Gases industriais/medicinais
Analisadores especializados e aplicações para processos em indústrias como a medição de impurezas em gases industriais e a medição de alta pureza de gases medicinais.
Nos últimos anos, com as questões ambientais e a crescente preocupação social com o hidrogênio, este tem atraído interesse como uma nova fonte de energia, e espera-se que seu uso se expanda no futuro.
Com essa tendência, os postos de abastecimento de hidrogênio para veículos com células de combustível estão testemunhando um crescimento acelerado e expressivo. Atualmente, a maior parte do hidrogênio utilizado é derivado do gás natural, e a norma ISO 14687 define o padrão de qualidade do hidrogênio para veículos com células de combustível. A qualidade do hidrogênio é vital para o desempenho e a vida útil da célula de combustível; mesmo traços de contaminação são críticos e podem reduzir o desempenho, além de levar à deterioração e danos ao catalisador da célula.
Portanto, o desafio concentra-se em assegurar hidrogênio de alta qualidade a um custo menor. Na busca por produzir hidrogênio de maior pureza em maiores quantidades e a um custo mais baixo, há uma necessidade constante de aprimorar a tecnologia do processo de produção e melhorar o desempenho de adsorção e regeneração, monitorando todo o processo produtivo e analisando os catalisadores e materiais utilizados. Dentre as tecnologias de produção de hidrogênio, a reforma a vapor é amplamente utilizada como o método mais eficiente para produzir grandes quantidades do gás.
Essa tecnologia geralmente utiliza gás natural e o reforma para produzir hidrogênio de alta pureza. No processo de reforma, uma série de impurezas é produzida juntamente com o hidrogênio de alta pureza; portanto, é fundamental monitorar continuamente as impurezas críticas após a unidade de absorção por oscilação de pressão (PSA) para evitar sua contaminação do produto final – hidrogênio de grau combustível para células a combustível – e proteger os veículos movidos a células a combustível de hidrogênio contra a deterioração do desempenho.
Tabela 1: Normas de Qualidade do Combustível Hidrogênio ISO 14687
Na Figura 1 abaixo são mostrados 5 passos principais nas operações básicas de uma estação de hidrogênio no local.
Etapa 1: o gás de cidade (gás natural composto principalmente de metano) é fornecido diretamente à estação de hidrogênio através de um gasoduto.
Etapa 2: Os compostos de enxofre presentes no gás natural são removidos na unidade dessulfurização.
Etapa 3: O gás natural tratado entra no reformador de metano a vapor (SMR), onde vapor em alta temperatura é usado para converter o metano em hidrogênio e monóxido de carbono (CH4 + H₂O = CO + 3H2). A alta temperatura acelera a reação entre o metano e a água para capturar o máximo de hidrogênio possível.
Etapa 4: O monóxido de carbono e o vapor provenientes da reforma seguem para o conversor de deslocamento de CO para produzir dióxido de carbono e mais hidrogênio.
(CO+H2O= H2+CO2).
Este conversor é preenchido com água e um catalisador à base de ferro-cromo que faz com que o vapor se decomponha em oxigênio e hidrogênio. O hidrogênio é capturado enquanto o oxigênio se liga ao monóxido de carbono da reação de reforma para produzir dióxido de carbono.
Etapa 5: O hidrogênio é finalmente purificado na unidade chamada adsorção por oscilação de pressão (PSA), que recupera hidrogênio de alta pureza em alta pressão enquanto absorve impurezas em baixa pressão. Esta unidade utiliza leitos de absorvente sólido, como peneira molecular de carbono, para separar as impurezas da corrente de hidrogênio.
Figura 1: Operações básicas de uma estação de hidrogênio no local.
O CO é uma das piores impurezas indesejáveis em células a combustível de hidrogênio devido à dificuldade de remoção e ao envenenamento do catalisador, o que pode levar à queda de tensão na célula. Embora a norma ISO 14687 para qualidade do hidrogênio (ver Tabela 2: ISO 14687-3: 2019) especifique a necessidade de monitoramento de diversas impurezas em concentrações muito baixas, o monitoramento de cada componente impuro é extremamente complexo e dispendioso.
Como solução, existe um método de gerenciamento de impurezas chamado "Método da Impureza Canária" (ver Tabela 3: Método de Gerenciamento de Impurezas Canária), especificado na norma ISO. Este método utiliza um índice para identificar o componente menos removido em uma etapa de purificação de hidrogênio e que se mistura facilmente ao produto final. O CO, uma impureza presente no hidrogênio, é determinado como o componente canário, e a qualidade do hidrogênio é mantida por meio do monitoramento constante da concentração de CO, utilizando um analisador infravermelho contínuo. O motivo pelo qual o CO é o componente menos removido é porque ele é indicado como o componente de ruptura no processo de adsorção por oscilação de pressão (PSA). Quando o adsorvente no PSA atinge a saturação devido à sua deterioração, o CO é o primeiro componente a ser liberado.
Monitor de Traço de Gases da HORIBA (GA-370) é utilizado para monitorar o componente de ruptura, o CO, garantindo a qualidade do hidrogênio para células a combustível a um custo razoável. O monóxido de carbono deve ser verificado na saída do sistema de adsorção por oscilação de pressão.
Tabela 2: ISO14687-3: 2019
Tabela 3: Método de Gestão de Impurezas Canário
Referência: JXTG Technical Review Vol.60 No.01 (março de 2018)
Desenvolvimento de um novo método de controle de qualidade para o hidrogênio ENEOS
Monitor de Traço de Gases GA-370 da HORIBA (mostrado na Figura 2) oferece soluções analíticas poderosas para monitorar continuamente o CO após a adsorção por oscilação de pressão (PSA) em níveis de sub-partes por bilhão (ppb).
Utiliza um princípio denominado infravermelho não dispersivo de feixe duplo modulação cruzada, que resulta em medições sem deriva e detecção ultrassensível e confiável de quantidades mínimas de moléculas contaminantes, garantindo a qualidade do hidrogênio para células a combustível.
Com décadas de experiência em soluções de medição, HORIBA projetou este analisador para eliminar ciclos de calibração de rotina e proporcionar medições estáveis a longo prazo, além de operação contínua sem supervisão.
Cada elemento do analisador foi selecionado para garantir máxima confiabilidade, precisão e ultrassensibilidade, atendendo às necessidades das indústrias e aplicações mais exigentes.
Eficiente em termos de custo, extremamente estável e ultrassensível – a melhor solução para um controle de qualidade e gestão de garantia de qualidade do hidrogênio.
Tabela 4: Especificações
Vídeo de Introdução ao GA-370
Apresentação do Monitor de Traço de Gases GA-370 da HORIBA
Figura 2: Monitor de Traço de Gases GA-370
Analisador de infravermelho não dispersivo de feixe duplo com modulação cruzada
Sabe-se que moléculas constituídas por átomos diferentes absorvem luz infravermelha em uma faixa de comprimento de onda específica.
O analisador de infravermelho não dispersivo (doravante, NDIR) utiliza a propriedade física das moléculas mencionada acima e mede a absorção de luz infravermelha no comprimento de onda específico de CO, CO₂ e/ou CH₄ no gás da amostra, fornecendo uma medição contínua do valor da concentração.
A técnica NDIR convencional utilizava duas células de medição e um setor rotativo (chopper óptico) para obter o sinal de modulação. NDIR original HORIBA, com tecnologia modulação cruzada utiliza apenas uma célula de medição. O principal elemento inovador do projeto é uma válvula solenoide que comuta em um período constante (por exemplo, 1 Hz) e introduz alternadamente o gás de amostra e o gás de referência (gás zero) na célula de medição. Com esse método, elimina-se a distinção entre o caminho óptico da amostra e o de referência, e o mesmo caminho óptico funciona alternadamente como caminho óptico da amostra e de referência. Dessa forma, elimina-se a necessidade de um chopper óptico para modular a saída do detector. A presença de CO, CO2 e/ou CH4 no gás de amostra gera uma diferença na intensidade da luz que atinge o detector quando a célula está preenchida com o gás de amostra em comparação com quando a célula está preenchida com o gás de referência. Essa diferença faz com que a membrana metálica no detector se mova para frente e para trás, o que corresponde ao valor da concentração.
Essa técnica de medição elimina a necessidade de um modulador óptico ou ajustes ópticos, permite medições sem deriva, aumenta a sensibilidade e proporciona estabilidade a longo prazo.
A NDIR de feixe duplo de modulação cruzada é a mesma técnica descrita modulação cruzada acima, mas em vez de uma célula de medição, gás amostral e gases de referência são introduzidos alternadamente em duas células de medição (Veja a Figura 3). Ao adquirir sinal de duas células, conseguimos obter o dobro do sinal, o que contribuiu para a alta sensibilidade da medição.
Além disso, a relação sinal-ruído é significativamente melhor porque o modulador óptico, que tende a gerar ruído significativo em um NDIR convencional, é removido.
Essa técnica adotou um sistema de detecção dupla para minimizar a interferência de outros componentes não medidos que coexistem no gás da amostra.
Um detector de compensação está localizado atrás do detector principal. O sinal do componente de medição mais o sinal do componente de interferência é extraído pelo detector principal, e o sinal do componente de interferência é extraído pelo detector de compensação. Esses sinais são amplificados e calculados por um subtrator para extrair a saída apenas do componente de medição desejado. Esse projeto de detector duplo permite medições de alta precisão, na ordem de ppb.
Técnica infravermelha não dispersiva de feixe duplo com modulação cruzada. Fluxograma.
O gráfico 1 mostra o nível de ruído em NDIR de feixe duplo modulação cruzada. É evidente à primeira vista que, com nível de ruído igual a zero, a leitura do analisador é extremamente estável.
Em resumo, a tecnologia NDIR de feixe duplo modulação cruzada, original da HORIBA, garante estabilidade a longo prazo, ausência de ruído óptico e operação livre de deriva, mesmo na medição de concentrações em níveis de traço em gases de alta pureza.
Gráfico 1: Nível de ruído NDIR de feixe duplo com modulação cruzada
Monitor de Traço de Gases
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