Producción de hidrógeno con captura in situ de co2 mediante reformado mejorado de metano

Resumo

AUNQUE ACTUALMENTE, LA TECNOLOGÍA MÁS ECONÓMICA Y EXTENDIDA PARA LA PRODUCCIÓN DE HIDROGENO A GRAN ESCALA ES EL REFORMADO DE METANO CON VAPOR (STEAM METHANE REFORMING, SMR EN SUS SIGLAS EN INGLÉS), ESTE PROCESO SE LLEVA A CABO EN MÚLTIPLES ETAPAS BAJO CONDICIONES SEVERAS DE OPERACIÓN (PRESIÓN Y TEMPERATURA), PRODUCIENDO ADEMÁS CONSIDERABLES EMISIONES DE CO2. CON EL OBJETO DE REDUCIR LAS EMISIONES DE CO2, Y SUAVIZAR LAS CONDICIONES DE OPERACIÓN DEL REFORMADO, SURGE EL REFORMADO MEJORADO DE METANO (SORPTION ENHANCED REFORMING, SER EN SUS SIGLAS EN INGLES). EN ESTE PROCESO, SE UTILIZA UN SORBENTE (GENERALMENTE DE BASE CÁLCICA) JUNTO CON EL CATALIZADOR EN EL REACTOR DE REFORMADO, PARA ELIMINAR EL CO2 DE LA FASE GAS TAN PRONTO COMO SE FORME. DE ESTE MODO, TANTO LA REACCIÓN DE REFORMADO DE METANO CON VAPOR, COMO LA DE AJUSTE DE AGUA Y LA DE CAPTURA DE CO2 TIENEN LUGAR EN EL MISMO REACTOR, PUDIENDO ALCANZAR ALTAS CONCENTRACIONES DE H2 EN LA CORRIENTE GASEOSA DE SALIDA. UNA VEZ SATURADO EL SORBENTE, ES NECESARIO REGENERARLO EN UNA ETAPA ADICIONAL A ALTAS TEMPERATURAS MEDIANTE LA CALCINACIÓN DEL CACO3 FORMADO. A ESCALA COMERCIAL, EL PROCESO SER SE PROPONE COMO UN SISTEMA CÍCLICO, FORMADO POR DOS ETAPAS: REFORMADO-CARBONATACIÓN (APROXIMADAMENTE A 650 ºC) Y OXIDACIÓN-CALCINACIÓN (APROXIMADAMENTE A 900 ºC). ESTAS ETAPAS PUEDEN LLEVARSE A CABO MEDIANTE DOS REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO INTERCONECTADO (LO QUE FACILITA EL TRANSPORTE DE MATERIALES SÓLIDOS ENTRE ETAPAS ASÍ COMO LA OPERACIÓN EN CONTINUO) O BIEN MEDIANTE LA APLICACIÓN DE REACTORES DE LECHO FIJO EN PARALELO (EN EL QUE SE PUEDE UTILIZAR EL SISTEMA CU/CUO PARA SUMINISTRAR LA ENERGÍA NECESARIA EN LA CALCINACIÓN MEDIANTE LA REDUCCIÓN EXOTÉRMICA DEL CUO). EL OBJETIVO GENERAL DE ESTA TESIS HA SIDO EL ESTUDIO EXPERIMENTAL DEL PROCESO DE REFORMADO MEJORADO DE METANO. PARA EL DESARROLLO DEL PROCESO SER, ES NECESARIO EL USO DE UN CATALIZADOR DE REFORMADO QUE TRABAJE NO SOLO A TEMPERATURAS INFERIORES A LAS HABITUALMENTE UTILIZADAS EN SMR, SINO QUE ADEMÁS SEA CAPAZ DE MANTENER SU ACTIVIDAD CON LOS SUCESIVOS CICLOS DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN. ADEMÁS, ES FUNDAMENTAL EL USO DE UN SORBENTE QUE MANTENGA SU CAPACIDAD DE CAPTURA DE CO2 TRAS SUCESIVOS CICLOS Y QUE NO INTERACCIONE CON EL CATALIZADOR. POR LO TANTO, SE DETERMINÓ COMO UN OBJETIVO PRIMORDIAL, LA SÍNTESIS DE NOVEDOSOS MATERIALES APROPIADOS PARA TRABAJAR EN EL PROCESO SER ASÍ COMO EL ESTUDIO DE SU COMPORTAMIENTO BAJO CONDICIONES EXPERIMENTALES CARACTERÍSTICAS DE ESTE PROCESO DE CARA A DETERMINAR SU VIABILIDAD. DE ESTE MODO SE DESARROLLARON MEDIANTE DIVERSAS RUTAS DE SÍNTESIS DISTINTOS CATALIZADORES Y SORBENTES, LOS CUALES FUERON ESTUDIADOS EN DISTINTOS REACTORES A DIVERSAS ESCALAS. LOS MATERIALES QUE MEJOR COMPORTAMIENTO MOSTRARON DE FORMA SEPARADA, SE ESTUDIARON POSTERIORMENTE DE FORMA CONJUNTA BAJO CONDICIONES DE OPERACIÓN SER TANTO EN LECHO FIJO COMO EN LECHO FLUIDIZADO. EN LOS EXPERIMENTOS REALIZADOS DE FORMA CONJUNTA CON EL CATALIZADOR Y EL SORBENTE SELECCIONADOS, SE ESTUDIARON MÚLTIPLES FACTORES RELEVANTES PARA EL PROCESO COMO POR EJEMPLO: TEMPERATURA DE REFORMADO, RELACIÓN VAPOR/METANO (S/C), RATIO SORBENTE/CATALIZADOR UTILIZADO (Z), VELOCIDAD ESPACIAL DE TRABAJO ASÍ COMO LA INFLUENCIA DE LA ATMOSFERA DE CALCINACIÓN (INERTE, OXIDANTE, CON CO2 Y VAPOR) EN PROCESOS CÍCLICOS DE MODO QUE LOS MATERIALES FUERON SOMETIDOS A CONDICIONES EXPERIMENTALES REALISTAS. CON OBJETO DE REDUCIR LA CANTIDAD DE MATERIAL INERTE EN EL PROCESO, LO CUAL IMPLICA UNA DISMINUCIÓN DEL VOLUMEN DE REACTOR Y AFECTA POSITIVAMENTE AL BALANCE ENERGÉTICO DEL MISMO, SE SINTETIZARON Y ESTUDIARON MATERIALES HÍBRIDOS, LOS CUALES, EN UNA SOLA PARTÍCULA CONTIENEN EL SORBENTE Y EL CATALIZADOR. SE DESARROLLARON MATERIALES HÍBRIDOS CON DISTINTAS CARGAS DE NIO-CAO-CA12AL14O33 SINTETIZADOS MEDIANTE DIVERSAS RUTAS DE SÍNTESIS Y TOMANDO DISTINTOS MATERIALES DE PARTIDA. ASIMISMO, CON EL OBJETIVO DE MINIMIZAR EL CONTENIDO EN NÍQUEL DE LOS MATERIALES, SE SINTETIZARON MATERIALES CON RODIO EN CONTENIDO VARIABLE DE RH-CAO-CA12AL14O33. LOS MATERIALES HÍBRIDOS FUERON SOMETIDOS A CICLOS DE CARBONATACIÓN-CALCINACIÓN EN TERMOBALANZA CON OBJETO DE REALIZAR UNA PRIMERA SELECCIÓN Y DETERMINAR QUE MATERIALES TIENEN UNA MEJOR CAPACIDAD DE CAPTURA DE CO2 Y ESTABILIDAD. ADEMÁS, SE COMPROBÓ SU ACTIVIDAD CATALÍTICA EN UN REACTOR DE LECHO FIJO ASÍ COMO SU COMPORTAMIENTO BAJO CONDICIONES DE OPERACIÓN PROPIAS DEL PROCESO SER. ASÍ, LAS INVESTIGACIONES REALIZADAS PARA EL DESARROLLO DE ESTA TESIS HAN PERMITIDO APLICAR AL PROCESO SER NOVEDOSOS MATERIALES ASÍ COMO DETERMINAR LOS LIMITES OPERACIONALES DE LOS MISMOS, TANTO CATALIZADORES CON BAJO CONTENIDO EN NÍQUEL, COMO MATERIALES HÍBRIDOS QUE COMBINEN EN UNA PARTÍCULA TANTO EL CATALIZADOR COMO EL SORBENTE.