PRODUCCIÓN DE

HIDRÓGENO

Maldonado, Marylin. Peña, Deyanira. Ramos, Lucy

HIDRÓGENO

PARACELSUS (SIGLO XVI)

ROBERT BOYLE (1671)

HENRY CAVENDISH (1766)

ANTOINE LAVOISIER (1783)

Espacio interestelar H

Estrellas H2 y H

ALGUNAS APLICACIONES

SÍNTESIS DE AMONIACO Reacción catalítica entre nitrógeno e hidrógeno

Obtención de fracciones ligeras de crudo a partir de fracciones pesadas, aumentando su contenido en

hidrógeno y disminuyendo su peso molecular, eliminar elementos indeseados como azufre,

nitrógeno y metales.

PROCESOS DE REFINERÍA

En el tratamiento de carbón en presencia de hidrógeno, en diferentes condiciones de presión, temperatura, pueden obtenerse productos líquidos

y/o gaseosos mediante diferentes procesos (hidrogenación, hidro

pirolisis, y gasificación hidrogenante).

TRATAMIENTO DE CARBÓN

Imprescindible en procesos de importancia comercial como la producción de ácido clorhídrico, peróxido de hidrógeno,

hidroxilaminas, etc.

SÍNTESIS INORGÁNICA

Gran número de procesos de hidrogenación o reducción para la obtención de productos químicos e

intermedios.

SÍNTESIS ORGÁNICA

En reacciones de adición en procesos de hidrogenación o como agente reductor en procesos de reducción.

INDUSTRIA QUÍMICA

OTROS USOS

METALÚRGICA

El hierro puede ser reducido empleando coque o un gas que contenga hidrógeno, monó

xido de carbono, o mezclas de éstos. Este gas reductor puede obt

enerse mediante reformado con vapor de agua u oxidación parcial de combustibles fósiles. Además,  el hidrógeno se emplea como agente reductor y en procesos de producción de otros metales no-férricos

(cobre, níquel, cobalto, molibdeno, uranio, etc.)

COMBUSTIBLE A EROESPACIAL

Además de servir como suministro de energía para los ordenadores y

sistemas de soporte en el espacio, obteniendo agua como “subproducto”.

LLAMAS DE ALTA TEMPERATURA

La combustión de una mezcla estequiométrica de hidrógeno

y oxígeno conduce a temperaturas de llama comprendidas entre 3000 y 3500 K, las cuales pueden ser usadas para corte y

soldadura en la industria del metal, crecimiento de cristales sintéticos,

producción de cuarzo, etc.

TRATAMIENTO DE AGUA

Los contenidos demasiado elevados de nitratos en

aguas potables pueden ser reducidos por desnitrificación en birreactores, en los que las bacterias emplean el hidrógeno como fuente de energía.

PROCESAMIENTO DE METALES

Es habitual añadir diferentes proporciones de hidrógeno a las corrientes gaseosas empleadas en diferentes procesos de corte y

soldadura, tratamientos superficiales (atomización) y tratamientos en atmósferas especiales (templado, sinterización, fusión,

flotación de vidrio, etc.).

REFRIGERANTEFABRICACIÓN DE VIDRIO

PRODUCTOS FARMACÉUTICOSGRASAS

GAS PORTADOR

HIDROTRATAMIENTO

Remoción de AzufreRemoción de NitrógenoSaturación de Olefinas

Desmetalización

CIFRAS DE INTERÉS

50 millones de toneladas = 550.000 millones de m^3

REFORMADO DE GAS NATURAL47

%

PETRÓLEO30%

CARBÓN18%

5%ELECTRÓLISIS DEL AGUA

PLANTAS PRODUCTORAS DE HIDRÓGENO A NIVEL MUNDIAL

Efectos del hidrógeno en los procesos de la refinería

PROCESO QUÍMICO

Es necesario hidrogenar la alimentación para convertir el sulfuro orgánico en sulfuro de hidrógeno, haciéndolos reaccionar con oxido de zinc (ZnO) aproximadamente a 370 ºC (700ºF)

Variables críticas para el proceso de reformado

El reformado con vapor

Involucra reacciones de equilibrioLa alimentación es favorecida por altas

temperaturas.La conversión es favorecida por bajas

presiones

Aproximadamente a 815 ºC (1500ºF) sobre un catalizador de níquel empaquetado en tubos de un horno de reformado se producen las reacciones.

Se emplea un catalizador promovido de álcalis, los límites de craqueo de la alimentación para el proceso son de 180 ºC. El gas natural, propano, butano y la nafta ligera son la alimentación más adecuados.Después del reformado el monóxido de carbono en el gas reacciona con vapor para formar hidrogeno adicional

Reformado

La conversión es favorecida por bajas temperaturas.

El gas proveniente del reformado reacciona sobre el catalizador oxido de hierro a 315-370 ºC (600-700ºF)

El hidrógeno y monóxido de carbono que es removido reacciona de la siguiente manera

TemperaturaPresiónRelación de vapor a carbono

PRODUCCIÓN DE HIDRÓGENO POR OXIDACIÓN PARCIAL (POX) DE HIDROCARBUROS

El material del catalizador en los tubos no limita la temperatura de la reacción. Se pueden utilizar altas temperaturas para alcanzar la conversión de metano a hidrógeno.

No se limita por los bajos puntos de la alimentación que son requeridos para el reformado con vapor.

Oxidación parcial catalítica

Oxidación parcial no catalítica

Proceso de oxidación parcial

PROCESO COMERCIAL

RESIDUO PESADO DE GASIFICACIÓN Y CICLO DE PODER DE GENERACIÓN COMBINADO.

El residuo pesado es gasificado usando el proceso de gasificación de Texaco (proceso de oxidación parcial)

ELEMENTOS

El primer elemento es un sobrecalentador en el cual se tiene una corriente combinada de vapor saturado generado a alta presión en la caldera que cede calor. El segundo elemento evaporador a alta presión.El tercer elemento es un economizador de energía. El cuarto elemento es un evaporador de vapor a baja presiónQuinto elemento es un desaireador de calor. La descarga de gas de la recuperación de calor del generador de vapor tiene una temperatura alrededor de 130 ºC y es emitida hacia el aire.

Para reducir el contenido de NOx en el flujo de gas se pueden aplicar:

Método 1Método 2

GASIFICACIÓN DEL HIDROCARBURO

Es en forma continua.En un proceso no catalizado que envuelve la oxidación parcial del hidrocarburo. Aire u oxigeno (con vapor o dióxido de carbono) es usado como el oxidante a 1095-1480 ºF. Se produce algo de carbón (2-3% de la alimentación), durante el proceso es removido como una suspensión en un separador de carbón y se emplea como un combustible o como materia prima para productos carbonados.

Solvente a presiones alrededor de 570 psi (3923KPa)Solvente a temperatura de 1300-1500 ºFTurbina a una temperatura de 250-300 ºC.Recuperación de calor del generador de vapor que consiste en cinco elementos de intercambio de calor

HIDROPROCESO

Hidrógeno alrededor del 93 % de pureza

PROCESO DE OXIDACIÓN PARCIAL GASIFICACIÓN.

Reactor refractario alineado a temperaturas alrededor de 1400 ºC (2550ºF) y presiones entre 29 y 1140 psi (196-7845 KPa). La reacción química en el reactor de gasificación procede dentro del catalizador para producir conteniendo grandes cantidades de carbón alrededor de 0,5-2,5% en peso.El vapor es generado a 850-1565 psi (5884 KPa-10787 KPa)

REFORMADO DE METANO CON VAPOR

Proceso de reformado de metano con vapor Hidrógeno con una alta pureza (>99%)

REFORMADO DE NAFTA CON VAPOR

Similar al reformado de metano con vapor. Se emplea una variedad de tipos de nafta o alimentaciones que contienen hasta un 35 % en aromáticos. Se sigue un pretratamiento para remover sulfuro.El reformado ocurre en un horno a (675-815ºC) (1250-1500ºF), 300Psi (2068 KPa), donde el se produce el hidrógeno.

GENERACIÓN DEL GAS DE SÍNTESIS

Reformado de nafta con vapor Generación del gas de síntesis

EL PROCESO DE GASIFICACIÓN DE TEXACO (PTB)

CxH2y + 2O2/x x CO + y H2

CxH2y + xH2O xCO + (x+y) H2

Las reacciones de gasificación es una oxidación parcial de hidrocarburos a monóxido de carbono e hidrógeno:

oxidante agua

Alimentación

Reciclado

molino

tanque demezcla

escoria a disposición

bomba de

mezcla

quemador

sumidero de escoria

los sólidos a la disposición o reciclan

Purga de agua para tratamiento

Gasificador TEXACO

Clarificador

agua

sólidos libres

Síntesis de gas

Depurador

apagado la cámara

apagado del gas de síntesis

lockhopperr

Tabla de generación de gas de síntesis por oxidación parcial de diferentes tipos de alimentación

CATALIZADORES

Reformación de catalizadores

Catalizador de reformación ÓXIDO DE NÍQUEL

Características del catalizador

Usado dentro de tubos del horno de reformaciónLa reacción es controlada tanto por la difusión como por la transferencia de calorVida del catalizador esta limitada por deterioro físico como por simple desactivaciónEl azufre es el veneno del catalizador también es sensible al envenenamiento por métales

pesados, aunque éstos raramente estén presentes en la alimentación.

Diagrama del comportamiento del catalizador con una alimentación de alto Pebull

Alimentación con un alto punto de ebullición

Coquificación en la unidad de reformador

Desactivación de catalizador

Aumento de la temperatura y del fenómeno relacionado

de formación de coque y deposición

Para evitar la coquificación añadir un promotor de álcali, típicamente alguno en forma de potasa (KOH), al catalizador usar un pre-reformador (un lecho fijo de catalizador que funcione a una temperatura inferior corriente arriba del reformador despojando).

CATALIZADORES Catalizadores de conversión por cambio de temperatura

La segunda reacción importante en la reformación de vapor es la reacción de conversión de cambio

CO + H2O CO2 + H2

Catalizador de reformación de vapor

Para cambios a altas temperaturas el CROMO Para cambio a bajas temperaturas de ZINC Actúan de 315 – 430 º C (600—800 º F) Consisten principalmente en magnetita (FE3O4) con

trivalente de óxido de cromo (CR2O3) añadido como un estabilizador.

Suministrado en forma de óxido férrico (FE2O3) y hexavalente de óxido (CRO3)

Tener precaución si la relación del vapor / el carbón de la alimentación es demasiado baja y el ambiente que reduce demasiado fuerte, el catalizador puede ser reducido adelante al hierro metálico.

Actúan de 205 – 230 º C (400 – 450 º F). El equilibrio de reacción es más cantidades

controlables y más pequeñas del monóxido de carbono son producidos

Es usado principalmente para la purificación final. Son sensibles al envenenamiento por el azufre y

sensibles al agua

vaporAlimentación

Purificación ReformadoPreReformado

Producto

CATALIZADORES

Catalizador de Metanación

Características del catalizador

El reactivo activo es el níquel transportado en la alúmina.

El catalizador tiene una vida larga, funciona en condiciones ideales y si no es expuesto al veneno.

El riesgo más severo para la desactivación del catalizador viene de altos niveles de monóxido de carbono o dióxido de carbono, que puede resultados de la deterioro del equipo de salida de dióxido de carbono o de agujeros de tubo de intercambiador.

La reacción metanación produce una subida de temperaturas de 70 º C (125 ºF) para cada 1 % del monóxido de carbono o una subida de temperaturas de 33 º C (60 º F) para cada un 1 % del dióxido de carbono, suministrado.

La temperatura normal durante metanación sea aproximadamente 315 º C (600 º F), es posible alcanzar 700 º C (1300 º F)

CO + 3H2O CH4 + H2O CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

PURIFICACIÓN DE HIDRÓGENO

Wet scrubbing

Usados para quitar gases ácidos, como sulfito de hidrógeno y dióxido de carbono. Dependen de la reacción química y pueden ser el diseño para una amplia gama de presiones y capacidades. Quitan gases sólo ácidos o hidrocarburos pesados; ellos no quitan el metano u otros gases de hidrocarburo y por lo tanto tienen pocas influencias en la pureza de producto. A menudo son usan como un paso de pre-tratamiento o donde una corriente de hidrógeno y rica debe ser desulfurado para el uso como el gas de combustible. SG Enviro Technologies

vaporAlimentación

Purificación Reformado

hidrógeno

Convertidor Metanación

CO2 removido

PURIFICACIÓN DE HIDRÓGENO

Unidades de adsorción de oscilación de presión

Proceso cíclico que usa lechos adsorbentes sólidos para quitar impurezas del gas y generalmente produce el hidrógeno más alta pureza.Estos lechos son regeneradas por despresurización seguido por un purgando a baja presión. Cuando se hace esto se produce un gas de desecho (o gas de cola) que contiene las impurezas de la alimentación (monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano, y nitrógeno) más un poco de hidrógeno.En este se colocan condiciones en que el gas de cola proporcione no más que aproximadamente el 85 % del combustible de reformador. La temperatura de funcionamiento de reformador es aumentada, y los cambios de equilibrio de reformación, producen más hidrógeno y menos metano en la salida de reformador y de ahí menos metano en el gas de cola. También es usado para unidades de reformación de vapor debido a su producción de hidrógeno de alta pureza y en la purificación de la refinería off gas, donde esto compite con sistemas de la membrana.

South-Tek Systems'

vaporAlimentación

Reformado

hidrógeno

Purificación Convertidorunidad de adsorción de oscilación de presión

PURIFICACIÓN DE HIDRÓGENO

Sistemas de la membrana

Separación criogénica

Separan gases aprovechando las diferencias en sus valores de la difusión por las membranas. No contienen ningunas partes móviles o válvulas de interruptor y tienen la fiabilidad potencialmente muy alta. Su amenaza principal es de componentes en el gas (tal como aromático) que atacan las membranas o de líquidos, que los toponean.Son fabricadas en relativamente pequeños módulos: para la capacidad más grande más módulos son añadidos. El costo es proporcional con la capacidad.Su diseño implica una compensación entre la gota de presión y revestir el área así como entre pureza de producto y recuperación.

Funcionan refrescando el gas que condensa a unos o todos los componentes del extremo de gas. Ofrecen la ventaja de ser capaces de separar una variedad de productos de unas corrientes de alimentaciones solas., un ejemplo es la separación de olefinas de una corriente de hidrógeno.La recuperación de hidrógeno es la variedad del 95 %, con la pureza encima del 98 % asequible. GRASYS JSC

Koch Membrane Systems