جهاز تنقية الماء بالهيدروجين كهربائيا

ومع السعي العالمي المتزايد للطاقة النظيفة والتنمية المستدامة، فإن الطاقة الهيدروجينية، باعتبارها ناقلة فعالة ونظيفة للطاقة، تدخل تدريجياً في رؤية الناس. باعتبارها حلقة وصل رئيسية في سلسلة صناعة الطاقة الهيدروجينية، فإن تكنولوجيا تنقية الهيدروجين لا تتعلق فقط بسلامة وموثوقية طاقة الهيدروجين، ولكنها تؤثر أيضًا بشكل مباشر على نطاق التطبيق والفوائد الاقتصادية لطاقة الهيدروجين.

1. متطلبات المنتج الهيدروجين

الهيدروجين، باعتباره مادة خام كيميائية وحامل للطاقة، له متطلبات مختلفة للنقاء ومحتوى الشوائب في سيناريوهات التطبيق المختلفة. في إنتاج الأمونيا الاصطناعية والميثانول والمنتجات الكيميائية الأخرى، من أجل منع التسمم بالمحفز وضمان جودة المنتج، يجب إزالة الكبريتيدات والمواد السامة الأخرى الموجودة في غاز التغذية مسبقًا لتقليل محتوى الشوائب لتلبية المتطلبات. في المجالات الصناعية مثل المعادن والسيراميك والزجاج وأشباه الموصلات، يتلامس غاز الهيدروجين بشكل مباشر مع المنتجات، وتكون متطلبات النقاء ومحتوى الشوائب أكثر صرامة. على سبيل المثال، في صناعة أشباه الموصلات، يتم استخدام الهيدروجين في عمليات مثل تحضير البلورات والركيزة، والأكسدة، والتليين، وما إلى ذلك، والتي لها قيود عالية للغاية على الشوائب مثل الأكسجين والماء والهيدروكربونات الثقيلة وكبريتيد الهيدروجين وما إلى ذلك في الهيدروجين

2. مبدأ عمل إزالة الأكسجين

تحت تأثير المحفز، يمكن أن تتفاعل كمية صغيرة من الأكسجين الموجود في الهيدروجين مع الهيدروجين لإنتاج الماء، مما يحقق الغرض من إزالة الأكسجين. التفاعل هو تفاعل طارد للحرارة، ومعادلة التفاعل هي كما يلي:

2H ₂+O ₂ (محفز) -2H ₂ O+Q

نظرًا لأن التركيبة والخواص الكيميائية وجودة المحفز نفسه لا تتغير قبل التفاعل وبعده، فيمكن استخدام المحفز بشكل مستمر دون تجديد.

يحتوي مزيل الأكسدة على هيكل أسطواني داخلي وخارجي، مع تحميل المحفز بين الأسطوانات الخارجية والداخلية. تم تركيب مكون التسخين الكهربائي المقاوم للانفجار داخل الأسطوانة الداخلية، ويوجد مستشعران لدرجة الحرارة في الجزء العلوي والسفلي من عبوة المحفز للكشف عن درجة حرارة التفاعل والتحكم فيها. يتم تغليف الاسطوانة الخارجية بطبقة عازلة لمنع فقدان الحرارة وتجنب الحروق. يدخل الهيدروجين الخام إلى الأسطوانة الداخلية من المدخل العلوي لجهاز إزالة الأكسدة، ويتم تسخينه بواسطة عنصر تسخين كهربائي، ويتدفق عبر طبقة المحفز من الأسفل إلى الأعلى. يتفاعل الأكسجين الموجود في الهيدروجين الخام مع الهيدروجين تحت تأثير المحفز لإنتاج الماء. يمكن تقليل محتوى الأكسجين الموجود في الهيدروجين المتدفق من المخرج السفلي إلى أقل من 1 جزء في المليون. يتدفق الماء الناتج عن المزيج من مزيل الأكسدة في صورة غازية مع غاز الهيدروجين، ويتكثف في مبرد الهيدروجين اللاحق، ويتم ترشيحه في فاصل الهواء والماء، ويتم تفريغه من النظام.

3. مبدأ العمل للجفاف

تجفيف غاز الهيدروجين يعتمد طريقة الامتزاز، باستخدام المناخل الجزيئية كمواد ماصة. بعد التجفيف، يمكن أن تصل نقطة الندى لغاز الهيدروجين إلى أقل من -70 درجة مئوية. المنخل الجزيئي هو نوع من مركبات سيليكات الألومنيوم ذات شبكة مكعبة، والتي تشكل العديد من التجاويف بنفس الحجم بالداخل بعد الجفاف ولها مساحة سطحية كبيرة جدًا. تسمى المناخل الجزيئية بالمناخل الجزيئية لأنها تستطيع فصل الجزيئات ذات الأشكال والأقطار والأقطاب ونقاط الغليان ومستويات التشبع المختلفة.

الماء هو جزيء قطبي للغاية، والمناخل الجزيئية لها صلة قوية بالماء. إن امتزاز المناخل الجزيئية هو امتزاز فيزيائي، وعندما يكون الامتزاز مشبعًا، فإنه يستغرق فترة من الوقت ليسخن ويتجدد قبل أن يتم امتزازه مرة أخرى. ولذلك، يتم تضمين مجففين على الأقل في جهاز التنقية، حيث يعمل أحدهما بينما يتجدد الآخر، لضمان الإنتاج المستمر لغاز الهيدروجين المستقر عند نقطة الندى.

يحتوي المجفف على هيكل أسطواني داخلي وخارجي، مع تحميل المادة الممتصة بين الأسطوانات الخارجية والداخلية. تم تركيب مكون التسخين الكهربائي المضاد للانفجار داخل الأسطوانة الداخلية، ويوجد مستشعران لدرجة الحرارة في الجزء العلوي والسفلي من عبوة الغربال الجزيئي للكشف عن درجة حرارة التفاعل والتحكم فيها. يتم تغليف الاسطوانة الخارجية بطبقة عازلة لمنع فقدان الحرارة وتجنب الحروق. يتم عكس تدفق الهواء في حالة الامتزاز (بما في ذلك حالات العمل الأولية والثانوية) وحالة التجديد. في حالة الامتزاز، الأنبوب العلوي هو مخرج الغاز والأنبوب السفلي هو مدخل الغاز. في حالة التجديد، يكون الأنبوب العلوي هو مدخل الغاز والأنبوب السفلي هو مخرج الغاز. يمكن تقسيم نظام التجفيف إلى مجففين برجيين وثلاثة مجففات برجية حسب عدد المجففات.

4. عملية برجين

تم تركيب مجففين في الجهاز، يتناوبان ويتجددان خلال دورة واحدة (48 ساعة) لتحقيق التشغيل المستمر للجهاز بأكمله. بعد التجفيف، يمكن أن تصل نقطة الندى للهيدروجين إلى أقل من -60 درجة مئوية. خلال دورة العمل (48 ساعة)، تخضع المجففات A وB لحالات العمل والتجديد، على التوالي.

في دورة تبديل واحدة، يواجه المجفف حالتين: حالة العمل وحالة التجديد.

·حالة التجديد: حجم غاز المعالجة هو حجم الغاز الكامل. تتضمن حالة التجديد مرحلة التسخين ومرحلة التبريد بالنفخ؛

1) مرحلة التسخين - يعمل السخان الموجود داخل المجفف، ويتوقف تلقائيًا عن التسخين عندما تصل درجة الحرارة العليا إلى القيمة المحددة أو يصل وقت التسخين إلى القيمة المحددة؛

2) مرحلة التبريد – بعد توقف المجفف عن التسخين، يستمر تدفق الهواء في التدفق عبر المجفف في المسار الأصلي لتبريده حتى يتحول المجفف إلى وضع العمل.

·حالة العمل: حجم الهواء المعالج بكامل طاقته، والسخان الموجود داخل المجفف لا يعمل.

5. سير عمل البرج الثلاثة

حاليًا، يتم استخدام عملية الأبراج الثلاثة على نطاق واسع. تم تركيب ثلاث مجففات في الجهاز، والتي تحتوي على مجففات (مناخل جزيئية) ذات قدرة امتصاص كبيرة ومقاومة جيدة لدرجة الحرارة. تتناوب ثلاثة مجففات بين التشغيل والتجديد والامتصاص لتحقيق التشغيل المستمر للجهاز بأكمله. بعد التجفيف، يمكن أن تصل نقطة الندى لغاز الهيدروجين إلى أقل من -70 درجة مئوية.

أثناء دورة التبديل، يمر المجفف بثلاث حالات: العمل، والامتزاز، والتجديد. لكل ولاية يقع المجفف الأول الذي يدخل فيه غاز الهيدروجين الخام بعد إزالة الأكسجين والتبريد وترشيح المياه:

1) حالة العمل: حجم غاز المعالجة بكامل طاقته، والسخان الموجود داخل المجفف لا يعمل، والوسيط هو غاز الهيدروجين الخام الذي لم يتم تجفيفه؛

يقع المدخل الثاني للمجفف في:

2) حالة التجديد: 20% من حجم الغاز: حالة التجديد تشمل مرحلة التسخين ومرحلة التبريد بالنفخ؛

مرحلة التسخين – يعمل السخان الموجود داخل المجفف، ويتوقف تلقائيًا عن التسخين عندما تصل درجة الحرارة العليا إلى القيمة المحددة أو يصل وقت التسخين إلى القيمة المحددة؛

مرحلة التبريد – بعد توقف المجفف عن التسخين، يستمر تدفق الهواء في التدفق عبر المجفف في المسار الأصلي لتبريده حتى يتحول المجفف إلى وضع العمل؛ عندما يكون المجفف في مرحلة التجديد، يتم تجفيف الوسط بغاز الهيدروجين الجاف؛

يقع المدخل الثالث للمجفف في:

3) حالة الامتزاز: حجم غاز المعالجة هو 20%، والسخان الموجود في المجفف لا يعمل، والوسيط هو غاز الهيدروجين للتجديد.