Le temperature estreme e l’alta concentrazione di idrogeno nei reattori di ossidazione parziale (POX) creano un ambiente difficile per gli strumenti di misura, tra cui la termocoppia, che non sono attrezzati per gestire tali sfide.
L’ossidazione parziale (POX), il processo iniziale di trasformazione delle materie prime di idrocarburi grezzi in componenti di valore superiore, richiede temperature molto elevate e produce un calore significativo. Insieme ai fluidi per condizioni difficili presenti nelle unità di processo, come l’idrogeno, questo ambiente estremo riduce notevolmente la durata della maggior parte degli strumenti di misura, compresa la termocoppia.
Uso della termocoppia: panoramica della tecnologia di un impianto di ossidazione parziale
La maggior parte degli impianti POX utilizza un processo integrato per la generazione di syngas, seguito dalla purificazione dei composti costituenti risultanti.
Fase 1: ossidazione parziale
L’ossidazione parziale (POX), detta anche gassificazione, è il processo in cui il combustibile di alimentazione – metano, olio residuo, carbone polverizzato o un altro idrocarburo – reagisce esotermicamente in presenza di una piccola quantità di ossigeno. Poiché la combustione è volutamente incompleta, la POX produce un gas contenente idrogeno e monossido di carbonio. Di seguito è riportata la reazione POX generale che utilizza il metano come materia prima:
CH4 + ½O2 -> CO + 2H2 (+ calore)
Il syngas (gas di sintesi) risultante contiene prodotti utili. Ad esempio, l’idrogeno iniettato nella miscela aria-carburante di un motore diesel produce una combustione più completa, che si traduce in una maggiore efficienza del carburante e in minori emissioni. L’idrogeno viene utilizzato anche come carburante. Il monossido di carbonio è fondamentale nella produzione di metalli e altri materiali di base, prodotti chimici e petrolchimici, prodotti farmaceutici e semiconduttori. Se la reazione POX utilizza aria anziché O2 puro, il syngas risultante conterrà anche N2, CO2, ecc. Se la materia prima contiene zolfo, nel syngas saranno presenti anche H2S (idrogeno solforato) e altri composti dello zolfo.
Esistono due tipi di ossidazione parziale.
- L’ossidazione parziale termica (TPOX) richiede almeno 1200°C (2192°F) per la reazione.
- L’ossidazione parziale catalitica (CPOX) richiede solo 800-900°C (1472-1652°F) perché un catalizzatore potenzia la reazione chimica.
Il tipo di POX utilizzato dipende in larga misura dalla quantità di zolfo presente nel combustibile. Se il contenuto di zolfo è superiore a 50 ppm (0,005%), avvelenerebbe il catalizzatore durante la CPOX; pertanto, la CPOX non è raccomandata per le materie prime ad alto contenuto di zolfo. D’altra parte, le alte temperature richieste per la TPOX significano che le apparecchiature e gli strumenti di misura come la termocoppia hanno in genere una durata di vita più breve.
Sebbene il syngas possa essere utilizzato come combustibile, il suo ruolo principale è quello di risorsa intermedia nella produzione di ammoniaca (per i fertilizzanti), metanolo e altri componenti di valore. Questo processo richiede l’arricchimento del syngas mediante una reazione di trasferimento di acqua e gas o un altro metodo.
Fase 2: reazione di trasferimento di acqua e gas
Una parte del syngas caldo, all’uscita dal generatore POX, viene deviata per generare il vapore ad alta pressione necessario per la reazione di trasferimento dell’acqua-gas (WGSR – water-gas shift reaction), mentre il resto viene raffreddato in un bagno d’acqua e utilizzato come materia prima in questa seconda fase. Durante la WGSR, il monossido di carbonio presente nel syngas raffreddato si combina con l’acqua in presenza di un catalizzatore a base di rame per produrre anidride carbonica e altro idrogeno.
CO + H2O <-> CO2 + H2 (+ un po’ di calore)
Fase 3: purificazione e separazione del syngas
Prima che l’idrogeno e l’anidride carbonica possano essere utilizzati, sono necessarie ulteriori operazioni di purificazione e separazione. Questi processi si basano su una serie di membrane, setacci molecolari e lavaggi acido-gas.
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