Способность некоторых интерметаллических соединений селективно и обратимо поглощать большие объемы водорода с образованием гидридных фаз является одним из эффективных способов отделения водорода от некоторых загрязняющих его примесей. Наличие примесей в газовой фазе негативно сказывается на кинетике сорбции водорода. Основными факторами, снижающими скорость сорбции являются уменьшение эффективной теплопроводности металлогидридной засыпки по сравнению со случаем, когда газовая фаза представляет собой чистый водород, ухудшение теплоотвода, перегрев аккумулирующей среды и снижение парциального давления водорода при накоплении примесей в системе. В настоящее время наиболее распространёнными методами очистки водорода при помощи металлогидридов являются следующие: метод короткоцикловой абсорбции и метод продувки водорода сквозь металлогидридную засыпку. С использованием разработанной математической модели выполнена серия расчетов для оптимизации работы таких систем. Модель включает в общем случае систему трехмерных нестационарных уравнений сохранения массы и энергии для твердой и газовой фаз, а также уравнение сохранения импульса для газовой фазы. При этом предполагается, что газовая фаза представляет собой гомогенную смесь, состоящую из N компонентов, одним из которых является водород. Твердая фаза неподвижна и может состоять из непроницаемых структур (стенки реактора и охлаждающих каналов и т.п.), проницаемых «пассивных» структур (перфорированные стенки), не поглощающих водород, и «активных» структур (слои частиц ИМС). Изменение объема твердой фазы в процессе сорбции не учитывается. Модель была верифицирована на доступных литературных данных как для случая сорбции/десорбции чистого водорода, так и для случая сорбции водорода загрязненного примесями (рис. 1).
Рис. 1 Верификация модели
Принципиальная схема проточной системы очистки водорода представлена на рисунке 2.
Рис. 2. Схема расчетной области
В качестве загрязняющей водород пассивной (не отравляющей металлогидрид) примеси рассматривался азот. Предполагалось, что в начальный момент времени реактор был заполнен смесью азота с небольшим количеством водорода (мольные доли равнялись 0,95 и 0,05). Начальное давление в системе – 0,5-2,0 МПа. В качестве граничных условий на входе задавалось постоянное значение давления (0,5-2,0 МПа.) и мольная доля водорода, которая в течение первых 10 сек. увеличивалась с 0,05 до 0,75. Плавное изменение мольной доли водорода было использовано для того, чтобы избежать скачков концентрации в системе. На выходе задавалось значение давления, величина которого определялась с помощью специально разработанного алгоритма, моделирующего работу регулятора расхода. Данный алгоритм выполнял плавную корректировку выходного давления таким образом, чтобы выдержать постоянное значение расхода на входе.
Типичный пример расчетов представлен на видео, подготовленном с помощью программы ParaView. На видео представлены поля доли прореагировавшего сплава (0 – сплав не содержит водорода, 1 – сплав насытился водородом), температуры засыпки и концентрации водорода в газовой смеси. Давление на входе 0,8 МПа. Плотность массового расхода водорода 53 н.л./(м2с).