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¿Cómo se calcula la cantidad de tamiz molecular en un sistema de producción de hidrógeno por electrólisis del agua?

El hidrógeno de alta pureza tiene aplicaciones en numerosos campos, tales como vehículos con pila de combustible, industria electrónica, petroquímica, fundición de metales y investigación científica, entre otros. En los sistemas de producción de hidrógeno por electrólisis del agua, el método para aumentar la pureza del hidrógeno consiste, en primer lugar, en la eliminación catalítica del oxígeno, es decir, hacer que el oxígeno presente en el hidrógeno reaccione con éste bajo la acción de un catalizador para eliminarlo efectivamente; en segundo lugar, en la purificación por adsorción, que aprovecha el principio de separación por adsorción de los tamices moleculares para eliminar otras impurezas presentes en el hidrógeno (principalmente vapor de agua saturado).

Hoy vamos a centrarnos en la purificación por adsorción en los sistemas de producción de hidrógeno por electrólisis del agua.

Uno, TSA /PSA？

En cuanto a los métodos de purificación del hidrógeno, actualmente se suelen emplear dos tecnologías: la adsorción por oscilación de temperatura (Temperature Swing Adsorption, TSA) y la adsorción por oscilación de presión (Pressure Swing Adsorption, PSA).

 

En los sistemas de producción de hidrógeno por electrólisis del agua, se suele utilizar la adsorción con variación de temperatura (TSA), también conocida como sistema de purificación de tres torres. Este sistema cuenta con tres secadores y sus correspondientes enfriadores; el ciclo de conmutación es de 24 horas, y el ciclo de operación es de 72 horas. Cada secador tiene tres estados: estado de trabajo, estado de regeneración y estado de enfriamiento.

II. Adsorción con temperatura variable Cálculo del adsorbente y su cantidad a utilizar

1. Tipos de adsorbentes

Los adsorbentes comúnmente utilizados son tres: sílice gel, alúmina activada y tamices moleculares, que se describen a continuación:

(1) Silicona

 

El silicona es una piedra silícea artificial hidratada que se obtiene por la coagulación de una solución de ácido silícico; su fórmula química es SiO. 2 ·XH 2 O, la estructura básica es un tetraedro Si-O, que se apilan unos sobre otros para formar el esqueleto del silicagel. El agua estructural en el silicagel está unida a los átomos de silicio en forma de grupos hidroxilo (OH) y recubre la superficie del silicagel. El silicagel retiene esta agua gracias al enlace entre las moléculas de agua y los grupos OH; al elevar la temperatura, estas moléculas de agua se liberan al descomponerse el enlace.

(2) Alúmina activa

 

El óxido de aluminio se obtiene por descomposición térmica de diversos hidróxidos de aluminio. Su fórmula química es Al. 2 O 3 ·nH 2 O, está formado por una serie de isómeros homogéneos apilados, y la superficie del adsorbente presenta un efecto de adsorción ácida sobre el agua.

(3) Tamiz molecular

 

La fórmula química general de los tamices moleculares es: [M 2 (I),M(II)]O·Al 2 O 3 ·nSiO 2 ·mH 2 O, en la fórmula, M(I) y M(II) representan metales de valencia univalente y bivalente, respectivamente, generalmente sodio, potasio, calcio, estroncio, bario, etc.; n es la relación silicio-aluminio habitual, con n=2~10; m=0~9. Los tamices moleculares son estructuras formadas por tetraedros de silicio (aluminio)-oxígeno (Si 4 O, Al 4 El cristal con una estructura de marco porosa compuesta por O) presenta un espacio muy amplio tras la deshidratación, con una gran superficie interna que puede alojar una cantidad considerable de moléculas de adsorbato. Al mismo tiempo, el interior del cristal cuenta con un fuerte campo electrostático y efectos polares, así como una alta acidez superficial, lo que refuerza su capacidad de adsorción.

En los sistemas de producción de hidrógeno por electrólisis del agua, generalmente se utiliza tamiz molecular 13X.

2. Cálculo de la cantidad de adsorbente

Antes de determinar la cantidad de adsorbente a utilizar, es necesario establecer la capacidad de adsorción y el período de adsorción del adsorbente. La capacidad de adsorción suele ser proporcionada por el fabricante del adsorbente o puede obtenerse a partir de datos empíricos; el período de adsorción suele ser de 24 horas.

Una vez seleccionadas la capacidad de adsorción y el ciclo de operación, se calcula la cantidad de adsorbente necesaria en función del volumen de gas a tratar, la humedad del gas de alimentación y el grado de secado requerido para el gas deseado, según la siguiente fórmula:

( Kilogramo )

g1, g0 — Contenido de humedad del gas原料 y del gas producto; en general, g. Se puede omitir sin mayor consideración (kg/m³)

V—Caudal de gas tratado (m³/h);

T——Ciclo de trabajo (horas);

qD——Capacidad de adsorción de diseño (kilogramos/100 kilogramos o %)