إنتاج الهيدروجين

التقنيات والوسائل الصناعية لإنتاج الهيدروجين.

الكلمات المفتاحية: توليد الهيدروجين ، الصناعة ، التحليل الكهربائي ، الانحلال الحراري ، الإصلاح ، المحفزات المعدنية ، التكاليف ، الظروف ، التشغيل.

المقدمة

من المألوف للغاية اليوم والذي يعتبر ، ربما خطأ ، كحل للطاقة للأجيال القادمة ، أن الهيدروجين غير موجود في حالته الأصلية على الأرض.

لا يستطيع لا يعتبر مصدرا للطاقة (على عكس الطاقات الأحفورية أو المتجددة) ولكن ببساطة ناقل الطاقةأي وسيلة لنقل أو نقل الطاقة. لسوء الحظ ، فإن القيود المرتبطة باستخدام هيدروجين الطاقة عديدة ، بحيث لا يزال أمام الوقود النفطي السائل العديد من السنوات الجيدة.

لكن ، بالإضافة إلى هذه الاعتبارات المرتبطة باستخدام الهيدروجين ، نأتي إلى موضوع هذه المقالة. في الواقع ، نظرًا لعدم وجود الهيدروجين بشكل طبيعي على الأرض ، كان من الضروري (وقبل كل شيء سيكون ضروريًا) تطوير طرق إنتاج مربحة من الناحية البيئية. هنا لمحة عامة عن الأساليب الحالية.

للحصول على معلومات ، يتم استخدام طاقة الهيدروجين حاليًا (بالإضافة إلى مركبات خلايا الوقود الهامشية التي تعمل على H2 النقي) في حقل واحد فقط: قاذفات الفضاء.

1) المواد الخام

أساسا الهيدروكربونات (الغاز الطبيعي) والمياه.

2) التصنيع الصناعي.

مبدأ الحد من H2O من خلال:
(أ) الهيدروكربونات ، وخاصة الغاز الطبيعي ،
ب) التحليل الكهربائي ،
(ج) الكربون.

3) إصلاح الغاز الطبيعي: المصدر الرئيسي للهيدروجين.

منذ 1970 ، يتم استبدال إصلاح النافتا ، بشكل عام ، بإصلاح الغاز الطبيعي.

أ) المبدأ

يتم إنتاج غاز التخليق عن طريق إعادة تشكيل البخار عند 800 - 900 درجة مئوية و 3,3 ميجا باسكال ، في وجود محفز يعتمد على أكسيد النيكل على حلقات الألومينا مشربة بنسبة 10 إلى 16 ٪ من كتلة النيكل ( عمر 8 إلى 10 سنوات) واعتمادًا على رد الفعل:

CH4 + H2O <====> CO + 3 H2 Enthalpy من التفاعل عند 298 ° K = + 206,1 kJ / mole

رد فعل ماص للحرارة للغاية يتطلب إمدادات مستمرة من الطاقة. يدور خليط الغاز في أنابيب ساخنة خارجياً تحتوي على المحفز. في حدود 500 إلى بضع مئات من الأنابيب (حتى 10) قطرها 11 سم وطولها 5 متر توضع في الفرن. بعد الإصلاح ، يحتوي الغاز التخليقي على 11 إلى XNUMX ٪ من حجم الميثان غير المعالج.

اقرأ أيضا: السيارة الكهربائية ديها مستقبلا؟

المحفز حساس للغاية لوجود الكبريت الذي يعطي NiS: أقل من ذرة 1 S لذرة 1000 Ni كافية لتسمم المحفز. يجب إزالة الكبريت من الغاز الطبيعي إلى أقل من 0,1 ppm S

بعد الكبريت المسبق الذي تم الحصول عليه عن طريق الهدرجة الحفزية متبوعة بالامتصاص في محلول ميثانول أمين مائي (انظر علاج غاز Lacq في فصل الكبريت) ، تسمح هدرجة جديدة أجريت حوالي 350 - 400 درجة مئوية ، في وجود محفزات الموليبدينوم -الكوبالت أو الموليبدينوم والنيكل ، لتحويل جميع المركبات المحتوية على الكبريت إلى كبريتيد الهيدروجين. كبريتيد الهيدروجين ثابت ، حوالي 380 - 400 درجة مئوية على أكسيد الزنك حسب التفاعل:

H2S + ZnO ---> ZnS + H2O

ب) استخدام غاز التخليق لإنتاج الأمونيا (بدون استرداد ثاني أكسيد الكربون):

يتم إجراء عملية إصلاح ثانوية عن طريق إضافة الهواء بكمية بحيث يكون الدينيتروجين الموجود ، مع H2 ، بنسب متكافئة من تفاعل تشكيل NH3. O2 في الهواء يكسد CH4 المتبقية. يعتمد المحفز المستخدم على أكسيد النيكل.

بعد ذلك يتم تحويل CO لغاز التوليف ، عن طريق التحويل ، إلى CO2 مع إنتاج إضافي لـ H2 ، إلى خطوات 2. يتم الحصول على الغاز الذي يحتوي على 70٪ من H2.

CO + H2O <====> CO2 + H2 DrH ° 298 = - 41 kJ / mole

- عند 320 - 370 درجة مئوية مع محفز يعتمد على أكسيد الحديد (Fe3O4) وأكسيد الكروم (Cr2O3) مع إضافة معدنية تعتمد على النحاس. يكون المحفز على شكل كريات تم الحصول عليها من مسحوق الأكسيد أو الإسبنيل ، وعمرها من 4 إلى 10 سنوات وأكثر. يتم تحويل 2 إلى 3 ٪ من حجم CO المتبقية في الخطوة الثانية ،

- عند 205 - 240 درجة مئوية مع وجود محفز يعتمد على أكسيد النحاس (15 إلى 30٪ حسب الكتلة) وأكسيد الكروم والزنك في الألومينا ، مدة الصلاحية من 1 إلى 5 سنوات. بعد التحويل: ثاني أكسيد الكربون المتبقي من حوالي 0,2 ٪ من حيث الحجم.

اقرأ أيضا: اختبار على وحدة غالي

- يتم التخلص من ثاني أكسيد الكربون عن طريق الذوبان في محلول من الأمينات عند 2 بار أو في محلول من كربونات البوتاسيوم. من خلال التوسع في الضغط الجوي ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون وإعادة تدوير المحلول.

- يستخدم الهيدروجين لتركيب الأمونيا

ج) استخدام غاز التوليف مع استرداد CO و H2.

يعد الإصلاح مصدرًا مثيرًا للاهتمام للمواد الخام CO لتصنيع حمض الأسيتيك وحمض الفورميك وحمض الأكريليك والفوسجين والإيزوسيانات.

بعد إزالة ثاني أكسيد الكربون الحالي والتجفيف ، يتم فصل ثنائي الهيدروجين وأول أكسيد الكربون. يستخدم اير ليكيد عمليتين تبريديتين:

- عن طريق التبريد في المبادلات وتكثيف أول أكسيد الكربون: تبلغ درجة نقاوة CO 97-98٪ ويحتوي H2 من 2 إلى 5٪ من ثاني أكسيد الكربون.

- عن طريق التبريد بالغسيل باستخدام الميثان السائل: تحتوي درجة نقاوة CO على 98-99٪ ، ويحتوي H2 على عدد قليل من جزء في المليون من CO.

على سبيل المثال ، وحدة حمض الخليك Rhône-Poulenc في Pardies (64) (14 متر مكعب / ساعة من ثاني أكسيد الكربون و 800 متر مكعب / ساعة من H3) التي استولت عليها شركة Acetex (كندا) في عام 32 ووحدة الفوسجين من SNPE في تولوز استخدام هذه العمليات.

د) الحصول على درجة نقاء عالية H2

تتطلب التطبيقات مثل الإلكترونيات والغذاء والدفع الفضائي هيدروجين عالي النقاء. يتم تنقية هذا عن طريق امتصاص الشوائب على الكربون المنشط (عملية PSA). يمكن أن يكون نقاء حصلت أكبر من 99,9999 ٪.

4) التحليل الكهربائي

- كلوريد الصوديوم: ينتج H2 المشترك (28 كجم من H2 لكل طن من Cl2) 3 ٪ من H2 العالمي. في أوروبا ، يأتي أكثر من نصف الهيدروجين الموزع من قبل منتجي الغاز الصناعي من هذا المصدر.

- H2O: غير مربحة حاليًا. ترتبط الربحية بتكلفة الكهرباء ، والاستهلاك حوالي 4,5 كيلو واط ساعة / متر مكعب H3. السعة العالمية المثبتة ، أي 2 متر مكعب من H33 / ساعة ، تعطي حوالي 000 ٪ من H3 العالمية.

يتم إجراء التحليل الكهربائي باستخدام محلول مائي من KOH (تركيز 25 إلى 40 ٪) ، وذلك باستخدام أنقى المياه الممكنة (الترشيح على الكربون المنشط وإزالة التعدين الكلي بواسطة راتنجات التبادل الأيوني). يجب أن تكون المقاومة أكبر من 2 104 سم. الكاثود مصنوع من الفولاذ الطري الذي يتم تنشيطه عن طريق تشكيل رواسب سطحية أساسها النيكل. يتكون الأنود من الصلب المطلي بالنيكل أو النيكل الصلب. الحجاب الحاجز الأكثر استخدامًا هو الأسبستوس (الكريسوتيل). يتراوح الجهد بين 1,8 و 2,2 فولت. يمكن أن تصل القدرة لكل محلل كهربائي إلى 2,2 إلى 2,5 ميجاوات.

اقرأ أيضا: نظرية كبش الهيدروليكية

5) الانحلال الحراري للفحم الذي يحتوي على حوالي 5٪ H2.

إنتاج فحم الكوك (عن طريق إزالة المواد المتطايرة من الفحم ، في 1100-1400 درجة مئوية) يعطي الغاز عند 60 ٪ H2 - 25 ٪ CH4 (1 طن من الفحم يعطي 300 M3 من الغاز). منذ استخدام الغاز الطبيعي لإنتاج H2 ، يتم حرق غاز فرن الكوك واسترداد الطاقة المنبعثة (انظر فصل الغاز الطبيعي).

6) تغويز الفحم

المصدر الرئيسي ل H2 قبل استخدام الغاز الطبيعي. لم يعد يستخدم اليوم إلا في جنوب إفريقيا (شركة Sasol) التي تنتج بالتالي غازًا صناعيًا يهدف إلى تصنيع الوقود الصناعي. هذه التقنية ليست مربحة حاليًا باستثناء عدد قليل من وحدات الإنتاج من: NH3 (اليابان) ، والميثانول (ألمانيا) ، أنهيدريد الخل (الولايات المتحدة ، بواسطة Eastmann-Kodak).

- المبدأ: تكوين الغاز بالماء أو غاز التوليف ، عند 1000 درجة مئوية.

C + H2O <====> CO + H2
المحتوى الحراري للتفاعل عند 298 ° K = + 131 kJ / mole

تفاعل ماص للحرارة يتطلب تهب O2 للحفاظ على درجة الحرارة عن طريق حرق الكربون. تركيب الغاز: 50 ٪ H2 - 40 ٪ CO.

تحسين إنتاج H2 بتحويل ثاني أكسيد الكربون ، انظر أعلاه.

- التقنية المستخدمة: تغويز الغازات (لورجي).

في المستقبل ، يمكن استخدام تغويز تحت الأرض.

7) مصادر أخرى

- الإصلاح والتكسير الحفاز للمنتجات البترولية.

- تكسير بخار النفتا (إنتاج الإيثيلين).

- منتج ثانوي من إنتاج الستايرين (Elf Atochem، Dow): مصدر مهم.

- تكسير الميثانول (عملية غراند بارويس): يستخدم في كورو في غيانا بواسطة شركة إير ليكيد لإنتاج هيدروجين سائل (10 مليون ل / سنة) مخصص لرحلات أريان.

- الأكسدة الجزئية للكسور البترولية (عمليات شل وتكساكو).

- تطهير الغاز من وحدات تصنيع الأمونيا.

- الكائنات الحية الدقيقة عن طريق التفاعلات الكيميائية الحيوية. على سبيل المثال مع الطحالب الدقيقة: لا تزال غلة المتدثرة الكلامية منخفضة للغاية ولكن الأبحاث الحالية واعدة. مزيد من المعلومات انقر هنا. ولكن حذار: التعديلات الجينية على الكائنات الحية في قاعدة السلسلة الغذائية للمحيطات لا تخلو من المخاطر ...

قم بكتابة تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها ب *