Ante la creciente búsqueda global de energías limpias y desarrollo sostenible, la energía del hidrógeno, como portador de energía eficiente y limpia, se está incorporando gradualmente a la visión de la sociedad. Como eslabón clave en la cadena de valor de la industria del hidrógeno, la tecnología de purificación de hidrógeno no solo concierne a la seguridad y confiabilidad de esta energía, sino que también afecta directamente su ámbito de aplicación y sus beneficios económicos.
1. Requisitos para el hidrógeno del producto
El hidrógeno, como materia prima química y portador de energía, tiene diferentes requisitos de pureza y contenido de impurezas en distintos escenarios de aplicación. En la producción de amoníaco sintético, metanol y otros productos químicos, para prevenir el envenenamiento del catalizador y garantizar la calidad del producto, los sulfuros y otras sustancias tóxicas del gas de alimentación deben eliminarse previamente para reducir el contenido de impurezas y cumplir con los requisitos. En campos industriales como la metalurgia, la cerámica, el vidrio y los semiconductores, el hidrógeno gaseoso entra en contacto directo con los productos, y los requisitos de pureza y contenido de impurezas son más estrictos. Por ejemplo, en la industria de los semiconductores, el hidrógeno se utiliza en procesos como la preparación de cristales y sustratos, la oxidación, el recocido, etc., que tienen limitaciones extremadamente altas en cuanto a impurezas como oxígeno, agua, hidrocarburos pesados, sulfuro de hidrógeno, etc.
2. Principio de funcionamiento de la desoxigenación
Bajo la acción de un catalizador, una pequeña cantidad de oxígeno presente en el hidrógeno puede reaccionar con este para producir agua, logrando así la desoxigenación. Esta reacción es exotérmica y su ecuación es la siguiente:
2H ₂+O ₂ (catalizador) -2H ₂ O+Q
Debido a que la composición, las propiedades químicas y la calidad del catalizador en sí no cambian antes ni después de la reacción, el catalizador puede utilizarse de forma continua sin necesidad de regeneración.
El desoxidador tiene una estructura de cilindro interno y externo, con el catalizador cargado entre ambos. El componente de calentamiento eléctrico a prueba de explosiones está instalado dentro del cilindro interno, y dos sensores de temperatura se ubican en la parte superior e inferior del lecho catalítico para detectar y controlar la temperatura de reacción. El cilindro externo está recubierto con una capa aislante para evitar la pérdida de calor y prevenir quemaduras. El hidrógeno crudo ingresa al cilindro interno por la entrada superior del desoxidador, se calienta mediante un elemento calefactor eléctrico y fluye a través del lecho catalítico de abajo hacia arriba. El oxígeno del hidrógeno crudo reacciona con el hidrógeno bajo la acción del catalizador para producir agua. El contenido de oxígeno en el hidrógeno que sale por la salida inferior se puede reducir a menos de 1 ppm. El agua generada por esta reacción sale del desoxidador en estado gaseoso junto con el hidrógeno, se condensa en el enfriador de hidrógeno posterior, se filtra en el separador aire-agua y se descarga del sistema.
3. Principio de funcionamiento de la sequedad
El secado del hidrógeno gaseoso se realiza mediante adsorción, utilizando tamices moleculares como adsorbentes. Tras el secado, el punto de rocío del hidrógeno gaseoso puede alcanzar valores inferiores a -70 °C. El tamiz molecular es un compuesto de aluminosilicato con una estructura cúbica que, tras la deshidratación, forma numerosas cavidades del mismo tamaño en su interior y posee una superficie muy grande. Se denominan tamices moleculares porque pueden separar moléculas con diferentes formas, diámetros, polaridades, puntos de ebullición y niveles de saturación.
El agua es una molécula altamente polar, y los tamices moleculares tienen una fuerte afinidad por ella. La adsorción en los tamices moleculares es física, y cuando se satura, requiere un tiempo de calentamiento y regeneración antes de poder adsorberse nuevamente. Por lo tanto, un dispositivo de purificación incluye al menos dos secadores, uno en funcionamiento mientras el otro se regenera, para garantizar la producción continua de hidrógeno gaseoso con punto de rocío estable.
El secador tiene una estructura de cilindro interno y externo, con el adsorbente cargado entre ambos. El componente de calentamiento eléctrico a prueba de explosiones está instalado dentro del cilindro interno, y dos sensores de temperatura se ubican en la parte superior e inferior del relleno de tamiz molecular para detectar y controlar la temperatura de reacción. El cilindro externo está recubierto con una capa aislante para evitar la pérdida de calor y prevenir quemaduras. El flujo de aire se invierte durante la adsorción (incluyendo los estados de trabajo primario y secundario) y la regeneración. En la adsorción, el tubo superior es la salida de gas y el inferior, la entrada. En la regeneración, el tubo superior es la entrada de gas y el inferior, la salida. El sistema de secado puede dividirse en secadores de dos o tres torres, según el número de secadores.
4. Proceso de dos torres
El dispositivo cuenta con dos secadores que se alternan y regeneran en un ciclo de 48 horas para garantizar el funcionamiento continuo del sistema. Tras el secado, el punto de rocío del hidrógeno puede descender por debajo de -60 °C. Durante un ciclo de trabajo de 48 horas, los secadores A y B se encuentran en estado de funcionamiento y regeneración, respectivamente.
En un ciclo de conmutación, la secadora experimenta dos estados: estado de funcionamiento y estado de regeneración.
·Estado de regeneración: El volumen de gas de procesamiento es el volumen de gas completo. El estado de regeneración incluye la etapa de calentamiento y la etapa de enfriamiento por soplado;
1) Etapa de calentamiento: el calentador dentro de la secadora funciona y detiene automáticamente el calentamiento cuando la temperatura superior alcanza el valor establecido o el tiempo de calentamiento alcanza el valor establecido;
2) Etapa de enfriamiento: Después de que la secadora deja de calentar, el flujo de aire continúa circulando a través de la secadora por la ruta original para enfriarla hasta que la secadora cambia al modo de funcionamiento.
·Estado de funcionamiento: El volumen de aire de procesamiento está a plena capacidad y el calentador dentro de la secadora no está funcionando.
5. Flujo de trabajo de tres torres
Actualmente, el proceso de tres torres es ampliamente utilizado. El dispositivo cuenta con tres secadores que contienen desecantes (tamices moleculares) con gran capacidad de adsorción y buena resistencia a la temperatura. Los tres secadores alternan entre operación, regeneración y adsorción para lograr el funcionamiento continuo de todo el dispositivo. Tras el secado, el punto de rocío del hidrógeno gaseoso puede alcanzar valores inferiores a -70 °C.
Durante un ciclo de conmutación, el secador pasa por tres estados: funcionamiento, adsorción y regeneración. Para cada estado, se ubica el primer secador en el que ingresa el gas hidrógeno crudo después de la desoxigenación, el enfriamiento y la filtración de agua:
1) Estado de funcionamiento: El volumen de gas de procesamiento está a plena capacidad, el calentador dentro del secador no está funcionando y el medio es gas hidrógeno crudo que no ha sido deshidratado;
La segunda secadora que entra está ubicada en:
2) Estado de regeneración: 20% de volumen de gas: El estado de regeneración incluye la etapa de calentamiento y la etapa de enfriamiento por soplado;
Etapa de calentamiento: el calentador dentro de la secadora se pone en marcha y deja de calentar automáticamente cuando la temperatura superior alcanza el valor establecido o el tiempo de calentamiento alcanza el valor establecido;
Etapa de enfriamiento: después de que el secador deja de calentar, el flujo de aire continúa fluyendo a través del secador por la ruta original para enfriarlo hasta que el secador cambia al modo de funcionamiento; cuando el secador está en la etapa de regeneración, el medio es gas hidrógeno seco deshidratado;
La tercera secadora que entra está ubicada en:
3) Estado de adsorción: El volumen de gas de procesamiento es del 20%, el calentador del secador no está funcionando y el medio es gas hidrógeno para la regeneración.
Fecha de publicación: 19 de diciembre de 2024
