भाप सुधार

भाप सुधार या भाप मीथेन सुधार (एसएमआर) पानी के साथ हाइड्रोकार्बन की प्रतिक्रिया से सिनगैस (हाइड्रोजन और कार्बन मोनोआक्साइड) के उत्पादन की एक विधि है। आमतौर पर प्राकृतिक गैस फीडस्टॉक है। इस प्रौद्योगिकी का मुख्य उद्देश्य हाइड्रोजन उत्पादन है। प्रतिक्रिया इस संतुलन द्वारा दर्शायी जाती है:
 * CH4 + H2O CO + 3 H2

प्रतिक्रिया दृढ़ता से एन्दोठेर्मिक (ΔHSR = 206 kJ/mol) है।

वाष्प सुधार द्वारा उत्पादित हाइड्रोजन को 'ग्रे हाइड्रोजन' कहा जाता है जब अपशिष्ट कार्बन मोनोऑक्साइड को वायुमंडल में छोड़ा जाता है और जब कार्बन मोनोऑक्साइड (ज्यादातर) कब्जा कर लिया जाता है और भूवैज्ञानिक रूप से संग्रहीत किया जाता है - कार्बन कैप्चर और स्टोरेज देखें। ज़ीरो कार्बन 'ग्रीन' हाइड्रोजन का उत्पादन थर्मोकेमिकल वाटर स्प्लिटिंग, सोलर थर्मल, लो- या ज़ीरो-कार्बन इलेक्ट्रिसिटी या वेस्ट हीट, या इलेक्ट्रोलिसिस, लो- या ज़ीरो-कार्बन इलेक्ट्रिसिटी का इस्तेमाल करके किया जाता है। शून्य कार्बन उत्सर्जन 'फ़िरोज़ा' हाइड्रोजन प्राकृतिक गैस के एक-चरण मीथेन पायरोलिसिस द्वारा निर्मित होता है।)

प्राकृतिक गैस के भाप सुधार से दुनिया का अधिकांश हाइड्रोजन पैदा होता है। हाइड्रोजन का उपयोग अमोनिया उत्पादन और अन्य रसायनों के औद्योगिक संश्लेषण में होता है।

प्रतिक्रियाएं
विशेष रूप से निकेल-एल्यूमिना उत्प्रेरकों का उपयोग करते हुए भाप सुधार प्रतिक्रिया कैनेटीक्स का 1950 के दशक के बाद से विस्तार से अध्ययन किया गया है।

पूर्व-सुधार
प्री-रिफॉर्मिंग का उद्देश्य उच्च हाइड्रोकार्बन जैसे प्रोपेन, ब्यूटेन या मिट्टी का तेल को मीथेन (CH4) में तोड़ना है, जो डाउनस्ट्रीम में अधिक कुशल सुधार की अनुमति देता है।

भाप सुधार
नाम देने वाली प्रतिक्रिया स्टीम रिफॉर्मिंग (SR) 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 (डब्ल्यूजीएसआर) के माध्यम से, अतिरिक्त हाइड्रोजन को समीकरण के अनुसार उत्पन्न कार्बन मोनोऑक्साइड के साथ पानी की प्रतिक्रिया से छोड़ा जाता 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 पैक्ड बेड रिएक्टरों में आयोजित की जाती है, प्लग फ्लो रिएक्टर श्रेणी का एक उपप्रकार। इन रिएक्टरों में लंबी और संकरी नलियों की एक श्रृंखला होती है जो एक बड़ी औद्योगिक भट्टी के दहन कक्ष के भीतर स्थित होती हैं, जो ऑपरेशन के दौरान रिएक्टर को स्थिर तापमान पर रखने के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करती हैं। फर्नेस डिज़ाइन अलग-अलग होते हैं, बर्नर कॉन्फ़िगरेशन के आधार पर उन्हें आमतौर पर वर्गीकृत किया जाता है: टॉप-फ़ायर, बॉटम-फ़ेयर और साइड-फ़ेयर। फोस्टर व्हीलर टैरेस वॉल रिफॉर्मर एक उल्लेखनीय डिजाइन है।

ट्यूबों के अंदर भाप और मीथेन के मिश्रण को निकेल उत्प्रेरक के संपर्क में रखा जाता है। उच्च सतह-क्षेत्र-से-आयतन अनुपात वाले उत्प्रेरक उच्च परिचालन तापमान के कारण प्रसार सीमाओं के कारण पसंद किए जाते हैं। इस्तेमाल किए गए ट्रिगर आकार के उदाहरणों में स्पोक व्हील, गियर व्हील और छिद्रित रिंग हैं (देखें: रास्चिग रिंग्स)। इसके अतिरिक्त, इन आकृतियों में कम दबाव होता है जो इस अनुप्रयोग के लिए फायदेमंद है।

प्राकृतिक गैस का भाप सुधार 65-75% कुशल है।

संयुक्त राज्य अमेरिका प्रति वर्ष लगभग 9-10 मिलियन टन हाइड्रोजन का उत्पादन करता है, ज्यादातर प्राकृतिक गैस के भाप सुधार के साथ। भाप सुधार से हाइड्रोजन का उपयोग करके अमोनिया का विश्वव्यापी उत्पादन 2018 में 144 मिलियन टन था। ऊर्जा की खपत 1920 में 100 जीजे/टन अमोनिया से घटकर 2019 तक 27 जीजे हो गई है।

विश्व स्तर पर, लगभग 50% हाइड्रोजन का उत्पादन भाप सुधार के माध्यम से होता है। यह वर्तमान में अपनी पूंजी लागत के मामले में उपलब्ध हाइड्रोजन उत्पादन के लिए सबसे कम खर्चीला तरीका है।

हाइड्रोजन उत्पादन को डीकार्बोनाइज करने के प्रयास में, उद्योग के भीतर कार्बन कैप्चर और स्टोरेज (सीसीएस) विधियों को लागू किया जा रहा है, जिसमें प्रक्रिया से उत्पादित CO2 के 90% तक को हटाने की क्षमता है। फिर भी, इस तकनीक का कार्यान्वयन समस्याग्रस्त, महंगा 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। अभिक्रिया ऊष्माक्षेपी है। जब एटीआर कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करता है, तो H2:CO  का अनुपात 1:1 उत्पन्न होता है; जब एटीआर भाप का उपयोग करता है, तो उत्पादित  H2:CO अनुपात 2.5:1 है। सिनगैस का आउटलेट तापमान 950–1100 °C के बीच होता है और आउटलेट प्रेशर 100 बार (इकाई) जितना अधिक हो सकता है।

अभिक्रियाओं के अतिरिक्त [1] - [3], एटीआर निम्नलिखित अभिक्रिया प्रस्तुत करता 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 भाप बनाने के लिए गर्मी स्रोत के रूप में केवल दहन के लिए हवा का उपयोग करता है, जबकि एटीआर शुद्ध ऑक्सीजन का उपयोग करता है। एटीआर का लाभ यह है कि H2:CO अनुपात भिन्न-भिन्न 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 को अनिवार्य रूप से शून्य (ΔH = 0) की शुद्ध एन्थैल्पी पर निष्पादित किया जा सकता है।

आंशिक ऑक्सीकरण
आंशिक ऑक्सीकरण (पीओएक्स) तब होता है जब एक उप-स्टॉइचियोमेट्रिक ईंधन-वायु मिश्रण को सुधारक में आंशिक रूप से जलाया जाता है ताकि हाइड्रोजन-समृद्ध सिनगैस बनाया जा सके। पीओएक्स आमतौर पर भाप के सुधार की तुलना में बहुत तेज होता है और इसके लिए छोटे रिएक्टर पोत की आवश्यकता होती है। पीओएक्स एक ही ईंधन के भाप सुधार की तुलना में इनपुट ईंधन की प्रति यूनिट कम हाइड्रोजन पैदा करता है।

छोटे पैमाने पर भाप सुधार
छोटे से मध्यम आकार के अनुप्रयोगों के लिए भाप सुधार संयंत्रों की पूंजीगत लागत निषेधात्मक मानी जाती है। इन विस्तृत सुविधाओं की लागत ठीक नहीं है। पारंपरिक भाप सुधार संयंत्र 815 से 925 डिग्री सेल्सियस की सीमा में आउटलेट तापमान के साथ 200 और 600 पीएसआई (14–40 बार) के बीच दबाव में काम करते हैं।

दहन इंजन के लिए
फ्लेयर्ड गैस और वेंटेड वाष्पशील कार्बनिक यौगिक(वीओसी) अपतटीय उद्योग और तटवर्ती तेल और गैस उद्योग में ज्ञात समस्याएँ हैं, क्योंकि दोनों वातावरण में ग्रीनहाउस गैसों को छोड़ते हैं। दहन इंजनों के लिए सुधार अपशिष्ट गैसों को ऊर्जा के स्रोत में बदलने के लिए भाप सुधार तकनीक का उपयोग करता है।

दहन इंजनों के लिए सुधार भाप सुधार पर आधारित है, जहां कम गुणवत्ता वाली गैसों के गैर-मीथेन हाइड्रोकार्बन (NMHCs) को संश्लेषण गैस (H2 + CO) में परिवर्तित किया जाता है और अंत में मीथेन (CH4), कार्बन डाइआक्साइड (CO2) और हाइड्रोजन (H2) है में परिवर्तित - जिससे ईंधन गैस (मीथेन नंबर) की गुणवत्ता में सुधार होता है।

ईंधन सेल के लिए
ईंधन सेल 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 की भाप सुधार इकाइयां वर्तमान में अनुसंधान और विकास का विषय हैं, आमतौर पर मेथनॉल के सुधार में शामिल हैं, लेकिन प्रोपेन, पेट्रोल, रसोई गैस, डीजल ईंधन और इथेनॉल जैसे अन्य ईंधन पर भी विचार किया 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 चलना जारी रखेंगे। हालाँकि, इस बारे में एक सक्रिय बहस चल रही है कि क्या हाइड्रोजन बनाने के लिए इन ईंधनों का उपयोग करना फायदेमंद है जबकि ग्लोबल वार्मिंग एक मुद्दा है। जीवाश्म ईंधन सुधार वातावरण में कार्बन डाइऑक्साइड की 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 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 के उत्पादन की लागत उस पैमाने पर निर्भर करती है जिस पर यह किया जाता है, सुधारक की पूंजी लागत और इकाई की दक्षता, जबकि औद्योगिक पैमाने पर हाइड्रोजन की कीमत केवल कुछ डॉलर प्रति किलोग्राम हो सकती है। बड़े पैमाने पर, यह ईंधन सेल के लिए आवश्यक छोटे पैमाने की तुलना में अधिक महंगा हो सकता है।

ईंधन सेल की आपूर्ति करने वाले सुधारकों के साथ चुनौतियां
इस तकनीक के साथ कई चुनौतियाँ जुड़ी हुई हैं:
 * सुधार की प्रतिक्रिया उच्च तापमान पर होती है, जिससे यह धीमी गति से शुरू होती है और महंगी उच्च तापमान वाली सामग्री की आवश्यकता होती है।
 * ईंधन में सल्फर (गंधक) के 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 दूर किया है।
 * कोकिंग भाप सुधार के दौरान उत्प्रेरक निष्क्रियता का एक अन्य कारण होगा। उच्च प्रतिक्रिया तापमान, कम वाष्प-से-कार्बन अनुपात (S/C), और सल्फर युक्त वाणिज्यिक हाइड्रोकार्बन ईंधन की जटिल प्रकृति कोकिंग को विशेष रूप से अनुकूल बनाती है। ओलेफ़िन, आमतौर पर एथिलीन और एरोमैटिक्स जाने-माने कार्बन-अग्रदूत हैं, इसलिए भाप सुधार के दौरान उनके गठन को कम किया जाना चाहिए। इसके अतिरिक्त, कम अम्लता उत्प्रेरक को डिहाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं को दबाकर कोकिंग के लिए कम प्रवण बताया गया। H2S, कार्बनिक सल्फर के सुधार में मुख्य उत्पाद, धातु-सल्फर बॉन्ड बनाने के लिए सभी संक्रमण धातु उत्प्रेरकों को बांध सकता है और बाद में सुधार करने वाले अभिकारकों के रासायनिक शोषण को रोककर उत्प्रेरक गतिविधि को कम कर सकता है। इस बीच, अवशोषित सल्फर प्रजातियां उत्प्रेरक अम्लता को बढ़ाती हैं, और इसलिए अप्रत्यक्ष रूप से कोकिंग को बढ़ावा देती हैं। कीमती धातु उत्प्रेरक जैसे कि Rh और Pt में Ni जैसे अन्य धातु उत्प्रेरक की तुलना में बल्क सल्फाइड बनाने की प्रवृत्ति कम होती है। Rh और Pt धातु सल्फाइड बनाने के बजाय सल्फर के केवल रासायनिक अवशोषण द्वारा सल्फर विषाक्तता से कम प्रवण होते हैं।
 * रिएक्टर द्वारा उत्पादित कार्बन मोनोऑक्साइड (सीओ) द्वारा कम तापमान बहुलक ईंधन सेल झिल्ली को 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 हुए कार्बोनेट ईंधन सेल (MCFC) में यह समस्या नहीं होती है, लेकिन वे उच्च तापमान पर काम करते हैं, उनका स्टार्ट-अप समय धीमा होता है, और महंगी सामग्री और भारी इन्सुलेशन की आवश्यकता होती है।
 * प्रक्रिया की थर्मोडायनामिक दक्षता हाइड्रोजन उत्पाद की शुद्धता के आधार पर 70% और 85% (एलएचवी आधार) के बीच 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