غاز الماء

الهيدروكربونات مصطلح قديم يُطلق على غاز الماء المُكوّن من أول أكسيد الكربون والهيدروجين، والذي ينتج عن تمرير البخار عبر فحم الكوك المتوهج . صُنّف الهيدروكربونات كغاز مُصنّع ، ودُرست خصائصه العلاجية من قِبل بعض أطباء القرن الثامن عشر، بمن فيهم توماس بيدوز وجيمس وات . ^{[ 7 ]} يجب عدم الخلط بين مصطلح الهيدروكربونات، الذي صاغه بيدوز عام 1794، والاسم الحديث "كربونات الهيدروجين" لأيون البيكربونات .

بين عامي 1794 و1802، أجرى أطباء مثل تيبيريوس كافالو وديفيز جيلبرت تجارب على بيكربونات الصوديوم كمسكن ومخدر. ^{[ 8 ]} وقد استنشق همفري ديفي، في حادثة شهيرة، ثلاثة كوارتات من بيكربونات الصوديوم في معهد الطب الهوائي ، وكاد أن يلقى حتفه بعد أن "اختنق تمامًا". تعافى ديفي بعد يومين، واستنتج أن استنشاق المزيد من بيكربونات الصوديوم كان من الممكن أن "يؤدي إلى الموت الفوري دون التسبب بأي ألم". ^{[ 9 ]} وقد صدق حدسه: فالتسمم بأول أكسيد الكربون قد يكون قاتلًا.

تشمل الأمراض التي عولجت بالبيكربونات: السل ، والالتهابات ، والربو ، والبلغم ، ونفث الدم، والالتهاب الرئوي ، والاستسقاء الجنبي ، والتشنجات ، وغيرها. ^{[ 7 ] [ 8 ]} ويجري حاليًا دراسة العديد من الأمراض التي عولجت بالبيكربونات، التي كان أول أكسيد الكربون مكونها الفعال، باستخدام أساليب البحث الطبي الحيوي الحديثة لتحديد الإمكانات العلاجية لأول أكسيد الكربون. فعلى سبيل المثال، أدرك جيمس ليند فعالية البيكربونات في علاج التهاب الرئة؛ ^{[ 7 ]} كما أن توصيل أول أكسيد الكربون عن طريق الاستنشاق أو الجزيئات المُطلقة له، يُظهر بيانات ما قبل السريرية هامة تشير إلى فعالية علاج الالتهابات. ^{[ 10 ]} ويُعد العمل الرائد في استكشاف التطبيقات الطبية للبيكربونات مصدرًا هامًا لتطوير الأدوية الحديثة.

اقترح جيمس وات أن البيكربونات قد تعمل كـ"ترياق للأكسجين في الدم" عام 1794، وحذر من سمية الجرعة الزائدة قبل اكتشاف أول أكسيد الكربون (1800) والهيموجلوبين (1840). ^{[ 7 ]} على الرغم من ملاحظة وات، فمن المقبول على نطاق واسع أن كلود برنارد كان أول من وصف آلية التسمم بأول أكسيد الكربون، وذلك من خلال وصفه لميل أول أكسيد الكربون للهيموجلوبين وإزاحته للأكسجين مسببًا الاختناق حوالي عام 1857. ^{[ 11 ]}

في عام 1873، طوّر ثاديوس إس سي لوي عملية غاز الماء وحصل على براءة اختراعها، والتي تُتيح إنتاج كميات كبيرة من غاز الهيدروجين للاستخدام السكني والتجاري في التدفئة والإضاءة. وقد وفّر هذا الغاز وقودًا للتدفئة أكثر كفاءة من غاز الفحم الشائع ، أو غاز الكوك، الذي كان يُستخدم في الخدمات البلدية. وتعتمد هذه العملية على تفاعل تحويل غاز الماء.

CO + _H₂O → _CO₂ + _H₂

تم اكتشاف هذه العملية بتمرير بخار عالي الضغط فوق الفحم الساخن، المصدر الرئيسي لغاز الكوك. وقد حسّنت عملية لوي أنظمة المداخن، مما سمح بإبقاء الفحم ساخنًا جدًا، وبالتالي ضمان إمداد مستمر وعالي من الغاز. ينتج عن التفاعل ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين، اللذان ينتجان غاز الهيدروجين بعد عملية تبريد وتنقية .

حفّزت هذه العملية صناعة الغاز، وسرعان ما أُنشئت محطات التغويز على طول الساحل الشرقي للولايات المتحدة. وأدت عمليات مماثلة، مثل عملية هابر-بوش ، إلى إنتاج الأمونيا (NH₃ ₎ من خلال دمج النيتروجين الموجود في الهواء مع الهيدروجين. وقد حفّز هذا بدوره صناعة التبريد ، التي لطالما استخدمت الأمونيا كمادة تبريد . كما حصل لوي على العديد من براءات الاختراع لآلات صنع الثلج الاصطناعي، وتمكّن من إدارة أعمال ناجحة في مجال التخزين البارد، بالإضافة إلى منتجات تعمل بغاز الهيدروجين.

يتميز غاز الماء بانخفاض حرارة احتراقه مقارنةً بغاز الفحم ، لذا كان يتم رفع قيمته الحرارية غالبًا بتمريره عبر معوجة ساخنة يُرش فيها الزيت. يُطلق على الغاز الناتج اسم غاز الماء المكربن . يتكون غاز الماء المكربن ​​عادةً من: 34-38% هيدروجين، 23-28% أول أكسيد _{الكربون} ، 17-21% هيدروكربونات مشبعة، 13-16% هيدروكربونات غير مشبعة، 0.2-2.2% ثاني أكسيد الكربون _، و2.5-5.0% نيتروجين _. يُستخدم هذا الغاز كمصدر للحرارة نظرًا لقيمته الحرارية العالية.

الغاز شبه المائي هو تآزر بين عمليات إنتاج الغاز المائي "الأزرق" وغاز المنتج الناتج عن تفاعل طارد للحرارة - الغاز المنتج ( غاز فقير ).

في عملية الغاز شبه المائي، يُضخ مزيج من الهواء والبخار باستمرار عبر طبقة الوقود. تُستهلك الحرارة المتولدة من التفاعل الطارد للحرارة (غاز المنتج) فورًا في التفاعل الماص للحرارة (غاز الماء)، مما يسمح باستمرار العملية بأكملها عند درجة حرارة ثابتة دون الحاجة إلى دورات متناوبة من الضخ والإنتاج. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

• غاز الماء شبه المخفف هو غاز ماء مخفف : إنه أرخص وأسهل في الإنتاج بشكل مستمر ولكنه أضعف بكثير كوقود.
• غاز دوبل هو غاز مائي مُخصّب : ^{[ 15 ]} يُعدّ تصنيعه أكثر تعقيدًا (إذ يتطلب مولد ستراش أو تولي)، ولكنه يُنتج غازًا عالي الجودة مناسبًا لتوزيع الغاز البلدي، بينما كان غاز شبه الماء يُستخدم بشكل أساسي في الأفران الصناعية. في حين أن شركة ستراش قد أتقنت هذه العملية للصناعة الألمانية (وتحديدًا لمعالجة الفحم الحجري والفحم البني)، فقد طُبّقت عملية مماثلة تُعرف باسم عملية تولي في إنجلترا قبل ذلك بسنوات عديدة. ^{[ 16 ]}

بينما يعتبر Doppelgas (الغاز المزدوج) مزيجًا من مرحلتين، فإن Trigas (الغاز الثلاثي) عبارة عن تكامل من ثلاث مراحل مصمم للتعامل مع أنواع الوقود "الصعبة" مثل الفحم البني (الليغنيت) بكفاءة أكبر.

1. الاختلاف الهيكلي

• دوبلغاز: يستخدم جهاز تقطير مدمج (وعاء داخلي) في الجزء العلوي من المولد لفصل تقطير الفحم عن تغويز فحم الكوك.
• تريجاس: يلغي الحاجة إلى المفاعل الداخلي. وبدلاً من ذلك، يستخدم فرنًا واحدًا عالي العمود ( hohen Schachtofen ) مقسمًا إلى مناطق متميزة.

2. يعكس اسم Trigas حقيقة أن المنتج النهائي عبارة عن مزيج من ثلاث مراحل متميزة لتكوين الغاز تحدث في وقت واحد في العمود العلوي:

• غاز الماء: يتم إنتاجه في المنطقة السفلية عن طريق تمرير البخار عبر فحم الكوك المتوهج/الفحم النباتي.

• غاز التقطير (Schwelgas): يتم إنتاجه في المنطقة الوسطى/العليا حيث ينقل غاز الماء الساخن الصاعد حرارته إلى الفحم الطازج الهابط، مما يؤدي إلى إطلاق الهيدروكربونات المتطايرة.
• غاز المنتج (جزئي): على عكس عملية Strache، التي تفصل بدقة دورات "النفخ" و"الصنع" لإبعاد النيتروجين، غالبًا ما تم تحسين عملية Trigas للسماح بكمية محددة من خليط الهواء/البخار لإنشاء تدفق أكثر استمرارية، مما يؤدي أحيانًا إلى مزيج "ثلاثي" من غاز الماء وغاز التقطير وكمية صغيرة ومحددة من غاز المنتج.

يمكن الحصول على الهيدروجين النقي من غاز الماء باستخدام تفاعل تحويل الماء والغاز ، بعد الإزالة اللاحقة لثاني أكسيد الكربون المتكون عندما يتفاعل أول أكسيد الكربون مع الماء.