7696

بررسي واكنش انتقال آب-گاز و كاتاليستهاي مورد استفاده در اين واكنش جهت خالص‌سازي هيدروژن

1398

دكتر مهران رضائي

رشد مداوم جمعيت و اقتصاد جهاني همراه با گسترش شهرنشيني منجر به افزايش چشمگير تقاضاي انرژي شده‌ است . روش مرسوم تامين انرژي به منابع هيدروكربني، همچون سوخت‌هاي فسيلي بستگي دارد كه با توجه به عواملي همچون توزيع جغرافيايي و نحوه استخراج، محدود شده‌اند. روش‌هايي كه ما از سوخت‌هاي فسيلي به عنوان منبع اصلي انرژي خود از زمان انقلاب صنعتي تا به امروز استفاده كرده‌ايم باعث افزايش شديد در سطح كربن دي اكسيد و ديگر گازهاي گلخانه‌اي موجود در اتمسفر شده اند كه علت اصلي گرم شدن كره زمين است. بنابراين، مطالعه بر روي منابع انرژي تجديد پذير كه از نظر زيست‌ محيطي بي‌خطر باشند حائز اهميت است. در ميان حامل‌هاي انرژي، هيدروژن به عنوان يك روش دوست دار محيط زيست، براي پيشگيري از تغييرات آب و هوايي، آلودگي هوا و ايمن سازي در حوزه انرژي مورد مطالعه قرار گرفته است. هيدروژن يك جايگزين مناسب براي سوخت‌هاي فسيلي مورد استفاده در توليد گرما و برق در نظر گرفته شده ‌است. اين امر ناشي از اين واقعيت مي‌باشد كه هيدروژن يك سوخت عاري از كربن و فراوان‌ترين عنصر در جهان است. خلوص هيدروژن با عنوان مقدار كم ساير ناخالصي‌ها يا عدم وجود آنها در تركيبات مدنظر تعريف مي‌شود. در ميان روش‌هاي متنوع خالص‌سازي هيدروژن، اعم از غشائي، فيزيكي و كاتاليستي، اغلب توجهات بر روي استفاده از كاتاليست‌ها معطوف مي‌باشد. گزينش پذيري و فعاليت كم كاتاليست‌هاي صنعتي مورد استفاده فعلي و افزايش قيمت انرژي منجر به جستجوي كاتاليست‌هاي جديد صنعتي با ويژگي‌هاي بهينه شده مي‌گردد. در واقع، بايد كاتاليست‌هاي صنعتي بهبود يابد تا فعاليت و گزينش پذيري آنها افزايش يابد، همچنين از مصرف بيش از حد انرژي و توليد فرآورده هاي جانبي كه سازگاري با محيط زيست ندارند، جلوگيري شود. علاوه بر اين، قيمت همچنان يك جنبه تعيين كننده در توسعه و پياده سازي كاتاليست‌هاي جديد صنعتي است كه بايد براي كاربردهاي تجاري پايدار در نظر گرفته شود. يكي از روش‌هاي موثري كه براي توليد بهينه هيدروژن در صنعت مرسوم است، فرايند كاتاليستي انتقال آب-گاز مي‌باشد. اين واكنش توسط فيزيكدان ايتاليايي، فليس فونتانا در سال 1780 كشف شد. در گذشته، واحدهاي سنتز آمونياك از اين فرايند براي توليد هيدروژن استفاده مي كردند. با آغاز قرن بيستم، و به دليل اينكه منبع اصلي گاز سنتز از زغال سنگ و كك بود، از واكنش WGS به عنوان يك فرايند مستقل استفاده مي‌شد. در آن زمان، رايج ترين و اقتصادي ترين مدل، اجراي واكنش در يك مرحله و در دماي حدود 450-600 درجه سلسيوس و استفاده از Fe-Cr به عنوان كاتاليست بود. جهش بعدي اين فرآيند، معرفي مبدل مرحله دوم در دماي حدود 320-360 درجه سلسيوس با استفاده از همان كاتاليست بود. اگر كاتاليزور و واكنش دهنده در فازهاي مختلف قرار داشته باشند، به آن واكنش، واكنش ناهمگن WGS گفته مي شود. تقريبا تمام صنايع از واكنش WGS ناهمگن براي اهدافشان استفاده مي كنند كه يكي در دماي بالاتر و ديگري در دماي پايين براي دستيابي به تبديل صد درصدي به CO بكار مي‌روند. براساس دماي محيط واكنش مي‌توانيم كاتاليزورهاي انتقال گاز آب را به پنج دسته طبقه بندي كنيم: كاتاليست‌هاي دما بالا (HTWGS)، كاتاليست‌هاي دما پايين(LTWGS) ،كاتاليست‌هاي بر پايه Ceria و فلزات نجيب، كاتاليست‌هاي بر پايه كربن، كاتاليست‌هاي داراي ساختار نانو. عليرغم سادگي واكنش و مطالعات گسترده در طول ساليان اخير، مكانيزم واكنش WGS هنوز هم به علت حساسيت كاتاليست‌ها به تغييرات جزيي در شرايط عملياتي، بحث ‌برانگيز و پيچيده است. دو مكانيزم مهم براي واكنش WGS وجود دارد: مكانيزم احيا (redox) و مكانيزم اكسايش (لانگموير- هينشلوود). سينتيك WGSR براي زمان طولاني مطالعه شده و معادلات زيادي براي WGSR دما پايين و بالا پيشنهاد شده‌ است. تفاوت اصلي بين آن‌ها به دليل حضور ناخالصي‌ها در گازهاي واكنش دهنده و به اين دليل است كه داده‌هاي سينتيكي تحت محدوديت‌‌هاي نفوذ در بسياري از موارد به دست آمده‌اند. واژه‌هاي كليدي: خالص‌سازي هيدروژن، واكنش انتقال آب-گاز، كاتاليست‌هاي LTWGS، كاتاليست‌هاي HTWGS

10/6/2020 12:00:00 AM

69012

1399/08/18

INVESTIGATION OF WATER GAS SHIFT REACTION (WGSR) AND CATALYSTS USED IN THE REACTION FOR HYDROGEN PURIFICATION