria chimică, industria metalurgică, debitarea metalelor.

Se pot construi asemenea stații de producere hidrogen și oxigen pentru alimentarea în sistem industrial a combinatelor de îngrășăminte chimice, a combinatelor de produse petroliere și a combinatelor metalurgice precum și a unităților de debitat materiale metalice.

1.3. Prezentarea stadiului tehnicii.

în prezent principalele metode de producere hidrogen sânt sinteza din combustibili fosili(în special din gaz metan) și electroliza apei. La nivel global, circa 50 de milioane de tone metrice de hidrogen, egală cu aproximativ 170 milioane de tone de echivalent petrol, au fost produse în 2004.

Există două utilizări primare pentru hidrogen în ziua de azi: aproximativ jumătate este utilizat pentru producerea de amoniac (NHs), prin intermediul procesului de sinteză Haber-Bosch, iar cealaltă jumătate din producția de hidrogen curent este folosită pentru a converti surse petroliere grele, în fracții mai ușoare adecvate pentru utilizarea ca și combustibili.

Oxigenul la ora actuală se produce prin fracționarea aerului din atmosferă sau prin electroliza apei. Tehnologia RCRDEAFEE reprezintă o nouă metodă de producție a oxigenului industrial la un preț competitiv.

1.4. Prezentarea problemei tehnice pe care o rezolva Invenția.

în prezent, producția globală de hidrogen este de 48% din gaze naturale, 30% din ulei, și de 18% din producția de cărbune iar din electroliza apei doar 4%. Metoda RCRDEAFEE din această invenție folosește ca materie primă principală apa, care este un produs mult mai ușor de procurat decât gazele naturale sau cărbunii. Deasemenea această metodă nouă produce hidrogen combustibil și oxigen industrial la costuri reduse comparativ cu metodele cunoscute până acum. în viitor rezervele de hidrocarburi la nivel național și mondial se vor epuiza iar producerea de hidrogen combustibil din apă prin metoda RCRDEAFEE reprezintă o alternativă pozitivă.

în plan secundar prin această metodă se produce oxigen industrial la prețuri avantajoase.

I. 5. Expunerea Invenției.

Reacții chimice reversibile. Reacția chimică ce se poate desfășura atât într-un sens cât și în celălalt se numește reacție chimică reversibilă. Produsele reacției chimice reversibile pot reacționa între ele pentru a forma din nou substanțele inițiale.

¹ ,

OFICIUL DE STAT PENTRU INVENȚII Ș| MĂRCI Cerere de brevet de invenție Nr. CO.U..C

Data depozu .....1 j ₍χ- 2 Ο 1 Ο - Ο Ο ί Ο - ι ο -οζ- 2ΐπυ

Exemplu de reacție chimica reversibila compusa din doua ecuații:

1kmol H2O (electroliza, -56kW) -►Ikmol H2 + 1/2kmol O2

1kmol H2 + 1/2kmol O2 (ardere) -►Ikmol H2O(v) + 57750 kcal(67kW) în urma acestei reacții chimice reversibile avem un excedent energetic teoretic Eet = 67 kW - 56kW = 11kW, pentru un ciclu al unui kmol H2O. Exemplu de reacție chimica reversibila exotermâ, compusa din trei ecuații:

1.5.1. Reacția chimica reversibila exotermâ, a acidului fosforic, cu exces energetic, RCREAFEE compusă din următoarele trei ecuații:

kmol H3PO4 (electroliză, -28,2kW) -►S^kmol H2 + 1 kmol PO4(gaz)

3/2kmol H2 + 3/4kmol O₂(ard.) -►3/2kmol H₂O(v) +86625 kcal(100,5kW)

3/2kmol H₂O(v) + Ikmol PO4(c.i.-5,5kW) -►Ikmol H3PO4 + 3/4kmol O2

c.i. - cameră ionizare, consum 5,5 kW/kmol H3PO4 în urma acestui circuit chimic reversibil avem un excedent energetic teoretic Eet =100,5 kW - 33,7 kW = 66,8 kW, pentru un ciclu al unui kmol H3PO4.

Din aceste exemple, reacția chimică reversibilă a acidului fosforic este cea mai productivă cu un excedent energetic teoretic Eet = 66,8 kW.

Reacția chimică reversibilă exotermâ a acidului fosforic cu exces energetic(R.C.R.E.A.F.E.E.), este compusă din următoarele trei ecuații fundamentale: ecuația 1 kmol H3PO4(electrolizâ)-^3/2kmol H2 + 1 kmol PO4

Această ecuație chimică reprezintă descompunerea unui kilomol de acid fosforic în hidrogen sub formă de gaz, respectiv gaz radical PO4, neutru. Acest fapt se realizează cel mai economic prin electroliză, cu un consum energetic Ee = 28,2 kW pentru un kilomol de acid fosforic.

Ete = (96500 C x 1000 moli)/3600 s = 26,805 kW, η_β = 0,95

Ee = Et-ι/ηβ = 28,2 kW

Electroliza acidului fosforic are loc în bateria de electroliză în care acidul fosforic în concentrație de 85%, are temperatura de 43-45°C.

Η3ΞΡΟ4 -► Η3³⁺+ΡΟ4³

La catod se direcționează hidrogenul electropozitiv unde primește trei electroni și se colectează 3/2 moli H2, sub formă de gaz .

La anod se direcționează gazul radical PO4³- electronegativ, care cedează trei electroni și se colectează 1 mol PO4, sub formă de gaz neutru. Prin electroliza unui kilomol de acid fosforic se depune la catod 3/2 kmol H2, adică 33,6 Nmc în greutate de 3 kg, iar la anod se colectează 1 kmol gaz radical PO4 în volum de 22,4 Nmc și greutatea de 95 kg.

ecuația 2

3/2kmol H2 + 3/4kmol O2(ardere) -► 3/2kmol H2O(v) + 86625 kcal

Această ecuație chimică reprezintă arderea hidrogenului combustibil. Pentru arderea a 3/2 kmol (3kg) hidrogen sânt necesari 3/4 kmol (24kg) o (Χ-201 0-001 10-1 Ο -02- 2010 oxigen, ambele elemente aflându-se în stare gazoasa, iar rezultatul arderii este 3/2 kmol apâ însoțită de degajarea unei importante cantități de căldură. Apa va apărea în urma arderii fie sub formă de vapori, în care caz căldura degajată prin ardere va fi de 86625 kcal, fie sub formă lichidă, când căldura cedată va fi de 102750 kcal. Această ardere este însoțită de o contracție volumetrică. Considerăm cazul cel mai probabil în care avem apâ sub formă de vapori după ardere.

Dacă gazele de ardere au presiunea p (mm col. mercur) și temperatura T, volumul unui kmol de gaz de ardere va fi:

V = (22,414 x 760 x T)/(273 x p) [mc]

Cantitatea de 3/4 kmol O2 reprezintă cantitatea stoichiometricâ de oxigen necesară pentru arderea completă a 3/2 kmol hidrogen.

Energia calorică obținută din aceasta reacție chimică exotermă poate fi cedată prin arderea hidrogenului în circuit închis într-un cazan, cu recuperarea celor 3/2 kmol vapori de apâ, iar căldura de aproximativ 80000 kcal fiind cedată cazanului pentru producerea de energie termică utilă, restul de 6625 kcal fiind pierderi de căldură în circuitul vaporilor. La proiectarea cazanului se va ține cont ca temperatura focarului să nu depășească pragul de disociere al apei de 1150°C.

Un avantaj important al acestui procedeu de producere de energie termică este lipsa emisiilor de gaze nocive (CO, CO2), diminuând astfel efectul de seră.

ecuația 3

3/2kmol H₂O(v) + 1kmol PO4(g)(c.i. 5,5kW) -► 1kmol H3PO4 + 3/4kmol O2 Ecuația aceasta reprezintă sinteza acidului fosforic din gazul radical PO4 neutru rezultat din ec. 1, și vaporii de apă rezultați din ecuația 2. Această reacție chimică are loc în camera de ionizare, care prezintă avantajul unui consum minim de energie determinat la 5,5 kW/kmol H3PO4.

Acidul fosforic 100% obținut este vehiculat către bateria de electroliză, iar oxigenul gazos este direcționat în rezervorul de stocare, realizându-se astfel materia primă inițială pentru reluarea ciclului, acest fapt dovedind reversibilitatea reacției și deasemenea faptul că avem un procedeu regenerabil de producere de energie, deoarece la un ciclu al unui kmol de acid fosforic, constând din aceste trei ecuații chimice, obținem un excedent teoretic de energie calorică în valoare de 53000 kcal. Reversibilitatea reacției mai este dovedită și de faptul că suma elementelor chimice din partea stângă a tuturor celor trei ecuații adunate, este egală cu suma elementelor chimice din partea dreaptă.

Din aceasta reacție chimică reversibilă avem posibilitatea producerii practice de: energie termică sau hidrogen, prin proiectarea unor instalații adecvate acestor scopuri, care au fluxul tehnologic bazat pe aceste ecuații chimice.

în continuare vom prezenta separat fluxul tehnologic de producere hidrogen.

1.5.2. Tehnologie chimică de producere hidrogen combustibil șl oxigen Industrial din R.C.R.E.A.F.E.E. derivată.

Această tehnologie are la bază următoarele ecuații chimice, derivate din R.C.R.E.A.F.E.E.:

C V 2 O 1 O - O O 1 1 O - 1 O -02- 2010

1. 1,3 kmol H3PO4 -electroliza-* 1,95 kmol H2 + 1,3 kmol PO4

2. 0,45 kmol H2 + 0,225 kmol O2 -ardere în focar-* 0,45 kmol H2O(v) + + 25987 kcal

3. 1,5 kmol H2O(I) + 25987 kcal - încâlzire-*1,5 kmol H₂O(v)

4. 1,95kmol H2O(v)+1,3 kmol PO4 - C.l.-*1,3kmol H₃PO4+0,975kmol O2 Aceasta este o reacție chimică reversibilă derivată din R.C.R.E.A.F.E.E.. Fluxul tehnologic de producere hidrogen din R.C.R.D.E.A.F.E.E. este prezentat în desenul F.T.P.H. - 00.01.

Prima ecuație chimică are loc în compartimentul bateriilor de electrolizâ(l), unde 1,3 kmol acid fosforic este descompus în 1,95 kmol hidrogen gaz și 1,3 kmol gaz radical neutru PO4, cu un consum de energie electrică de 36,7 kW. Cei 1,95 kmoli(3,9 kg) gaz H2 sânt ventilați în compartimentul stocare, ventilare hidrogen(2), iar de aici 0,45 kmol H2 sânt ventilați în focarul cazanului(3), pentru a fi utilizat drept combustibil.

Cealaltă parte de 1,5 kmol H2 este ventilata la compartimentul de expediere hidrogen(9) pentru livrarea sub formă de gaz sau lichefiat.

Din compartimentul stocare, ventilare oxigen(8), este ventilat 0,225 kmol O2 în focarul cazanului(3) care împreună cu 0,45 kmol H2 realizează ecuația chimică de ardere nr. 2, din care rezultă 0,45 kmol H2O vapori și 25.987 kcal. Focarul cazanului va fi un focar închis pentru a nu permite degajarea în atmosferă a gazelor(vaporilor de apă) rezultate din ardere. Focarul(3) cedează cazanului(4) 25.987 kcal energie calorică, pentru vaporizarea a 1,5 kmoli H2O lichidă, provenită din rezervorul de apă(10), realizând astfel ecuația nr.3 din care rezultă 1,5 kmol H2O vapori cu temperatura T=130°C.

Atât cei 1,5 kmol vapori apă din cazan(4), cât și cei 0,45 kmol vapori apă din focar(3) sânt ventilați către ventilatorul din compartimentul camerelor de ionizare(5) și introduși în camerele de ionizare, unde împreună cu 1,3 kmol gaz radical neutru PO4, ventilat de compartimentul stocare - ventilare gaz PO4(6), realizează reacția chimică nr. 4 din care rezultă 1,3 kmol acid fosforic lichid și 0,975 kmol oxigen gaz, consumând 7,2 kW energie electrică. La baza camerelor de ionizare(5) se colectează 1,3 kmol H3PO4 lichid, care este vehiculat de compartimentul stocare pompare acid fosforic (7), către compartimentul baterii de electrolizâ(l); iar la partea superioară a c.i. se colectează 0,975 kmol O2 gazos care este ventilat la compartimentul de stocare ventilare oxigen(8). Din acest compartiment 0,75 kmol O2 este ventilat către compartimentul de expediere oxigen(11), pentru livrare în stare de gaz sau lichefiat.

De observat că în acest flux tehnologic introducem 1,5 kmol(27 I) apă lichidă, din rezervor(10), și colectăm 1,5 kmol(3 kg - 33,6 Nmc) H2 în compartimentul expediere hidrogen(9), și 0,75 kmol(24 kg -16,8 Nmc) O2 în compartimentul expediere oxigen(11), la un ciclu al 1,3 kmol(127,4 kg) acid fosforic.

(7^2 Ο 1 Ο - 9 C ' · 0 - 1 (I -02- zoia

I. 5.3. Calculul consumurilor energetice șl al randamentului fluxului tehnologic de producere hidrogen combustibil șl oxigen Industrial din R.C.R.D.EJLF.E.E.

i. Electroliza 1,3 kmol H3PO4(127,4 kg)

Ete = 26,805 kW; η_β = 0,95

Ee = 1,3 x Ete/ηβ = 36,7 kW

II. Stocare, ventilare 1,95 kmol H2(3,9 kg; 43,7 Nmc) h = 5000 mm H2O; η = 0,9; Q’ = 29,1 mc.

EtvH = (Q’ x h x p_H)/(paer x 102 x 3600) = 0,0273 kW

Evh = EtvH/η = 0,03 kW - energie ventilare 1,95 kmol H2

Esh = 0,013 kW - energie stocare 1,95 kmol hidrogen iii. Stocare, ventilare 0,975 kmol O2 (31,2 kg; 21,84 Nmc) h = 3000 mm col H2O; η = 0,9; Q’ = 16,8 mc

Etvo = (Q’ x h x po)/(paer x 102 x 3600) = 0,152 kW

Evo = Etvo/ η = 0,17 kW - energie ventilare 0,975 kmol O2

Eso = 0,03 kW - energie stocare 0,975 kmol O2 iv. Energie ventilare 1,95 kmol H2O vapori (43,68 Nmc; 35,1 kg) h = 3000 mm col H2O; Q’ = 33,6 mc; η = 0,9

Etwap = (Q’ X h X pvap)/(paer X 102 X 3600) = 0,17 kW

Ewap = 0,19 kW - energie ventilare 1,95 kmol vapori apă

v. Energie stocare, ventilare 1,3 kmol gaz PO4(29,1 Nmc; 123,5 kg) h = 3000 mm col H2O; Q’ = 22,38 mc; η = 0,9.

EtvPO4 = (Q’ X h X pPO4)/(paer X 102 x 3600) = 0,6 kW

Evpo4 = 0,67 kW-energie ventilare 1,3 kmol gaz radical neutru PO4

Espcm = 0,26 kW - energie stocare 1,3 kmol gaz radical neutru PO4 vi. Energie stocare, pompare 1,3 kmol acid fosforic.( 127,4 kg) d x q = 127,4 kg ; p = 1 at sau h = 10 m col apa ; η = 0,1 EtH3PO4 = (d x q x h)/(102 x 3600) = 0,003458 kW

E_ph3po4 = 0,035 kW - energie pompare 1,3 kmol acid fosforic lichid EsH3po4 = 0,026 kW - energie stocare 1,3 kmol acid fosforic lichid vii . Energie pompare 1,5 kmol apă din rezervor.(27 kg) d x q = 27 kg; p = 1 at. sau 10 m col apâ; η = 0,1 Etpapa = (d x q x h)/(102 x 3600) = 0.0007 kW Epapa = 0,007 kW - energie pompare apâ din rezervor Esapa = 0,003 kW - eneregie stocare 1,5 kmol apa în rezervor viii. Energia consumată în camera de ionizare, pentru sinteza a

1,3 kmol acid fosforic.(127,4 kg)

Eci = 7,2 kW - energia consumată în camera de ionizare ix. Energia totală consumata la un ciclu.

Ec = Ee + 2EvH + Esh + 2EvO + EsO + Ewap + 2EvPO4 + EsPO4 + EpH3PO4 + + EsH3PO4 + Eci + Epapa + Esapa = 46,204 kW

Ec = 46,3 kW

x. Randamentul fluxului tehnologic.

Ec = 46,3 kW, enegia primită din exterior de flux y^ (V 2 Ο 1 Ο - Ο Ο 1 1 Ο - 1 Ο -02 2010

Ec = 39.860 kcal - echivalent energie calorică

Eu = 86.625 kcal - energia utilă cedată de flux, prin arderea a 1,5 kmol H2 η = Eu/Ec = 2,17 = 217% xi. Calculul prețului unui kg H2, respectiv O2.

Considerăm materiile prime ale acestui flux:

Ec = 46,3 kW x 0,05 USD = 2,32 USD pierderi acid fosforic ptr. un ciclu 0,06% = 0,076 kg = 0,18 USD 27 I apă = 0,03 USD total cheltuieli materii prime = 2,53 USD cheltuieli producție pt. un ciclu = 0,92 USD profit 8% = 0,27 USD total cheltuieli la un ciclu = 3,72 USD prețul a 1,5 kmol H2 cu 0,75 kmol O2 = 3,72 USD.

Apreciem costul a 1,5 kmol (3 kg) H2 = 2,52 USD, adică 0,84 USD/kg H2; 0,60 EUR/kg H2; 2,5 RON/kg H2.

Timp funcționare instalație: 8000 ore/an.

Pentru oxigen avem 1,2 USD/24 kg O2, adică 0,05 USD/kg O2, iar pentru O2 lichefiat(200 at): 0,4 USD/kg.

Prin perfecționarea în timp a acestui flux tehnologic, se preconizează reducerea pierderilor de acid fosforic la 0,03% pentru un ciclu, precum și automatizarea completă a instalațiilor care îl compun, ajungând astfel la un preț de 0,80 USD/kg hidrogen gaz.

Hidrogenul gaz poate înlocui gazele naturale ca și combustibil industrial, precum și din locuințe, pentru încălzire cu microcentrale termice și la mașinile de gâtit(aragaze), având avantajul că nu emană CO, CO2, iar prețul este cu 20% mai mic decât al gazelor naturale, cu condiția de achiziționare a energiei electrice la prețul de 50 USD/MW.Pentru țările occidentale prețul energiei electrice este de 50 -60 USD/MW pentru marii consumatori, iar al gazelor naturale în Germania, Franța, Spania este de 0,4 - 0,8 USD/Nmc, ajungând astfel ca prețul hidrogenului să fie jumătate din prețul gazelor naturale (un kg hidrogen - 28.875 kcal/kg este echivalent ca putere calorică cu 3,2 Nmc gaze naturale - 9000 kcal/Nmc).

1.6. Indicarea modulul în care Invenția poate fl exploatate Industrial.

Această tehnologie de producere hidrogen și oxigen industrial poate fi aplicată în combinatele chimice mari consumatoare de hidrogen care în prezent consumă cantități mari de gaz metan pentru fabricarea hidrogenului necesar procesului de producție, metoda RCRDEAFEE fiind o tehnologie rentabilă pentru zonele în care energia electrică poate fi procurată la preț de 50-60 USD/MW.

Deasemenea oxigenul industrial are un preț avantajos pentru zonele cu industrie metalurgică dezvoltată, și în construcțiile metalice.

în continuare prezentăm prețul hidrogenului in funcție de prețul de achiziție al energiei electrice:

CV 2 Ο 1 Ο - Ο Ο 1 1 Ο - 1 β -02” 2010

Preț MW [USD/MW]	Pretul/kg H2 gaz [USD]	Pretul/kg H2 lichid [USD]	Preț/echiv. Nmc gaze naturale [RON]
50	0,84	2,24	0,79
60	1,00	2,40	0,94
70	1,15	2,55	1,08
80	1,30_____________	2,70	1,22

Tabel 1. Prețul hidrogenului funcție de prețul energiei electrice.(fârâ TVA) Pierderile de 0,06% acid fosforic sânt datorate gazului radical PO4, care rămâne impregnat în O2 la ieșirea oxigenului din camerele de ionizare. Pentru micșorarea acestor pierderi se montează filtre suplimentare la ieșirea din camerele de ionizare pentru separarea totală a oxigenului de gazul radical PO4. Oricum oxigenul împreună cu pierderile minime de gaz radical PO4 este ars în focarul cazanului, conducând la depunerea în focarul cazanului a pentoxidului de fosfor P2O5, care va fi colectat purificat și utilizat cu apă la fabricarea de acid fosforic, recuperând astfel o parte importantă din pierderile tehnologice de H3PO4 ale fluxului tehnologic, prin ecuația:

kmol P2O5 + 3 kmol H2O(I) + 1 kmol H3PO4 -► 3 kmol H3PO4

1.7. Prezentarea pe scurt a flecarei desen.

1.7.1. Desen FTPH - OO.O1.

Acest desen arată fluxul tehnologic chimic de producție hidrogen combustibil și oxigen industrial.

în compartimentul baterii electrolizâ(l) are loc electroliza acidului fosforic din care rezultă hidrogen și gaz radical PO4 neutru.

în compartimentul stocare, ventilare H2(2) este direcționat hidrogenul spre focar cazan vaporizare(3), unde are loc arderea hidrogenului cu oxigenul.

în cazan vaporizare apă(4) se încălzește apa până la starea de vapori. Compartimentul camere de ionizare(5) din gaz radical PO4 neutru și vapori de apâ, sintetizează acid fosforic lichid și oxigen gaz.

în compartimentul stocare, ventilare gaz radical PO4(6) este vehiculat gazul radical PO4 spre camerele de ionizare(5). Compartimentul stocare, pompare HsPO4(7) vehiculează acidul fosforic de la camerele de ionizare(5) la bateriile de electrolizâ(l). Compartimentul stocare, ventilare oxigen(8) distribuie oxigenul către compartiment expediere oxigen(11) respectiv focar cazan vaporizara(3). Compartimentul expediere H2(9) distribuie hidrogenul către consumatori. Rezervorul(10) de apâ lichidă asigura alimentarea cazanului de vaporizare(4). Compartimentul expediere 02(11) distribuie oxigenul către consumatori. în compartimentul filtrare oxigen(12) se purifica oxigenul produs în camerele de ionizare(5).

Compartimentul automatizare proces tehnologic(13) asigură funcționarea optimă a fluxului tehnologic.

1.7.2 Desen FTPH - 00.02.

Acest desen reprezintă schema instalațiilor chimice ce compun stația de producție hidrogen combustibil și oxigen industrial.

^-2010-00110-1 0 -02- 2010

Grupul baterii electrolizâ(14) este format din 52 baterii de electroliză a acidului fosforic( plus 4 baterii electroliză rezervă tehnologică).

Grupul ventilare gaz radical PO4 neutru(15) este format din 52 ventilatoare (plus 4 ventilatoare rezervă tehnologică).

Grupul camere ionizare(16) este compus din 104 camere ionizare( plus 8 camere ionizare rezervă tehnologică).

Grup filtrare, ventilare oxigen(17) este compus din 160 filtre și 80 ventilatoare(plus 16 filtre și 8 ventilatoare rezervă tehnologică).

Stația comprimare expediere oxigen(18) are capacitatea de producție de 30 to oxigen pe oră iar aici are loc livrarea oxigenului.

Grup 1 ventilare hidrogen(19) este compus din 40 ventilatoare care vehiculează hidrogen de la grup baterii electrolizâ(14) spre stația comprimare, expediere hidrogen(21). Grup 2 ventilare hidrogen(20) este compus din 12 ventilatoare care transportă hidrogen de la grup baterii electroliză(14) la cazane(23). Stația alimentare cu apă(22) asigura orar 33,75 mc apa pentru alimentarea fluxului tehnologic.

Cazanele 1 și 2(23) prepară vaporii de apă necesari pentru camerele de ionizare(16).

Stația de alimentare energie electricâ(24) asigură alimentarea cu energie electrică a tuturor consumatorilor din stația de producție.

Grupul de automatizare flux tehnologic(25) conduce optim întregul proces tehnologic al stației de producție.

^-2010-00110-1 0 -02- 2010

25	Grup automatizare flux tehnologic	1	FTPH-00.02.25
24	Statie alimentare energie electrica	1	FTPH-00.02.24
23	Cazan	2	FTPH-00.02.23
22	Statie alimentare cu apa	1	FTPH-00.02.22
21	Statie comprimare, expediere hidrogen	1	FTPH-00.02.21
20	Grup 2 ventilare hidrogen	1	FTPH-00.02.20
19	Grup 1 ventilare hidrogen	1	FTPH-00.02.19
18	Statie comprimare, expediere oxigen	1	FTPH-00.02.18
17	Grup filtrare, ventilare oxigen	1	FTPH-00.02.17
16	Grup camere ionizare CI	1	FTPH-00.02.16
15	Grup ventilare gaz radical PO4 neutru	1	FTPH-00.02.15
14	Grup baterii electroliza acid fosforic	1	FTPH-00.02.14
Poz	Denumire reper	buc	Nr. des. sau st.

STATIE PRODUCȚIE HIDROGEN COMBUSTIBIL Șl OXIGEN INDLÎSTRIAL

Nr. desen: F.T.P.H. - 00.02.

13	Compartiment automatizare	1
12	Compartiment filtrare oxigen O2	1
11	Compartiment expediere oxigen O2	1
10	Rezervor apa lichida H2O	1
9	Compartiment expediere hidrogen H2	1
8	Compartiment stocare, ventilare oxigen O2	1
7	Compartiment stocare, pompare H3PO4	1
6	Compartiment stocare, ventilare gaz radical PO4	1
5	Compartiment camere ionizare C.l.	1
4	Cazan vaporizare apa	1
3	Focar cazan vaporizare	1
2	Compartiment stocare, ventilare hydrogen H2	1
1	Compartiment baterii electroliza H3PO4	1
Poz	Denumire reper	buc	Nr. des. sau st.

FLUX TEHNOLOGIC PENTRU PRODUCEREA DE HIDROGEN COMBUSTIBIL Șl OXIGEN INDUSTRIAL Nr. Desen: F.T.P.H. - 00.01.

Ο 1 c - 3 C ν ο - 1 c -02- 20111

L8. Prezentarea detailata a obiectului Invenției.

1.8.1. Utilele șl Instalații flux tehnologic producere hidrogen sl oxigen.

Alegem un flux tehnologic cu 1250 cicluri pe orâ. Cantitatea de acid fosforic 100% este Cat = 127,4 kg x 1250 = 159250 kg, iar de acid fosforic 85% Caf85% = 187353 kg, respectiv 111195 litri. Timpul de funcționare anuală a instalației este de 8000 ore. Fluxul tehnologic este conform cu desenul F.T.P.H. - 00.01 .Jar planul instalațiilor unei stații de producere 3750 kg/oră hidrogen și 30.000 kg oxigen este prezentat în desenul F.T.P.H. - 00.02.

1. Grup baterii electrolizâ(14). (52 baterii electroliză)

Bateriile de electroliză procesează orar 187353 kg acid fosforic 85%, producând: 4875 kg hidrogen și 154375 kg gaz radical PO4, neutru. O baterie de electroliză de 885,5 kW are următori parametri de funcționare:

- putere: 880 kW; capacitate orară prelucrare: 3603 kg H3PO4, 85%; producție orară H2 93,75 kg(1050Nmc); producție orară gaz radical PO4: 2968,75 kg(700 Nmc).

(52 x 885,5 kW = 46046 kW)

2. Grup 1 ventilare hidrogen(19) și grup 2 ventilare hidrogen(20).

(40 + 12 ventilatoare)

Acest compartiment ventilează orar 4875 kg(54600 Nmc) H2, fiind compus din 52 ventilatoare. Parametrii ventilator: putere 5 kW, h = 5000 mm col. apă, Da = 570 mm, Dr = 200 mm, debit 2100 mc/orâ, 93,75 kg/orâ, v = 20 m/s. ( 52 x 5 kW = 260 kW)

3. Focar cazan cu 12 arzătoare inclus în cazan(23).(2 focare)

Acest compartiment primește orar de la 12 ventilatoare hidrogen în cantitatea de 1125 kg H2, iar de la 24 ventilatoare oxigen în cantitatea de 9000 kg O2, produce 10125 kg vapori apă pe care îi ventilează către 24 camere ionizare. Focarul va fi închis pentru a nu permite evacuarea gazelor arse în atmosferă. Parametrii de funcționare pentru un focar:

- hidrogen combustibil: debit 562,5 kg/orâ, (63000 Nmc/orâ), p = 0,5 ata;

- oxigen comburant: debit 4500 kg/oră, (3150 Nmc/orâ), p = 0,2 ata;

- 4 ventilatoare admisie O2: putere 16 kW, h = 2000 mm col. apă,debit 1125 kg/orâ, 3150 mc/orâ.

- 4 ventilatoare evacuare vapori: putere 1,3 kW, h = 300 mm col. apâ, debit 5062,5 kg/orâ.

Se va fabrica un arzător special cu parametrii: presiune H2 0,5 ata, debit H2 46,875 kg/orâ, presiune O2 0,2 ata, debit O2 375 kg/orâ.

(2 x 69,2 kW = 140 kW)

4. Cazan vaporizare apâ(23).(2 cazane)

Căldura obținută în focar este cedată cazanului pentru vaporizarea apei. în acest compartiment intră orar 33750 kg apă lichidă și obținem 42000 Nmc vapori apâ. Un cazan primește orar 16875 kg apâ și produce 21000 Nmc vapori H2O pe care îi ventilează către 40 camere ionizare, prin 20 ventilatoare(1 kW, h = 500 mm col. apâ, 844 kg/orâ, Da = 130 mm, Dr = 110 mm). (2 x 20 x 1 kW = 40 kW)

5. Grup camere ionizare(16).(104 camere ionizare) ^- 2 0 1 0 - 0 0 1 1 0 -1 Ο -02- 2010 în acest compartiment intrâ orar 43875 kg vapori apâ și 154375 kg gaz radical PO4 neutru, producând 159250 kg acid fosforic 100% și 39000 kg O2, fiind compus din 104 camere ionizare.

O cameră de ionizare are următorii parametrii: putere 86 kW, diametru intrare vapori apâ 180 mm, presiune vapori apâ p = 0,2 ata, debit vapori apâ 2625 memora, densitate vapori apâ 0,16 kg/mc, diametru intrare gaz radical PO4 120 mm, presiune gaz radical PO4 p = 0,2 ata, densitate gaz radical PO4 0,8482 kg/mc, debit gaz radical PO4 1750 mc/orâ, 1484,375 kg/orâ, capacitate 80 mc, diametru cameră ionizare 2,8 m. Ventilatorul axial care realizează admisia vaporilor de apâ în camera de ionizare are parametrii: putere 2,5 kW, presiune h = 2000 mm col. apâ, diametru aspirație 200 mm, diametru refulare 180 mm, debit vapori 2625 mc/orâ, densitate vapori 0,16 kg/mc, v = 30 m/s. Ventilatorul axial de admisie gaz radical PO4 are parametrii: putere 7 kW, h = 2000 mm col. apa, debit 1750 mc/ora, 1484,875 kg/ora, densitate 0,8485 kg/mc, diam. aspirație 360 mm, diam. refulare 150 mm, v = 30 m/s. Ventilatorul axial care evacuează oxigenul din camera de ionizare are parametrii: putere 1,1 kW, presiunea h = 300 mm col. apa, diametru aspirație 550 mm, diametru refulare 400 mm, densitate 0,428 kg/mc, debit 875 mc/orâ, v = 30 m/s.

(104 x 97,5 kW = 10140 kW)

6. Compartiment ventilare gaz radical PO4 neutru( 15).(52 ventilatoare)

Acest compartiment ventilează orar 154375 kg gaz radical PO4 și este compus din 52 ventilatoare axiale. Parametrii ventilator: 5 kW, h = 500 mm col. apâ, debit 2968,75 kg/orâ, 14000 mc/orâ, Da = De = 500 mm, densitate 0,212 kg/mc, v = 20 m/s.(52 x 5 kW = 260 kW)

7. Compartiment pompare acid fosforic inclus în grup camere ionizare(16). (104 grupuri pompare)

Acest compartiment pompează orar către bateriile de electrolizâ(14) 159250 kg H3PO4 100% și este format din 104 grupuri pompare de 1 kW fiecare, situate sub camerele de ionizare. O unitate de stocare pompare este formată dintr-o pompă de 1 kW care are un bazin de 250 I. Pompa are parametrii: puterel kW, presiune 2 at, înălțime refulare 11 m, debit 0,25 l/s.

(104x1 kW= 104 kW)

8. Grup filtrare, ventilare oxigen(17).(80 ventilatoare, 160 filtre)

Prin acest compartiment se vehiculează orar 39000 kg O2. Un ventilator axial oxigen are parametrii: 5,5 kW, h = 2000 mm col. apâ, debit 375 kg/orâ, 1312,5 mc/orâ, Da = 400 mm, De = 130 mm.

(80 x 5,5 kW = 440 kW)

9. Stație comprimare, expediere hidrogen(21).(1 compresor)

Acest compartiment primește orar cantitatea de 3750 kg H2 la presiunea de 0,05 ata, pe care îl comprimă la 1,8 - 2 at. cu un compresor axial(antigrizutos). Parametrii compresor: putere 200 kW, debit 3750 kg/orâ, pa = 0,05 ata, pr = 1,8 - 2 at, Da = 3,8 m , Dr = 300 mm, capacitate recipient aspirație = 200 mc, capacitate recipient refulare = 25 mc. Acest compartiment poate livra orar în rețeaua de gaze a unui oraș sau a unei fabrici consumatoare 3750 kg hidrogen, echivalent caloric cu 11875 Nmc gaze naturale.

C*- 2 O 1 C o O ' ^ή o - 1 O -02- 21110 ( 1 x 200 kW = 200 kW)

10. Stație alimentare cu apâ(22).(2 rezervoare)

Acest compartiment vehiculează orar 33750 kg apa și este format din 2 rezervoare de 25 mc care alimentează cele două cazane(23). Apa poate fi obținută din rețeaua orașului sau printr-o stație proprie de apă.

1£ Stație comprimare, expediere oxigen(18).

Acest compartiment primește orar cantitatea de 30000 kg O2 la presiunea de 0,02 ata. Acest oxigen este comprimat și îmbuteliat în butelii din oțel de capacitate 40 I încărcate la o presiune de 150 - 200 at., pentru folosirea ca oxigen industrial în metalurgie sau pentru debitare autogena.

12. Compartiment filtrare oxigen inclus în grup filtrare, ventilare oxigen(17).

Prin acest compartiment se filtrează orar 39000 kg de oxigen gaz provenit din camerele de ionizare. Filtrarea este necesară deoarece oxigenul poate avea impregnat gaz radical PO4 neutru la ieșirea din camerele de ionizare. Se vor folosi filtre speciale acestui scop.

13. Compartiment automatizare(25).

Prin acest compartiment se realizează conducerea optima și eficientă a întregului proces tehnologic de producție. (1 x 200 kW = 200 kW) Consumul de energie electrică corespunzător pentru producerea orară a 3750 kg de hidrogen combustibil la presiunea de 1,8-2 at. este de 57,84 MW. Aproximăm tehnic la 60 MW.

14. Alimentarea cu energie se realizează de stația de alimentare energie electricâ(24).

Suprafața de teren necesară unei asemenea investiții este de 1 -1,5 ha.

O stație de producere hidrogen poate alimenta un oraș sau o unitate industrială, la un preț competitiv, comparativ cu cel al gazelor naturale, dar hidrogenul prin ardere are avantajul că nu degajă în atmosferă gaze nocive și gaze cu efect de seră.

1.8.2. Calculul prețului unul kilogram de hidrogen șl al unul kilogram de oxigen.

Acest calcul se referă la stația cu producția de 3750 kg/orâ hidrogen și 30000 kg/oră oxigen. Timp funcționare stație hidrogen: 8000 ore/an.

Valoarea investiției:

- instalații chimice: 30 milioane USD

- instalații electrice și automatizare: 7 milioane USD

- construcții montaj: 23 milioane USD

- alte cheltuieli: 3 milioane USD

Total investiție: 63 milioane USD

Calcul cheltuielilor de producție pentru o oră de funcționare a stației:

Cheltuieli materii prime/orâ(fârâ TVA):

- energie electrică: 60 MW x 50 USD = 3000 USD

- pierderi acid fosforic 0,06%: 100 kg x 2 USD = 200 USD

- consum apa 33,75 mc/orâ: 100 USD

Total cheltuieli materii prime: 3300 USD Costuri cu salariile:

100 angajați x 2500 USD/lunâ = 250 000 USD ^-2010-00110-1 Ο -02- 2010

- costuri cu salariile/orâ: 347 USD

Amortisment investiție(dobânda 7%/an)

- amortisment/orâ: 422 USD

- întreținere utilaje/orâ: 180 USD

- Alte cheltuieli: 50 USD

- Profit 8%: 344 USD

- Total cheltuieli/orâ: 4643 USD

- Producție/orâ: 3750 kg hidrogen, 30000 kg oxigen.

- Cheltuieli corespunzătoare producției de hidrogen: 3143 USD

- Prețul unui kg de hidrogen gaz: 0,84 USD(fârâ TVA).

- Prețul unui echivalent Nmc gaze naturale: 0,2625 USD(fârâ TVA)

- Cheltuieli corespunzătoare producției de oxigen industrial: 1500 USD

- Prețul unui kg de oxigen industrial: 0,05 USD

Având în vedere câ gazul radical PO4 neutru este otrăvitor, echipamentele prin care acest gaz parcurge fluxul tehnologic, vor fi asemănătoare constructiv și cu aceleași performanțe privind normele de protecție, cu cele utilizate în industria chimică la tehnologiile care au în componență instalații de electroliză ce produc gaz radical PO4, respectiv camere de ionizare pentru sinteza acidului fosforic.

Acest procedeu de producere de energie este un procedeu regenerabil, fără emisii de gaze în atmosferă sau depozitare de deșeuri, reprezentând o tehnologie performantă care se încadrează în normele actuale din acest domeniu.

Claims (4)

1. II. REVENDICĂRI

   II. 1. Revendicarea 1.

   Reacția chimică reversibilă exotermâ a acidului fosforic cu exces energetic (R.C.R.E.A.F.E.E.) reprezintă o noutate în domeniu, și este compusă din următoarele trei ecuații fundamentale: ecuația 1

   1kmol H3PO4(electrolizâ)-><3/2kmol H2 + 1kmol PO4 ecuația 2

   3/2kmol H2 + 3/4kmol O2(ardere) * 3/2kmol H2O(v) + 86625 kcal ecuația 3

   3/2kmol H2O(v) + 1kmol PO4(g)(c.i. 5,5kW) -* 1kmol H3PO4 + 3/4kmol O2 Prin această reacție chimică reversibilă se obține energie termică la un preț avantajos.

   11.2. Revendicarea 2

   Reacția chimică reversibilă derivată din R.C.R.E.A.F.E.E. compusa din ecuațiile:

   1. 1,3 kmol H3PO4 -electroliza-*^ 1,95 kmol H2 + 1,3 kmol PO4
2. 2. 0,45 kmol H2 + 0,225 kmol O2 -ardere în focar-* 0,45 kmol H2O(v) + + 25987 kcal
3. 3. 1,5 kmol H2O(I) + 25987 kcal - încâlzire-»1,5 kmol H2O(v)
4. 4. 1,95kmol H2O(v)+1,3 kmol PO4 - C.l.-»1,3kmol H3PO4+0,975kmol O2 Din această reacție chimică reversibilă se obține hidrogen combustibil și oxigen industrial.

   11.3. Revendicarea 3.

   Fluxul tehnologic conceput în desenul FTPH - 00.01. reprezintă o noutate în domeniu deoarece acesta conduce la o tehnologie performantă de producție hidrogen combustibil și oxigen industrial. Modul de dispunere a compartimentelor și a conexiunilor în cadrul fluxului tehnologic prezintă o prioritate în tehnologia chimică anorganică de fabricare a hidrogenului și a oxigenului.

   11.4. Revendicarea 4.

   Dispunerea utilajelor și a instalațiilor chimice conform desenului

   FTPH - 00.02. precum și a conexiunilor între acestea reprezintă o prioritate în domeniul tehnologiei anorganice de fabricare a hidrogenului și oxigenului, prin aceasta obținând consumuri de energie electrică reduse comparativ cu alte metode care au la baza electroliza apei. în comparație cu electroliza apei se face o economie de 44% energie electrică.