ما هو مفاعل الهيدروجين؟ التصميم والسلامة والتطبيقات

ما هو مفاعل الهيدروجين؟ التصميم والسلامة والتطبيقات

الإجابة على السؤال الأساسي:ما هو مفاعل الهيدروجين، وما هي ميزات التصميم التي تضمن إضافة الهيدروجين التحفيزي الآمن والفعال في ضغط ودرجة حرارة مرتفعة؟مفاعل الهيدروجين هو وعاء ضغط مشفر في القسم الثامن من ASME يسهل إضافة هيدروجين (H2) إلى الروابط العضوية غير المشبعةالحلقات العطرية عند ضغوط 1-30 MPa ودرجات حرارة 50-500°Cتشمل التكوينات مفاعلات السرير التدفق (سرير المحفز الثابت مع تدفق متزامن للغاز والسائل) ، مفاعلات السائل (محفز مسحوق معلق في السائل) ،و الأوتوكلافات المخلطة (الجزء أو الجزء منه)اختيار المواد يتبع * API 941 منحنيات نيلسون * لمنع * هجوم الهيدروجين في درجة حرارة عالية (HTHA) *: 2.25Cr-1Mo الفولاذ هو المعيار للخدمة فوق 250 درجة مئوية و 3 MPa.أجهزة مضادة للانفجار في منطقة ATEX 1 واكتشاف تسرب H2 عند 25٪ من * الحد الأدنى للإنفجار (LEL = 4٪ v / v) * هي أحكام السلامة الإلزامية.

1مبادئ التصميم والسلامة الأساسية

تصميم مفاعل الهيدروجين يدمج هندسة التفاعل الحفاز مع المخاطر الفريدة من الهيدروجين عالي الضغط:والهروب الحراري من تفاعل الهيدروجين الحراري للغاية (ΔH = -120 إلى -140 kJ/mol لامتلاء C = C).

• ** هجوم الهيدروجين واختيار المواد (API 941):**الهيدروجين الجزيئي يتفرق على أسطح الصلب عند درجات حرارة تزيد عن 200 درجة مئوية وينتشر في المعدن ، ويتفاعل مع الكربون في Fe3C لتشكيل الميثان (CH4).* منحنى نيلسون * في API 941 يحدد غلاف التشغيل الآمن: أسفل المنحنى ، يسمح بفولاذ الكربون (SA-516 Gr.70) حتى ~ 250 °C / 3 MPa ؛ 1.25Cr-0.5Mo (SA-387 Gr.11) يمتد إلى ~ 350 °C / 8 MPa ؛ 2.25Cr-1Mo (SA-387 Gr.22) يمتد إلى ~ 450 °C / 15 MPa ؛ 3Cr-1Mo-0.25 فولت و 2.25Cr-1Mo-0.25V تمدد الغلاف أكثر لخدمة المعالجة المائية الشديدة. فوق المنحنى، * هجوم الهيدروجين عالي درجة الحرارة (HTHA) * يسبب تشكيل فقاعات الميثان لا رجعة فيها،والفشل النهائي للجدار*معيار لارسون-ميلر* LMP = T*(20+log t) *10-3 يثبت مقاومة الزحف على المدى الطويل في ظروف التصميم.
• **أمن الانفجارات وامتثال ATEX:**الهيدروجين قابل للاشتعال للغاية: LEL = 4٪ v / v ، UEL = 75٪ v / v ، طاقة الإشتعال الحد الأدنى = 0.017 mJ (30 * أقل من الميثان).يجب تصنيف منشأة مفاعل الهيدروجين في * منطقة ATEX 1 * (المنطقة 2 إذا تم القضاء على مصادر تسرب H2 عن طريق التصميم)يجب أن تكون جميع المعدات الكهربائية (المحركات والأدوات والأضواء) معتمدة على مجموعة غاز IIC (الهيدروجين).* أجهزة الكشف عن غازات H2 * (نوع الحفاز أو الكهروكيماوي)، معايرة إلى 0-25% LEL = 0-1% H2) يتم تثبيتها في نقاط التسرب المحتملة (مفاصل الفلنجات ، حزم الصمامات ، منطقة الختم) مع منطق التصويت (2 من 3) لتشغيل إمدادات H2.تطهير النيتروجين الطارئ (حجم الوعاء 5 على الأقل) قبل إدخال H2يجب أن يكون مستوى الأكسجين < 0.5% قبل إدخال H2.
• ** مراقبة الهروب الحراري والإغاثة في حالات الطوارئ:**ردود الفعل الهيدروجينية عالية الحرارة الخارجية (ΔH = -120 إلى -140 kJ/mol لشباعة C = C ، -200 إلى -250 kJ/mol لشباعة الحلقة العطرية). إذا فشل إزالة الحرارة ، فإن الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة في الحرارة المحتملة.يمكن أن يصل ارتفاع درجة الحرارة الدياباتية ΔTad = (-ΔH) · C / ((ρ·Cp) إلى 200-500 درجة مئوية، تسريع التفاعل وتوليد استهلاك هيدروجين غير مسيطرة. تصنيف ستوسيل للحرجة * يعطي مستويات الخطر: الفئة 1 (ΔTad < 50 °C ، آمنة مع التبريد القياسي) ،الفئة 2 (50-200 درجة مئوية)، يتطلب تبريد الطوارئ) ، الفئة 3 (> 200 درجة مئوية، يتطلب حقن مثبط أو إطفاء الطوارئ).* تحديد حجم الإغاثة في حالات الطوارئ * لكل DIERS (معهد تصميم أنظمة الإغاثة في حالات الطوارئ) يستخدم نماذج تدفق ثنائية المراحل لتحديد حجم قرص التكسير / PSV لأسوأ سيناريو هروب، ويمثل كل من البخار الناتج عن التفاعل و H2 في مرحلة الغاز.

2أنواع رئيسية من مفاعلات الهيدروجين

يتم تصنيف مفاعلات الهيدروجين من خلال مرحلة المحفز (السرير الثابت أو السماد أو المتجانس) ونمط الاتصال بين غاز H2 ، والغذاء السائل ، والحافز الصلب.ثلاثة تكوينات تهيمن على الممارسة الصناعية:

• ** مفاعلات هيدروجينية ذات سرير ثلاثي:**تحتوي مفاعلات ASME الثابتة هذه (قطر 1-5 م ، ارتفاع 5-25 م ، 3-20 MPa ، 300-450 درجة مئوية) على مخرجات المحفز (1.5-4 ملم ، CoMoS أو NiMoS على دعم Al2O3) في سرير أسطواني.تغذية السائل تتسرب إلى أسفل بالتزامن مع غاز H2، لتحقيق اتصال ثلاثي المراحل بين الغاز والسائل والمواد الصلبة. خريطة نظام تدفق التسرب (معدلات تدفق الغاز والسائل) تحدد منطقة التشغيل المثلى: تدفق التسرب (سرعة غاز وسائل منخفضة) ،تدفق النبض (متوسط)، أو تدفق الرذاذ (سرعة غاز عالية). النموذجية * السائل السرعة الفضائية في الساعة (LHSV) * = 1-5 h−1 لهيدروديسولفوريزيشن (HDS) و 0.5-2 h−1 للهيدروكراكينغ.إدارة الحرارة تستخدم *حقن هيدروجين بارد* بين أسرة المحفز (3-5 أسرة)، والحد من ارتفاع درجة الحرارة بين السرير إلى 15-30 درجة مئوية لكل منطقة تفاعل خارجي.
• ** مفاعلات هيدروجينية بالفوهات:**هذه الوعاءات المتحركة أو عمود الفقاعات ASME (0.5-10 م3، 1-15 MPa، 50-250 درجة مئوية) تعليق المحفز المسحوق (5-20 ميكرو مترا، Pd / C، راني ني، أو Pt / C عند 0.5-5 wt٪) في المفاعل السائل.يتم إطلاق غاز هيدروجين عبر حلقة توزيع (1-3 ملم فتحات) وتشتت في فقاعات 2-5 ملم من قبل المحرك (توربينات روشتون)معدل نقل الكتلة الكهربائية السائلة الكهربائية kLa = 0.05-0.3 s-1 هو المعلم الحد من السرعة لردود الفعل الهيدروجينية السريعة (معدل استهلاك H2 > 0.5 mol / L / min).المفاعلات السخرية تفضلالهيدروجينية الكيميائية الدقيقة والصيدلانية (حيث يكون استبدال المحفز لكل دفعة مقبولًا) ، اختبار المحفز (البحث السريع مع المحفزات المختلفة) ،و الهيدروجين من الشمع في تجميع فيشر-تروبش.
• **مفاعلات هيدروجينية ذاتية التجميع المتحركة:**هذه الوعاءات ASME الشرائح أو شبه الشرائح (0.05-5 م3، 1-10 MPa، 20-200 درجة مئوية) مع سترات التدفئة / التبريد الداخلية (U = 300-700 W / m2K) تخدم الهيدروجين الصيدلانية والكيميائية المتخصصة.يتم شحن H2 من خزان تحت ضغط للحفاظ على ضغط ثابت حيث يستهلك التفاعل الهيدروجين (وضع ضغط ثابت متغير الحجم)الـ * محرك الدفع الغازي * (عمود مجوف مع فتحات في محور المحرك) يسحب H2 بنشاط من الفضاء الرئيسي إلى السائل ، لتحقيق kLa = 0.1-0.5 s-1 عند 500-1500 RPM.ميزة الأوتوكلاف المتقدمة * مقاسات الحرارة التفاعلية * (Mettler Toledo RC1e أو HEL Simular) قياس تدفق الحرارة Q = UA ((Tj - Tr) في الوقت الحقيقي، مما يسمح بتحديد المعلمات الحركية في الموقع وتقييم المخاطر الحرارية (تصنيف ستوسيل).

أنواع مفاعلات الهيدروجين المصفوفة المقارنة

الأسئلة الشائعة (FAQ)

س: ما هو منحنى نيلسون API 941 وكيف يمنع هجوم الهيدروجين عند درجة حرارة عالية؟

ج: منحنى نيلسون يخطط لضغط جزئي الهيدروجين مقابل درجة حرارة التشغيل ، ويحدد المناطق الآمنة لكل نوع من الصلب. تحت منحنى الصلب الكربوني ، SA-516 Gr.70 مقبول. فوق ذلك ،الفولاذ Cr-Mo مع زيادة محتوى Cr (1.25Cr-0.5Mo، 2.25Cr-1Mo، 3Cr-1Mo) يتم تحديدها تدريجياً. فوق حد نيلسون للفولاذ المعين، ينفصل H2 الجزيئي على سطح الفولاذ، وينتشر في المعدن،ويتفاعل مع الكربون في Fe3C لتشكيل الميثان (CH4)جزيئات الميثان لا تستطيع الانتشار وتتراكم في حدود الحبوبوتشكل الشقوق ‬تلف لا رجعة فيه معروفة باسم "هجوم الهيدروجين عالي الحرارة" (HTHA) ‬توفر API 941 المنحنيات النهائية لاختيار المواد الآمنة في خدمة الهيدروجين.

س: لماذا يكون الحد الأدنى للإنفجار للهيدروجين منخفضًا جدًا، وما هي تدابير السلامة المطلوبة؟

ج: الهيدروجين لديه LEL = 4٪ v / v (4٪ H2 في الهواء كافية للإشعال) وأقل طاقة إشعال من 0.017 mJ 30 * أقل من الميثان (0.47 mJ) و 200 * أقل من البروبان (3.3 mJ).شرارة كهرباء ثابتة من شخص يمشي على أرضية جافة (5 - 15 م.ج) يمكن أن تشعل خليط الهيدروجين والهواءتدابير السلامة المطلوبة: (1) تصنيف منطقة ATEX 1 لجميع المعدات على بعد 1 متر من الأوعية/الأنابيب التي تحتوي على هيدروجين.(2) المعدات الكهربائية المعتمدة لمجموعة غازات IIC؛ (3) أجهزة الكشف عن غاز H2 عند 25% LEL (1% H2) إنذار و 50% LEL (2% H2) رحلة ؛ (4) تطهير النيتروجين (5 أحجام الأوعية مع O2 < 0.5% التحقق قبل دخول H2 ؛(5) ربط وتعليق جميع المكونات المعدنية لمقاومة < 10 Ω.

س: كيف تحسن الدفعة الغازية أداء الهيدروجين في أوتوكلاف مضغوط؟

ج: توربينات روشتون القياسية تقوم بتحريك السائل ولكنها تشتت فقاقيع الغاز الموجودة بالفعل في السائل فقط (التي يتم إدخالها عن طريق التشويش). A gas-inducing impeller (hollow shaft with orifices at the impeller hub) creates a pressure differential (Bernoulli effect) that actively draws H2 from the headspace through the hollow shaft into the high-shear impeller zone، حيث يتم تشتيتها إلى فقاعات رقيقة (0.5-2 ملم) ، وتحقق هذه الآلية الغازية الذاتية معامل نقل كتلة الغاز السائل kLa = 0.1-0.5s-1 بدون إشعال خارجي 2-5 * أعلى من أنظمة روشتون المتأرجحة عند إدخال طاقة متساويةيصل معدل استخدام هيدروجين إلى 95-98٪ (مقارنة بـ 60-80٪ للأنظمة المتفجرة) ، وهو أمر حاسم لتحفيزات الهيدروجين المكلفة والمنتجات الصيدلانية.

س: ما هو تصنيف الحرجة ستوسيل وكيف يتم تطبيقه على تصميم مفاعل الهيدروجين؟

ج: تصنيف ستوسيل يقيّم الخطر الحراري لردود الفعل الشرائح/شرائح شبه الحرارية باستخدام البيانات الحرارية (RC1e أو DSC).MTSR (أقصى درجة حرارة تفاعل التركيب) الحرارة التي يتم الوصول إليها إذا تفاعلت جميع المفاعلات المتراكمة بشكل إضافي، و Tdec (درجة الحرارة التي يبدأ فيها التحلل). الفئة 1: ΔTad < 50°C، MTSR < Tdec ‬أمن مع التبريد القياسي. الفئة 2: 50 < ΔTad < 200°C،MTSR تقترب Tdec ‬تتطلب تبريد الطوارئ والقفلالفئة 3: MTSR > Tdec: يتطلب حقن مثبط أو إطفاء الطوارئ. الفئة 4-5: التفكك سريع وغير قابل للايقاف: يتطلب تصميمًا أكثر أمانًا بطبيعته (حجم الدفعة المنخفض ، التدفق المستمر).ردود الفعل الهيدروجينية عادة ما تكون من الفئة 2-3 بسبب ΔH العالي (-120 إلى -250 kJ / mol)، والتي تتطلب أنظمة التبريد والإغاثة الطارئة القوية.