第一章 工艺概述
从20世纪90年代起，用水为原料生产氢气在制氢工艺中占据越来越重的地位。而水制氢参夹着大量的杂质，从而使制氢后就存在一个纯化工艺。三塔流程作为纯化再生过程的—种，已逐步代替两塔流程而占据主导地位。了纯化再生罐的结构、工作原理，并根据纯化再生的工艺分析其控制要求，为纯化再生温度控制系统设计做准备。
1.1 制氢工艺原理流程
水电解制氢系统的工作原理是由浸没在电解液中的一对电极中间隔以防止气体渗透的隔膜而构成的水电解池，当通以一定的直流电时，水就发生分解，再阴极析出氢气，阳极析出氧气[1]。
本系统主要由电解槽、气液处理器、加水泵、水碱箱、制氢控制柜、整流柜、 整流变压器等组成。如图1.1所示
去离子水(加水泵) 纯水 去离子水 氢分离器 碱液过滤器 去离子水 氧分离器 氢洗涤器 薄膜调节阀 氢气缓冲罐 电解槽 碱液(加水泵) 纯化器 2．5、工艺流程简述 产品氢气 氧洗涤器 图1.1 制氢工艺流程
薄膜调节产品氧气 去离子水 由于本次设计的课题为纯化再生温度控制系统设计，故主要研究的对象为纯化
器，由制氢工艺流程分析可得到含有的主要杂质有氧气、水蒸气、氮气、粉尘、碳。而本次设计主要考虑的对象为氧气与水分。
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1.2工艺要求
目前的市场主流要求氢气浓度≥99.999% ，其中氮气（N2 ）＜4ppmV、总碳含量＜1ppmV、氧气（O2 ）＜ 1ppmV、氢气干燥后要求加丝网目≦1μ 的过滤器[2]。
1.3纯化再生工艺
纯化再生主要包括的工艺过程为：脱氧、除水以及催化剂的再生。 （1）脱氧工艺
本装置采用催化脱氧的原理，脱氧罐内装有催化剂，在催化剂的催化下氢气与氧气反应生成水，已达到出去氢气中杂质氧气的目的， 满足对氢气含氧量有一定要求的用户。脱氧器主要包括：铂电阻、电缆、金属外壳内置催化剂的，其结构图1.2所示
[3]
图1.2 脱氧罐示意图
当投入工作时含杂质较高的氢气从左上方a口进入，经电加热元件加热后进入催化剂床层，氢气和氧气在催化剂的作用下发生化合反应生成水，水以气态的形式随氢气从a口下面的b口流出脱氧器。
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在催化剂床层的上部和下部各装有一个铂电阻。分别用来检测催化剂床层上部和下部的温度。
下部铂电阻检测温度达到设定温度时，会暂停电加热元件，待温度低于设定温度后，会再次启动电加热元件。
上部铂电阻检测温度达到设定温度（联锁）时，会停止电加热元件，再次启动电加热元件则需要操作人员的手动操作。 （2）干燥再生工艺
干燥器内装有吸附容量大、耐温性好的干燥剂。利用干燥剂在常温或低温条件下把氢气中的水分吸附走，已达到工艺以及客户的要求。而再生是指吸附剂的再生，对干燥剂进行加热，使其中吸附的水分脱离出来，达到吸附剂的再生。 干燥过程与脱氧过程很相似，区别是利用不是一样的催化剂和气体的流向不一样，干燥过程利用的是干燥剂，干燥过程不需要加热甚至是低温下工作，其工作过程是当投入工作时含杂质较高的氢气从b口进入，经电加热元件加热后进入催化剂床层，氢气和氧气在催化剂的作用下发生化合反应生成水，水以气态的形式随氢气从a口流出脱氧器。
在催化剂床层的上部和下部各装有一个铂电阻。分别用来检测催化剂床层上部和下部的温度。
下部铂电阻检测温度达到设定温度时，会暂停电加热元件，待温度低于设定温度后，会再次启动电加热元件。
上部铂电阻检测温度达到设定温度（联锁）时，会停止电加热元件，再次启动电加热元件则需要操作人员的手动操作。
干燥再生装置根据干燥器的数量可分为两塔流程和三塔流程。两塔流程采用原料氢气作为再生气，本次设计主要研究三塔流程，采用了三台干燥器，使用产品氢气作为再生气，再生效果好，产品氢气的露点可达到-70℃以下。该装置采用产品氢气对吸附饱和的干燥器进行再生。三台干燥器交替工作、再生、吸附，以实现整套装置工作的连续性。
一个切换周期中，干燥器共经历3个状态： Z1状态：A工作B再生C吸附；
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Z2状态： B工作C再生A吸附； Z3状态：C工作A再生B吸附。
整个干燥部分的工作状态按一定周期循环往复执行，其工作周期一般为24h，即每个状态各为8h。
Z1状态：氢气由干燥器A下部接口进入，容器内氢气所含有的饱和水蒸气被干燥剂吸附，干燥的氢气由干燥器A上部接口流出，经气动三通球阀后分为两路，一路流向干燥器B，另一路经截止阀进入产品气管道；两路的气量分配通过截止阀调节，一般情况下该截止阀处于关闭状态，全部气量都流向干燥器B，当处于再生状态的干燥器加热连锁时间超过3h，并且电加热元件完好时，可适当调节截止阀开度，使加热连锁时间小于3h即可；
由干燥器A流出的高纯干燥氢气经气动三通球阀从干燥器B上部接口进入干燥器B，在B内加热器元件自动启动，氢气经电加热器加热升温，然后流经干燥剂床层，干燥剂上吸附的水分与热的氢气接触，以水蒸气形式从干燥剂上脱附，随氢气一同经干燥器B的下部接口流出；
被冷却的氢气经气动三通球阀、气动三通球阀、气水分离器C、氢气由干燥器C下部接口进入，氢气中含有的饱和水蒸气被干燥剂吸附，干燥后的氢气由干燥器C上部接口流出，经气动三通球阀进入过滤器，氢气中含有的粉尘被滤除，最终合格的产品氢气流出纯化装置；其过程如图1.3所示
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图1.3 A工作B再生C吸附流程图
Z2状态：当Z1状态运行总时间达到8h时，干燥器B再生结束；由程序控制，干燥器A、B、C自动切换为Z2状态，流程简述为：
氢气由干燥器B下部接口进入B，干燥的氢气由干燥器B上部接口流出，经气动三通球阀后一路流向干燥器C，另一路部分氢气经截止阀进入产品气管道；由干燥器B流出的干燥氢气经气动三通球阀由干燥器C上部接口进入C，在C内加热器元件自动启动，氢气经电加热器加热升温，氢气和水蒸气的混合气体由干燥器C的下部接口流出，被冷却的氢气经气动三通球阀、气动三通球阀、气水分离器B、冷却器B从干燥器A下部接口进入干燥器A，干燥后的氢气由干燥器A上部接口流出，经气动三通球阀进入过滤器，氢气中含有的粉尘被滤除，产品氢气流出纯化装置；如图1.4所示
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图1.4 B工作C再生A吸附流程图
Z3状态：Z2状态总计运行8小时后，装置自动切换至Z3状态，流程简述为： 经过脱氧的氢气由干燥器C下部接口进入，干燥后的氢气由干燥器C上部接口流出，经气动三通球阀后一路流向干燥器A，另一部分氢气经截止阀进入产品气管道；从干燥器C流出的干燥氢气经气动三通球阀由干燥器A上部接口进入，在A内加热器元件自动启动，氢气经电加热器加热升温，氢气和水蒸气的混合气体由干燥器A的下部接口流出，经冷却，被冷却的氢气经气动三通球阀、气动三通球阀、气水分离器C、冷却器C由干燥器B下部接口进入干燥器，干燥后的氢气由干燥器B上部接口流出，经气动三通球阀进入过滤器，氢气中含有的粉尘被滤除，产品氢气流出纯化装置；
Z3状态中当干燥器A连锁温度达到设定温度值或加热持续时间达到设定时间值后，电加热元件断电，不再加热氢气，干燥器A进入吹冷阶段。如图1.5所示。
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图1.5 C工作A再生B吸附流程图
Z3状态运行8小时后，一个切换周期完成，系统自动进入下一个切换周期。
1.4控制方式的缺陷
（1）二位式控制的缺陷
分析纯化再生的过程，可以发现采用二位式温度控制方式，而二位控制是位式控制规律中最简单的一种。所谓二位控制实质上是一个典型的非线性控制。执行器只有“开”或“关”两种极限输出状态，故称这种控制器为两位调节器，理论上来说，我们的调节阀不适合做二位控制，可以使用更为合适的电磁阀（只有开、关两种状态）控制[4]。 （2）温度检测点不足
从干燥设备的角度分析，整个电加热系统存在一个很大缺陷，干燥器缺少内芯温度检测元件。正常的电加热系统都要有两个或者三个温度检测点，分别为加热腔温度或出口温度，电加热器内芯温度。而内芯温度都不参与温控控制，用于设备保护超温联锁跳停。
由于缺少内芯温度，真实电加热器温度只能通过两只铂电阻体现，按照铂电阻的安装位置时间离电加热器内芯有很大的空间距离。干燥器工作时内部的的吸附剂
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和氢气，由于氢气是很差的热导体，内芯温度远远高于铂电阻测量得到的温度。整个电加热内芯的散热只有通过氢气流带走，目前已经出现过后端出口堵塞引起散热不良烧坏加热器和密封垫片的事故。
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1.4本章小结
本章首先介绍了制氢工艺流程，分析纯化再生设备结构特点，对系统中关键设备进行了分析和阐述。提出控制的不足，并根据工艺特点提出控制要求。
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
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