מכשיר לטיהור מימן מים אלקטרוליטי

עם החתירה הגלובלית הגוברת לאנרגיה נקייה ולפיתוח בר קיימא, אנרגיית המימן, כמובילת אנרגיה יעילה ונקייה, נכנסת בהדרגה לחזון האנשים. כחוליה מרכזית בשרשרת תעשיית אנרגיית המימן, טכנולוגיית טיהור מימן נוגעת לא רק לבטיחות ומהימנות של אנרגיית מימן, אלא גם משפיעה ישירות על היקף היישום והיתרונות הכלכליים של אנרגיית מימן.

1. דרישות למימן המוצר

למימן, כחומר גלם כימי וכנושא אנרגיה, יש דרישות שונות לטוהר ולתכולת טומאה 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 הטומאה כדי לעמוד בדרישות. בתחומים תעשייתיים כמו מטלורגיה, קרמיקה, זכוכית ומוליכים למחצה, גז מימן בא במגע ישיר עם מוצרים, והדרישות לטוהר ולתכולת הטומאה מחמירות יותר. לדוגמה, בתעשיית המוליכים למחצה משתמשים במימן לתהליכים כמו הכנת גבישים ומצע, חמצון, חישול ועוד, שיש להם מגבלות גבוהות ביותר על זיהומים כמו חמצן, מים, פחמימנים כבדים, מימן גופרתי וכו' במימן.

2.עקרון העבודה של דה-חמצן

תחת פעולתו של זרז, כמות קטנה של חמצן במימן יכולה להגיב עם מימן כדי לייצר מים, ולהשיג את מטרת הסרת החמצן. התגובה היא תגובה אקסותרמית, ומשוואת התגובה היא כדלקמן:

2H ₂+O ₂ (זרז) -2H ₂ O+Q

מכיוון שההרכב, התכונות הכימיות ואיכותו של הזרז עצמו אינם משתנים לפני ואחרי התגובה, ניתן להשתמש בזרז באופן רציף ללא התחדשות.

למסיר החמצון מבנה צילינדר פנימי וחיצוני, כאשר הזרז נטען בין הצילינדר החיצוני והפנימי. 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 למניעת איבוד חום ולמנוע כוויות. המימן הגולמי נכנס לגליל הפנימי מהכניסה העליונה של מסיר החמצון, מחומם על ידי גוף חימום חשמלי, וזורם דרך מיטת הזרז מלמטה למעלה. החמצן במימן הגולמי מגיב עם המימן תחת פעולת הזרז לייצור מים. ניתן להפחית את תכולת החמצן במימן שזורם החוצה מהשקע התחתון עד מתחת ל-1ppm. המים הנוצרים מהשילוב זורמים מתוך מסיר החמצון בצורה גזי עם גז המימן, מתעבים במקרר המימן הבא, מסננים במפריד אוויר-מים ונפלטים מהמערכת.

3. עקרון עבודה של יובש

ייבוש גז המימן מאמץ שיטת ספיחה, תוך שימוש במסננות מולקולריות כסופחים. לאחר הייבוש, נקודת הטל של גז מימן יכולה להגיע מתחת ל-70 ℃. מסננת מולקולרית היא סוג של תרכובת אלומינוסיליקט בעלת סריג מעוקב, היוצרות 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 מאוד קוטבית, ולמסננות מולקולריות יש זיקה חזקה למים. ספיחה של נפות מולקולריות היא ספיחה פיזית, וכאשר הספיחה רוויה, לוקח פרק זמן להתחמם ולהתחדש עד שניתן להיספג שוב. לכן, לפחות שני מייבשים כלולים בהתקן טיהור, כאשר אחד פועל בעוד השני מתחדש, כדי להבטיח ייצור רציף של גז מימן יציב בנקודת הטל.

למייבש מבנה צילינדר פנימי וחיצוני, כאשר הסופח נטען בין הצילינדר החיצוני והפנימי. 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 למניעת איבוד חום ולמנוע כוויות. זרימת האוויר במצב ספיחה (כולל מצב העבודה הראשוני והמשני) ומצב ההתחדשות הפוכה. 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 מגדלים ולשלושה מייבשי מגדלים לפי מספר המייבשים.

4. תהליך שני מגדלים

במכשיר מותקנים שני מייבשים אשר מתחלפים ומתחדשים תוך מחזור אחד (48 שעות) להשגת פעולה רציפה של המכשיר כולו. לאחר הייבוש, נקודת הטל של המימן יכולה להגיע מתחת ל-60 ℃. 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 נושבת;

1) שלב החימום – המחמם בתוך המייבש פועל, ומפסיק את החימום אוטומטית כאשר הטמפרטורה העליונה מגיעה לערך שנקבע או זמן החימום מגיע לערך שנקבע;

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

· מצב עבודה: נפח האוויר בעיבוד הוא בתפוקה מלאה, והמחמם בתוך המייבש אינו פועל.

זרימת עבודה של שלושה מגדלים

נכון לעכשיו, תהליך שלושת המגדלים נמצא בשימוש נרחב. במכשיר מותקנים שלושה מייבשים המכילים חומרי ייבוש (מסננות מולקולריות) בעלי יכולת 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 ℃.

במהלך מחזור מיתוג, המייבש עובר שלושה מצבים: עבודה, ספיחה והתחדשות. עבור כל מצב, המייבש הראשון אליו נכנס גז המימן הגולמי לאחר שחרור חמצן, קירור וסינון מים נמצא:

1) מצב עבודה: נפח גז העיבוד הוא בתפוקה מלאה, המחמם בתוך המייבש אינו פועל, והמדיום הוא גז מימן גולמי שלא התייבש;

המייבש השני הנכנס נמצא ב:

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

שלב החימום – המחמם בתוך המייבש פועל, ומפסיק את החימום אוטומטית כאשר הטמפרטורה העליונה מגיעה לערך שנקבע או זמן החימום מגיע לערך שנקבע;

שלב הקירור - 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 נמצא ב:

3) מצב ספיחה: נפח גז העיבוד הוא 20%, המחמם במייבש אינו פועל, והמדיום הוא גז מימן להתחדשות.