|
راکتور هیدروژن چیست؟ طراحی، ایمنی و کاربردهای صنعتی
طراحی راکتور هیدروژنی
,ایمنی راکتور شیمیایی
,راکتور هیدروژن صنعتی
یک راکتور هیدروژن چیست؟ طراحی، ایمنی و کاربردهای صنعتی
جواب دادن به سوال اصلي:یک راکتور هیدروژن چیست، و چه چالش های طراحی و ایمنی منحصر به فرد را سرویس هیدروژن تحمیل می کند؟یک راکتور هیدروژن یک ظرف با فشار بالا است که برای واکنش های هیدروژنی کاتالیستی طراحی شده استیا عطر دارها) در حضور یک کاتالیزور جامد (معمولا نیکل)، پالادیوم، پلاتین یا کرومیت مس) برای تولید ترکیبات اشباع شده، آمین ها، الکل ها یا سایر محصولات کاهش یافته.5-30 MPa و دماهای 50-400 درجه سانتیگراد، راکتورهای هیدروژن با چالش های منحصر به فرد روبرو هستند: شکنندگی هیدروژن (HE) از فولاد کربن و فولاد کم آلیاژ (نیاز به انتخاب مواد منحنی API 941/Nelson برای حمله هیدروژن در دمای بالا) ،قابل اشتعال بودن شدید هیدروژن (4-75٪ محدوده انفجار در هوا)، خود اشتعال در 500 درجه سانتیگراد) ، و نیاز به انتقال جرم گاز مایع با برش بالا (kLa) برای غلبه بر محلولیت پایین هیدروژن (تقریباً 0.8 mM در 1 atm).
1اصول اصلی طراحی و ایمنی برای خدمات هیدروژن
·** پیشگیری از شکنندگی هیدروژن:**هیدروژن اتمی می تواند در فشارهای بالاتر از 1 MPa در شبکه فولادی پخش شود و باعث شکنندگی هیدروژن شود که انعطاف پذیری را کاهش می دهد و ترک را آغاز می کند.پیشگیری نیاز به انتخاب فولاد های کم استحکام دارد (استحکام تولید کمتر از 620 MPa در NACE MR0175)، استفاده از فولاد های ضد زنگ آستنیتیک (316L) یا آلیاژ های نیکل (Hastelloy B-2، Monel) برای خدمات هیدروژن با فشار بالا،و انجام معاینه فوق صوتی جوش ها برای ترک های هیدروژن (HIC) در طول تعمیرات.
·** حمله هیدروژن با دمای بالا (HTHA):در دمای بالاتر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد و فشار جزئی هیدروژن بالاتر از ۰٫۷ MPa، هیدروژن با کاربید های فولاد کربن واکنش نشان می دهد.تشکیل متان (CH4) که در مرزهای دانه ها تجمع می کند و باعث ترک شدن می شود؛ منحنی های نلسون (API Recommended Practice 941) پوشش عملیاتی امن را برای هر نوع مواد تعریف می کنند، با 1.25Cr-0.5Mo و 2.فولاد های 25Cr-1Mo مورد نیاز برای دمای بالاتر از 300 درجه سانتیگراد در خدمات هیدروژن.
·**طراحی ضد انفجار و طبقه بندی منطقه:**مناطق خدمات هیدروژن به منطقه ATEX 1 طبقه بندی شده اند (که در آن ممکن است فضای انفجاری در طول کار عادی رخ دهد) که نیاز به تجهیزات الکتریکی Ex d (دستگیر آتش) یا Ex i (امنیت ذاتی) دارند.سیستم راکتور شامل خطوط پاکسازی نیتروژن است (O2 کمتر از 1٪ قبل از ورود هیدروژن)، اندازه گیری دیسک شکستگی یا دریچه های تخلیه بر اساس API 520 برای سناریوهای آتش سوزی و واکنش فرار و قفل های خودکار که تغذیه هیدروژن را در هنگام تشخیص فشار پایین، دمای بالا متوقف می کنند،یا از دست دادن تحریک.
2انواع اصلی راکتورهای هیدروژن
·** رآکتور هیدروژنی فاز سیری:**برای هیدروژنی فاز مایع مواد شیمیایی ظریف، داروها و روغن های غذایی استفاده می شود. دارای یک اتوکلاو مخلوط با اسپارینگ گاز، نیکل رنی یا تعلیق کاتالیزور Pd / C،و کویل های خنک کننده داخلی برای حذف گرما از خارجدر فشار 0.5-5 MPa H2، 50-200 درجه سانتیگراد کار می کند و با توربین های روستون در 300-600 rpm به مقادیر kLa 0.1-0.5 s^-1 می رسد.
·** راکتور هیدروژنی با جریان قطره ای ثابت:**استفاده می شود در پالایش نفت برای هیدروتراکتینگ و هیدرودسلفوریزه (HDS) ؛ جریان مایع و گاز همزمان به سمت پایین از طریق بستر کاتالیزور بسته بندی شده (Co-Mo یا Ni-Mo بر روی آلومینا) ؛در 3 تا 20 MPa H2 کار می کند، 300-450 درجه سانتیگراد، با سرعت های فضایی ساعتی مایع (LHSV) 0.5-5.0 h ^ 1، حذف گوگرد از 5000 ppm به کمتر از 10 ppm برای دیزل بسیار کم گوگرد.
·** راکتور هیدروژن بستر مایع شده:**برای هیدروژنی فاز بخار مواد شیمیایی حجم بزرگ (سیکلوهکسان از بنزن، متانول از گاز ترکیب) استفاده می شود؛ گاز ذرات کاتالیزور را (50-200 میکرو متر) با سرعت 0.3-1.0 m/s مایع می کند،به دست آوردن انتقال گرما عالی (U = 400-800 W/ ((m^2*K)) و یکنواخت گرما؛ در 1-10 MPa، 150-400 درجه سانتیگراد، با ذخایر کاتالیزور از 1-20 تن در هر راکتور کار می کند.
انواع راکتور هیدروژن ماتریس مقایسه
|
نوع راکتور |
فشار عملیاتی |
سیستم کاتالیزور |
کاربرد اصلی |
|
فاز خمیر |
0.5 - 5 MPa H2 |
معلق شد، راني ني |
داروسازی، مواد شیمیایی ظریف، روغن های غذایی |
|
جریانی ثابت |
3 تا 20 MPa H2 |
گلوله های Co-Mo/Al2O3، Ni-Mo |
هیدروتراکتینگ، هیدرو دی سولفوریزاسیون (HDS) |
|
بستر مایع شده |
۱-۱۰ MPa H2 |
ذرات مایع شده 50 تا 200 آمپر |
تولید سایکلوهکسان، متانول، آنیلین |
سوالات متداول (FAQ)
س: کارکرد اصلی یک راکتور هیدروژن چیست؟
ج: یک راکتور هیدروژن هیدروژنی کاتالیستی انجام می دهد که گاز هیدروژن را با زیربناهای آلی در حضور کاتالیزورهای جامد واکنش نشان می دهد تا ترکیبات اشباع شده، میانگین های کاهش یافته،یا سوخت های بدون گوگرد در فشار 0.5-30 MPa و دمای 50-400 درجه سانتیگراد، با مواد انتخاب شده برای مقاومت در برابر شکنندگی هیدروژن و حمله هیدروژن با دمای بالا.
سوال: شکنندگی هیدروژن چیست و چگونه از آن جلوگیری می شود؟
ج: شکنندگی هیدروژن زمانی رخ می دهد که هیدروژن اتمی به شبکه فولادی پخش شود، انعطاف پذیری را کاهش می دهد و ترکیدن را آغاز می کند.پیشگیری شامل انتخاب فولاد های کم استحکام (سرمایه کمتر از 620 MPa)، با استفاده از آستنیتیک فولاد ضد زنگ (316L) یا آلیاژ نیکل برای خدمات فشار بالا و استفاده از الزامات مواد NACE MR0175 برای محیط های حاوی هیدروژن.
سوال: منحنی های نلسون (API 941) چیست؟
A: منحنی های نلسون محیط کار ایمن را تعریف می کنند. دمای و فشار جزئی هیدروژن برای هر نوع فولاد در خدمات هیدروژن با دمای بالا.عملکرد بالای منحنی باعث حمله هیدروژن در دمای بالا می شود (HTHA)، جایی که هیدروژن با کربید ها واکنش نشان می دهد تا متان را تشکیل دهد که باعث ترکیدن مرز دانه و شکست ظرف می شود.
س: انتقال جرم گاز-سیال در هیدروژنی خمیر چگونه حاصل می شود؟
ج: در راکتورهای خروجی، یک توربین دیسک راشتون گاز هیدروژن را به شکل حباب های نازک در فاز مایع پراکنده می کند و باعث می شود که ضریب انتقال جرم حجم (kLa) 0.1-0.5 s^-1 در 300-600 rpm باشد.سرعت انحلال هیدروژن سرعت واکنش کلی را تعیین می کند.، طراحی چرخ دنده و پیکربندی گاز برای بهره وری راکتور بسیار مهم است.
