Con la crescente attenzione globale verso le energie pulite e lo sviluppo sostenibile, l'energia a idrogeno, in quanto vettore energetico efficiente e pulito, sta gradualmente entrando a far parte dell'immaginario collettivo. La tecnologia di purificazione dell'idrogeno, elemento chiave della filiera produttiva, non solo riguarda la sicurezza e l'affidabilità dell'energia a idrogeno, ma influisce direttamente anche sul campo di applicazione e sui benefici economici derivanti dal suo utilizzo.
1. Requisiti per l'idrogeno prodotto
L'idrogeno, in quanto materia prima chimica e vettore energetico, presenta requisiti diversi in termini di purezza e contenuto di impurità a seconda degli 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, i solfuri e altre sostanze tossiche presenti nel gas di alimentazione devono essere rimossi preventivamente 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 di purezza e contenuto di impurità sono ancora più stringenti. 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 impongono limiti estremamente elevati per le impurità come ossigeno, acqua, idrocarburi pesanti, acido solfidrico, ecc.
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 per produrre acqua, raggiungendo così lo scopo della deossigenazione. La reazione è esotermica e la sua equazione 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 in modo continuativo senza rigenerazione.
Il deossidatore ha una struttura a cilindro interno ed esterno, con il catalizzatore posizionato tra i due cilindri. All'interno del cilindro interno è installato un elemento riscaldante elettrico antideflagrante, mentre due sensori di temperatura, posizionati nella parte superiore e inferiore del letto catalitico, rilevano e controllano la temperatura di reazione. Il cilindro esterno è rivestito con uno strato isolante per prevenire la dispersione di calore ed evitare 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 catalitico dal basso verso l'alto. L'ossigeno presente nell'idrogeno grezzo reagisce con l'idrogeno in presenza del catalizzatore per produrre acqua. Il contenuto di ossigeno nell'idrogeno in uscita dall'uscita inferiore può essere ridotto a meno di 1 ppm. L'acqua prodotta dalla reazione fuoriesce dal deossidatore allo stato gassoso insieme all'idrogeno, condensa nel successivo refrigeratore di idrogeno, viene filtrata nel separatore aria-acqua e scaricata dal sistema.
3. Principio di funzionamento dell'asciugatura
L'essiccazione dell'idrogeno gassoso avviene tramite adsorbimento, utilizzando setacci molecolari come adsorbenti. Dopo l'essiccazione, il punto di rugiada dell'idrogeno gassoso può raggiungere valori inferiori a -70 °C. Il setaccio molecolare è un tipo di composto alluminosilicato con reticolo cubico che, dopo la disidratazione, forma al suo interno numerose cavità di uguali dimensioni e presenta un'ampia superficie specifica. I setacci molecolari sono chiamati così perché sono in grado di separare molecole con forme, diametri, polarità, punti di ebollizione e livelli di saturazione differenti.
L'acqua è una molecola altamente polare e i setacci molecolari hanno una forte affinità per l'acqua. L'adsorbimento sui setacci molecolari è di tipo fisico e, una volta raggiunta la saturazione, è necessario un certo tempo per riscaldare e rigenerare il materiale prima che possa essere nuovamente adsorbito. Pertanto, un dispositivo di purificazione include almeno due essiccatori, uno in funzione e l'altro in fase di rigenerazione, per garantire una produzione continua di idrogeno gassoso a punto di rugiada stabile.
L'essiccatore ha una struttura a cilindro interno ed esterno, con l'adsorbente caricato tra i due cilindri. 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 a setaccio molecolare per rilevare e controllare la temperatura di reazione. Il cilindro esterno è avvolto da uno strato isolante per prevenire la dispersione di calore ed evitare ustioni. Il flusso d'aria è invertito durante la fase di adsorbimento (incluse le fasi di funzionamento primaria e secondaria) e durante la fase di rigenerazione. Nella fase di adsorbimento, il tubo all'estremità superiore funge da uscita del gas e quello all'estremità inferiore da ingresso. Nella fase di rigenerazione, il tubo all'estremità superiore funge da ingresso del gas e quello all'estremità inferiore da uscita. Il sistema di essiccazione può essere suddiviso in essiccatori a due torri o essiccatori a tre torri a seconda del numero di essiccatori.
4. Processo a due torri
Nel dispositivo sono installati due essiccatori che si alternano e si rigenerano all'interno di un ciclo (48 ore) per garantire il funzionamento continuo dell'intero impianto. Dopo l'essiccazione, il punto di rugiada dell'idrogeno può raggiungere valori inferiori a -60 °C. Durante un ciclo di lavoro (48 ore), gli essiccatori A e B si alternano rispettivamente in fase di funzionamento e di rigenerazione.
In un ciclo di commutazione, l'essiccatore attraversa due stati: stato di funzionamento e stato di rigenerazione.
·Stato di rigenerazione: il volume del gas di processo è il volume totale del gas. Lo stato di rigenerazione comprende la fase di riscaldamento e la fase di raffreddamento tramite soffiaggio;
1) Fase di riscaldamento: il riscaldatore all'interno dell'asciugatrice si attiva e arresta automaticamente il riscaldamento quando la temperatura massima raggiunge il valore impostato o quando il tempo di riscaldamento raggiunge il valore impostato;
2) Fase di raffreddamento – Dopo che l'asciugatrice ha smesso di riscaldarsi, il flusso d'aria continua a circolare al suo interno seguendo il percorso originale per raffreddarla fino a quando l'asciugatrice non riprende la modalità di funzionamento.
· Stato di funzionamento: Il volume dell'aria di processo è al massimo della capacità e il riscaldatore all'interno dell'essiccatore non è in funzione.
5. Flusso di lavoro a tre torri
Attualmente, il processo a tre torri è ampiamente utilizzato. Nel dispositivo sono installati tre essiccatori, che contengono essiccanti (setacci molecolari) con elevata capacità di adsorbimento e buona resistenza alle alte temperature. 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 raggiungere valori inferiori a -70 °C.
Durante un ciclo di commutazione, l'essiccatore attraversa tre stati: funzionamento, adsorbimento e rigenerazione. Per ciascuno stato, viene indicato il primo essiccatore in cui entra l'idrogeno gassoso grezzo dopo la deossigenazione, il raffreddamento e la filtrazione dell'acqua:
1) Stato di funzionamento: Il volume del gas di processo è al massimo della capacità, il riscaldatore all'interno dell'essiccatore non è in funzione e il fluido di lavoro è idrogeno gassoso grezzo non disidratato;
Il secondo essiccatore in ingresso si trova in:
2) Stato di rigenerazione: 20% del volume di gas: lo stato di rigenerazione comprende la fase di riscaldamento e la fase di raffreddamento a soffiaggio;
Fase di riscaldamento: il riscaldatore all'interno dell'asciugatrice si attiva e interrompe automaticamente il riscaldamento quando la temperatura massima raggiunge il valore impostato o quando il tempo di riscaldamento raggiunge il valore impostato;
Fase di raffreddamento – Dopo che l'essiccatore ha smesso di riscaldarsi, il flusso d'aria continua a scorrere attraverso l'essiccatore seguendo il percorso originale per raffreddarlo fino a quando l'essiccatore non passa alla modalità di funzionamento; Quando l'essiccatore è nella fase di rigenerazione, il mezzo utilizzato è idrogeno gassoso disidratato e secco;
Il terzo essiccatore in ingresso si trova in:
3) Stato di adsorbimento: il volume del gas di processo è del 20%, il riscaldatore nell'essiccatore non è in funzione e il mezzo utilizzato per la rigenerazione è idrogeno gassoso.
Data di pubblicazione: 19 dicembre 2024
