يمكن للمفاعل المتقدم الذي صممه مهندسو جامعة ميشيغان تحويل الغاز الطبيعي بكفاءة إلى بروبيلين، مما قد يؤدي إلى وفورات كبيرة في تكاليف إنتاج المنتجات الصناعية والاستهلاكية الأساسية. صمم المهندسون في جامعة ميشيغان مفاعلًا كيميائيًا جديدًا يمكن أن يقلل تكاليف التصنيع بملايين الدولارات في اقتصاد ما بعد النفط باستخدام الغاز الطبيعي لإنشاء عنصر حيوي في المواد البلاستيكية والمواد اللاصقة وألياف السجاد والمنظفات المنزلية وغيرها من المنتجات.

وينتج المفاعل البروبيلين، وهو مادة كيميائية رئيسية تستخدم أيضًا في صنع مجموعة من الأسلحةتشمل المواد الكيميائية الصناعية مطاط النتريل المستخدم في خراطيم السيارات والأختام والمواد الخام للقفازات الواقية الزرقاء. يأتي معظم البروبيلين المستخدم اليوم من المصافي، التي تجمع البروبيلين كمنتج ثانوي أثناء عملية تكرير النفط الخام إلى بنزين.

ومع استبدال النفط والبنزين تدريجياً بالغاز الطبيعي والطاقة الشمسية وطاقة الرياح، فمن دون أساليب إنتاج جديدة، قد ينخفض ​​إنتاج البروبيلين وغيره من المنتجات المشتقة من النفط إلى ما دون الطلب الحالي.

تحديات إنتاج البروبيلين

يتمتع الغاز الطبيعي المستخرج من الصخر الزيتي بالقدرة على استبدال البروبيلين المستخرج من النفط الخام. إن الغاز الطبيعي غني بالبروبان، الذي يشبه إلى حد كبير البروبيلين وهو مادة واعدة، ولكن الأساليب الحالية لصنع البروبيلين من الغاز الطبيعي لا تزال غير فعالة إلى حد كبير بحيث لا تتمكن من سد الفجوة بين العرض والطلب.

يفصل الأنبوب الداخلي للمفاعل البروبان إلى هيدروجين وبروبيلين ويسمح للهيدروجين بالهروب إلى الغلاف الخارجي للمفاعل. يمكن أن يحترق الهيدروجين، مما يؤدي إلى زيادة التفاعل. المصدر: جيمس وورتمان، مختبر لينيك، جامعة ميشيغان.

وقال مارتن لويس بيل أستاذ الهندسة الكيميائية والهندسة الكيميائية: "من الصعب للغاية تحويل البروبان إلى بروبيلين اقتصاديًا".وقال سولجو لينيك، المؤلف المقابل للدراسة التي نشرت في مجلة ساينس: "يجب تسخين التفاعل لتشغيله، وتتطلب الطرق القياسية درجات حرارة عالية جدًا لإنتاج ما يكفي من البروبيلين. ما تحصل عليه في درجات الحرارة هذه ليس البروبيلين فحسب، بل رواسب الكربون الصلبة وغيرها من المنتجات غير المرغوب فيها التي تلحق الضرر بالمحفز. لتجديد المفاعل، نحتاج إلى حرق رواسب الكربون الصلبة بشكل متكرر، مما يجعل العملية غير فعالة."

تصميم مفاعل ثوري

يعمل نظام المفاعل الجديد للباحثين على إنتاج البروبيلين بكفاءة من الغاز الصخري عن طريق فصل البروبان إلى بروبيلين وهيدروجين. كما أنه يوفر منفذًا للهيدروجين، مما يغير التوازن بين تركيزات البروبان ومنتجات التفاعل لإنتاج المزيد من البروبيلين. بمجرد فصله، يمكن أيضًا حرق الهيدروجين بأمان بعيدًا عن البروبان، مما يسمح للمفاعل بالتسخين بدرجة كافية لتسريع التفاعل دون إنتاج أي مركبات غير مرغوب فيها.

روان الملاحي، خريجة دكتوراه في الهندسة الكيميائية والمؤلفة الأولى للدراسة، تقوم بتجهيز المفاعل لاختبار الأداء داخل الفرن. وقد ساعد المرعشي سولجو لينيك، أستاذ مارتن لويس بيل في قسم الهندسة الكيميائية والمؤلف المقابل للدراسة. المصدر: ساندرا سويشر، قسم الهندسة الكيميائية، جامعة ميشيغان.

يتم تحقيق هذا الفصل من خلال أنابيب غشاء الألياف المجوفة المتداخلة في المفاعل. يتكون أنبوب الغشاء الأعمق من مادة تفصل البروبان إلى بروبيلين وهيدروجين. على الرغم من أن أنبوب الغشاء يحتفظ بمعظم البروبيلين في الطبقة الداخلية، إلا أن الهيدروجين يمكنه الهروب إلى الطبقة الخارجية من خلال المسام الموجودة في طبقة غشاء المادة. داخل هذه الحجرة، يمكن حرق الهيدروجين بطريقة محكومة عن طريق خلط كميات محددة من الأكسجين.

ولأن الهيدروجين يمكن حرقه داخل المفاعل ويمكن أن يعمل عند ضغوط أعلى من البروبان، فإن هذه التكنولوجيا تسمح للمحطات بإنتاج البروبيلين من الغاز الطبيعي دون الحاجة إلى تركيب سخانات إضافية. ويقدر الباحثون أن مصنعًا ينتج 500 ألف طن من البروبيلين سنويًا يمكن أن يوفر ما يصل إلى 23.5 مليون دولار مقارنة بالطرق الأخرى لاستخدام الغاز الصخري. تضاف هذه الوفورات إلى وفورات تكاليف التشغيل الناتجة عن حرق الهيدروجين الناتج عن التفاعل بدلاً من أنواع الوقود الأخرى.

تم التجميع من: سايتك ديلي