Steam reforming
بھاپ کی اصلاح یا بھاپ میتھین کی اصلاح (ایس ایم آر) پانی کے ساتھ ہائیڈرو کاربن کے تعامل سے سنگیس (ہائیڈروجن اور کاربن مونو آکسائیڈ) پیدا کرنے کا ایک طریقہ ہے۔ عام طور پر قدرتی گیس فیڈ اسٹاک ہے۔ اس ٹیکنالوجی کا بنیادی مقصد ہائیڈروجن کی پیداوار ہے۔ رد عمل کو اس توازن سے ظاہر کیا جاتا ہے: CH4 + H2O <=> CO + 3 H2 رد عمل مضبوطی سے اینڈوتھرمک (ΔHSR = 206 kJ/mol) ہے۔ بھاپ کی اصلاح سے پیدا ہونے والے ہائیڈروجن کو 'گرے ہائیڈروجن' کہا جاتا ہے جب فضلہ کاربن مونو آکسائیڈ فضا میں چھوڑا جاتا ہے اور 'بلیو ہائیڈروجن' جب کاربن مونو آکسائیڈ (زیادہ تر) جغرافیائی طور پر پکڑا اور ذخیرہ کیا جاتا ہے-کاربن کیپچر اور اسٹوریج دیکھیں۔ صفر کاربن 'گرین' ہائیڈروجن کم یا صفر کاربن بجلی کا استعمال کرتے ہوئے شمسی تھرمل، کم یا صفر کاربن بجلی یا فضلہ گرمی، یا برقی تجزیہ کا استعمال کرتے ہوئے تھرمو کیمیکل پانی کی تقسیم کے ذریعے تیار کیا جاتا ہے۔ صفر کاربن کا اخراج 'فیروزی' ہائیڈروجن قدرتی گیس کے ایک مرحلے والے میتھین پائرولیسس سے پیدا ہوتا ہے۔ قدرتی گیس کی بھاپ کی اصلاح سے دنیا کا زیادہ تر ہائیڈروجن پیدا ہوتا ہے۔ ہائیڈروجن کا استعمال امونیا اور دیگر کیمیکلز کی صنعتی ترکیب میں کیا جاتا ہے۔ رد عمل بھاپ اصلاح رد عمل حرکیات، خاص طور پر نکل-ایلومینیم اتپریرک کا استعمال کرتے ہوئے، 1950 کی دہائی سے تفصیل سے مطالعہ کیا گیا ہے۔ پری ریفارمنگ پری ریفارمنگ کا مقصد اعلی ہائیڈرو کاربن جیسے پروپین، بیوٹین یا نیفتھا کو میتھین (CH4) میں توڑنا ہے، جو نیچے کی طرف زیادہ موثر اصلاح کی اجازت دیتا ہے۔ بھاپ کی اصلاح نام دینے والا رد عمل بھاپ کی اصلاح (ایس آر) کا رد عمل ہے اور اس کا اظہار اس مساوات سے ہوتا ہے: واٹر گیس شفٹ ری ایکشن (ڈبلیو جی ایس آر) کے ذریعے، مساوات کے مطابق پیدا ہونے والے کاربن مونو آکسائیڈ کے ساتھ پانی کے رد عمل سے اضافی ہائیڈروجن خارج ہوتا ہے [1]: بھاپ کی اصلاح کے عمل میں ہونے والے کچھ اضافی رد عمل کا مطالعہ کیا گیا ہے۔ عام طور پر براہ راست بھاپ اصلاح (ڈی ایس آر) رد عمل بھی شامل ہوتا ہے: چونکہ یہ رد عمل اپنے آپ میں انتہائی اینڈوتھرمک ہوتے ہیں (ڈبلیو جی ایس آر کے علاوہ، جو ہلکے سے ایکسوتھرمک ہوتے ہیں)، مستقل درجہ حرارت کو برقرار رکھنے کے لیے ری ایکٹر میں بڑی مقدار میں حرارت شامل کرنے کی ضرورت ہوتی ہے۔ بہترین ایس ایم آر ری ایکٹر آپریٹنگ حالات 20-30 بار کے درمیانے دباؤ پر 800 ڈگری سیلسیس سے 900 ڈگری سیلسیس کے درجہ حرارت کی حد میں ہوتے ہیں۔ بھاپ کی زیادہ ضرورت ہوتی ہے، جس کا اظہار (مولر) بھاپ سے کاربن (S/C) کے تناسب سے ہوتا ہے۔ عام ایس/سی تناسب کی اقدار 2.5:1-3:1 کی حد میں ہوتی ہیں۔ صنعتی عمل رد عمل ملٹی ٹیوبلر پیکڈ بیڈ ری ایکٹرز میں کیا جاتا ہے، جو پلگ فلو ری ایکٹر زمرے کی ایک ذیلی قسم ہے۔ یہ ری ایکٹر لمبی اور تنگ ٹیوبوں کی ایک صف پر مشتمل ہوتے ہیں جو ایک بڑی صنعتی بھٹی کے دہن چیمبر کے اندر واقع ہوتے ہیں، جو آپریشن کے دوران ری ایکٹر کو مستقل درجہ حرارت پر رکھنے کے لیے ضروری توانائی فراہم کرتے ہیں۔ بھٹی کے ڈیزائن مختلف ہوتے ہیں، برنر کی ترتیب کے لحاظ سے انہیں عام طور پر درجہ بند کیا جاتا ہے: اوپر سے فائر کیا جاتا ہے، نیچے سے فائر کیا جاتا ہے، اور سائیڈ فائر کیا جاتا ہے۔ ایک قابل ذکر ڈیزائن فوسٹر وہیلر ٹیرس وال ریفارمر ہے۔ نلیوں کے اندر، بھاپ اور میتھین کا مرکب نکل اتپریرک کے ساتھ رابطے میں رکھا جاتا ہے۔ اعلی سطح کے علاقے سے حجم کے تناسب والے اتپریرک کو اعلی آپریٹنگ درجہ حرارت کی وجہ سے پھیلاؤ کی حدود کی وجہ سے ترجیح دی جاتی ہے۔ استعمال شدہ اتپریرک شکلوں کی مثالیں سپیکڈ پہیے، گیئر پہیے، اور سوراخوں کے ساتھ بجتی ہیں (دیکھیں: راسچگ بجتی ہیں)۔ مزید برآں، ان شکلوں میں کم دباؤ کی کمی ہوتی ہے جو اس درخواست کے لیے فائدہ مند ہے۔ قدرتی گیس کی بھاپ کی اصلاح 65-75% موثر ہے۔ ریاستہائے متحدہ امریکہ ہر سال <ID1 ملین ٹن ہائیڈروجن پیدا کرتا ہے، زیادہ تر قدرتی گیس کی بھاپ اصلاحات کے ساتھ۔ بھاپ کی اصلاح سے حاصل ہونے والے ہائیڈروجن کا استعمال کرتے ہوئے دنیا بھر میں امونیا کی پیداوار 2018 میں 144 ملین ٹن تھی۔ توانائی کی کھپت 1920 میں 100 جی جے/ٹن امونیا سے کم ہو کر 2019 تک 27 جی جے رہ گئی ہے۔ عالمی سطح پر تقریبا 50 فیصد ہائیڈروجن بھاپ کی اصلاح کے ذریعے پیدا ہوتا ہے۔ یہ اس وقت اپنی سرمایہ جاتی لاگت کے لحاظ سے دستیاب ہائیڈروجن کی پیداوار کے لیے سب سے کم مہنگا طریقہ ہے۔ ہائیڈروجن کی پیداوار کو کاربن سے پاک کرنے کی کوشش میں، صنعت کے اندر کاربن کیپچر اینڈ اسٹوریج (سی سی ایس) کے طریقے نافذ کیے جا رہے ہیں، جن میں اس عمل سے پیدا ہونے والے 90 فیصد تک کاربن ڈائی آکسائیڈ کو ہٹانے کی صلاحیت ہے۔ اس کے باوجود، اس ٹیکنالوجی کا نفاذ پریشانی کا باعث، مہنگا رہتا ہے، اور پیدا شدہ ہائیڈروجن کی قیمت میں نمایاں اضافہ کرتا ہے۔ آٹوتھرمل ریفارمنگ (اے ٹی آر) آکسیجن اور کاربن ڈائی آکسائیڈ یا بھاپ کا استعمال کرتا ہے جو میتھین کے ساتھ تعامل میں سنگیس بناتا ہے۔ رد عمل ایک ہی چیمبر میں ہوتا ہے جہاں میتھین جزوی طور پر آکسائڈائز ہوتا ہے۔ رد عمل ایکسوتھرمک ہے۔ جب اے ٹی آر کاربن ڈائی آکسائیڈ کا استعمال کرتا ہے، تو پیدا ہونے والا H2: CO تناسب 1:1 ہوتا ہے ؛ جب اے ٹی آر بھاپ کا استعمال کرتا ہے، تو پیدا ہونے والا H2: CO تناسب 2.5:1 ہوتا ہے۔ سنگیس کا آؤٹ لیٹ درجہ حرارت 950-1100 °C کے درمیان ہوتا ہے اور آؤٹ لیٹ کا دباؤ 100 بار تک ہو سکتا ہے۔ رد عمل کے علاوہ [1]-[3]، اے ٹی آر مندرجہ ذیل رد عمل متعارف کراتا ہے: ایس ایم آر اور اے ٹی آر کے درمیان بنیادی فرق یہ ہے کہ ایس ایم آر صرف بھاپ بنانے کے لیے گرمی کے ذریعہ کے طور پر دہن کے لیے ہوا کا استعمال کرتا ہے، جبکہ اے ٹی آر صاف شدہ آکسیجن کا استعمال کرتا ہے۔ اے ٹی آر کا فائدہ یہ ہے کہ ایچ 2: سی او تناسب مختلف ہو سکتا ہے، جو خصوصی مصنوعات تیار کرنے کے لیے مفید ہو سکتا ہے۔ اے ٹی آر کے اندر ہونے والے کچھ اضافی رد عمل کی ایکسوتھرمک نوعیت کی وجہ سے، یہ عمل بنیادی طور پر صفر (ΔH = 0) کی خالص اینتھالپی پر انجام دیا جا سکتا ہے۔ جزوی آکسیکرن جزوی آکسیکرن (پی او ایکس) اس وقت ہوتا ہے جب ذیلی اسٹوچیومیٹرک ایندھن ہوا کے مرکب کو جزوی طور پر ایک مصلح میں جلا کر ہائیڈروجن سے بھرپور سنگیس بنایا جاتا ہے۔ پی او ایکس عام طور پر بھاپ کی اصلاح سے بہت تیز ہوتا ہے اور اس کے لیے چھوٹے ری ایکٹر برتن کی ضرورت ہوتی ہے۔ پی او ایکس ان پٹ ایندھن کی فی یونٹ کم ہائیڈروجن پیدا کرتا ہے اسی ایندھن کی بھاپ کی اصلاح سے۔ چھوٹے پیمانے پر بھاپ کی اصلاح بھاپ کی اصلاح کرنے والے پلانٹس کی سرمایہ قیمت کو چھوٹے سے درمیانے سائز کے استعمال کے لیے ممنوع سمجھا جاتا ہے۔ ان وسیع تر سہولیات کی لاگت اچھی طرح سے کم نہیں ہوتی ہے۔ روایتی بھاپ اصلاح کار پلانٹ 200 اور 600 پی ایس آئی (14-40 بار) کے درمیان دباؤ پر 815 سے 925 ڈگری سیلسیس کی حد میں آؤٹ لیٹ درجہ حرارت کے ساتھ کام کرتے ہیں۔ دہن انجنوں کے لیے فلیئرڈ گیس اور وینٹڈ اتار چڑھاؤ والے نامیاتی مرکبات (وی او سی) آف شور صنعت اور ساحل پر تیل اور گیس کی صنعت میں معروف مسائل ہیں، کیونکہ دونوں ماحول میں گرین ہاؤس گیسوں کو چھوڑتے ہیں۔ دہن انجنوں کے لیے اصلاحات فضلہ گیسوں کو توانائی کے ذریعہ میں تبدیل کرنے کے لیے بھاپ کی اصلاح کی ٹیکنالوجی کا استعمال کرتی ہیں۔ دہن انجنوں کے لیے اصلاحات بھاپ کی اصلاح پر مبنی ہیں، جہاں کم معیار کی گیسوں کے غیر میتھین ہائیڈرو کاربن (این ایم ایچ سی) کو ترکیبی گیس (ایچ 2 + سی او) اور آخر میں میتھین (سی ایچ 4)، کاربن ڈائی آکسائیڈ (سی او 2) اور ہائیڈروجن (ایچ 2) میں تبدیل کیا جاتا ہے-اس طرح ایندھن گیس کے معیار (میتھین نمبر) میں بہتری آتی ہے۔ ایندھن کے خلیوں کے لیے اسی طرح کی ٹیکنالوجی پر مبنی بہت چھوٹی اکائیوں کی ترقی میں بھی دلچسپی ہے تاکہ ایندھن کے خلیوں کے لیے فیڈ اسٹاک کے طور پر ہائیڈروجن تیار کیا جا سکے۔ ایندھن کے خلیوں کی فراہمی کے لیے چھوٹے پیمانے پر بھاپ کی اصلاح کرنے والے یونٹ فی الحال تحقیق اور ترقی کا موضوع ہیں، جن میں عام طور پر میتھانول کی اصلاح شامل ہے، لیکن دیگر ایندھن جیسے پروپین، پٹرول، آٹو گیس، ڈیزل ایندھن، اور ایتھنول پر بھی غور کیا جا رہا ہے۔ نقصانات اصلاح کار-فیول سیل سسٹم پر اب بھی تحقیق کی جا رہی ہے لیکن مستقبل قریب میں، سسٹم موجودہ ایندھن، جیسے قدرتی گیس یا پٹرول یا ڈیزل پر چلتے رہیں گے۔ تاہم، اس بارے میں ایک فعال بحث جاری ہے کہ آیا ان ایندھن کو ہائیڈروجن بنانے کے لیے استعمال کرنا فائدہ مند ہے جبکہ گلوبل وارمنگ ایک مسئلہ ہے۔ فوسل فیول ریفارمنگ ماحول میں کاربن ڈائی آکسائیڈ کے اخراج کو ختم نہیں کرتی بلکہ کاربن ڈائی آکسائیڈ کے اخراج کو کم کرتی ہے اور بڑھتی ہوئی کارکردگی اور فیول سیل کی خصوصیات کی وجہ سے روایتی ایندھن کے جلنے کے مقابلے میں کاربن مونو آکسائیڈ کے اخراج کو تقریبا ختم کر دیتی ہے۔ تاہم، کاربن ڈائی آکسائیڈ کے اخراج کو تقسیم شدہ اخراج کے بجائے ایک نقطہ ذریعہ میں تبدیل کرنے سے، کاربن کی گرفت اور ذخیرہ کاری ایک امکان بن جاتا ہے، جو ماحول میں کاربن ڈائی آکسائیڈ کے اخراج کو روک دے گا، جبکہ اس عمل کی لاگت میں اضافہ کرے گا۔ جیواشم ایندھن میں اصلاحات کے ذریعے ہائیڈروجن کی پیداوار کی لاگت کا انحصار اس پیمانے پر ہوتا ہے جس پر یہ کیا جاتا ہے، اصلاح کار کی سرمایہ قیمت، اور یونٹ کی کارکردگی، تاکہ صنعتی پیمانے پر اگرچہ اس کی قیمت صرف چند ڈالر فی کلوگرام ہائیڈروجن ہو سکتی ہے، لیکن یہ ایندھن کے خلیوں کے لیے درکار چھوٹے پیمانے پر زیادہ مہنگا ہو سکتا ہے۔ ایندھن کے خلیوں کی فراہمی کرنے والے اصلاح کاروں کے ساتھ چیلنجز اس ٹیکنالوجی سے وابستہ کئی چیلنجز ہیں: اصلاح کا رد عمل اعلی درجہ حرارت پر ہوتا ہے، جس کی وجہ سے اسے شروع کرنا سست ہوجاتا ہے اور مہنگے اعلی درجہ حرارت والے مواد کی ضرورت ہوتی ہے۔ ایندھن میں موجود سلفر مرکبات بعض اتپریرک کو زہریلا کر دیں گے، جس سے عام پٹرول سے اس قسم کے نظام کو چلانا مشکل ہو جائے گا۔ کچھ نئی ٹیکنالوجیز نے سلفر برداشت کرنے والے اتپریرک کے ساتھ اس چیلنج پر قابو پالیا ہے۔ کوکنگ بھاپ کی اصلاح کے دوران اتپریرک کو غیر فعال کرنے کی ایک اور وجہ ہوگی۔ اعلی رد عمل کا درجہ حرارت، کم بھاپ سے کاربن کا تناسب (S/C)، اور سلفر پر مشتمل تجارتی ہائیڈرو کاربن ایندھن کی پیچیدہ نوعیت کوکنگ کو خاص طور پر سازگار بناتی ہے۔ اولیفنس، عام طور پر ایتھلین، اور ارومیٹکس معروف کاربن تیار کرنے والے ہوتے ہیں، اس لیے بھاپ کی اصلاح کے دوران ان کی تشکیل کو کم کرنا ضروری ہے۔ مزید برآں، کم تیزابیت والے اتپریرک کو ڈی ہائیڈروجنیشن رد عمل کو دبانے سے کوکنگ کا کم خطرہ بتایا گیا۔ H2S، نامیاتی سلفر کی اصلاح میں اہم پروڈکٹ، دھات-سلفر بانڈ بنانے کے لیے تمام منتقلی دھات کے اتپریرک سے جڑا ہو سکتا ہے اور اس کے بعد اصلاح کرنے والے رد عمل کے کیمیا جذب کو روک کر اتپریرک کی سرگرمی کو کم کر سکتا ہے۔ دریں اثنا، جذب شدہ سلفر کی انواع اتپریرک تیزابیت میں اضافہ کرتی ہیں، اور اس وجہ سے بالواسطہ طور پر کوکنگ کو فروغ دیتی ہیں۔ قیمتی دھاتی اتپریرک جیسے Rh اور Pt میں دیگر دھاتی اتپریرک جیسے Ni کے مقابلے میں بلک سلفایڈ بنانے کے رجحانات کم ہوتے ہیں۔ Rh اور Pt دھاتی سلفایڈ بنانے کے بجائے صرف کیمیا جذب کرنے والے سلفر سے سلفر کے زہر کا کم شکار ہوتے ہیں۔ کم درجہ حرارت والے پولیمر فیول سیل میمبرینز کو ری ایکٹر کے ذریعہ تیار کردہ کاربن مونو آکسائیڈ (سی او) کے ذریعے زہر آلود کیا جا سکتا ہے، جس کی وجہ سے پیچیدہ سی او ہٹانے کے نظام کو شامل کرنا ضروری ہو جاتا ہے۔ سالڈ آکسائیڈ فیول سیل (ایس او ایف سی) اور پگھلے ہوئے کاربونیٹ فیول سیل (ایم سی ایف سی) میں یہ مسئلہ نہیں ہوتا ہے، لیکن یہ زیادہ درجہ حرارت پر کام کرتے ہیں، اسٹارٹ اپ کا وقت کم کرتے ہیں، اور مہنگے مواد اور بھاری موصلیت کی ضرورت ہوتی ہے۔ ہائیڈروجن پروڈکٹ کی پاکیزگی کے لحاظ سے اس عمل کی تھرموڈینامک کارکردگی 70 فیصد اور 85 فیصد (ایل ایچ وی کی بنیاد پر) کے درمیان ہوتی ہے۔ یہ بھی دیکھیں بائیو گیس بوڈوارڈ رد عمل اتپریرک اصلاحات کیمیائی لوپنگ اصلاحات اور گیسیفیکیشن کریکنگ (کیمسٹری) ہائیڈروجن پنچ ہائیڈروجن ٹیکنالوجیز صنعتی گیس لین ہائیڈروجن پروڈیوسر میتھین پائرولیسس (ہائیڈروجن کے لیے) جزوی آکسیکرن PROX اصلاح شدہ میتھانول فیول سیل ریفارمر سپنج آئرن سائیکل ہائیڈروجن ٹیکنالوجیز کی سنگاس ٹائم لائن حوالہ جات ہائیڈروجن پیداوار کیمیائی عمل ایندھن گیس اتپریرک صنعتی گیسیں