La diffusione di idrogeno attraverso trasmettitori di pressione

L’idrogeno

L’idrogeno è il primo elemento chimico della tavola periodica degli elementi, ha come sim­bolo H e come numero atomico 1. É l’elemento chimico più semplice, più piccolo ed abbondan­te presente nell’universo. Acqua, acidi, basi, e composti organici contengono idrogeno.

Allo stato elementare esiste sotto forma di mo­lecola biatomica, H2 (idrogeno biatomico gas­soso), che a pressione atmosferica e a tem­peratura ambiente (298 K) è un gas incolore, inodore ed altamente infiammabile.

L’idrogeno biatomico gassoso H2, chiamato an­che diidrogeno si ottiene in laboratorio median­te reazione di acidi con limatura di ferro o altri metalli come lo zinco. Questa reazione veniva utilizzata già tra il 1700 e 1800 quando il chi­mico britannico Henry Cavendish lo identificò come “aria infiammabile” e scoprì che la sua combustione generava acqua. Nell’uso comune viene chiamato semplicemente idrogeno o idro­geno gassoso quando è necessario distinguerlo dall’elemento chimico omonimo.

Negli impianti industriali il diidrogeno viene pro­dotto mediante il reforming del gas naturale (o “steamreforming”) oppure l’elettrolisi dell’acqua o ancora con la gassificazione di residui della raffinazione del petrolio. L’idrogeno è impiegato per la produzione dell’ammoniaca, per la desol­forazione dei derivati del petrolio, come combu­stibile alternativo e, di recente, come riserva di energia nelle pile a combustibile.

La permeazione

Anche se l’idrogeno non è corro­sivo, può comunque causare seri problemi ai trasmettitori di pres­sione mediante la permeazione attraverso la membrana metalli­ca del sensore. La permeazione dell’idrogeno è la penetrazione di ioni idrogeno (H+) attraverso le sottili membrane di isolamento in metallo (spessore da 15 μm a 50 μm) dei trasmettitori di pressione.

L’idrogeno che si trova normal­mente in natura allo stato biato­mico (una molecola H2) non può permeare la struttura reticolare delle membrane metalliche per via delle sue maggiori dimen­sioni e minore energia. Ma se la molecola di idrogeno si divide in due ioni idrogeno H+ allora le di­mensioni sono minori (circa 0,1 nanometri) e maggiore è l’ener­gia tratta dal processo. Grazie a questo gli ioni H+ possono farsi strada gradualmente attraverso la strut­tura molecolare della membrana in metallo contenente Nichel, come ad esempio: AISI 316, Hastelloy, Monel, Tantalio.

Una volta sull’altro lato della membrana, gli ioni H+, si combinano con gli altri ioni H+ riformando molecole H2. Le molecole H2 rimangono in­trappolate dalla membrana e gradualmente, si dissolvono nel fluido di riempimento sino alla sua saturazione, con conseguente sviluppo di idro­geno gassoso che provoca il rigonfiamento della membrana. Gli effetti sul trasmettitore sono subito evidenti. La misura risulta affetta da errori per deviazione dello zero e dello span. Nei casi estremi la bolla di idrogeno gassoso può raggiungere un volume sufficiente a causare la rottura della membrana oppure del sensore, con guasto permanente del trasmettitore e possibile perdita del fluido di riempimento nel processo.

Dove

La permeazione non avviene solo in presenza di idrogeno puro, ma an­che in applicazioni dove l’idrogeno non è il principale componente, e la dissociazione molecolare può avvenire in modo casuale. Tra i casi più frequenti abbiamo:

1. Processi di vinificazione, produzione del mosto, produzione di melasse, distillazioni alcoliche, dove è possibile che si possa sviluppare IDROGENO SOLFORATO (H2S).

2. L’Idrogeno Solforato, o Acido Solfidrico, attraverso un probabile pro­cesso di deidrogenazione dovuto ad utilizzo di catalizzatori enzimatici nel processo produttivo porta alla formazione di ioni H+ con conseguente attivazione del fenomeno di permeazione.

3. Processi di raffinazione (reforming catalitico) oppure alchilazione con acido fluoridrico (HF) con rilascio di ioni H+.

4. In presenza di vapore ed alte temperature possono avvenire effetti corrosivi delle membrane metalliche, con conseguente possibile forma­zione di ioni H+.

5. Reazioni galvaniche in processi con acqua di mare, dove in presenza di Zinco e di un elettrolita debole può causare una corrosione e formazione di ioni H+.

6. Alte temperature o alte pressioni in un ambiente con presenza di idro­geno provocano agitazione molecolare con possibilità di collisione mole­colare e conseguente rottura del legame e formazione di ioni H+.

Materiale delle membrane

Il materiale metallico della membrana influenza il tasso di permeazione poiché la struttura reticolare molecolare risulta diversa in ciascun metal­ lo. Il nichel (Ni), ad esempio, influisce anche il tasso di permeazione dell’idrogeno. La velocità di permeazione di idrogeno aumenta esponen­zialmente con il contenuto di nichel. L’acciaio inossidabile ha un basso contenuto di nichel ed è il materiale della membrana che viene scelto per la maggior parte delle applicazioni. Metalli a base di nichel, come Hastelloy C-276 e Monel, dovrebbero essere evitati come anche il Tanta­lio. Tuttavia, in applicazioni con presenza di aci­do fluoridrico (HF), il Monel è il materiale della membrana suggerito; ma è comunque preferi­bile utilizzare soluzioni preventive alternative.

La soluzione

Per risolvere il problema della diffusione di idrogeno, si utilizzano membrane con prote­zioni gold-plating (rivestimento in oro) oppure “combinate” come gold-rhodium (rivestimento in oro-rodio) che risultano meno costose.

Endress+Hauser propone la Serie Cerabar M PMP55 con membrana in 316L con rivesti­mento gold-rhodium oppure la Serie Cerabar S PMP75 con tre diverse soluzioni:

• membrana in AISI 316L con rivestimento gold-rhodium
• membrana in AISI 316L con rivestimento gold
• membrana TempC ® in AISI 316L con rivesti­mento gold

Anche per la Serie Deltabar S PMD75, FMD77 e FMD78 sono disponibili soluzioni con:

• membrana in AISI 316L con rivestimento gold-rhodium
• membrana TempC ® in AISI 316L con rivesti­mento gold

É importante ricordare che il rivestimento in oro elimina la permeazione dell’idrogeno ma non ne migliora la resistenza alla corrosione, poiché la doratura risulta comunque troppo sottile e troppo porosa per fornire un’efficace barriera alla corrosione. Quindi soluzioni con rivestimenti in oro non sono da utilizzarsi in caso di fenomeni corrosivi. Ecco allora che En­dress+Hauser per far fronte sia ai fenomeni di permeazione di idrogeno che ai fenomeni cor­rosivi propone un’ulteriore soluzione ancora più efficace sia come protezione dall’effetto della permeazione dell’idrogeno che dagli effetti della corrosione. Questa soluzione è il Sensore Ce­ramico Ceraphire® Ceraphire® è il sensore ce­ramico capacitivo di Endress+Hauser che con il suo 99,9% di Al2O3, offre le migliori garanzie di funzionamento ed affidabilità sul mercato.