Back to Blog

Moleküler Eleme 5A Hidrojen PSA için: %99,99 Saflık, Kuyruk Gazı Geri Döngüsü ve Yatak Tasarımı

---

Hidrojen Basınç Değişim Adsorpsiyonu Neden Doğru Moleküler Eleveye Bağlıdır

Hidrojen basınç değişim adsorpsiyonu, dünya genelindeki rafineri hidrojen tedarikinin yaklaşık %60'ında ana arıtma adımıdır. Katalitik reformörlerden, buhar-metana reformör (SMR) ürün gazından, kısmi oksidasyon (POX) sentetik gazından ve elektrolizör çıkışından gelen rafineri boşaltma gazı, müşteriye ulaşmadan önce bir PSA kulesinden geçer. PSA ünitesi, %60 ila %95 oranında hidrojen içeren bir besleme gazını alır ve %99.9 ila %99.999 saflığında H2 verir. Kirlilik profili uygulamaya bağlıdır: rafineri hidrokraker geri dönüşümü %95 ila %99 saflık gerektirir, yarı iletken float-zone kristal büyütme %99.999 saflık gerektirir, yakıt hücresi araç doldurma ISO 14687 Sınıf D gerektirir.

Adsorban yatak sonucu belirler. Eleve derecesini yanlış seçerseniz ya geri kazanımı kaybedersiniz (ve besleme gazı sıkıştırma için daha fazla ödeme yaparsınız) ya da saflığı kaybedersiniz (ve aşağı akım katalizörleri, yarı iletken levhaları veya yakıt hücreleri yığınlarını zarar verirsiniz). Eleve ömrünü yanlış hesaplarsanız, işletme maliyeti hesaplamanız çöker çünkü eleme değişim maliyeti ünite ömrüne yayılır.

Çoğu rafineri ve petrokimya H2 akışları için doğru eleme 5A'dır. Yüksek-CO2 sentetik gaz veya biyogazdan elde edilen H2 için bazen 13X doğru elemedir. Birincil PSA'dan sonra iz izleme için bazen aktif karbon veya 13X eklenir. Bu makale, 5A durumuna odaklanıyor: kimya, döngü tasarımı, kütle dengesi, geri kazanım ve endüstriyel H2 PSA için 10 yıllık toplam sahip olma maliyeti.

5A yatak boyutunu herhangi bir H2 akış hızı için nasıl ölçeklendireceğinizi, 2 yataklı ve 10 yataklı döngü konfigürasyonları arasında nasıl seçim yapacağınızı, proses simülatörü olmadan hidrojen geri kazanımını nasıl tahmin edeceğinizi ve geri besleme bileşiminiz için rejenerasyon sıcaklığını ve kuyruk gazı geri dönüşüm oranını nasıl ayarlayacağınızı öğreneceksiniz. Makale, gerçek dünya operasyon verilerine karşı yöntemleri doğrulayabilmeniz için rafineri vaka çalışması (1000 Nm3/s, 20 barg besleme) ve daha küçük bir yarı iletken vaka (100 Nm3/s, 30 barg besleme) ile sonlanıyor.

5A Kimyası: Neden 5 Angstrom Gözenek Hidrojen için Kazanır

5A tipi moleküler eleve, Linde Tip A zeolit iskeletinin kalsiyum değişimi formudur. A tipi iskeletin gözenek açıklığı yaklaşık 5 Angstromdur, bu nedenle eleme 5A olarak adlandırılır. Gözenek içinde, kalsiyum katyonları (Ca2+) dört kristalografik noktada yer alır ve polarize edilebilir moleküllerle güçlü elektrostatik etkileşim oluşturur.

5A'da tipik PSA koşullarında (20 barg besleme, 0.5 barg desorpsiyon, 40 derece C) seçicilik sırası şöyledir:

Güçlü bir şekilde adsorplanmış: H2O, CO2, H2S, COS, C2H4, C2H6, n-C4H10, n-parafinler Orta derecede adsorplanmış: CO, CH4, N2 Zayıf bir şekilde adsorplanmış: H2, He

Hidrojen (kinetik çapı 2.89 Angstrom) 5A penceresinden neredeyse engelsiz geçer. Karbon monoksit (3.76 Angstrom), azot (3.64 Angstrom) ve metan (3.80 Angstrom) hepsi gözenek girdiğinde, kalıcı dört kutuplu momentleri kalsiyum katyon alanıyla etkileşime girdiği için güçlü bir şekilde adsorplanır. Bu, H2 PSA'nın tam prensibidir: H2 yataktan akar, kirleticiler yakalanır ve yatak depresurize edilerek boşaltılarak rejenerasyon sağlanır.

Neden Rafineri H2 için 5A ve 13X değil

13X, her şeyi içeri alan 10 Angstrom gözenek açıklığına sahiptir, bu da propan (3.8 Angstrom kinetik çap, ancak esnek), n-bütan ve C3 üzeri çoğu hidrokarbonu içerir. Rafineri H2 akışlarında besleme tipik olarak, üst akım amin veya soğuk kutupla tam olarak uzaklaştırılamayan 1 ila 5 mol yüzdesinde C3+ hidrokarbonlar içerir. Bu ağır hidrokarbonlar 13X'e adsorplandığında, tipik PSA rejenerasyon sıcaklıklarında 200 ila 280 derece C'de uzaklaştırılamazlar. Bunlar katyon noktalarında polimerleşir ve kapasiteyi kalıcı olarak düşürür.

5A, gözenek ağzında C3+ hidrokarbonları dışlar. 5 Angstrom penceresi, propanı (3.8 Angstrom kinetik çap artı esneklik), n-bütanı ve tüm daha ağır molekülleri fiziksel olarak engeller. Sadece C1 ve C2 türleri gözenek girer ve bunlar 250 derece C'de temiz bir şekilde desorplanabilir. Bu tek fark, 5A'nın varsayılan rafineri H2 PSA adsorbanı ve 13X'in özel beslemeler için saklandığı nedenidir.