Ответ на пост «Метан из воздуха»
Скорее некроответ на некропост.
Рассчитываем энергетический баланс процесса Фишера – Тропша при получении углекислого газа из воздуха, а водорода электролизом из воды.
СО2 + 2Н2 = СН4 + 2О2.
Из формулы реакции видно, что для ее воспроизведения потребуется 1 объем СО2 и 2 объема Н2
Для простоты расчетов возьмем 1 моль СО2 и 2 моля Н2.
Расчет энергетического баланса проведем исходя из самых суровых условий, с небольшим избытком энергопотребления (спишем на потери).
Подогреваем входящий воздух с – 60°С ДО +25°С.
Так как содержание углекислого газа в атмосфере составляет всего 0,03%, то для того, чтобы собрать 1 моль СО2, через абсорбер нужно прогнать и нагреть до +25°С 3340 моль воздуха. То есть нагреваем на 85°С.
Теплоемкость воздуха составляет 1030 дж/кг.
Средняя молярная масса = 28,98г/моль.
Отсюда ((28,98 * 3340) / 1000) * 1030 * 85 = 8 474 244,66 джоулей. Округлим до 8 500 000 джоулей.
В принципе, на этом моменте можно уже прекратить остальные расчеты, но я все же продолжу.
Ловим углекислый газ из атмосферы. Для этого используем DAC-сорбенты, например, моноэтаноламин (МЕА). Его преимущество в том, что десорбция происходит при нагреве всего до 110°С.
Для данного вещества константа сорбции углекислого газа составляет 0,4 моль газа на 1 моль моноэтаноламина, при +25°С и 1 атмосфере давления. («Chemical Engineering Journal» 2016 год»)
Чтобы абсорбироввать его потребуется 2,5 моль МЕА, при +25. Так как молярная масса МЕА = 61,08г/моль, вес МЕА составит 152,7 граммов.
Десорбция углекислогогаза.
Так как процесс десорбции происходит при нагреве до 110 С, рассчитаем, сколько на это будет затрачено энергии. Нужно нагреть МЕА с + 25°С до +110°С.То есть на 85°С.
молярная масса МЕА = 61,08г/моль
Удельная теплоемкость = 2,44 дж/г.
Отсюда: 61,08 * 2,44 * 2,5 * 85 = 31 669,98 джоуля. Округлим до 32 000 джоулей.
Подогрев воды.
Предположим, что вода приходит с температурой +1°С. Нужно нагреть ее до +25°С.
1 моль воды имеет массу 18,01528 г / моль.
Теплоемкость воды = 4200 дж/кг.
Отсюда: 18,01528 / 1000 * 4200 * 24 = 1815,940 джоулей. Округлим до 2 000 джоулей.
Электролиз воды.
Электролиз будем проводить в щелочном электролизере.
При электролизе 1 моля воды, мы получаем 2 моля водорода и 1 моль кислорода.
Так как энергия Гиббса при +25°С = 237,24кДж/моль, а КПД электролизера примерно 70%, то затраченная на электролиз энергия примерно составит около 241 000 джоулей. Округлим до 250 000 джоулей.
Теперь, для запуска процесса Фишера – Тропша, нужно нагреть водород и углекислый газ до температуры +250°С.
Рассчитаем, сколько энергии потребуется на это.
Углекислый газ
Догреваем от температуры 110°С, то есть на 140°С.
Молярная масса 44.01г/моль.
Удельная теплоемкость 849 дж/кг.
Отсюда 1 / 1000 * 44,01 * 849 * 140 = 5231,0286 джоулей. Округлим до 5300 джоулей.
Водород
Догреваем от + 25°С до + 250°С, то есть на 225°С.
Молярная масса 1,00811 г/моль.
Удельная теплоемкость 14304 дж/кг.
Отсюда 1 / 1000 * 1,00811 * 14304 * 225 = 3677,101 джоулей. Округлим до 3700 джоулей.
В ходе реакции на никелевом катализаторе образуется 1 моль метана и 1 моль кислорода.
Расходы:
Подогрев воздуха = 8 500 000 джоулей
Десорбция 1 моль углекислого газа = 32 000 джоулей.
Подогрев воды = 2 000 джоулей.
Получение 2 моль водорода = 250 000 джоулей.
Нагрев углекислого газа до температуры реакции = 5300 джоулей
Нагрев водорода до температуры реакции = 3700 джоулей
Итого Расходы: 8 793 000 джоулей. Из них 250 000 джоулей электрической энергии и 8 643 000 джоулей тепловой.
Итого доходы:
При полном сгорании 1 моль метана получим 803 200 джоулей тепловой энергии.
Выводы:
Как можно заметить, чуда не произошло. Разница между приходом энергии и ее расходом десятикратная, не в пользу прихода. Это ставит под вопрос целесообразность использования таких установок в зимнее время. Большая часть энергии тратится на подогрев гигантских объемов воздуха, из которого сорбируется углекислый газ.
В летнее время энергобаланс работы такой установки положителен, но в расчетах не учтена экономическая составляющая.
Так, например, стоимость кобальтового или никель-железного катализатора, используемого в реакторе, может оказаться довольно высокой.
Также, в процессе электролиза, используется дистиллированная вода и электролит (например, КОН), который также немого расходуется. Не учтена стоимость водоподготовки, а также осушения и фильтрации газов после электролизера.
Не учтена стоимость моноэтаноламина и срок его использования до начала деградации.
Все эти факторы могут привести к тому, что даже в летнее время, стоимость замены расходников не покроется стоимостью произведенной тепловой, или электрической энергии.
З.Ы.
Сам не химик. Скорее просто любитель)
Все данные подсказал мне великий Гугл и жена его Википедия.
Надеюсь, настоящие химики подскажут, если я где – то ошибся.
Выход метана в реакторе принял за 100%, т.к. нашел информацию что на никель - железном катализаторе составляет 99,8%, правда при 300°С.
Если что, моль вот:
