طراحی یک سیستم کرایوژنیک برای مایع کردن هیدروژن

امروزه هیدروژن به عنوان یک حامل انرژی مناسب مطرح می باشد. با توسعه ابعاد مطالعات نظری و اجرایی و برنامه ریزی انرژی کشور در چارچوب بهره برداری از حامل های انرژی و درآمدهای آن و استفاده از آنها به طور مطلوبتر، ایمنتر و بویژه در مسافتهای زیاد، ارائه طراحی سیستم کرایوژنتیک برای مایع سازی هیدروژن ضروری است. یکی از بهترین فرآیندها برای مایع سازی هیدروژن، فرایند لیند-هامپسون با پیش سردکن است که طراحی آن با انتخاب بهترین نوع تجهیزات ارائه گردیده است. در این پروژه، اجزای اصلی چرخه مایع سازی که عبارتند از کمپرسور، مبدل حرارتی، واحد خالص سازی و خشک کردن، راکتور کاتالیستی تبدیل هیدروژن اورتو به پارا، شیر انبسازی و مخزن ذخیره سازی، به طور جداگانه طراحی شده اند. در این طراحی از کمپرسور رفت و برگشتی با نسبت تراکم 1: 40 و توان 28 کیلووات برای فشرده کردن گاز هیدروژن استفاده شده است. عمده ناخالصی های گاز هیدروژن، بخار آب و اکسیژن می باشد که غلظت آنها حدود 001/0 درصد حجمی است. برای جلوگیری از خطرات احتمالی ناخالصی ها در چرخه، آنها توسط ‏‎631kg/m2‎‏ سیلیکاژل در بستری به طول 9/0 متر، حذف می شوند. در این چرخه سه مبدل حرارتی صفحه ای-پره دار با سطوح 17/10، 3072/0 و 865/10 مترمربع بکار رفته که گاز هیدروژن با شدت جریان کنترل شده ‏‎0/53kg/hr‎‏ را تا دمای وارونگی آن سرد می نمایند. تعداد پره های بکار رفته در این مبدل ها 5/12 پره در هر 02/0 متر می باشند. در این طراحی از دو شیر انبساطی از جنس فولاد کربنی به قطر ‏‎5/047*10‎‏ متر و نسبت طول به قطر یک استفاده شده تا جریان گاز هیدروژن را با شدت ‏‎22/14m/sec‎‏ تخلیه کنند و در اثر افت ناگهانی فشار دما کاهش یافته و باعث تولید هیدروژن مایع شوند. در این شیرها مقداری از گاز، مایع می شود . برای ذخیره هیدروژن مایع از مخزن ذخیره سازی دو جداره به شکل استوانه استفاده می گردد که مخزن درونی فولاد ضد زنگ به ضخامت 92/0 میلیمتر و مخزن بیرونی، فولاد کربنی به ضخامت 9/0 میلیمتر می باشند. ضمنا از آنجا که در این فرایند درصد بالای پاراهیدروژن مدنظر می باشد، لذا از راکتورهای کاتالیستی همدما، غوطه ور در حمام نیتروژن مایع، به حجمهای 110، 772 و 4800 سانتیمتر مکعب با کاتالیزور ژل اکسید آهن ‏‎iii‎‏ استفاده شده است. طراحی چنین راکتورهای شبیه راکتور لوله ای با جریان قالبی می باشند. لازم به ذکر است که مخازن نیتروژن مایع به عنوان پیش سردکن با حجم 8/1 مترمکعب به ابعاد راکتور تبدیل هیدروژن اورتو به پارا، با دیواره عایق از جنس اپوکسی و فایبرگلاس ساخته می شوند. ضمنا در این پروژه، سیستم در حالت بهینه برای ظرفیت ‏‎300lit/hr‎‏ طراحی شده است.