CN114590779A - 一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，包括以下步骤：S1、电解水生产氢气；S2、气液分离，电解生成的氢气进入至氢分离器内，进行气液分离；S3、氢气冷却，利用氢气冷却器对氢气进行冷却；S4、氢气除水，利用氢气捕滴器将氢气中的游离水除去；S5、氢气除氧，氢气经缓冲罐进入脱氧器内，达到除去氧杂质的目的；S6、氢气再次除水，除氧后的氢气经过氢气冷却器再次冷却；S7、氢气除杂，利用PSA吸附装置对氢气进行除杂，实现氢气的提纯；S8、氢气收集，除杂后的氢气储存至氢气储罐内。在氢气提纯前对氢气进行除水脱氧，以及对纯度较低的氢气进行二次变压吸附，大大提高了氢气的纯度，提高了氢气的生产效率。
Description
技术领域
本发明属于氢气制备技术领域，尤其涉及一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法。
背景技术
氢气是未来最为理想的能源之一，氢气具有高效、清洁无污染、可再生循环的优点。PSA技术是当前制备氢气的主要技术手段，是通过变压吸附的形式进行气体吸附分离的新型技术，PSA技术对于制备高纯氢气具有重要的意义。在实际工作中，现有的制氢设备制备的氢气纯度较低，需要多次除杂提高氢气的纯度，其生产效率较低。
发明内容
针对现有技术不足，本发明的目的在于提供一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，在氢气提纯前对氢气进行除水脱氧，以及对纯度较低的氢气进行二次变压吸附，大大提高了氢气的纯度，提高了氢气的生产效率。
本发明提供如下技术方案：
一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，包括以下步骤：
S1、电解水生产氢气，在电解槽中电解水溶液，电解后生成氧气和氢气，将氧气存放在氧气储存装置中；
S2、气液分离，电解生成的氢气进入至氢分离器内，在重力的作用下进行气液分离；
S3、氢气冷却，利用氢气冷却器对氢气进行冷却；
S4、氢气除水，利用氢气捕滴器将氢气中的游离水除去；
S5、氢气除氧，经过除水处理的氢气经缓冲罐进入脱氧器内，氢气中的氧杂质在催化剂的作用下反应生成水，达到除去氧杂质的目的；
S6、氢气再次除水，除氧后的氢气经过氢气冷却器再次冷却，将氢气中的水蒸汽冷凝排出；
S7、氢气除杂，利用PSA吸附装置对氢气进行除杂，实现氢气的提纯；
S8、氢气收集，除杂后的氢气储存至氢气储罐内。
优选的，所述氢气储罐包括第一储罐和第二储罐，在步骤S7氢气除杂后，利用在线分析仪对除杂后的氢气纯度进行检测，高纯度的氢气存放至第一储罐，低纯度的氢气存放在第二储罐，第二储罐内的氢气经PSA吸附装置进行在次除杂。
优选的，所述电解槽以KOH溶液作为电解液，KOH溶液的浓度为20-40%。
优选的，所述氢气捕滴器的管线上设置有在线分析仪，所述在线分析仪用于检测氢气中的氧含量。
优选的，所述氢气储罐的工作压力不大于2.8MPa，所述储罐上设置有放空阀、安全阀和压力表。
优选的，所述PSA吸附装置采用4-12塔流程，PSA吸附装置的吸附剂采用分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝，PSA吸附装置的吸附压力范围为1.0～3.0MPa。
优选的，在步骤S4、氢气除水中，除水结束后，对氢气的湿度进行检测，若氢气中的湿度高于预先设置的阈值时，则进行二次除水，直至氢气的湿度在合适的范围内。
一种基于变压吸附的高纯氢气制备系统，包括：电解槽，所述电解槽的氧气端连接有氧气储存装置，所述电解槽的氢气端连接有氢分离器，所述氢分离器连接有氢气冷却器，所述氢气冷却器连接有氢气捕滴器，所述氢气捕滴器连接有氢气缓冲罐，所述氢气缓冲器连接有脱氧器，所述脱氧器连接有氢气冷却器，所述氢气冷却器连接有PSA吸附装置，所述PSA吸附装置的出口端连接有氢气储罐。
优选的，所述脱氧器连接有预热回热器，原料氢气经过预热回热器进行加热，加热后的氢气进入脱氧器，原料氢气经过钯催化剂表面和氧发生反应生成水，脱氧后的氢气对预热回热器进行加热。
优选的，所述预热回热器出口端设置有温度传感器，所述温度传感器用于测量原料氢气的温度，经过预热回热器进行加热后的氢气温度至少为10度。
优选的，所述氢气捕滴器的管线上设置有在线分析仪，所述在线分析仪用于检测氢气中的氧含量。
优选的，所述氢气储罐包括第一储罐和第二储罐，所述第一储罐和第二储罐并联连接，所述第一储罐的进气管和第二储罐的进气管均设置有电磁阀，所述第一电磁阀用于盛放高纯度氢气，所述第二储罐用于盛放低纯度氢气。
优选的，所述第二储罐与PSA吸附装置的进气端连接，利用PSA吸附装置对第二储罐内的氢气进行变压吸附除杂，清除第二储罐内氢气的杂质。
优选的，所述氢气经氢气冷却器冷却后，氢气的温度小于35度，经过冷却的氢气经氢压机吸入，加压至0.04-0.06MPa。
优选的，所述氢气冷却器包括水池3和塔体5，所述水池3位于塔体5的下侧，所述塔体5的下端设置有氢气进口4，塔体5的上端设置有氢气出口8，所述氢气出口8的下端设置有进水口9，所述塔体5的内壁设置有塔板6，所述塔体5的上端设置有防爆膜7。
优选的，所述塔板6为圆缺状，塔板6的外堰上设置有堰边11，所述堰边高为15-30mm，所述堰边11使塔板形成液封层，使氢气鼓泡而上，使其余部分冷却水从堰边上流下，形成了较为均匀的水帘，有效地增加了气液接触面积。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）本发明一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，在氢气提纯前对氢气进行除水脱氧，以及对纯度较低的氢气进行二次变压吸附，大大提高了氢气的纯度，提高了氢气的生产效率。
（2）本发明一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，通过设置氢气冷却器，氢气冷却器独特的结构设计能够使氢气在氢气冷却器中进行充分降温，改善了氢气的冷却效果。
（3）本发明一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，通过设置第一储罐和第二储罐，经PSA吸附装置除杂后的氢气按纯度进行分类储存，对纯度较低的氢气进行二次变压吸附除杂，提高了氢气的纯度。
（4）本发明一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，通过设置脱氧器，脱氧器上设置有预热回热器，降低了脱氧后氢气的温度，除去明水，同时提高了脱氧前氢气的温度，提高了催化剂的活性，促进催化反应的进行，降低气体相对湿度，确保进入脱氧器的氢气未达到饱和状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明的流程示意图。
图2是本发明的整体结构示意图。
图3是本发明的脱氧器示意图。
图4是本发明的氢气冷却器示意图。
图5是本发明的塔板示意图。
图中：1、脱氧器；2、预热回热器；3、水池；4、氢气进口；5、塔体；6、塔板；7、防爆膜；8、氢气出口；9、进水口；10、出水口；11、堰边。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
实施例一
结合图1所示，一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，包括以下步骤：
S1、电解水生产氢气，在电解槽中电解水溶液，电解后生成氧气和氢气，将氧气存放在氧气储存装置中；
S2、气液分离，电解生成的氢气进入至氢分离器内，在重力的作用下进行气液分离；
S3、氢气冷却，利用氢气冷却器对氢气进行冷却；
S4、氢气除水，利用氢气捕滴器将氢气中的游离水除去；
S5、氢气除氧，经过除水处理的氢气经缓冲罐进入脱氧器内，氢气中的氧杂质在催化剂的作用下反应生成水，达到除去氧杂质的目的；
S6、氢气再次除水，除氧后的氢气经过氢气冷却器再次冷却，将氢气中的水蒸汽冷凝排出；
S7、氢气除杂，利用PSA吸附装置对氢气进行除杂，实现氢气的提纯；
S8、氢气收集，除杂后的氢气储存至氢气储罐内。
所述氢气储罐包括第一储罐和第二储罐，在步骤S7氢气除杂后，利用在线分析仪对除杂后的氢气纯度进行检测，高纯度的氢气存放至第一储罐，低纯度的氢气存放在第二储罐，第二储罐内的氢气经PSA吸附装置进行在次除杂。
所述电解槽以KOH溶液作为电解液，KOH溶液的浓度为20-40%。所述氢气捕滴器的管线上设置有在线分析仪，所述在线分析仪用于检测氢气中的氧含量。
所述氢气储罐的工作压力不大于2.8MPa，所述储罐上设置有放空阀、安全阀和压力表。
所述PSA吸附装置采用4-12塔流程，PSA吸附装置的吸附剂采用分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝，PSA吸附装置的吸附压力范围为1.0～3.0MPa。
在步骤S4、氢气除水中，除水结束后，对氢气的湿度进行检测，若氢气中的湿度高于预先设置的阈值时，则进行二次除水，直至氢气的湿度在合适的范围内。
实施例二
如图2-5所示，一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，包括：电解槽，所述电解槽内盛放有KOH溶液，所述电解槽的氧气端连接有氧气储存装置，所述电解槽的氢气端连接有氢分离器，含有碱液的氢气进入氢分离器，在重力的作用下，实现气液分离，所述氢分离器连接有氢气冷却器，氢气经氢气冷却器进行冷却，所述氢气冷却器连接有氢气捕滴器，所述氢气捕滴器将氢气中的游离水除去，所述氢气捕滴器连接有氢气缓冲罐，所述氢气缓冲器连接有脱氧器，脱氧器经微量的氧杂质在催化剂的作用下反应生成水，达到除氧的目的，所述脱氧器连接有氢气冷却器，此处氢气冷却器将氢气中的水蒸气冷凝排出，所述氢气冷却器连接有PSA吸附装置，所述PSA吸附装置将氢气中的水、二氧化碳及其它杂质进行吸附除杂，达到净化氢气的目的，所述PSA吸附装置的出口端连接有氢气储罐，所述氢气储罐用于储存除杂后的氢气。
所述脱氧器1连接有预热回热器2，原料氢气经过预热回热器2进行加热，加热后的氢气进入脱氧器1，原料氢气经过钯催化剂表面和氧发生反应生成水，脱氧后的氢气对预热回热器2进行加热。在脱氧过程中，脱氧之前先对氢气预热, 保证高于其水含量饱和温度10～ 15 ℃以上。避免脱氧器内因为局部漏热产生明水, 而在钯催化剂表面形成水膜, 因为氧和氢要在催化剂表面发生反应, 必须穿过这层水膜, 增加了氧和氢反应的难度。 如果预热不充分, 将会出现大量明水, 残氧量较高。脱氧器上设置有预热回热器，降低了脱氧后氢气的温度，除去明水，同时提高了脱氧前氢气的温度，提高了催化剂的活性，促进催化反应的进行，降低气体相对湿度，确保进入脱氧器的氢气未达到饱和状态。所述预热回热器出口端设置有温度传感器，所述温度传感器用于测量原料氢气的温度。
所述氢气捕滴器的管线上设置有在线分析仪，所述在线分析仪用于检测氢气中的氧含量。
所述氢气储罐包括第一储罐和第二储罐，所述第一储罐和第二储罐并联连接，所述第一储罐的进气管和第二储罐的进气管均设置有电磁阀，所述PSA吸附装置的出口端连接有线分析仪，所述在线分析仪用于检测氢气中杂质的含量，所述第一电磁阀用于盛放高纯度氢气，所述第二储罐用于盛放低纯度氢气。所述电磁阀连接有控制器，所述控制器与线分析仪连接，经PSA吸附装置除杂后杂质含量仍然较低时，第一储罐上的电磁阀开启，第二储罐上的电磁阀关闭，氢气进入至第一储罐，经PSA吸附装置除杂后杂质含量仍然较高时，第一储罐上的电磁阀关闭，第二储罐上的电磁阀开启，氢气进入至第二储罐。
所述第二储罐与PSA吸附装置的进气端连接，利用PSA吸附装置对第二储罐内的氢气进行变压吸附除杂，清除第二储罐内氢气的杂质获得高纯度的氢气，然后储存至第一储罐。
所述氢气经氢气冷却器冷却后，氢气的温度小于35度，经过冷却的氢气经氢压机吸入，加压至0.04-0.06MPa。
所述氢气冷却器包括水池3和塔体5，所述水池3位于塔体5的下侧，所述水池3上设置有出水口10，所述塔体5的下端设置有氢气进口4，塔体5的上端设置有氢气出口8，所述氢气出口8的下端设置有进水口9，所述塔体5的内壁设置有塔板6，所述塔体5的上端设置有防爆膜7。所述塔板6为圆缺状，塔板6的外堰上设置有堰边11，所述堰边高为15-30mm，所述堰边11使塔板形成液封层，使氢气鼓泡而上，使其余部分冷却水从堰边上流下，形成了较为均匀的水帘，有效地增加了气液接触面积。清水从氢气冷却器顶部加到顶层塔板6上，并依次交错经过四层塔板6和被洗涤下来的盐碱等杂质， 一起从塔底部出来，回流进水池3，实现对氢气降温的目的。
实施例三
一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，包括：电解槽，所述电解槽内盛放有KOH溶液，所述电解槽的氧气端连接有氧气储存装置，所述电解槽的氢气端连接有氢分离器，含有碱液的氢气进入氢分离器，在重力的作用下，实现气液分离，所述氢分离器连接有氢气冷却器，氢气经氢气冷却器进行冷却，所述氢气冷却器连接有氢气捕滴器，所述氢气捕滴器将氢气中的游离水除去，所述氢气捕滴器连接有氢气缓冲罐，所述氢气缓冲器连接有脱氧器，脱氧器经微量的氧杂质在催化剂的作用下反应生成水，达到除氧的目的，所述脱氧器连接有氢气冷却器，此处氢气冷却器将氢气中的水蒸气冷凝排出，所述氢气冷却器连接有PSA吸附装置，所述PSA吸附装置将氢气中的水、二氧化碳及其它杂质进行吸附除杂，达到净化氢气的目的，所述PSA吸附装置的出口端连接有氢气储罐，所述氢气储罐用于储存除杂后的氢气。
所述脱氧器1连接有预热回热器2，原料氢气经过预热回热器2进行加热，加热后的氢气进入脱氧器1，原料氢气经过钯催化剂表面和氧发生反应生成水，脱氧后的氢气对预热回热器2进行加热。在脱氧过程中，脱氧之前先对氢气预热, 保证高于其水含量饱和温度10～ 15 ℃以上。避免脱氧器内因为局部漏热产生明水, 而在钯催化剂表面形成水膜, 因为氧和氢要在催化剂表面发生反应, 必须穿过这层水膜, 增加了氧和氢反应的难度。 如果预热不充分, 将会出现大量明水, 残氧量较高。脱氧器上设置有预热回热器，降低了脱氧后氢气的温度，除去明水，同时提高了脱氧前氢气的温度，提高了催化剂的活性，促进催化反应的进行，降低气体相对湿度，确保进入脱氧器的氢气未达到饱和状态。所述预热回热器出口端设置有温度传感器，所述温度传感器用于测量原料氢气的温度。
所述PSA吸附装置采用4-12塔流程，PSA吸附装置的吸附剂采用分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝，PSA吸附装置的吸附压力范围为1.0～3.0MPa。
通过上述技术方案得到的装置是一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，在氢气提纯前对氢气进行除水脱氧，以及对纯度较低的氢气进行二次变压吸附，大大提高了氢气的纯度，提高了氢气的生产效率。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、电解水生产氢气，在电解槽中电解水溶液，电解后生成氧气和氢气，将氧气存放在氧气储存装置中；
S2、气液分离，电解生成的氢气进入至氢分离器内，在重力的作用下进行气液分离；
S3、氢气冷却，利用氢气冷却器对氢气进行冷却；
S4、氢气除水，利用氢气捕滴器将氢气中的游离水除去；
S5、氢气除氧，经过除水处理的氢气经缓冲罐进入脱氧器内，氢气中的氧杂质在催化剂的作用下反应生成水，达到除去氧杂质的目的；
S6、氢气再次除水，除氧后的氢气经过氢气冷却器再次冷却，将氢气中的水蒸汽冷凝排出；
S7、氢气除杂，利用PSA吸附装置对氢气进行除杂，实现氢气的提纯；
S8、氢气收集，除杂后的氢气储存至氢气储罐内。
2.根据权利要求1所述一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，其特征在于，所述氢气储罐包括第一储罐和第二储罐，在步骤S7氢气除杂后，利用在线分析仪对除杂后的氢气纯度进行检测，高纯度的氢气存放至第一储罐，低纯度的氢气存放在第二储罐，第二储罐内的氢气经PSA吸附装置进行在次除杂。
3.根据权利要求1所述一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，其特征在于，所述电解槽以KOH溶液作为电解液，KOH溶液的浓度为20-40%。
4.根据权利要求1所述一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，其特征在于，所述氢气捕滴器的管线上设置有在线分析仪，所述在线分析仪用于检测氢气中的氧含量。
5.根据权利要求1所述一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，其特征在于，所述氢气储罐的工作压力不大于2.8MPa，所述储罐上设置有放空阀、安全阀和压力表。
6.根据权利要求1所述一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，其特征在于，所述PSA吸附装置采用4-12塔流程，PSA吸附装置的吸附剂采用分子筛、活性炭、硅胶、活性氧化铝，PSA吸附装置的吸附压力范围为1.0～3.0MPa。
7.根据权利要求1所述一种基于变压吸附的高纯氢气制备方法，其特征在于，在步骤S4、氢气除水中，除水结束后，对氢气的湿度进行检测，若氢气中的湿度高于预先设置的阈值时，则进行二次除水。
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| CN115140707A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-10-04 | 西安热工研究院有限公司 | 制备单晶硅太阳能电池片用氢气获取装置及氢气计算方法 |
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| CN204589320U (zh) * | 2015-03-27 | 2015-08-26 | 淄博安泽特种气体有限公司 | 电解水制高氢普氧装置 |
| CN105268282A (zh) * | 2015-09-18 | 2016-01-27 | 北京环宇京辉京城气体科技有限公司 | 一种低温变压吸附制备超纯氢的方法 |
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