La producción de hidrógeno puede parecer sencilla: generar hidrógeno, separarlo, purificarlo y suministrarlo al siguiente proceso. Sin embargo, en la práctica, producir hidrógeno con la pureza requerida, manteniendo la seguridad y la eficiencia del proceso, es mucho más complejo. La contaminación cruzada por oxígeno, la humedad residual, el metano no convertido, el monóxido de carbono, el dióxido de carbono y las variaciones en las condiciones del proceso pueden afectar la calidad del hidrógeno y el rendimiento de la planta. Sin una medición de gases fiable, los operadores podrían no detectar una desviación hasta que la calidad del producto se deteriore o la seguridad del proceso se vea comprometida. Por ello, seleccionar el equipo de análisis de gases adecuado es fundamental para la producción de hidrógeno.
La producción de hidrógeno generalmente requiere analizadores de hidrógeno, oxígeno y humedad, y, según el método de producción, analizadores de CO, CO₂, CH₄ y otros gases de proceso. Las plantas de electrólisis monitorean principalmente H₂, O₂ y humedad, mientras que las plantas de reformado de metano con vapor y gasificación generalmente requieren análisis multicomponente de H₂, CO, CO₂, CH₄ y gases relacionados para el control del proceso, la seguridad y la verificación de la pureza del hidrógeno.
Saber qué gases deben medirse es solo el primer paso. La cuestión de ingeniería más importante es dónde debe instalarse cada analizador, qué rango de medición se requiere y qué principio de medición es el adecuado para la composición del gas en ese punto. En ESEGAS, abordamos el análisis de hidrógeno desde el proceso en sí, ya que la configuración correcta del analizador depende de la tecnología de producción, el objetivo de la medición, el gas de fondo y la precisión requerida.
¿Por qué son necesarios los analizadores de gases en la producción de hidrógeno?
Una planta de producción de hidrógeno puede operar de forma continua, pero aun así experimentar cambios en la composición del gas, la eficiencia de separación, la pureza o la seguridad del proceso. Si estos cambios no se detectan a tiempo, los operadores pueden enfrentarse a hidrógeno fuera de especificación, una menor eficiencia del proceso o mezclas de gases inseguras. Un análisis de gases adecuado proporciona información continua que ayuda a identificar estos problemas antes de que afecten el rendimiento de la planta.
En las plantas de hidrógeno, Analizadores de gas Generalmente se utilizan para tres propósitos principales: control de procesos, verificación de la calidad del producto y monitoreo de seguridad. Estas funciones suelen superponerse, por lo que un solo analizador rara vez es suficiente para toda una planta de producción.
Para el control de procesos, los analizadores de gases pueden ayudar a los operadores a evaluar la eficiencia de la reacción, las tasas de conversión, el rendimiento de la separación y las condiciones de purificación. En el reformado de metano con vapor, por ejemplo, las mediciones de H₂, CO, CO₂ y CH₄ pueden indicar si las reacciones de reformado y de desplazamiento se están desarrollando según lo previsto.
Para el control de calidad, los analizadores verifican la pureza del hidrógeno y detectan impurezas que puedan afectar a las aplicaciones posteriores. Según el uso final, estas pueden incluir oxígeno, humedad, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano o nitrógeno.
Para la monitorización de la seguridad, el análisis de gases cobra especial importancia en procesos donde el hidrógeno y el oxígeno pueden entrar en contacto. La medición continua permite identificar la contaminación o el paso de gases no deseados antes de que las concentraciones alcancen un rango operativo peligroso.
¿Qué analizadores de gases se requieren para la producción de hidrógeno mediante electrólisis del agua?
La electrólisis del agua se considera a menudo una vía limpia y relativamente sencilla para la producción de hidrógeno, pero el control de los gases sigue siendo fundamental. Los electrolizadores producen hidrógeno y oxígeno simultáneamente, y el rendimiento de la membrana, las diferencias de presión, la carga operativa y la eficiencia de la separación de gases pueden influir en la mezcla entre ambas corrientes.
Los más importantes Analizadores de gas En una planta de electrólisis de hidrógeno, normalmente se incluyen analizadores de hidrógeno, analizadores de oxígeno y analizadores de humedad.
Analizador de hidrogeno
Un analizador de hidrógeno se utiliza para medir la concentración de H₂ o la pureza del hidrógeno en puntos específicos del proceso. Según la aplicación, puede instalarse después de los equipos de separación de gases, los equipos de purificación o antes del suministro final de hidrógeno.
Para corrientes de hidrógeno de mayor concentración, la medición de la conductividad térmica suele ser adecuada, ya que el hidrógeno tiene una conductividad térmica significativamente diferente en comparación con muchos gases de fondo.
En ESEGAS, podemos configurar los analizadores de hidrógeno según el rango de hidrógeno esperado, el gas de fondo, la presión, la temperatura y las condiciones del proceso, en lugar de tratar cada medición de hidrógeno como si fuera la misma aplicación.
Analizador de oxigeno
La medición de oxígeno es especialmente importante en el lado del hidrógeno de un electrolizador. Incluso un pequeño cambio en la concentración de oxígeno puede indicar la presencia de gas cruzado, el deterioro del rendimiento del separador, problemas con la membrana o condiciones de funcionamiento inestables.
Por lo tanto, se puede utilizar un analizador de oxígeno para monitorizar:
- O₂ en la corriente de hidrógeno
- contenido de oxígeno después de la separación de gases
- concentración de oxígeno antes de la purificación del hidrógeno
- impureza de oxígeno del producto final
El rango de detección requerido depende de si la medición es para el monitoreo del proceso, el control de seguridad o la calidad del producto final.
Analizador de hidrógeno en oxígeno
También es necesario controlar el flujo de oxígeno, ya que el hidrógeno puede pasar al lado del oxígeno.
Esta medición es diferente a la de medir oxígeno en hidrógeno. En un caso, el analizador detecta O₂ en un fondo rico en H₂; en el otro, detecta H₂ en un fondo rico en O₂. Estas diferentes matrices de gases pueden requerir distintas configuraciones de analizador y estrategias de calibración.
La monitorización de ambas direcciones de cruce proporciona a los operadores una comprensión más clara del rendimiento de separación del electrolizador.
Analizador de humedad
El hidrógeno que sale de un electrolizador suele contener vapor de agua que debe reducirse durante el secado y la purificación posteriores.
Se puede instalar un analizador de humedad después de la secadora o unidad de purificación para verificar:
- concentración de humedad residual
- rendimiento de la secadora
- estabilidad de la calidad del hidrógeno
- cumplimiento del producto final
En el caso del hidrógeno suministrado a procesos posteriores sensibles, la medición de la humedad puede ser tan importante como la lectura general de la pureza del hidrógeno.
¿Qué analizadores de gases se necesitan en la producción de hidrógeno mediante reformado de metano con vapor?
El reformado de metano con vapor produce una mezcla de gases mucho más compleja que la electrólisis. Se genera hidrógeno junto con monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano residual, vapor y otros componentes del proceso. Por lo tanto, la medición del hidrógeno por sí sola no proporciona información suficiente para un control eficaz del proceso.
En las plantas SMR, los componentes múltiples Analizadores de gas Suelen ser necesarios porque los operadores necesitan comprender cómo cambia la composición del gas a través del reformador, el reactor de desplazamiento y el sistema de purificación de hidrógeno.
Análisis de la salida del reformador
En la salida del reformador, los gases objetivo típicos incluyen:
- H₂
- CO
- CO₂
- CH₄
Estas mediciones ayudan a evaluar la eficiencia del reformado e identificar cambios en la conversión de metano.
Si la concentración de metano aumenta inesperadamente, puede indicar un reformado incompleto o cambios en las condiciones del proceso. Asimismo, las concentraciones de CO y CO₂ proporcionan información adicional sobre el equilibrio de la reacción.
Análisis de la salida de desplazamiento de agua-gas
Tras el reformado, el gas normalmente entra en una o más etapas de la reacción de desplazamiento del gas de agua. En esta sección, el monóxido de carbono reacciona con el vapor para generar hidrógeno y dióxido de carbono adicionales.
Las medidas típicas incluyen:
- CO
- CO₂
- H₂
La concentración residual de CO es particularmente importante porque indica el rendimiento de la conversión de la marcha.
Análisis de entrada y salida de PSA
La adsorción por cambio de presión se utiliza ampliamente para purificar el hidrógeno después del reformado y la conversión de desplazamiento.
En la entrada del PSA, el análisis de gases multicomponente puede proporcionar información sobre la mezcla de gases que ingresa a la etapa de purificación.
En la salida del PSA, el objetivo de medición cambia. La prioridad pasa a ser la pureza del hidrógeno y la eliminación de impurezas residuales tales como:
- CO
- CO₂
- CH₄
La monitorización continua puede ayudar a identificar el deterioro del adsorbente, los cambios en el rendimiento del ciclo o las condiciones de purificación anormales.
¿Qué analizadores de gases se requieren para la gasificación de carbón o biomasa?
La gasificación produce gas de síntesis que contiene hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano y otros componentes. La composición del gas puede variar significativamente según la materia prima, las condiciones de operación del gasificador, la temperatura, el suministro de oxidante y el tratamiento posterior.
Esto hace que sea multicomponente Analizadores de gas particularmente valioso en la producción de hidrógeno mediante gasificación.
Los componentes objetivo típicos incluyen:
- H₂
- CO
- CO₂
- CH₄
- O₂
En lugar de basarse en una única lectura de hidrógeno, los operadores pueden utilizar la composición completa del gas de síntesis para evaluar la eficiencia de la gasificación, el comportamiento de la conversión, el rendimiento del cambio de proceso posterior y los requisitos de purificación.
En ESEGAS, generalmente recomendamos evaluar la matriz de gases completa antes de seleccionar el analizador. Para aplicaciones complejas de gas de síntesis, se pueden combinar diferentes principios de medición dentro de un mismo sistema de análisis para monitorizar varios gases simultáneamente.
¿Qué impurezas deben controlarse en el hidrógeno producido?
Una alta concentración de hidrógeno no implica automáticamente que el gas cumpla con los requisitos de su aplicación final. Pequeñas concentraciones de impurezas específicas pueden afectar a las pilas de combustible, los catalizadores, los equipos de compresión, los sistemas de almacenamiento o los procesos químicos posteriores.
Por lo tanto, las mediciones de impurezas necesarias dependen de cómo se vaya a utilizar el hidrógeno.
| Impureza | Por qué debería ser monitoreado | Fuente común |
| O₂ | Seguridad y pureza del producto | Cruce de electrólisis, entrada de aire |
| H₂O | Calidad del producto y protección posterior | Electrólisis, gas de proceso húmedo, etapa de secado |
| CO | Pureza y protección del catalizador | SMR, gasificación |
| CO₂ | Pureza y control de procesos | SMR, gasificación |
| CH₄ | Reformar la eficiencia y la pureza | Steam metano reformado |
| N₂ | Pureza de hidrógeno | Entrada de aire o contaminación del alimento |
Por eso, la calidad del hidrógeno no debe evaluarse únicamente mediante un valor de pureza global. Un flujo de hidrógeno puede parecer muy puro, pero contener una pequeña concentración de una impureza que afecta a la aplicación posterior.
Seleccionar el correcto Analizadores de gas Por lo tanto, requiere tanto la medición de la concentración como el análisis específico de las impurezas.
¿Qué tecnologías de medición se utilizan para el análisis de gases en la producción de hidrógeno?
Los distintos gases interactúan de maneras diferentes con las tecnologías de medición. Por este motivo, no existe un único principio de detección que sea ideal para todas las aplicaciones de producción de hidrógeno.
En ESEGAS, la configuración del analizador se basa en el gas objetivo, el rango de concentración, el gas de fondo, las posibles interferencias, el tiempo de respuesta y las condiciones del proceso.
Medición de conductividad térmica
La tecnología de conductividad térmica se utiliza ampliamente para la medición de la concentración de hidrógeno porque el hidrógeno tiene una conductividad térmica elevada en comparación con muchos otros gases.
Puede ser adecuado para:
- medición de la pureza del hidrógeno
- análisis de H₂ de alto porcentaje
- monitorización del hidrógeno en el proceso
- mezclas de gases binarias o cuasi binarias seleccionadas
Sin embargo, es necesario evaluar cuidadosamente el gas de fondo, ya que los cambios en otros componentes del gas pueden influir en el resultado de la medición.
Medición NDIR
La tecnología infrarroja no dispersiva se aplica comúnmente a gases activos en el infrarrojo, tales como:
- CO
- CO₂
- CH₄
Esto hace que la tecnología NDIR sea particularmente útil en aplicaciones de reformado de metano con vapor (SMR), conversión por desplazamiento, gas de síntesis y gasificación.
Un analizador de procesos multicomponente puede combinar canales NDIR para CO, CO₂ y CH₄ con otro principio de medición para H₂ u O₂.
Tecnologías de medición de oxígeno
El oxígeno se puede medir utilizando diversas tecnologías, dependiendo de la aplicación.
Estos pueden incluir:
- medición paramagnética
- sensores electroquímicos
- medición basada en zirconia
La tecnología adecuada depende del rango de oxígeno, el gas de fondo, las condiciones de funcionamiento, la velocidad de respuesta requerida y si la medición es para el control de procesos o para la detección de trazas de oxígeno.
Medición TDLAS
La espectroscopia de absorción con láser de diodo sintonizable puede resultar útil para mediciones de gases de baja concentración y respuesta rápida en determinadas situaciones.
Dependiendo de la aplicación, TDLAS puede utilizarse para:
- medición de humedad
- Análisis de gases traza seleccionados
- Monitoreo de procesos in situ o extractivos
Su rápida respuesta puede hacerlo atractivo para procesos dinámicos de producción de hidrógeno.
¿Dónde deben instalarse los analizadores de gases en una planta de hidrógeno?
Incluso la tecnología de análisis más adecuada no proporcionará información útil si el punto de medición está mal seleccionado. Por lo tanto, la ubicación del analizador de gases debe determinarse en función del objetivo del proceso.
Un diagrama de flujo simplificado para la producción de hidrógeno podría ser el siguiente:
Alimentación o agua → reacción o electrólisis → separación de gases → purificación → secado → producto final de hidrógeno
Las ubicaciones típicas de los analizadores incluyen:
- Salida de hidrógeno del electrolizador
- Salida de oxígeno del electrolizador
- Salida Reformer
- Salida de desplazamiento de agua-gas
- Entrada PSA
- punto de venta de PSA
- Salida de la secadora
- Línea de productos de hidrógeno final
Cada punto de medición tiene una finalidad diferente.
Por ejemplo, un analizador instalado inmediatamente después de un electrolizador puede centrarse en la contaminación cruzada y la seguridad del proceso, mientras que un analizador instalado después del secador final puede centrarse en la calidad del hidrógeno y las especificaciones de humedad.
Al diseñar Analizadores de gas Para estas aplicaciones, el acondicionamiento de la muestra también es importante. La presión, la temperatura, el condensado, las partículas, el caudal y los componentes corrosivos pueden afectar la fiabilidad del analizador.
¿Debería utilizar un analizador de gases de un solo componente o un analizador de gases multicomponente?
Las plantas de hidrógeno suelen requerir tanto analizadores de un solo gas como sistemas multicomponente. La mejor opción depende del objetivo de la medición, más que del número de gases.
| Analizador de gas único | Analizador de gases multicomponente |
| Centrado en un componente crítico | Mide varios gases de proceso |
| Adecuado para puntos de seguridad o pureza específicos. | Adecuado para procesos complejos. |
| Objetivo de medición simple | Proporciona información más amplia sobre el proceso. |
| Se utiliza a menudo para O₂, H₂ o humedad. | Se utiliza frecuentemente para combinaciones de H₂, CO, CO₂ y CH₄. |
En las plantas de electrólisis, pueden ser apropiados los analizadores específicos para mediciones críticas de oxígeno en hidrógeno e hidrógeno en oxígeno.
Para plantas de SMR y gasificación, se utilizan componentes múltiples. Analizadores de gas A menudo aportan mayor valor porque es necesario interpretar varios gases en conjunto para comprender el rendimiento del proceso.
En muchos proyectos, la solución más eficaz es una combinación de ambos enfoques.
¿Cómo elegir el analizador de gases adecuado para la producción de hidrógeno?
Seleccionar un analizador basándose únicamente en el nombre del gas puede provocar errores de medición o costes innecesarios del sistema. Un analizador de hidrógeno adecuado para un proceso puede no funcionar correctamente en otro debido a las diferencias en el gas de fondo, el rango de concentración, la humedad, la presión y los gases interferentes.
En ESEGAS, recomendamos evaluar los siguientes factores antes de seleccionar Analizadores de gas para un proyecto de producción de hidrógeno:
- Método de producción de hidrógeno
La electrólisis, el reformado con vapor (SMR), la gasificación y otros procesos relacionados con el hidrógeno generan diferentes composiciones de gas. - Componentes del gas objetivo
Determina si la aplicación requiere H₂, O₂, CO, CO₂, CH₄, humedad o varios componentes a la vez. - Rango de medicion
La medición de procesos a nivel porcentual y la detección de impurezas traza requieren configuraciones de analizador diferentes. - Composición del gas de fondo
El gas de la matriz puede afectar la idoneidad y la precisión del principio de medición seleccionado. - Presión y temperatura de la muestra
Estas condiciones determinan si se requiere acondicionamiento de la muestra, reducción de presión, enfriamiento o calentamiento. - Tiempo de respuesta requerido
Las mediciones relacionadas con la seguridad y los procesos que cambian rápidamente pueden requerir una respuesta más rápida del analizador. - Objetivo de la medición
La optimización de procesos, la supervisión de la seguridad y la verificación de la calidad final suelen requerir diferentes estrategias de medición.
Al revisar estas condiciones antes de seleccionar el instrumento, podemos configurar un sistema de análisis de gases más fiable y específico para la aplicación.
¿Qué soluciones de análisis de gases puede ofrecer ESEGAS para la producción de hidrógeno?
La producción de hidrógeno rara vez requiere un análisis de gases estándar. Un electrolizador, un reformador, un gasificador, una unidad PSA y la línea de producción final de hidrógeno pueden requerir diferentes rangos de medición y diferentes tecnologías de análisis.
En ESEGAS, proporcionamos soluciones de análisis de gases que se pueden configurar para aplicaciones como:
- Medición de la concentración y pureza del hidrógeno
- monitorización de oxígeno
- Análisis de la permeación H₂/O₂
- Análisis de procesos de CO, CO₂ y CH₄
- Análisis de gases de proceso multicomponente
- análisis de gas de síntesis
- Monitoreo de humedad y gases traza seleccionados
- Sistemas de acondicionamiento de muestras personalizados
Nuestro enfoque parte de las condiciones reales del proceso, en lugar de seleccionar primero un modelo de instrumento. Evaluamos los gases objetivo, los rangos de concentración, la composición del gas de fondo, la presión, la temperatura, el punto de medición y el tiempo de respuesta requerido antes de recomendar una solución adecuada.
Esto es particularmente importante para Analizadores de gas Se utiliza en la producción de hidrógeno, porque el mismo componente objetivo puede requerir una configuración de medición completamente diferente dependiendo de dónde se mida.
Conclusión
La producción de hidrógeno no requiere un analizador de gases universal. El sistema de análisis adecuado depende del proceso de producción, el punto de medición, la composición del gas y los requisitos de calidad final del hidrógeno.
Las plantas de electrólisis suelen requerir monitorización de H₂, O₂ y humedad, especialmente para el control de la contaminación cruzada y la calidad del hidrógeno final. Las plantas de reformado de metano con vapor generalmente necesitan análisis de H₂, CO, CO₂ y CH₄ durante el reformado, la conversión y la purificación. Las plantas de hidrógeno basadas en gasificación se benefician del análisis de gas de síntesis multicomponente, mientras que las líneas de producción de hidrógeno final pueden requerir una monitorización específica de impurezas y humedad.
En ESEGAS, seleccionamos y configuramos Analizadores de gas Adaptamos la tecnología del analizador a las condiciones reales del proceso, en lugar de aplicar una solución estándar a todas las plantas de hidrógeno. Al ajustar la tecnología del analizador al método de producción, el rango de medición, la matriz de gases y el objetivo de la aplicación, ayudamos a los productores de hidrógeno a lograr un control de procesos más fiable, una operación más segura y una calidad de hidrógeno constante.
