سوخت هیدوژن چیست ؟

هیدروژن چیست و چه ویژگی هایی دارد ؟

 

ساختار اتمی

هیدروژن با تشکیل ۷۵% از حجم ستارگان و کهکشانها فراوان ترین و سودمندترین عنصر در جهان است.می توان تصور کرد که اتم هیدروژن از یک هسته مرکزی تشکیل شده است که یک الکترون بدور این هسته همانند چرخش یک سیاره به دور خورشید می چرخد.دانشمندان بر این عقیده اندکه یک ابر الکترونی همانند یک قشره کروی اطراف هسته را اشغال کرده است.اتم های هیدروژن از یک پروتن منفرد تشکیل شده اند، مگر در شکل کمیاب به آن (ایزوتروپ هیدروژن)که از یک پروتن و یک نوترون تشکیل شده است.به این ایزوتروپ دوتریم یا هیدروژن سنگین گفته می شود.هیدروژن دارای ایزوتوپ دیگری به نام تریتیم که دارای دو نوترون و یک پروتن می باشدنیز است اما این ایزوتوپ ناپایدار بوده و از بین می رود.

بیشتر جرم اتم هیدروژن در هسته آن است، در حقیقت ،پروتون ۱۸۰۰ برابر سنگین تر از الکترون می باشد.نوترون ها تقریبا جرم یکسانی با پروتون ها دارند.به هر حال شعاع الکترونی که اندازه اتم را شامل می شود تقریبا ۱۰۰هزار برابر بزرگتر از شعاع هسته آن است.به وضوح مشخص است که اتم های هیدروژن دارای فضای خالی بسیار بزرگی هستند اتم های همه عناصر دارای فضای خالی زیادی بوده اما همه آنها سنگین ترند و دارای الکترون های بیشتری می باشند.

پروتون دارای بار الکتریکی مثبت،الکترون دارای بار الکتریکی منفی بوده و نوترون نیز بدون بار است.بارهای همراه پروتون و الکترون در هر اتم هیدروژن همدیگر را خنثی کرده و به همین دلیل اتم های منفرد هیدروژن از نظر الکتریکی خنثی هستند.از نظر شیمیایی ،ارایش اتمی یک الکترون منفرد در اطراف هسته بسیار واکنش پذیر است.به همین دلیل اتم های هیدروژن با هم ترکیب شده و به صورت مولکول های جفت شده (دوتایی) وجود دارند.هر پروتون در مولکول هیدروژن جفت شده دارای میدانی است که می توان از نظر ریاضی تصور کرد که دارای یک اسپین است.مولکول هایی که هر جفت پروتون آنهادارای اسپین یکسان هستند را اورتو هیدروژن و مولکول های که پروتون های آنها دارای اسپین مخالف هستند را پاراهیدروژن می نامند.بیش از ۷۵%از هیدروژن های معمولی موجود در دما اتاق اورتو هیدروژن هستند.این مهم است که در دما خیلی کم اورتو هیدروژن بسیار ناپایدار بوده و به ارایش پایدار پاراهیدروژن، تبدیل می شود،که فرایندی گرما زا است.این حرارت آزاد شده می تواند برای فرایندهای هیدروژن در دما پایین ،به خصوص در حالت مایع مشکل ایجاد می کند.

خواص فیزیکی

۱-حالت :

تمامی مواد موجود در زمین دارای حالتهای گاز،مایع و یا جامد هستند. مواد از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شوند که به دما و فشار محیط وابسته است.در واقع،یک گاز با کاهش دما می تواند به یک مایع تبدیل شود و به همین صورت با کاهش زیاد دما ،مایع نیز به جامد تبدیل می شود. هیدروژن پس از هلیوم دارای دومین نقطه جوش و ذوب است.هیدروژن مایع دارای نقطه جوش کمتر از ۲۰k(-253cو -۴۲۳F)است و جامد آن نقطه ذوبی کمتر از ۱۴K(-259C و-۴۳۴F) در فشار اتمسفریک دارد.بدیهی است که این دماها به شدت پایین بوده و دما کمتر از ۲۰۰K (-100F و-۷۳C)را دما سرما زایی می گویند.

۲-بو ،رنگ ، مزه:

هیدروژن خالص بی بو،بی رنگ و بی مزه است.زمانی که هیدروژن به هر دلیلی از منبع ذخیره شده نشت کند قابل رویت نیست.

۳-سمیت :

هیدروژن سمی نیست اما وقتی که جایگزین اکسیژن درهوا شود،می تواند باعث خفگی شود.

۴-دانسیته و کمیت های وابسته:

هیدروژن به دلیل دارا بودن وزن اتمی بسیار کم نسبت به هر ماده ای دارای دانسیته خیلی کمی در دو حالت مایع و گاز است.

۱-۴-دانسیته: با میزانی از جرم واحد حجم تعریف می شود.

۲-۴-حجم مخصوص: حجم مخصوص گاز هیدروژن ۱۹۱.۳Ft³/Lb (11.9m³/kg)در ۶۸ F(20C) و حجم مخصوص هیدروژن مایع ۲۲۶Ft³/Lb(0/014m³/kg) در -۴۲۳ F(-250 C)است.

۳-۴-وزن مخصوص:هیدروژن گازی،با دانسیته ۰.۰۰۵۲۳Lb/Ft³ دارای وزن مخصوص ۰.۰۹۶۹است و بنابراین تقریبا ۷%دانسیته هوا را دارا است.

۲-انرژی

۱-۲-محتوای انرژی:هر نوع سوخت وقتی به طور کامل با اکسیژن واکنش دهد،مقدار ثابتی انرژی آزاد می کند.این انرژی از طریق ازمایش و تعیین یک کمیت با نام ارزش گرمایی بالای سوخت ها(HHV)وارزش گرمایی پایین (LHV)اندازه گیری شده است.اختلاف بین ارزش گرمایی بالا و ارزش گرمایی پایین را گرما تبخیر گفته و نشان دهنده میزان انرژی مورد نیاز برای تبخیره یک سوخت مایع و تبدیل آن به سوخت گاز است.

۲-۲-دانسیته انرژی:دانسیته در حالی که محتوای انرژی   با مقداری از انرژی برای یک وزن معین از سوخت مشخص می شود.دانسیته انرژی با مقداری از انرژی (برحسب Btuیا ژول )برای یک حجم معین بر حسب Ft³یا m³از سوخت بیان می گردد.دانسیسته انرژی در حقیقت مقیاسی از چگونگی اتمهای متراکم هیدروژن در یک سوخت است.

دانسیته انرژی یک سوخت همچنین تحت تاثیر چگونگی ذخیره سازی آن (مایع یا گاز)است و اگر این ذخیره سازی در حالت گازی باشد به فشار آن نیز بستگی خواهد داشت.

۳-۲-اشتعال پذیری:برای اینکه آتش سوزی یا انفجار رخ دهد سه اصل که عبارتند از سوخت، اکسیژن(مخلوط با سوخت به مقدار مناسب)و منبع احتراق مورد نیاز است.هیدروژن یک سوخت اشتعال پذیر است و زمانی که با اکسیژن ناشی از وارد شدن هوا به داخل مخزن هیدروژن یا نشت هیدروژن ترکیب شود قابل احتراق می شود.منبع احتراق می توتند جرقه ،شعله و یا حرارت زیاد باشد.

۴-۲-نقطه اشتعال:همه سوخت ها فقط در حالت گاز یا بخار می سوزند. سوختهای مثل متان و هیدروژن در شرایط اتمسفریک گاز هستند.در حالی که سوخت های دیگر مانند بنزین و دیزل مایع هستندکه برای سوختن باید به بخار تبدیل شوند.این مشخصه برای سوخت ها که می تواند به بخار تبدیل شوند به وسیله نقطه اشتعال تعریف می شوند.این دما دمایی است که سوخت به مقدار کافی تبخیر شده و به شکل یک مخلوط قابل احتراق با هوا در آمده است.

 

نوع سوخت	نقطه اشتعال
هیدروژن	(۲۰ k/-253 c)<-423 F
متان	(۸۵ K/-188 C)-306 F
پروپان	(۱۶۹ K/-104 C)-156 F
بنزین	(۲۳۰ K/-43 C)-45 F
متانول	(۲۸۴ K/110 C)-52 F

 

۵-۲-دمای احتراق خودبخودی:دمای احتراق خوبخودی حداقل دما،برای آغاز احتراق در شرایطی که یکی از منابع آتش و احتراق در دسترس نباشد است به عبارت دیگر سوخت گرم می شود تا آتش بگیرد.هر سوخت یک دمای احتراق خودبخودی منحصر بفرد دارد.برای هیدروژن این دما بالا بوده و ۱۰۸۵ F(585 C)است.مخلوط هیدروژن و هوا به سختی بدون اضافه شدن منبع حرارت آتش می گیرند.

۶-۲-عدد اکتان: عدد اکتان بیان کننده خواص احتراقی سوخت است.

نوع سوخت	عدد اکتان
هیدروژن	۱۳۰
متان	۱۲۵
پروپان	۱۰۵
اکتان	۱۰۰
بنزین	۸۷

۷-۲-انرژی احتراق:

انرژی احتراق مقداری از انرژی خارجی است که برای سوختن یک مخلوط قابل احتراق   سوخت کاربرد دارد.با این که هیدروژن دمای احتراق بالای نسبت به متان ،پروپان یا بنزین است،انرژی احتراق آن ۱.۹ ×۱۰ˉ⁸Btu(0.02 mj)است.

۸-۲-سرعت احتراق:سرعت احتراق سرعتی است که یک شعله از میان یک مخلوط گاز قابل احتراق حرکت می کند.سرعت احتراق هیدروژن ۸.۷-۱۰.۷ Ft/s(2.65-3.25 m/s)است که مرتبه بزرگی نسبت به متان یا بنزین در شرایط استوکیومتریک هست.بنابراین آتش حاصل از سوختن هیدروژن سریع،و در نتیجه نسبتا کم دوام است.

۹-۲-حد فاصل سرد شدن:حد فاصل سرد شدن،نشانگر خاصیت خاموش شدن شعله های آتش یک سوخت،وقتی که در موتورهای احتراق درونی استفاده می شود،است.این خاصیت در پیل های سوختی مورد استفاده نیست.حد فاصل سرد شدن هیدروژن (۰.۰۲۵in-0.064 cm)است،که تقریبا سه برابردیگر سوخت ها مثل بنزین است.

روش های تولید هیدروژن:

۱-تولید هیدروژن به وسیله سوخت های فسیلی و زیست توده:

از سوخت های فسیلی برای تامین انرژی مورد نیاز برای تولید سوخت هیدروژن می توان استفاده کرد.هیدروژن از منابع سوخت فسیلی یا از تجزیه آب بوسیله این سوخت ها تولید می شود.سیستم های تولید هیدروژن به وسیله سوخت فسیلی ازتکنولوژی های بسیار قدیمی بوده و در حال حاضر ارزشمند نیستند.زیرا از این سوختها دی اکسید کربن به عنوان محصول جانبی بدست می آید.استفاده از این روشهای تولید هیدروژن به دلیل چشم انداز اقتصادی و استفاده از منابع تجدید ناپذیر مورد توجه نیستند.زیست توده هم سوختی با پایه کربن است که در نتیجه می تواند دی اکسید کربن تولید کند.

۲-فرایند تبدیل بخار آب به وسیله متان:

تولید هیدروژن با استفاده از تبدیل بخارآب به وسیله متان در سه مرحله انجام می گیرد.متان ابتدا در یک تبدیل کاتالیستی در دما و فشار بالا ترکیبی از H₂وCOتولید می کند.سپس یک واکنش کاتالیستی صورت گرفته و از ترکیب COوH₂Oهیدروژن تولید می شود.در چنین شرایطی هیدروژن تولید شده به وسیله عمل جذب خالص سازی می شود.مرحله تبدیل در یک واکنش شیمیایی زیر نشان داده شده است:

CH₄+H₂O→۲H₂+CO                       ∆H=+206KJ/MOL

 

۱-تحقیقات جدید در این زمینه:

می توان از باکتری روبریویواکس ژلاتینوسوس (به عنوان بهبود دهنده) به منظور پیشرفت واکنش به وسیله تخمیر استفاده کرد.تحت شرایط نوری مناسب سلول ها عمل فتوسنتز را بوسیله انرژی خورشید انجام می دهند که باعث تبدیل CO₂و الکترونهای آب به O₂و قند می شوند.O₂تولید شده برای اکسید کردن COبهCO₂می تواند استفاده شودکه همراه با آزاد کردن ۶۱.۱کیلوکالری انرژی به ازای هر مول COاست.اگر سلول ها در مکانی تاریک که راکتور در آن مکان قرار دارد باشند نمی توانند عمل فتوسنتز را به مدت طولانی انجام دهند و باید از آنها به صورت بی هوازی برای تولید انرژی استفاده کرد.یکی از راهها موجود استفاده از بخار آب در واکنش است کهCOبا واکنش زیر به CO₂تبدیل می شود.

CO+H₂O→CO₂+۲eˉ+۲H⁺

۲H⁺+۲eˉ→H₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

در این فرایند باکتری روبریویواکس ژلاتینوسوس ۴.۴۶ کیلوکالری انرژی به ازای هر مول COواکنش داده آزاد می کند.این مقدار بسیار کمتر از ۶.۱Kcal/mol coاست که از اکسیداسیون مستقیم co₂به دست می اید.به این دلیل که سلول در فاز تاریک کمترین رشد را دارد.

۲-اکسیداسیون جزیی/تبدیل اتوترمال متان

اکسیداسیون جزیی و تبدیل اتوترمال متان شکل دیگری از SMRهستند.فرایند اکسیداسیون جزیی به طور مستقیم با اکسید شدن متان در یک مرحله واکنش انجام می گیرد.در صورتی که تبدیا اتوترمال ترکیبی از اکسیداسیون جزیی و واکنش تبدیل است در جنین شرایطی متان با مخلوطی ازبخارآب و اکسیژن بصورت کاتالیزوری واکنش می دهد.اختلاف تبدیل اتوترمال باSMRدر این است که در انجا متان فقط با بخار آب واکنش می دهد.اکسیداسیون جزیی متان مخلوط گازی از COوH₂تولید می کندکه واکنش آن در زیر آمده است:

CH₄+۱/۲O₂→CO+2H₂               ∆H=-36KJ/mol

واکنش زیر با واکنش اکسیداسیون کلی در رقابت است:

CH₄+۲O₂→CO₂+۲H₂O           ∆H=-890KJ/mol

 

تحقیقات جدید در این زمینه

بهبود فرایند اکسید اسیون جزئی ، همچون smr با استفاده از تکنولوژی غشا در مخزن راکتور امکان پذیر است تکنولوژی پیشرفته غشای انتقال دهنده یون ( ITM ) از غشا های سرامیکی بدون خلاء و فرج و اکسید های فلزی که جداسازی اکسیژن را از هوا انجام می دهند استفاده می کند. به این طریق اکسید اسیون جزئی در یک مرحله انجام می گیرد . یک کاتالیزور در سطح غشا وجود دارد که گرمای هوا را نسبت به یون های اکسیژن که به داخل غشا نفوذ می کنند با بخار آب و متان فعل و انفعالاتی را صورت می دهند کاهش می دهند . نتیجه فرایند واکنش اکسید اسیون جزئی است این واکنش ممکن است نیاز به واحد پرهزینه تولید اکسیژن را حذف کند .

۳- گاز سازی از زغال سنگ :

همانند تبدیل بخار آب – متان گاز سازی از زغال سنگ نیز دارای سه مرحله است . ابتدا عملیات با بخار در دمای بالا ( ۱۳۰۰ C ) برای تولید گاز سنتز انجام می گیرد ، سپس یک تبدیل و در انتها خالص سازی هیدروژن تولیدی رخ می دهد . در اولین مرحله زغال سنگ در دمای بالا ( ۱۳۰۰ C ) از نظر شیمیایی تجزیه شده و یک گاز سنتز تولید می نماید ، این عمل بر اساس واکنش زیر انجام می پذیرد :

Coal(carbon source ) + H­_۲O →H­_۲+CO+ناخالصی

حرارت مورد نیاز در این مرحله به وسیله کنترل افزایش اکسیژن حاصل می شود . برای اینکه اجازه می دهیم زغال سنگ خوراک ، به میزان کمی تحت اکسید اسیون جزئی قرار گیرد . این واکنش به واسطه دمیده شدن اکسیژن انجام می پذیرد دمنده اکسیژن ، O₂ را به صورت مستقیم از هوا در سیستم خالص سازی تامین می کند . وقتی در تولید هیدروژن از دمنده اکسیژن استفاده می شود عموماً مقدار کمی NOX تولید می گردد که فرایند جداسازی آن نسبت به جداسازی CO₂ سازگار تر و مناسب تر است هیدروژن اولیه در راکتور باعث افزایش اندازه و هزینه راکتور می شود در حالی که تجهیزات پایین دستی و جداسازی CO₂ پرهزینه هستند . در مرحله دوم گاز سنتز از یک راکتور تبدیل کننده ، برای تبدیل یک جزء از منواکسید کربن به دی اکسید کربن عبور داده می شود . واکنش آن در زیر نشان داده شده است

CO+H₂O →CO₂+H₂O

راکتور تبدیل کننده آدیاباتیک است و در دمای بالا ( تقریباً ۴۵۰ C ) عمل می کند و شامل یک سولفور تولرانت کبالت مولیبدات به عنوان کاتالیزور جابجا کننده است . اگر بخواهیم قبل از واکنش جابجایی ، H₂S را ازبین ببریم آهن و اکسید کرم کاتالیزور هایی هستند که در فشار کمتر از ۵۰ بار مورد استفاده قرار می گیرند . گاز سنتز تبدیل شده شامل ۶۰ درصد حجمی هیدروژن ترکیب شده با CO₂ و بیشتر CO باقیمانده است . CH₄ ، O₂ ، N₂ و H₂S به عنوان ناخالصی ممکن است وجود داشته است که این ناخالصی ها مربوط به زغال سنگ خوراک است.

سومین مرحله ، تولید هیدروژن خالص است . جذب فیزیکی ۹۹ % ناخالصی H₂S را حذف می کند . حداکثر H₂ در گاز سنتز تبدیل شده ۸۵% است که پس از حذف کردن ناخالصی ها هیدروژن به خلوص ۹۹.۹۹% می رسد در اینجا از واحد جذب با فشار متغییر ( PSA ) استفاده می شود بنابر این تجزیه دی اکسید کربن به یک برج ثانویه احتیاج دارد که CO₂ باقیمانده در گاز سنتز را حذف می کنند این گاز ها نمی سوزد بلکه برای تولید الکتریسیته از آنها استفاده می شود

۴ – گاز سازی / پیرولیز زیست توده

از زیست توده برای تولید هیدروژن می توان به دو روش فرایند مستقیم گاز سازی یا با پیرولیز یا گراماکافت استفاده کرد . زیست توده مورد استفاده ، از محصولات کشاورزی ، شامل چوب درختان جنگلی ، چوب نرم و دیگر انواع محصولات زراعی بدست می آید همچنین می توان از زباله های شهری جامد یا فاضلاب بدین منظور سود جست . فرایند گاز سازی زیست توده شبیه فرایند گاز سازی زغال سنگ است . این فرایند نیز در سه مرحله انجام می گیرد : ابتدا زیست توده با بخار آب که در دمای بالایی است در یک گاز ساز با اکسیژن یا هوا واکنش می دهد که یک ترکیب گاز سنتز ناخالص از گاز های هیدرو کربنی ، هیدروژن CO ، CO₂ ، قطران و بخار آب تولید می نماید . پسماند کربن به شکل توده و خاکستر در گاز ساز باقی می ماند. سپس قسمتی از دوده ضمن واکنش با اکسیژن سبب می شود که بخار آب و هیدروژن به گاز تبدیل می شود و قسمتی دیگر برای تامین حرارت می سوزند . همانند گاز سازی از زغال سنگ در مرحله دوم به گاز تبدیل می شوند و در ادامه خالص سازی را خواهیم داشت . همچنین زیست توده می تواند ابتدا تبدیل به زیست سوخت مایع در یک فرایند به نام پیرولیز شود . پرولیز یک فرایند گرماگیر برای تجزیه حرارتی زیست توده در دمای ۴۵۰-۵۵۰ C است زیست سوخت مایعی است که از ترکیبات آلی اکسیژن دار و آب تشکیل شده است . زیست سوخت از یک کاتالیزور با پایه نیکل برای تبدیل به بخار شدن در دمای ۷۵۰-۸۵۰ C استفاده می کنند . سپس به وسیله یک واکنش به CO و سپس به CO₂ تبدیل می شود واکنش این فرایند در زیر آمده است

BIOMASS+ENERGY→BIO-OIL+CHAR+GAS

BIO-OIL+H₂O→CO+H₂

CO+H₂O→CO₂+H₂

۱ – تحقیقات جدید در این زمینه

بیشتر تحقیقات در این زمینه تهیه خوارک زیست توده استفاده از کاتالیزور یا بدون کاتالیزور بودن واکنش ها و پارامتر های طراحی راکتور برای بالا بردن تولید انتخابی هیدروژن و حداقل کردن CO است .

ذخیره سازی هیدروژن:

اساسا ذخیره سازی هیدروژن برکاهش حجم آن دلالت دارد.یک کیلوگرم هیدروژن در فشارجو و درجه حرارت پایین حجم ۱۱متر ممکعب را در بر می گیرد.به منظور کاهش دانسیته هیدروژن در یک سیستم ذخیره سازی می بایست هیدروژن به صورت متراکم به کار گرفته شود.یا درجه حرارت محیط تا زیر درجه حرارت بحرانی کاهش داده شود،یا در نهایت نیروی دافعه بین ملکول های هیدروژن توسط اثر متقابل آن با یک ماده دیگر کاهش داده شود.جذب و ازادسازی هیدروژن و قابلیت تبدیل این دو به صورت معکوس به یکدیگر دومین معیار مهم سیستم ذخیره سازی هیدروژن است.هیدروژن به شش روش مختلف ذخیره سازی می شود:

۱-سیلندرهای گاز با فشار بالا(بیشتر از ۸۰۰بار)

۲-هیدرژن مایع در تانک های بسیار سرد (در۲۱ K )

۳-جذب سطحی هیدروژن روی موادی با مساحت سطح بالا(در۱۰۰ K)

۴-جذب روی نواحی بینابینی در یک فلز میزبان(در دما و فشار محیط)

۵-پیوندهای شیمیایی در ترکیبات یونی و کوالانسی(در فشار محیط)

۶-از طریق اکسید اسید فلزهای واکنش دهنده نظیرLi،NaوMgوAl،Znبا آب.

۱-سیلندرهای گاز با فشار بالا

رایج ترین سیستم ذخیره سازی،سیلندرهای گاز با فشار بالا با حداکثر فشار ۲۰Mpaاست.سیلندرهای مرکب جدید با وزن پایین توانایی مقاومت در فشارهای بالا تا ۸۰Mpaرا دارا هستند،بنابراین هیدروژن می تواند در نقطه جوش نرمال به یک دانسیته حجمی ۳۶kg/m³ که تقریبا نیمی از دانسیته حجمی ان در شکل مایع است برسد.زمانی که ضخامت دیواره های سیلندر تحت فشار افزایش یابد با افزایش فشار داخل سیلندر دانسیته وزنی هیدروژن کاهش می یابد.امروزه اکثر سیلندرهای فشاری از جنس فولاد ضدزنگ سخت (AISI 316و۳۰۴و۶۱۳L AISI,و۳۰۴Lبالای ۳۰۰C برای جلوگیریاز جدایی پیوندهای کربنی)مس یا آلیاژهای آلومینیوم که میزان زیادی مقاوم در برابر اثرات هیدروژن در فشارهای محیط هستند،ساخته شده اند بسیاری از مواد دیگر به عنوان جایگزین مواد فوق در ساخت سیلندرهای مورد نیاز نظیر آلیاژخای فولاد یا آلیاژهای با قدرت بالا همانند تیتانیوم و آلیاژهای آن و بعضی از الیاژهای نیکل وجود دارند که کمتر از آنها استفاده می شود.

۲-هیدروژن مایع:

هیدروژن مایع در تانک های سرمازایی در ۲۱/۲ k در فشار محیط ذخیره می شود.به علت درجه حرارت بحرانی پایین هیدروژن (۳۳k)، هیدروژن مایع تنها در سیستم های باز می تواند ذخیره شود،زیرا بالاتر از درجه حرارت بحرانی،هیدروژن به صورت مایع وجود نخواهد داشت.فشار در یک سیستم ذخیره سازی بسته در درجه حرارت محیط تا حرود ۱۰⁴ bar می تواند افزایش پیدا کند.دانسیته حجمی هیدروژن مایع ۷۰.۸ kg/m³ بوده،که مختصری نسبت به هیدروژن جامد۷۰.۶ kg/m³ ،بیشتر است.در ذخیره سازی هیدروژن مایع،کارآیی فرایند مایع سازی و عایق سازی حرارتی مخزن سرما زایی به دلیل خارج شدن بخار هیدروژن مایع کاهش می یابد.

۳-جذب سطحی فیزیکی هیدروژن :

جذب سطحی گاز بروی یک سطح نتیجه نیروئی میدانی در سطح جامد است که جاذب نام دارد؛و ملکول های گاز یا بخار را جذی می کند که ماده جذب شده نامیده می شود.شروع جذب سطحی فیزیکی ملکول های گاز بروی سطح یک جامد همراه با نوسانات متغیر توزیع بار است،که واکنش پاشنده یا واکنش های واندروالس نامیده می شوند.در فرایند جذب سطحی فیزیکی،یک ملکول گاز با چندین اتم در سطح جامد واکنش انجام می دهد.واکنش های بین گاز و سطح جامد به دو شکل جاذبه و دافعه ای صورت می گیرد.بنابراین،تقریبا در یک فاصله شعاع ملکولی ماده جذب شده،انرژی پتانسیل مولکول حداقل مقدار ممکن خود را داراست.حداقل انرژی به ترتیب از۰.۰۱ eVتا۰.۱eV(1تا۱۰ kj/mol)است.به علت فعل و انفعالات ضعیف،جذب سطح فیزیکی قابل توجه تنها در درجه حرارت های پایین(کمتر از ۲۷۳ k)مشاهده می شود.به محض اینکه ملکول های ماده جذب شده در نخستین لایه شکل گرفتند،مولکول های گاز با یک سطح مایع یا جامد واکنش می دهند.بنابراین،انرژی دومین لایه مولکول های ماده جذب شده مشابه با گرمای نهان تبخیر این ماده است.در نتیجه ،جذب سطحی ماده جذب شده در درجه حرارتی براب یا بیشتر از نقطه جوش در یک فشار ثابت،موجب هدایت روند جذب سطحی تنها به یک لایه می گردد.

ایمنی هیدروژن

دراین قسمت خطرات سیلندرهای حاوی هیدروژن بررسی می شود:

سیلندرهای گاز فشرده دارای خطرات مکانیکی و شیمیایی هستند.انرژی زیادی که ناشی از از فشرده سازی گاز در سیلندر است،داخل سیلندرها متراکم می شود.این سیلندرها قابلیت انفجار دارند و همچون یک بمب عمل می کنند،که می تواند دلایل مختلفی داشته باشد.برای مثال یک سیلندر که دارای فشار ۲۰۰psiاست حاوی انرژی معادل با یک و نیم پاوندTNTاست.نارسایی و خرابی سیلندر و یا شیر آن به شدت خطر آفرین بوده و احتمال بروز انفجار را به شدت افزایش می دهد.گاز فشرده یکی از گزینه های مطرح شده برای ذخیره سازی هیدروژن مورد استفاده در وسائل نقلیه است،تانک های سوخت هیدروژن فشرده تحت فشار زیاد(۵۰۰۰-۱۰۰۰۰PSI)کار می کنندکه این یکی از معایب آنها است.در حقیقت یک نقص این است که هیدروژن از شکاف های بوجود امده در این مخازن نشت خواهد کرد که با آزاد شدن دمای زیاد همراه خواهد بودو همچنین اثری منفی در ضریب ژول-تامسون می گذارد.نشت سیلندرهیدروژن وسایل نقلیه ای که در پارکینگ هستند،موقعیت خطرناکی را ایجاد می کنند که باعث خسارت شدید مالی و جانی خواهد شد.

 

عوامل به وجود امدن فجایع و حوادث را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

-نقص در مواد و ماشین آلات

-به وجود آمدن خوردگی

-بالا رفتن میزان شکنندگی تانک های ذخیره سازی در دمای پایین

-انفجار بخار در حال انبساط حاصل از مایع در حال جوشیدن

-تخریب ناشی از برخورد موج انفجار و قطعات به خاطر مجاورت با انفجار

-اشتباهات فردی

اجزا سیستم های عرضه شده

۱-دستگاه فشار شکن:هر سیستم تنظیم کننده فشار باید دارای یک درجه بندی فشار که معادل یا بیشتر از حداکثر فشار کاری مجاز (MAWP) است،باشد.حداکثر فشار کاری مجاز،حداکثر فشاری است که سیستتم بصورت ایمن عمل می کنند.سیلندر هیدروژن باید مجهز به دستگاه فشار شکن باشد،تا نسبت به آزاد شدن گاز با افزایش فشار آن به بیشتر از MAWPرا تحت کنترل داشته باشد.ظرفیت مناسب برای این دستگاه ۱۰٪بیشتر ازMAWPاست.نوع مورد استفاده در سیلندرهای هیدروژن یک صفحه مدور با یک پشتیبان از جنس فلز با نقطه ذوب پایین است تا در برابر انفجار تحت ترکیبی از دما بالا و فشار بیش از اندازه جلوگیری کند.

۲-شیرها:به منظور عکس العمل های سریع و غیر منتظره نیاز به شیرهای ایزولاسیون است.این شیر یاید در یک مکان قابل دسترسی داخل خط لوله هیدروژن نصب می شود تا جریان هیدروژن را در موقع اضطراری بتوان قطع کرد.

۳-وسایل تنظیم کننده فشار:در عمل نمی توان از شیرهای قطع کننده جریان که همراه سیلندرها هستند،برای کنترل تخلیه کاز استفاده کرد .تجهیزات دیگری که برای سیستم های انتقاال گاز هیدروژن نیاز است وسایل تنظیم کننده فشار و فشار سنج ها هستند.

۴-تجهیزات الکتریکی:زمانی که از هیدروژن در اطراف تجهیزات الکتریکی استفاده می شود به دلیل آنکه انرژی بسیار کمی برای شعله ور شدن گاز هیدروژن مورد نیاز است باید بسیار دقت نموده و به اخطارها توجه کرد.همه سیستم های الکتریکی باید از لوله های پلاستیکی تاشو و لوله کشی برخوردار بوده و باید دارای اتصال به زمین باشد.

 

سوخت جت:

با ظهور هواپیماها جت کاربرد دیگری برای برش نفت سفید (کروزن)به عنوان سوخت جت پیدا شد.امروزه بیش از ۳۰ نوع سوخت جت در مشخصات گوناگون تهیه می گردد.

که از نظر ویژگی به سه گروه اصلی تقسیم می گردند:

۱-سوختهای جت بنزینی:این سوختها از بنزین هواپیما سنگین تراند و فشار بخارشان پایین تر است.این سوخت ها معمولا درهواپیماها جت نظامی ملخ دار استفاده می شوند.JP4یکی از این سوختها است که گسترده جوشش بین ۱۵۵-۲۴۰ سانتی گراد است.

۲-سوختهای جت نفتی:این سوختها در حقیقت همان برش نفت سفید است که کیفیتش اندکی بهبود یافته و از نظررنقطه دود و نقطه انجماد و خورندگی وضعیت بهتری پیدا کرده است.به این نوع سوختها ،مواد افزودنی بهبود دهنده کیفیت نیز اضافه می شود.این دسته از سوختها کاربرد بیشتری نسبت به سوخت جت بنزینی داشته و بغیر از هواپیمای نظامی در هواپیماهای مسافربری نیز استفاده می شود.

۳-سوختهای جت نفتی سنگین:این سوختها از سوختها قبلی سنگین تراند و نقطه اشتعالشان بالاتر است.این نوع سوختها کاربرد محدود به مصارف نظامی دارد.

برخی از ویژگی های لازم برای سوختهای جت عبارتند از:

۱-چگالی نسبی:برای بدست آوردن حداکثر انرژی در حجم معینی از مخزن و کاهش حجم راکتورها از سوخت جت با چگالی نسبی بالا استفاده می شود یعنی اینکه هر چه چگالی نسبی سوخت بیشتر باشد حجم کمتری را می گیرد ولی افزایش چگالی نباید بوسیله ترکیبات خیلی سنگین که باعث کاهش بازده احتراق و ایجاد رسوبهای کربنی می شوند تامین شوند.چگالی سوختهای جت در حدود .۸۰ است.

۲-فشار بخار:این مشخصه فقط در مورد JP4وجود دارد.فشار بخار این سوخت باید بین ۱۴۰ تا۲۱۰ g/cm³ باشد تا در شرایط فشار کم (در ارتفاعات زیاد ) سوخت تبخیر نشود زیرا این گونه تبخیر سدی از بخار ایجاد می کند و باعث از کار افتادن پمپها و اتلاف در مخازن می شود.با این حال وجود ترکیبات سبک در سوخت برای روشن شدن موتور بروی زمین و دوباره روشن شدن آن در ارتفاع زیاد ضروری است.

۳-میزان اروماتیک ها:میزان اروماتیک ها باید از ۲۵٪کمتر باشد تا تشکیل رسوبهای کربنی محدود شود.با اینکه هیدروکربن هایی که نسبت C/Hآنها بالاتر است.بدتر از زنجیره ها پارافینی می سوزند.ولی به نظر می رسد که مقدار رسوبهای تشکیل شده بیشتر به اندازه ذرات پخش شده سوخت بستگی دارد تا ساختار شیمیایی آن.

۴-نقطه انجماد:برای -۴۰ CJP1 و برای -۶۰ CJP4در نظر گرفته شده است تا امکان پمپ کردن سوخت در دما خیلی پایین (حدود-۵۵ C)میسر باشد.نقطه انجماد ارتباط نزدیکی با نقطه نهایی تقطیر دارد.

۵-میزان آب:سوختهای جت باید عاری از قطرات معلق آب باشد.بااینکه حلالیت آب در هیدروکربن ها بسیار کم است ولی قابل صرف نظر نیست مثلا در ۳۰ C کروزن به وسیله ۰.۰۱ وزنی آب اشباع می شود در حالی که در -۲۰ Cحلالیت آب دراین برش به صفر می رسد.با این ترتیب پایین امدن دما در ارتفاع زیاد باعث جدا شدن آب از سوخت می شود این آب بلافاصله منجمد شده و باعث انسداد صافی ها می شود.در صد آب محلول را می توان با عبور دادن سوخت های جت از روی مواد جذب کننده رطوبت نظیر سیلیکاژل یا زغال فعال به طور قابل ملاحظه کاهش داد.

۶-وضعیت انفجاری:هنگام ذخیره کردن سوخت های جت در مخازن غلظت قسمت های سبک به گونه ای است که فاز بخار بالا برش اغلب در منطقه اشتعال قرار می گیرد و کمتریت جرقه می تواند باعث انفجار مخزن شود بنابراین مخازن کروزن باید دقیقا بررسی شوند تا از خطرات ناشی از الکتریسیته ساکن جلوگیری شود.

آب معلق این سوختها باید حذف شود.همچنین برای جلوگیری از خورندگی باید مقدار مرکاپتان ها و اسیدهای آلی و معدنی سوخت های جت به دقت تنظیم شود.

 

جدول مشخصات بعضی از سوختهای جت
خواص	سوخت جت نفتی سنگین	سوخت جت بنزینی	سوخت جت نفتی
چگالی بر حسب API
حداکثر	۵۱	۵۷	۵۱
حداقل	۳۷	۴۵	۳۷
دما تقطیر(F)
۱۰٪	۴۰۰	–	۴۰۰
۲۰٪	–	۲۹۰	–
۵۰٪	–	۳۷۰	–
۹۰٪	–	۴۷۰	–
نقطه نهایی	۵۲	–	۵۷۲
نقطه اشتعال(F)	۱۰۰	–	۱۰۰
نقطه انجماد(F)	-۴۰	-۵۸	-۵۳
درصد وزنی گوگرد	۰.۳	۰.۳	۰.۳
درصد حجمی	۲۰	۲۰	۲۰
اروماتیک ها	۵	۵	۵
درصد حجمی الفینها

نفت سفید

نفت سفید یا نفت چراغ مایعی با رنگ و کمی سنگین تر از بنزین است و مستقیما از تقطیر نفت خام بدست می ایدو شامل دسته از هیدروکربن ها است که نقطه جوش اولیه انها ۱۵۰ و نقطه جوش نهایی شان ۲۵۰ درجه سانتی گراد است.نفت سفید معمولا به مصارف مختلف از قبیل روشنایی ،ایجاد گرما و سوخت اجاق های خوراک پزی می رسد مصارف دیگر آن در موتورهای توربینی و تراکتورها و بعضی از هواپیماهای جت می باشد.نفت سفید مخلوطی از گروههای مختلف هیدروکربن که در مولکول هایشان بین ۱۰ تا ۱۴ کربن دارند می باشد .نفت سفید را با نقطه دود( معرف تمیز بودن احتراق)و نقطه اشتعال (معرف سهولت تبخیر )آنها می سنجند.

 

برای مصرف نفت سفید باید ویژگی های زیر را دارا باشد:

الف-پایین بودن غلظت آروماتیک ها،تا از دود زدن و از جرم گرفتگی فیتیله جلوگیری شود.

ب-پایین بودن مقدار پارافین های قابل تبلوردر -۱۵ Cتا در زمستان صعود نفت در فیتیله امکان پذیر باشد.

ج-عاری بودن از ترکیبات با بوی تند نظیر مرکاپتان ها

نفت سفید را می توان پس از تخلیص و بی بو کردن به عنوان حلال حشره کش ها نیز بکار برد.

مشخصات نفت سفید در ایران
شرح	مقدار
چگالی در ۶۰ F	۰.۸۲	بیشترین حد
رنگ (سیبولت)	۲۵	کمترین حد
بو	قابل پذیرش بازار	–
ازمایش در ۱۸۵ C	۵۰	بیشترین حد
ازمایش در ۲۰۰ C	۲۰	بیشترین حد
ازمایش در ۲۱۰ C	۹۰	بیشترین حد
ازمایش در ۲۲۵ C	۹۵	بیشترین حد
نقطه جوش نهایی	۲۷۵	بیشترین حد
باقیمانده( درصد حجمی)	۲	بیشترین حد
هدر رفته(درصد حجمی)	۱.۵	بیشترین حد
نقطه اشتعال(درجه سانتی گراد)	۴۳.۶	کمترین حد
نقطه دود(میلی متر)	۲۵	کمترین حد
گوگرد (درصد وزنی)	۰.۱۵	بیشترین حد

 

مشکلات سوخت هیدروژن

منبع :

هیدروژن (تولید و دخیره سازی و ایمنی) : رسول عبدالله میرزائی ، محمد حسین مجد

گرداوری مطلب : مهندس ابوالفضل حارث ابادی (سبزوار)