Avec la quête mondiale croissante d'énergie propre et de développement durable, l'hydrogène, vecteur énergétique efficace et propre, s'impose progressivement comme une énergie de choix. Maillon essentiel de la chaîne industrielle de l'hydrogène, la technologie de purification de l'hydrogène contribue non seulement à la sécurité et à la fiabilité de l'hydrogène, mais influence également directement son champ d'application et ses retombées économiques.
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 différentes selon les applications. Lors de la production d'ammoniac synthétique, de méthanol et d'autres produits chimiques, afin de prévenir l'empoisonnement des catalyseurs et de garantir la qualité du produit, les sulfures et autres substances toxiques du gaz d'alimentation doivent être préalablement éliminés afin de réduire la teneur en impuretés et de répondre aux exigences. Dans des secteurs industriels tels que la métallurgie, la céramique, le verre et les semi-conducteurs, l'hydrogène gazeux entre 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 strictes quant à la présence d'impuretés telles que l'oxygène, l'eau, les hydrocarbures lourds et le sulfure d'hydrogène.
2. Le principe de fonctionnement de la désoxygénation
Sous l'action d'un catalyseur, une petite quantité d'oxygène de l'hydrogène peut réagir avec l'hydrogène pour produire de l'eau, provoquant ainsi la désoxygénation. La réaction est exothermique, et l'équation de réaction est la suivante :
2H₂+O₂ (catalyseur) -2H₂O+Q
Étant donné que 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 d'un cylindre intérieur et d'un cylindre extérieur, le catalyseur étant placé entre les cylindres intérieur et extérieur. Un élément chauffant électrique antidéflagrant est installé à l'intérieur du cylindre intérieur, et deux capteurs de température sont situés en haut et en bas du catalyseur pour détecter et contrôler la température de réaction. Le cylindre extérieur est enveloppé d'une couche isolante pour éviter les pertes de chaleur et les brûlures. L'hydrogène brut pénètre dans le cylindre intérieur par l'entrée supérieure du désoxydant, est chauffé par un élément chauffant électrique et traverse le lit catalytique de bas en haut. L'oxygène contenu dans l'hydrogène brut réagit avec l'hydrogène sous l'action du catalyseur pour produire de l'eau. La teneur en oxygène de l'hydrogène sortant par la sortie inférieure peut être réduite à moins de 1 ppm. L'eau ainsi générée sort du désoxydant sous forme gazeuse avec l'hydrogène gazeux, se condense dans le refroidisseur d'hydrogène, est filtrée dans le séparateur air-eau et est évacuée du système.
3. Principe de fonctionnement de la sécheresse
Le séchage de l'hydrogène gazeux se fait par adsorption, utilisant des tamis moléculaires comme adsorbants. Après séchage, le point de rosée de l'hydrogène gazeux peut descendre en dessous de -70 °C. Un tamis moléculaire est un composé aluminosilicate à réseau cubique, qui forme de nombreuses cavités de même taille après déshydratation et présente une très grande surface spécifique. On l'appelle tamis moléculaire car il permet de séparer des molécules de formes, de diamètres, de polarités, de points d'ébullition et de niveaux de saturation différents.
L'eau est une molécule hautement polaire, et les tamis moléculaires ont une forte affinité pour l'eau. L'adsorption des tamis moléculaires est une adsorption physique ; lorsqu'elle est saturée, il faut un certain temps pour chauffer et se régénérer avant de pouvoir être à nouveau adsorbée. Par conséquent, au moins deux sécheurs sont intégrés à un dispositif de purification, l'un fonctionnant pendant que l'autre se régénère, afin d'assurer une production continue d'hydrogène gazeux stable au point de rosée.
Le sécheur est constitué d'un cylindre intérieur et d'un cylindre extérieur, l'adsorbant étant chargé entre les cylindres extérieur et intérieur. Un élément chauffant électrique antidéflagrant est installé à l'intérieur du cylindre intérieur, et deux capteurs de température sont situés en haut et en bas du tamis moléculaire pour détecter et contrôler la température de réaction. Le cylindre extérieur est recouvert d'une couche isolante pour éviter les pertes de chaleur et les brûlures. Le flux d'air est inversé en mode adsorption (y compris les modes de fonctionnement primaire et secondaire) et en mode régénération. En mode adsorption, le tuyau supérieur sert à la sortie du gaz et le tuyau inférieur à l'entrée du gaz. En mode régénération, le tuyau supérieur sert à l'entrée du gaz et le tuyau inférieur à la sortie du gaz. Le système de séchage peut être divisé en deux ou trois sécheurs à tour selon le nombre de sécheurs.
4. Procédé à deux tours
Deux sécheurs sont installés dans l'appareil, qui alternent et se régénèrent au cours d'un cycle (48 heures) pour assurer un fonctionnement continu de l'ensemble. Après séchage, le point de rosée de l'hydrogène peut descendre en dessous de -60 °C. Pendant un cycle de fonctionnement (48 heures), les sécheurs A et B passent respectivement en mode de fonctionnement et de régénération.
Au cours d'un cycle de commutation, le sécheur connaît deux états : l'état de fonctionnement et l'état de régénération.
·État de régénération : Le volume de gaz de traitement est plein. L'état de régénération comprend une étape de chauffage et une étape de refroidissement par soufflage.
1) Étape de chauffage – le chauffage à l’intérieur du sèche-linge fonctionne et arrête automatiquement le chauffage lorsque la température supérieure atteint la valeur définie ou que le temps de chauffage atteint la valeur définie ;
2) Étape de refroidissement – Une fois que le sèche-linge a cessé 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 est équipé de trois sécheurs contenant des dessiccants (tamis moléculaires) à forte capacité d'adsorption et à haute résistance thermique. Les trois sécheurs alternent entre fonctionnement, régénération et adsorption pour assurer un fonctionnement continu de l'ensemble de l'appareil. Après séchage, le point de rosée de l'hydrogène gazeux peut descendre en dessous 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 de l'eau est situé :
1) État de fonctionnement : le volume de gaz de traitement est à pleine capacité, le chauffage à l'intérieur du sécheur ne fonctionne pas et le milieu est du gaz hydrogène brut qui n'a pas été déshydraté ;
Le deuxième séchoir entrant est situé à :
2) État de régénération : 20 % du volume de gaz : L'état de régénération comprend l'étape de chauffage et l'étape de refroidissement par soufflage ;
Étape de chauffage – le chauffage à l’intérieur du sèche-linge fonctionne et arrête automatiquement le chauffage lorsque la température supérieure atteint la valeur définie ou que le temps de chauffage atteint la valeur définie ;
Phase de refroidissement – Une fois que le sécheur a cessé de chauffer, le flux d'air continue de circuler à travers le sécheur dans le chemin d'origine pour le refroidir jusqu'à ce que le sécheur passe en mode de fonctionnement ; Lorsque le sécheur est en phase de régénération, le milieu est du gaz d'hydrogène sec déshydraté ;
Le troisième séchoir entrant est situé à :
3) État d'adsorption : le volume de gaz de traitement est de 20 %, le chauffage du sécheur ne fonctionne pas et le milieu est de l'hydrogène gazeux pour la régénération.
Date de publication : 19 décembre 2024
