Introduzione al post-trattamento dell'idrogeno nei sistemi di elettrolisi alcalina

Nel processo di elettrolisi dell'acqua alcalinaL'idrogeno gassoso prodotto all'uscita dell'elettrolizzatore ha in genere una purezza superiore al 99,8%, ma contiene impurità come vapore acqueo, tracce di ossigeno e nebbie alcaline. Se non rimosse, queste impurità non possono soddisfare i rigorosi requisiti delle moderne applicazioni industriali.

Ad esempio, nei settori industriali di precisione:

I processi di rivestimento in leghe dure richiedono una purezza dell'idrogeno del 99,999% e un punto di rugiada inferiore a -65°C.

La produzione di silicio per materiali semiconduttori richiede che il contenuto di ossigeno nell'idrogeno sia inferiore a 5 ppm e che il punto di rugiada sia inferiore a -50 °C. Questo perché l'ossigeno disciolto può alterare la resistività del silicio monocristallino o persino modificarne il tipo di conduttività.

Inoltre, nel trattamento termico dei metalli ad alta temperatura, nella metallurgia delle polveri, nei circuiti microelettronici, nei componenti optoelettronici e nella sintesi chimica, anche tracce di ossigeno o umidità nell'idrogeno possono causare l'ossidazione delle materie prime ad alte temperature, compromettendo gravemente la qualità del prodotto.

Pertanto, l'idrogeno proveniente dal elettrolizzatore La presa spesso richiede un trattamento in più fasi per soddisfare gli standard industriali.

1. Separazione gas-liquido

Scopo: separare l'idrogeno e la soluzione alcalina dalla miscela gas-liquido all'uscita dell'elettrolizzatore per evitare che la soluzione alcalina influisca negativamente sulle apparecchiature di purificazione e di essiccazione a valle.

Flusso del processo:

La miscela gas-liquido entra in un separatore gas-liquido tramite tubazioni. A causa della significativa differenza di densità tra l'idrogeno e la soluzione alcalina, la soluzione alcalina si deposita verso il basso per gravità, mentre l'idrogeno sale, formando un'interfaccia gas-liquido. La soluzione alcalina si accumula sul fondo del separatore, mentre l'idrogeno passa attraverso uno scrubber riempito d'acqua nella sezione superiore, dove le impurità vengono assorbite o disciolte. Un demister all'interno del separatore cattura ulteriormente le goccioline di liquido, che si fondono su tamponi a rete e ricadono nella soluzione alcalina per gravità. L'idrogeno completamente separato procede quindi alla fase di trattamento successiva.

2. Deossigenazione catalitica

Scopo: convertire l'ossigeno residuo nell'idrogeno in acqua per rimuovere l'ossigeno.

Flusso del processo:

L'idrogeno separato entra in un serbatoio di deossigenazione, dove avviene una reazione catalitica ad alte temperature (150-200 °C). Idrogeno e ossigeno reagiscono su un catalizzatore al palladio per formare acqua. Il catalizzatore adsorbe le molecole di gas, abbassando l'energia di attivazione e garantendo il completamento della reazione, riducendo il contenuto di ossigeno a meno di 5 ppm. Il gas reagito passa quindi attraverso un refrigeratore, dove una parte del vapore acqueo si condensa, producendo idrogeno più puro.

3. Essiccazione per adsorbimento

Scopo: rimuovere il vapore acqueo per soddisfare i requisiti industriali del punto di rugiada.

Flusso del processo:

Solitamente viene impiegato un sistema di adsorbimento a tre serbatoi, ciascuno riempito con essiccanti ad alta capacità e alte prestazioni.

L'idrogeno proveniente dalla fase di deossigenazione entra nel serbatoio A dal basso (in modalità di adsorbimento). L'essiccante assorbe l'umidità e il gas essiccato esce dall'alto.

Contemporaneamente, il serbatoio B (in modalità di rigenerazione) viene riscaldato per rilasciare l'umidità assorbita sotto forma di vapore, che viene trasportato via dall'idrogeno e condensato in un refrigeratore.

L'idrogeno entra quindi nel serbatoio C (in modalità standby) nella parte inferiore, dove l'umidità residua viene assorbita, mentre l'idrogeno prodotto finale esce dalla parte superiore.

Con questo processo si raggiunge un punto di rugiada inferiore a -70°C (contenuto d'acqua <10 ppm).

Per garantire un funzionamento continuo, i serbatoi ruotano ciclicamente. Quando il serbatoio A si satura, il serbatoio C passa in modalità di adsorbimento, il serbatoio A entra in rigenerazione e il serbatoio B passa in modalità standby, mantenendo una purificazione ininterrotta.

Prospettive future

Con la diversificazione delle applicazioni dell'idrogeno, le industrie a valle richiedono specifiche ancora più rigorose in termini di purezza (ad esempio, idrogeno ad elevata purezza ≥99,999%) e punto di rugiada (ad esempio, punto di rugiada ultra-basso ≤-70 °C). Questa tendenza sta guidando i progressi nelle tecnologie di trattamento del gas verso una maggiore efficienza e intelligenza, guidando al contempo l'ottimizzazione delle prestazioni nei sistemi di produzione dell'idrogeno. Con l'emergere di innovazioni nella scienza dei materiali e nel controllo di processo, le tecnologie di trattamento del gas di nuova generazione, che combinano risposta rapida e purificazione precisa, diventeranno un fattore abilitante fondamentale per uno sviluppo di alta qualità nell'intero settore dell'energia a idrogeno.