Face à la demande croissante d'énergies propres et de développement durable à l'échelle mondiale, l'hydrogène, vecteur énergétique efficace et propre, s'impose progressivement. Maillon essentiel de la chaîne de valeur de l'hydrogène, la technologie de purification de ce dernier conditionne non seulement sa sécurité et sa fiabilité, mais influe également directement sur son champ d'application et sa rentabilité.
1. Exigences relatives à l'hydrogène produit
L'hydrogène, en tant que matière première chimique et vecteur énergétique, présente des exigences de pureté et de teneur en impuretés variables selon les applications. Lors de la production d'ammoniac de synthèse, de méthanol et d'autres produits chimiques, afin de prévenir l'empoisonnement des catalyseurs et de garantir la qualité des produits, les sulfures et autres substances toxiques présents dans le gaz d'alimentation doivent être éliminés au préalable pour réduire la teneur en impuretés et satisfaire aux exigences. Dans des secteurs industriels tels que la métallurgie, la céramique, le verre et les semi-conducteurs, l'hydrogène gazeux est en contact direct avec les produits, et les exigences de pureté et de teneur en impuretés sont plus strictes. Par exemple, dans l'industrie des semi-conducteurs, l'hydrogène est utilisé pour des procédés tels que la préparation des cristaux et des substrats, l'oxydation, le recuit, etc., qui imposent des limites extrêmement élevées aux impuretés telles que l'oxygène, l'eau, les hydrocarbures lourds, le sulfure d'hydrogène, etc.
2. Le principe de fonctionnement de la désoxygénation
Sous l'action d'un catalyseur, une petite quantité d'oxygène contenue dans l'hydrogène peut réagir avec ce dernier pour produire de l'eau, réalisant ainsi la désoxygénation. Cette réaction est exothermique et son équation est la suivante :
2H₂ + O₂ (catalyseur) → 2H₂O + Q
Comme la composition, les propriétés chimiques et la qualité du catalyseur lui-même ne changent pas avant et après la réaction, le catalyseur peut être utilisé en continu sans régénération.
Le désoxydant est constitué de deux cylindres, intérieur et extérieur, entre lesquels se trouve le catalyseur. Un élément chauffant électrique antidéflagrant est installé à l'intérieur du cylindre intérieur, et deux capteurs de température, situés en haut et en bas du lit catalytique, permettent de détecter et de contrôler la température de réaction. Le cylindre extérieur est isolé thermiquement afin de limiter les pertes de chaleur et d'éviter les brûlures. L'hydrogène brut pénètre dans le cylindre intérieur par l'orifice d'entrée supérieur du désoxydant, est chauffé par un élément chauffant électrique, puis traverse le lit catalytique de bas en haut. L'oxygène contenu dans l'hydrogène brut réagit avec celui-ci sous l'action du catalyseur pour produire de l'eau. La teneur en oxygène de l'hydrogène sortant par la sortie inférieure est réduite à moins de 1 ppm. L'eau ainsi produite sort du désoxydant sous forme gazeuse avec l'hydrogène, se condense dans le refroidisseur d'hydrogène, est filtrée par le séparateur air-eau, puis évacuée du système.
3. Principe de fonctionnement du séchage
Le séchage de l'hydrogène gazeux s'effectue par adsorption, en utilisant des tamis moléculaires comme adsorbants. Après séchage, le point de rosée de l'hydrogène gazeux peut atteindre une valeur inférieure à -70 °C. Un tamis moléculaire est un composé d'aluminosilicate à structure cubique, qui présente, après déshydratation, de nombreuses cavités de taille identique et possède une très grande surface spécifique. Les tamis moléculaires sont ainsi nommés car ils permettent de séparer des molécules présentant des formes, des diamètres, des polarités, des points d'ébullition et des degrés de saturation différents.
L'eau est une molécule très polaire, et les tamis moléculaires présentent une forte affinité pour l'eau. L'adsorption par les tamis moléculaires est une adsorption physique ; une fois la saturation atteinte, un temps de chauffage et de régénération est nécessaire avant toute nouvelle adsorption. C'est pourquoi un dispositif de purification comprend au moins deux sécheurs : l'un fonctionne pendant que l'autre se régénère, afin de garantir une production continue d'hydrogène gazeux à point de rosée stable.
Le séchoir est constitué de deux cylindres, intérieur et extérieur, entre lesquels l'adsorbant est chargé. Un élément chauffant électrique antidéflagrant est installé à l'intérieur du cylindre intérieur, et deux capteurs de température, situés en haut et en bas du garnissage de tamis moléculaire, permettent de détecter et de contrôler la température de réaction. Le cylindre extérieur est recouvert d'une couche isolante afin de limiter les pertes de chaleur et d'éviter les brûlures. Le flux d'air est inversé entre l'état d'adsorption (incluant les phases de fonctionnement primaire et secondaire) et l'état de régénération. En phase d'adsorption, le tuyau supérieur sert de sortie de gaz et le tuyau inférieur d'entrée. En phase de régénération, le tuyau supérieur sert d'entrée de gaz et le tuyau inférieur de sortie. Le système de séchage peut être composé de deux ou trois tours de séchage, selon le nombre de séchoirs.
4. Procédé à deux tours
Deux sécheurs sont installés dans l'appareil et fonctionnent en alternance, se régénérant au cours d'un cycle de 48 heures pour assurer un fonctionnement continu. Après séchage, le point de rosée de l'hydrogène peut atteindre moins de -60 °C. Durant un cycle de fonctionnement de 48 heures, les sécheurs A et B fonctionnent successivement en mode de séchage et de régénération.
Au cours d'un cycle de commutation, le sèche-linge passe par deux états : l'état de fonctionnement et l'état de régénération.
• État de régénération : Le volume de gaz traité est le volume de gaz maximal. L'état de régénération comprend une phase de chauffage et une phase de refroidissement par soufflage ;
1) Phase de chauffage – le chauffage à l’intérieur du sèche-linge fonctionne et s’arrête automatiquement lorsque la température supérieure atteint la valeur définie ou lorsque le temps de chauffage atteint la valeur définie ;
2) Phase de refroidissement – Une fois que le sèche-linge arrête de chauffer, le flux d'air continue de circuler à travers le sèche-linge dans le chemin d'origine pour le refroidir jusqu'à ce que le sèche-linge passe en mode de fonctionnement.
•État de fonctionnement : Le volume d’air de traitement est à pleine capacité et le chauffage à l’intérieur du séchoir ne fonctionne pas.
5. Flux de travail à trois tours
Actuellement, le procédé à trois tours est largement utilisé. L'appareil comprend trois sécheurs contenant des dessiccants (tamis moléculaires) à forte capacité d'adsorption et bonne résistance à la température. Ces trois sécheurs fonctionnent en alternance par cycles de régénération et d'adsorption, assurant ainsi un fonctionnement continu de l'ensemble de l'appareil. Après séchage, le point de rosée de l'hydrogène gazeux peut atteindre moins de -70 °C.
Lors d'un cycle de commutation, le sécheur passe par trois états : fonctionnement, adsorption et régénération. Pour chaque état, le premier sécheur dans lequel entre l'hydrogène brut après désoxygénation, refroidissement et filtration à l'eau est situé :
1) État de fonctionnement : Le volume de gaz de traitement est à pleine capacité, le chauffage à l'intérieur du séchoir ne fonctionne pas et le milieu est du gaz hydrogène brut qui n'a pas été déshydraté ;
Le deuxième sèche-linge entrant se trouve à :
2) État de régénération : 20 % du volume de gaz : L'état de régénération comprend une étape de chauffage et une étape de refroidissement par soufflage ;
Phase de chauffage – le dispositif de chauffage à l’intérieur du sèche-linge fonctionne et arrête automatiquement le chauffage lorsque la température supérieure atteint la valeur réglée ou lorsque le temps de chauffage atteint la valeur réglée ;
Phase de refroidissement – Une fois le séchoir arrêté, le flux d'air continue de circuler à travers le séchoir dans son circuit d'origine pour le refroidir jusqu'à ce que le séchoir passe en mode de fonctionnement ; lorsque le séchoir est en phase de régénération, le milieu est du gaz hydrogène sec déshydraté ;
Le troisième sèche-linge entrant se trouve à :
3) État d'adsorption : Le volume de gaz de traitement est de 20 %, le chauffage du séchoir ne fonctionne pas et le milieu est du gaz hydrogène pour la régénération.
Date de publication : 19 décembre 2024
