Με την αυξανόμενη παγκόσμια επιδίωξη της καθαρής ενέργειας και της βιώσιμης ανάπτυξης, η ενέργεια από υδρογόνο, ως ένας αποτελεσματικός και καθαρός φορέας ενέργειας, εισέρχεται σταδιακά στο όραμα των ανθρώπων. Ως βασικός κρίκος στην αλυσίδα της βιομηχανίας ενέργειας από υδρογόνο, η τεχνολογία καθαρισμού υδρογόνου δεν αφορά μόνο την ασφάλεια και την αξιοπιστία της ενέργειας από υδρογόνο, αλλά επηρεάζει άμεσα και το πεδίο εφαρμογής και τα οικονομικά οφέλη της ενέργειας από υδρογόνο.
1. Απαιτήσεις για το υδρογόνο του προϊόντος
Το υδρογόνο, ως χημική πρώτη ύλη και φορέας ενέργειας, έχει διαφορετικές απαιτήσεις για την καθαρότητα και την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογής. Στην παραγωγή συνθετικής αμμωνίας, μεθανόλης και άλλων χημικών προϊόντων, προκειμένου να αποφευχθεί η δηλητηρίαση από καταλύτη και να διασφαλιστεί η ποιότητα του προϊόντος, τα σουλφίδια και άλλες τοξικές ουσίες στο αέριο τροφοδοσίας πρέπει να αφαιρεθούν εκ των προτέρων για να μειωθεί η περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες ώστε να πληρούνται οι απαιτήσεις. Σε βιομηχανικούς τομείς όπως η μεταλλουργία, η κεραμική, το γυαλί και οι ημιαγωγοί, το αέριο υδρογόνο έρχεται σε άμεση επαφή με τα προϊόντα και οι απαιτήσεις για την καθαρότητα και την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες είναι αυστηρότερες. Για παράδειγμα, στη βιομηχανία ημιαγωγών, το υδρογόνο χρησιμοποιείται για διεργασίες όπως η προετοιμασία κρυστάλλων και υποστρωμάτων, η οξείδωση, η ανόπτηση κ.λπ., οι οποίες έχουν εξαιρετικά υψηλούς περιορισμούς σε ακαθαρσίες όπως οξυγόνο, νερό, βαρείς υδρογονάνθρακες, υδρόθειο κ.λπ. στο υδρογόνο.
2. Η αρχή λειτουργίας της αποξυγόνωσης
Υπό τη δράση ενός καταλύτη, μια μικρή ποσότητα οξυγόνου στο υδρογόνο μπορεί να αντιδράσει με υδρογόνο για να παράγει νερό, επιτυγχάνοντας τον σκοπό της αποξυγόνωσης. Η αντίδραση είναι μια εξώθερμη αντίδραση και η εξίσωση αντίδρασης έχει ως εξής:
2H₂+O₂ (καταλύτης) -2H₂ O+Q
Επειδή η σύνθεση, οι χημικές ιδιότητες και η ποιότητα του ίδιου του καταλύτη δεν αλλάζουν πριν και μετά την αντίδραση, ο καταλύτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί συνεχώς χωρίς αναγέννηση.
Ο αποξειδωτής έχει μια εσωτερική και μια εξωτερική κυλινδρική δομή, με τον καταλύτη φορτωμένο μεταξύ του εξωτερικού και του εσωτερικού κυλίνδρου. Το ηλεκτρικό θερμαντικό στοιχείο με αντιεκρηκτική προστασία είναι εγκατεστημένο μέσα στον εσωτερικό κύλινδρο και δύο αισθητήρες θερμοκρασίας βρίσκονται στο πάνω και στο κάτω μέρος της συσκευασίας του καταλύτη για την ανίχνευση και τον έλεγχο της θερμοκρασίας αντίδρασης. Ο εξωτερικός κύλινδρος είναι τυλιγμένος με μονωτικό στρώμα για την αποφυγή απώλειας θερμότητας και την αποφυγή εγκαυμάτων. Το ακατέργαστο υδρογόνο εισέρχεται στον εσωτερικό κύλινδρο από την άνω είσοδο του αποξειδωτικού, θερμαίνεται από ένα ηλεκτρικό θερμαντικό στοιχείο και ρέει μέσω της κλίνης του καταλύτη από κάτω προς τα πάνω. Το οξυγόνο στο ακατέργαστο υδρογόνο αντιδρά με το υδρογόνο υπό την επίδραση του καταλύτη για την παραγωγή νερού. Η περιεκτικότητα σε οξυγόνο στο υδρογόνο που ρέει από την κάτω έξοδο μπορεί να μειωθεί κάτω από 1 ppm. Το νερό που παράγεται από τον συνδυασμό ρέει έξω από τον αποξειδωτή σε αέρια μορφή με το αέριο υδρογόνο, συμπυκνώνεται στον επόμενο ψύκτη υδρογόνου, φιλτράρεται στον διαχωριστή αέρα-νερού και εκκενώνεται από το σύστημα.
3. Αρχή λειτουργίας της ξηρότητας
Η ξήρανση του αερίου υδρογόνου υιοθετεί τη μέθοδο προσρόφησης, χρησιμοποιώντας μοριακά κόσκινα ως προσροφητικά. Μετά την ξήρανση, το σημείο δρόσου του αερίου υδρογόνου μπορεί να φτάσει κάτω από τους -70 ℃. Το μοριακό κόσκινο είναι ένας τύπος αργιλοπυριτικής ένωσης με κυβικό πλέγμα, το οποίο σχηματίζει πολλές κοιλότητες ίδιου μεγέθους στο εσωτερικό μετά την αφυδάτωση και έχει πολύ μεγάλη επιφάνεια. Τα μοριακά κόσκινα ονομάζονται μοριακά κόσκινα επειδή μπορούν να διαχωρίσουν μόρια με διαφορετικά σχήματα, διαμέτρους, πολικότητες, σημεία βρασμού και επίπεδα κορεσμού.
Το νερό είναι ένα εξαιρετικά πολικό μόριο και τα μοριακά κόσκινα έχουν ισχυρή συγγένεια με το νερό. Η προσρόφηση των μοριακών κόσκινων είναι φυσική προσρόφηση και όταν η προσρόφηση είναι κορεσμένη, χρειάζεται ένα χρονικό διάστημα για να θερμανθεί και να αναγεννηθεί πριν μπορέσει να προσροφηθεί ξανά. Επομένως, τουλάχιστον δύο ξηραντήρες περιλαμβάνονται σε μια συσκευή καθαρισμού, με τον έναν να λειτουργεί ενώ ο άλλος αναγεννά, για να εξασφαλιστεί η συνεχής παραγωγή αερίου υδρογόνου σταθερού στο σημείο δρόσου.
Ο ξηραντήρας έχει μια εσωτερική και μια εξωτερική κυλινδρική δομή, με το προσροφητικό να φορτώνεται μεταξύ του εξωτερικού και του εσωτερικού κυλίνδρου. Το ηλεκτρικό θερμαντικό στοιχείο με προστασία από εκρήξεις είναι εγκατεστημένο μέσα στον εσωτερικό κύλινδρο και δύο αισθητήρες θερμοκρασίας βρίσκονται στο πάνω και στο κάτω μέρος της συσκευασίας του μοριακού κόσκινου για την ανίχνευση και τον έλεγχο της θερμοκρασίας αντίδρασης. Ο εξωτερικός κύλινδρος είναι τυλιγμένος με μονωτικό στρώμα για την αποφυγή απώλειας θερμότητας και την αποφυγή εγκαυμάτων. Η ροή αέρα στην κατάσταση προσρόφησης (συμπεριλαμβανομένων των κύριων και δευτερευόντων λειτουργικών καταστάσεων) και στην κατάσταση αναγέννησης αντιστρέφεται. Στην κατάσταση προσρόφησης, ο άνω σωλήνας είναι η έξοδος αερίου και ο κάτω σωλήνας είναι η είσοδος αερίου. Στην κατάσταση αναγέννησης, ο άνω σωλήνας είναι η είσοδος αερίου και ο κάτω σωλήνας είναι η έξοδος αερίου. Το σύστημα ξήρανσης μπορεί να χωριστεί σε δύο ξηραντήρες πύργου και τρεις ξηραντήρες πύργου ανάλογα με τον αριθμό των ξηραντήρων.
4.Διαδικασία δύο πύργων
Στη συσκευή είναι εγκατεστημένοι δύο ξηραντήρες, οι οποίοι εναλλάσσονται και αναγεννούν εντός ενός κύκλου (48 ωρών) για να επιτύχουν συνεχή λειτουργία ολόκληρης της συσκευής. Μετά την ξήρανση, το σημείο δρόσου του υδρογόνου μπορεί να φτάσει κάτω από τους -60 ℃. Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας (48 ώρες), οι ξηραντήρες Α και Β υφίστανται καταστάσεις λειτουργίας και αναγέννησης, αντίστοιχα.
Σε έναν κύκλο εναλλαγής, ο ξηραντήρας βιώνει δύο καταστάσεις: κατάσταση λειτουργίας και κατάσταση αναγέννησης.
·Κατάσταση αναγέννησης: Ο όγκος του αερίου επεξεργασίας είναι ο πλήρης όγκος αερίου. Η κατάσταση αναγέννησης περιλαμβάνει το στάδιο θέρμανσης και το στάδιο ψύξης με φύσημα.
1) Στάδιο θέρμανσης – ο θερμαντήρας μέσα στο στεγνωτήριο λειτουργεί και σταματά αυτόματα τη θέρμανση όταν η ανώτερη θερμοκρασία φτάσει στην καθορισμένη τιμή ή ο χρόνος θέρμανσης φτάσει στην καθορισμένη τιμή.
2) Στάδιο ψύξης – Αφού το στεγνωτήριο σταματήσει να θερμαίνεται, η ροή αέρα συνεχίζει να ρέει μέσα από το στεγνωτήριο στην αρχική του διαδρομή για να το ψύξει μέχρι το στεγνωτήριο να μεταβεί σε λειτουργία.
·Κατάσταση λειτουργίας: Ο όγκος αέρα επεξεργασίας είναι σε πλήρη χωρητικότητα και ο θερμαντήρας μέσα στο στεγνωτήριο δεν λειτουργεί.
5. Ροή εργασίας τριών πύργων
Επί του παρόντος, η μέθοδος των τριών πύργων χρησιμοποιείται ευρέως. Στη συσκευή είναι εγκατεστημένοι τρεις ξηραντήρες, οι οποίοι περιέχουν αφυγραντικά (μοριακά κόσκινα) με μεγάλη ικανότητα προσρόφησης και καλή αντοχή στη θερμοκρασία. Οι τρεις ξηραντήρες εναλλάσσονται μεταξύ λειτουργίας, αναγέννησης και προσρόφησης για να επιτευχθεί συνεχής λειτουργία ολόκληρης της συσκευής. Μετά την ξήρανση, το σημείο δρόσου του αερίου υδρογόνου μπορεί να φτάσει κάτω από τους -70 ℃.
Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου εναλλαγής, ο ξηραντήρας περνάει από τρεις καταστάσεις: λειτουργία, προσρόφηση και αναγέννηση. Για κάθε κατάσταση, ο πρώτος ξηραντήρας στον οποίο εισέρχεται το ακατέργαστο αέριο υδρογόνο μετά την αποξυγόνωση, την ψύξη και το φιλτράρισμα του νερού βρίσκεται:
1) Κατάσταση λειτουργίας: Ο όγκος του αερίου επεξεργασίας είναι σε πλήρη ισχύ, ο θερμαντήρας μέσα στο στεγνωτήριο δεν λειτουργεί και το μέσο είναι ακατέργαστο αέριο υδρογόνο που δεν έχει αφυδατωθεί.
Το δεύτερο στεγνωτήριο που εισέρχεται βρίσκεται στη διεύθυνση:
2) Κατάσταση αναγέννησης: 20% όγκος αερίου: Η κατάσταση αναγέννησης περιλαμβάνει το στάδιο θέρμανσης και το στάδιο ψύξης με φύσημα.
Στάδιο θέρμανσης – ο θερμαντήρας μέσα στο στεγνωτήριο λειτουργεί και σταματά αυτόματα τη θέρμανση όταν η ανώτερη θερμοκρασία φτάσει στην καθορισμένη τιμή ή ο χρόνος θέρμανσης φτάσει στην καθορισμένη τιμή.
Στάδιο ψύξης – Αφού ο ξηραντήρας σταματήσει να θερμαίνεται, η ροή αέρα συνεχίζει να ρέει μέσα από τον ξηραντήρα στην αρχική διαδρομή για να τον ψύξει μέχρι ο ξηραντήρας να μεταβεί σε λειτουργία. Όταν ο ξηραντήρας βρίσκεται στο στάδιο αναγέννησης, το μέσο είναι αφυδατωμένο ξηρό αέριο υδρογόνο.
Το τρίτο στεγνωτήριο που εισέρχεται βρίσκεται στη διεύθυνση:
3) Κατάσταση προσρόφησης: Ο όγκος του αερίου επεξεργασίας είναι 20%, ο θερμαντήρας στο στεγνωτήριο δεν λειτουργεί και το μέσο είναι αέριο υδρογόνο για αναγέννηση.
Ώρα δημοσίευσης: 19 Δεκεμβρίου 2024
