भाप सुधार

स्टीम रिफॉर्मिंग या स्टीम मीथेन रिफॉर्मिंग (SMR) पानी के साथ हाइड्रोकार्बन  की प्रतिक्रिया से  सिनगैस  ( हाइड्रोजन  और  कार्बन मोनोआक्साइड ) बनाने की एक विधि है। आमतौर पर  प्राकृतिक गैस  फीडस्टॉक है। इस तकनीक का मुख्य उद्देश्य  हाइड्रोजन उत्पादन  है। इस संतुलन द्वारा प्रतिक्रिया का प्रतिनिधित्व किया जाता है:
 * सीएच4 + एच2ओ <=> सीओ + 3 एच2

प्रतिक्रिया जोरदार एन्दोठेर्मिक  है (ΔHSR = 206 केजे/मोल)।

वाष्प सुधार द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन को 'ग्रे हाइड्रोजन' कहा जाता है जब अपशिष्ट कार्बन मोनोऑक्साइड को वायुमंडल में छोड़ा जाता है और 'ब्लू हाइड्रोजन' जब कार्बन मोनोऑक्साइड (ज्यादातर) कब्जा कर लिया जाता है और भूगर्भीय रूप से संग्रहीत किया जाता है - कार्बन को पकड़ने और भंडारण  देखें। जीरो कार्बन ग्रीन हाइड्रोजन|'ग्रीन' हाइड्रोजन सौर तापीय, कम या शून्य-कार्बन बिजली या अपशिष्ट ताप का उपयोग करके थर्मोकेमिकल पानी के विभाजन से उत्पन्न होता है, या  इलेक्ट्रोलीज़, कम या शून्य-कार्बन बिजली का उपयोग कर। शून्य कार्बन उत्सर्जन 'फ़िरोज़ा' हाइड्रोजन वन-स्टेप पायरोलिसिस # प्राकृतिक गैस के हाइड्रोजन के लिए मीथेन पायरोलिसिस द्वारा निर्मित होता है।)

प्राकृतिक गैस का भाप सुधार दुनिया के अधिकांश हाइड्रोजन का उत्पादन करता है। हाइड्रोजन का उपयोग अमोनिया उत्पादन  और अन्य रसायनों में किया जाता है।

प्रतिक्रियाएं
भाप सुधार प्रतिक्रिया कैनेटीक्स, विशेष रूप से अल्यूमिनियम ऑक्साइड  उत्प्रेरक का उपयोग करते हुए, 1950 के दशक से विस्तार से अध्ययन किया गया है।

पूर्व-सुधार
प्री-रिफॉर्मिंग का उद्देश्य उच्च हाइड्रोकार्बन जैसे प्रोपेन, ब्यूटेन या  मिट्टी का तेल  को  मीथेन  (CHH) में तोड़ना है।4), जो डाउनस्ट्रीम में अधिक कुशल सुधार की अनुमति देता है।

भाप सुधार
नाम देने वाली प्रतिक्रिया भाप सुधार (एसआर) प्रतिक्रिया है और समीकरण द्वारा व्यक्त की जाती है:

$$[1]\qquad \mathrm{CH}_4 + \mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{CO} + 3\,\mathrm{H}_2 \qquad \Delta H_{SR} = 206\ \mathrm{kJ/mol}$$ जल-गैस शिफ्ट प्रतिक्रिया (WGSR) के माध्यम से, समीकरण के अनुसार उत्पन्न कार्बन मोनोऑक्साइड के साथ पानी की प्रतिक्रिया से अतिरिक्त हाइड्रोजन निकलता है [1]:

$$[2]\qquad \mathrm{CO} + \mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{CO}_2 + \mathrm{H}_2 \qquad \Delta H_{WGSR} = -41\ \mathrm{kJ/mol}$$ भाप सुधार प्रक्रियाओं के भीतर होने वाली कुछ अतिरिक्त प्रतिक्रियाओं का अध्ययन किया गया है। आम तौर पर प्रत्यक्ष भाप सुधार (डीएसआर) प्रतिक्रिया भी शामिल है:

$$[3]\qquad \mathrm{CH}_4 + 2\,\mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightleftharpoons \mathrm{CO}_2 + 4\,\mathrm{H}_2 \qquad \Delta H_{DSR} = 165\ \mathrm{kJ/mol}$$ चूंकि ये प्रतिक्रियाएं अपने आप में अत्यधिक एंडोथर्मिक हैं (डब्ल्यूजीएसआर के अलावा, जो हल्के से एक्ज़ोथिर्मिक है), एक स्थिर तापमान बनाए रखने के लिए रिएक्टर में बड़ी मात्रा में गर्मी जोड़ने की आवश्यकता होती है। इष्टतम एसएमआर रिएक्टर संचालन की स्थिति 20-30 बार के मध्यम दबाव पर 800 डिग्री सेल्सियस से 900 डिग्री सेल्सियस के तापमान सीमा के भीतर होती है। भाप की अधिक मात्रा की आवश्यकता होती है, जिसे (दाढ़) भाप से कार्बन (एस/सी) अनुपात द्वारा व्यक्त किया जाता है। विशिष्ट एस/सी अनुपात मान 2.5:1 - 3:1 की सीमा के भीतर होते हैं।

औद्योगिक अभ्यास
प्रतिक्रिया मल्टीट्यूबुलर खचाखच भरे बिस्तर  रिएक्टरों में आयोजित की जाती है, जो  प्लग फ्लो रिएक्टर मॉडल  श्रेणी का एक उपप्रकार है। इन रिएक्टरों में लंबी और संकीर्ण ट्यूबों की एक सरणी होती है जो एक बड़े  औद्योगिक भट्टी  के दहन कक्ष के भीतर स्थित होते हैं, जो ऑपरेशन के दौरान रिएक्टर को स्थिर तापमान पर रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करते हैं। भट्ठी के डिजाइन अलग-अलग होते हैं, बर्नर कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर उन्हें आम तौर पर वर्गीकृत किया जाता है: ऊपर से निकाल दिया जाता है, नीचे से निकाल दिया जाता है, और किनारे से निकाल दिया जाता है। एक उल्लेखनीय डिजाइन  फोस्टर व्हीलर  | फोस्टर-व्हीलर टैरेस वॉल रिफॉर्मर है।

ट्यूबों के अंदर, भाप और मीथेन के मिश्रण को निकल उत्प्रेरक के संपर्क में लाया जाता है। उच्च परिचालन तापमान  के कारण  प्रसार  सीमाओं के कारण उच्च  सतह-क्षेत्र-से-आयतन अनुपात  वाले  उत्प्रेरक ों को प्राथमिकता दी जाती है। इस्तेमाल किए गए उत्प्रेरक आकृतियों के उदाहरण स्पोक व्हील, गियर व्हील और छेद वाले छल्ले हैं (देखें: रैशिग रिंग)। इसके अतिरिक्त, इन आकृतियों में कम दबाव ड्रॉप होता है जो इस एप्लिकेशन के लिए फायदेमंद होता है। प्राकृतिक गैस का भाप सुधार 65-75% कुशल है। संयुक्त राज्य अमेरिका प्रति वर्ष 9-10 मिलियन टन हाइड्रोजन का उत्पादन करता है, ज्यादातर प्राकृतिक गैस के भाप सुधार के साथ। भाप सुधार से प्राप्त हाइड्रोजन का उपयोग करते हुए दुनिया भर में अमोनिया का उत्पादन 2018 में 144 मिलियन टन था। ऊर्जा की खपत 1920 में 100 GJ / टन अमोनिया से 2019 तक 27 GJ तक कम हो गई है। विश्व स्तर पर, लगभग 50% हाइड्रोजन का उत्पादन भाप सुधार के माध्यम से किया जाता है। यह वर्तमान में अपनी पूंजीगत लागत के मामले में उपलब्ध हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सबसे कम खर्चीला तरीका है।

हाइड्रोजन उत्पादन को डीकार्बोनाइज करने के प्रयास में, कार्बन कैप्चर और स्टोरेज (सीसीएस) विधियों को उद्योग के भीतर लागू किया जा रहा है, जिसमें सीओ के 90% तक को हटाने की क्षमता है।2 प्रक्रिया से उत्पादित। इसके बावजूद, इस तकनीक का कार्यान्वयन समस्याग्रस्त, महंगा बना हुआ है, और उत्पादित हाइड्रोजन की कीमत में काफी वृद्धि करता है।

ऑटोथर्मल सुधार
ऑटोथर्मल रिफॉर्मिंग (एटीआर) सिनगैस बनाने के लिए मीथेन के साथ प्रतिक्रिया में ऑक्सीजन और कार्बन डाइऑक्साइड या भाप का उपयोग करता है। प्रतिक्रिया एक एकल कक्ष में होती है जहां मीथेन आंशिक रूप से ऑक्सीकृत होता है। प्रतिक्रिया एक्ज़ोथिर्मिक है। जब एटीआर कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करता है, तो एच2:CO उत्पादन अनुपात 1:1 है; जब एटीआर भाप का उपयोग करता है, एच2:CO का उत्पादन अनुपात 2.5:1 है। सिनगैस का आउटलेट तापमान 950-1100 डिग्री सेल्सियस के बीच होता है और आउटलेट का दबाव 100 बार (इकाई)  जितना अधिक हो सकता है। प्रतिक्रियाओं के अलावा [1] - [3], एटीआर निम्नलिखित प्रतिक्रिया का परिचय देता है:

$$[4]\qquad \mathrm{CH}_4 + 0.5\,\mathrm{O}_2 \rightleftharpoons \mathrm{CO} + 2\,\mathrm{H}_2 \qquad \Delta H_{R} = -24.5\ \mathrm{kJ/mol}$$ एसएमआर और एटीआर के बीच मुख्य अंतर यह है कि एसएमआर केवल भाप बनाने के लिए गर्मी स्रोत के रूप में दहन के लिए हवा का उपयोग करता है, जबकि एटीआर शुद्ध ऑक्सीजन का उपयोग करता है। एटीआर का लाभ यह है कि एच2:CO अनुपात विविध हो सकता है, जो विशेष उत्पादों के उत्पादन के लिए उपयोगी हो सकता है। एटीआर के भीतर होने वाली कुछ अतिरिक्त प्रतिक्रियाओं की एक्ज़ोथिर्मिक प्रकृति के कारण, प्रक्रिया अनिवार्य रूप से शून्य (ΔH = 0) की शुद्ध थैलेपी पर की जा सकती है।

आंशिक ऑक्सीकरण
आंशिक ऑक्सीकरण (पीओएक्स) तब होता है जब एक उप-स्टोइकोमेट्रिक ईंधन-वायु मिश्रण आंशिक रूप से हाइड्रोजन-समृद्ध सिनगैस बनाने वाले सुधारक में दहन होता है। POX आमतौर पर स्टीम रिफॉर्मिंग की तुलना में बहुत तेज होता है और इसके लिए एक छोटे रिएक्टर पोत की आवश्यकता होती है। POX समान ईंधन के भाप सुधार की तुलना में इनपुट ईंधन की प्रति यूनिट कम हाइड्रोजन का उत्पादन करता है।

छोटे पैमाने पर भाप सुधार
छोटे से मध्यम आकार के अनुप्रयोगों के लिए भाप सुधार संयंत्रों की पूंजीगत लागत को निषेधात्मक माना जाता है। इन विस्तृत सुविधाओं की लागत अच्छी तरह से कम नहीं होती है। पारंपरिक भाप सुधार संयंत्र 200 और 600 साई (14-40 बार) के बीच दबाव में 815 से 925 डिग्री सेल्सियस की सीमा में आउटलेट तापमान के साथ काम करते हैं।

दहन इंजन के लिए
गैस भड़कना और हवादार  वाष्पशील कार्बनिक यौगिक  (वीओसी) अपतटीय उद्योग और तटवर्ती तेल और गैस उद्योग में ज्ञात समस्याएं हैं, क्योंकि दोनों वातावरण में ग्रीनहाउस गैसों को छोड़ते हैं। दहन इंजनों के लिए सुधार अपशिष्ट गैसों को ऊर्जा के स्रोत में परिवर्तित करने के लिए भाप सुधार प्रौद्योगिकी का उपयोग करता है। दहन इंजन के लिए सुधार भाप सुधार पर आधारित है, जहां कम गुणवत्ता वाले गैसों के गैर-मीथेन हाइड्रोकार्बन ( NMHC s) को Syngas (H) में परिवर्तित किया जाता है।2 + CO) और अंत में मीथेन (CH .) में4), कार्बन डाइआक्साइड  (CO .)2) और हाइड्रोजन (H .)2) - जिससे ईंधन गैस की गुणवत्ता (मीथेन संख्या) में सुधार होता है।

ईंधन कोशिकाओं के लिए
ईंधन कोशिकाओं के लिए फीडस्टॉक के रूप में हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए समान तकनीक पर आधारित बहुत छोटी इकाइयों के विकास में भी रुचि है। ईंधन कोशिकाओं की आपूर्ति के लिए छोटे पैमाने पर भाप सुधार इकाइयां वर्तमान में अनुसंधान और विकास का विषय हैं, आमतौर पर मेथनॉल  के सुधार को शामिल किया जाता है, लेकिन अन्य ईंधन को भी प्रोपेन,  पेट्रोल,  रसोई गैस ,  डीजल ईंधन  और  इथेनॉल  जैसे माना जा रहा है।

नुकसान
सुधारक- ईंधन-सेल प्रणाली पर अभी भी शोध किया जा रहा है, लेकिन निकट अवधि में, सिस्टम मौजूदा ईंधन, जैसे प्राकृतिक गैस या गैसोलीन या डीजल पर चलते रहेंगे। हालाँकि, इस बारे में एक सक्रिय बहस है कि क्या इन ईंधनों का उपयोग हाइड्रोजन बनाने के लिए फायदेमंद है जबकि ग्लोबल वार्मिंग एक मुद्दा है। जीवाश्म ईंधन  सुधार वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड के उत्सर्जन को समाप्त नहीं करता है, लेकिन कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन को कम करता है और दक्षता और ईंधन सेल विशेषताओं में वृद्धि के कारण पारंपरिक ईंधन के जलने की तुलना में कार्बन मोनोऑक्साइड उत्सर्जन को लगभग समाप्त कर देता है। हालांकि, वितरित रिलीज के बजाय कार्बन डाइऑक्साइड की रिहाई को एक  बिंदु स्रोत  में बदलकर, कार्बन कैप्चर और स्टोरेज एक संभावना बन जाती है, जो प्रक्रिया की लागत को जोड़ते हुए कार्बन डाइऑक्साइड को वायुमंडल में छोड़ने से रोकेगी।

जीवाश्म ईंधन में सुधार करके हाइड्रोजन उत्पादन की लागत उस पैमाने पर निर्भर करती है जिस पर यह किया जाता है, सुधारक की पूंजीगत लागत और इकाई की दक्षता, ताकि एक औद्योगिक में हाइड्रोजन के प्रति किलोग्राम केवल कुछ डॉलर खर्च हो सकें। पैमाने पर, यह ईंधन कोशिकाओं के लिए आवश्यक छोटे पैमाने पर अधिक महंगा हो सकता है।

ईंधन कोशिकाओं की आपूर्ति करने वाले सुधारकों के साथ चुनौतियां
इस तकनीक से जुड़ी कई चुनौतियाँ हैं:
 * सुधार प्रतिक्रिया उच्च तापमान पर होती है, जिससे इसे शुरू करना धीमा हो जाता है और महंगी उच्च तापमान सामग्री की आवश्यकता होती है।
 * ईंधन में गंधक  यौगिक कुछ उत्प्रेरकों को जहर देंगे, जिससे इस प्रकार की प्रणाली को साधारण गैसोलीन से चलाना मुश्किल हो जाएगा। कुछ नई तकनीकों ने सल्फर-सहिष्णु उत्प्रेरकों के साथ इस चुनौती को पार कर लिया है।
 * भाप सुधार के दौरान उत्प्रेरक के निष्क्रिय होने का एक अन्य कारण कोकिंग  भी होगा। उच्च प्रतिक्रिया तापमान, कम भाप-से-कार्बन अनुपात (एस/सी), और सल्फर युक्त वाणिज्यिक हाइड्रोकार्बन ईंधन की जटिल प्रकृति कोकिंग को विशेष रूप से अनुकूल बनाती है। ओलेफिन, आम तौर पर एथिलीन, और एरोमेटिक्स प्रसिद्ध कार्बन-अग्रदूत हैं, इसलिए भाप सुधार के दौरान उनके गठन को कम किया जाना चाहिए। इसके अतिरिक्त, कम अम्लता वाले उत्प्रेरकों को डीहाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं को दबाने से कोकिंग के लिए कम प्रवण होने की सूचना मिली थी। एच2एस, कार्बनिक सल्फर के सुधार में मुख्य उत्पाद, धातु-सल्फर बांड बनाने के लिए सभी संक्रमण धातु उत्प्रेरकों को बांध सकता है और बाद में सुधारक अभिकारकों के रसायन विज्ञान को रोककर उत्प्रेरक गतिविधि को कम कर सकता है। इस बीच, सोखने वाली सल्फर प्रजातियां उत्प्रेरक अम्लता को बढ़ाती हैं, और इसलिए अप्रत्यक्ष रूप से कोकिंग को बढ़ावा देती हैं। Rh और Pt जैसे कीमती धातु उत्प्रेरकों में Ni जैसे अन्य धातु उत्प्रेरकों की तुलना में थोक सल्फाइड बनाने की प्रवृत्ति कम होती है। धातु सल्फाइड बनाने के बजाय केवल रसायनयुक्त सल्फर द्वारा Rh और Pt में सल्फर विषाक्तता का खतरा कम होता है।
 * कम तापमान बहुलक ईंधन सेल  झिल्ली को रिएक्टर द्वारा उत्पादित कार्बन मोनोऑक्साइड (सीओ) द्वारा जहर दिया जा सकता है, जिससे जटिल सीओ-हटाने वाली प्रणालियों को शामिल करना आवश्यक हो जाता है।  ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल  (SOFC) और पिघले  पिघला हुआ कार्बोनेट ईंधन सेल  (MCFC) में यह समस्या नहीं है, लेकिन उच्च तापमान पर काम करते हैं, स्टार्ट-अप समय धीमा करते हैं, और महंगी सामग्री और भारी इन्सुलेशन की आवश्यकता होती है।
 * हाइड्रोजन उत्पाद की शुद्धता के आधार पर प्रक्रिया की थर्मोडायनामिक दक्षता  70% और 85% (कम ताप मूल्य) के बीच होती है।

यह भी देखें

 * बायोगैस
 * बौडौर्ड प्रतिक्रिया
 * उत्प्रेरक सुधार
 * रासायनिक लूपिंग सुधार और गैसीकरण
 * क्रैकिंग (रसायन विज्ञान)
 * हाइड्रोजन चुटकी
 * हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियां
 * औद्योगिक गैस
 * लेन हाइड्रोजन उत्पादक
 * मीथेन पायरोलिसिस (हाइड्रोजन के लिए)
 * आंशिक ऑक्सीकरण
 * प्रोक्स ी
 * सुधारित मेथनॉल ईंधन सेल
 * सुधारक स्पंज आयरन चक्र
 * सिनगैस
 * हाइड्रोजन प्रौद्योगिकियों की समयरेखा