تکنیک ها و ابزارهای صنعتی تولید هیدروژن.

واژگان کلیدی: تولید هیدروژن ، صنعت ، الکترولیز ، تجزیه گاز ، اصلاح ، کاتالیزورهای فلزی ، هزینه ها ، شرایط ، عملکرد.

معرفی

امروزه بسیار شیک است و شاید به اشتباه به عنوان یک راه حل انرژی برای نسل های آینده در نظر گرفته شود ، با این وجود هیدروژن در حالت بومی خود روی زمین وجود ندارد.

او نمی تواند منبع انرژی در نظر گرفته نشود (برخلاف انرژی های فسیلی یا تجدید پذیر) اما به همین سادگی یک بردار انرژی، یعنی وسیله ای برای انتقال یا انتقال انرژی. متأسفانه محدودیت های مربوط به استفاده از هیدروژن پرانرژی بسیار زیاد است ، به طوری که هنوز هم سوخت های مایع نفتی سال های خوبی در پیش دارند.

اما ، علاوه بر این ملاحظات مربوط به استفاده از هیدروژن ، بگذارید به موضوع این مقاله بپردازیم. در واقع ، از آنجا که هیدروژن به شکل طبیعی در زمین وجود ندارد ، لازم بود (و مهمتر از همه لازم باشد) روشهای تولید با سودآوری اکولوژیکی توسعه یابد. در اینجا یک مرور کلی از روش های فعلی است.

برای اطلاعات ، در حال حاضر از انرژی هیدروژن (علاوه بر وسایل نقلیه پیل سوختی حاشیه ای که با H2 خالص کار می کنند) فقط در یک منطقه استفاده می شود: پرتابگرهای فضایی.

1) مواد اولیه

عمدتا هیدروکربن (گاز طبیعی) و آب.

2) ساخت صنعتی.

اصل کاهش H2O توسط:
(الف) هیدروکربن ها ، به طور عمده گاز طبیعی ،
ب) الکترولیز ،
ج) کربن.

3) اصلاح گاز طبیعی: منبع اصلی دی هیدروژن.

از زمان 1970 ، اصلاح نفتا به طور کلی جایگزین آن با گاز طبیعی است.

الف) اصل

گاز سنتز با اصلاح بخار ، در دمای 800 - 900 درجه سانتیگراد و 3,3 مگاپاسکال ، در حضور کاتالیزور مبتنی بر اکسید نیکل بر روی حلقه های آلومینا آغشته با جرم 10 تا 16٪ از Ni تولید می شود ( طول عمر 8 تا 10 سال) و بسته به واکنش:

CH4 + H2O <====> CO + 3 H2 آنتالپی واکنش در 298 ° K = + 206,1 kJ / mole

این واکنش ، بسیار گرمازا ، به تأمین مداوم انرژی نیاز دارد. مخلوط گاز در لوله ها گردش می یابد ، از خارج گرم می شود و حاوی کاتالیزور است. به ترتیب ده تا چند صد لوله (تا 500) قطر 10 سانتی متر و طول 11 متر در اجاق قرار می گیرند. پس از اصلاح ، گاز سنتز حاوی 5 تا 11٪ حجم متان بدون تبدیل است.

كاتالیزور نسبت به حضور گوگردی كه NiS می دهد بسیار حساس است: كمتر از اتم 1 S برای اتم 1000 Ni برای مسموم كردن كاتالیزور كافی است. گاز طبیعی باید کمتر از 0,1 ppm S باشد

پس از گوگردزدایی حاصل از هیدروژناسیون کاتالیستی و به دنبال آن جذب در محلول آبی دی اتانول آمین (به درمان گاز Lacq در فصل گوگرد مراجعه کنید) ، هیدروژناسیون جدیدی که در حدود 350 - 400 درجه سانتیگراد انجام شده است ، در حضور کاتالیزورهای مولیبدن اجازه می دهد -کبالت یا مولیبدن-نیکل ، برای تبدیل تمام ترکیبات گوگرد به سولفید هیدروژن. سولفید هیدروژن بسته به واکنش در حدود 380 - 400 درجه سانتیگراد روی اکسید روی ثابت می شود:

H2S + ZnO –––> ZnS + H2O

ب) استفاده از گاز سنتز برای تولید آمونیاک (بدون بازیابی CO):

اصلاح ثانویه با افزودن هوا در مقداری انجام می شود که محتوای نیتروژن با H2 در نسبت استوکیومتری واکنش برای تشکیل NH3 باشد. O2 موجود در هوا CH4 باقیمانده را اکسید می کند. کاتالیزور مورد استفاده بر اساس اکسید نیکل است.

سپس CO از گاز سنتز ، با تبدیل ، به CO2 با تولید اضافی H2 ، به مراحل 2 تبدیل می شود. بنابراين گاز حاوی 70٪ H2 حاصل می شود.

CO + H2O <====> CO2 + H2 DrH ° 298 = - 41 کیلوژول / مول

- در دمای 320 - 370 درجه سانتیگراد با کاتالیزور مبتنی بر اکسید آهن (Fe3O4) و اکسید کروم (Cr2O3) با افزودنی فلزی بر پایه مس. کاتالیزور به صورت گلوله هایی است که از اکسیدهای پودر شده یا اسپینل بدست می آیند ، طول عمر آن 4 تا 10 سال و بیشتر است. 2 تا 3٪ حجمی CO باقیمانده در مرحله دوم تبدیل می شود ،

- در دمای 205 - 240 درجه سانتیگراد با کاتالیزور مبتنی بر اکسید مس (از نظر جرمی 15 تا 30٪) و اکسیدهای کروم و روی روی آلومینا ، طول عمر 1 تا 5 سال. پس از تبدیل: CO باقیمانده حدود 0,2٪ حجمی.

- CO2 با حل شدن در محلول آمین های 35 بار یا محلول کربنات پتاسیم از بین می رود. با گسترش به فشار اتمسفر ، CO2 آزاد شده و محلول بازیافت می شود.

- سپس از دی هیدروژن برای سنتز آمونیاک استفاده می شود

ج) استفاده از گاز سنتز با بازیابی CO و H2.

اصلاح منبع جالب توجهی از مواد اولیه CO برای تولید اسید استیک ، اسید فرمیک ، اسید اکریلیک ، فسژن و ایزوسیانات است.

پس از حذف دی اکسید کربن موجود و خشک شدن ، دی هیدروژن و مونوکسید کربن از هم جدا می شوند. Air Liquide از دو فرآیند کرایوژن استفاده می کند:

- با خنک سازی در مبدل ها و میعانات CO: CO دارای خلوص 97-98٪ و H2 حاوی 2 تا 5٪ CO است.

- با خنک سازی با شستشو با متان مایع: CO خلوص 98-99٪ دارد و H2 فقط حاوی چند ppm CO است.

به عنوان مثال ، واحد اسید استیک Rhône-Poulenc در Pardies (64) (14 متر مکعب در ساعت CO و 800 m3 / ساعت H32) توسط Acetex (کانادا) در سال 290 و فسژن حاصل از SNPE در تولوز از این فرایندها استفاده می کند.

د) به دست آوردن خلوص بالا H2

برنامه هایی مانند الکترونیک ، غذا ، پیشرانه فضایی به هیدروژن با خلوص بسیار بالا احتیاج دارند. این با جذب ناخالصی های موجود بر روی کربن فعال (فرایند PSA) خالص می شود. خلوص بدست آمده می تواند بیش از 99,9999٪ باشد.

4) الکترولیز

- NaCl: H2 به طور مشترک تولید می شود (28 کیلوگرم H2 در هر تن Cl2) 3 درصد H2 در جهان را به دست می دهد. در اروپا بیش از نیمی از هیدروژن توزیع شده توسط تولید کنندگان گاز صنعتی از این منبع تأمین می شود.

- H2O: در حال حاضر سودآور نیست. سودآوری با هزینه برق مرتبط است ، مصرف حدود 4,5 کیلووات ساعت در متر مکعب H3 است. ظرفیت نصب شده جهانی ، یعنی 2 متر مکعب H33 در ساعت ، حدود 000٪ H3 جهانی را می دهد.

الکترولیز با استفاده از یک محلول آبی KOH (غلظت 25 تا 40٪) ، با استفاده از خالص ترین آب ممکن (فیلتراسیون روی کربن فعال و مین زدایی کل توسط رزین های تبادل یونی) انجام می شود. مقاومت باید بیشتر از 2،104 W.cm باشد. کاتد از فولاد خفیف ساخته شده است که با تشکیل رسوب سطحی بر اساس Ni فعال می شود. آند از فولاد نیکل اندود شده یا نیکل جامد ساخته شده است. بیشترین استفاده از دیافراگم آزبست (کرایزوتیل) است. ولتاژ بین 1,8 تا 2,2 ولت است. قدرت هر الکترولیزر می تواند به 2,2 تا 2,5 مگاوات برسد.

5) تجزیه در اثر زغال سنگ که حاوی حدود 5٪ H2 است.

تولید کک (با از بین بردن مواد فرار از زغال سنگ ، در دمای 1100-1400 درجه سانتیگراد) یک گاز در 60 H H2 - 25 CH CH4 می دهد (1 تن زغال سنگ 300 متر مکعب گاز می دهد). از آنجا که از گاز طبیعی برای تولید H3 استفاده می شود ، گاز کک سوزانده می شود و انرژی آزاد شده بازیابی می شود (به فصل گاز طبیعی مراجعه کنید).

6) گاززدایی ذغال سنگ

منبع اصلی H2 قبل از استفاده از گاز طبیعی. در حال حاضر از این ماده استفاده نمی شود مگر در آفریقای جنوبی (شرکت ساسول) که بنابراین گاز سنتز تولید شده برای تولید سوخت مصنوعی تولید می کند. این روش در حال حاضر به جز چند واحد تولیدی سودآور نیست: NH3 (ژاپن) ، متانول (آلمان) ، آنیدرید استیک (ایالات متحده ، توسط ایستمن-کداک).

- اصل: تشکیل گاز با آب یا سینگاس ، در دمای 1000 درجه سانتیگراد.

C + H2O <====> CO + H2
آنتالپی واکنش در 298 ° K = + 131 kJ / مول

واکنش گرمازایی که برای حفظ دما با سوزاندن کربن به انفجار O2 نیاز دارد. ترکیب گاز: 50٪ H2 - 40٪ CO.

بهبود تولید H2 با تبدیل CO ، به بالا مراجعه کنید.

- تکنیک مورد استفاده: گازدهی در دستگاههای گاز دهنده (Lurgi).

در آینده می توان از گازرسانی زیرزمینی استفاده کرد.

7) منابع دیگر

- اصلاح و ترک خوردگی کاتالیستی فرآورده های نفتی.

- ترک بخار نفتا (تولید اتیلن).

- محصول جانبی ساخت استایرن (Elf Atochem، Dow): منبع مهم.

- ترک خوردگی متانول (فرایند Grande Paroisse): در Kourou در گویان فرانسه ، توسط Air Liquide ، برای تولید هیدروژن مایع (10 میلیون لیتر در سال) در نظر گرفته شده برای پروازهای Ariane استفاده می شود.

- اکسیداسیون جزئی برش های نفتی (فرآیندهای Shell و Texaco).

- گاز را از واحدهای تولید آمونیاک پاکسازی کنید.

- میکروارگانیسم ها توسط واکنش های بیوشیمیایی. به عنوان مثال با یک میکرو جلبک: بازده کلامیدوموناس هنوز بسیار کم است اما تحقیقات فعلی امیدوار کننده است. اطلاعات بیشتر، اینجا کلیک کنید. اما مواظب باشید: تغییرات ژنتیکی موجودات موجود در هسته زنجیره غذایی اقیانوسی بدون خطر نیست ...