Технология производства водорода из метанола: экологичный выбор для промышленного применения 

Водород является одним из широко используемых промышленных газов. В нефтяной, химической, тонкохимической промышленности, а также в производстве фармацевтических промежуточных продуктов он служит важным сырьевым газом для синтеза; в металлургии, электронике, стекольной промышленности и машиностроении водород является незаменимым защитным газом; кроме того, он используется в качестве топлива в авиакосмической отрасли. За рубежом водород также всё шире применяется в качестве экологически чистого источника энергии.

К распространенным методам производства водорода относятся: электролиз воды, производство водорода путем реформинга метанола, производство водорода из природного газа, производство водорода путем декомпозиции аммиака и т. д. Производство водорода из метанола является одним из таких технологических направлений. В промышленности существует два способа производства водорода из метанола: декомпозиция метанола, частичное окисление метанола и паровой реформинг метанола.

Китай является крупнейшим в мире производителем метанола, на долю которого приходится 60 % мировых производственных мощностей по метанолу. Благодаря обильному источнику сырья, низкой себестоимости, а также тому, что при нормальной температуре и давлении метанол находится в жидком состоянии, что облегчает его хранение и транспортировку, производство водорода из метанола отличается более низким энергопотреблением и меньшими затратами по сравнению с другими способами получения водорода, такими как промышленное производство водорода. Процесс получения водорода путем риформинга метанола широко применяется благодаря высокому выходу водорода (как видно из химической формулы, доля водорода в продукте может достигать 75 %), рациональному использованию энергии, простоте управления процессом и удобству промышленного применения.

Метод получения водорода путем реформинга метанола: в качестве сырья используются легкодоступный метанол и деминерализованная вода, которые при температуре 220–280 °C под действием специального катализатора преобразуются в конверсионный газ, содержащий в основном водород и углекислый газ. Из конверсионного газа извлекается чистый водород с помощью таких технологий, как PSA (адсорбция при переменном давлении).

Принцип его работы заключается в следующем:

Основная реакция:

CH₃OH = CO + 2H₂ + 90,7 кДж/моль CO + H₂O = CO₂ + H₂ – 41,2 кДж/моль

Общая реакция:

CH₃OH + H₂O = CO₂ + 3H₂ + 49,5 кДж/моль

Побочные эффекты:

2CH₃OH = CH₃OCH₃ + H₂O – 24,9 кДж/моль; CO + 3H₂ = CH₄ + H₂O + 206,3 кДж/моль. Производство водорода путём риформинга метанола является эндотермической реакцией, которую можно рассматривать как совокупный результат реакции разложения метанола и конверсии монооксида углерода. Технология получения водорода путём парового реформинга метанола прошла ряд технических усовершенствований и в настоящее время является достаточно зрелой. Реакция реформинга метанола обычно протекает при температуре 220–300 °C, давлении 1,5 МПа и молярном соотношении H₂O к CH₃OH 1,0–5,0. Газ, полученный в результате реформинга, проходит процессы очистки, такие как адсорбция при переменном давлении, что позволяет получать водород различных спецификаций.

В процессе риформинга метанола можно использовать как изотермическую, так и адиабатическую реакционную систему. В изотермической реакционной системе применяется трубчатый реактор, корпус которого заполнен теплоносителем для обеспечения теплообмена и поддержания постоянной температуры реакции. В адиабатической реакционной системе смесь пара и метанола проходит через ряд адиабатических каталитических слоев, между которыми установлены теплообменники.

Систему очистки продуктов реакции можно выбирать в зависимости от требований к классу качества продукции; технологии адсорбции при переменном давлении и мембранного разделения являются весьма эффективными методами очистки газов. Очистка методом адсорбции при переменном давлении позволяет получить водород с чистотой выше 99,999%; в зависимости от используемого адсорбента и технологических условий коэффициент извлечения водорода колеблется в диапазоне от 70 % до 87 %. Для очистки водорода могут применяться такие процессы, как промывка растворителем, каталитическое преобразование CO и метанизация.

Технология получения водорода путем риформинга метанола обладает следующими особенностями:

По сравнению с крупномасштабным производством водорода путем переработки природного газа, легкой нефти и водородного газа, данный метод отличается более коротким технологическим циклом, меньшими инвестициями, низким энергопотреблением и отсутствием загрязнения окружающей среды;

По сравнению с производством водорода методом электролиза воды стоимость единицы водорода ниже более чем на 30 %;

По сравнению с технологией получения водорода путем расщепления аммиака она отличается более мягкими условиями реакции, а также удобством транспортировки и хранения сырья.