Automatisierung der Druckwechseladsorption von Wasserstoffgas
Warum ist die Reinigung von Wasserstoffgas notwendig?
Das Wachstum der Wasserstoffwirtschaft wird durch die Entwicklung zahlreicher Wasserstoffquellen vorangetrieben, darunter blauer, goldener, grüner, gelber, roter, türkisfarbener, brauner, schwarzer, oranger und weißer Wasserstoff.
Je nachdem, welche Produktionsquelle verwendet wird, kann die Veredelung und Reinigung des Wasserstoffgases ein erforderlicher Nachproduktionsschritt für die Verwendung von Wasserstoff in verschiedenen industriellen Verfahren sein. Durch Elektrolyse erzeugte Wasserstoffgase (einschließlich grüner, gelber und rosafarbener Gase) sind in der Regel extrem rein (> 99% H2), andere Arten wie weißer und orangefarbener Wasserstoff müssen möglicherweise von anderen Spurengasen getrennt werden, um die gleiche Konzentration zu erreichen.
Druckwechseladsorption (PSA) ist ein zuverlässiges Verfahren zur Reinigung von Wasserstoff und anderen Gasen (wie Sauerstoff oder Stickstoff) in hohen Konzentrationen bei Umgebungstemperaturen, oft über 99%. Bei der PSA werden gemischte Gase selektiven Adsorbentien mit hoher Affinität für bestimmte Gase unter Druck zugeführt. Mit anderen Worten, die Druckwechseladsorption bewirkt, dass einige Gase unter Druck an den Adsorbentien haften bleiben, so dass die freien Gase von den haftenden getrennt werden können.
Mit den Massendurchflussmessern oder -reglern von Alicat kann die Verfolgung und Automatisierung des Gasflusses am Ein- und Ausgang von PSA-Systemen, die unter 20 barG arbeiten, verbessert werden, während die Druckregler von Alicat den Druck oder den Durchfluss dieser PSA-Systeme unter allen Betriebsbedingungen regeln können. Wie dies im Einzelnen funktioniert, wird im Folgenden am Beispiel der Reinigung von Wasserstoffgas erläutert.
Druckwechseladsorption (PSA) von Wasserstoffgas
Die vier wichtigsten Schritte bei der Wasserstoff-Druckwechseladsorption (PSA) sind Adsorption, Druckentlastung, Regeneration und erneute Druckbeaufschlagung.
Adsorption
Nach der Vorfilterung werden in der ersten Adsorptionsstufe gemischte Einlassgase in eine Kammer geleitet, die eine Reihe von Adsorptionsmitteln wie Zeolithmineralien enthält und mit der Gasquelle auf einen hohen Druck gebracht wird (in der Regel zwischen 10-40 bar, je nach spezifischem System). Der Einlass ist geschlossen. Unter diesem hohen Druck adsorbieren die im Gemisch enthaltenen Umgebungsgase oder andere Gase als Wasserstoff an den Oberflächen der Zeolithmineralien und trennen sie vom Wasserstoffgas.
Bei einigen Wasserstoff-PSA-Systemen wird dies umgekehrt, so dass der Wasserstoff oder andere Gase, die gereinigt werden sollen, am Adsorptionsmittel haften bleiben, während die unerwünschten Gase in Gasform in der Kammer verbleiben. Zu den konstruktiven Modifikationen gehören Einzel-, Doppel- oder Mehrkammer-PSA-Konfigurationen.
In dieser Phase können entweder Massendurchflussregler oder Druckregler zur Regulierung der Gaszufuhr oder der Kammerdruckbedingungen eingesetzt werden, was eine Automatisierung des Regelkreises mit Totalisierungs- und Dosierungsfunktionen für den Dauerbetrieb ermöglicht. Alternativ kann auch ein Massendurchflussmesser wie M-Serie die in einem Regelkreis mit elektronischen Ventilen laufen, könnten auch für die PSA-Durchfluss- oder Kammerdruckregelung verwendet werden.
Bei der Verwendung von Controllern ist entweder ein MC-Serie im Druckregelungsmodus (eingeschränkt als Wahlmöglichkeit nur für Systeme unter 20 barG) oder eine PC-Serie sind die ideale Wahl für diesen Zweck, mit zusätzlichen Spezifikationen und Merkmalen wie:
- Durchflussbereiche von 0,5 SCCM bis 12.000 SLPM im vollen Maßstab für die MC-Serie
- Druckregelung von 0-3000 PSIG Vollskala für PC-Serie
- Regelbereich von 0,01% - 100% des Skalenendwertes für PC-Serie und MC-Serie
- Reproduzierbarkeit von 0,08% für die PC-Serie und ±0,1% vom Messwert + 0,02% vom Endwert für die MC-Serie
- 20 benutzerdefinierte Gaskalibrierungseinstellungen für mehr als 98 vorinstallierte auswählbare Gase, die präzise und anpassbare Durchfluss- und Druckregulierungseinstellungen ermöglichen
Druckentlastung
In der zweiten Phase, der Druckentlastung, strömt das gereinigte Wasserstoffgas, das nicht adsorbiert wird, durch den Kammerauslass in den Speicher, wodurch der Innendruck der Kammer sinkt und die gemischten Gase langsam freigesetzt werden, die dann in eine andere Kammer strömen, um sie für einen weiteren Adsorptionszyklus unter Druck zu setzen, oder entlüftet werden. Umgekehrt verwenden einige Systeme die reinen Wasserstoffströme, um die Adsorption in anderen PSA-Kammern einzuleiten.
Wie am Einlass während der Adsorption kann auch der Auslassdurchfluss für alle PSA-Systeme mit einem Druckregler der PC-Serie geregelt werden. Für Systeme, die unter 20 barG arbeiten, ist ein Massendurchflussregler der MC-Serie, der in einem Druckregelkreis läuft, eine weitere Option. Eine weitere Option ist ein Massendurchflussmesser wie die M-Serie und elektronische Ventile mit einem Regelkreis (nur für Systeme unter 20 barG).
Wenn Sie eines dieser Alicat-Geräte auswählen, können Sie den PID-Regelalgorithmus anpassen, um z. B. folgende Einstellungen vorzunehmen:
- Wie schnell oder langsam die PSA-Kammern auf Druckänderungen reagieren sollen.
- Die Druck- oder Durchfluss-Sollwerte, die die Ventileinstellungen ändern
- Entwicklung komplexerer PSA-Systeme mit mehreren Kammern
Regeneration
Die Regeneration beschreibt den Prozess der Freisetzung der Mischgase auf den Adsorptionsmitteln, wenn der Druck in der Kammer gesenkt wird. Wenn diese Mischgase freigesetzt werden, werden sie, wie bereits erwähnt, in andere Kammern gespült, um diese unter Druck zu setzen, oder in einen Abscheidebehälter oder -auslass geleitet. Manchmal wird der reine Wasserstoffgasstrom verwendet, um die Mischgase aus der PSA-Kammer zu spülen.
Wie in den vorherigen Schritten ist ein Druckregler der PC-Serie eine Option zur Automatisierung der Druckänderungseinstellungen während dieses Schritts für alle PSA-Systeme. Darüber hinaus kann wie zuvor entweder eine MC-Serie oder eine M-Serie in Kombination mit elektronischen Ventilen verwendet werden, um die Druckänderungsbedingungen in Systemen, die unter 20 barG arbeiten, während dieses Schritts zu automatisieren.
Repressalien
Die erneute Druckbeaufschlagung erfolgt, wenn eine regenerierte Kammer einen neuen Zyklus beginnt, indem der Druck erhöht und eine neue Phase der Adsorption eingeleitet wird. Dies geschieht in der Regel mit einem Teilstrom aus der reinen Wasserstoffleitung.
Alle vier Schritte wiederholen sich, bis die gewünschte Menge reinen Wasserstoffs über den Regelkreis isoliert ist.
Die Kombination von Alicat-Druckreglern mit Massedurchflussreglern, die in Druckregelkreisen laufen, oder Zählern, die in Druckregelkreisen mit elektronischen Ventilen laufen, die entweder von einer SPS oder einem Computer automatisiert werden, ermöglicht anpassbare Sollwertskripte für den kontinuierlichen Betrieb auf der Grundlage des Drucks (oder des Durchflusses bei Verwendung der M- oder MC-Serie). Die umfangreichen analogen, seriellen und industriellen Protokolloptionen von Alicat bieten zahlreiche Steuerungsmöglichkeiten für die kontinuierliche Dosierung und erhöhen den Wert eines jeden PSA-Systems erheblich.