מכשיר טיהור מימן אלקטרוליטי למים

עם החתירה העולמית הגוברת לאנרגיה נקייה ופיתוח בר-קיימא, אנרגיית מימן, כנשא אנרגיה יעיל ונקי, נכנסת בהדרגה לתודעתם של אנשים. כחוליה מרכזית בשרשרת תעשיית אנרגיית המימן, טכנולוגיית טיהור המימן לא רק נוגעת לבטיחות ואמינות של אנרגיית מימן, אלא גם משפיעה ישירות על היקף היישום והיתרונות הכלכליים של אנרגיית מימן.

1. דרישות למוצר מימן

למימן, כחומר גלם כימי ונשא אנרגיה, יש דרישות שונות לטוהר ותכולת זיהומים בתרחישי יישום שונים. בייצור אמוניה סינתטית, מתנול ומוצרים כימיים אחרים, על מנת למנוע הרעלת זרז ולהבטיח את איכות המוצר, יש להסיר מראש סולפידים וחומרים רעילים אחרים בגז ההזנה כדי להפחית את תכולת הזיהומים ולעמוד בדרישות. בתחומים תעשייתיים כמו מטלורגיה, קרמיקה, זכוכית ומוליכים למחצה, גז מימן בא במגע ישיר עם מוצרים, והדרישות לטוהר ותכולת זיהומים מחמירות יותר. לדוגמה, בתעשיית המוליכים למחצה, מימן משמש לתהליכים כמו הכנת גבישים ומצעים, חמצון, חישול וכו', שיש להם מגבלות גבוהות ביותר על זיהומים כמו חמצן, מים, פחמימנים כבדים, מימן גופרתי וכו' במימן.

2. עקרון העבודה של דה-חמצון

תחת פעולתו של זרז, כמות קטנה של חמצן במימן יכולה להגיב עם מימן ליצירת מים, ובכך להשיג את מטרת הסרת החמצון. התגובה היא תגובה אקסותרמית, ומשוואת התגובה היא כדלקמן:

2H₂+O₂ (זרז) -2H₂O+Q

מכיוון שההרכב, התכונות הכימיות ואיכות הזרז עצמו אינם משתנים לפני ואחרי התגובה, ניתן להשתמש בזרז ברציפות ללא רגנרציה.

למכשיר להסרת חמצון מבנה גליל פנימי וחיצוני, כאשר הזרז טעון בין הגלילים החיצוניים והפנימיים. רכיב החימום החשמלי חסין פיצוץ מותקן בתוך הגליל הפנימי, ושני חיישני טמפרטורה ממוקמים בחלק העליון והתחתון של אריזת הזרז כדי לזהות ולשלוט בטמפרטורת התגובה. הגליל החיצוני עטוף בשכבת בידוד כדי למנוע אובדן חום ולמנוע כוויות. המימן הגולמי נכנס לגליל הפנימי דרך הכניסה העליונה של המכשיר להסרת חמצון, מחומם על ידי גוף חימום חשמלי, וזורם דרך מצע הזרז מלמטה למעלה. החמצן במימן הגולמי מגיב עם המימן תחת פעולת הזרז ליצירת מים. ניתן להפחית את תכולת החמצן במימן היוצא מהיציאה התחתונה מתחת ל-1ppm. המים הנוצרים על ידי השילוב זורמים מהמכשיר להסרת חמצון בצורה גזית עם גז המימן, מתעבים במקרר המימן שלאחר מכן, מסננים במפריד אוויר-מים, ונפלטים מהמערכת.

3. עקרון העבודה של יובש

ייבוש גז מימן מאמץ שיטת ספיחה, תוך שימוש בנפות מולקולריות כסופחות. לאחר הייבוש, נקודת הטל של גז המימן יכולה להגיע מתחת ל-70- מעלות צלזיוס. מסננת מולקולרית היא סוג של תרכובת אלומינוסיליקט בעלת סריג קובי, היוצרת חללים רבים באותו גודל בפנים לאחר התייבשות ובעלת שטח פנים גדול מאוד. מסננות מולקולריות נקראות מסננות מולקולריות מכיוון שהן יכולות להפריד מולקולות בעלות צורות, קטרים, קוטביות, נקודות רתיחה ורמות רוויה שונות.

מים הם מולקולה קוטבית מאוד, ולמסננות מולקולריות יש זיקה חזקה למים. הספיחה של מסננות מולקולריות היא ספיחה פיזיקלית, וכאשר הספיחה רוויה, לוקח לה זמן מה להתחמם ולהתחדש לפני שניתן לספוג אותה שוב. לכן, לפחות שני מייבשים כלולים במכשיר טיהור, כאשר אחד פועל בזמן שהשני מתחדש, כדי להבטיח ייצור רציף של גז מימן יציב בנקודת טל.

למייבש מבנה גלילי פנימי וחיצוני, כאשר חומר הספיחה טעון בין הגלילים החיצוניים והפנימיים. רכיב החימום החשמלי חסין פיצוץ מותקן בתוך הגליל הפנימי, ושני חיישני טמפרטורה ממוקמים בחלק העליון והתחתון של אריזת המסננת המולקולרית כדי לזהות ולשלוט בטמפרטורת התגובה. הגליל החיצוני עטוף בשכבת בידוד כדי למנוע אובדן חום ולמנוע כוויות. זרימת האוויר במצב ספיחה (כולל מצבי עבודה ראשוניים ומשני) ובמצב התחדשות מתהפכת. במצב ספיחה, צינור הקצה העליון הוא יציאת הגז וצינור הקצה התחתון הוא כניסת הגז. במצב התחדשות, צינור הקצה העליון הוא כניסת הגז וצינור הקצה התחתון הוא יציאת הגז. ניתן לחלק את מערכת הייבוש לשני מייבשי מגדל ושלושה מייבשי מגדל בהתאם למספר המייבשים.

4. תהליך שני מגדלים

שני מייבשים מותקנים במכשיר, אשר מתחלפים ומתחדשים תוך מחזור אחד (48 שעות) כדי להשיג פעולה רציפה של המכשיר כולו. לאחר הייבוש, נקודת הטל של המימן יכולה להגיע מתחת ל-60- מעלות צלזיוס. במהלך מחזור עבודה (48 שעות), מייבשים A ו-B עוברים מצבי עבודה והתחדשות, בהתאמה.

במחזור מיתוג אחד, המייבש חווה שני מצבים: מצב עבודה ומצב התחדשות.

· מצב התחדשות: נפח גז העיבוד הוא נפח גז מלא. מצב ההתחדשות כולל שלב חימום ושלב קירור נשיפה;

1) שלב חימום – גוף החימום בתוך המייבש פועל, ומפסיק את החימום באופן אוטומטי כאשר הטמפרטורה העליונה מגיעה לערך שנקבע או כאשר זמן החימום מגיע לערך שנקבע;

2) שלב קירור – לאחר שהמייבש מפסיק להתחמם, זרימת האוויר ממשיכה לזרום דרך המייבש בנתיב המקורי כדי לקרר אותו עד שהמייבש עובר למצב עבודה.

·מצב עבודה: נפח אוויר העיבוד נמצא במלוא קיבולתו, והגוף החימום בתוך המייבש אינו פועל.

5. זרימת עבודה של שלושה מגדלים

כיום, תהליך שלושת המגדלים נמצא בשימוש נרחב. שלושה מייבשים מותקנים במכשיר, המכילים חומרי ייבוש (מסננות מולקולריות) בעלי קיבולת ספיחה גדולה ועמידות טובה בטמפרטורה. שלושה מייבשים מתחלפים בין פעולה, התחדשות וספיחה כדי להשיג פעולה רציפה של המכשיר כולו. לאחר הייבוש, נקודת הטל של גז מימן יכולה להגיע מתחת ל-70- מעלות צלזיוס.

במהלך מחזור מיתוג, המייבש עובר דרך שלושה מצבים: עבודה, ספיחה ורגנרציה. עבור כל מצב, ממוקם המייבש הראשון שאליו נכנס גז המימן הגולמי לאחר הסרת חמצון, קירור וסינון מים:

1) מצב עבודה: נפח גז העיבוד נמצא במלוא קיבולתו, החימום בתוך המייבש אינו פועל, והמדיום הוא גז מימן גולמי שלא התייבש;

המייבש השני שנכנס ממוקם ב:

2) מצב התחדשות: 20% נפח גז: מצב התחדשות כולל שלב חימום ושלב קירור תוך נשיפה;

שלב חימום – גוף החימום בתוך המייבש פועל, ומפסיק את החימום באופן אוטומטי כאשר הטמפרטורה העליונה מגיעה לערך שנקבע או שזמן החימום מגיע לערך שנקבע;

שלב קירור - לאחר שהמייבש מפסיק להתחמם, זרימת האוויר ממשיכה לזרום דרך המייבש בנתיב המקורי כדי לקרר אותו עד שהמייבש עובר למצב עבודה; כאשר המייבש נמצא בשלב התחדשות, המדיום הוא גז מימן יבש מיובש;

המייבש השלישי הנכנס ממוקם ב:

3) מצב ספיחה: נפח גז העיבוד הוא 20%, החימום במייבש אינו פועל, והמדיום הוא גז מימן לצורך התחדשות.