جمعه , تیر ۲۸ ۱۳۹۸
خانه / تازه های دنیای مهندسی مکانیک / روش های تولید گاز هیدروژن از هیدروکربن ها + دانلود کتاب سوخت هیدروژنی
تولید گاز هیدروژن

روش های تولید گاز هیدروژن از هیدروکربن ها + دانلود کتاب سوخت هیدروژنی

هیدروژن ساده ترین عنصر روی زمین است و شامل تنها یک پروتون و یک الکترون می باشد. در واقع گاز هیدروژن یک حامل انرژی است نه یک منبع انرژی! میتواند انرژی های قابل استفاده را در خود ذخیره کنید. و به طور طبیعی یافت نمی شود باید آن را به روش های مختلف تولید کرد.

دلایل تولید گاز هیدروژن

هیدروژن را می تواند در پیل سوختی به جای فرآیند احتراق مورد استفاده قرار داد که در واکنش شیمیایی با آب شرکت کرده و خروجی این فرآیند آب می باشد. که می تواند در اتومبیل، خانه ها، نیروگاه قابل حمل و بسیاری موارد دیگر استفاده کرد.

این گاز با روش های مختلفی تولید می شود، می­ توان از طریق تبدیل سوخت ­های فسیلی در مبدل سوخت به دست آورد. یا با استفاده از انرژی ­های تجدید پذیر و تجزیه آب تولید نمود.

عنصر هیدروژن

هیدروژن چگونه تولید می شود؟

گاز هیدروژن را میتوان از منابع مختلفی، از جمله سوخت های فسیلی مانند گاز طبیعی و زغال سنگ، انرژی هسته ای، از منابع تجدیدپذیر مانند بیومس(زیست توده)، انرژی بادی و خورشیدی و انرژی زمین گرمایی در طیف گسترده ای از فرآیندهای مختلف تولید کرد.

دپارتمان انرژی آمریکا (The U.S. Department of Energy) در حال تحقیق و توسعه طیف گسترده از فناوری های تولید هیدروژن دوست دار محیط زیست و از لحاظ اقتصادی توجیه پذیر باشد، است.

فرآیند پردازش سوخت ­های فسیلی و تبدیل به گاز هیدروژن

در این فرآیندها، یک جریان گاز سوخت غنی مانند بنزین، هیدروکربن ­ها، متانول و یا اتانول را به جریان غنی از گاز هیدروژن تبدیل می­ کنند. پردازش سوخت متان امروزه شایع ­ترین تکنولوژی تولید هیدروژن است.

اکثر سوخت ­های فسیلی دارای مقدار زیادی گوگرد هستند. حذف آن‌ها یک کار مهم در برنامه ­ریزی اقتصاد مبتنی بر تولید هیدروژن است.

سوخت پاک هیدروژن

 هیدروژن با استفاده از سه تکنولوژی اصلی از سوخت ­های فسیلی تولید می ­گردد.

تولید هیدروژن با روش ریفورمینگ بخار ( Steam reforming)

تولید گاز هیدروژن با روش ریفورمینگ در حال حاضر یکی از گسترده ­ترین درعین‌حال ارزان­ ترین فرآیندهای تولید این گاز است. مزیت اصلی آن راندمان بالا، شرایط عملیاتی پایین و هزینه کم آن است. اغلب مواد اولیه استفاده‌شده در این فرآیند گاز طبیعی و هیدروکربن ­های سبک ­تر می­ باشد.

کل فرآیند تولید گاز شامل دو مرحله است. در مرحله اول، هیدروکربن خام با بخار ترکیب‌شده و به‌عنوان خوراک به یک مشعل کاتالیستی استوانه ­ای وارد می­ گردد .

مشاهده  10 تا از بهترین سایت های مهندسی مکانیک

در طول این فرایند گاز سنتز(مخلوطی از گاز هیدروژن و کربن ­مونو اکسید) با مقدار خیلی کم کربن­ دی ­اکسید  تولید می­ گردد.

برای تأمین دمای واکنش با اضافه کردن اکسیژن یا هوا برای بخش احتراق مواد خام (گرمایش گاز) داخل راکتور دمای واکنش تأمین می­ گردد.

تولید هیدروژن از ریفورمینگ بخار

در مرحله­ ی دوم، گاز خارج‌شده از راکتور اول سرد شده و به مبدل کاتالیستی کربن­ مونواکسید تغذیه می ­گردد، در این راکتور کربن­ مونواکسید به‌وسیله‌ی بخار به دی­ اکسیدکربن و گاز هیدروژن تبدیل می­ گردد .

فرآیند ریفورمینگ متان برای تولید گاز هیدروژن نیاز به ماده خام اولیه بدون سولفور دارد تا از غیرفعال شدن کاتالیزورها جلوگیری کند، همچنین فرآیند SR نیاز به دمای کم برای انجام واکنش دارد، برای مثال ریفورمینگ بخار متانول و هیدروکربن ­ها دمای c̊ ۱۸۰ و حدود از c̊۵۰۰ برای اکثر هیدروکربن ­های معمولی نیاز است .

فرایند ریفورمینگ بخار تولید هیدروژن

یک عامل مهم در فرآیند SR نسبت H/C در خوراک ورودی است. مقدار زیاد این نسبت باعث کاهش انتشار کربن­دی­اکسید می­ گردد بازده حرارتی تولید هیدروژن توسط فرآیند ریفورمینگ بخار در مقیاس صنعتی و استفاده از متان به‌عنوان ماده خام اولیه، حدود ۷۰% تا ۸۵% است .

تولید هیدروژن با روش اکسیداسیون جزئی (Partial oxidation)

اکسیداسیون جزئی حرارتی و اکسیداسیون جزئی کاتالیستی هیدروکربن­ ها در تولید گاز  هیدروژن برای سلول­ های پیل سوختی خودرو و برخی از برنامه ­های تجاری دیگر پیشنهاد شده است. مواد خام فرآیند احتراق ناقص برای تولید گاز هیدروژن می­ تواند متان یا بیوگازها باشد، اما استفاده از هیدروکربن ­های سنگین که بهره ­برداری از آن‌ها در روش ­های دیگر مجاز نیست می ­توان در روش اکسیداسیون جزئی حرارتی برای تولید گاز هیدروژن استفاده کرد.

احتراق ناقص متان

 فرایند احتراق ناقص برای تولید گاز هیدروژن یک فرآیند غیر کاتالیزوری است. که در آن مواد خام طی واکنش‌هایی، در حضور اکسیژن و احتمالاً بخار در دمای محدود به  ۱۳۰۰-۱۵۰۰ درجه سانتیگراد و فشار بین ۳-۵ مگاپاسکال واکنش می­ دهد.

مخلوط گازی تشکیل‌شده در فرآیند اکسیداسیون جزئی برای تولید گاز هیدروژن شامل هیدروژن سولفید و کربن­ اکسی ­سولفید است.

مقدار گاز­ی که سوخته می شود گرمای مورد نیاز برای فرآیند­های گرماگیر انجام‌شده را فراهم می­ کند.

دوده ایجادشده از تجزیه استیلن به‌عنوان یک محصول میانی و یک محصول ناخواسته ایجاد می­ گردد.

مشاهده  مبدل حرارتی - دانلود رایگان کتاب فارسی Sadik_Kakac(ترجمه دکتر سپهر صنایع)

 واکنش اکسیداسیون جزئی

مقایسه ریفورمینگ با احتراق ناقص برای تولید هیدروژن

 فرآیند اکسیداسیون جزئی در مقایسه با فرآیند ریفورمینگ بخار برای تولید گاز هیدروژن ارزان­ تر است، همچنین تا زمانی که در این فرآیند از کاتالیزور استفاده نشود، نیاز به جداسازی عناصر سولفور از گاز طبیعی نیست.

زیرا سولفور موجود در گاز طبیعی باعث مسموم شدن کاتالیز‌ها می­ گردد. ترکیبات سولفور در مواد خام گازی شکل به گاز هیدروژن سولفید (حدود%۹۵) کربن اکسی سولفید (%۵) تبدیل می ­گردد.

استفاده از کاتالیست در فرآیند اکسیداسیون جزئی

با افزودن کاتالیست به فرآیند تولید هیدروژن از احتراق ناقص دمای واکنش کاهش می­ یابد، به‌طورمعمول بازده حرارتی فرآیند اکسیداسیون جزئی در راکتور همراه بامتان به‌عنوان سوخت در حدود ۷۵ تا ۶۰ درصد است.

از دیگر مزیت ­های این روش پاسخ دینامیکی آن است که بسیار سریع ­تر از فرآیند ریفورمینگ بخار است.

مبنای انتخاب روش برای تولید هیدروژن از سوخت فسیلی

در مواردی که استفاده از گاز طبیعی اقتصادی نبوده و یا نفت سنگین به قیمت ارزان در دسترس باشد از اکسیداسیون جزئی برای تولید گاز هیدروژن استفاده می ­شود. اکسیداسیون جزئی حرارتی یک فرآیند گرماده بوده و بدون حضور کاتالیست انجام می­ گیرد.

مزیت استفاده از اکسیداسیون جزئی بدون کاتالیزی برای تولید گاز هیدروژن بر فرآیند کاتالیزی عدم نیاز به پاک‌سازی مواد نظیر مشتقات گوگرددار است.

دمای بالای این فرآیند استفاده از برش­ های نفتی سنگین ­تر را که در فرآیند دیگر قابل‌مصرف و تبدیل نیستند ممکن می ­سازد.

روش های تولید هیدروژن

در راکتورهای اکسیداسیون جزئی برای تولید گاز هیدروژن با تغییر نسبت هوای ورودی و سرعت­ های آن، حرارت واکنش درنتیجه حرارت راکتور کنترل می­ گردد و به مبدل حرارتی دیگری نیاز ندارد.

تولید هیدروژن با روش ریفورمینگ اتوترمال (Autothermal reforming)

 در فرآيند ريفورمينگ اتوترمال برای تولید گاز هیدروژن، بخار به فرآيند اکسيداسيون جزئي اضافه مي گردد.

ريفورمينگ اتوترمال ترکيبي از هر دو فرآيند گرماگير ريفورمينگ بخار و فرآيند گرماده اکسيداسيون جزئي است، از مزايای استفاده از اين فرآيند عدم نياز به منبع حرارتي خارجي و هزينه کمتر در مقايسه با فرآيند ريفورمينگ بخار، برای تولید گاز هیدروژن است.

 ریفورمینگ اتوترمال

با استفاده از لینک زیر کتاب سوخت هیدروژنی: تولید، ذخیره سازی و حمل (Hydrogen Fuel ProductionTransportand_Stora) رایگان در در ایمیل خود دریافت کنید.

ارسال لینک دانلود به ایمیل

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *