مقدمة عن المعالجة اللاحقة للهيدروجين في أنظمة التحليل الكهربائي القلوي

في عملية التحليل الكهربائي للمياه القلويةعادةً ما تتجاوز نقاوة غاز الهيدروجين الناتج عن مخرج المُحلِّل الكهربائي 99.8%، إلا أنه يحمل شوائب مثل بخار الماء، وبقايا الأكسجين، ورذاذ القلوي. إذا لم تُزال هذه الشوائب، فلن تُلبي المتطلبات الصارمة للتطبيقات الصناعية الحديثة.

على سبيل المثال، في المجالات الصناعية الدقيقة:

تتطلب عمليات طلاء السبائك الصلبة نقاء الهيدروجين بنسبة 99.999% ونقطة الندى أقل من -65 درجة مئوية.

يتطلب إنتاج السيليكون لمواد أشباه الموصلات أن يكون محتوى الأكسجين في الهيدروجين أقل من 5 أجزاء في المليون، ونقطة ندى أقل من -50 درجة مئوية. ويرجع ذلك إلى أن الأكسجين المذاب قد يُغير مقاومة السيليكون أحادي البلورة، أو حتى نوع توصيله.

بالإضافة إلى ذلك، في المعالجة الحرارية للمعادن ذات درجات الحرارة العالية، وعلم المعادن المساحيق، والدوائر الإلكترونية الدقيقة، والمكونات البصرية الإلكترونية، والتوليف الكيميائي، حتى الأكسجين أو الرطوبة الموجودة في الهيدروجين يمكن أن تسبب أكسدة المواد الخام في درجات الحرارة العالية، مما يؤثر سلبًا على جودة المنتج.

لذلك، الهيدروجين من محلل كهربائي غالبًا ما يتطلب المخرج معالجة متعددة المراحل لتلبية المعايير الصناعية.

1. فصل الغاز عن السائل

الغرض: فصل محلول الهيدروجين والقلويات من خليط الغاز والسائل عند مخرج المحلل الكهربائي لمنع المحلول القلوي من التأثير سلبًا على معدات التنقية والتجفيف اللاحقة.

سير العملية:

يدخل خليط الغاز والسائل إلى فاصل الغاز والسائل عبر الأنابيب. ونظرًا لاختلاف الكثافة الكبير بين الهيدروجين والمحلول القلوي، يستقر المحلول القلوي إلى الأسفل بفعل الجاذبية، بينما يرتفع الهيدروجين، مشكلًا سطحًا بين الغاز والسائل. يتراكم المحلول القلوي في أسفل الفاصل، بينما يمر الهيدروجين عبر جهاز تنقية مملوء بالماء في القسم العلوي، حيث تُمتص الشوائب أو تُذاب. يقوم جهاز إزالة الضباب داخل الفاصل أيضًا بالتقاط قطرات السائل، التي تتجمع على وسادات شبكية وتعود إلى المحلول القلوي بفعل الجاذبية. ثم ينتقل الهيدروجين المنفصل تمامًا إلى مرحلة المعالجة التالية.

2. إزالة الأكسجين التحفيزي

الغرض: تحويل الأكسجين المتبقي في الهيدروجين إلى ماء لإزالة الأكسجين.

سير العملية:

يدخل الهيدروجين المنفصل إلى خزان إزالة الأكسجين، حيث يحدث تفاعل تحفيزي عند درجات حرارة عالية (150-200 درجة مئوية). يتفاعل الهيدروجين والأكسجين فوق محفز البلاديوم لتكوين الماء. يمتص المحفز جزيئات الغاز، مما يقلل طاقة التنشيط ويضمن اكتمال التفاعل، ويخفض محتوى الأكسجين إلى أقل من 5 أجزاء في المليون. يمر الغاز المتفاعل بعد ذلك عبر مبرد، حيث يتكثف بخار الماء، مما يُنتج هيدروجينًا أنقى.

3. التجفيف بالامتصاص

الغرض: إزالة بخار الماء لتلبية متطلبات نقطة الندى الصناعية.

سير العملية:

يتم عادةً استخدام نظام الامتزاز بثلاثة خزانات، حيث يمتلئ كل خزان بمجففات عالية السعة وعالية الأداء.

يدخل الهيدروجين الناتج عن مرحلة إزالة الأكسجين إلى الخزان أ من الأسفل (في وضع الامتصاص). يمتص المجفف الرطوبة، ويخرج الغاز المجفف من الأعلى.

في الوقت نفسه، يتم تسخين الخزان B (في وضع التجديد) لإطلاق الرطوبة الممتصة على شكل بخار، والذي يتم حمله بعيدًا بواسطة الهيدروجين وتكثيفه في مبرد.

ثم يدخل الهيدروجين إلى الخزان C (في وضع الاستعداد) في الأسفل، حيث يتم امتصاص الرطوبة المتبقية، ويخرج المنتج النهائي الهيدروجين من الأعلى.

تحقق هذه العملية نقطة ندى أقل من -70 درجة مئوية (محتوى الماء <(10 جزء في المليون).

لضمان استمرارية التشغيل، تدور الخزانات دوريًا. عندما يصل الخزان أ إلى مستوى التشبع، ينتقل الخزان ج إلى وضع الامتزاز، ويدخل الخزان أ في وضع التجديد، وينتقل الخزان ب إلى وضع الاستعداد، مما يضمن استمرار عملية التنقية.

النظرة المستقبلية

مع تنوع تطبيقات الهيدروجين، تطالب الصناعات التحويلية بمواصفات أكثر صرامة فيما يتعلق بالنقاء (مثل هيدروجين عالي النقاء بنسبة ≥99.999%) ونقطة الندى (مثل نقطة الندى منخفضة للغاية عند ≤-70 درجة مئوية). يدفع هذا التوجه عجلة التقدم في تقنيات معالجة الغاز نحو كفاءة وذكاء أعلى، كما يُسهم في تحسين الأداء في أنظمة إنتاج الهيدروجين. ومع ظهور إنجازات جديدة في علم المواد والتحكم في العمليات، ستصبح تقنيات معالجة الغاز من الجيل التالي - التي تجمع بين الاستجابة السريعة والتنقية الدقيقة - عاملاً أساسياً في تحقيق تطوير عالي الجودة في قطاع طاقة الهيدروجين.