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文檔簡介

1、2009年一季度職工培訓(xùn)課程水電解制氫生產(chǎn)工藝主要內(nèi)容氫氣的性質(zhì)與用途水電解制氫裝置介紹氫氣純化裝置介紹第一章 氫氣的性質(zhì)和用途1:氫氣的性質(zhì)通常狀況下,氫氣是無色、無味的氣體。氫氣的分子量為2.0158,是最輕的氣體。標(biāo)準(zhǔn)狀況下,氫氣的密度為0.0899g/L,是所有氣體中密度最小的, 所有要比空氣輕得多。 在壓強(qiáng)為1.01325105Pa時(shí),無色液態(tài)氫的沸點(diǎn)為252.80(20.2K),雪狀固態(tài)氫的熔點(diǎn)為259.14(13.86K)。它粘度最小,導(dǎo)熱系數(shù)最高,化學(xué)性質(zhì)活潑、滲透性和擴(kuò)散性強(qiáng),因而在氫氣的生產(chǎn)、貯送和使用過程中都易造成泄漏。第一章 氫氣的性質(zhì)和用途氫氣還是一種強(qiáng)還原劑,可同許

2、多物質(zhì)進(jìn)行不同程度的化學(xué)反應(yīng),生成各種類型的氫化物。氫氣是一種易燃、易爆的氣體。在空氣中的爆炸極限:上限755,下限4:在純氧中的爆炸極限:上限94,下限4。氫氣的著火性能隨著溫度和壓力的不同而變化。通常壓力增加,溫度上升,可燃?xì)怏w混合物的著火下限降低,上限提高,著火范圍變寬。壓力、溫度下降則相反。氫氣的燃燒過程由于密閉、引燃的狀況和氣體組合等條件的不同,可以成為爆炸和爆轟兩種燃燒反應(yīng)中的任何一種。 第一章 氫氣的性質(zhì)和用途2:氫氣的用途 氫氣廣泛應(yīng)用于化學(xué)、冶金、電子、電力等工業(yè)部門。在化學(xué)化工方面,氫是合成氨、氯化氫、有機(jī)合成的氫化反應(yīng)和油脂硬化等的原料。在尼龍、塑料、農(nóng)藥的生產(chǎn)中也都離不

3、開氫,需要加入一定純度的氫氣,生產(chǎn)相應(yīng)的產(chǎn)品。在冶金工業(yè)中,氫氣的使用頗為廣泛。在有色金屬-鎢、鉬、鈦等的生產(chǎn)和加工中,使用高純度的氫氣作為還原氣。第一章 氫氣的性質(zhì)和用途在一些磁性材料、磁性合金的生產(chǎn)中,需要高純度氫氣作保護(hù)氣,以提高其磁性和穩(wěn)定性;在硅鋼片的生產(chǎn)中,需要高純度的氫氣作保護(hù)氣;在硬質(zhì)合金、粉末冶金材料的生產(chǎn)中,也需要高純度氫氣作保護(hù)氣:在一些薄板、帶鋼的軋制中常常使用氮?dú)?氫氣混合氣作為保護(hù)氣。在電子工業(yè)中,也十分廣泛地使用高純度氫氣,主要用于電子材料、半導(dǎo)體材料和器件、集成電路以及真空器件的生產(chǎn)。第一章 氫氣的性質(zhì)和用途氫氣在多晶硅生產(chǎn)中的應(yīng)用H2 Cl2 2HCl Q(燃

4、燒)Si3HCl H2 SiHCl3 Q (280-330)SiHCl32H2Si3HCl (1050-1100)SiCl42H2SiHCl3 3HCl(1200 )第一章 氫氣的性質(zhì)和用途工業(yè)制氫的常用方法氨分解制氫2NH33H2+N2-Q(650 催化劑作用)甲醇分解制氫CH3OH+H2OCO2+H2-Q(240 催化劑作用)水電解制氫第二章 水電解制氫裝置所謂電解就是借助直流電的作用,將溶解在水中的電解質(zhì)分解成新物質(zhì)的過程。1、電解水原理在一些電解質(zhì)水溶液中通入直流電時(shí),分解出的物質(zhì)與原來的電解質(zhì)完全沒有關(guān)系,被分解的是作為溶劑的水,原來的電解質(zhì)仍然留在水中。例如硫酸、氫氧化鈉、氫氧化鉀

5、等均屬于這類電解質(zhì)。在電解水時(shí),由于純水的電離度很小,導(dǎo)電能力低,屬于典型的弱電解質(zhì),所以需要加入前述電解質(zhì),以增加溶液的導(dǎo)電能力,使水能夠順利地電解成為氫氣和氧氣。氫氧化鉀等電解質(zhì)不會被電解,現(xiàn)以氫氧化鉀為例說明:(1)氫氧化鉀是強(qiáng)電解質(zhì),溶于水后即發(fā)生如下電離過程:于是,水溶液中就產(chǎn)生了大量的K+和OH-。第一節(jié) 水電解制氫裝置的工作原理第二章 水電解制氫裝置(2)金屬離子在水溶液中的活潑性不同,可按活潑性大小順序排列如下:KNaMgAlMnZnFeNiSnPbHCuHgAgAu在上面的排列中,前面的金屬比后面的活潑。(3)在金屬活潑性順序中,越活潑的金屬越容易失去電子,否則反之。從電化學(xué)

6、理論上看,容易得到電子的金屬離子的電極電位高,而排在活潑性大小順序前的金屬離子,由于其電極電位低而難以得到電子變成原子。H+的電極電位=-1.71V,而K+的電極電位=-2.66V,所以,在水溶液中同時(shí)存在H+和K+時(shí),H+將在陰極上首先得到電子而變成氫氣,而K+則仍將留在溶液中。第二章 水電解制氫裝置(4)水是一種弱電解質(zhì),難以電離。而當(dāng)水中溶有KOH時(shí),在電離的K+周圍則圍繞著極性的水分子而成為水合鉀離子,而且因K+的作用使水分子有了極性方向。在直流電作用下,K+帶著有極性方向的水分子一同遷向陰極,這時(shí)H+就會首先得到電子而成為氫氣。其化學(xué)反應(yīng)式如下 : 陰 極:2H2O+2eH2 +2O

7、H陽 極: 2OH2eH2O+1/2O2總反應(yīng)式:2H2O2 H2+ O2第二章 水電解制氫裝置在直流電作用于氫氧化鉀水溶液時(shí),在陰極和陽極上分別發(fā)生下列放電反應(yīng),見圖:第二章 水電解制氫裝置本裝置由電解槽、氣液處理器、整流裝置、控制柜(計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng))、加水泵、堿箱、水箱等幾大部分組成。第二節(jié) 水電解制氫裝置的組成第二章 水電解制氫裝置第二章 水電解制氫裝置電解槽第二章 水電解制氫裝置水電解槽是整套水電解制氫設(shè)備的核心,是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的地方,在電解小室的陰、陽電極上分別制得產(chǎn)品氫氣和氧氣。我們選用的電解槽為并聯(lián)雙極性壓濾型結(jié)構(gòu),若干根拉緊螺桿把二百多個(gè)電解小室壓緊在兩個(gè)厚實(shí)的端壓板之間。所

8、有的外連管道全部從兩端壓板上引出,上部為產(chǎn)品氣和堿液混合液的引出管,下部為循環(huán)堿液的引入管和排污管。端壓板采用平板結(jié)構(gòu)。直流電的引入方式為中間極板接正極,兩端極板接負(fù)極。 第二章 水電解制氫裝置電解槽的每個(gè)小室由陽極板、陽副極網(wǎng)、隔膜、墊片、陰副極網(wǎng)、陰極板組成。在電解槽中,每塊極板既是陽極又是陰極,中間極板為陽極,左右端極板為陰極,極板面向中間極板的一側(cè)為陰極,另一側(cè)為陽極。在陰極上產(chǎn)生氫氣,在陽極上產(chǎn)生氧氣。在槽體上除中間極板、左端極板、右端極板外,按極板處的位置不同又分為左極板和右極板,它們的區(qū)別在于出氣孔的位置不同。電解槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二章 水電解制氫裝置第二章 水電解制氫裝置處理器是一

9、個(gè)包含許多化工過程的多功能綜合設(shè)備,它的作用如下:(1)借助于重力,使水電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣與循環(huán)堿液分離。(2)借助于氫、氧分離器的壓力控制,保持電解槽小室中陰極側(cè)和陽極側(cè)的壓力平衡。(3)維持水電解過程中所需的電解液含量。并觀察液位。(4)通過處理器內(nèi)設(shè)置的蛇管冷卻循環(huán)堿液,控制槽溫。(5)除掉氣體中的堿霧及液滴并降低氣體溫度氣液處理器(包括氫氧分離器、氣體洗滌器、堿液及氣體冷卻器、堿液過濾器、屏蔽泵等)第二章 水電解制氫裝置氣液處理器的結(jié)構(gòu):該型處理器分為兩段,下部為分離冷卻段,上部為洗滌冷卻除霧段。第二章 水電解制氫裝置整流裝置:整流裝置由整流變壓器、整流柜組成,用于供給電解所需直流電

10、源。第二章 水電解制氫裝置控制柜:控制柜包括工控機(jī)(PLC)、二次儀表、氫氣和氧氣分析儀、穩(wěn)壓電源及操作按鈕、開關(guān)等、可實(shí)現(xiàn)自動檢測、調(diào)節(jié)、顯示、故障報(bào)警、聯(lián)鎖、自動開機(jī)與停機(jī)等功能。工控機(jī)是控制部分的核心。第二章 水電解制氫裝置堿液冷卻器的作用是冷卻循環(huán)堿液控制電解槽的溫度。氫(氧)氣體冷卻器的作用是冷卻電解產(chǎn)生的氫氣和氧氣。柱塞泵的作用是向系統(tǒng)輸送純水或補(bǔ)充電解堿液。屏蔽泵(堿液循環(huán)泵)的作用是對電解液進(jìn)行強(qiáng)制循環(huán),其循環(huán)的目的是:a補(bǔ)充槽休內(nèi)電解消耗的純水b帶走電解產(chǎn)生的熱量c增加電解液的攪拌,降低濃度差極化電壓d降低含氣度,減小功耗第三節(jié) 其它設(shè)備第二章 水電解制氫裝置第四節(jié) 工藝流程

11、介紹第二章 水電解制氫裝置第二章 水電解制氫裝置本制氫裝置基本由七個(gè)系統(tǒng)組成4.1氣體系統(tǒng)4.2電解液循環(huán)系統(tǒng)4.3氣體排空(氮?dú)庵脫Q)系統(tǒng)4.4原料補(bǔ)充系統(tǒng)4.5冷卻水系統(tǒng)4.6排污系統(tǒng)4.7補(bǔ)堿系統(tǒng)第二章 水電解制氫裝置4.1氣體系統(tǒng)當(dāng)電解槽接通直流電源,電解電流上升到一定數(shù)值時(shí),電解槽內(nèi)的水被電解成氫氣和氧氣。來自電解槽內(nèi)各電解小室陰極側(cè)的氫氣和堿液,借助循環(huán)泵的揚(yáng)程和氣體升力,經(jīng)堿液換熱器進(jìn)入氫分離洗滌器的分離段,在重力的作用下氫氣和堿液分離。分離后的氣體送入洗滌段,對氣體進(jìn)行冷卻、洗滌和除霧,然后進(jìn)入貯罐待用。第二章 水電解制氫裝置4.2電解液循環(huán)系統(tǒng)電解液循環(huán)的目的在于向電極區(qū)域補(bǔ)

12、充電解消耗的純水,帶走電解過程中產(chǎn)生的氫氣、氧氣和熱量,增加電極區(qū)域電解液的攪拌,減少濃差極化電壓,降低堿液中的含氣度,降低小室電壓,減少能耗等,以使電解槽在穩(wěn)定條件下工作。堿液循環(huán)的大小影響槽內(nèi)小室電壓和氣體純度。對手一個(gè)特定的電解槽,應(yīng)有一個(gè)合適的循環(huán)量。一般槽內(nèi)電解液更換次數(shù)為每小時(shí)2-4次。在常壓電解系統(tǒng)中,通常用自然循環(huán),而在壓力電解系統(tǒng)中,因電解裝置體積小,管道細(xì),氣液流通阻力大,加上電流密度較大,要求電解液更換的次數(shù)比較多,采用自然循環(huán)難于達(dá)到,因而采用堿液循環(huán)泵來強(qiáng)制循環(huán)。 第二章 水電解制氫裝置4.3氣體排空(氮?dú)庵脫Q)系統(tǒng)水電解制氫裝置設(shè)有充氮口,用于系統(tǒng)的氣密檢查與開機(jī)前

13、的氮?dú)庵脫Q。制氫系統(tǒng)開車后,氫氣純度達(dá)到要求后才能被送到貯罐(或凈化設(shè)備),在未達(dá)到要求純度以前的氫氣可通過調(diào)節(jié)閥后的氣體放空閥放空。當(dāng)水電解制氫裝置壓力壓差系統(tǒng)由于調(diào)節(jié)閥芯的磨損而出現(xiàn)失控現(xiàn)象時(shí)或因緊急事故需要將水電解制氫系統(tǒng)泄壓排空時(shí),可通過“手動”氣體放空閥,使氫氧氣體分別放出,但在操作中注意使氫氧分離器液位差不能過大。第二章 水電解制氫裝置4.4原料水補(bǔ)充系統(tǒng)電解過程中,裝置內(nèi)的原料水一直不停地在消耗,因此,為保證水電解的連續(xù)進(jìn)行,需要定期向裝置內(nèi)補(bǔ)充原料水。水箱中的水通過加水泵分別打入氫氧洗滌器,然后通過溢流管注入分離器下部的液相部分和循環(huán)堿液一并進(jìn)入電解小室進(jìn)行連續(xù)電解,同時(shí)使電解

14、液中堿的濃度保持在最佳使用范圍。補(bǔ)水過程中,只開啟單個(gè)補(bǔ)水回路,即只開氫側(cè)或氧側(cè)補(bǔ)水回路。第二章 水電解制氫裝置4.5冷卻水系統(tǒng)總管中的冷卻水共分為三路:一路進(jìn)入整流柜供可控硅元件冷卻,一路進(jìn)入氫(氧)洗滌器的蛇管或進(jìn)入氣體冷卻器冷卻氫(氧)氣體。另一路冷卻水通過氣動薄膜調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入堿液冷卻器中,根據(jù)循環(huán)堿液溫度的高低自動控制冷卻水量,從而達(dá)到控制操作溫度的目的。如有純化裝置還需要增加一路冷凍水進(jìn)入氣體冷卻器中,以給待干燥的氣體降溫或冷卻從干燥器出來的再生氣體。第二章 水電解制氫裝置4.6排污系統(tǒng)排污管道共分四處:一、堿液過濾器底部,通過過濾器排污閥排出堿液和過濾器中過濾下來的石棉絨雜質(zhì)及污

15、物。二、水箱底部排污口,通過排污閥排出箱中的污物或殘液。三、堿箱底部排污口,通過排污閥排出箱中的污物或殘液。 。四、從氫氣干燥部分的氣水分離器中排出冷凝水。第二章 水電解制氫裝置4.7補(bǔ)堿系統(tǒng)當(dāng)裝置需要補(bǔ)堿時(shí),應(yīng)在停機(jī)泄壓狀態(tài)下進(jìn)行,按要求計(jì)算應(yīng)補(bǔ)充堿的數(shù)量,重新配制堿液,通過堿箱到電解槽的閥門系統(tǒng)將堿液打入電解槽中。第二章 水電解制氫裝置水質(zhì)要求:配制堿液和補(bǔ)充電解用水,應(yīng)是二次蒸餾水或合格的去離子。對水的要求為:電阻率一般在1105 1106cm(或電導(dǎo)小于10uS/cm),干殘?jiān)?-7mg/L,氯含量 6mg/L,鐵離子含量1mg/L。KOH要求:采用分析純或優(yōu)級純,KCl或NaCl

16、 0.1%含量;碳酸鹽含量0.5%;硫酸鹽含量0.1%;無其它金屬離子。五氧化二釩(V2O5)要求:采用分析純,在電解液中含量為千分之二。第五節(jié) 原料要求第三章 氫氣純化裝置隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,許多工業(yè)生產(chǎn)、科研部門都需使用高純度氫氣。比如在半導(dǎo)體器件、集成電路生產(chǎn)、有色金屬冶煉和加工、氣體工業(yè)及液氫生產(chǎn)等等方面,都要使用純度為99.999%到99.9999%的高純度氫氣。但是目前工業(yè)上的各種制氫方法所制取的氫氣純度都不能滿足上述要求,因此。各種就要把低純度氫氣經(jīng)過純化處理來對其提純。第三章 氫氣純化裝置氫氣純化的方法:1.催化反應(yīng)法:利用各種催化劑去除氫氣中的氧雜質(zhì)等。一般可將氫氣中的氧

17、氣雜技從百分之幾純化到PPM級,甚至PPB級。這種方法還可用于去除氮等惰性氣體中的氧雜質(zhì),去除氧氣中的氫和烴類雜質(zhì)。2.選擇吸附法:利用各種吸附劑選擇性吸附氣體中的各種雜質(zhì)。當(dāng)去除氫氣中的水份時(shí),可采用吸附干燥法;需去除氫氣中的各種雜技時(shí),可采用低溫吸附法或變壓吸附法。3.鈀膜擴(kuò)散法:利用氫氣能透過鈀合金的我,可將敢純化到99.9999%含水量達(dá)到露點(diǎn)-70 -80 。4.吸收法:以溶液吸收為基礎(chǔ)的吸收法,由吸收塔和再生塔組成,吸收和再生是在一定的溫度和壓力下進(jìn)行的。第三章 氫氣純化裝置5.低溫純化制取超純氫:氫氣低溫純化裝置是制取超純氫(99.9999%)的設(shè)備,氫氣中的雜質(zhì)在低溫(液氮溫區(qū)

18、)時(shí),易被某些吸附劑吸附或其吸附量大大增加,可根據(jù)雜質(zhì)的組分和含量確定使用活性炭類、分子篩系列或硅膠系列的吸附劑,也可采用組合式吸附劑,確保裝置高效低成本運(yùn)行,以滿足對氫氣純度有極高要求的用戶。水電解制得的氫氣純度可達(dá)到99.7%以上。其中的雜質(zhì)主要是O2 和H2O ,還有微量的N2、CH4等。采用催化脫氧-吸附干燥法純化后的純氫中殘氧量2ppm ,露點(diǎn)可達(dá)-80 ,已能滿足我們的需要,因此我們就選用這種純化方法。第三章 氫氣純化裝置吸附一般是指較稀疏的物質(zhì)被吸附劑(多半為固體)的表面所吸收的現(xiàn)象,吸附一般為放熱過程,該熱量稱為吸附熱。如何解釋吸附現(xiàn)象呢?因?yàn)楣腆w表面原子和固體內(nèi)部原子的處境不

19、同,內(nèi)部原子所受的力是對稱的,表面所受的力是不對稱的,表面原子的力是不飽和的,因而有剩余力,氣體分子碰撞固體表面時(shí),受到這種力的影響而停留,就產(chǎn)生吸附。這種對溶質(zhì)有吸附能力的固體稱為吸附劑,而被固體吸附的物質(zhì)稱為吸附質(zhì)。吸附概念第三章 氫氣純化裝置氣體吸附包括物理吸附和化學(xué)吸附兩種。物理吸附:若吸附劑和吸附質(zhì)之間是通過分子間的引力(即范德華力)而產(chǎn)生的吸附,稱為物理吸附。它是無選擇性的吸附,任何固體都有可能吸附氣體,吸附量會因吸附劑及被吸附的物質(zhì)的種類的不同相差很多,易于液化的氣體易被吸附,脫附也較容易?;瘜W(xué)吸附:若吸附劑與吸附質(zhì)之間產(chǎn)生了化學(xué)作用,生成化學(xué)鍵引起的吸附,稱為化學(xué)吸附。它是一種

20、有選擇性吸附,吸附劑只是對某些氣體有吸附作用,吸附熱數(shù)值很大,且不易脫附,可以看成是表面化學(xué)反應(yīng)。第三章 氫氣純化裝置吸附干燥過程屬于物理吸附,是依靠分子間力的作用將氣體分子吸引到吸附劑上,吸附劑是一種具有大量微孔的固體,其內(nèi)部微孔的比表面積在300/g左右甚至更高。當(dāng)含水氫氣通過微孔時(shí)屬于極性分子的水就被強(qiáng)烈的吸附在微孔的表面,屬于非極性分子的氫則不易被吸附而順利通過微孔,這樣就達(dá)到消除水分的目的。影響吸附劑的因素很多,但當(dāng)吸附劑和吸附質(zhì)確定后,吸附量就只與吸附質(zhì)的分壓(成正比)和溫度(成反比)有關(guān)了。常用的干燥吸附劑有硅膠、活性氧化鋁和分子篩等,根據(jù)產(chǎn)品的要求,可以選用其中的一種和多種組合為干燥劑吸附干燥第三章 氫氣純化裝置存在于氣體中的有害雜質(zhì),有時(shí)不能

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