Sistem de purificare a hidrogenului

Hidrogenul este un purtător de energie curată promițător, care poate fi utilizat pentru diverse aplicații, cum ar fi celulele de combustie, generarea de energie și transportul. Cu toate acestea, producția de hidrogen implică adesea impurități care îi pot afecta calitatea și performanța. Prin urmare, purificarea hidrogenului este un pas esențial pentru a asigura eficiența și siguranța utilizării hidrogenului.

Adsorbție prin fluctuație de presiune
Adsorbția prin fluctuație de presiune (PSA) este o metodă utilizată pe scară largă pentru purificarea hidrogenului, care se bazează pe adsorbția selectivă a impurităților pe materiale poroase, cum ar fi cărbunele activat sau zeoliții, sub presiune ridicată. Impuritățile adsorbite sunt apoi eliberate prin reducerea presiunii și spălarea adsorbantului cu un gaz de purjare. PSA poate obține o puritate ridicată și recuperarea hidrogenului, dar necesită, de asemenea, un consum mare de energie, dimensiune mare a echipamentului și regenerarea periodică a adsorbantului.

Separarea membranei
Separarea prin membrană este o altă metodă comună pentru purificarea hidrogenului, care utilizează materiale subțiri și permeabile, cum ar fi polimeri, metale sau ceramică, pentru a separa hidrogenul de alte gaze pe baza dimensiunii, formei sau afinității lor moleculare. Separarea prin membrană poate funcționa la presiune și temperatură scăzută sau ambiantă, ceea ce reduce costurile de energie și de capital. Cu toate acestea, separarea membranei se confruntă și cu provocări, cum ar fi murdărirea membranei, degradarea și selectivitatea.

Distilarea criogenică
Distilarea criogenică este o metodă de purificare a hidrogenului care exploatează diferitele puncte de fierbere ale hidrogenului și ale altor gaze. Prin răcirea amestecului de gaze la temperaturi extrem de scăzute, hidrogenul poate fi separat sub formă de vapori, în timp ce impuritățile sunt condensate ca lichide. Distilarea criogenică poate obține o puritate foarte mare și recuperarea hidrogenului, în special pentru îndepărtarea gazelor inerte precum azotul și heliul. Cu toate acestea, distilarea criogenică implică și un consum mare de energie, echipamente complexe și riscuri de siguranță.

Difuziunea paladiului
Difuzia paladiului este o metodă de purificare a hidrogenului care utilizează proprietatea unică a paladiului metal, care poate absorbi și difuza atomii de hidrogen prin structura sa rețelei. Prin aplicarea unui gradient de presiune sau temperatură pe o membrană subțire de paladiu, hidrogenul poate fi transportat selectiv de la o parte la alta, lăsând în urmă impuritățile. Difuzia paladiului poate obține o puritate ultra-înaltă și recuperarea hidrogenului, dar suferă și de costul ridicat al materialului, disponibilitatea limitată și susceptibilitatea la otrăvire și fragilizare.

Metode biologice
Metodele biologice sunt metode emergente pentru purificarea hidrogenului care folosesc microorganisme, cum ar fi bacteriile, algele sau ciupercile, pentru a converti sau elimina impuritățile din hidrogenul gazos. De exemplu, unele bacterii pot folosi monoxidul de carbon, o impuritate comună în producția de hidrogen, ca substrat pentru creștere și pot produce dioxid de carbon și apă ca produse secundare. Metodele biologice pot oferi un consum redus de energie, beneficii pentru mediu și produse potențiale cu valoare adăugată. Cu toate acestea, metodele biologice se confruntă, de asemenea, cu provocări precum eficiența scăzută, scalabilitatea și stabilitatea.

Pentru prima dată, cercetătorii au recuperat 98,8% din hidrogenul din fluxul de ieșire al unui reactor de schimbare a gazului răcit cu apă convențional, ceea ce este cea mai mare valoare înregistrată vreodată.

În metodele tradiționale de separare a hidrogenului, se utilizează un reactor de schimbare a gazului cu apă, ceea ce necesită o etapă suplimentară. În reactorul de schimbare a gazului cu apă, monoxidul de carbon este mai întâi convertit în dioxid de carbon, iar apoi hidrogenul și dioxidul de carbon sunt separate printr-un proces de absorbție. Un compresor este utilizat pentru presurizarea hidrogenului purificat pentru utilizare sau depozitare imediată.

Utilizarea membranelor de electroliți polimeri selectivi pentru protoni la temperatură înaltă, sau PEM, este necesară pentru a separa rapid și economic hidrogenul de alte molecule de gaz, cum ar fi dioxidul de carbon și monoxidul de carbon. De asemenea, poate funcționa la temperaturi mai ridicate decât alte pompe electrochimice de tip PEM de temperatură înaltă, sporind capacitatea sa de a separa hidrogenul de alte gaze.

Proces de purificare a hidrogenului
Pentru a realiza separarea, echipa a folosit un electrod „sandwich”, în care electrozii cu sarcini opuse servesc drept „pâine”, iar o membrană servește drept „carne de delicatese”. Materialele de liant ionomer pentru electrozi sunt concepute pentru a ține electrozii împreună, similar modului în care glutenul ține pâinea împreună.

Felia de pâine, sau electrodul încărcat pozitiv, din pompă eliberează protoni și electroni din hidrogen. În timp ce protonii călătoresc prin membrană, electronii călătoresc prin pompă printr-un fir care atinge un electrod încărcat pozitiv. După ce au trecut prin membrană și au ajuns la electrodul încărcat negativ, protonii și electronii se combină pentru a forma din nou hidrogen.
Deoarece PEM permite trecerea numai protonilor, monoxidul de carbon, dioxidul de carbon, metanul și azotul gazos nu pot trece. Echipa a creat un liant adeziv de ionomer de acid fosfonic pentru a menține particulele de electrozi din pompa de hidrogen împreună, astfel încât să poată funcționa corect.

Cercetătorii își vor folosi abordarea și instrumentele pentru a investiga purificarea hidrogenului în conductele de gaz natural. Deși această metodă de transport și stocare a hidrogenului nu a fost încă pusă în practică, ea este foarte promițătoare. Hidrogenul ar putea fi folosit pentru a susține sistemele de energie solară și eoliană, precum și o varietate de alte aplicații ecologice, prin utilizarea unei celule de combustie sau a unui generator cu turbină.

Gazul industrial conține un număr mare de gaze reziduale cu hidrogen diferit. Separarea și purificarea hidrogenului este, de asemenea, unul dintre cele mai timpurii domenii industrializate ale tehnologiei PSA.

Principiul separării PSA a amestecului de gaz este că capacitatea de adsorbție a adsorbantului pentru diferite componente ale gazului se modifică odată cu schimbarea presiunii. Componentele impurităților din gazul de intrare sunt îndepărtate prin adsorbție la presiune înaltă, iar aceste impurități sunt desorbite prin reducerea presiunii și creșterea temperaturii. Scopul eliminării impurităților și extracției componentelor pure este atins prin schimbări de presiune și temperatură.

Producția de hidrogen PSA utilizează adsorbantul cu sită moleculară JZ-512H pentru a separa hidrogenul bogat pentru a produce hidrogen, care este finalizat prin schimbarea presiunii patului de adsorbție. Deoarece hidrogenul este foarte greu de adsorbit, alte gaze (care pot fi numite impurități) sunt ușor sau ușor de adsorbit, astfel încât gazul bogat în hidrogen va fi produs atunci când este aproape de presiunea de intrare a gazului tratat. Impuritățile sunt eliberate în timpul desorbției (regenerării), iar presiunea scade treptat până la presiunea de desorbție.
Turnul de adsorbție realizează alternativ procesul de adsorbție, presiune. egalizare și desorbție pentru a obține o producție continuă de hidrogen. Hidrogenul bogat intră în sistem sub o anumită presiune. Hidrogenul bogat trece prin turnul de adsorbție umplut cu adsorbant special de jos în sus. Co/CH4/N2 este reținut pe suprafața adsorbantului ca componentă puternică de adsorbție, iar H2 pătrunde în pat ca componentă de adsorbție. Produsul de hidrogen colectat din partea de sus a turnului de adsorbție este scos în afara graniței. Atunci când adsorbantul din pat este saturat cu CO / CH4 / N2, hidrogenul bogat este schimbat la alte turnuri de adsorbție. În procesul de desorbție prin adsorbție, o anumită presiune a hidrogenului produsului rămâne încă în turnul adsorbit.

Această parte de hidrogen pur este folosită pentru a egaliza și a spăla celelalte turnuri de egalizare a presiunii tocmai desorbite. Acest lucru nu numai că folosește hidrogenul rămas în turnul de adsorbție, dar și încetinește viteza de creștere a presiunii în turnul de adsorbție, încetinește gradul de oboseală în turnul de adsorbție și realizează eficient scopul separării hidrogenului.

Hidrogenul gazos este produs dintr-o varietate de procese diferite și este de obicei produs într-o formă impură. Procesele tipice includ sinteza chimică prin reformarea cu abur de metan, eliberarea gazelor din fabrici de stiren sau etilenă în care se produce hidrogen gazos ca produs secundar și aplicații petrochimice, cum ar fi hidrocracarea sau desulfurarea. Pentru a utiliza hidrogenul, este necesar un proces de purificare pentru a crea hidrogen gazos purificat. Adsorbția prin variație de presiune a hidrogenului (H2PSA) este un proces care valorifică volatilitatea hidrogenului și lipsa generală de polaritate și afinitate pentru zeoliți pentru a purifica fluxurile de gaz contaminate.

Generarea de hidrogen implică de obicei producerea de contaminanți sau produse secundare care trebuie îndepărtate. Acesta include compuși precum monoxidul de carbon, dioxidul de carbon, azotul, apa și hidrocarburile nereacționate. Hydrogen PSA profită de adsorbția preferențială a acestor componente, eliminându-le din fluxul de hidrogen pentru a produce hidrogen purificat.

În mod tradițional, Hydrogen PSA profită de paturi multiple de sită și este compus din patru faze: o fază de adsorbție, o fază de depresurizare, o fază de regenerare și o fază de represurizare. În acest proces, curentul impur de hidrogen este trecut în patul de sită, unde impuritățile sunt adsorbite selectiv pe sita moleculară sub presiune. După finalizarea etapei de adsorbție, regenerarea se realizează prin depresurizarea patului, ceea ce scade afinitatea impurităților permițând eliminarea acestora.

Purificarea ulterioară a patului se realizează prin purjarea cu hidrogen pur pentru a îndepărta orice contaminanți rămași. Patul este din nou presurizat pentru a repeta procesul de adsorbție. Paturile funcționează sincronizat pentru a permite generarea continuă de hidrogen.

Produsele sunt vândute în toate regiunile Chinei și exportate în țări din întreaga lume. Au fost vândute în peste 20 de țări și regiuni, inclusiv Statele Unite ale Americii, Germania, Maroc, Kenya, Arabia Saudită, Vietnam, Algeria, India, Tanzania și Taiwan. A furnizat cu succes întreprinderi binecunoscute, cum ar fi China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group și alte întreprinderi binecunoscute. Există multe stații de hidrogen hidrogen verde, cum ar fi Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc. oferă proiecte ecologice și de producere a hidrogenului.