هیدروژن، ناجی آینده محیط زیست!
در پی خواسته های متعدد جامعه جهانی هر روزه نیاز به موادی مانند هیدروژن بیشتر احساس می شود.
هیدروژن سبک‌ترین عنصر در جهان است و بیش از دیگر عنصرها می‌توان آن را به صورت آزاد در طبیعت پیدا کرد. می‌توان گفت نزدیک به 75 درصد از جرم جهان از هیدروژن ساخته شده است [1].
بسیاري از مواد موجود در طبیعت شامل هیدروژن هستند. در بین این مواد، آب فراوان‌ترین منبع دارای هیدروژن است. همچنین هیدروژن می‌تواند از سوخت‌هاي فسیلی، توده‌هاي زیستی و سولفید هیدروژن تولید شود [2].
تأمین سوخت همواره یکی از دغدغه‌های اصلی بشر بوده است. مصرف سوخت در آينده به سمت هیدروژن خواهد رفت که قابليت زیادی برای حل مشکلات زیست‌محیطی دارد. سوختن هیدروژن با اکسیژن در موتور احتراق یا در سلول سوختی انرژی تولید می‌کند و تنها آب به عنوان محصول جانبی فرآيند آزاد شده و موادی مانند CO ،CO2 ،NOx ، SOx و O3 در محیط زیست منتشر نمی‌شوند [3, 4].
بر این اساس روند مصرف هیدروژن نیز در سال های اخیر به صورت افزایشی بوده و پیش بینی می‌شود در سال‌های آینده نیز میزان مصرف هیدروژن در دنیا بیش از پیش افزایش یابد.
میزان مصرف هیدروژن در نقاط مختلف دنیا در شکل زیر آمده است:
در سال های اخیر استفاده از گاز سنتز به عنوان منبع هیدروژن و واسطه‌ای برای تولید سوخت‌های تمیز و مواد شیمیایی مورد نیاز صنعت، مورد توجه بسیار قرار گرفته است. به ترکیبی از گازهای هیدروژن و مونوکسید کربن با نسبت‌های مختلف گاز سنتز گفته می‌شود. از گاز سنتز می‌توان برای تولید آمونیاک، متانول و هیدروژن‌دهی در عملیات پالایش و حتی به عنوان سوخت استفاده کرد [5].
تولید هیدروژن
در حال حاضر بیش از 90 درصد هیدروژن مصرفی نیز از فرآیندهای مربوط به سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود [3].
استفاده از هیدروژن در صنایع متعددی که روش استفاده از آن‌ها یافت شده، افزایش پیدا کرده است؛ از جمله صنایع شیمیایی و پالایش برای کاربرد آن در متالورژی، شیشه، الکترونیک، صنایع فضایی و صنایع خودروسازی [6].
هیدروژن به روش‌های متنوعی از قبیل الکترولیز، ریفورمینگ متان به کمک بخارآب، ریفورمینگ متان به کمک کربن دی‌اکسید، فرآیند اکسیداسیون جزئی و نیز روش های توسعه یافته این فرآیندها تولید می‌شود.
در میان روش‌های فوق الذکر، فرآیند ریفورمینگ متان با استفاده از بخارآب ارزان‌ترین فرآیند برای تولید هیدروژن و از لحاظ اقتصادی نیز مهم‌ترین فرآیند برای مواجهه با تقاضای جهانی آن به شمار می‌آید [7].
فرآیند ریفورمینگ متان با بخارآب
این فرآیند شامل دو دسته واکنش ریفورمینگ و جابجایی آب-گاز هستند که در راکتورهای آن ﯾﮏ ﻣﻮل ﻣﺘﺎن ﺑﻪ ﭼﻬﺎر ﻣﻮل ﻫﯿﺪروژن ﺗﺒﺪﯾﻞ می‌شود و میزان ﺗﺒﺪﯾﻞ ﻫﯿﺪروژن ﺑﻪ آب حدود 50 درصد اﺳﺖ.
ریفورمینگ با بخارآب هیدروکربن‌ها نیاز به منبع حرارت خارجی دارد. این فرآیند گرماگیر است؛ اما میزان حرارت مصرفی وابسته به مواد اولیه هیدروکربنی است. براي تأمین انرژي موردنیاز فرآیند می‌توان از روش‌هاي مختلفی استفاده کرد. کاتالیست متعارف براي فرآیند ریفورمینگ متان شامل 25-10 درصد اکسید نیکل و 90-75 درصد آلومیناست. کاتالیست معمولا به شكل استوانه‌هایی به قطر mm 20-10 با یک یا چند مجرا در راستای شعاعی است [8].
فلوشیت فرآیند ریفورمینگ متان با بخارآب در شکل زیر به تصویر درآمده است:
منابع:
[1]. Palmer, D., NASA, Hydrogen in the Universe (13 September
1997).
[2]. Levin, D.B. and R. Chahine, Challenges for renewable hydrogen production from biomass, International Journal of Hydrogen Energy, 2010. 35(10): 4962-4969.
[3]. Gupta, R.B., Hydrogen fuel: production, transport, and storage. 2008: Crc Press.
[4]. Ditzig, J., H. Liu, and E. Logan, Production of hydrogen from domestic wastewater using a bioelectrochemically assisted microbial reactor (BEAMR), International Journal of Hydrogen Energy, 2007. 32(13): p. 2296-2304.
[5]. Eltejaei, H., et al., Methane dry reforming on Ni/Ce0. 75Zr0. 25O2–MgAl2O4 and Ni/Ce0. 75Zr0. 25O2–γ-alumina: effects of support composition and water addition, International journal of hydrogen energy. 37(5): p. 4107-4118.
[6]. Bahadori, A., Kashiwao, Modeling and analysis of hydrogen production in steam methane reforming (SMR) process, Petroleum Science and Technology. 37(12): p. 1425-1435.
[7]. Steinberg, M. and J. Cheng, Modern and prospective technologies for hydrogen production from fossil fuels, International journal of hydrogen energy. 14(11): p. 797-820.
[8]. El-Bousiffi, M., D. Gunn, A dynamic study of steam-methane reforming, International journal of heat and mass transfer. 50(3-4): p. 723-733.
این مطلب را به اشتراک بگذارید:
خلاصه ای از پروژه انجام شده:
کارشناسان پدکو در این پروژه با کمک نرم افزار Matlab و استفاده از دستورات مربوطه، مدل سازی راکتور فرآیند ریفورمینگ متان با بخارآب را انجام داده که تطابق خوبی با راکتور این فرآیند در واحد آمونیاک شرکت پتروشیمی خراسان داشت. در ادامه، مدل ریاضی فرآیند بستر ثابت راکتور غشایی ریفورمینگ متان نیز به منظور دستیابی به میزان تبدیل بالاتر متان و افزایش تولید هیدروژن تصحیح گردید.
در انتها نیز مکان بخش حرارتی و غشایی در داخل راکتور غشایی تغییر داده شد که به میزان قابل توجهی درصد تبدیل متان و میزان تولید هیدروژن بهبود یافت.