Com a crescente busca global por energia limpa e desenvolvimento sustentável, a energia do hidrogênio, como um vetor energético eficiente e limpo, está gradualmente ganhando destaque. Como um elo fundamental na cadeia produtiva da energia do hidrogênio, a tecnologia de purificação do hidrogênio não só diz respeito à segurança e confiabilidade da energia do hidrogênio, mas também afeta diretamente o escopo de aplicação e os benefícios econômicos dessa energia.
1. Requisitos para o hidrogênio de produto
O hidrogênio, como matéria-prima química e vetor energético, possui diferentes requisitos de pureza e teor de impurezas em diferentes cenários de aplicação. Na produção de amônia sintética, metanol e outros produtos químicos, para evitar o envenenamento do catalisador e garantir a qualidade do produto, sulfetos e outras substâncias tóxicas presentes no gás de alimentação devem ser removidos previamente para reduzir o teor de impurezas e atender aos requisitos. Em setores industriais como metalurgia, cerâmica, vidro e semicondutores, o gás hidrogênio entra em contato direto com os produtos, e os requisitos de pureza e teor de impurezas são ainda mais rigorosos. Por exemplo, na indústria de semicondutores, o hidrogênio é utilizado em processos como preparação de cristais e substratos, oxidação, recozimento, etc., que possuem limites extremamente altos em relação a impurezas como oxigênio, água, hidrocarbonetos pesados, sulfeto de hidrogênio, etc.
2. O princípio de funcionamento da desoxigenação
Sob a ação de um catalisador, uma pequena quantidade de oxigênio no hidrogênio pode reagir com o hidrogênio para produzir água, atingindo o objetivo de desoxigenação. A reação é exotérmica e sua equação é a seguinte:
2H₂ + O₂ (catalisador) → 2H₂O + Q
Como a composição, as propriedades químicas e a qualidade do próprio catalisador não se alteram antes e depois da reação, ele pode ser usado continuamente sem necessidade de regeneração.
O desoxidante possui uma estrutura cilíndrica interna e externa, com o catalisador alojado entre os cilindros interno e externo. Um componente de aquecimento elétrico à prova de explosão está instalado dentro do cilindro interno, e dois sensores de temperatura, localizados na parte superior e inferior do leito catalítico, detectam e controlam a temperatura da reação. O cilindro externo é revestido com uma camada isolante para evitar perdas de calor e queimaduras. O hidrogênio bruto entra no cilindro interno pela entrada superior do desoxidante, é aquecido por um elemento de aquecimento elétrico e flui através do leito catalítico de baixo para cima. O oxigênio presente no hidrogênio bruto reage com o hidrogênio sob a ação do catalisador, produzindo água. O teor de oxigênio no hidrogênio que sai pela saída inferior pode ser reduzido para menos de 1 ppm. A água gerada pela reação sai do desoxidante em forma gasosa juntamente com o hidrogênio, condensa-se no resfriador de hidrogênio subsequente, é filtrada no separador de ar-água e, finalmente, descartada do sistema.
3. Princípio de funcionamento da secagem
A secagem do gás hidrogênio adota o método de adsorção, utilizando peneiras moleculares como adsorventes. Após a secagem, o ponto de orvalho do gás hidrogênio pode atingir valores abaixo de -70 °C. A peneira molecular é um tipo de composto aluminossilicato com estrutura cristalina cúbica, que forma inúmeras cavidades de mesmo tamanho em seu interior após a desidratação, apresentando uma área superficial muito grande. As peneiras moleculares recebem esse nome por sua capacidade de separar moléculas com diferentes formas, diâmetros, polaridades, pontos de ebulição e níveis de saturação.
A água é uma molécula altamente polar e as peneiras moleculares têm forte afinidade por ela. A adsorção das peneiras moleculares é física e, quando saturada, requer um período de tempo para aquecimento e regeneração antes de poder ser adsorvida novamente. Portanto, um dispositivo de purificação inclui pelo menos dois secadores, com um em funcionamento enquanto o outro se regenera, para garantir a produção contínua de hidrogênio com ponto de orvalho estável.
O secador possui uma estrutura cilíndrica interna e externa, com o adsorvente carregado entre os cilindros interno e externo. O componente de aquecimento elétrico à prova de explosão está instalado dentro do cilindro interno, e dois sensores de temperatura estão localizados na parte superior e inferior do leito de peneira molecular para detectar e controlar a temperatura de reação. O cilindro externo é revestido com uma camada isolante para evitar perda de calor e queimaduras. O fluxo de ar no estado de adsorção (incluindo os estados de trabalho primário e secundário) e no estado de regeneração é invertido. No estado de adsorção, o tubo da extremidade superior é a saída de gás e o tubo da extremidade inferior é a entrada de gás. No estado de regeneração, o tubo da extremidade superior é a entrada de gás e o tubo da extremidade inferior é a saída de gás. O sistema de secagem pode ser dividido em secadores de torre dupla ou tripla, de acordo com o número de secadores.
4. Processo de duas torres
O dispositivo possui dois secadores que se alternam e regeneram dentro de um ciclo (48 horas) para garantir o funcionamento contínuo de todo o equipamento. Após a secagem, o ponto de orvalho do hidrogênio pode atingir valores abaixo de -60 °C. Durante um ciclo de trabalho (48 horas), os secadores A e B operam em regime de funcionamento e regeneração, respectivamente.
Em um ciclo de comutação, a secadora passa por dois estados: estado de funcionamento e estado de regeneração.
• Estado de regeneração: O volume de gás de processo está no volume total. O estado de regeneração inclui a fase de aquecimento e a fase de resfriamento por sopro;
1) Etapa de aquecimento – o aquecedor dentro da secadora funciona e para automaticamente de aquecer quando a temperatura superior atinge o valor definido ou o tempo de aquecimento atinge o valor definido;
2) Etapa de resfriamento – Após o secador parar de aquecer, o fluxo de ar continua a percorrer o secador no caminho original para resfriá-lo até que o secador volte ao modo de funcionamento.
• Estado de funcionamento: O volume de ar de processamento está em capacidade máxima e o aquecedor dentro do secador não está funcionando.
5. Fluxo de trabalho de três torres
Atualmente, o processo de três torres é amplamente utilizado. Três secadores são instalados no equipamento, contendo dessecantes (peneiras moleculares) com alta capacidade de adsorção e boa resistência à temperatura. Os três secadores alternam entre operação, regeneração e adsorção para garantir o funcionamento contínuo de todo o equipamento. Após a secagem, o ponto de orvalho do gás hidrogênio pode atingir valores abaixo de -70 °C.
Durante um ciclo de comutação, o secador passa por três estados: funcionamento, adsorção e regeneração. Para cada estado, o primeiro secador em que o gás hidrogênio bruto entra após a desoxigenação, o resfriamento e a filtragem da água é:
1) Estado de funcionamento: O volume de gás de processamento está na capacidade máxima, o aquecedor dentro do secador não está funcionando e o meio é gás hidrogênio bruto que não foi desidratado;
A segunda secadora que entra está localizada em:
2) Estado de regeneração: 20% do volume de gás: O estado de regeneração inclui a fase de aquecimento e a fase de resfriamento por sopro;
Etapa de aquecimento – o aquecedor dentro da secadora funciona e para automaticamente de aquecer quando a temperatura superior atinge o valor definido ou o tempo de aquecimento atinge o valor definido;
Etapa de resfriamento – Após o secador parar de aquecer, o fluxo de ar continua a percorrer o caminho original através do secador para resfriá-lo até que ele volte ao modo de operação; Quando o secador está na etapa de regeneração, o meio é desidratado com gás hidrogênio seco;
A terceira secadora, com entrada pelo mesmo endereço, está localizada em:
3) Estado de adsorção: O volume de gás de processamento é de 20%, o aquecedor do secador não está funcionando e o meio utilizado para regeneração é o gás hidrogênio.
Data da publicação: 19/12/2024
