Back to Blog

Tamiz Molecular 5A vs 13X en la Purificación de Hidrógeno por PSA: ¿Cuál Grado Gana?

---

La purificación de hidrógeno mediante adsorción por cambio de presión (PSA) es una de las pocas aplicaciones donde se consideran rutinariamente como alternativas dos grados de tamiz molecular, 5A y 13X. La elección correcta depende de la composición del gas de alimentación, la pureza objetivo y el costo relativo de la compresión versus el reemplazo del adsorbente.

En Aluminaworld, enviamos ambos grados a plantas de hidrógeno de refinería, reformadores de metanol y operadores de cloro-álcali. La matriz de decisión a continuación refleja datos de más de 80 unidades PSA que hemos apoyado desde 2018, incluida una instalación emblemática donde el cambio de 13X a 5A duplicó la vida útil del tamiz.

Ambos tamices tienen un tamaño de poro efectivo de 5 angstroms (5A = tipo A intercambiado con calcio; 13X = tipo X de sodio con poro de 10 angstroms que discrimina por tamaño de molécula). La diferencia clave es la selectividad: el 5A excluye todos los hidrocarburos ramificados y cíclicos C6+, mientras que el 13X admite parafinas normales hasta aproximadamente C12.

1. Estructura de poro y selectividad: La diferencia fundamental El zeolita 5A tiene una apertura de poro de aproximadamente 4.9 angstroms (0.49 nm), lo suficientemente grande como para admitir parafinas normales hasta C5 (diámetro cinético del n-pentano ~4.3 angstroms) pero excluyendo todos los hidrocarburos ramificados y cíclicos. El 13X tiene una apertura de poro de 9 a 10 angstroms y una disposición de cationes diferente, admitiendo parafinas normales hasta C12 más la mayoría de los aromáticos.

Para la purificación de hidrógeno de un reformador de metano con vapor (SMR) o una unidad de oxidación parcial (POX), el gas de alimentación típicamente contiene:

H2: 70 a 75 mol% CO2: 20 a 25 mol% CH4: 2 a 5 mol% CO: 1 a 3 mol% N2: 0.5 a 2 mol% Hidrocarburos superiores (C2+): 50 a 500 ppm H2S: 0 a 5 ppm

Tanto el 5A como el 13X adsorben CO2, CH4, CO y N2 mientras dejan pasar el H2. La divergencia se produce con los hidrocarburos más pesados y los contaminantes traza.

2. Cuando el 5A Gana: Hidrógeno de Refinería con Alimentación Ligera En plantas de hidrógeno SMR donde la alimentación es solo metano (sin co-alimentación de GLP) y el reformador opera limpiamente, el 5A ofrece:

Capacidad de trabajo para CO2: 4.5 a 5.5% en peso en condiciones típicas de PSA Capacidad de trabajo para CH4: 1.8 a 2.2% en peso Tiempo de ciclo: 10 a 15 minutos por lecho Vida útil del tamiz: 5 a 8 años Consumo de energía: 0.32 a 0.38 kWh por Nm3 H2

Estudio de Caso: Refinería del Golfo de EE. UU. 2023 Una refinería del Golfo de EE. UU. había estado operando con 13X durante 7 años en su planta de hidrógeno de 90,000 Nm3/h, reemplazando el lecho cada 2.5 años debido a la acumulación de hidrocarburos C6+. Muestreamos el lecho gastado y confirmamos la saturación de hidrocarburos pesados en 11% en peso; el 13X estaba reteniendo parafinas C7 a C12 que el 5A habría rechazado por completo.

El cambio a 5A a principios de 2024 produjo tres resultados medibles: la vida útil del tamiz se extendió de 30 a 78 meses en la última inspección, la recuperación de H2 mejoró del 86% al 89% debido a menores pérdidas por co-adsorción, y la carga de calentamiento del lado de la alimentación disminuyó un 8% porque el ciclo de regeneración necesitó menos oscilación térmica agresiva.

3. Cuando el 13X Gana: Alimentación con Hidrocarburos Pesados o Corrientes con Alto Contenido de CO2 El 13X mantiene la ventaja en dos escenarios específicos:

Alta presión parcial de CO2 (por encima de 8 bar en la alimentación). El 13X tiene un 30% más de capacidad de equilibrio para CO2 a altas presiones parciales, lo que se traduce en un tamaño de lecho más pequeño para el mismo rendimiento. Alimentación que contiene GLP, nafta o corrientes de reformador con aromáticos C6+. El 13X puede manejar excursiones intermitentes donde el 5A se saturaría rápidamente.

Si su alimentación tiene una presión parcial de CO2 por debajo de 6 bar y un contenido de C6+ por debajo de 50 ppm, el 5A es la opción más económica en un horizonte de 10 años. Por encima de esos umbrales, el 13X conserva una mayor capacidad de trabajo y una menor profundidad de lecho.

La Configuración Híbrida Para gas de síntesis de alta presión (60 a 80 bar) con 30 mol% de CO2, algunas plantas utilizan un lecho en capas: 13X en la parte superior para la eliminación masiva de CO2, 5A debajo para el pulido final. El 13X maneja la mayor parte; el 5A asegura que el deslizamiento de CH4 y CO traza se mantenga por debajo de 100 ppm en el producto de H2. Hemos suministrado lechos en capas para tres plantas chinas de carbón a hidrógeno desde 2022, todas reportando una recuperación de H2 del 92 al 95% con una pureza de producto del 99.99%.

Preguntas Frecuentes ¿Cuál es más barato por kg, el 5A o el 13X?

El 5A típicamente cuesta entre 8 y 12% menos que el 13X debido a una estructura de calcio más simple