Sistema de purificación de hidrógeno

El hidrógeno es un prometedor portador de energía limpia que puede utilizarse para diversas aplicaciones, como pilas de combustible, generación de energía y transporte. Sin embargo, la producción de hidrógeno suele implicar impurezas que pueden afectar su calidad y rendimiento. Por tanto, la purificación del hidrógeno es un paso esencial para garantizar la eficiencia y seguridad de la utilización del hidrógeno.

Adsorción por oscilación de presión
La adsorción por cambio de presión (PSA) es un método ampliamente utilizado para la purificación de hidrógeno que se basa en la adsorción selectiva de impurezas en materiales porosos, como carbón activado o zeolitas, a alta presión. Las impurezas adsorbidas se liberan luego reduciendo la presión y lavando el adsorbente con un gas de purga. El PSA puede lograr una alta pureza y recuperación de hidrógeno, pero también requiere un alto consumo de energía, un equipo de gran tamaño y una regeneración periódica del adsorbente.

Separación de membranas
La separación por membranas es otro método común para la purificación de hidrógeno que utiliza materiales delgados y permeables, como polímeros, metales o cerámicas, para separar el hidrógeno de otros gases según su tamaño, forma o afinidad molecular. La separación por membranas puede funcionar a presión y temperatura bajas o ambientales, lo que reduce los costos de energía y capital. Sin embargo, la separación de membranas también enfrenta desafíos como el ensuciamiento, la degradación y la selectividad de las membranas.

Destilación criogénica
La destilación criogénica es un método de purificación de hidrógeno que aprovecha los diferentes puntos de ebullición del hidrógeno y otros gases. Al enfriar la mezcla de gases a temperaturas extremadamente bajas, el hidrógeno se puede separar en forma de vapor mientras que las impurezas se condensan en forma líquida. La destilación criogénica puede lograr una pureza y recuperación de hidrógeno muy altas, especialmente para eliminar gases inertes como el nitrógeno y el helio. Sin embargo, la destilación criogénica también implica un alto consumo de energía, equipos complejos y riesgos de seguridad.

Difusión de paladio
La difusión de paladio es un método para la purificación de hidrógeno que utiliza la propiedad única del metal paladio, que puede absorber y difundir átomos de hidrógeno a través de su estructura reticular. Al aplicar un gradiente de presión o temperatura a través de una fina membrana de paladio, el hidrógeno puede transportarse selectivamente de un lado a otro, dejando atrás las impurezas. La difusión de paladio puede lograr una pureza y recuperación de hidrógeno ultraaltas, pero también adolece de un alto costo de material, disponibilidad limitada y susceptibilidad al envenenamiento y la fragilización.

Métodos biológicos
Los métodos biológicos son métodos emergentes para la purificación de hidrógeno que emplean microorganismos, como bacterias, algas u hongos, para convertir o eliminar impurezas del gas hidrógeno. Por ejemplo, algunas bacterias pueden utilizar monóxido de carbono, una impureza común en la producción de hidrógeno, como sustrato para su crecimiento y producir dióxido de carbono y agua como subproductos. Los métodos biológicos pueden ofrecer un bajo consumo de energía, beneficios ambientales y productos potenciales con valor agregado. Sin embargo, los métodos biológicos también enfrentan desafíos como baja eficiencia, escalabilidad y estabilidad.

Por primera vez, los investigadores han recuperado el 98,8 por ciento del hidrógeno de la corriente de salida de un reactor convencional de desplazamiento de gas y agua refrigerado por agua, que es el valor más alto jamás registrado.

En los métodos tradicionales de separación de hidrógeno, se utiliza un reactor de desplazamiento de agua y gas, lo que requiere un paso adicional. En el reactor de desplazamiento de gas de agua, el monóxido de carbono se convierte primero en dióxido de carbono y luego el hidrógeno y el dióxido de carbono se separan mediante un proceso de absorción. Se utiliza un compresor para presurizar el hidrógeno purificado para su uso o almacenamiento inmediato.

Se requiere el uso de membranas de electrolitos poliméricos selectivos de protones de alta temperatura, o PEM, para separar rápida y económicamente el hidrógeno de otras moléculas de gas como el dióxido de carbono y el monóxido de carbono. También puede funcionar a temperaturas más altas que otras bombas electroquímicas de tipo PEM de alta temperatura, lo que mejora su capacidad para separar el hidrógeno de otros gases.

Proceso de purificación de hidrógeno.
Para lograr la separación, el equipo utilizó un "sándwich" de electrodos, en el que electrodos con cargas opuestas sirven como "pan" y una membrana sirve como "carne fría". Los materiales aglutinantes de ionómero para electrodos están diseñados para mantener unidos los electrodos, de forma similar a cómo el gluten mantiene unido el pan.

La rebanada de pan, o electrodo cargado positivamente, en la bomba libera protones y electrones del hidrógeno. Mientras los protones viajan a través de la membrana, los electrones viajan a través de la bomba a través de un cable que toca un electrodo cargado positivamente. Después de atravesar la membrana y llegar al electrodo cargado negativamente, los protones y electrones se combinan para formar hidrógeno una vez más.
Debido a que el PEM solo permite el paso de protones, el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, el metano y el gas nitrógeno no pueden pasar. El equipo creó un aglutinante adhesivo de ionómero de ácido fosfónico para mantener juntas las partículas de los electrodos en la bomba de hidrógeno para que pudieran funcionar correctamente.

Los investigadores utilizarán su enfoque y sus herramientas para investigar la purificación de hidrógeno en tuberías de gas natural. Aunque este método de transporte y almacenamiento de hidrógeno aún no se ha puesto en práctica, es muy prometedor. El hidrógeno podría utilizarse para respaldar los sistemas de energía solar y eólica, así como para una variedad de otras aplicaciones respetuosas con el medio ambiente, mediante el uso de una pila de combustible o un generador de turbina.

El gas industrial contiene una gran cantidad de gases residuales con diversos hidrógenos. La separación y purificación de hidrógeno es también uno de los primeros campos industrializados de la tecnología PSA.

El principio de la separación de mezclas de gases con PSA es que la capacidad de adsorción del adsorbente para diferentes componentes del gas cambia con el cambio de presión. Los componentes de impurezas en el gas de entrada se eliminan mediante adsorción a alta presión y estas impurezas se desorben mediante reducción de presión y aumento de temperatura. El propósito de eliminar impurezas y extraer componentes puros se logra mediante cambios de presión y temperatura.

La producción de hidrógeno de PSA utiliza el adsorbente de tamiz molecular JZ-512H para separar el hidrógeno rico y producir hidrógeno, lo que se completa mediante el cambio de presión del lecho de adsorción. Debido a que el hidrógeno es muy difícil de adsorber, otros gases (que pueden denominarse impurezas) son fáciles o fáciles de adsorber, por lo que se producirá gas rico en hidrógeno cuando esté cerca de la presión de entrada del gas tratado. Las impurezas se liberan durante la desorción (regeneración) y la presión disminuye gradualmente hasta la presión de desorción.
La torre de adsorción realiza alternativamente el proceso de adsorción, presión. ecualización y desorción para lograr una producción continua de hidrógeno. El hidrógeno rico ingresa al sistema bajo cierta presión. El hidrógeno rico pasa a través de la torre de adsorción llena de adsorbente especial de abajo hacia arriba. Co/CH4/N2 se retiene en la superficie del adsorbente como un fuerte componente de adsorción y el H2 penetra en el lecho como un componente de adsorción. El hidrógeno producto recogido desde la parte superior de la torre de adsorción sale fuera del límite. Cuando el adsorbente en el lecho se satura con CO/CH4/N2, el hidrógeno rico se cambia a otras torres de adsorción. En el proceso de adsorción-desorción, todavía queda una cierta presión de hidrógeno producto en la torre adsorbida.

Esta parte de hidrógeno puro se utiliza para igualar y lavar las otras torres de igualación de presión recién desorbidas. Esto no sólo hace uso del hidrógeno restante en la torre de adsorción, sino que también disminuye la velocidad de aumento de presión en la torre de adsorción, disminuye el grado de fatiga en la torre de adsorción y logra efectivamente el propósito de la separación de hidrógeno.

El gas hidrógeno se produce a partir de una variedad de procesos diferentes y normalmente se produce en forma impura. Los procesos típicos incluyen la síntesis química mediante reformado con vapor de metano, la liberación de gases de plantas de estireno o etileno donde se produce gas hidrógeno como subproducto, y aplicaciones petroquímicas como el hidrocraqueo o la desulfuración. Para utilizar el hidrógeno, es necesario un proceso de purificación para crear gas hidrógeno purificado. La adsorción por cambio de presión de hidrógeno (H2PSA) es un proceso que aprovecha la volatilidad del hidrógeno y su falta general de polaridad y afinidad por las zeolitas para purificar corrientes de gas contaminadas.

La generación de hidrógeno normalmente implica la producción de contaminantes o productos secundarios que deben eliminarse. Incluye compuestos como monóxido de carbono, dióxido de carbono, nitrógeno, agua e hidrocarburos sin reaccionar. El PSA de hidrógeno aprovecha la adsorción preferencial de estos componentes, eliminándolos de la corriente de hidrógeno para producir hidrógeno purificado.

Tradicionalmente, el Hydrogen PSA aprovecha múltiples lechos de tamiz y se compone de cuatro fases: una fase de adsorción, una fase de despresurización, una fase de regeneración y una fase de represurización. En el proceso, la corriente impura de hidrógeno pasa al lecho del tamiz, donde las impurezas se adsorben selectivamente en el tamiz molecular bajo presión. Una vez completada la etapa de adsorción, la regeneración se logra despresurizando el lecho, lo que disminuye la afinidad de las impurezas permitiendo que se descarten.

Se logra una mayor purificación del lecho purgando con hidrógeno puro para eliminar cualquier contaminante restante. El lecho se presuriza nuevamente para repetir el proceso de adsorción. Los lechos funcionan sincronizados para permitir la generación continua de hidrógeno.

Los productos se venden en todas las regiones de China y se exportan a países de todo el mundo. Se han vendido en más de 20 países y regiones, incluidos Estados Unidos, Alemania, Marruecos, Kenia, Arabia Saudita, Vietnam, Argelia, India, Tanzania y Taiwán. Proporcionó con éxito empresas reconocidas como China Aerospace, PetroChina, China Nuclear Group, BYD, Jiuli Specialty, Tony Electronics, Zheng Energy Group y otras empresas reconocidas. Hay muchas estaciones de hidrogenación de hidrógeno verde, como Wulanchabu, Haikou, Hainan, Hainan Haikou, Yunnan Kunming, etc., que ofrecen proyectos ecológicos y de producción de hidrógeno.