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Tamiz Molecular 5A para PSA de Hidrógeno: Pureza 99.99%, Reciclaje de Gas Residual y Diseño de Lecho

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Por qué la adsorción por cambio de presión de hidrógeno depende de la criba molecular adecuada

La adsorción por cambio de presión de hidrógeno es el paso de purificación principal en aproximadamente el 60% del suministro mundial de hidrógeno merchant. El gas de salida de refinería de reformadores catalíticos, el gas producto de reformadores de metano con vapor (SMR), el gas de síntesis de oxidación parcial (POX) y la salida de electrolizadores pasan todos por una torre de PSA antes de llegar al cliente. La unidad de PSA toma un gas de alimentación que es 60 a 95 por ciento hidrógeno y entrega hidrógeno H2 con una pureza del 99.9 al 99.999 por ciento, con el perfil de impurezas dependiendo de la aplicación: el reciclaje de hidrocrackers de refinería necesita 95 a 99 por ciento, el crecimiento de cristales de zona flotante de semiconductores necesita 99.999 por ciento, el reabastecimiento de celdas de combustible de vehículos necesita la norma ISO 14687 Grado D.

El lecho adsorbente determina el resultado. Si se elige el grado de criba incorrecto, se pierde recuperación (y se paga más por la compresión del gas de alimentación) o se pierde pureza (y se dañan los catalizadores descendentes, las obleas de semiconductor o las pilas de celdas de combustible). Si se calcula mal la vida útil de la criba, el cálculo del costo operativo se desmorona porque el costo de reemplazo de la criba se amortiza a lo largo de la vida útil de la unidad.

Para la mayoría de las corrientes de hidrógeno de refinería y petroquímica, la criba adecuada es la 5A. Para gas de síntesis con alto contenido de CO2 o hidrógeno derivado de biogás, la criba adecuada es a veces la 13X. Para el pulido de trazas después de una PSA primaria, a veces se agrega carbón activado o 13X. Este artículo se centra en el caso de la 5A: química, diseño del ciclo, balance de masa, recuperación y costo total de propiedad a 10 años para la PSA de hidrógeno industrial.

Aprenderá cómo dimensionar un lecho 5A para cualquier flujo de hidrógeno, cómo elegir entre configuraciones de ciclo de 2 lechos y 10 lechos, cómo estimar la recuperación de hidrógeno sin un simulador de proceso y cómo establecer la temperatura de regeneración y la proporción de reciclaje de gas de cola para su composición específica de alimentación. El artículo termina con un estudio de caso de refinería trabajado (1000 Nm3/h, alimentación de 20 barg) y un caso de semiconductor más pequeño (100 Nm3/h, alimentación de 30 barg) para que pueda validar los métodos contra datos operativos del mundo real.

Química de la 5A: Por qué un poro de 5 Angstrom gana para el hidrógeno

La criba molecular tipo 5A es la forma intercambiada con calcio del marco de zeolita tipo A de Linde. El marco tipo A tiene una abertura de poro de aproximadamente 5 Angstrom, por lo que la criba se llama 5A. Dentro del poro, los cationes de calcio (Ca2+) se ubican en cuatro sitios cristalográficos, creando una fuerte interacción electrostática con moléculas polarizables.

La secuencia de selectividad en la 5A en condiciones típicas de PSA (alimentación de 20 barg, desorción de 0.5 barg, 40 grados C) es:

Fuertemente adsorbidas: H2O, CO2, H2S, COS, C2H4, C2H6, n-C4H10, n-parafinas Moderadamente adsorbidas: CO, CH4, N2 Débilmente adsorbidas: H2, He

El hidrógeno (diámetro cinético de 2.89 Angstrom) pasa a través de la ventana de la 5A casi sin impedimentos. El monóxido de carbono (3.76 Angstrom), el nitrógeno (3.64 Angstrom) y el metano (3.80 Angstrom) entran en el poro pero se adsorben fuertemente porque sus momentos cuadrupolares permanentes interactúan con el campo del catión de calcio. Este es el principio completo de la PSA de H2: el H2 fluye a través del lecho, las impurezas quedan atrapadas y el lecho se regenera al despresurizar para liberarlas.

Por qué 5A y no 13X para el hidrógeno de refinería

La 13X tiene una abertura de poro de 10 Angstrom que admite todo, incluyendo propano (diámetro cinético de 3.8 Angstrom, pero flexible), n-butano y la mayoría de los hidrocarburos por encima de C3. En las corrientes de hidrógeno de refinería, la alimentación generalmente contiene de 1 a 5 mol por ciento de hidrocarburos C3+ que no han sido completamente eliminados por la amina o la caja fría ascendente. Una vez que estos hidrocarburos pesados se adsorben en la 13X, no pueden ser removidos a las temperaturas típicas de regeneración de PSA de 200 a 280 grados C. Se polimerizan en los sitios de cationes y reducen permanentemente la capacidad.

La 5A excluye los hidrocarburos C3+ en la entrada del poro. La ventana de 5 Angstrom bloquea físicamente al propano (diámetro cinético de 3.8 Angstrom más flexibilidad), n-butano y todas las moléculas más pesadas. Solo las especies C1 y C2 entran en el poro, y estas pueden ser desorbidas limpiamente a 250 grados C. Esta única diferencia es la razón por la que la 5A es el adsorbente de PSA de hidrógeno de refinería por defecto y la 13X se reserva para alimentaciones especiales con C3+ despreciable.