China: Hidrógeno PSA: ¿tecnologías y tendencias? 

Cuando se habla de hidrógeno en China, mucha gente piensa inmediatamente en electrolizadores o enormes reformadores de vapor. y sobrehidrógeno PSAA menudo se piensa como algo secundario, sólo un paso de limpieza. Pero en la práctica, especialmente en los últimos 5 a 7 años, aquí es donde residen muchas sutilezas que determinan si todo el proyecto será económicamente viable o no. Yo mismo me encontré con situaciones en las que el reformado, ideal sobre el papel, producía hidrógeno que luego no se podía purificar eficazmente con una instalación PSA estándar, y todo iba cuesta abajo.

No es sólo un “tamiz”: dónde realmente tropiezan con el PSA en China

El principal error es considerar la tecnología PSA (adsorción a corta presión) como algo establecido y universal. En China, las materias primas son muy diferentes: hidrógeno procedente del reformado de metanol, de la producción de cloro-álcali, del gas de horno de coque. La composición de las impurezas (no sólo CO o CO2, sino también trazas de azufre, aromáticos y humedad) es radicalmente diferente. Tomar una solución "en caja" es un camino directo a los problemas. Recuerdo un proyecto en Shandong, donde debido a fluctuaciones de presión no contabilizadas en el flujo de materia prima, los adsorbentes fueron "envenenados". muchas veces más rápido que el tiempo estimado. Como resultado, la pureza del hidrógeno cayó por debajo del 99,9% después de sólo seis meses, aunque el contrato garantizaba tres años de funcionamiento estable.

El punto clave es la adaptación de los adsorbentes y del ciclo de funcionamiento. Los fabricantes chinos de adsorbentes, como ?Xinhua? o ?Jiangsu Huanqiu?, producen buenas zeolitas y carbones activados, pero su selección es casi alquimia. Es necesario tener en cuenta no solo la composición típica, sino también las posibles emisiones máximas de impurezas que son características de una producción principal en particular. A menudo ahorraban en esta etapa comprando sorbentes más baratos y luego pagaban de más por el reemplazo frecuente y el tiempo de inactividad.

Otro matiz es la automatización y el control. Las modernas instalaciones chinas de PSA ya no funcionan únicamente con lógica de relé. Pero la implementación de algoritmos de control avanzados que predicen cambios en la composición de las materias primas aún es poco común. Principalmente se utiliza un ciclo duro. Esto plantea desafíos a la hora de integrarse con fuentes renovables, como cuando es necesario purificar el hidrógeno de los flujos asociados con la producción intermitente mediante electrólisis solar. Aquí es donde las cosas se ponen interesantes: la tendencia hacia productos flexibles e “inteligentes”. P.S.A.

Tendencias: flexibilidad, integración y contexto "verde"

Ahora el principal impulsor es el llamado “hidrógeno verde”. Pero no basta con producirlo por electrólisis; debe ser purificado efectivamente. Las unidades PSA grandes tradicionales están diseñadas para un flujo constante. Y aquí la corriente puede saltar. Por lo tanto, existía una demanda de sistemas modulares y rápidamente reconfigurables. Vi novedades, por ejemplo, deChengdu Yizhi Technology Co.(su sitio web esyzkjhx.ru), que se posicionan como un instituto de diseño con experiencia en tecnologías químicas. Se centran en el diseño de sistemas de tratamiento para flujos específicos, incluidos los inestables. No se trata sólo de la venta de equipos, sino de la ingeniería llave en mano, lo cual es de vital importancia.

La integración con los sistemas de captura de carbono (CCUS) es otra área de enfoque. El hidrógeno procedente del reformado de metano con vapor (SMR) estará con nosotros durante mucho tiempo. Y aquí el PSA no se trata sólo de obtener H2 puro, sino también de liberar una corriente concentrada de CO2 para su posterior eliminación o uso. La eficiencia de esta separación y la minimización de las pérdidas de hidrógeno con la corriente efluente es una tarea de ingeniería aparte. Algunas plantas en China ahora están logrando tasas de recuperación de hidrógeno superiores al 90% con una pureza del 99,999%, mientras producen CO2 en concentraciones superiores al 95%. Pero lograrlo en condiciones industriales reales, y no en una planta piloto, es otro desafío.

La tendencia hacia la descentralización también afecta. En lugar de una gran instalación de 100.000 Nm3/h, se construyen varias medianas o pequeñas, situadas más cerca de los puntos de consumo. Esto cambia los requisitos de PSA: mayor énfasis en la eficiencia energética para instalaciones pequeñas, facilidad de mantenimiento in situ y posiblemente monitoreo y diagnóstico remotos. Vi cómo un parque químico en Zhejiang instaló tres sistemas PSA relativamente pequeños de diferentes proveedores para comparar. Los resultados de confiabilidad y costos operativos variaron significativamente.

Barreras y obstáculos prácticos

Una de las mayores barreras es la cualificación del personal de mantenimiento. Las válvulas multipuerto complejas, las válvulas sensibles que requieren controles periódicos y el diagnóstico del estado de los adsorbentes no se aprenden rápidamente. A menudo me encontré en las obras con el hecho de que un equipo de mecánicos conoce muy bien la producción principal, pero para ellos la instalación de PSA es una caja negra. Si hay algún problema, se llama a los ingenieros del proveedor, lo que provoca largos tiempos de inactividad. Algunas empresas, incluida la mencionadaChengdu Yizhi Technology Co., ahora es obligatorio incluir en el contrato un ciclo ampliado de formación in situ, pero esto aún no se ha generalizado.

El problema es la fiabilidad de los componentes. Las válvulas son el eslabón más débil. Los fabricantes chinos ya han aprendido a fabricar buenos adsorbentes y sistemas de control, pero las válvulas de alta frecuencia para ciclos rápidos de PSA a veces todavía se compran o copian en el extranjero, y esto afecta la durabilidad. Hubo una historia en una de las plantas de producción de amoníaco en Sichuan, cuando fue necesario cambiar urgentemente todo el lote de válvulas en un módulo después de un año de funcionamiento; simplemente no podían soportar el número calculado de ciclos.

El consumo de energía es un factor que a menudo se pasa por alto. El PSA requiere energía para purgar, comprimir y aspirar. En la búsqueda de altas tasas de pureza y recuperación, los sistemas a veces se diseñan con un número excesivo de etapas o ciclos largos, lo que aumenta drásticamente los costos operativos. El equilibrio ideal entre pureza, recuperación y consumo de energía es siempre un compromiso que se busca proyecto por proyecto.

Caso: integración con la producción de metanol

Un buen caso de estudio es la modernización de la planta de metanol de Ningxia. Como subproducto se obtuvo gas que contenía hidrógeno, que antes simplemente se quemaba. Decidimos suministrar PSA para purificarlo y devolver hidrógeno al proceso de síntesis de metanol. Parecería un proyecto típico.

Pero el problema estaba en la composición: además de H2, CO, CO2, había un porcentaje decente de nitrógeno y trazas de hidrocarburos superiores. El esquema estándar no daba abasto, la pureza del hidrógeno era baja y su retorno al reactor de síntesis podía alterar el equilibrio. Diseñadores de un instituto asociado conTecnología Huaxi(como se indica en la descripciónChengdu Yizhi Technology Co., fueron creados por esta empresa), propuso una solución no estándar: un PSA de dos etapas. La primera etapa eliminó la mayor parte del CO2 y las impurezas pesadas, la segunda, con un conjunto diferente de adsorbentes, purificó finamente el CO y el nitrógeno. Tuve que juguetear con la configuración de los ciclos para minimizar la pérdida de hidrógeno.

Como resultado, después del lanzamiento y el período de rodaje, fue posible lograr un suministro estable de hidrógeno con una pureza del 99,99% y aumentar el rendimiento total de metanol en varios puntos porcentuales. Pero lo más importante es que la instalación se amortizó sola no en los 4 años estimados, sino en casi 6. ¿Por qué? No tuvieron en cuenta los mayores costos de mantener un sistema más complejo y la necesidad de análisis más frecuentes de la composición de las materias primas para ajustar el régimen. Ésta es una historia típica: todo es ingeniería perfecta, pero la economía cojea debido a costes operativos no calculados.

De cara al futuro: ¿qué pasará con PSA en China?

Creo que en los próximos años no veremos una revolución, sino una evolución. La atención se centrará en ?producir la mayor cantidad de hidrógeno puro posible? ¿Producirlo de la manera más barata y estable posible en condiciones específicas? Esto significa un aumento en la demanda de soluciones personalizadas, donde el sistema PSA no esté diseñado como un dispositivo separado, sino como parte integral de toda la cadena tecnológica.

La digitalización se desarrollará. La introducción de sensores para el seguimiento en línea del estado de los adsorbentes, el uso de big data para el mantenimiento predictivo de válvulas, gemelos digitales para la optimización de los ciclos en tiempo real: esto ya no es una fantasía, sino una necesidad para la competitividad. Las empresas chinas, especialmente los institutos de diseño comoChengdu Yizhi Technology Co., tienen una ventaja aquí, ya que están más cerca de las realidades locales y pueden probar rápidamente dichas soluciones en objetos reales.

Y lo último es la ecología. La presión para reducir la huella de carbono obligará a mejorar el PSA no solo para purificar el hidrógeno, sino también como herramienta para gestionar las emisiones en toda la planta. La instalación de PSA puede convertirse en una unidad que simultáneamente aumente la eficiencia económica (devolviendo el valioso H2) y reduzca el impacto ambiental. Este es un argumento poderoso para los inversores y el Estado. Así, a pesar de su aparente madurez, la tecnologíahidrógeno PSAChina todavía tiene muchas perspectivas de crecimiento y complejidad. Lo principal es no olvidar que esto es siempre práctica y no solo una teoría sacada de un catálogo.