Uso do Hidrogênio na Indústria

“Há um foco significativo e compreensível hoje no uso potencial do hidrogênio como substituto do gás natural para aquecimento e geração de eletricidade.

Suas principais vantagens são vistas como seu alto poder calorífico e a natureza “livre de carbono” de seus produtos de combustão (simplisticamente, água). Para acessar esses dois ativos, esforços significativos estão sendo feitos para produzir hidrogênio a granel de maneira econômica e para gerenciar, ou projetar uma maneira de escapar, de algumas das desvantagens de simplesmente queimá-lo. Isso incluiria:

• alta temperatura da chama (levando ao aumento da produção de NOx);
• alta velocidade da chama (aumentando o potencial de chamas instáveis);
• dificuldade em comprimi-lo (os compressores centrífugos não funcionam bem devido à sua baixa massa molecular e à facilidade com que vaza de volta pelos estágios);
• armazenamento em grande escala (seu baixo valor calorífico em comparação com o gás natural significa que mais precisa ser armazenado para o mesmo conteúdo de energia); e
• sua baixa energia de ignição (maior tendência para inflamar de forma não planejada).

No entanto, o hidrogênio é produzido desde 1650, quando Théodore de Mayerne derramou ácido sulfúrico diluído sobre o ferro para produzir um gás de “ar inflamável”. Somente em 1783, quando Jaques Charles fez um balão de hidrogênio grande o suficiente para transportar ele e um colega por uma distância de 36 km a uma altura de 550 m, foi percebido que o hidrogênio tinha outros usos.

No entanto, três descobertas subsequentes realmente abriram as possibilidades de realizar seu potencial químico. Estes foram hidrogenação (1897), o processo de Haber para fazer amônia (1910) e hidrocraqueamento (1920).

Hoje, o hidrogênio é reconhecido como um produto premium e é produzido com pureza da ordem de 99,999%. Ele tem um papel, muitas vezes muito além do óbvio; e este breve artigo descreve alguns deles.

Refinarias de petróleo

O hidrogênio é consumido nas refinarias em uma variedade de operações de hidro-dessulfurização (HDS) e hidrocraqueamento. HDS é um processo químico catalítico amplamente utilizado para remover enxofre do gás natural e de produtos refinados de petróleo, como gasolina ou petróleo, querosene, óleo diesel e óleos combustíveis.

O hidrocraqueamento é um processo que pega produtos de refinaria mais pesados ​​e quebra as moléculas grandes em moléculas menores (destilados como diesel ou gasolina) na presença de hidrogênio e um catalisador.

Juntas, as refinarias do Reino Unido produzem 156.563 Nm³/h de hidrogênio¹, o que equivale a mais de 100.000 t/ano. É provável que aumente à medida que a legislação recente que proíbe o uso de óleo residual com alto teor de enxofre em navios (“Bunker C”)² afeta o mercado no qual esses resíduos pesados ​​são tradicionalmente vendidos, e como o equilíbrio entre diesel e gasolina para transporte use reajustes.

Produção de amônia

O processo Haber-Bosch é o principal procedimento industrial para a produção de amônia hoje, e envolve a combinação direta de hidrogênio e nitrogênio sob pressão e temperatura na presença de um catalisador metálico. A amônia (NH₃) é usada para produzir nitrato de amônio, um fertilizante, e faz parte de muitos produtos de limpeza doméstica. Ao lado das refinarias de petróleo, a amônia é atualmente a maior aplicação de hidrogênio.

O processo, em termos simples, requer nitrogênio e hidrogênio, misturados na proporção de 1:3, para serem colocados sob pressão e temperatura em um recipiente contendo um catalisador. Os catalisadores mais populares são baseados em ferro promovido com K₂O, CaO, SiO₂ e Al₂O₃.

As reações ocorrem normalmente a 15–25 MPa (150–250 bar) e entre 400–500°C. Os gases misturados são normalmente passados ​​por quatro leitos de catalisador, com resfriamento entre cada passagem de modo a manter um equilíbrio razoável constante para as reações.

Em cada passagem, apenas cerca de 15% do gás é convertido em amônia: a amônia líquida é removida e os gases não reagidos reciclados por meio de um compressor. Em fábricas modernas, podem ser alcançadas taxas de conversão globais superiores a 97%.

O hidrogênio para plantas de amônia é normalmente produzido usando a tecnologia de reforma de metano a vapor (SMR) ( Figura 1 ), e os projetos ficam cada vez maiores à medida que a escala é aproveitada. Acredita-se que a maior fábrica de amônia de um único trem do mundo seja a localizada em Al-Jubail, na Arábia Saudita. Ela produz 1.300 t/d e é propriedade da Al-Jubail Fertilizer Company.

Redução de minério metálico

O hidrogênio é usado comercialmente para extrair tungstênio de seu minério (volframita, scheelita e ferberita). O mesmo conceito pode ser usado para produzir cobre a partir de tenorita e paramelaconita (óxido de cobre, CuO).

A redução direta de ferro (DRI) usando hidrogênio é uma ideia que ainda não atingiu aplicação em larga escala, com a vantagem de que o gás de alto forno (BFG) é composto principalmente por vapor d’água e nitrogênio com apenas uma pequena quantidade de CO₂.

A planta de aço Luleå na Suécia, que é operada pela SSAB, pretende construir uma planta piloto DRI usando um processo chamado Hybrit. Se o piloto for bem-sucedido, espera-se que o trabalho de expansão para uma capacidade de demonstração de 500.000 t / ano comece em 2025 com conclusão planejada para 2035.³

O hidrogênio pode, teoricamente, ser usado como agente redutor para produzir prata, ouro e platina, mas não é empregado comercialmente.

Produção de ácido clorídrico

A produção em larga escala de ácido clorídrico (HCl) é quase sempre integrada à produção em escala industrial de outros produtos químicos como um pseudo subproduto. No entanto, o cloro gasoso puro pode ser combinado diretamente com o hidrogênio para produzir cloreto de hidrogênio diretamente na presença de luz ultravioleta. Esta é uma reação altamente exotérmica e raramente usada comercialmente para produzir HCl.

Agente Hidrogenante

O hidrogênio é usado para transformar gorduras insaturadas em óleos e gorduras saturadas. As indústrias alimentícias, por exemplo, usam hidrogênio para fazer óleos vegetais hidrogenados, como margarina e manteiga.

A hidrogenação de óleos e gorduras saturadas é um processo descontínuo que ocorre em um tanque aquecido (ver Figura 2). O óleo alimentado (por exemplo, semente de girassol ou azeite de oliva) é bombeado para um vaso de pressão aquecido e um vácuo é aplicado para inibir a oxidação conforme o aquecimento é aplicado. A temperatura é elevada para 140-250°C e a mistura é agitada para garantir uma temperatura uniforme.

Os sólidos do catalisador de níquel, misturados com uma pequena quantidade de óleo, são então bombeados, seguidos pelo gás hidrogênio, que traz a pressão para 2,7–4 barg. A reação de hidrogenação é exotérmica, então o aquecimento externo é removido e o resfriamento aplicado, agitação vigorosa garantindo que a temperatura permaneça na faixa de 70-80°C. Após 40–60 minutos, a mistura de óleo hidrogenado é bombeada como uma pasta e os sólidos do catalisador são removidos em filtros.

Soldagem de hidrogênio atômico

A soldagem de hidrogênio atômico (AHW) é um processo de soldagem a arco que usa um arco entre dois eletrodos de metal de tungstênio em uma atmosfera de proteção de hidrogênio e pode ser usado para soldar metais refratários e tungstênio.

Hidrogênio como refrigerante

Muitos grandes geradores elétricos modernos usam gás hidrogênio como refrigerante do rotor a uma pressão de cerca de 4 bar. As vantagens são:

• baixa densidade (levando a menor perda de vento (cerca de 10%) do que para o ar);
• alta condutividade térmica (tamanhos reduzidos de resfriadores);
• alta capacidade de calor específico; e
• é mais limpo que o ar, portanto, tem menor potencial para reduzir a resistência elétrica das buchas.

Como um gás de busca

O hidrogênio é usado em muitas fábricas para verificar se há vazamentos, uma vez que seu impacto ambiental é menor do que o dos gases à base de CClF₃ que eram usados ​​no passado. O hidrogênio pode ser usado sozinho ou com outros elementos.

Produção de metanol

O metanol pode ser produzido a partir do gás de síntese (monóxido de carbono e hidrogênio) em um reator de leito fixo usando um catalisador de pelotas de alumina revestidas com óxidos de cobre e zinco. O metanol também pode ser feito pela combinação direta de hidrogênio e dióxido de carbono: essa reação tem merecido muita atenção nos últimos anos porque oferece a possibilidade de transformar o CO₂ atmosférico em um substituto do combustível fóssil. O desafio é torná-lo termodinamicamente eficiente (ou seja, acabar com mais energia útil no metanol do que a energia total do processo necessária para produzi-lo).

A maior parte do trabalho tem se concentrado em encontrar um bom catalisador para que o metanol possa ser produzido em alta seletividade a uma taxa eficiente. Pesquisadores nos EUA ⁴descobriram que uma combinação de paládio e cobre produz a conversão mais eficiente usando nanopartículas do catalisador dispersas em um material de suporte poroso, usado para aumentar a área de superfície do catalisador. Com um pellet de catalisador do tamanho de uma noz, a superfície interna é semelhante à de um campo de futebol.

Neste processo, hidrogênio e dióxido de carbono são bombeados para a câmara selada de um vaso de reator embalado com o catalisador, e o conteúdo é aquecido a 180-250°C. A conversão máxima de CO₂ em metanol é de cerca de 24%. O dióxido de carbono e o hidrogênio não convertidos são reciclados e devolvidos ao navio. A eficiência termodinâmica geral do processo não é declarada.

Fabricação de peróxido de hidrogênio (H₂O₂)

O peróxido de hidrogênio é um agente esterilizante de rotina usado em clínicas e hospitais. É um forte agente oxidante e é particularmente eficaz na limpeza de feridas, cortes e outras partes danificadas do tecido. Também é usado para clarear cabelos, clarear dentes e remover manchas de roupas. Em pesquisas, o H₂O₂ também é usado para testar o potencial antioxidante de enzimas como a catalase.

O peróxido de hidrogênio é normalmente feito em um processo de várias etapas e de uso intensivo de energia, que requer que seja produzido em grandes quantidades e transportado e armazenado em uma forma altamente concentrada. O processo de fabricação envolve a catálise da reação do H₂ com o O₂ atmosférico usando a antraquinona (Q) como carreador de hidrogênio.

A primeira etapa é a hidrogenação, onde o paládio catalisa a reação entre o hidrogênio e a antraquinona para criar a antra-hidroquinona (H₂Q). Na segunda etapa, o catalisador de paládio é filtrado para fora da solução. Em seguida, a solução é oxidada soprando ar através da solução, formando o H₂O₂ e liberando a antraquinona. Finalmente, o peróxido de hidrogênio é removido em uma coluna de extração líquido-líquido e concentrado por destilação a vácuo.

Mais recentemente, pesquisadores do Reino Unido e dos Estados Unidos desenvolveram um método de produção de H₂O₂ sob demanda por meio de um processo simples de uma etapa, permitindo que o H₂O₂ diluído seja feito diretamente a partir de hidrogênio e oxigênio em pequenas quantidades no local .

Isso poderia torná-lo mais acessível às regiões subdesenvolvidas do mundo, onde poderia ser usado para purificar a água.⁵ Os compostos bimetálicos que consistem em paládio e qualquer um dos seis outros elementos podem catalisar efetivamente a hidrogenação do oxigênio para formar o peróxido de hidrogênio.

Como um agente redutor

O hidrogênio é o elemento chave envolvido nas reações redox. É utilizado na fabricação de placas de vidro, por exemplo, para evitar a formação de óxido estanoso (SnO) no banho de flutuação.

Em análise química

O hidrogênio é usado em vários métodos de análise química. Esses métodos incluem espectroscopia de absorção atômica. Aqui, o hidrogênio é usado como combustível para gerar calor, ao mesmo tempo em que produz os átomos neutros.

Cromatografia em fase gasosa

O hidrogênio é um dos gases que podem ser usados ​​como fase carreadora na cromatografia gasosa, usado para separar substâncias voláteis

Balões meteorológicos

Como o hidrogênio é leve em comparação com outros gases, ele ainda é usado por meteorologistas em balões meteorológicos de alta altitude.

Como portador de energia

O gás hidrogênio não é uma fonte de energia; em vez disso, ele armazena e fornece energia de uma forma utilizável. Fora da combustão para calor e CHP tem uma aplicação como combustível para células a combustível de hidrogênio que pode ser usado, por exemplo, em trens, carros, ônibus, submarinos, bicicletas e laptops .

Uso de hidrogênio em outro lugar

O progresso humano pode ser mapeado em termos de revoluções ocasionadas pelo uso mais eficiente de energia – desde a descoberta precoce do fogo até intensidades mais altas possibilitadas pelo carvão (por exemplo, vapor). Mudanças mais recentes foram possibilitadas pela energia nuclear e pelo gás natural.

É muito possível que a próxima revolução seja a era do hidrogênio, abrindo a possibilidade de energia sustentável para o futuro, com aplicações em casa (conforme descrito no programa HyDeploy) e transporte.

Fonte: The Chemical Engineer. Artigo escrito por Andy Brown (Engineering Director, Progressive Energy).

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Referências

1. “Capacidade de produção de hidrogênio da refinaria por país”, Ferramentas H2, https://h2tools.org/node/820

2. MEPC.1 / Circ.878 “Orientação sobre o Desenvolvimento de um Plano de Implementação de Navio para a Implementação Consistente do Limite de Enxofre de 0,50% sob MARPOL Anexo VI”, Organização Marinha Internacional , novembro de 2018

3. “Processo de aço verde dado para teste em escala piloto”, The Chemical Engineer , fevereiro de 2018

4. “Processo de dióxido de carbono em metanol melhorado pelo catalisador”, Penn State, Science Daily , 28 de junho de 2018

5. “Novo catalisador torna o peróxido de hidrogênio acessível ao mundo em desenvolvimento”, Lehigh University, 25 de fevereiro de 2016. Projeto liderado por Graham J Hutchings, professor de química física, Cardiff Catalysis Institute, Cardiff University.