До фронта, эффективной оценки Технология: Это то, что необходимо для предотвращения Тщетное Инвестиции

Первым важным шагом в поисках более эффективных и менее дорогих процессов с целью оценки новых идей и исследовательских программ на самой ранней стадии, предпочтительно до того, значительные расходы были понесены. Данная статья представляет собой мощный и эффективный способ сделать это, используя минимальное количество данных. Он описывает и иллюстрирует подход, его использование на примере из открытых источников, относящихся к водорода (1-15). H ^ 2 ^ к югу экономики привела ко многим исследовательские проекты, которые не имеют смысла, и огромные государственные средства были и остаются на них расходуется. Например, из сумм, израсходованных на термомеханически генерируется H ^ 2 ^ к югу ($ 10 млрд потратили во всем мире в 1970, что эквивалентно $ 30 млрд в 2006 долл. США), должен повысить серьезная озабоченность в нашей профессии. Если мы хотим, чтобы и впредь оставаться лидерами в области технологий и развития в условиях нынешнего экономического климата, важно, чтобы мы научились быть более экономически эффективным.

Метод, изложенный здесь, может быть полезным в управлении организацией, более стратегического использования его средств. Он сравнивает предлагаемые процессов с имеющимися технологиями, которые являются либо аналогичных или конкурирующих с упором только на трудности как-термодинамических, кинетических и строительных материалов, наличие и свойства катализаторов, разделение маршрутов и т.д. Она оценивает, каким образом ограничения влияют новый процесс , или, если новый процесс имеет различные ограничения, а затем в оттачивает о различиях между процессами и экономической ценности каких-либо преимуществ или недостатков.

Это также полезно, чтобы попытаться понять, почему существующий процесс был разработан, как это было. Перед рассмотрением любых схем и деталей, спросить, есть ли эта идея имеет смысл, и является ли оно лучше, чем в настоящее время. Подготовка схем и массового и теплового балансов, но не полагайтесь на смете расходов, на основе этих схем, а результаты, как правило, значительно ниже, чем те, которые имеются в практике. Схем безнадзорности многие важные события в реальном процессе. Спросите, сколько существующие расходы могут быть улучшены. Дизайн включает в себя много компромиссов, и эти компромиссы будут различными при изменении структуры расходов.

Производство водорода в термохимических циклов

Высокая стоимость получения водорода с использованием электролиза привели к поиску более дешевые технологии, один из которых был термохимической H ^ 2 ^ к югу. Речь идет стандартный процесс H ^ 2 югу ^ поколения с ядерным реактором электроэнергии электролиза воды. Это дорого, так что идея была поддержана в 1970-е годы, чтобы использовать тепло непосредственно от высокотемпературного ядерного реактора разделить воду. Тем не менее, температуры, необходимой для расщепления воды непосредственно в несколько тысяч градусов по Цельсию, а максимальная температура, при которой тепло могут быть переданы через теплообменник 900 ° C. Поэтому было предложено использовать замкнутое множество химических реакций, а также тепла ядерного реактора.

Первый термодинамических принципов продемонстрировать, что она не представляется возможным найти цикла, которые могут конкурировать с высокотемпературного ядерного реактора для выработки электроэнергии и электролизного воды (2). Таким образом, программы отказались в начале 1980-х, но с тех пор был возрожден, и уделяется большое внимание.

Цикл I. Для оценки эффективности H ^ 2 югу ^ производства с использованием процесса термохимической цинка, рассмотреть следующие вопросы:

Zn ^ к югу (л) ^ H ^ 2 югу ^ O ^ подпункта (г) ^ [стрелка вправо] ^ ZnO подпункта (с) ^ H ^ к югу 2 (г) ^ (1)

, где H = - 25,4 ккал / моль,

ZnO ^ подпункта (а) ^ [стрелка вправо] Zn ^ подпункта (г) ^ ^ 1/2O подпункта 2 (г) ^ (2)

, где H = 114,4 ккал / моль,

Расщепления воды требует большого входного Для термохимического цикла, это увеличение свободной энергии должен быть порождена тепла (5). Это означает, что Иными словами, то следующие условия должны быть выполнены:

Уравнение 3 может быть использована для вычисления минимальной температуры реактора, необходимые для запуска эндотермической реакции с хорошей конверсии. Если T ^ R ^ югу выбрана 900 ° C, то Для диссоциации воды, соотношения Этот цикл не представляется возможным использованием высокотемпературного ядерного реактора. Как упоминалось ранее, трудно экономически переноса тепла через теплообменник при температуре выше 900 ° C, в соответствии с требованиями второй реакции. Если условие в уравнении. 1 не выполнено при допустимой температуре, это не значит, что смерть процесс не может работать лишь значит, что Одним из наиболее эффективных и дешевых способов является электролиз, что текущий процесс. Если реакция связана с изменением объема, сжатие или вакуум может быть использован для создания части

Еще один способ достичь желаемого Однако, это наименее эффективный путь, а эффективность разделения процессов, как правило, от 5% до 20%. Прежде чем продолжить, рассмотрим гипотетический вопрос: Если предположить, что источником тепла может быть найдено, такие как солнечная энергия или различных высокотемпературных ядерных реакторов, что позволяет нам выполнять цикла Помогло бы это? Давайте посмотрим на термодинамики. Теоретических тепловой эффективности цикла цинка Теоретический КПД генерации водорода первой генерации электроэнергии, а затем путем электролиза составляет 86%.

Чтобы конкурировать с электролиза на равноправной основе (реальный КПД 40%), практическая эффективность маршрута цинка термохимической придется 80% от теоретической, которого никто не химический процесс, никогда не достигнут. В этот маршрут, мы должны производить 33 кг Zn из оксида цинка, а с 1 кг Zn не может быть произведено менее чем за 30 центов, стоимость цинка процесса было бы по меньшей мере 10 раз больше стоимости электролиза (около $ 1,00 / кг Zn производства, в том числе расходов на электроэнергию) (13).

Цикл II. Идея была предложена иметь цикла с более реакций, таких, как сера-йод цикла показано в таблицах 1 и 2 (7-9).

Первый серы с йодом цикла предлагаются 6-шаг цикла (табл. 1). На практике это есть несколько технических препятствий, в том числе четвертый и пятый шаги не представляется возможным, поскольку Аналогичная проблема существует для шага 5. Реакция:

2 HI [стрелка вправо] H ^ 2 ^ к югу I ^ ^ к югу 2 - (4)

является основой промышленного производства йода, но этот шаг не может быть выполнен как единое химической реакции. На практике, хлора путем электролиза сделал добавляется йодистого водорода получения йода:

2HI ^ к югу (г) ^ ^ к югу Cl 2 (г) ^ [стрелка вправо] ^ югу 2HCl (г) ^ I ^ к югу 2 (г) ^, (5)

, где H = - 41,9 ккал / моль, HCl регенерируется путем электролиза, в результате чего очень дорогостоящий процесс. Единственный способ для выполнения шага 5 непосредственно является создание

Один из способов поведения шаг 4 заключается в добавлении воды в реакции. Поступая таким образом, Это является важным принципом в проведении реакций с высокой

Хотя эта связь является эффективным и позволяет реакция проводится при низкой температуре, она имеет большой штраф. В таблице 2 приведены подробные данные о всех шагах. Общая реакция на шаге 3 имеет серьезные негативные Только 20,4 ккал / моль общей И, поскольку свободной энергии, связанные с реакциями с отрицательным Остальные

Но очень немногие процессов сепарации эффективность более 20%. Комплекс дистилляции Даже без подробной сметой расходов, то нам потребуется ядерный реактор в 3-4 раза больше, чем требуется для электролиза, а также очень дорогие химические и процессов разделения. Это будет трудно сделать за $ 40/kg H ^ 2 ^ к югу, или $ 300/million БТЕ H ^ 2 ^ к югу.

Учитывая сложность этих циклов, критических возникает вопрос: существуют ли такие циклические процессы в промышленности? Да, еще есть, хотя их было гораздо больше в прошлом, к югу Cl 2 ^ ^ первоначально был затронут циклического процесса, а также несколько других продуктов все сделал теперь путем электролиза. Когда есть необходимость в высокой Ситуация ничем не отличается по югу H ^ 2 ^.

Стоимость и соображениями обеспечения эффективности

Что касается стоимости электролиза, рассмотреть предложение от фактической производителем электролизных систем, имея в виду, что только растения, доступных малы. Norsk Hydro электролизеров AS (Осло, Норвегия) (10) дали расценки на 1000 кг / сутки H ^ 2 ^ к югу завод (атмосферное давление), требующие 48 кВт / кг H ^ 2 ^ к югу и показывая более теплоте сгорания (HHV) Эффективность 82%, а 1450 $ / кг H ^ 2 ^ к югу в сутки, в том числе собраний. Инвестиционной стоимостью $ 1450 включает в себя 250 долл. США за пределами сайтов также необходим для тепловых процессов. Хотя чистые инвестиции в $ 1200 может быть значительно уменьшена в результате расширения масштабов и массового производства, мы будем продолжать использовать $ 1200 для дополнительных расчетов в этой статье.

Здесь мы должны предупредить читателя распространенная ошибка в технологии оценки. Исследователи или менеджеры пытались продвинуть свои идеи увеличит стоимость конкурентоспособных технологий, минимизируя при этом свои собственные. Для электролиза растений, то это нормальное инвестиционные расходы в несколько тысяч долларов за килограмм H ^ 2 ^ к югу и эффективность 65% HHV для небольших подразделений. Хотя 65% была эффективность 30 лет назад, стоимость электролизеров никогда не был на такой высоте. Мы хотели бы посоветовать читателям не делать этого, при оценке его собственных идей.

Обратите внимание, что при электролизе не является основным стоимости в производстве H ^ 2 югу ^, по сравнению с расходами на ядерном реакторе. Установленная мощность 2,2 кВт, необходимые для каждого ежедневного кг H ^ 2 югу ^ (2 кВт для электролиза и 0,2 кВт для компрессоров) (14). Затраты на новые ядерные реакторы отличаются друг от друга, здесь стоимость составляет $ 2200 за кВт использовать (15), что переводится как $ 4840 / кг H ^ 2 ^ к югу - гораздо больше, чем $ 1200 в электролизере.

Тепловые цикла будет экономить $ 1200 / кг H ^ 2 ^ к югу для электролизера, а также сэкономить $ 800 на часть ядерного реактора, который генерирует электроэнергию. Эти цифры основаны на стоимости электростанции комбинированного цикла ($ 400/kW потенциала, коммерческие данные). На самом деле однако, только часть $ 800 на самом деле сохранен. Эффективности высокотемпературных ядерных реакторов, 55%, умноженное на 0,82 дает 45%. Таким образом, для 1 кг H ^ 2 ^ к югу, мы должны поставлять на процесс около 300.000 БТЕ (136 000 / 0,45). Если цикл может достичь такой эффективности, это потребует же мощности. Это тепло должно быть доставлено в циркуляции горячего гелия (185 молей или больше за каждый килограмм H ^ 2 ^ к югу) через теплообменник высокой температуры и ядерного реактора - в четыре раза больше, чем требуется в случае электроэнергии, а также трубопроводы, а также Стоимость высокотемпературного теплообменника должны быть включены также. Оно не может быть можно сделать это за $ 800 и, безусловно, не намного меньше. Но, предположим, $ 400 могут быть сохранены для общей экономии в размере 1600.

Это примерно 20% от общей стоимости. Если цикл более эффективно, чем электролиза, мы можем остановиться на этом ..

Основной вопрос заключается в этой связи: Могу термохимического цикла избили эффективности электролиза? Ответ очевидный нет. Теоретический КПД электролиза в HHV составляет 100%, а зачастую и производства электроэнергии составляет 80%. В химической обработки, даже просто один шаг реакции редко достигают 70% от теоретической эффективности работы по созданию AG, которая обычно 40%. За четыре этапа, эффективности будет доля теоретический КПД.

Это проиллюстрировано на простом примере ниже участием H ^ 2 ^ к югу образования из природного газа. Общая реакция:

H2O (L) [стрелка вправо] H ^ 2 югу ^ O ^ подпункта (г) ^ (6)

, где H = 10,5 ккал / gmol и

CH ^ подпункта 4 ^ ^ к югу (г) ^ ^ 2H 2 югу ^ O ^ подпункта (г) ^ [стрелка вправо] СО2 4H ^ ^ 2 подпункта (7)

, где H = 39,4 ккал / gmol и

Эффективность высокой температуры реакции в создании Реальная эффективность процесса для повышения

Чтобы сделать корректное сравнение с электролизеров, теоретическое значение необходимо умножить на коэффициент 0,3 к 0,5, чтобы получить реальную эффективность. В тепловых циклов химических, в отличие от электролиза, энергетические потребности разделения процессов, а для перемещения материала вокруг (в том числе горячего гелия) должны быть добавлены к общей потребности в энергии. Эта энергия требования для перекачивания и перемещения материала. в большинстве случаев существенной, особенно при больших количеств материала участвуют.

Хотя сотни циклов были предложены, мы никогда не видели реальной один - чистый термохимической цикл. Так Есть нет примеров того, как максимума (минимума), эффективность термохимического цикла - только то, что она должна быть ниже 25-30%. Этот пример позволяет проиллюстрировать другую полезную метод для оценки процесса.

Предположим, что стоимость электроэнергии составляет $ 0.06/kWh. Таким образом, электричество будет стоить $ H ^ 3.20/kg подпункта 2 ^ (53 кВт-ч, в том числе при сжатии). Предположим, что общая стоимость электролизного завода, $ 0,60 в том числе очистки воды и сжатия, составляет $ 1200 / кг H ^ 2 ^ к югу в сутки. Чтобы оценить стоимость этой инвестиции на душу населения кг H ^ 2 ^ к югу, нужно вычислить инвестиционных расходов, таких как амортизация, капитала возвращения, налоги, обслуживание, эксплуатационные расходы и т.д., чтобы затраты на единицу продукции ежедневно. Это очень сильно зависит от того, как компании подход, необходимый капитал возвращения. Хотя эти сложные вычисления, можно заменить предварительным оценкам упрощенной формуле: умножить цену за единицу продукции ежедневно на коэффициент 0,0005 до 0,00075. За коммунальные услуги фактором ближе к нижнему пределу. На практике фактический коэффициент проистекает из того, компания рассчитывает ее.

Это дает $ 32/million БТЕ (млн. БТЕ) H ^ 2 ^ к югу, которая, как топливо, текущая стоимость $ 8/MMBtu. На самом деле, стоимость водорода выше, мы пренебрегли при сравнении стоимости сжатия, хранения, прокладки трубопроводов и т.д., что привело бы к минимальной стоимостью $ 45/MMBtu. Как уже отмечалось, что стоимость электроэнергии, используемых непосредственно в электричество, по крайней мере, вдвое больше, чем H ^ 2 ^ к югу. Итак, очевидно, что по мере возможности следует использовать электричество напрямую.

Высокая стоимость получения водорода с использованием электролиза привели к идее термохимических H ^ 2 ^ к югу. К сожалению, этот процесс не является термодинамически возможным, равно как и экономической точки зрения. Давайте посмотрим на стоимость цикла в течение двух циклов.

Первого цикла требует 33 кг цинка, который идет электролитически из оксида цинка. Стоимость этой реакции восстановления является одним из основных дешевле цинка, который составляет $ 40 долларов / кг. Существует никакой возможности сделать это сокращение для $ 5/kg Zn или даже $ 10/kg Zn.

Теперь давайте посмотрим на серу йода цикла (табл. 2). На основании общего производства 1 кг H ^ 2 ^ к югу, 412 кг материала обрабатывается в пункты 1, 3, 6 и 8 и 253 кг материала обрабатывается в процессах разделения показали в действии 2, 4 и 5. Этот процесс также требует 127 кг I ^ ^ к югу 2 / кг H ^ 2 ^ к югу производства, концентрации и разложения 100 кг серной кислоты. Трудно понять, как это можно сделать за $ 40/kg H ^ 2 ^ к югу - не включая расходы на дорогие процессы разделения, которая создает 66% от На основе производственного опыта, можно с уверенностью предположить, что создание 66% от Таким образом, деньги, потраченные на цикла химических веществ было напрасно.

Гибридная циклов

Чтобы преодолеть трудности, найти реального цикла термохимических изменение цикла на основе следующих реакций представлены:

SO ^ 2 ^ к югу H2O [стрелка вправо] SO ^ подпункта 3 ^ H ^ ^ 2 подпункта (8)

, где H = 34,1 ккал / моль,

SO ^ подпункта 3 ^ [стрелка вправо] SO ^ к югу 2 ^ 1 / 2 O ^ к югу 2 ^ (9)

, где H = 23,7 ккал / моль,

Первый шаг осуществляется в электролитической ячейке, в то время как второй шаг, известный процесс, происходит в химическом реакторе. Поскольку расходы и потери электролитической ячейке сильно зависят от силы тока, стоимость электролитической ячейке не может быть дешевле, чем при электролизе воды, так как только 60% от

Кроме того, SO ^ 2 ^ к югу образуются на электроде, скорее всего, форма H ^ 2 ^ к югу SO ^ ^ 4 к югу, удвоение свободной энергии, необходимой для второй шаг и тем самым уничтожить дальнейшее увеличение . Но химические реакции создания оставшиеся 40% Цикла необходима большая ядерного реактора, чем требуется для электролиза, а также дорогие химического завода. Без проведения каких-либо экспериментов, уже сейчас можно увидеть, что этот цикл не имеет никаких преимуществ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Shinnar Р., "Дифференциальные экономического анализа. Бензин из угля", Chemtech, 8 (11), с. 686-693 (1978).

2. Shinnar, Р. и др. /. ", Термохимические и гибридных циклов производства водорода. Дифференциальные экономическое сравнение с Электролиз" Я

3. Shinnar Р., и др.. "Использование ядерной энергии в производстве синтез природного газа и водорода из угля", IEC процесса дизайна

4. Marchetti, C., "Водород и Энергетика, Химическая экономики

5. Shinnar Р., CD Фэн, "Структура комплекса каталитических реакций. Термодинамические ограничения в кинетической моделированию и оценке Catalyst". IEC Основы, 24 (2). с. 153-170 (1985).

6. Shinnar Р., "Термодинамический анализ процессов в химической и конструкции реактора," Химическая Eng. Наук, 43 (8), с. 2303-2318 (1988).

7. Farbman, GH, "Концептуальное проектирование комбинат Производство атомно-водородной Использование серы разложения водного цикла". Westinghouse Electric Корпорация НАСА CR-134976 (1976).

8. Mathias, ТЧ и LC Браун, "Термодинамика Suifur-йода для термохимической цикл производства водорода", шестьдесят восьмой ежегодной встрече Общества инженеров-химиков. Япония (2003).

9. Браун, LC, и др.. "Высокая эффективность генерации водорода топлива использования ядерной энергии". General Atomics Заключительный технический отчет GA-A24285 (2003).

10. Norsk Hydro ASA, Drammensveien 264, N-0240, Осло, Норвегия.

11. Wentorf, R, H., и RE Ханнеман, "Генерация термохимической водорода," Наука, 185. с. 311-319 (26 июля 1974).

12. Shinnar Р., термохимические водорода Требования тепла и затраты ". Наук, 188. с. 1036-1038 (6 июня. 1975).

13. Редакционно-консультативный совет ", Ульман в энциклопедии промышленной химии". Седьмое издание, Wiley-VCH. Weinheim (2006).

14. Shinnar Р., водородной экономике, топливные элементы и электрические автомобили ". Технология в обществе, 2 (4). с. 455-476 (2003).

15. Shinnar, Р. и Ф. Ситро. "Дорожная карта" в США Декарбонизация "Наука, 13. с. 1243-1244 (сентябрь 2006).

Д-р Рагуила Shinnar и д-р Франческо Читро, City College в Нью-Йорке

Рагуила SHINNAR является известный профессор химического машиностроения в городе Coilege Нью-Йорка (CCNY; сто тридцать восьмой-Петербурга и монастырь просп. Штейнман зале Suite T-316, New York, NY 10031, телефон: (212) 650-6679; Факс: (212) 650-6686, E-почта: <a href="mailto:shinnar@che.ccny.cuny.edu"> shinnar@che.ccny.cuny.edu </ A>), где он преподавал за 40 лет, и проводит консультации в нефтяной и химической промышленности, а также для энергетики и EPRI. Его ХЭ градусов включать Dipl. Eng. и степень магистра по Технион - израильский технологический институт и Колумбийский EngScD Univ. Он является автором или соавтором более 30 патентов, многие из которых находятся в крупномасштабное использование, а также членом Национальной академии инженерных наук.

Франческо Ситро является научным сотрудником в Институте экологически чистых видов топлива на CCNY (тел.: (212) 650-6671, E-почта: <a href="mailto:citro@chemail.engr.ccny.cuny.edu"> Ситро @ chemail . engr.ccny.cuny.edu </ A>), где он участвует в экономической оценки новых процессов на ранней стадии разработки, в частности, связанных с энергетикой процессов. Он имеет эквивалентную степени магистра Univ. Салерно (Италия) и магистра и докторскую степень по CCNY, все в химическом машиностроении.

Численное моделирование поршневых насосов и пневматических двигателей

Анализ производительности APC

Оцените возможности простой пакетной обработки

Спросите экспертов: Кристаллизация

4 шага к управлению комплексными программами развития

Коррозионно-стойкие покрытия и покрытия

Чья уравнения является то, что в любом случае?

AlChExtra меняется

Письмена

Chill Out!

Обогащение с помощью биотехнологии растений

Изготовление воды покрытий из молока