BR112020006088B1

BR112020006088B1 - Métodos e sistema de processamento de gás para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada

Info

Publication number: BR112020006088B1
Application number: BR112020006088-7A
Authority: BR
Inventors: Shaojun James Zhou; Raghubir P. Gupta; John Reeves Carpenter Iii; Brian S. Turk
Original assignee: Research Triangle Institute
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-24
Publication date: 2023-12-19
Also published as: KR20200049768A; RU2020103223A; AU2018341260A1; CA3070981A1; EP3688123A4; EP3688123A1; WO2019067349A1; BR112020006088A2; IL273219B2; RU2020103223A3; WO2019067349A8; JP2020535094A; IL273219A; KR102589171B1; IL273219B1; JP7296362B2; AU2018341260B2; US20200231435A1; CN111065716A; MX2020002533A

Abstract

o gás de síntese que contém nitrogênio como o componente majoritário é processado para aumentar a razão entre hidrogênio e dióxido de carbono. o nitrogênio, dióxido de carbono e outros contaminantes são subsequentemente removidos por uma unidade de purificação para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada. uma corrente de reciclagem dentro da unidade de purificação ajuda a obter uma pureza de hidrogênio maior que 99,9 por cento e recuperação de hidrogênio maior que 99 por cento

Description

PEDIDOS RELACIONADOS

[001] Este pedido reivindica o benefício do pedido de patente provisório n° de série U.S. 62/565.873, depositado em 29 de setembro de 2017, intitulado “METHODS AND APPARATUS FOR PRODUCTION OF HYDROGEN”, cujo conteúdo está incorporado ao presente documento a título de referência, em sua totalidade.

CAMPO DA TÉCNICA

[002] A presente invenção refere-se, de modo geral, ao tratamento ou purificação de una corrente de gás, particularmente à remoção de nitrogênio e dióxido de carbono de uma corrente de gás para produzir hidrogênio.

ANTECEDENTES

[003] O hidrogênio (H2) é um dos gases industriais mais importantes, amplamente usados em refinarias de petróleo e usinas petroquímicas. O hidrogênio também é usado na indústria de semicondutor, produção de aço, indústria alimentícia, indústria energética e similares. Ultimamente, o hidrogênio tem se tornado um combustível de escolha para sistemas operados por célula de combustível, como automóveis, empilhadeiras, etc. O hidrogênio é tipicamente produzido em grande escala com o uso de reforma de alta temperatura ou oxidação parcial de metano e/ou hidrocarbonetos ou através da gaseificação de matérias-primas carbonáceas. A produção de volumes menores de hidrogênio apresenta custo significativo e desafios de confiabilidade e não é amplamente praticada na indústria, exceto através da eletrólise de água.

[004] Com a recente penetração no mercado de veículos à base de célula de combustível (que incluem automóveis, ônibus, caminhões) e equipamentos (por exemplo, empilhadeiras usadas em armazéns), a produção no local de hidrogênio em quantidades de 200 a 300 kg/dia é uma tecnologia de processo essencial para o crescimento contínuo e acelerado do mercado global de célula de combustível e do mercado veicular à base de célula de combustível, em particular. Não existem opções tecnicamente viáveis ou de baixo custo para a produção de hidrogênio no local nessa escala. A eletrólise da água com o uso de eletricidade em uma célula eletroquímica é dispendiosa e sofre de problemas de confiabilidade. Os reformadores de metano a vapor ou os gaseificadores de carvão não podem ser reduzidos de maneira econômica para produzir essas pequenas quantidades de hidrogênio.

[005] A reforma de alta temperatura de metano e hidrocarbonetos produz uma corrente de gás intermediária que é denominada como gás de síntese ou “syngas”. O gás de síntese também pode ser produzido a partir da oxidação parcial e gaseificação de matérias-primas orgânicas (carvão, coque de petróleo, biomassa, óleo, hidrocarbonetos). Quando o oxigênio é usado como o agente oxidante nesses processos, o gás de síntese consiste principalmente em monóxido de carbono (CO), H2, dióxido de carbono (CO2) e vapor. Quando o ar é usado como o agente oxidante, a fração grande de nitrogênio (N2) no ar se torna o componente maior no gás de síntese com CO, H2, CO2 e vapor representando componentes menores. Para muitos processos, é desejável separar um gás H2 de alta pureza do gás de síntese. Para a produção de gás de síntese com base na utilização de ar em vez de oxigênio como um agente oxidante, isso aumenta a complexidade do processo de separação de H2, à medida que o nitrogênio, que é o componente majoritário, também precisa ser removido. Por exemplo, as células de combustível de membrana de eletrólito de polímero para aplicações automotivas exigem gás H2 de 99,97 por cento ou mais de pureza, devido ao fato de que contaminantes dentro do gás H2 podem interferir ou envenenar eletrocatalisadores na célula de combustível. O H2 de alta pureza também pode ser usado em propulsores, na fabricação de semicondutores, instrumentação analítica e como o material de partida na produção de uma variedade de produtos químicos.

[006] Os processos convencionais para purificar o gás de síntese gerado com o uso de oxigênio como o agente oxidante para produzir hidrogênio de alta pureza exigem uma série de etapas de processamento e limpeza de gás, incluindo a remoção separada de CO2 com o uso de depuração com solvente, seguido de adsorção por oscilação de pressão para alcançar os níveis mais altos de pureza de H2. O gás residual produzido pela adsorção por oscilação de pressão é tipicamente usado como um gás combustível para valor de aquecimento, resultando em perda significativa de H2, tornando esses processos ineficazes e dispendiosos. Para o gás de síntese gerado com o uso de ar como o agente oxidante, a alta concentração de nitrogênio no gás de síntese pode ser apenas separada por adsorção por oscilação de pressão, mas o gás residual resultante contém uma grande quantidade de nitrogênio, o que reduz seu valor de combustível e aumenta as perdas de H2. Devido a esses problemas, o gás de síntese gerado com ar como o oxidante não é usado para a produção comercial de hidrogênio, à medida que não é competitivo em termos de custo.

SUMÁRIO

[007] Para tratar dos problemas mencionados anteriormente, no todo ou em parte, e/ou outros problemas que possam ter sido observados pelos versados na técnica, a presente revelação fornece métodos, processos, sistemas, aparelhos, instrumentos e/ou dispositivos, conforme descrito a título de exemplo nas implantações apresentadas abaixo.

[008] De acordo com uma modalidade, um método para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada compreende fluir um gás de síntese produzido a partir da oxidação parcial de hidrocarbonetos em uma unidade de processamento para produzir um gás melhorado. O gás de síntese tipicamente contém N2 (como o componente majoritário), H2, CO, CO2 e H2O, e pode conter quantidades-traço de H2S, COS, CS2, NH3, HCN, oxigênio e gases inertes como Ar. O gás de síntese alimentado para a unidade de processamento pode ter uma razão molar inicial entre H2 e CO e o gás melhorado pode ter uma segunda razão molar entre H2 e CO maior que a razão inicial entre H2 e CO. O gás melhorado pode subsequentemente fluir em uma unidade de purificação. A unidade de purificação pode produzir uma corrente de gás H2 purificada e um gás residual. A unidade de purificação pode compreender uma unidade de separação a granel para realizar a separação a granel das impurezas em um subproduto rico em impureza e um produto de H2 enriquecido e uma segunda unidade de separação para produzir um produto de H2 de alta pureza e gás residual com as impurezas restantes. Pelo menos uma porção do gás residual pode ser reciclada para um ponto a montante da unidade de separação a granel.

[009] De acordo com uma outra modalidade, um método para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada compreende fluir um gás de alimentação que contém N2 como o componente majoritário, H2 e CO em uma unidade de processamento para produzir um gás melhorado. O gás de alimentação pode ter uma razão inicial entre H2 e CO e o gás melhorado pode ter uma segunda razão entre H2 e CO maior que a razão inicial entre H2 e CO. O gás melhorado pode fluir em contato com uma membrana em uma unidade de membrana para produzir uma corrente de permeado e uma corrente de retentado. A membrana pode ter uma composição seletiva de H2. Uma concentração de H2 na corrente de permeado pode ser maior que uma concentração de H2 no gás melhorado, e a corrente de retentado pode compreender N2 e outras impurezas que são removidas do gás melhorado. A corrente de permeado pode fluir em contato com um material adsorvente em uma ou mais colunas de adsorção para produzir uma corrente de gás H2 purificada. O material adsorvente em uma ou mais dentre as colunas de adsorção pode ser regenerado para produzir um gás residual. Pelo menos uma porção do gás residual pode ser reciclada para se misturar na corrente de gás melhorado em um ponto a montante da unidade de membrana.

[010] De acordo com uma outra modalidade, um método para produzir corrente de gás hidrogênio purificada compreende fluir um gás de alimentação que é tipicamente produzido a partir da gaseificação de carvão e/ou coque de petróleo e que pode conter quantidades notáveis de H2S e COS além de N2, CO, H2, CO2 e H2O em uma unidade de dessulfurização, conforme revelado na patente n° US 6.951.635, produzindo um gás de síntese que contém enxofre em teor muito baixo, que é subsequentemente alimentado em uma unidade de processamento para produzir um gás melhorado. O gás de alimentação pode ter uma razão inicial entre H2 e CO e o gás melhorado pode ter uma segunda razão entre H2 e CO maior que a razão inicial entre H2 e CO. O gás melhorado pode fluir em contato com uma membrana em uma unidade de membrana para produzir uma corrente de permeado e uma corrente de retentado. A membrana pode ter uma composição seletiva de H2. Uma concentração de H2 na corrente de permeado pode ser maior que uma concentração de H2 no gás melhorado, e a corrente de retentado pode compreender N2 e outras impurezas que são removidas do gás melhorado. A corrente de permeado pode fluir em contato com um material adsorvente em uma ou mais colunas de adsorção para produzir uma corrente de gás H2 purificada. O material adsorvente em uma ou mais dentre as colunas de adsorção pode ser regenerado para produzir um gás residual. Pelo menos uma porção do gás residual pode ser reciclada para se misturar na corrente de gás melhorado em um ponto a montante da unidade de membrana.

[011] De acordo com uma outra modalidade, um sistema de processamento de gás é configurado para realizar qualquer um dos métodos revelados no presente documento.

[012] De acordo com uma outra modalidade, um sistema de processamento de gás para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada compreende: uma unidade de processamento configurada para aumentar uma razão entre H2 e CO em um gás de alimentação para produzir um gás melhorado; uma primeira unidade de separação configurada para remover uma porção substancial de gás N2 do gás melhorado para produzir um gás desnitrogenado; uma segunda unidade de separação configurada para remover uma porção substancial de gases N2, H2O, CO2 e CO para produzir uma corrente de gás H2 purificada, sendo que a segunda unidade de separação também produz um gás residual que contém CO2, N2, H2O, H2 e CO residuais; e um sistema de reciclagem para encaminhar pelo menos uma porção do gás residual para se misturar no gás melhorado em um ponto a montante da primeira unidade de separação.

[013] De acordo com uma outra modalidade, um sistema de processamento de gás para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada compreende: uma unidade de processamento configurada para aumentar uma razão entre H2 e CO em um gás de alimentação para produzir um gás melhorado; uma unidade de separação configurada para remover uma porção substancial de N2 e CO2 para produzir uma corrente de gás H2 purificada, sendo que a segunda unidade de separação também produz um gás residual com quaisquer impurezas restantes; e um sistema de reciclagem para encaminhar pelo menos uma porção do gás residual para se misturar no gás melhorado em um ponto a montante da primeira unidade de separação.

[014] Embora grande parte da revelação se concentre nos processos de remoção de N2 e CO2. Uma outra maneira de pensar sobre o processo revelado é que o mesmo separa uma maioria do H2 dos contaminantes e, então, remove seletivamente quaisquer impurezas restantes do H2. O benefício da combinação exclusiva dessas etapas individuais de separação é que a perda de H2 pode ser minimizada para quase zero por meio da reciclagem da corrente de gás residual.

[015] Outros dispositivos, aparelhos, sistemas, métodos, recursos e vantagens da invenção serão ou se tornarão evidentes para um versado na técnica, mediante o exame das seguintes figuras e descrição detalhada. Pretende-se que todos tais sistemas, métodos, recursos e vantagens adicionais sejam incluídos nesta descrição, estejam dentro do escopo da invenção e sejam protegidos pelas reivindicações anexas.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[016] A invenção pode ser mais bem compreendida mediante a referência às Figuras a seguir. Os componentes nas figuras não estão necessariamente em escala, com ênfase sendo, em vez disso, dada à ilustração dos princípios da invenção. Nas Figuras, os numerais de referência similares designam partes correspondentes ao longo das diferentes vistas.

[017] A Figura 1 é uma vista esquemática de um exemplo de um sistema de processamento de gás em que os métodos de purificação de hidrogênio revelados no presente documento podem ser implantados de acordo com algumas modalidades.

[018] A Figura 2 é uma vista esquemática de um exemplo de uma unidade de purificação de acordo com algumas modalidades.

[019] A Figura 3 é um fluxograma exemplificador de um método para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada de acordo com algumas modalidades.

[020] A Figura 4 é um fluxograma exemplificador de um método para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada de acordo com algumas modalidades.

[021] A Figura 5 é um fluxograma exemplificador de um método para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada de acordo com algumas modalidades.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[022] Como usado no presente documento, o termo “syngas” se refere a gás de síntese. No contexto da presente revelação, o gás de síntese é uma mistura de pelo menos monóxido de carbono (CO) e gás hidrogênio diatômico (H2). Dependendo da modalidade, o gás de síntese pode incluir adicionalmente outros componentes como, por exemplo, água, ar, gás nitrogênio diatômico (N2), gás oxigênio diatômico (O2), dióxido de carbono (CO2), compostos de enxofre (por exemplo, sulfeto de hidrogênio (H2S), sulfeto de carbonila (COS), óxidos de enxofre (SOx), etc.), compostos de nitrogênio (por exemplo, óxidos de nitrogênio (NOx), etc.), carbonilas de metal, hidrocarbonetos (por exemplo, metano (CH4)), amônia (NH3), cloretos (por exemplo, cloreto de hidrogênio (HCl)), cianeto de hidrogênio (HCN), metais-traço e metaloides (por exemplo, mercúrio (Hg), arsênico (As), selênio (Se), cádmio (Cd), etc.) e compostos dos mesmos, material particulado (PM), etc.

[023] Como usado no presente documento, o termo “gás natural” se refere a uma mistura de gases de hidrocarboneto (HC) que consistem principalmente em metano e quantidades menores de alcanos superiores. Dependendo da modalidade, o gás natural pode incluir adicionalmente espécies de não HC como um ou mais dentre aqueles observados acima, bem como dissulfeto de carbono (CS2) e/ou outros dissulfetos, e mercaptanos (tióis) como metanotiol (CH3SH) e etanotiol (C2H5SH), tiofeno e outros compostos de organoenxofre.

[024] Como usado no presente documento, o termo “fluido” abrange, em geral, o termo “líquido”, bem como o termo “gás”, exceto onde indicado em contrário ou onde o contexto indica o contrário. O termo “fluido” abrange um fluido em que as partículas são suspensas ou carregadas. O termo “gás” abrange um gás que inclui ou arrasta um vapor ou gotículas líquidas. O termo “fluido”, “líquido” ou “gás” abrange um “fluido”, “líquido” ou “gás” que inclui um único componente (espécie) ou uma mistura de dois ou mais componentes diferentes. Os exemplos de misturas de múltiplos componentes incluem, porém sem limitação, gás de síntese e gás natural, conforme descrito acima.

[025] Como usado no presente documento, o termo “gás de processo” se refere, em geral, a qualquer gás que contém inicialmente H2 e um ou mais contaminantes. Um gás de processo em um estágio inicial de um método de processamento de gás conforme revelado no presente documento, isto é, quando introduzido em um sistema de processamento de gás conforme revelado no presente documento, também pode ser denominado como um “gás bruto” ou um “gás de alimentação”. Um gás de processo após se submeter à remoção de contaminante, de acordo com um método de processamento de gás conforme revelado no presente documento, também pode ser denominado como um “gás melhorado”, um “gás purificado” ou uma “corrente de permeado”. O termo “gás de processo”, em geral, não se limita à composição do gás em qualquer estágio particular do método de processamento de gás. Por exemplo, o termo “gás de processo” não fornece, por si próprio, qualquer indicação das concentrações de H2 ou quaisquer contaminantes no gás em qualquer momento particular. Os exemplos de gases de processo incluem, porém sem limitação, gás de síntese e gás natural conforme descrito acima. Os exemplos adicionais de gases de processo são gases que incluem um ou mais dentre: CO, CO2, H2, N2 e hidrocarboneto (ou hidrocarbonetos) (HCs).

[026] Como usado no presente documento, “seletividade” de uma membrana de separação de gás na separação de uma mistura de gás de dois componentes é definida como a razão entre as permeabilidades de gás dos dois componentes em uma mistura de gás. A seletividade pode ser obtida diretamente mediante a colocação de uma membrana de separação de gás em contato com uma mistura conhecida de gases e a análise do permeado. Alternativamente, uma primeira aproximação da seletividade é obtida mediante a medição da permeabilidade dos gases separadamente na mesma membrana de separação de gás.

[027] A presente revelação fornece métodos para purificar um gás de síntese em que N2 é o componente majoritário (isto é, tem a fração molar maior de qualquer componente no gás de síntese) para produzir uma corrente de gás H2 purificada. Em diversas modalidades, conforme ilustrado na Figura 1, um sistema de processamento de gás 100 exemplificador pode compreender uma unidade de reação de gás de síntese 105. Em uma modalidades não limitadora, a unidade de reação de gás de síntese 105 pode ter uma alimentação de gás bruto (indicada pela corrente 1 na Figura 1) que serve como um combustível, e uma alimentação de oxidante (corrente 2) como ar, ar enriquecido, e oxigênio, em certas modalidades, o oxidante também pode conter vapor e/ou CO2. A alimentação de gás bruto (corrente 1) pode ser, por exemplo, uma corrente de hidrocarboneto de baixa qualidade a partir de um processo industrial ou a partir de um processo de produção de óleo cru ou gás natural. O combustível pode compreender também gás natural que contém principalmente metano (CH4). Em certas modalidades, o combustível para a unidade de reação de gás de síntese 105 pode ser carvão, coque de petróleo, biomassa ou qualquer outra matéria-prima carbonácea.

[028] Em certas modalidades, a unidade de reação de gás de síntese 105 pode compreender um motor de combustão interna operado sob condições ricas em combustível para oxidar parcialmente o combustível (em oposição a operar o motor para queimar completamente o combustível) para produzir gás de síntese (corrente 3) que compreende N2, H2, CO e diversos contaminantes. O gás de síntese (corrente 3) pode fluir para uma unidade de deslocamento de água-gás (WGS) 110 juntamente com uma alimentação de água (corrente 4) para produzir um gás melhorado (corrente 5) que tem uma razão entre H2 e CO maior que o gás de síntese (corrente 3). O gás melhorado (corrente 5) pode fluir para uma unidade de purificação 115 que pode compreender um ou mais processos de separação conforme discutido abaixo para remover uma porção dos contaminantes do gás melhorado (corrente 5). A unidade de purificação 115 pode produzir um gás H2 de alta pureza (corrente 7) e um gás residual (corrente 6) que compreende N2, CO2 e outros contaminantes, bem como H2 residual.

[029] Em certas modalidades, a unidade de reação de gás de síntese 105 pode compreender uma unidade de gaseificação operada para oxidar parcialmente matérias- primas carbonáceas para produzir gás de síntese (corrente 3). No caso de combustíveis carbonáceos com alto teor de enxofre usados na unidade de reação de gás de síntese 105, um sistema de dessulfurização que opera em temperaturas entre 250 e 700 °C (482 e 1.292 °F), conforme revelado na patente n° US 6.951.635, é usado antes de enviar o gás de síntese para a unidade de WGS para reduzir a concentração de enxofre total para menos que 100 ppmv, de preferência, abaixo de 50 ppmv, e mais preferencialmente, abaixo de 20 ppmv. O gás de síntese a partir da unidade de dessulfurização pode fluir para a unidade de deslocamento de água-gás (WGS) 110 juntamente com uma alimentação de água (corrente 4) para produzir um gás melhorado (corrente 5) que tem uma razão entre H2 e CO maior que o gás de síntese (corrente 3). O gás melhorado (corrente 5) pode fluir para uma unidade de purificação 115 que pode compreender um ou mais processos de separação conforme discutido abaixo para remover uma porção dos contaminantes do gás melhorado (corrente 5). A unidade de purificação 115 pode produzir um gás H2 de alta pureza (corrente 7) e um gás residual (corrente 6) que compreende N2, CO2 e outros contaminantes, bem como H2 residual.

[030] Em certas modalidades, a unidade de reação de gás de síntese 105 pode compreender um sistema de oxidação parcial para qual o ar é um oxidante operado para oxidar parcialmente matérias-primas de hidrocarboneto para produzir gás de síntese (corrente 3). O gás de síntese a partir da unidade de reação de gás de síntese pode fluir para a unidade de - deslocamento de água-gás (WGS) 110 juntamente com uma alimentação de água (corrente 4) para produzir um gás melhorado (corrente 5) que tem uma razão entre H2 e CO maior que o gás de síntese (corrente 3). O gás melhorado (corrente 5) pode fluir para uma unidade de purificação 115 que pode compreender um ou mais processos de separação conforme discutido abaixo para remover uma porção dos contaminantes do gás melhorado (corrente 5). A unidade de purificação 115 pode produzir um gás H2 de alta pureza (corrente 7) e um gás residual (corrente 6) que compreende N2, CO2 e outros contaminantes, bem como H2 residual.

[031] Em diversas modalidades, o gás de síntese (corrente 3) pode ter uma razão inicial entre H2 e CO de cerca de 0,6 a cerca de 3. Em certas modalidades, a razão inicial entre H2 e CO pode se situar na faixa de cerca de 1,5 a cerca de 2,5. Em certas modalidades, a segunda razão entre H2 e CO (isto é, a razão no gás melhorado (corrente 5)) pode se situar na faixa de cerca de 8 a cerca de 150. Em certas modalidades, a segunda razão entre H2 e CO pode se situar na faixa de cerca de 8 a cerca de 120. Em certas modalidades, a segunda razão entre H2 e CO pode se situar na faixa de cerca de 8 a cerca de 50.

[032] Para aquelas modalidades que usam um motor de combustão interna como a unidade de reação de gás de síntese 105, a energia mecânica produzida pelo motor pode ser usada para alimentar diretamente ou para operar um gerador para produzir eletricidade para uma variedade de equipamentos na unidade de purificação 115 como bombas, compressores, controladores, etc. Alternativamente, a potência ou eletricidade pode ser usada para qualquer outro propósito desejado. Adicionalmente, em certas modalidades, a unidade de WGS 110 pode gerar energia térmica que pode ser usada por outras etapas do processo 100. Embora a Figura 1 possa usar um motor de combustão interna com uma alimentação de oxidante e combustível, tal disposição é opcional e diversas modalidades podem usar qualquer fonte de gás de síntese que contém H2 e CO. De modo semelhante, qualquer geração de potência ou calor dentro do processo 100 e seu uso subsequente é opcional.

[033] A reação de WGS é usada para deslocar um gás que compreende os reagentes de água e CO para os produtos de CO2 e H2 mediante a reação do CO com vapor sobre um leito de catalisador. WGS é um processo industrialmente importante usado para aumentar a razão entre H2 e CO para atender os requisitos do processo a jusante de uma aplicação particular. Por exemplo, WGS encontra aplicações em captura de CO2 pré-combustão em que um combustível é parcialmente oxidado, conforme discutido acima para a Figura 1, para produzir gás de síntese que consiste predominantemente em CO e H2. Esse gás de síntese é deslocado para maximizar as concentrações de H2 e CO2, e CO2 pode ser subsequentemente removido para produzir H2 de alta pureza. WGS também encontra aplicações amplamente distribuídas na produção de produtos químicos em que a razão entre H2 e CO precisa ser ajustada de acordo com os requisitos do processo, como metanol e aplicações de Fischer-Tropsch.

[034] WGS é uma reação reversível moderadamente exotérmica e é expressa por: em que ΔH298 é a entalpia da reação em 298 Kelvin (K).

[035] A constante de equilíbrio da reação diminui com o aumento de temperatura. A reação é termodinamicamente favorecida em temperaturas baixas e cineticamente favorecida em temperaturas altas. À medida que não há alteração no volume de reagentes para produtos, a reação não é afetada pela pressão.

[036] O equilíbrio dessa reação mostra dependência de temperatura significativa e a constante de equilíbrio diminui com um aumento em temperatura, ou seja, a conversão maior de monóxido de carbono é observada em temperaturas mais baixas. Para aproveitar tanto a termodinâmica como a cinética da reação, o WGS de escala industrial é conduzido em múltiplos estágios adiabáticos com resfriamento interestádio entre os reatores.

[037] O processo de deslocamento de água e gás usa vapor para deslocar CO para CO2 e produz H2 no processo. Além de ser um reagente, o vapor também serve para mover o equilíbrio do deslocamento de água e gás adiante para H2 maior, controlando a elevação de temperatura a partir da reação de deslocamento de água e gás exotérmica, que se deixada sem verificação desativa o catalisador. O vapor também é necessário para impedir o coqueamento sobre a superfície de catalisador, que também desativa o catalisador.

[038] Tradicionalmente, o WGS é realizado com o uso de dois reatores em série para realizar um deslocamento de temperatura alta (HTS) seguido de um deslocamento de temperatura baixa (LTS). A água é adicionada ao gás de síntese alimentado para o primeiro reator (WGS 1). A água pode ser sob a forma de vapor. Alternativamente, essa água pode ser sob a forma de água líquida para qual a energia térmica necessária para gerar vapor é extraída do calor sensível no gás de alimentação através da mistura direta do gás de alimentação e da água líquida através de um bico de aspersão ou atomizador. O uso de água líquida possibilita o resfriamento adicional do gás de alimentação até a temperatura desejada para a reação de deslocamento no primeiro reator e o consumo de água gerada durante o resfriamento do gás melhorado a jusante dos reatores de deslocamento de água e gás. O gás de síntese a partir da saída do primeiro reator (WGS 1) é resfriado até a temperatura de entrada de deslocamento desejada com o uso do calor em excesso para gerar e/ou elevar a temperatura do vapor e o gás de síntese resfriado é alimentado para o segundo reator (WGS 2).

[039] Nenhuma limitação específica é colocada sobre a configuração dos reatores de deslocamento. Em geral, cada reator de deslocamento pode ter qualquer configuração adequada para realizar a reação de WGS. Para esse propósito, cada reator de deslocamento pode incluir, em geral, um vaso que tem uma entrada e uma saída, e um catalisador de deslocamento no vaso. Dependendo do tipo de catalisador de deslocamento usado, cada reator de deslocamento pode incluir um suporte estrutural para o catalisador de deslocamento.

[040] Em algumas modalidades, o primeiro reator de deslocamento (WGS 1) é configurado ou operado para realizar uma reação de deslocamento de alta temperatura (HTS), enquanto o segundo reator de deslocamento (WGS 2) é configurado ou operado para realizar uma reação de LTS. Em algumas modalidades, em uma reação de HTS, a temperatura de entrada do gás alimentado para um reator de deslocamento se situa na faixa, por exemplo, de 298 a 371 °C (570 a 700 °F). Em algumas modalidades, em uma reação de LTS, a temperatura de entrada do gás alimentado para um reator de deslocamento que se situa na faixa, por exemplo, de 204 °C a 288 °C (400 a 550 °F). Dependendo do tipo de reação de deslocamento realizada nos respectivos reatores de deslocamento, os reatores de HTS e LTS podem conter tipo diferente de catalisadores.

[041] Em geral, o catalisador de deslocamento pode ser fornecido e suportado em qualquer forma adequada para realizar a reação de WGS. Por exemplo, o catalisador de deslocamento pode ser fornecido como um leito fixo que é posicionado no reator de deslocamento de modo que os gases tenham capacidade para fluir através do leito de catalisador. A composição do catalisador de deslocamento pode depender da temperatura de operação do reator de deslocamento e da composição do gás a ser processado pelo reator de deslocamento.

[042] Para aquelas modalidades que usam um motor de combustão interna como a unidade de reação de gás de síntese 105, o gás de síntese irá conter níveis-traço de oxigênio não reagido. Tipicamente, a presença de agentes oxidantes intensos como oxigênio na corrente de alimentação para uma unidade de WGS irá causar a desativação do estado de oxidação de metal ativo no catalisador de WGS. Com o primeiro reator de WGS (WGS 1) que contém um catalisador de HTS, as condições de operação e concentração de oxigênio são adequadas para a conversão catalítica de quaisquer concentrações-traço de oxigênio presente na alimentação de gás de síntese a partir do motor operado para produzir gás de síntese em água com efeito adverso mínimo na atividade de catalisador. Portanto, nessa modalidade, nenhum sistema de remoção de oxigênio separado é necessário.

[043] De modo similar, o catalisador de HTS à base de ferro padrão pode tolerar até 50 ppmv de compostos de enxofre sem qualquer desativação significativa devido ao envenenamento de enxofre. Devido a isso, as quantidades-traço de enxofre presente no gás natural de alimentação por razões de segurança (detecção de vazamentos) não irão impactar o desempenho do processo de WGS. De modo similar, para a modalidade de gaseificação com o uso de alimentação carbonácea com alto teor de enxofre e uma unidade de dessulfurização para reduzir a concentração de enxofre para menos que 50 ppmv irá possibilitar o uso de um catalisador de HTS convencional sem qualquer problema. Esses compostos de enxofre irão permanecer no gás melhorado para a remoção final em um processo de separação a jusante mais adequado e nenhuma remoção de enxofre de polimento separada é prevista nessa modalidade.

[044] Nenhuma limitação específica é colocada no tipo ou configuração dos trocadores de calor usados nesse processo de WGS ou processos de purificação. Isso significa que qualquer sistema de redução de calor que possibilita o controle da temperatura de gás de síntese efluente para atender a especificação de temperatura para o processo a jusante é satisfatório. Os exemplos de trocadores de calor potencialmente adequados são resfriados a água, resfriados a ar e/ou outros refrigerantes líquidos usados com ciclos de refrigeração. Alternativamente, o uso de calor sensível do gás de alimentação para vaporizar água e seu efeito de resfriamento são particularmente bem adequados para o processo de WGS que possibilita a reciclagem de água condensada coletada durante o resfriamento a jusante do processo de WGS, enquanto também fornece vapor para a reação de WGS.

[045] A saída do sistema WGS 110 (corrente 5) pode ser a entrada para a unidade de purificação 115. A Figura 2 ilustra uma unidade de purificação 115 exemplificadora de acordo com diversas modalidades. O gás melhorado pode fluir para a primeira unidade de separação 305. Em certas modalidades, a primeira unidade de separação 305 pode compreender uma unidade de membrana. A unidade de membrana pode compreender uma membrana densa com uma composição seletiva de H2, que permite que H2 flua, de preferência, através da unidade de membrana na corrente de permeado 310, enquanto certos contaminantes, ou seja, N2 e CO2, são removidos na corrente de retentado 315. A membrana pode compreender um polímero semipermeável (diversos materiais de membrana são conhecidos na técnica, por exemplo, mas sem limitação, como uma poli-imida, poliamida, acetato de polivinila, polissulfona, politetrafluoroetileno (PFTE), acetato de celulose, outros derivados de celulose, poliéter éter cetona, polibenzimidazol, poliolefinas, etc.), uma cerâmica, um composto de carbono, carbono ativado ou um composto metálico. A seletividade de H2, que é, em geral, definida como a permeabilidade de H2 versus aquela de outros gases na mistura, da membrana pode se situar na faixa de 10 a 200, e a área de contato da membrana pode ser determinada a partir de características da corrente de saída 5 do sistema de WGS 110 e características de operação (por exemplo, temperatura e pressão) da unidade de membrana. Em diversas modalidades, a unidade de membrana pode operar a uma temperatura que se situa na faixa de -20 °C a 250 °C (-4 °F a 480 °F) e uma pressão que se situa na faixa de 101 kPa a 10.100 kPa (1 atm a 100 atm). A membrana usada para esse propósito é, de preferência, na forma de fibras ocas ou folhas planas, e são modularizadas em projeto enrolado em espiral, projeto de placa e armação ou projeto de fibra oca. Por exemplo, tal membrana enrolada em espiral é os módulos de membrana de acetato de celulose comercialmente disponível suprida por UOP (Des Plaines, IL) para a separação de CO2 de metano e tal módulo de membrana de fibra oca é comercialmente suprida por Air Liquide (Houston, TX) para sistemas de geração de nitrogênio integrados para a separação de N2 do ar.

[046] A permeação de hidrogênio em membranas densas pode ocorrer através de um mecanismo de difusão de solução, em que as moléculas de gás inicialmente adsorvem ou se dissolvem sobre a superfície do material de membrana. Uma vez adsorvidas sobre a superfície de membrana, as moléculas de gás podem se difundir através do material de membrana. Em diversas modalidades, devido ao fato de que a seletividade de hidrogênio da membrana é muito maior que a seletividade para cada contaminante individual, muito pouco dos contaminantes (por exemplo, N2, CO, CO2, compostos de enxofre) no permeado de gás através da superfície de membrana e tais contaminantes deixam a unidade de membrana 305 na corrente de retentado 315.

[047] A corrente de permeado 310 pode fluir para um primeiro trocador de calor 320 para remover água antes de aumentar a pressão da corrente de permeado 310 por meio do compressor 325. O calor em excesso gerado pela etapa de compressão pode ser removido por um segundo trocador de calor 330. A corrente pressurizada resultante 335 pode fluir para uma segunda unidade de separação 340. A corrente pressurizada 335 pode ter uma pressão que se situa na faixa de 2 bar a 100 bar (200 kPa a 10.000 kPa) e uma temperatura que se situa na faixa de 0 °C a 50 °C (32 °F a 122 °F). Em certas modalidades, a segunda unidade de separação 340 pode compreender uma unidade de adsorção por oscilação de pressão (PSA). A PSA tem por base um ou mais leitos adsorventes 370 que capturam contaminantes na corrente pressurizada 335 permitindo, assim, que o H2 passe através da unidade de PSA e, então, liberando posteriormente os contaminantes adsorvidos a uma pressão mais baixa (em geral, mais baixa que a pressão da corrente pressurizada 335) quando o leito adsorvente 370 é regenerado. Essa corrente regenerada é a corrente de gás residual 350 na Figura 2. Múltiplos leitos adsorventes 370 podem ser usados simultaneamente de modo que uma corrente contínua de H2 em purezas maiores que 99,9 por cento possa ser produzida. Em um processo de PSA de dois leitos, a mistura de alimentação entra em contato com o primeiro leito adsorvente que contém adsorventes que, de preferência, adsorvem certos componentes da mistura. O componente menos adsorvido irá decompor através do leito mais rápido e produzirá uma corrente com alto teor desse componente. O fluxo de alimentação é comutado para um segundo leito adsorvente antes de outro componente (ou outros componentes) se decomporem e o primeiro leito é regenerado mediante a dessorção dos componentes adsorvidos através da redução da pressão total do sistema. O mesmo processo é repetido no segundo leito adsorvente e para o processo de PSA completo. Outras variações de processo de PSA com múltiplos leitos operam sob o mesmo princípio.

[048] O adsorvente em sistemas de PSA pode ser escolhido por sua capacidade de discriminar entre gases diferentes em uma mistura. Em certas modalidades, o adsorvente pode ser escolhido para remover, de preferência, CO2 da corrente pressurizada 335. Quando múltiplos leitos adsorventes 370 são usados, o adsorvente em cada leito adsorvente pode ser selecionado para remover, de preferência, um ou mais contaminantes alvo. Por exemplo, um (ou mais) leitos adsorventes 370 pode alvejar CO2, enquanto um outro leito adsorvente 370 alveja H2S, e mais outro leito adsorvente 370 pode alvejar CO. O adsorvente funciona sob o princípio de que os gases sob pressões elevadas são atraídos para uma superfície de um sólido com base em sua afinidade e podem ser capturados ou adsorvidos sobre essa superfície. Em geral, quanto mais alta a pressão, mais gás será adsorvido. Uma vez que a pressão é reduzida, o gás tende a dessorver. Dessa forma, um leito adsorvente 370 que opera sob pressão remove um ou mais contaminantes da corrente pressurizada 335, e a corrente de H2 purificada 345 flui para fora da unidade de PSA 340. Uma vez que o adsorvente alcança sua capacidade de adsorção, o fluxo da corrente pressurizada 335 para o leito adsorvente 370 é desligado e a pressão deixada diminuir. À medida que a pressão cai, os contaminantes dessorvem da superfície do adsorvente e fluem para fora da unidade de PSA 340 na corrente de gás residual 350. O adsorvente pode ser qualquer tipo conhecido na técnica, como zeólitas, carbono ativado (incluindo peneiras moleculares), alumina, gel de sílica e resinas.

[049] Em diversas modalidades, toda ou uma porção da corrente de gás residual 350 pode ser reciclada para ou a montante da primeira unidade de separação 305 mediante a combinação da corrente de gás residual 350 com a corrente de gás melhorado 5 antes de fluir para a primeira unidade de separação 305. Embora o adsorvente seja selecionado para remover contaminantes da corrente de H2, algum H2 pode ser adsorvido e, então, descarregado na corrente de gás residual 350. Sem a reciclagem dessa corrente, o H2 no gás residual 350 seria perdido e a recuperação total de H2 pelo processo 100 pode não ser tão boa quanto com a reciclagem do gás residual 350. Mediante a reciclagem de todo o gás residual 350, o processo 100 pode alcançar uma taxa de recuperação de H2 maior que 99 por cento do H2 contido no gás de alimentação. A reciclagem de menos que 100 por cento do gás residual irá reduzir a taxa de recuperação de H2 consequentemente. Por exemplo, a recuperação de H2 de 75 por cento ou maior, 90 por cento ou maior ou 95 por cento ou maior pode ser alcançada mediante a variação da quantidade de gás residual reciclado. Em algumas modalidades, a quantidade do gás residual reciclado pode se situar na faixa de cerca de 50 por cento a cerca de 100 por cento do gás residual. Se nenhum gás residual 350 for reciclado, então, a taxa de recuperação de H2 pode ser tão baixa quanto 75 por cento. A fim de condicionar adequadamente o gás residual 350 para a reciclagem, o gás residual 350 pode fluir para um compressor 355 para aumentar a pressão em geral para aquela da corrente de gás melhorado 5, e pode, então, fluir para um trocador de calor 360 para remover o calor em excesso causado por compressão. O gás residual condicionado 365 pode, então, ser misturado na corrente de gás melhorado 5. Em certas modalidades, a pressão do gás residual reciclado 350 pode se situar na faixa de cerca de 100 kPa a cerca de 1.000 kPa (cerca de 1 atm a cerca de 10 atm) e corresponde àquela da corrente 5.

[050] Em diversas modalidades, a corrente de gás residual reciclado 350 pode se situar na faixa de cerca de 5 por cento a cerca de 10 por cento em volume da corrente de H2 purificada 345, e pode se situar na faixa de cerca de 15 por cento a cerca de 25 por cento em volume da corrente de gás melhorado 5. Dessa forma, as taxas de recuperação de H2 extremamente altas (isto é, maior que 99 por cento) podem ser alcançadas por uma corrente de reciclagem relativamente pequena. A Tabela 1 apresenta os resultados de um equilíbrio de material para o processo ilustrado nas Figuras 1 a 2, demonstrando a produção de uma corrente de H2 de alta pureza que contém 99,97 por cento de H2. Tabela 1. Equilíbrio de Material para Processo geral (numeração de corrente corresponde à Figura 1)

[051] A Figura 3 ilustra um fluxograma geral de diversas modalidades de um método 400 para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada. Na etapa 405, um gás de alimentação que contém N2 como o componente majoritário, H2, e CO pode fluir em uma unidade de processamento 110 para produzir um gás melhorado 5. O gás de alimentação pode ter uma razão inicial entre H2 e CO, e o gás melhorado 5 pode conter CO2 e pode ter uma segunda razão entre H2 e CO maior que a razão inicial entre H2 e CO. O gás melhorado 5 pode fluir em uma unidade de purificação 115 na etapa 410. A unidade de purificação 115 é projetada para produzir H2 de alta pureza e pode compreender uma unidade 305 para produzir uma corrente 310 amplamente esgotado de N2, CO2 e outros gases diferentes de H2 e uma unidade 340 para produzir uma corrente de H2 purificada. A unidade de purificação 115 pode produzir uma corrente de gás H2 purificada 345 e um gás residual 350. Na etapa 415, pelo menos uma porção do gás residual 350 pode ser reciclada para um ponto a montante da unidade de remoção de N2 305.

[052] A Figura 4 ilustra um outro fluxograma geral de um método 500 para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada de acordo com várias modalidades. Na etapa 505, um gás de alimentação que contém N2 como o componente majoritário, H2, e CO pode fluir em uma unidade de processamento 110 para produzir um gás melhorado 5. O gás de alimentação pode ter uma razão inicial entre H2 e CO, e pode ter uma segunda razão entre H2 e CO maior que a razão inicial entre H2 e CO. O gás melhorado 5 pode fluir em contato com uma membrana em uma unidade de membrana 305 para produzir uma corrente de permeado 310 e uma corrente de retentado 315 na etapa 510. A membrana pode ter uma composição seletiva de H2. Uma concentração de H2 na corrente de permeado 310 pode ser maior que uma concentração de H2 no gás melhorado 5, e a corrente de retentado 315 pode compreender N2 e outros contaminantes que são removidos do gás melhorado 5. Na etapa 515, a corrente de permeado 310 pode fluir em contato com um material adsorvente em uma ou mais colunas de adsorção 370 para produzir uma corrente de gás H2 purificada 345. O material adsorvente pode compreender um composto absorvente eficaz para remover N2 ou H2O ou CO ou CO2 da corrente de permeado 310. Na etapa 520, o material adsorvente em uma ou mais dentre as colunas de adsorção 370 pode ser regenerado para produzir um gás residual 350. Pelo menos uma porção do gás residual 350 pode ser reciclada para a corrente de gás melhorado 5 em um ponto a montante da unidade de membrana 305.

[053] A Figura 5 ilustra um outro fluxograma geral de um método 600 para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada de acordo com várias modalidades. Na etapa 605, um gás de alimentação que contém N2 como o componente majoritário, H2, e CO e espécies de enxofre reduzido que incluem H2S e COS podem fluir em uma unidade de processamento para remover esse enxofre e para produzir um gás de produto com baixo teor de enxofre (<50 ppmv). Na etapa 610, esse gás de produto pode fluir em uma unidade de processamento 110 para produzir um gás melhorado 5. O gás de produto que flui na unidade de processamento 110 pode ter uma razão inicial entre H2 e CO, e pode ter uma segunda razão entre H2 e CO maior que a razão inicial entre H2 e CO. O gás melhorado 5 pode fluir em contato com uma membrana em uma unidade de membrana 305 para produzir uma corrente de permeado 310 e uma corrente de retentado 315 na etapa 615. A membrana pode ter uma composição seletiva de H2. Uma concentração de H2 na corrente de permeado 310 pode ser maior que uma concentração de H2 no gás melhorado 5, e a corrente de retentado 315 pode compreender N2 e outros contaminantes que são removidos do gás melhorado 5. Na etapa 620, a corrente de permeado 310 pode fluir em contato com um material adsorvente em uma ou mais colunas de adsorção 370 para produzir uma corrente de gás H2 purificada 345. O material adsorvente pode compreender um composto absorvente eficaz para remover N2 ou H2O ou CO ou CO2 da corrente de permeado 310. Na etapa 625, o material adsorvente em uma ou mais dentre as colunas de adsorção 370 pode ser regenerado para produzir um gás residual 350. Pelo menos uma porção do gás residual 350 pode ser reciclada para a corrente de gás melhorado 5 em um ponto a montante da unidade de membrana 305.

EXEMPLO

[054] Os modelos de processo Aspen HYSYS® (Aspen Technology, Inc., Bedford, MA) foram desenvolvidos para o processo de purificação de H2 ilustrado na Figura 2. Presumiu-se que o gás de síntese (alimentação) seja aquele produzido pela oxidação parcial de metano e ar. A Tabela 2 apresenta os resultados de um equilíbrio de material no processo de purificação conforme calculado pelo modelo HYSYS. Tabela 2. Equilíbrio de Material modelado para o Processo de purificação.

[055] O Exemplo acima é para propósitos ilustrativos apenas e não restringe a invenção aos processos usados no exemplo.

[056] Em geral, os termos como “comunicar” e “em . comunicação com” (por exemplo, um primeiro componente “se comunica com” ou “está em comunicação com” um segundo componente) são usados no presente documento para indicar uma relação estrutural, funcional, mecânica, elétrica, de sinal, óptica, magnética, eletromagnética, iônica ou fluídica entre dois ou mais componentes ou elementos. Como tal, o fato de que um componente é considerado se comunicando com um segundo componente não se destina a excluir a possibilidade de que componentes adicionais possam estar presentes entre e/ou operacionalmente associados ou envolvidos com o primeiro e o segundo componentes.

[057] Será entendido que diversos aspectos ou detalhes da invenção podem ser alterados sem que se desvie do escopo da invenção. Adicionalmente, a descrição anterior é apenas para o propósito de ilustração e não para o propósito de limitação - sendo que a invenção é definida pelas reivindicações.

Claims

1. Método para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada, sendo que o método é CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: fluir um gás de alimentação que contém gás nitrogênio (N2) como o componente majoritário, gás hidrogênio (H2), e monóxido de carbono (CO) e que tem uma razão inicial de 1 a 3 entre H2 e CO em uma unidade de processamento para produzir um gás melhorado que contém dióxido de carbono (CO2) e que tem uma segunda razão entre H2 e CO maior que a razão inicial entre H2 e CO de 10 a 150; fluir o gás melhorado em uma unidade de purificação que compreende uma unidade de remoção de N2 para remover N2 e uma unidade de remoção de CO2 para remover CO2, em que a unidade de purificação produz uma corrente de gás hidrogênio purificada e um gás residual compreendendo N2, CO2 e outros contaminantes, bem como H2 residual; e reciclar pelo menos uma porção do gás residual para um ponto a montante da unidade de remoção de N2; em que o fluxo do gás melhorado na unidade de purificação compreende fluir o gás melhorado na unidade de remoção de N2 para produzir uma corrente de permeado e uma corrente de retentado, e fluir a corrente de permeado na unidade de remoção de CO2 para produzir a corrente de gás hidrogênio purificada e o gás residual; em que a unidade de remoção de N2 compreende uma unidade de separação de membrana configurada para receber o gás melhorado, em que a unidade de remoção de CO2 compreende uma unidade de adsorção por oscilação de pressão (PSA), em que a unidade de processamento compreende uma unidade de deslocamento de água-gás e configurada para deslocar o gás de alimentação para produzir H2 e CO2, em que a porção do gás residual reciclada para um ponto a montante da unidade de remoção de N2 varia de 50 por cento a 100 por cento do gás residual, e em que uma concentração de H2 na corrente de permeado é maior do que uma concentração de H2 no gás melhorado e a corrente de retentado compreende N2 e outras impurezas que são removidas do gás melhorado.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende adicionalmente fluir um combustível e um oxidante em uma unidade de reação de gás de síntese para produzir o gás de alimentação.

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que o combustível compreende um ou mais hidrocarbonetos e o oxidante compreende ar.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que o um ou mais hidrocarbonetos compreendem metano.

5. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de reação de gás de síntese oxida parcialmente o combustível para produzir o gás de alimentação.

6. Método, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de reação de gás de síntese é um motor de combustão interna.

7. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a razão inicial entre H2 e CO é de 1,5 a 2,5.

8. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda razão entre H2 e CO é selecionada a partir do grupo que consiste em 10 a 120 e 10 a 50.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de deslocamento de água-gás é configurada para realizar um deslocamento de alta temperatura, em que a temperatura de entrada do gás alimentado à unidade de deslocamento de água-gás varia de 570 a 700 °F (298 a 371°C).

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de deslocamento de água-gás é configurada para realizar um deslocamento de baixa temperatura, em que a temperatura de entrada do gás alimentado à unidade de deslocamento de água-gás varia de 400 a 550 °F (204°C a 288°C).

11. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de deslocamento de água-gás é configurada para realizar um deslocamento de alta temperatura, em que uma temperatura de entrada do gás alimentado para a unidade de deslocamento de água-gás varia de 570 a 700 °F (298 a 371°C), e um deslocamento de baixa temperatura, em que a temperatura de entrada do gás alimentado à unidade de deslocamento de água-gás varia de 400 a 550 °F (204°C a 288°C).

12. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de deslocamento de água-gás compreende pelo menos um catalisador.

13. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de separação de membrana compreende uma membrana seletiva de H2.

14. Método, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que a membrana seletiva de H2 compreende um ou mais dentre um polímero, uma cerâmica, um composto de carbono, carbono ativado e um composto metálico.

15. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluxo da corrente de permeado na unidade de remoção de CO2 compreende resfriar a corrente de permeado a uma temperatura variando de 32°F a 122°F (0°C a 50°C) para remover água.

16. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluxo da corrente de permeado na unidade de remoção de CO2 compreende aumentar uma pressão da corrente de permeado a uma pressão variando de 2 bar a 100 bar (200 kPa a 10.000 kPa).

17. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluxo do gás de alimentação na unidade de processamento é feito a uma temperatura que se situa na faixa de 80 °F a 900 °F (27 °C a 482 °C).

18. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluxo do gás de alimentação na unidade de processamento é feito a uma pressão que se situa na faixa de 1 atm a 10 atm (100 kPa a 1.000 kPa).

19. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluxo da corrente de permeado na unidade de remoção de CO2 é feito a uma temperatura que se situa na faixa de 32 °F a 122 °F (0 °C a 50 °C).

20. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o fluxo da corrente de permeado na unidade de remoção de CO2 é feito a uma pressão que se situa na faixa de 3,4 atm a 34 atm (344 kPa a 3.400 kPa).

21. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de PSA compreende uma ou mais colunas de adsorção, e o gás residual compreende gás dessorvido a partir da regeneração da uma ou mais colunas de adsorção.

22. Método, de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADO pelo fato de que a reciclagem de pelo menos uma porção do gás residual para um ponto a montante da unidade de remoção de N2 compreende aumentar uma pressão do gás residual a uma faixa de 1 atm a 10 atm (100 kPa a 1.000 kPa).

23. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a reciclagem de pelo menos uma porção do gás residual para um ponto a montante da unidade de remoção de N2 compreende reciclar uma quantidade do gás residual equivalente a 5 por cento a 10 por cento em volume da corrente de gás H2 purificada.

24. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a reciclagem de pelo menos uma porção do gás residual para um ponto a montante da unidade de remoção de N2 compreende reciclar uma quantidade do gás residual equivalente a 15 por cento a 25 por cento em volume do gás de alimentação.

25. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que uma concentração de H2 na corrente de gás H2 purificada é selecionada a partir do grupo que consiste em: maior que 75 por cento; maior que 90 por cento; maior que 95 por cento; e maior que 99 por cento.

26. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que uma quantidade de H2 presente no gás melhorado e recuperado na corrente de gás H2 purificada é selecionada a partir do grupo que consiste em: maior que 80 por cento; maior que 90 por cento; maior que 95 por cento; e maior que 99 por cento.

27. Sistema de processamento de gás para produzir uma corrente de gás hidrogênio purificada conforme o método definido na reivindicação 1, sendo que o sistema de processamento de gás é CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma unidade de processamento configurada para aumentar uma razão entre hidrogênio (H2) e monóxido de carbono (CO) em um gás de alimentação para produzir um gás melhorado; uma primeira unidade de separação configurada para remover gás nitrogênio (N2) do gás melhorado para produzir um gás desnitrogenado; uma segunda unidade de separação configurada para remover dióxido de carbono (CO2) do gás desnitrogenado para produzir uma corrente de gás H2 purificada, sendo que a segunda unidade de separação também produz um gás residual que contém o CO2 removido; e um sistema de reciclagem para encaminhar pelo menos uma porção do gás residual para o gás melhorado em um ponto a montante da primeira unidade de separação; em que a primeira unidade de separação compreende uma unidade de separação de membrana configurada para receber o gás melhorado, e em que a segunda unidade de separação compreende uma unidade de adsorção por oscilação de pressão (PSA).

28. Sistema de processamento de gás, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de processamento compreende uma unidade de deslocamento de água-gás, e configurada para deslocar o gás de alimentação para produzir H2 e CO2.

29. Sistema de processamento de gás, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a primeira unidade de separação compreende uma membrana seletiva de H2.

30. Sistema de processamento de gás, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que a segunda unidade de separação compreende uma unidade de adsorção por oscilação de pressão (PSA).

31. Sistema de processamento de gás, de acordo com a reivindicação 30, CARACTERIZADO pelo fato de que a unidade de PSA compreende um composto absorvente eficaz para remover CO2 do gás desnitrogenado.

32. Sistema de processamento de gás, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de reciclagem é configurado para reciclar até e inclusive 100 por cento do gás residual.

33. Sistema de processamento de gás, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de processamento de gás é configurado para produzir a corrente de gás H2 purificada com uma fração molar de H2 maior que 99 por cento.

34. Sistema de processamento de gás, de acordo com a reivindicação 27, CARACTERIZADO pelo fato de que o sistema de processamento de gás é configurado para recuperar uma quantidade de H2 presente no gás melhorado e recuperado na corrente de gás H2 purificada selecionada a partir do grupo que consiste em: maior que 80 por cento; maior que 90 por cento; maior que 95 por cento; e maior que 99 por cento.