Con la crescente ricerca globale di energia pulita e sviluppo sostenibile, l'idrogeno, in quanto vettore energetico efficiente e pulito, sta gradualmente entrando nella visione delle persone. In quanto anello chiave della filiera dell'idrogeno, la tecnologia di purificazione dell'idrogeno non solo riguarda la sicurezza e l'affidabilità dell'energia a idrogeno, ma influisce anche direttamente sul suo ambito di applicazione e sui suoi benefici economici.
1. Requisiti per l'idrogeno prodotto
L'idrogeno, come materia prima chimica e vettore energetico, presenta requisiti diversi in termini di purezza e contenuto di impurità in diversi scenari applicativi. Nella produzione di ammoniaca sintetica, metanolo e altri prodotti chimici, al fine di prevenire l'avvelenamento del catalizzatore e garantire la qualità del prodotto, è necessario rimuovere preventivamente solfuri e altre sostanze tossiche dal gas di alimentazione per ridurre il contenuto di impurità e soddisfare i requisiti. In settori industriali come la metallurgia, la ceramica, il vetro e i semiconduttori, l'idrogeno gassoso entra in contatto diretto con i prodotti e i requisiti in termini di purezza e contenuto di impurità sono più rigorosi. Ad esempio, nell'industria dei semiconduttori, l'idrogeno viene utilizzato in processi come la preparazione di cristalli e substrati, l'ossidazione, la ricottura, ecc., che presentano limitazioni estremamente elevate per quanto riguarda la presenza di impurità come ossigeno, acqua, idrocarburi pesanti, idrogeno solforato, ecc. nell'idrogeno.
2. Il principio di funzionamento della deossigenazione
Sotto l'azione di un catalizzatore, una piccola quantità di ossigeno presente nell'idrogeno può reagire con l'idrogeno stesso per produrre acqua, ottenendo così la deossigenazione. La reazione è esotermica e l'equazione di reazione è la seguente:
2H₂+O₂ (catalizzatore) -2H₂O+Q
Poiché la composizione, le proprietà chimiche e la qualità del catalizzatore stesso non cambiano prima e dopo la reazione, il catalizzatore può essere utilizzato ininterrottamente senza necessità di rigenerazione.
Il deossidatore ha una struttura a cilindro interno ed esterno, con il catalizzatore caricato tra i cilindri esterno e interno. Il componente di riscaldamento elettrico antideflagrante è installato all'interno del cilindro interno e due sensori di temperatura sono posizionati nella parte superiore e inferiore del riempimento del catalizzatore per rilevare e controllare la temperatura di reazione. Il cilindro esterno è avvolto da uno strato isolante per prevenire la dispersione di calore e prevenire ustioni. L'idrogeno grezzo entra nel cilindro interno dall'ingresso superiore del deossidatore, viene riscaldato da un elemento riscaldante elettrico e fluisce attraverso il letto catalizzatore dal basso verso l'alto. L'ossigeno presente nell'idrogeno grezzo reagisce con l'idrogeno sotto l'azione del catalizzatore per produrre acqua. Il contenuto di ossigeno nell'idrogeno che fuoriesce dall'uscita inferiore può essere ridotto a meno di 1 ppm. L'acqua generata dalla combinazione esce dal deossidatore in forma gassosa con l'idrogeno gassoso, condensa nel successivo refrigeratore dell'idrogeno, filtra nel separatore aria-acqua e viene scaricata dal sistema.
3. Principio di funzionamento della secchezza
L'essiccazione dell'idrogeno gassoso avviene tramite un metodo di adsorbimento, utilizzando setacci molecolari come adsorbenti. Dopo l'essiccazione, il punto di rugiada dell'idrogeno gassoso può scendere fino a -70 °C. Il setaccio molecolare è un tipo di composto di alluminosilicato con un reticolo cubico, che forma numerose cavità delle stesse dimensioni al suo interno dopo la disidratazione e presenta un'area superficiale molto ampia. I setacci molecolari sono chiamati setacci molecolari perché possono separare molecole con diverse forme, diametri, polarità, punti di ebollizione e livelli di saturazione.
L'acqua è una molecola altamente polare e i setacci molecolari hanno una forte affinità per l'acqua. L'adsorbimento dei setacci molecolari è un adsorbimento fisico e, quando l'adsorbimento è saturo, richiede un certo periodo di tempo per riscaldarsi e rigenerarsi prima di poter essere nuovamente adsorbito. Pertanto, in un dispositivo di purificazione sono inclusi almeno due essiccatori, uno in funzione mentre l'altro si rigenera, per garantire una produzione continua di idrogeno gassoso stabile al punto di rugiada.
L'essiccatore ha una struttura a cilindro interno ed esterno, con l'adsorbente caricato tra i cilindri esterno e interno. Il componente di riscaldamento elettrico antideflagrante è installato all'interno del cilindro interno e due sensori di temperatura sono posizionati nella parte superiore e inferiore del setaccio molecolare per rilevare e controllare la temperatura di reazione. Il cilindro esterno è avvolto da uno strato isolante per prevenire la perdita di calore e prevenire ustioni. Il flusso d'aria nello stato di adsorbimento (compresi gli stati di funzionamento primario e secondario) e nello stato di rigenerazione è invertito. Nello stato di adsorbimento, il tubo dell'estremità superiore è l'uscita del gas e quello inferiore è l'ingresso del gas. Nello stato di rigenerazione, il tubo dell'estremità superiore è l'ingresso del gas e quello inferiore è l'uscita del gas. Il sistema di essiccazione può essere suddiviso in due essiccatori a torre e tre essiccatori a torre in base al numero di essiccatori.
4. Processo a due torri
Nel dispositivo sono installati due essiccatori, che si alternano e si rigenerano in un unico ciclo (48 ore) per garantire il funzionamento continuo dell'intero dispositivo. Dopo l'essiccazione, il punto di rugiada dell'idrogeno può scendere sotto i -60 °C. Durante un ciclo di lavoro (48 ore), gli essiccatori A e B operano rispettivamente in stato di lavoro e di rigenerazione.
In un ciclo di commutazione, l'asciugatrice attraversa due stati: stato di lavoro e stato di rigenerazione.
· Stato di rigenerazione: il volume del gas di processo è il volume massimo. Lo stato di rigenerazione include la fase di riscaldamento e la fase di raffreddamento tramite soffiaggio;
1) Fase di riscaldamento: il riscaldatore all'interno dell'asciugatrice funziona e interrompe automaticamente il riscaldamento quando la temperatura massima raggiunge il valore impostato o il tempo di riscaldamento raggiunge il valore impostato;
2) Fase di raffreddamento: dopo che l'asciugatrice smette di riscaldarsi, il flusso d'aria continua a scorrere attraverso l'asciugatrice seguendo il percorso originale per raffreddarla finché l'asciugatrice non passa alla modalità di lavoro.
·Stato di funzionamento: il volume dell'aria di elaborazione è alla massima capacità e il riscaldatore all'interno dell'essiccatore non funziona.
5. Flusso di lavoro a tre torri
Attualmente, il processo a tre torri è ampiamente utilizzato. Il dispositivo è dotato di tre essiccatori, contenenti essiccanti (setacci molecolari) con elevata capacità di adsorbimento e buona resistenza alla temperatura. I tre essiccatori si alternano tra funzionamento, rigenerazione e adsorbimento per garantire il funzionamento continuo dell'intero dispositivo. Dopo l'essiccazione, il punto di rugiada dell'idrogeno gassoso può scendere sotto i -70 °C.
Durante un ciclo di commutazione, l'essiccatore attraversa tre stati: funzionamento, adsorbimento e rigenerazione. Per ogni stato, il primo essiccatore in cui entra l'idrogeno gassoso grezzo dopo la deossigenazione, il raffreddamento e la filtrazione dell'acqua si trova:
1) Stato di funzionamento: il volume del gas di lavorazione è a piena capacità, il riscaldatore all'interno dell'essiccatore non funziona e il mezzo è idrogeno gassoso grezzo che non è stato disidratato;
Il secondo ingresso dell'asciugatrice si trova a:
2) Stato di rigenerazione: 20% del volume del gas: lo stato di rigenerazione include la fase di riscaldamento e la fase di raffreddamento tramite soffiaggio;
Fase di riscaldamento: il riscaldatore all'interno dell'asciugatrice funziona e interrompe automaticamente il riscaldamento quando la temperatura massima raggiunge il valore impostato o il tempo di riscaldamento raggiunge il valore impostato;
Fase di raffreddamento – Dopo che l'essiccatore smette di riscaldarsi, il flusso d'aria continua a scorrere attraverso l'essiccatore nel percorso originale per raffreddarlo finché l'essiccatore non passa alla modalità di lavoro; quando l'essiccatore è nella fase di rigenerazione, il mezzo è idrogeno gassoso secco disidratato;
Il terzo essiccatore in entrata si trova a:
3) Stato di adsorbimento: il volume del gas di lavorazione è del 20%, il riscaldatore nell'essiccatore non funziona e il mezzo è idrogeno gassoso per la rigenerazione.
Data di pubblicazione: 19-12-2024
