Sistema de purificação de hidrogênio

O hidrogênio é um promissor transportador de energia limpa que pode ser usado em diversas aplicações, como células de combustível, geração de energia e transporte. No entanto, a produção de hidrogénio envolve frequentemente impurezas que podem afetar a sua qualidade e desempenho. Portanto, a purificação do hidrogênio é uma etapa essencial para garantir a eficiência e segurança da utilização do hidrogênio.

Adsorção do balanço de pressão
A adsorção por oscilação de pressão (PSA) é um método amplamente utilizado para purificação de hidrogênio que se baseia na adsorção seletiva de impurezas em materiais porosos, como carvão ativado ou zeólitas, sob alta pressão. As impurezas adsorvidas são então liberadas reduzindo a pressão e lavando o adsorvente com um gás de purga. O PSA pode atingir alta pureza e recuperação de hidrogênio, mas também requer alto consumo de energia, equipamento grande e regeneração periódica do adsorvente.

Separação de membrana
A separação por membrana é outro método comum para purificação de hidrogênio que utiliza materiais finos e permeáveis, como polímeros, metais ou cerâmicas, para separar o hidrogênio de outros gases com base em seu tamanho, formato ou afinidade molecular. A separação por membrana pode operar em pressão e temperatura baixa ou ambiente, o que reduz os custos de energia e de capital. No entanto, a separação por membrana também enfrenta desafios como incrustação, degradação e seletividade da membrana.

Destilação criogênica
A destilação criogênica é um método de purificação de hidrogênio que explora os diferentes pontos de ebulição do hidrogênio e de outros gases. Ao resfriar a mistura gasosa a temperaturas extremamente baixas, o hidrogênio pode ser separado como vapor enquanto as impurezas são condensadas como líquidos. A destilação criogênica pode atingir pureza e recuperação muito altas de hidrogênio, especialmente para a remoção de gases inertes como nitrogênio e hélio. No entanto, a destilação criogênica também envolve alto consumo de energia, equipamentos complexos e riscos de segurança.

Difusão de paládio
A difusão de paládio é um método de purificação de hidrogênio que utiliza a propriedade única do metal paládio, que pode absorver e difundir átomos de hidrogênio através de sua estrutura de rede. Ao aplicar um gradiente de pressão ou temperatura através de uma fina membrana de paládio, o hidrogênio pode ser transportado seletivamente de um lado para o outro, deixando para trás as impurezas. A difusão do paládio pode atingir pureza ultra-alta e recuperação de hidrogênio, mas também sofre com o alto custo do material, disponibilidade limitada e suscetibilidade a envenenamento e fragilização.

Métodos biológicos
Os métodos biológicos são métodos emergentes para purificação de hidrogênio que empregam microorganismos, como bactérias, algas ou fungos, para converter ou remover impurezas do gás hidrogênio. Por exemplo, algumas bactérias podem utilizar monóxido de carbono, uma impureza comum na produção de hidrogénio, como substrato para crescimento e produzir dióxido de carbono e água como subprodutos. Os métodos biológicos podem oferecer baixo consumo de energia, benefícios ambientais e produtos com potencial valor agregado. No entanto, os métodos biológicos também enfrentam desafios como baixa eficiência, escalabilidade e estabilidade.

Pela primeira vez, os pesquisadores recuperaram 98,8% do hidrogênio do fluxo de saída de um reator convencional de mudança de gás e água resfriado a água, que é o valor mais alto já registrado.

Nos métodos tradicionais de separação de hidrogênio, é utilizado um reator de deslocamento água-gás, o que requer uma etapa adicional. No reator de mudança de gás água, o monóxido de carbono é primeiro convertido em dióxido de carbono e, em seguida, o hidrogênio e o dióxido de carbono são separados por meio de um processo de absorção. Um compressor é usado para pressurizar o hidrogênio purificado para uso ou armazenamento imediato.

O uso de membranas eletrolíticas de polímero seletivo de prótons de alta temperatura, ou PEMs, é necessário para separar rápida e economicamente o hidrogênio de outras moléculas de gás, como dióxido de carbono e monóxido de carbono. Ela também pode operar em temperaturas mais altas do que outras bombas eletroquímicas do tipo PEM de alta temperatura, aumentando sua capacidade de separar o hidrogênio de outros gases.

Processo de purificação de hidrogênio
Para conseguir a separação, a equipe usou um eletrodo “sanduíche”, no qual eletrodos com cargas opostas servem como “pão” e uma membrana serve como “carne deliciosa”. Os materiais aglutinantes de ionômero do eletrodo são projetados para manter os eletrodos juntos, semelhante à forma como o glúten mantém o pão unido.

A fatia de pão, ou eletrodo carregado positivamente, na bomba libera prótons e elétrons do hidrogênio. Enquanto os prótons viajam através da membrana, os elétrons viajam através da bomba através de um fio que toca um eletrodo carregado positivamente. Depois de passar pela membrana e chegar ao eletrodo carregado negativamente, os prótons e os elétrons se combinam para formar hidrogênio mais uma vez.
Como o PEM só permite a passagem de prótons, o monóxido de carbono, o dióxido de carbono, o metano e o gás nitrogênio não conseguem passar. A equipe criou um aglutinante adesivo de ionômero de ácido fosfônico para manter unidas as partículas do eletrodo na bomba de hidrogênio para que pudessem funcionar corretamente.

Os pesquisadores usarão sua abordagem e ferramentas para investigar a purificação de hidrogênio em gasodutos de gás natural. Embora este método de transporte e armazenamento de hidrogénio ainda não tenha sido posto em prática, é muito promissor. O hidrogénio poderia ser utilizado para apoiar sistemas de energia solar e eólica, bem como uma variedade de outras aplicações amigas do ambiente, através da utilização de uma célula de combustível ou de um gerador de turbina.

O gás industrial contém um grande número de gases residuais com vários hidrogênios. A separação e purificação do hidrogénio é também um dos primeiros campos industrializados da tecnologia PSA.

O princípio da separação PSA da mistura de gases é que a capacidade de adsorção do adsorvente para diferentes componentes do gás muda com a mudança de pressão. Os componentes de impureza no gás de entrada são removidos por adsorção de alta pressão e essas impurezas são dessorvidas por redução de pressão e aumento de temperatura. O objetivo de remover impurezas e extrair componentes puros é alcançado através de mudanças de pressão e temperatura.

A produção de hidrogênio PSA usa adsorvente de peneira molecular JZ-512H para separar o hidrogênio rico e produzir hidrogênio, que é concluído por meio da mudança de pressão do leito de adsorção. Como o hidrogênio é muito difícil de adsorver, outros gases (que podem ser chamados de impurezas) são fáceis ou fáceis de serem adsorvidos, de modo que o gás rico em hidrogênio será produzido quando estiver próximo da pressão de entrada do gás tratado. As impurezas são liberadas durante a dessorção (regeneração) e a pressão diminui gradualmente até a pressão de dessorção
A torre de adsorção realiza alternadamente o processo de adsorção, pressão. equalização e dessorção para alcançar a produção contínua de hidrogênio. O hidrogênio rico entra no sistema sob uma certa pressão. O rico hidrogênio passa pela torre de adsorção preenchida com adsorvente especial de baixo para cima. Co/CH4/N2 é retido na superfície do adsorvente como um forte componente de adsorção e H2 penetra no leito como um componente de adsorção. O produto hidrogênio coletado do topo da torre de adsorção é enviado para fora do limite. Quando o adsorvente no leito está saturado com CO/CH4/N2, o hidrogênio rico é transferido para outras torres de adsorção. No processo de dessorção por adsorção, uma certa pressão de hidrogênio do produto ainda permanece na torre adsorvida.

Esta parte do hidrogênio puro é usada para equalizar e lavar as outras torres de equalização de pressão recém dessorvidas. Isto não só aproveita o hidrogênio restante na torre de adsorção, mas também diminui a velocidade de aumento de pressão na torre de adsorção, diminui o grau de fadiga na torre de adsorção e atinge efetivamente o propósito de separação do hidrogênio.

O gás hidrogênio é produzido a partir de uma variedade de processos diferentes e normalmente é produzido em uma forma impura. Os processos típicos incluem síntese química por reforma a vapor de metano, liberação de gases de plantas de estireno ou etileno onde o gás hidrogênio é produzido como subproduto e aplicações petroquímicas, como hidrocraqueamento ou dessulfurização. Para usar o hidrogênio, é necessário um processo de purificação para criar gás hidrogênio purificado. A adsorção com oscilação de pressão de hidrogênio (H2PSA) é um processo que capitaliza a volatilidade do hidrogênio e sua falta geral de polaridade e afinidade por zeólitas para purificar fluxos de gases contaminados.

A geração de hidrogênio normalmente envolve a produção de contaminantes ou produtos secundários que precisam ser removidos. Inclui compostos como monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrogênio, água e hidrocarbonetos não reagidos. O Hydrogen PSA aproveita a adsorção preferencial desses componentes, eliminando-os da corrente de hidrogênio para produzir hidrogênio purificado.

Tradicionalmente, o Hydrogen PSA aproveita múltiplos leitos de peneira e é composto por quatro fases: uma fase de adsorção, uma fase de despressurização, uma fase de regeneração e uma fase de repressurização. No processo, a corrente impura de hidrogênio é passada para o leito da peneira, onde as impurezas são seletivamente adsorvidas na peneira molecular sob pressão. Após a conclusão da etapa de adsorção, a regeneração é realizada pela despressurização do leito, o que diminui a afinidade das impurezas permitindo que sejam descartadas.

A purificação adicional do leito é conseguida purgando com hidrogénio puro para remover quaisquer contaminantes remanescentes. O leito é novamente pressurizado para repetir o processo de adsorção. Os leitos funcionam em sincronia para permitir a geração contínua de hidrogênio.

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