อุปกรณ์ทำความบริสุทธิ์น้ำด้วยไฮโดรเจนโดยใช้กระบวนการอิเล็กโทรไลซิส

ด้วยความต้องการพลังงานสะอาดและการพัฒนาอย่างยั่งยืนที่เพิ่มมากขึ้นทั่วโลก พลังงานไฮโดรเจนในฐานะที่เป็นตัวนำพลังงานที่มีประสิทธิภาพและสะอาด จึงค่อยๆ เข้ามาอยู่ในความสนใจของผู้คนมากขึ้น เทคโนโลยีการทำให้ไฮโดรเจนบริสุทธิ์ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในห่วงโซ่อุตสาหกรรมพลังงานไฮโดรเจน ไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับความปลอดภัยและความน่าเชื่อถือของพลังงานไฮโดรเจนเท่านั้น แต่ยังส่งผลโดยตรงต่อขอบเขตการใช้งานและผลประโยชน์ทางเศรษฐกิจของพลังงานไฮโดรเจนอีกด้วย

1. ข้อกำหนดสำหรับผลิตภัณฑ์ไฮโดรเจน

ไฮโดรเจนเป็นวัตถุดิบทางเคมีและตัวนำพลังงานที่มีข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์และปริมาณสิ่งเจือปนแตกต่างกันไปตามการใช้งาน ในการผลิตแอมโมเนียสังเคราะห์ เมทานอล และผลิตภัณฑ์เคมีอื่นๆ เพื่อป้องกันการเป็นพิษของตัวเร่งปฏิกิริยาและเพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของผลิตภัณฑ์ จำเป็นต้องกำจัดซัลไฟด์และสารพิษอื่นๆ ในก๊าซป้อนออกก่อนเพื่อลดปริมาณสิ่งเจือปนให้เป็นไปตามข้อกำหนด ในภาคอุตสาหกรรม เช่น โลหะวิทยา เซรามิกส์ แก้ว และเซมิคอนดักเตอร์ ก๊าซไฮโดรเจนจะสัมผัสกับผลิตภัณฑ์โดยตรง ดังนั้นข้อกำหนดด้านความบริสุทธิ์และปริมาณสิ่งเจือปนจึงเข้มงวดมากขึ้น ตัวอย่างเช่น ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ไฮโดรเจนถูกใช้ในกระบวนการต่างๆ เช่น การเตรียมผลึกและพื้นผิว การออกซิเดชัน การอบอ่อน ฯลฯ ซึ่งมีข้อจำกัดสูงมากเกี่ยวกับสิ่งเจือปน เช่น ออกซิเจน น้ำ ไฮโดรคาร์บอนหนัก ไฮโดรเจนซัลไฟด์ ฯลฯ ในไฮโดรเจน

2. หลักการทำงานของการกำจัดออกซิเจน

ภายใต้การทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยา ออกซิเจนปริมาณเล็กน้อยในไฮโดรเจนสามารถทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนเพื่อผลิตน้ำ ซึ่งบรรลุวัตถุประสงค์ของการกำจัดออกซิเจน ปฏิกิริยานี้เป็นปฏิกิริยาคายความร้อน และสมการปฏิกิริยามีดังนี้:

2H₂ + O₂ (ตัวเร่งปฏิกิริยา) - 2H₂O + Q

เนื่องจากองค์ประกอบ คุณสมบัติทางเคมี และคุณภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาไม่เปลี่ยนแปลงก่อนและหลังปฏิกิริยา ตัวเร่งปฏิกิริยาจึงสามารถใช้งานได้อย่างต่อเนื่องโดยไม่ต้องทำการฟื้นฟูสภาพ

เครื่องกำจัดออกซิเจนมีโครงสร้างเป็นทรงกระบอกด้านในและด้านนอก โดยมีตัวเร่งปฏิกิริยาอยู่ระหว่างทรงกระบอกด้านนอกและด้านใน ส่วนประกอบทำความร้อนไฟฟ้าแบบป้องกันการระเบิดติดตั้งอยู่ภายในทรงกระบอกด้านใน และมีเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิสองตัวอยู่ที่ด้านบนและด้านล่างของชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อตรวจจับและควบคุมอุณหภูมิปฏิกิริยา ทรงกระบอกด้านนอกหุ้มด้วยฉนวนเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนและหลีกเลี่ยงการไหม้ ไฮโดรเจนดิบเข้าสู่ทรงกระบอกด้านในจากทางเข้าด้านบนของเครื่องกำจัดออกซิเจน ถูกทำให้ร้อนโดยองค์ประกอบทำความร้อนไฟฟ้า และไหลผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยาจากด้านล่างขึ้นด้านบน ออกซิเจนในไฮโดรเจนดิบทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนภายใต้การทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อผลิตน้ำ ปริมาณออกซิเจนในไฮโดรเจนที่ไหลออกจากทางออกด้านล่างสามารถลดลงได้ต่ำกว่า 1 ppm น้ำที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาจะไหลออกจากเครื่องกำจัดออกซิเจนในรูปก๊าซพร้อมกับก๊าซไฮโดรเจน ควบแน่นในเครื่องทำความเย็นไฮโดรเจนถัดไป กรองในตัวแยกน้ำและอากาศ และถูกปล่อยออกจากระบบ

3.หลักการทำงานของความแห้ง

การทำให้ก๊าซไฮโดรเจนแห้งใช้วิธีการดูดซับ โดยใช้โมเลกุลซีฟเป็นสารดูดซับ หลังจากทำให้แห้งแล้ว จุดน้ำค้างของก๊าซไฮโดรเจนจะลดลงต่ำกว่า -70 องศาเซลเซียส โมเลกุลซีฟเป็นสารประกอบอะลูมิโนซิลิเกตชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างผลึกแบบลูกบาศก์ ซึ่งจะเกิดช่องว่างขนาดเดียวกันจำนวนมากภายในหลังจากการกำจัดน้ำ และมีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่มาก โมเลกุลซีฟถูกเรียกว่าโมเลกุลซีฟเพราะสามารถแยกโมเลกุลที่มีรูปร่าง เส้นผ่านศูนย์กลาง ขั้ว จุดเดือด และระดับความอิ่มตัวที่แตกต่างกันได้

น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้วสูง และสารดูดซับโมเลกุลมีแรงดึงดูดต่อน้ำสูง การดูดซับของสารดูดซับโมเลกุลเป็นการดูดซับทางกายภาพ และเมื่อการดูดซับอิ่มตัวแล้ว จะต้องใช้เวลาช่วงหนึ่งในการให้ความร้อนและฟื้นฟูสภาพก่อนที่จะสามารถดูดซับได้อีกครั้ง ดังนั้น อุปกรณ์การทำให้บริสุทธิ์จึงต้องมีเครื่องอบแห้งอย่างน้อยสองเครื่อง โดยเครื่องหนึ่งทำงานในขณะที่อีกเครื่องหนึ่งทำการฟื้นฟูสภาพ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการผลิตก๊าซไฮโดรเจนที่มีจุดน้ำค้างคงที่นั้นเป็นไปอย่างต่อเนื่อง

เครื่องอบแห้งมีโครงสร้างเป็นทรงกระบอกด้านในและด้านนอก โดยมีสารดูดซับบรรจุอยู่ระหว่างทรงกระบอกด้านนอกและด้านใน ส่วนประกอบทำความร้อนไฟฟ้าแบบป้องกันการระเบิดติดตั้งอยู่ภายในทรงกระบอกด้านใน และมีเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิสองตัวอยู่ที่ด้านบนและด้านล่างของชั้นบรรจุสารดูดซับเพื่อตรวจจับและควบคุมอุณหภูมิปฏิกิริยา ทรงกระบอกด้านนอกหุ้มด้วยฉนวนเพื่อป้องกันการสูญเสียความร้อนและหลีกเลี่ยงการไหม้ การไหลของอากาศในสภาวะการดูดซับ (รวมถึงสภาวะการทำงานหลักและรอง) และสภาวะการฟื้นฟูจะกลับทิศทางกัน ในสภาวะการดูดซับ ท่อด้านบนเป็นทางออกของก๊าซและท่อด้านล่างเป็นทางเข้าของก๊าซ ในสภาวะการฟื้นฟู ท่อด้านบนเป็นทางเข้าของก๊าซและท่อด้านล่างเป็นทางออกของก๊าซ ระบบอบแห้งสามารถแบ่งออกเป็นเครื่องอบแห้งแบบสองหอและเครื่องอบแห้งแบบสามหอตามจำนวนเครื่องอบแห้ง

4. กระบวนการสองหอคอย

อุปกรณ์นี้ติดตั้งเครื่องอบแห้งสองเครื่อง ซึ่งจะสลับกันทำงานและฟื้นฟูสภาพภายในหนึ่งรอบการทำงาน (48 ชั่วโมง) เพื่อให้เครื่องทั้งหมดทำงานได้อย่างต่อเนื่อง หลังจากอบแห้งแล้ว จุดน้ำค้างของไฮโดรเจนสามารถลดลงต่ำกว่า -60 ℃ ในระหว่างรอบการทำงาน (48 ชั่วโมง) เครื่องอบแห้ง A และ B จะอยู่ในโหมดทำงานและฟื้นฟูสภาพตามลำดับ

ในหนึ่งรอบการสลับการทำงาน เครื่องอบแห้งจะอยู่ในสองสถานะ ได้แก่ สถานะการทำงานและสถานะการฟื้นฟูสภาพ

• สถานะการฟื้นฟู: ปริมาณก๊าซที่ใช้ในการประมวลผลมีปริมาณเต็มที่ สถานะการฟื้นฟูประกอบด้วยขั้นตอนการให้ความร้อนและขั้นตอนการระบายความร้อนด้วยการเป่าลม

1) ขั้นตอนการทำความร้อน – ฮีตเตอร์ภายในเครื่องอบผ้าจะทำงาน และจะหยุดการทำความร้อนโดยอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิสูงสุดถึงค่าที่ตั้งไว้ หรือเมื่อเวลาในการทำความร้อนถึงค่าที่ตั้งไว้

2) ขั้นตอนการระบายความร้อน – หลังจากเครื่องอบผ้าหยุดทำความร้อนแล้ว กระแสลมจะยังคงไหลผ่านเครื่องอบผ้าในเส้นทางเดิมเพื่อระบายความร้อนจนกว่าเครื่องอบผ้าจะเปลี่ยนกลับสู่โหมดการทำงานปกติ

• สถานะการทำงาน: ปริมาณลมที่ใช้ในการอบแห้งทำงานเต็มกำลังแล้ว และฮีตเตอร์ภายในเครื่องอบแห้งไม่ทำงาน

5. ขั้นตอนการทำงานแบบสามหอคอย

ปัจจุบัน กระบวนการแบบสามหอคอยถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยอุปกรณ์นี้ติดตั้งเครื่องอบแห้งสามเครื่อง ซึ่งบรรจุสารดูดความชื้น (ตะแกรงโมเลกุล) ที่มีกำลังการดูดซับสูงและทนต่ออุณหภูมิได้ดี เครื่องอบแห้งทั้งสามเครื่องจะสลับกันระหว่างการทำงาน การฟื้นฟู และการดูดซับ เพื่อให้เครื่องทั้งหมดทำงานได้อย่างต่อเนื่อง หลังจากอบแห้งแล้ว จุดน้ำค้างของก๊าซไฮโดรเจนสามารถลดลงต่ำกว่า -70 ℃ ได้

ในระหว่างรอบการสลับการทำงาน เครื่องอบแห้งจะผ่านสามสถานะ ได้แก่ การทำงาน การดูดซับ และการฟื้นฟู สำหรับแต่ละสถานะ เครื่องอบแห้งเครื่องแรกที่ก๊าซไฮโดรเจนดิบเข้าหลังจากกำจัดออกซิเจน การระบายความร้อน และการกรองน้ำ จะตั้งอยู่ที่:

1) สถานะการทำงาน: ปริมาณก๊าซที่ใช้ในการประมวลผลเต็มกำลังแล้ว ฮีตเตอร์ภายในเครื่องอบแห้งไม่ทำงาน และตัวกลางคือก๊าซไฮโดรเจนดิบที่ยังไม่ผ่านการกำจัดน้ำ

เครื่องอบผ้าเครื่องที่สองที่เข้ามาตั้งอยู่ที่:

2) สถานะการฟื้นฟู: ปริมาตรก๊าซ 20%: สถานะการฟื้นฟูประกอบด้วยขั้นตอนการให้ความร้อนและขั้นตอนการระบายความร้อนด้วยการเป่าลม

ขั้นตอนการทำความร้อน – ฮีตเตอร์ภายในเครื่องอบผ้าจะทำงาน และจะหยุดการทำความร้อนโดยอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิสูงสุดถึงค่าที่ตั้งไว้ หรือเมื่อเวลาในการทำความร้อนถึงค่าที่ตั้งไว้

ขั้นตอนการระบายความร้อน – หลังจากเครื่องอบแห้งหยุดให้ความร้อนแล้ว กระแสลมจะยังคงไหลผ่านเครื่องอบแห้งในเส้นทางเดิมเพื่อระบายความร้อนจนกว่าเครื่องอบแห้งจะเปลี่ยนไปสู่โหมดการทำงาน เมื่อเครื่องอบแห้งอยู่ในขั้นตอนการฟื้นฟู สารที่ใช้คือ ก๊าซไฮโดรเจนแห้งที่ผ่านการกำจัดน้ำแล้ว

เครื่องอบผ้าเครื่องที่สามที่เข้ามาตั้งอยู่ที่:

3) สถานะการดูดซับ: ปริมาณก๊าซที่ใช้ในการประมวลผลคือ 20% ฮีตเตอร์ในเครื่องอบแห้งไม่ทำงาน และตัวกลางคือก๊าซไฮโดรเจนสำหรับการฟื้นฟูสภาพ