سیستم تصفیه هیدروژن

هیدروژن یک حامل انرژی پاک امیدوارکننده است که می تواند برای کاربردهای مختلفی مانند سلول های سوختی، تولید برق و حمل و نقل استفاده شود. با این حال، تولید هیدروژن اغلب شامل ناخالصی هایی است که می تواند بر کیفیت و عملکرد آن تأثیر بگذارد. بنابراین، تصفیه هیدروژن یک مرحله ضروری برای اطمینان از کارایی و ایمنی استفاده از هیدروژن است.

جذب نوسان فشار
جذب نوسان فشار (PSA) یک روش پرکاربرد برای تصفیه هیدروژن است که بر جذب انتخابی ناخالصی ها بر روی مواد متخلخل مانند کربن فعال یا زئولیت ها تحت فشار بالا متکی است. سپس ناخالصی های جذب شده با کاهش فشار و شستشوی جاذب با گاز پاک کننده آزاد می شوند. PSA می تواند به خلوص بالا و بازیابی هیدروژن دست یابد، اما به مصرف انرژی بالا، اندازه تجهیزات بزرگ و بازسازی دوره ای جاذب نیز نیاز دارد.

جداسازی غشا
جداسازی غشایی یکی دیگر از روش‌های رایج برای تصفیه هیدروژن است که از مواد نازک و نفوذپذیر مانند پلیمرها، فلزات یا سرامیک‌ها برای جداسازی هیدروژن از سایر گازها بر اساس اندازه، شکل یا میل مولکولی آنها استفاده می‌کند. جداسازی غشاء می تواند در فشار و دمای کم یا محیط کار کند که باعث کاهش هزینه های انرژی و سرمایه می شود. با این حال، جداسازی غشاء همچنین با چالش هایی مانند رسوب غشاء، تخریب و انتخاب پذیری مواجه است.

تقطیر برودتی
تقطیر برودتی روشی برای تصفیه هیدروژن است که از نقاط جوش مختلف هیدروژن و سایر گازها بهره برداری می کند. با خنک کردن مخلوط گاز تا دمای بسیار پایین، هیدروژن را می توان به صورت بخار جدا کرد در حالی که ناخالصی ها به صورت مایع متراکم می شوند. تقطیر برودتی می‌تواند به خلوص و بازیابی هیدروژن بسیار بالا، به ویژه برای حذف گازهای بی‌اثر مانند نیتروژن و هلیوم دست یابد. با این حال، تقطیر برودتی همچنین شامل مصرف انرژی بالا، تجهیزات پیچیده و خطرات ایمنی است.

انتشار پالادیوم
انتشار پالادیوم روشی برای تصفیه هیدروژن است که از ویژگی منحصر به فرد فلز پالادیوم استفاده می کند که می تواند اتم های هیدروژن را از طریق ساختار شبکه خود جذب و پخش کند. با اعمال یک گرادیان فشار یا دما بر روی یک غشای نازک پالادیوم، هیدروژن می تواند به طور انتخابی از یک طرف به طرف دیگر منتقل شود و ناخالصی ها را پشت سر بگذارد. انتشار پالادیوم می تواند به خلوص فوق العاده بالا و بازیابی هیدروژن دست یابد، اما همچنین از هزینه مواد بالا، دسترسی محدود، و حساسیت به مسمومیت و شکنندگی رنج می برد.

روش های بیولوژیکی
روش های بیولوژیکی روش های نوظهوری برای تصفیه هیدروژن هستند که از میکروارگانیسم هایی مانند باکتری ها، جلبک ها یا قارچ ها برای تبدیل یا حذف ناخالصی ها از گاز هیدروژن استفاده می کنند. به عنوان مثال، برخی از باکتری ها می توانند از مونوکسید کربن، یک ناخالصی رایج در تولید هیدروژن، به عنوان بستری برای رشد استفاده کنند و دی اکسید کربن و آب را به عنوان محصولات جانبی تولید کنند. روش های بیولوژیکی می توانند مصرف انرژی کم، مزایای زیست محیطی و محصولات با ارزش افزوده بالقوه را ارائه دهند. با این حال، روش های بیولوژیکی نیز با چالش هایی مانند راندمان پایین، مقیاس پذیری و پایداری مواجه هستند.

برای اولین بار، محققان 98.8 درصد از هیدروژن را از جریان خروجی راکتور انتقال گاز آب خنک شده با آب معمولی بازیابی کردند که بالاترین مقدار ثبت شده است.

در روش‌های سنتی جداسازی هیدروژن، از یک راکتور انتقال گاز آب استفاده می‌شود که نیاز به یک مرحله اضافی دارد. در راکتور شیفت گاز آب ابتدا مونوکسید کربن به دی اکسید کربن تبدیل می شود و سپس هیدروژن و دی اکسید کربن با استفاده از فرآیند جذب جدا می شوند. کمپرسور برای تحت فشار قرار دادن هیدروژن خالص برای استفاده فوری یا ذخیره سازی استفاده می شود.

استفاده از غشاهای الکترولیت پلیمری انتخابی پروتون با دمای بالا یا PEM برای جداسازی سریع و اقتصادی هیدروژن از سایر مولکول های گاز مانند دی اکسید کربن و مونوکسید کربن مورد نیاز است. همچنین می تواند در دماهای بالاتر از سایر پمپ های الکتروشیمیایی نوع PEM با دمای بالا کار کند و توانایی آن را برای جداسازی هیدروژن از سایر گازها افزایش دهد.

فرآیند تصفیه هیدروژن
برای دستیابی به جداسازی، تیم از یک الکترود "ساندویچ" استفاده کرد که در آن الکترودهایی با بارهای مخالف به عنوان "نان" و یک غشاء به عنوان "گوشت اغذیه فروشی" عمل می کنند. مواد بایندر الکترود آینومر به گونه ای طراحی شده اند که الکترودها را در کنار هم نگه می دارند، مشابه نحوه نگه داشتن گلوتن نان.

تکه نان یا الکترود با بار مثبت در پمپ، پروتون ها و الکترون ها را از هیدروژن آزاد می کند. در حالی که پروتون ها از طریق غشاء حرکت می کنند، الکترون ها از طریق سیمی که یک الکترود با بار مثبت را لمس می کند از طریق پمپ عبور می کنند. پس از عبور از غشا و رسیدن به الکترود با بار منفی، پروتون ها و الکترون ها با هم ترکیب می شوند و یک بار دیگر هیدروژن را تشکیل می دهند.
از آنجایی که PEM فقط به پروتون ها اجازه عبور می دهد، مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، متان و گاز نیتروژن نمی توانند از آن عبور کنند. این تیم یک چسب یونومر اسید فسفونیک ایجاد کردند تا ذرات الکترود در پمپ هیدروژن را در کنار هم نگه دارد تا بتوانند به درستی عمل کنند.

محققان از رویکرد و ابزار خود برای بررسی تصفیه هیدروژن در خطوط لوله گاز طبیعی استفاده خواهند کرد. اگرچه این روش انتقال و ذخیره هیدروژن هنوز عملی نشده است، اما نویدهای زیادی دارد. هیدروژن را می توان برای پشتیبانی از سیستم های انرژی خورشیدی و بادی و همچنین انواع دیگر کاربردهای سازگار با محیط زیست با استفاده از یک سلول سوختی یا ژنراتور توربین استفاده کرد.

گاز صنعتی حاوی تعداد زیادی گازهای زائد با هیدروژن های مختلف است. جداسازی و خالص سازی هیدروژن نیز یکی از اولین زمینه های صنعتی صنعتی PSA است.

اصل جداسازی PSA مخلوط گاز این است که ظرفیت جذب جاذب برای اجزای مختلف گاز با تغییر فشار تغییر می کند. اجزای ناخالصی موجود در گاز ورودی با جذب فشار بالا حذف می شوند و این ناخالصی ها با کاهش فشار و افزایش دما دفع می شوند. هدف از حذف ناخالصی ها و استخراج اجزای خالص از طریق تغییرات فشار و دما حاصل می شود.

تولید هیدروژن PSA از جاذب الک مولکولی JZ{0}H برای جداسازی هیدروژن غنی برای تولید هیدروژن استفاده می‌کند که از طریق تغییر فشار بستر جذب کامل می‌شود. از آنجایی که جذب هیدروژن بسیار دشوار است، گازهای دیگر (که می توان آنها را ناخالصی نامید) به راحتی یا به راحتی جذب می شوند، بنابراین گاز غنی از هیدروژن زمانی تولید می شود که به فشار ورودی گاز تصفیه شده نزدیک شود. ناخالصی ها در حین دفع (بازسازی) آزاد می شوند و فشار به تدریج به فشار دفع کاهش می یابد
برج جذب به طور متناوب فرآیند جذب، فشار را انجام می دهد. یکسان سازی و دفع برای دستیابی به تولید مداوم هیدروژن. هیدروژن غنی تحت فشار معینی وارد سیستم می شود. هیدروژن غنی از برج جذب پر از جاذب مخصوص از پایین به بالا عبور می کند. Co/CH4/N2 به عنوان یک جزء جذب قوی روی سطح جاذب باقی می ماند و H2 به عنوان یک جزء جذب در بستر نفوذ می کند. هیدروژن محصول جمع آوری شده از بالای برج جذب خارج از مرز خارج می شود. هنگامی که جاذب در بستر با CO / CH4 / N2 اشباع می شود، هیدروژن غنی به برج های جذب دیگر تبدیل می شود. در فرآیند دفع جذب، فشار معینی از هیدروژن محصول هنوز در برج جذب شده باقی می ماند.

این بخش از هیدروژن خالص برای یکسان سازی و شستشوی دیگر برج های یکسان کننده فشار که تازه دفع شده اند استفاده می شود. این نه تنها از هیدروژن باقی مانده در برج جذب استفاده می کند، بلکه سرعت افزایش فشار در برج جذب را کاهش می دهد، درجه خستگی در برج جذب را کاهش می دهد و به طور موثر به هدف جداسازی هیدروژن می رسد.

گاز هیدروژن از فرآیندهای مختلف تولید می شود و معمولاً به شکل ناخالص تولید می شود. فرآیندهای معمولی شامل سنتز شیمیایی با رفرمینگ بخار متان، گازگیری از کارخانه های استایرن یا اتیلن که در آن گاز هیدروژن به عنوان محصول جانبی تولید می شود و کاربردهای پتروشیمی مانند هیدروکراکینگ یا گوگردزدایی می باشد. برای استفاده از هیدروژن، یک فرآیند تصفیه برای ایجاد گاز هیدروژن خالص ضروری است. جذب نوسان فشار هیدروژن (H2PSA) فرآیندی است که بر فراریت هیدروژن و عدم وجود قطبیت و میل ترکیبی کلی آن برای زئولیت ها برای تصفیه جریان های گاز آلوده سرمایه گذاری می کند.

تولید هیدروژن معمولاً شامل تولید آلاینده ها یا محصولات جانبی است که باید حذف شوند. این شامل ترکیباتی مانند مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، نیتروژن، آب و هیدروکربن های واکنش نداده است. هیدروژن PSA از جذب ترجیحی این اجزا استفاده می کند و آنها را از جریان هیدروژن حذف می کند تا هیدروژن خالص تولید کند.

به طور سنتی، هیدروژن PSA از بسترهای غربال متعدد بهره می برد و از چهار فاز تشکیل شده است: مرحله جذب، فاز کاهش فشار، فاز بازسازی و فاز فشار مجدد. در این فرآیند، جریان ناخالص هیدروژن به بستر غربال منتقل می شود، جایی که ناخالصی ها به طور انتخابی بر روی غربال مولکولی تحت فشار جذب می شوند. پس از تکمیل مرحله جذب، بازسازی با کاهش فشار بستر انجام می شود که میل ترکیبی ناخالصی ها را کاهش می دهد و اجازه می دهد آنها را دور بریزند.

تصفیه بیشتر بستر با پاکسازی با هیدروژن خالص برای حذف هر گونه آلودگی باقیمانده حاصل می شود. بستر دوباره تحت فشار قرار می گیرد تا فرآیند جذب تکرار شود. تخت ها به طور هماهنگ کار می کنند تا امکان تولید مداوم هیدروژن را فراهم کنند.

محصولات در تمام مناطق چین به فروش می رسد و به کشورهای سراسر جهان صادر می شود. آنها در بیش از 20 کشور و منطقه از جمله ایالات متحده، آلمان، مراکش، کنیا، عربستان سعودی، ویتنام، الجزایر، هند، تانزانیا و تایوان فروخته شده اند. با موفقیت شرکت های معروفی مانند هوافضای چین، پتروچاینا، گروه هسته ای چین، بی وای دی، جیولی تخصصی، تونی الکترونیک، گروه انرژی ژنگ و سایر شرکت های معروف را ارائه کرد. بسیاری از ایستگاه های هیدروژن هیدروژن هیدروژن سبز مانند Wulanchabu، Haikou، Hainan، Hainan Haikou، Yunnan Kunming و غیره پروژه های سبز و هیدروژن سازی را ارائه می دهند.