クリーンエネルギーと持続可能な開発への世界的な関心が高まる中、高効率でクリーンなエネルギーキャリアとしての水素エネルギーは、徐々に人々の視野に入りつつあります。水素エネルギー産業チェーンの重要な一環として、水素精製技術は水素エネルギーの安全性と信頼性に関わるだけでなく、水素エネルギーの応用範囲と経済的利益にも直接影響を与えます。
1.製品水素の要件
化学原料やエネルギーキャリアとしての水素は、用途によって純度や不純物含有量に対する要求が異なります。合成アンモニア、メタノールなどの化学製品の製造においては、触媒被毒を防ぎ製品の品質を確保するために、原料ガス中の硫化物などの有毒物質を事前に除去し、不純物含有量を要求基準を満たすまで低減する必要があります。冶金、セラミックス、ガラス、半導体などの産業分野では、水素ガスが製品と直接接触するため、純度や不純物含有量に対する要求はより厳しくなります。例えば、半導体産業では、結晶や基板の準備、酸化、アニールなどのプロセスに水素が使用され、水素中の酸素、水、重質炭化水素、硫化水素などの不純物に対する要求は極めて厳しくなります。
2.脱酸素化の動作原理
触媒の作用により、水素中の微量の酸素が水素と反応して水を生成し、脱酸素化の目的を達成します。この反応は発熱反応であり、反応式は以下のとおりです。
2H ₂+O ₂ （触媒）-2H ₂ O+Q
反応前後で触媒自体の組成、化学的性質、品質は変化しないため、再生することなく連続的に触媒を使用できます。
脱酸素装置は内筒と外筒の構造を持ち、触媒は外筒と内筒の間に充填されています。内筒内には防爆型の電熱器が取り付けられ、触媒パッキングの上下に2つの温度センサーが設置され、反応温度を検知・制御します。外筒は断熱層で覆われており、熱損失を防ぎ、火傷を防ぎます。原料水素は脱酸素装置の上部入口から内筒に入り、電熱器によって加熱され、触媒層を下から上へと通過します。触媒の作用により、原料水素中の酸素が水素と反応して水が生成されます。下部出口から排出される水素中の酸素濃度は1ppm以下にまで低減できます。この反応で生成された水は、水素ガスとともにガス状で脱酸素装置から排出され、後続の水素冷却器で凝縮し、気水分離器で濾過されてシステム外に排出されます。
3.乾燥の原理
水素ガスの乾燥には、分子ふるいを吸着剤として用いる吸着法が採用されています。乾燥後、水素ガスの露点は-70℃以下まで下がります。分子ふるいは立方格子を持つアルミノケイ酸塩化合物の一種で、脱水後に内部に多数の同じサイズの空洞を形成し、非常に大きな表面積を有します。分子ふるいは、形状、直径、極性、沸点、飽和度の異なる分子を分離できるため、分子ふるいと呼ばれています。
水は極性分子であり、分子ふるいは水と強い親和性を持っています。分子ふるいの吸着は物理吸着であり、吸着が飽和すると、再び吸着できるようになるまで加熱と再生に一定の時間がかかります。そのため、精製装置には少なくとも2つの乾燥装置が組み込まれており、1つが稼働している間、もう1つが再生することで、露点安定性の高い水素ガスを継続的に生成します。
乾燥機は内筒と外筒の構造を持ち、吸着剤は外筒と内筒の間に充填されます。内筒内には防爆型の電熱器が取り付けられており、分子ふるいパッキングの上部と下部に2つの温度センサーが配置され、反応温度を検出して制御します。外筒は断熱層で包まれており、熱損失を防ぎ、火傷を防ぎます。吸着状態（一次および二次作動状態を含む）と再生状態の気流は逆になります。吸着状態では、上端パイプがガス出口、下端パイプがガス入口です。再生状態では、上端パイプがガス入口、下端パイプがガス出口です。乾燥システムは、乾燥機の数に応じて、2つの塔型乾燥機と3つの塔型乾燥機に分けられます。
4.2塔式プロセス
装置には2台の乾燥機が設置されており、1サイクル（48時間）内で交互に運転と再生を行うことで、装置全体の連続運転を実現します。乾燥後、水素の露点は-60℃以下まで到達します。1サイクル（48時間）中、乾燥機AとBはそれぞれ運転状態と再生状態を経ます。
1 回のスイッチング サイクルで、乾燥機は動作状態と再生状態の 2 つの状態を経験します。
·再生状態：処理ガス量は全ガス量です。再生状態には加熱段階と吹き出し冷却段階が含まれます。
1) 加熱段階 - 乾燥機内部のヒーターが作動し、上限温度が設定値に達するか、加熱時間が設定値に達すると自動的に加熱を停止します。
2) 冷却段階 – 乾燥機が加熱を停止した後も、乾燥機が動作モードに切り替わるまで、空気の流れは元の経路で乾燥機内を流れ続け、乾燥機を冷却します。
・動作状態：処理風量は最大で、乾燥機内部のヒーターは動作していません。
5.3タワーワークフロー
現在、三塔式プロセスが広く採用されています。装置には3台の乾燥機が設置されており、各乾燥機には吸着容量が大きく耐熱性に優れた乾燥剤（モレキュラーシーブ）が内蔵されています。3台の乾燥機は、運転、再生、吸着を交互に行うことで、装置全体の連続運転を実現します。乾燥後、水素ガスの露点は-70℃以下まで到達します。
スイッチングサイクル中、乾燥機は作動状態、吸着状態、再生状態の3つの状態を経ます。各状態において、脱酸素化、冷却、水ろ過を経た原料水素ガスが流入する最初の乾燥機の位置は以下のとおりです。
1) 作業状態：処理ガス量は最大であり、乾燥機内のヒーターは作動しておらず、媒体は脱水されていない生の水素ガスである。
2 番目に入る乾燥機は次の場所にあります。
2) 再生状態：ガス量20％：再生状態には加熱段階と吹き出し冷却段階が含まれます。
加熱段階 - 乾燥機内のヒーターが作動し、上限温度が設定値に達するか、加熱時間が設定値に達すると自動的に加熱を停止します。
冷却段階 - 乾燥機が加熱を停止した後も、乾燥機が動作モードに切り替わるまで、空気流は元の経路で乾燥機内を流れ続け、冷却されます。乾燥機が再生段階にある場合、媒体は脱水された乾燥水素ガスです。
3 台目の乾燥機の入口は次の場所にあります。
3)吸着状態：処理ガス量は20％、乾燥機内のヒーターは作動せず、媒体は再生用の水素ガスです。
投稿日時: 2024年12月19日
