हाइड्रोजन रिएक्टर क्या है? डिजाइन, सुरक्षा और अनुप्रयोग

हाइड्रोजन रिएक्टर क्या है? डिजाइन, सुरक्षा और अनुप्रयोग

मूल प्रश्न का उत्तरःहाइड्रोजनीकरण रिएक्टर क्या है, और उच्च दबाव और तापमान पर सुरक्षित, कुशल उत्प्रेरक हाइड्रोजन जोड़ सुनिश्चित करने के लिए कौन सी डिजाइन विशेषताएं हैं?हाइड्रोजन रिएक्टर एक एएसएमई खंड VIII-कोड दबाव कंटेनर है जो असंतृप्त कार्बनिक बंधनों में हाइड्रोजन (एच 2) के उत्प्रेरक जोड़ की सुविधा देता है C=C, C=O, C=N1-30 एमपीए के दबाव और 50-500 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर सुगंधित छल्ले. कॉन्फ़िगरेशन में टपकने वाले रिएक्टर शामिल हैं (एक साथ गैस-तरल प्रवाह के साथ स्थिर उत्प्रेरक बिस्तर), स्लरी रिएक्टर (तरल पदार्थ में निलंबित पाउडर उत्प्रेरक),और हलचल ऑटोक्लेव (बैच या अर्ध-बैच)उच्च तापमान हाइड्रोजन हमले (एचटीएचए) को रोकने के लिए सामग्री चयन * एपीआई 941 नेल्सन वक्रों* का पालन करता हैः 2.25 सीआर -1 एमओ स्टील 250 डिग्री सेल्सियस और 3 एमपीए से अधिक सेवा के लिए मानक है।एटीएक्स जोन 1 में विस्फोट-प्रूफ इंस्ट्रूमेंटेशन और एच2 रिसाव का पता लगाना * लोअर एक्सप्लोसिव लिमिट (एलईएल = 4% वी/वी) * के 25% पर अनिवार्य सुरक्षा प्रावधान हैं.

1मूल डिजाइन और सुरक्षा सिद्धांत

हाइड्रोजनीकरण रिएक्टर डिजाइन में उत्प्रेरक प्रतिक्रिया इंजीनियरिंग को उच्च दबाव वाले हाइड्रोजन के अनूठे खतरों के साथ एकीकृत किया गया हैः भंगुरता, विस्फोट का जोखिम,और अत्यधिक एक्सोथर्मिक हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रिया से थर्मल रनआउट (ΔH = -120 से -140 kJ/mol C=C संतृप्ति के लिए).

• **हाइड्रोजन हमला और सामग्री चयन (एपीआई 941):**आणविक हाइड्रोजन 200°C से अधिक तापमान पर स्टील की सतहों पर विघटित होता है और धातु में फैलता है, Fe3C में कार्बन के साथ प्रतिक्रिया करके मीथेन (CH4) बनाता है।एपीआई 941 में * नेल्सन वक्र * सुरक्षित संचालन लिफाफे को परिभाषित करता है: वक्र के नीचे, कार्बन स्टील (SA-516 Gr.70) ~250°C/3 MPa तक स्वीकार्य है; 1.25Cr-0.5Mo (SA-387 Gr.11) ~350°C/8 MPa तक फैली हुई है; 2.25Cr-1Mo (SA-387 Gr.22) ~450°C/15 MPa तक फैली हुई है; 3Cr-1Mo-0.25V और 2.25Cr-1Mo-0.25V गंभीर हाइड्रोप्रोसेसिंग सेवा के लिए लिफाफे को और बढ़ाता है। वक्र के ऊपर, * उच्च तापमान हाइड्रोजन हमला (HTHA) * अपरिवर्तनीय मीथेन बुलबुला गठन, दरार,और दीवार की विफलता. *लार्सन-मिलर पैरामीटर* एलएमपी = टी*(20+लॉग टी) *10−3 डिजाइन स्थितियों में दीर्घकालिक रेंगने के प्रतिरोध को सत्यापित करता है।
• **विस्फोट सुरक्षा और ATEX अनुपालनः**हाइड्रोजन अत्यंत ज्वलनशील हैः एलईएल = 4% वी/वी, यूईएल = 75% वी/वी, न्यूनतम इग्निशन ऊर्जा = 0.017 एमजे (30* मीथेन से कम) ।हाइड्रोजनीकरण रिएक्टर की स्थापना को *ATEX ज़ोन 1* में वर्गीकृत किया जाना चाहिए (जोन 2 यदि H2 रिसाव स्रोतों को डिजाइन द्वारा समाप्त किया जाता है)सभी विद्युत उपकरण (मोटर्स, उपकरण, प्रकाश) को IIC गैस समूह (हाइड्रोजन) के लिए Ex d (ज्वालारोधक आवरण) या Ex i (अंतर्निहित सुरक्षा) के रूप में वर्गीकृत किया जाना चाहिए।*H2 गैस डिटेक्टर* (कैटालिटिक बीड या इलेक्ट्रोकेमिकल प्रकार), 0-25% LEL = 0-1% H2 के लिए कैलिब्रेट किए गए हैं) को संभावित रिसाव बिंदुओं (फ्लैंज जोड़ों, वाल्व पैकिंग, सील क्षेत्र) पर स्थापित किया जाता है जिसमें H2 आपूर्ति को ट्रिगर करने के लिए मतदान तर्क (2-में से-3) होता है।H2 के प्रवेश से पहले आपातकालीन नाइट्रोजन शुद्धिकरण (न्यूनतम 5 पात्रों की मात्रा)H2 को प्रवेश करने से पहले ऑक्सीजन का स्तर < 0.5% होना चाहिए।
• **थर्मल रनवे कंट्रोल और आपातकालीन राहतः**हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाएं अत्यधिक एक्सोथर्मिक होती हैं (ΔH = -120 से -140 kJ/mol C=C संतृप्ति के लिए, -200 से -250 kJ/mol सुगंधित अंगूठी संतृप्ति के लिए) यदि गर्मी हटाने में विफलता होती है,एडियाबेटिक तापमान वृद्धि ΔTad = (-ΔH) ·C/(ρ·Cp) 200-500°C तक पहुंच सकती है, प्रतिक्रिया को तेज करने और अनियंत्रित H2 खपत उत्पन्न करने के लिए। * स्टोसेल आलोचनात्मकता वर्गीकरण* खतरनाक स्तरों को असाइन करता हैः वर्ग 1 (ΔTad < 50°C, मानक शीतलन के साथ सुरक्षित),वर्ग 2 (50-200°C), आपातकालीन शीतलन की आवश्यकता होती है), वर्ग 3 (> 200°C, अवरोधक इंजेक्शन या आपातकालीन बुझाने की आवश्यकता होती है) ।* आपातकालीन राहत आकार* DIERS (आपातकालीन राहत प्रणालियों के लिए डिजाइन संस्थान) के अनुसार सबसे खराब परिदृश्य के लिए टूटने की डिस्क / PSV का आकार देने के लिए दो-चरण प्रवाह मॉडल का उपयोग करता है।, प्रतिक्रिया से उत्पन्न वाष्प और गैस चरण H2 दोनों के लिए लेखांकन।

2हाइड्रोजनीकरण रिएक्टरों के प्रमुख प्रकार

हाइड्रोजनीकरण रिएक्टरों को उत्प्रेरक चरण (स्थिर बिस्तर, स्लरी या समरूप) और H2 गैस, तरल फ़ीड और ठोस उत्प्रेरक के बीच संपर्क पैटर्न द्वारा वर्गीकृत किया जाता है।औद्योगिक अभ्यास में तीन संरचनाएं प्रमुख हैं:

• **ट्रिकल-बेड हाइड्रोजन रिएक्टरः**इन फिक्स्ड-बेड एएसएमई रिएक्टरों (1-5 मीटर व्यास, 5-25 मीटर ऊंचाई, 3-20 एमपीए, 300-450°C) में एक बेलनाकार बिस्तर में उत्प्रेरक एक्सट्रूडेट्स (1.5-4 मिमी, कोमोस या नीमोस Al2O3 समर्थन पर) होते हैं।द्रव फ़ीड H2 गैस के साथ समवर्ती रूप से नीचे की ओर टपकता है, गैस-तरल-ठोस तीन-चरण संपर्क प्राप्त करना। * ट्रिंकल प्रवाह व्यवस्था नक्शा* (गैस-तरल प्रवाह दरें) इष्टतम संचालन क्षेत्र की पहचान करता हैः ट्रिंकल प्रवाह (कम गैस और तरल गति),धड़कन प्रवाह (मध्यवर्ती), या छिड़काव प्रवाह (उच्च गैस गति) । विशिष्ट * तरल प्रति घंटा अंतरिक्ष गति (LHSV) * = 1-5 h−1 हाइड्रोडेसल्फराइजेशन (HDS) और 0.5-2 h−1 हाइड्रोक्रैकिंग के लिए।गर्मी प्रबंधन का उपयोग करता है *कोल्ड हाइड्रोजन बुझाने इंजेक्शन* उत्प्रेरक बिस्तरों (3-5 बिस्तरों) के बीच, प्रत्येक एक्सोथर्मिक प्रतिक्रिया क्षेत्र के लिए 15-30°C तक के लिए बेड के बीच तापमान वृद्धि को सीमित करना।
• **स्लरी हाइड्रोजनेशन रिएक्टरः**ये हलचल या बुलबुला-स्तंभ ASME पात्र (0.5-10 m3, 1-15 MPa, 50-250°C) तरल अभिकर्मक में पाउडर उत्प्रेरक (5-20 μm, Pd/C, Raney Ni, या Pt/C 0.5-5 wt%) निलंबित करते हैं।H2 गैस एक वितरक अंगूठी (1-3 मिमी छेद) के माध्यम से छिड़काव किया जाता है और 2-5 मिमी के बुलबुले में हलचलकर्ता (रुश्टन टरबाइन) द्वारा फैलाया जाता है।*वॉल्यूमेट्रिक गैस-तरल द्रव्यमान हस्तांतरण गुणांक kLa* = 0.05-0.3 s−1 तेजी से हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाओं (H2 खपत दर > 0.5 mol/L/min) के लिए गति-सीमा पैरामीटर है।स्लरी रिएक्टरों को प्राथमिकता दी जाती हैसूक्ष्म रासायनिक और औषधीय हाइड्रोजनीकरण (जहां प्रति बैच उत्प्रेरक प्रतिस्थापन स्वीकार्य है), उत्प्रेरक परीक्षण (विभिन्न उत्प्रेरक के साथ त्वरित स्क्रीनिंग),और फिशर-ट्रोपश संश्लेषण में मोम हाइड्रोजन.
• ** स्ट्रिड ऑटोक्लेव हाइड्रोजनीकरण रिएक्टरः**ये बैच या अर्ध-बैच एएसएमई पात्र (0.05-5 m3, 1-10 एमपीए, 20-200°C) आंतरिक हीटिंग/कूलिंग जैकेट (यू = 300-700 W/m2K) के साथ दवा और विशेष रासायनिक हाइड्रोजनीकरण का उपयोग करते हैं।प्रतिक्रिया हाइड्रोजन की खपत के रूप में निरंतर दबाव बनाए रखने के लिए दबाव वाले जलाशय से एच 2 को चार्ज किया जाता है (निरंतर दबाव चर-मात्रा मोड). * गैस-प्रेरित इम्पेलर* (इम्पेलर नाब पर छिद्रों के साथ खोखला शाफ्ट) सक्रिय रूप से हेडस्पेस से H2 को तरल में खींचता है, 500-1,500 RPM पर kLa = 0.1-0.5 s-1 प्राप्त करता है।उन्नत ऑटोक्लेव फीचर * प्रतिक्रिया कैलोरीमेट्री* (मेटलर टोलेडो आरसी1ई या एचईएल सिमुलर) वास्तविक समय में गर्मी प्रवाह Q = UA ((Tj - Tr) को मापता है, जो कि इन-सिटू गतिज मापदंडों के निर्धारण और थर्मल खतरे के आकलन (स्टोसेल वर्गीकरण) को सक्षम करता है।

हाइड्रोजन रिएक्टर प्रकार तुलना मैट्रिक्स

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न (FAQ)

प्रश्न: एपीआई 941 नेल्सन वक्र क्या है और यह उच्च तापमान वाले हाइड्रोजन हमले को कैसे रोकता है?

उत्तर: नेल्सन वक्र हाइड्रोजन आंशिक दबाव को ऑपरेटिंग तापमान के खिलाफ ग्राफ करता है, प्रत्येक स्टील ग्रेड के लिए सुरक्षित क्षेत्रों को परिभाषित करता है। कार्बन स्टील वक्र के नीचे, SA-516 Gr.70 स्वीकार्य है। इसके ऊपर,Cr-Mo स्टील्स जिसमें Cr की मात्रा बढ़ जाती है (1).25Cr-0.5Mo, 2.25Cr-1Mo, 3Cr-1Mo) को क्रमिक रूप से निर्दिष्ट किया जाता है। किसी दिए गए स्टील के लिए नेल्सन सीमा से ऊपर, आणविक H2 स्टील की सतह पर विघटित होता है, धातु में फैलता है,और Fe3C में कार्बन के साथ मीथेन (CH4) बनाने के लिए प्रतिक्रिया करता हैमीथेन के अणु बाहर फैल नहीं सकते, अनाज की सीमाओं पर जमा हो जाते हैं,और दरारें बनती हैं ⇒ उच्च तापमान हाइड्रोजन हमले (एचटीएचए) के रूप में जाना जाने वाला अपरिवर्तनीय क्षति जो अंततः दीवार विफलता का कारण बनती हैएपीआई 941 हाइड्रोजन सेवा में सुरक्षित सामग्री चयन के लिए अंतिम वक्र प्रदान करता है।

प्रश्न: हाइड्रोजन के लिए निचली विस्फोटक सीमा (LEL) इतनी कम क्यों है और सुरक्षा उपायों की क्या आवश्यकता है?

उत्तरः हाइड्रोजन का एलईएल = 4% वी/वी (हवा में 4% एच2 प्रज्वलन के लिए पर्याप्त है) और न्यूनतम प्रज्वलन ऊर्जा मीथेन (0.47 एमजे) से 0.017 एमजे 30* और प्रोपेन (3.3 एमजे) से 200* कम है।सूखे फर्श पर चलने वाले व्यक्ति की ओर से एक स्थिर बिजली की चिंगारी (5-15 एमजे) हाइड्रोजन-वायु मिश्रण को प्रज्वलित कर सकती हैआवश्यक सुरक्षा उपाय: (1) सभी उपकरणों के लिए ATEX जोन 1 वर्गीकरण H2 युक्त पात्रों/पिपों के 1 मीटर के दायरे में;(2) IIC गैस समूह के लिए प्रमाणित विद्युत उपकरण Ex d (ज्वालारोधक) या Ex i (अंतर्निहित सुरक्षित); (3) 25% LEL (1% H2) अलार्म और 50% LEL (2% H2) ट्रिप पर H2 गैस डिटेक्टर; (4) H2 प्रवेश से पहले O2 < 0.5% सत्यापन के साथ नाइट्रोजन शुद्धिकरण (5 कंटेनर मात्रा);(5) सभी धातु के घटकों के बंधन और ग्राउंडिंग < 10 Ω प्रतिरोध के लिए.

प्रश्न: एक गैस-प्रेरित इम्पेलर हलचल वाले ऑटोक्लेव में हाइड्रोजनीकरण प्रदर्शन में कैसे सुधार करता है?

उत्तर: एक मानक रश्टन टरबाइन तरल को हिलाती है, लेकिन केवल गैस के बुलबुले फैलाती है जो पहले से ही तरल में हैं (स्पार्किंग द्वारा पेश की जाती हैं) । 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 zoneयह स्व-ग्यासकरण तंत्र गैस-तरल द्रव द्रव्यमान हस्तांतरण गुणांक kLa = 0.1-0 प्राप्त करता है।5 s−1 एक बाहरी स्पार्जर के बिना समान शक्ति इनपुट पर स्पार्गेड रश्टन प्रणालियों की तुलना में 2-5* अधिकहाइड्रोजन का उपयोग दर 95-98% (स्पार्गेड सिस्टम के लिए 60-80% के मुकाबले) के करीब है, जो महंगे हाइड्रोजन उत्प्रेरक और दवा-ग्रेड उत्पादों के लिए महत्वपूर्ण है।

प्रश्न: स्टोसेल आलोचनात्मकता वर्गीकरण क्या है और इसे हाइड्रोजनीकरण रिएक्टर डिजाइन पर कैसे लागू किया जाता है?

एः स्टोसेल वर्गीकरण कैलोरीमेट्रिक डेटा (आरसी 1 ई या डीएससी) का उपयोग करके एक्सोथर्मिक बैच/सेमी-बैच प्रतिक्रियाओं के थर्मल खतरे का आकलन करता है। यह विचार करता हैः ΔTad (एडियाबेटिक तापमान वृद्धि),एमटीएसआर (सिंथेसिस प्रतिक्रिया का अधिकतम तापमान) यदि सभी संचित अभिकर्मकों ने एडियाबेटिक प्रतिक्रिया की है तो प्राप्त तापमान), और Tdec (तापमान जिस पर अपघटन शुरू होता है) वर्ग 1: ΔTad < 50°C, MTSR < Tdec सुरक्षित मानक शीतलन के साथ वर्ग 2: 50 < ΔTad < 200°C,एमटीएसआर Tdec के करीब आता है आपातकालीन शीतलन और इंटरलॉकिंग की आवश्यकता होती हैवर्ग 3: एमटीएसआर > टीडीसी को अवरोधक इंजेक्शन या आपातकालीन बुझाने की आवश्यकता होती है। वर्ग 4-5: अपघटन तेजी से और अपरिहार्य है (निहित रूप से सुरक्षित डिजाइन की आवश्यकता होती है) (कम बैच आकार, निरंतर प्रवाह) ।हाइड्रोजनीकरण प्रतिक्रियाएं आमतौर पर उच्च ΔH (-120 से -250 kJ/mol) के कारण वर्ग 2-3 हैं, जिसके लिए मजबूत आपातकालीन शीतलन और राहत प्रणालियों की आवश्यकता होती है।