Хэнаньский университет науки и технологии: ход исследований и применение адсорбции с переменным давлением для очистки водорода
2025-04-14
В журнале Ляонинского университета нефтехимических технологий недавно была опубликована статья группы профессора Чжан Юлуна из Хэнаньского университета науки и технологии "Прогресс и применение очистки водорода методом адсорбции под переменным давлением".
Предыстория исследования .
Водород, как чистый, безуглеродный, гибкий и эффективный новый вид энергии, может использоваться непосредственно как источник энергии, но также может выступать в качестве носителя для преобразования между химической энергией и электрической энергией, имеет хорошие перспективы развития. В настоящее время промышленное производство водорода обычно используется после очистки, и очистка водорода методом адсорбции под давлением (PSA), обладающая высокой чистотой, низким энергопотреблением и высокой степенью автоматизации, является основной технологией разделения для производства водорода, а оптимизация процесса PSA и улучшение адсорбента являются ключом к дальнейшему развитию производства водорода PSA. В данной статье рассматривается ход исследований и применение технологии производства водорода PSA в области теоретического моделирования, регулирования и оптимизации процесса и материала адсорбента на основе изучения соответствующей литературы, а также дается прогноз развития технологии производства водорода PSA.
Инновационные моменты статьи
- Представлен более полный обзор хода исследований в области очистки водорода методом PSA с трех аспектов: теоретического моделирования, оптимизации регулирования процесса и разработки адсорбента.
- проанализированы конкретные примеры промышленного применения технологии PSA для интеграции распределенного производства водорода и водородных заправок.
Прогресс и применение адсорбции с переменным давлением для производства водорода
Разумная модель изотермы адсорбции может быть использована для вывода теоретического эффекта адсорбции, и широко используемые модели изотермы адсорбции включают модели Ленгмюра, Сипса, Тота, Фрейндлиха, расширенную модель Ленгмюра и т.д., и их применимые адсорбционные системы показаны в таблице 1. Подходящая модель изотермы адсорбции должна быть выбрана в соответствии с конкретными экспериментальными данными и характеристиками адсорбционной системы.
Таблица 1 Применимые адсорбционные системы для широко используемых моделей изотерм адсорбции
| Модель адсорбционной изотермы | Адаптируемая адсорбционная система |
| Langmuir | Адсорбент с равномерной поверхностью и одиночими адсорбционными центрами |
| Sips | Адсорбция на неоднородной поверхности |
| Toth | Распределение неоднородных адсорбционных центров |
| Freundlich | Адсорбция на неоднородной поверхности |
| Расширенный Langmuir | Конкурентная адсорбция многокомпонентного газа |
Выбор адсорбента имеет решающее значение для эффективности производства водорода методом PSA. Обычно используются цеолиты, активированный уголь, углеродные молекулярные сита (CMS), металлоорганические каркасы (MOFs) и активированный глинозем. Адсорбционные характеристики каждого адсорбента приведены в таблице 2. В зависимости от селективности адсорбента к различным компонентам газа исследователи часто используют различные адсорбенты в качестве адсорбента с ламинарным заполнением слоя для обработки сложных исходных газов.
Таблица 2 Адсорбционные характеристики адсорбента водорода A
| Тип адсорбента | Особенности | Адсорбционные свойства |
| Фауниты | Устойчивая структура, широкое применение | Может адсорбировать большинство газов - примесей, в том числе трудноделируемые CO и N₂ |
| Активированный уголь | Высокая удельная поверхность, низкая стоимость | Может адсорбировать большинство газов - примесей, хорошо адсорбирует CO₂ |
| CMS (Карбонат - минеральный синтезат) | Равномерное распределение размеров пор, высокая термическая устойчивость | Хорошо адсорбирует CO₂, может быть использован для разделения воздуха |
| МОФ (Молекулярно - оргинические рамочные соединения) | Хорошие результаты разделения и селективность | Может быть использован для извлечения H₂, имеет низкую термическую устойчивость |
| Активированное алюмино - оксид | Большая удельная поверхность, хорошее пористость | Основно используется для адсорбции H₂O и CO₂ |
Технология PSA может применяться для распределенного производства водорода и интеграции гидрогенизации. Когда технология PSA применяется в установке по производству водорода риформинга метанола и интеграции гидрогенизации, часть разделения и очистки PSA содержит два процесса PSA, PSA-H2 и PSA-CO, которые могут удалять CO и CO₂в исходном газе производства водорода риформинга метанола, и чистота производства водорода достигает 99,999%. Кроме того, CO₂может быть переработан и утилизирован для сокращения выбросов углерода в процессе производства водорода, а технологическая схема переработки CO₂ показана на рисунке 1.
Рисунок 1
CO₂Схема рециркуляции
<Представлен обзор хода исследований и применения теоретического моделирования производства водорода методом PSA, оптимизации регулирования процесса и разработки адсорбентов. Моделирование производства водорода методом PSA должно сочетаться с реальным промышленным применением, подкрепленным большим количеством экспериментальных данных, для повышения полноты результатов моделирования. Исследователи могут улучшить H2чистоту и Hчистоту путем рационального выбора параметров процесса. "4">2рекуперации, включая такие переменные процесса, как время подачи, давление на входе, время адсорбции, время продувки и количество адсорбционных слоев. Адсорбционная емкость, стоимость производства и долговечность адсорбента являются ключевыми факторами, влияющими на эффективность и экономичность производства водорода PSA, и для удовлетворения требований крупномасштабного производства водорода необходимы дальнейшие исследования и разработка адсорбционных материалов с высокой адсорбционной емкостью, быстрой адсорбцией/десорбцией и хорошей стабильностью.
Профиль автора
Юлонг Чжан - профессор и руководитель докторской диссертации в Хэнаньском университете науки и технологии, кандидат наук в Шаньсийском институте химии угля Китайской академии наук и постдокторский научный сотрудник в Питтсбургском университете, США. В основном занимается исследованиями в области водородной энергетики, многофазного катализа и углехимической промышленности. Он руководил и участвовал во многих проектах Национального фонда естественных наук Китая (NSFC), проектах "863" и "973", опубликовал более 100 работ; он хорошо разбирается в разработке процессов, экономической оценке, оптимизации экспериментальных установок, коммерциализации технологий и продуктов, и многие из его технологий были преобразованы в результаты. Ряд технологий был преобразован.
