التقنيات والوسائل الصناعية لإنتاج الهيدروجين.

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

المُقدّمة

من المألوف للغاية اليوم ، وربما كان من الخطأ اعتباره حلاً للطاقة للأجيال القادمة ، ومع ذلك لا يوجد الهيدروجين في حالته الأصلية على الأرض.

لا يستطيع لا تعتبر مصدرا للطاقة (على عكس الطاقات الأحفورية أو المتجددة) ولكن ببساطة ناقل الطاقة، أي وسيلة لنقل أو نقل الطاقة. لسوء الحظ ، فإن القيود المرتبطة باستخدام الهيدروجين النشط عديدة ، لذا فإن الوقود البترولي السائل لا يزال أمامه سنوات جيدة.

ولكن إلى جانب هذه الاعتبارات المتعلقة باستخدام الهيدروجين ، دعنا ننتقل 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 بيئيًا. هنا نظرة عامة على الأساليب الحالية.

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

1) المواد الخام

بشكل رئيسي الهيدروكربونات (الغاز الطبيعي) والماء.

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 الغاز التخليقي 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 المشبعة بـ 10 إلى 16٪ من كتلة النيكل ( من 8 إلى 10 سنوات) واعتمادًا على رد الفعل:

CH4 + H2O <====> CO + 3 H2 المحتوى الحراري للتفاعل عند 298 ° K = + 206,1 kJ / mole

يتطلب التفاعل ، شديد الحرارة ، إمدادًا مستمرًا بالطاقة. يدور خليط الغازات في أنابيب ، تسخن خارجيًا ، تحتوي على العامل المساعد. بترتيب من عشرة إلى بضع مئات من الأنابيب (حتى 500) بقطر 10 سم وطول 11 مترًا توضع في الفرن. بعد إعادة التشكيل ، يحتوي الغاز التخليقي على 5 إلى 11٪ من حجم الميثان غير المحول.

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 إزالة الكبريت المسبقة التي تم الحصول عليها عن طريق الهدرجة التحفيزية متبوعة بالامتصاص في محلول مائي من ثنائي إيثانول أمين (انظر معالجة غاز Lacq في فصل الكبريت) ، تسمح الهدرجة الجديدة التي يتم إجراؤها عند حوالي 350-400 درجة مئوية ، في وجود محفزات الموليبدينوم - الكوبالت أو الموليبدينوم - نيكل ، لتحويل جميع مركبات الكبريت إلى كبريتيد الهيدروجين. يتم تثبيت كبريتيد الهيدروجين عند حوالي 380 - 400 درجة مئوية على أكسيد الزنك اعتمادًا على التفاعل:

H2S + ZnO –––> ZnS + H2O

ب) استخدام الغاز التخليقي لإنتاج الأمونيا (بدون استرداد ثاني أكسيد الكربون):

يتم إجراء إعادة تشكيل ثانوية عن طريق إضافة الهواء بكمية بحيث يكون محتوى النيتروجين ، مع H2 ، في النسب المتكافئة لتفاعل تكوين NH3. O2 من الهواء يؤكسد الميثان المتبقي. المحفز المستخدم يعتمد 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 كيلوجول / مول

- عند درجة حرارة 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 يتم الحصول عليها من مسحوق الأكاسيد أو الإسبينيل ، وعمرها من 4 إلى 10 سنوات وأكثر. يتم تحويل 2 إلى 3٪ من حجم ثاني أكسيد الكربون المتبقي في خطوة ثانية ،

- عند درجة حرارة 205 - 240 درجة مئوية مع محفز يعتمد على أكسيد النحاس (15 إلى 30٪ بالكتلة) وأكاسيد الكروم والزنك على الألومينا ، وعمر الخدمة من 1 إلى 5 سنوات. بعد التحويل: ثاني أكسيد الكربون المتبقي بحوالي 0,2٪ من حيث الحجم.

- يتم التخلص من ثاني أكسيد الكربون بإذابة محلول أمين عند 2 بار أو في محلول كربونات البوتاسيوم. من خلال التمدد إلى الضغط الجوي ، يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون وإعادة تدوير المحلول.

- يستخدم ثنائي الهيدروجين بعد ذلك في تصنيع الأمونيا

ج) استخدام غاز التوليف مع استرداد CO و H2.

يعد الإصلاح مصدرًا مثيرًا للاهتمام لمواد أول أكسيد الكربون الخام لتصنيع حمض الأسيتيك وحمض الفورميك وحمض الأكريليك والفوسجين والأيزوسيانات.

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 ثاني أكسيد الكربون: يحتوي ثاني أكسيد الكربون على درجة نقاء 97-98٪ ويحتوي H2 على 2 إلى 5٪ من ثاني أكسيد الكربون.

- عن طريق التبريد بالغسيل بالميثان السائل: يحتوي ثاني أكسيد الكربون على درجة نقاء 98-99٪ ، ويحتوي H2 فقط على أجزاء قليلة من ثاني أكسيد الكربون.

على سبيل المثال ، استحوذت شركة Acetex (كندا) على وحدة حمض الأسيتيك Rhône-Poulenc في Pardies (64) (14 متر مكعب / ساعة من ثاني أكسيد الكربون و 800 متر مكعب / ساعة من H3) في عام 32 من قبل شركة Acetex (كندا) في عام 290 ووحدة الفوسجين من يستخدم SNPE في تولوز هذه العمليات.

د) الحصول على درجة نقاء عالية H2

تتطلب التطبيقات مثل الإلكترونيات والغذاء والدفع الفضائي هيدروجينًا عالي النقاء. يتم تنقيته عن طريق امتصاص الشوائب على الكربون النشط (عملية PSA). يمكن أن يكون النقاء الذي تم الحصول عليه أكبر من 99,9999٪.

4) التحليل الكهربائي

- NaCl: H2 المنتج المشترك (28 كجم من H2 لكل طن من Cl2) يعطي 3٪ من H2 في العالم. في أوروبا ، يأتي أكثر من نصف الهيدروجين الذي يوزعه منتجو الغاز الصناعي من هذا المصدر.

- H2O: غير مربح حاليًا. ترتبط الربحية بتكلفة الكهرباء ، ويبلغ الاستهلاك حوالي 4,5 كيلوواط ساعة / متر مكعب H3. السعات العالمية المركبة ، أي 2 متر مكعب من H33 / ساعة ، تعطي حوالي 000٪ من H3 العالمي.

يتم إجراء التحليل الكهربائي باستخدام محلول مائي من KOH (تركيز 25 إلى 40٪) ، باستخدام أنقى ماء ممكن (ترشيح الكربون المنشط وإزالة المعادن بالكامل بواسطة راتنجات التبادل الأيوني). يجب أن تكون المقاومة أكبر من 2،104 وات سم. يتكون الكاثود من الفولاذ الطري الذي يتم تنشيطه عن طريق تكوين رواسب سطحية تعتمد على النيكل. الأنود مصنوع من الفولاذ المطلي بالنيكل أو النيكل الصلب. العازل الأنثوي الأكثر استخدامًا هو الأسبست (الكريسوتيل). يتراوح الجهد بين 1,8 و 2,2 فولت. ويمكن أن تصل الطاقة لكل جهاز تحليل كهربائي إلى 2,2 إلى 2,5 ميجاوات.

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

ينتج إنتاج فحم الكوك (عن طريق إزالة المادة المتطايرة من الفحم ، عند درجة حرارة 1100-1400 درجة مئوية) غازًا بنسبة 60٪ H2 - 25٪ ميثان (4 طن من الفحم ينتج 1 متر مكعب من الغاز). منذ استخدام الغاز الطبيعي لإنتاج H300 ، يتم حرق غاز الكوك واستعادة الطاقة المنبعثة (انظر الفصل الخاص بالغاز الطبيعي).

6) تغويز الفحم

المصدر الرئيسي لـ H2 قبل استخدام الغاز الطبيعي. لم يعد يستخدم في الوقت الحاضر باستثناء جنوب إفريقيا (شركة ساسول) التي تنتج بالتالي غازًا اصطناعيًا مخصصًا لتصنيع الوقود الاصطناعي. هذه التقنية ليست مربحة حاليًا باستثناء وحدات إنتاج قليلة من: NH3 (اليابان) ، ميثانول (ألمانيا) ، أنهيدريد الخل (الولايات المتحدة ، بواسطة Eastmann-Kodak).

- المبدأ: تكوين الغاز بالماء أو الغاز التخليقي عند 1000 درجة مئوية.

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

تفاعل ماص للحرارة يتطلب انفجار 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: التغويز في الغازات (لورجي).

في المستقبل ، يمكن استخدام التغويز تحت الأرض.

7) مصادر أخرى

- الإصلاح والتكسير التحفيزي للمنتجات البترولية.

- تكسير بخار النفتا (إنتاج الإيثيلين).

- منتج ثانوي لصناعة الستيرين (Elf Atochem، Dow): مصدر مهم.

- تكسير الميثانول (عملية غراندي باروايس): يستخدم في كورو في غيانا الفرنسية ، بواسطة شركة إير ليكويد ، لإنتاج الهيدروجين السائل (10 مليون لتر / سنة) المخصص لرحلات أريان.

- الأكسدة الجزئية لقطع البترول (عمليات شل وتكساكو).

- تطهير الغاز من وحدات إنتاج الأمونيا.

- الكائنات الحية الدقيقة عن طريق التفاعلات الكيميائية الحيوية. على سبيل المثال مع الطحالب الدقيقة: Chlamydomonas لا تزال الغلة منخفضة جدًا ولكن الأبحاث الحالية واعدة. معلومات اكثر، انقر هنا. لكن احذر: التعديلات الجينية للكائنات الموجودة في قاعدة السلسلة الغذائية للمحيطات لا تخلو من المخاطر ...