Reformado seco de biogás en reactores avanzados de lecho fluidizadointensificación del proceso con fines energéticos

Resumo

El concepto de reactor fluidizado de dos zonas (oxidación/regeneración y reducción/desactivación) surgió hace más de dos décadas en el Grupo CREG del Instituto de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A) y se viene desarrollando por parte de los miembros del mismo en la línea de investigación de Ingeniería de Reactores. Dentro de esta línea, se estudia la viabilidad de la aplicación de los reactores de lecho fluidizado de dos zonas (RLFDZ) y de los reactores de lecho fluidizado de dos zonas + membrana (RLFDZ+MB) para distintas reacciones de catálisis heterogénea. En el presente trabajo se ha estudiado el proceso de producción de gas de síntesis y la obtención de hidrógeno de alta pureza, mediante reformado seco de metano (DRM), para su aplicación como vector energético alternativo a los combustibles fósiles tradicionales, utilizando, para ello, reactores avanzados de lecho fluidizado. Asimismo, se han comparado tres configuraciones de reacción: RLFC, RLFDZ y RLFDZ+MB. El principal problema que presenta el proceso DRM es la desactivación del catalizador por formación de coque. Además del tradicional reactor de lecho fijo, la reacción puede llevarse también a cabo en un reactor de lecho fluidizado con varias alternativas: 1) la configuración RLFC que consiste en un reactor de lecho fluidizado convencional, en la cual no se alcanza un proceso continuo debido a la pérdida de actividad del catalizador; 2) la configuración RLFDZ que consiste en un reactor de lecho fluidizado en donde se introduce gas regenerante en la parte inferior del reactor, mientras que el hidrocarburo se alimenta en un punto intermedio del lecho. De esta manera se obtienen dos zonas de reacción, una de las cuales se emplea para la reacción deseada y la otra para regenerar el catalizador y, 3) la configuración RLFDZ+MB que consiste de igual manera en un reactor de lecho fluidizado con dos zonas de reacción, además de la incorporación de una membrana de Pd – Ag que extrae de forma selectiva hidrógeno del lecho de reacción. Para el proceso DRM, la configuración RLFDZ permite trabajar con un proceso continuo debido a la regeneración del catalizador en la zona baja del reactor, para lo cual debe existir un equilibrio entre la formación y consumo de coque. Por otro lado, la configuración RLFDZ+MB además de un proceso continuo presenta un incremento en el rendimiento a los productos, debido a la extracción selectiva del hidrógeno mediante las membranas. Para llevar a cabo las reacciones del proceso estudiado en esta memoria se sintetizó el catalizador 5%Ni – 10%Ce/ Al2O3, mediante el método de impregnación a humedad incipiente. Además, el catalizador sintetizado se caracterizó empleando diversas técnicas: difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía electrónica de transmisión (TEM), determinación de la superficie específica (BET), análisis por fluorescencia y análisis termogravimétrico (TGA). Para lograr una mejor comprensión de las reacciones del proceso DRM, se realizó un estudio cinético detallado. Se determinaron los modelos cinéticos correspondientes a la reacción principal, las reacciones secundarias, la desactivación del catalizador por formación de coque, la combustión (con O2) y gasificación (con CO2) del coque. Asimismo, se determinó la relación existente entre la actividad del catalizador y la concentración de coque. El estudio cinético se llevó a cabo sometiendo al catalizador a distintas atmósferas de reacción en un reactor convencional de lecho fijo. Además, para la configuración RLFDZ+MB también se determinó el modelo de flujo de hidrógeno a través de la membrana. En cada configuración de reacción se estudió el efecto que las distintas variables de operación (temperatura, tiempo espacial, altura de la zona de regeneración, porcentaje y naturaleza del agente regenerante, …) tienen sobre el rendimiento del proceso. Finalmente, se aplicó un modelo fluidodinámico de tres fases que, junto con los modelos cinéticos y el modelo de flujo de hidrógeno a través de la membrana, conforman un modelo global que ha sido capaz de simular los resultados experimentales y que puede ser aplicado en posteriores escalados y optimizaciones.