Diseño, construcción y operación de un procesador de bioetanol de 360 kw para la producción de hidrógeno destinado a pilas de combustible poliméricas

Resumo

La producción de hidrógeno ha sido ampliamente estudiada durante las últimas décadas, siendo el reformado de hidrocarburos, especialmente el de metano, la tecnología más madura actualmente. El mayor inconveniente de este modelo de producción es la dependencia de los combustibles fósiles, esto ha supuesto que en la actualidad haya gran interés en el reformado de alcoholes, destacando entre ellos el etanol por su origen renovable. Su implantación y uso como materia prima para la producción de hidrógeno pasa por el desarrollo de una tecnología de reformado que pueda competir económicamente con los procesos convencionales, siendo necesario demostrar que técnicamente es viable como primer paso, y es en este ámbito dónde aporta un valor novedoso al estado actual de la técnica el presente trabajo. En esta Tesis se plantea diseñar, construir y operar el primer procesador de bioetanol capaz de alimentar una pila de combustible polimérica de 360 kW, cuya escala es lo suficientemente representativa como para demostrar la viabilidad técnica del proceso. Este prototipo integra tres etapas catalíticas, una de reformado, dos etapas de reacción de gas de agua de baja temperatura con refrigeración intermedia y por ultimo una oxidación selectiva. La información requerida para el diseño se ha tomado de los antecedentes recogidos en las publicaciones científicas y patentes previas realizadas en base a los resultados de proyectos de investigación desarrollados por el doctorando, que abordan aspectos concretos de los procesos catalíticos involucrados en el procesador. En el diseño se ha abordado la definición de las especificaciones de partida y funcionales de cada uno de los componentes que forman el prototipo, en base a estas se ha simulado el proceso empleando programa informático Aspen Plus. Como resultado de la simulación se han obtenido los balances de materia y energía del proceso, a partir de los cuales se han calculado las especificaciones de diseño de los reactores catalíticos. La etapa principal es el reformado de bioetanol, tecnología compleja y novedosa que trabaja a altas temperaturas (1.300-700 ºC) y una presión moderada, inferior a 12 bar. Para ello, se ha desarrollado un equipo específico que integra la reacción química de reformado con la transferencia térmica desde los gases de combustión. También se han integrado etapas de purificación de la corriente de hidrógeno generado en el reformado, de acuerdo a los requerimientos particulares de la pila de combustible polimérica en cuanto a la concentración de CO presente en la corriente de alimentación. Por último, dentro del prototipo se ha llevado a cabo la integración energética del proceso, incorporando todo un conjunto de etapas de intercambio de calor paramaximizar la recuperación de energía y en consecuencia el rendimiento y eficiencia del procesador. Una vez construidos e instalados en campo los equipos, se llevó a cabo la puesta en marcha y operación del procesador conforme al plan de pruebas establecido previamente. En base a los resultados experimentales de dichas pruebas y su análisis, se demuestra que la tecnología desarrollada permite producir hidrógeno con la calidad adecuada para su uso en pilas de combustible poliméricas, concluyendo que es técnicamente viable. La presente Tesis, por lo tanto, presenta una potencial alternativa para la producción de hidrógeno a partir de energías renovables. El resultado del trabajo demuestra la viabilidad del reformado de bioetanol para producir hidrógeno y es un primer paso para su producción descentralizada.