20 مهر 1404
گردآورنده : محمد امین نوروزی
مقدمه
در صنایع پتروشیمی به دلیل فرآیندهای گسسته سهزی و کراکینگ نفت، مانند گسسته سازی حرارتی و برشی، مصرف ناقص هیدروژن و تولید هیدروژن اضافی در فرآیندهای شیمیایی باعث می‌شود تا هیدروژن مازاد در این صنایع تولید گردد. به همین دلیل نیاز است تا از این هیدروژن مازاد بهره برداری نمود [1]. استفاده از هیدروژن مازاد در صنعت پتروشیمی راهکارهای متنوعی دارد که در اینجا به چند نمونه آن اشاره شده است.
تولید آمونیاک : هیدروژن مازاد می‌تواند برای تولید آمونیاک در فرآیند هابر مصرف شود.
تولید متانول سبز: هیدروژن مازاد را می‌توان برای تولید متانول با روش‌های سبز استفاده کرد، که در کاهش انتشار گازهای گلخانه ای موثر است.
تولید سوخت‌های مصنوعی: هیدروژن مازاد می‌تواند در ساخت سوخت‌های مصنوعی مانند الکل‌ها و سوخت‌های هیدروکربنی نقش داشته باشد، که در حمل‌ونقل و صنایع مختلف کاربرد دارد.
استفاده در پیل‌های هیدروژنی: هیدروژن مازاد برای تولید برق در پیل‌های هیدروژنی به کار می‌رود، ابزاری پاک و مؤثر برای تامین انرژی است.
واکنش‌های تبدیل به محصولات شیمیایی دیگر: هیدروژن می‌تواند در تولید مواد شیمیایی دیگر مانند زایلن و استیلن کاربرد پیدا کند.
تولید آمونیاک به روش هابر
فرآیند هابر (Haber Process) یک روش شیمیایی است که برای تولید آمونیاک (NH₃) از نیتروژن (N₂) و هیدروژن (H₂) استفاده می‌شود. این فرآیند به نام شیمیدان آلمانی، فریتس هابر، نام‌گذاری شده است که در اوایل قرن بیستم این روش را توسعه داد. فرآیند هابر نقش مهمی در صنعت پتروشیمی و تولید کودهای شیمیایی دارد. مراحل فرآیند هابر به شرح زیر است:
تامین مواد اولیه:
نیتروژن از جو به دست می‌آید (جو تقریباً 78% نیتروژن دارد).
هیدروژن معمولاً از طریق روش‌های مختلفی مانند reforming گاز طبیعی یا الکترولیز آب تولید می‌شود.
اختلاط گازها:
نیتروژن و هیدروژن به نسبت مولی 1:3 (N₂:H₂) مخلوط می‌شوند.
فشار و دما:
این مخلوط گازی تحت فشار بالا (معمولاً 150 تا 300 بار) و دماهای بالا (معمولاً 400 تا 500 درجه سانتی‌گراد) قرار می‌گیرد. این شرایط باعث افزایش سرعت واکنش و تولید آمونیاک می‌شود.
کاتالیزور:
برای تسریع واکنش، از کاتالیزورهایی مانند آهن با افزودنی‌هایی مثل آلومینیوم اکسید یا پتاسیم استفاده می‌شود.
واکنش شیمیایی:
واکنش اصلی به صورت زیر است:
N₂(g) + 3H₂(g) ⇌ 2NH₃(g)
این واکنش گرمازا است و بنابراین با افزایش دما، تعادل به سمت چپ (تولید نیتروژن و هیدروژن) می‌رود.
خنک‌سازی و جداسازی:
گاز آمونیاک تولید شده با خنک‌سازی جدا می‌شود و در صورت نیاز، دوباره گازهای غیر واکنش داده (N₂ و H₂) به سیستم بازگردانده می‌شوند.
اهمیت فرآیند هابر در صنعت پتروشیمی:
• تولید کودهای شیمیایی: آمونیاک تولید شده در فرآیند هابر به عنوان ماده اولیه برای تولید انواع کودهای نیتروژنی مانند اوره و نیترات آمونیوم استفاده می‌شود.
• تأمین نیاز غذایی: با افزایش جمعیت جهان، نیاز به تولید غذا و کشاورزی افزایش یافته است و آمونیاک نقش کلیدی در تأمین نیتروژن مورد نیاز گیاهان دارد.
• صنعت پتروشیمی: آمونیاک همچنین در تولید مواد شیمیایی دیگر مانند متانول، اسید نیتریک و سایر ترکیبات شیمیایی مهم کاربرد دارد.
به طور کلی، فرآیند هابر یکی از مهم‌ترین و تأثیرگذارترین فرآیندها در صنعت پتروشیمی و کشاورزی مدرن به شمار می‌رود [2].
تولید متانول سبز
تولید متانول سبز با استفاده از هیدروژن مازاد صنعت پتروشیمی یک رویکرد نوآورانه و پایدار است که به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و بهینه‌سازی استفاده از منابع انرژی کمک می‌کند. در این فرآیند، هیدروژن تولید شده به عنوان یک محصول جانبی در صنایع پتروشیمی، به عنوان ماده اولیه برای تولید متانول استفاده می‌شود [3].
مراحل تولید متانول سبز:
تولید هیدروژن:
هیدروژن به طور معمول از طریق روش‌های مختلفی مانند ریفرمیگ گاز طبیعی یا الکترولیز آب تولید می‌شود. در اینجا، هیدروژن مازاد از فرآیندهای پتروشیمی (مانند تولید آمونیاک) مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کربن‌گیری:
برای تولید متانول، نیاز به منبع کربن نیز داریم. این منبع می‌تواند دی‌اکسید کربن (CO₂) باشد که از فرآیندهای صنعتی یا منابع تجدیدپذیر (مانند بیوماس) به دست می‌آید. استفاده از CO₂ به عنوان منبع کربن نه تنها به تولید متانول کمک می‌کند، بلکه به کاهش غلظت CO₂ در جو نیز کمک می‌کند.
واکنش سنتز متانول:
ترکیب هیدروژن و دی‌اکسید کربن برای تولید متانول به صورت زیر انجام می‌شود:
CO₂ + 3H₂ → CH₃OH + H₂O
این واکنش در دما و فشار بالا و با استفاده از کاتالیزورهایی مانند مس یا روی انجام می‌شود.
جداسازی و خالص‌سازی:
پس از واکنش، متانول تولید شده باید جداسازی و خالص‌سازی شود تا بتواند به عنوان یک محصول نهایی با کیفیت بالا مورد استفاده قرار گیرد.
مزایای تولید متانول سبز:
کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: استفاده از CO₂ به عنوان منبع کربن و هیدروژن مازاد به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک می‌کند.
استفاده بهینه از منابع: بهره‌برداری از هیدروژن مازاد که ممکن است در غیر این صورت هدر برود، باعث افزایش کارایی فرآیندهای صنعتی می‌شود.
توسعه پایدار: تولید متانول سبز می‌تواند به عنوان سوخت جایگزین یا ماده اولیه برای تولید مواد شیمیایی دیگر استفاده شود و به توسعه پایدار کمک کند.
تنوع در تأمین انرژی: متانول می‌تواند به عنوان یک سوخت پاک و قابل حمل در وسایل نقلیه و سیستم‌های انرژی مورد استفاده قرار گیرد.
چالش‌ها:
اقتصاد تولید: هزینه‌های تولید و فناوری‌های مورد نیاز برای جمع‌آوری CO₂ و تبدیل آن به متانول هنوز هم چالش‌برانگیز هستند.
زیرساخت‌ها: نیاز به زیرساخت‌های مناسب برای جمع‌آوری و انتقال هیدروژن و CO₂ وجود دارد.
پذیرش بازار: نیاز به پذیرش گسترده‌تر متانول سبز در بازارهای انرژی و شیمیایی وجود دارد.
در مجموع، تولید متانول سبز با استفاده از هیدروژن مازاد صنعت پتروشیمی یک راهکار امیدوارکننده برای دستیابی به اهداف پایداری و کاهش انتشار کربن است.
تولید سوخت های مصنوعی
تولید سوخت‌های مصنوعی از هیدروژن مازاد صنعت پتروشیمی یک حوزه تحقیقاتی مهم در زمینه انرژی پایدار و کاهش گازهای گلخانه‌ای است. این فرآیند به عنوان یک راهکار برای استفاده از هیدروژن تولید شده در فرآیندهای پتروشیمی، به ویژه در زمان‌هایی که تقاضا برای هیدروژن پایین است، مطرح می‌شود [4].
مراحل تولید سوخت‌های مصنوعی از هیدروژن مازاد:
تولید هیدروژن: هیدروژن معمولاً از طریق روش‌های مختلفی مانند اصلاح گاز طبیعی یا الکترولیز آب تولید می‌شود. در صنایع پتروشیمی، هیدروژن معمولاً به عنوان یک محصول جانبی تولید می‌شود.
کربن‌زدایی: برای تولید سوخت‌های مصنوعی، نیاز به منابع کربنی است. این کربن می‌تواند از منابع مختلفی مانند CO2 موجود در جو یا گازهای خروجی صنایع به دست آید. فرآیندهای مختلفی برای جذب و استفاده از CO2 وجود دارد.
ترکیب هیدروژن و کربن: با استفاده از واکنش‌های شیمیایی مانند سنتز متانول می‌توان هیدروژن و کربن را به سوخت‌های مایع (مانند متانول یا سوخت‌های دیگر) تبدیل کرد.
تبدیل به سوخت‌های مصنوعی: محصولات حاصل از ترکیب هیدروژن و کربن می‌توانند به سوخت‌های مصنوعی تبدیل شوند که می‌توانند در موتورهای احتراق داخلی یا به عنوان پیش‌سازهای دیگر سوخت‌ها مورد استفاده قرار گیرند.
مزایا:
کاهش انتشار CO2: استفاده از CO2 به عنوان منبع کربن می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند.
استفاده از هیدروژن مازاد: این فرآیند به صنایع پتروشیمی اجازه می‌دهد تا از هیدروژن اضافی خود بهره‌برداری کنند و در عین حال ارزش افزوده ایجاد کنند.
تنوع در منابع انرژی: تولید سوخت‌های مصنوعی می‌تواند به تنوع در منابع انرژی و کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی کمک کند.
استفاده در پیل های سوختی
هیدروژن مازاد تولید شده در صنایع پتروشیمی می‌تواند به عنوان منبعی ارزشمند برای پیل‌های سوختی هیدروژنی مورد استفاده قرار گیرد. پیل‌های سوختی هیدروژنی دستگاه‌هایی هستند که انرژی شیمیایی هیدروژن و اکسیژن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این فرآیند به صورت زیر انجام می‌شود [4]:
آنود (الکترود منفی): هیدروژن در انود اکسید می‌شود و الکترون‌ها آزاد می‌شوند:
2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
کاتود (الکترود مثبت): در کاتود، اکسیژن با پروتون‌ها و الکترون‌ها ترکیب می‌شود تا آب تولید کند:
O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
مزایای استفاده از هیدروژن مازاد
کاهش هزینه‌ها: استفاده از هیدروژن مازاد که به طور معمول به عنوان محصول جانبی تولید می‌شود، می‌تواند هزینه‌های تولید انرژی را کاهش دهد.
کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: با استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت، می‌توان از انتشار CO2 جلوگیری کرد، زیرا تنها محصول جانبی این واکنش آب است.
بهره‌وری انرژی: پیل‌های سوختی معمولاً دارای بهره‌وری بالاتری نسبت به موتورهای احتراق داخلی هستند.
مراجع
E. L. McKinney, Chemical Process Industries, 4th Edition, McGraw-Hill, 2002 [1]
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Haber_process
[3] Hassan Nazir A, Navaneethan Muthuswamy B,C , Cinderella Louis , “Is the H2 economy realizable in the foreseeable future? Part III: H2 usage technologies, applications, and challenges and opportunities”.
[4] Ben Sorensen, “Hydrogen and Fuel Cells, Emerging technologies and applications”, Elsevier Academic Press , 2005