Enriquecimiento y separación de H? y CO? en un reactor catalítico de membranas mediante la reacción de WGSestudio en planta piloto

Resumen

La presente tesis se enmarca dentro de una línea de investigación sobre procesos de separación de gases a través de membranas inorgánicas de Pd, en la que se trabaja en la Unidad de Valorización Energética de Combustibles y Residuos del Departamento de Energía del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). El H2 es considerado un vector energético limpio. Este gas se puede obtener por procesos como la gasificación del carbón o biomasa. El gas resultante de estos procesos consiste en una mezcla de gases (CO, H2, H2O, N2, CH4, H2O) con diferentes concentraciones. Con el objetivo de aumentar el contenido de H2, en los procesos anteriores se incluye una etapa denominada reacción water-gas-shift, WGS (CO+ H2O = CO2+ H2 ¿ de H= 41 kJ/mol). Tradicionalmente la reacción shift se lleva a cabo en reactores de lecho fijo (FBR). Pero, si se utiliza un sistema integrado donde se produce la reacción y la separación de gases, como un reactor de membranas de Pd, a la vez que el equilibrio se desplaza hacia los productos de la reacción (CO2 + H2) a causa de la permeación constante de H2 a través de la membrana. Además, si se utiliza un catalizador en el medio de reacción se aprovecha su actividad catalítica obteniendo un mayor rendimiento de la reacción. Al mismo tiempo, si la conversión es completa, el CO2 que queda retenido se puede almacenar en reservorios vacíos de gas o de petróleo. La finalidad de integrar este reactor de membranas fue la de aumentar la eficiencia en la conversión de CO y H2O en CO2 e H2, lo que reduce significativamente el coste de producción de H2 a partir de, por ejemplo, el carbón. Con este fin, esta tesis estudia el efecto de gases como CO, N2, CO2 y H2O en la permeación de H2 a través de una membrana de Pd en un reactor a escala piloto. Se realizaron estudios con mezclas de H2/N2; H2/CO2; H2/H2O; H2/CO2/H2O, H2/CO/N2, H2/CO/CO2/H2O, a diferentes T y P. Los resultados muestran que la T, P, GHSV y la concentración del gas tienen un efecto importante en la permeación de H2. Asimismo, se identificaron los factores de inhibición a la permeación de H2 y se determinaron las mejores condiciones de operación para obtener la máxima permeación de H2 en las mezclas estudiadas. Además de estos estudios, también se realizaron estudios de reactor catalítico de membranas (CMR) aplicando el caso de WGS bajo dos condiciones. 1. Ensayos bajo el régimen de la membrana. Se determinó la permeación de H2 en el reactor de membranas bajo condiciones de WGS en ausencia y en presencia de catalizador. Se estableció cómo se modifica la conversión de CO (xco) debido a la permeación simultánea de H2. Se comparó la capacidad de la xco utilizando un reactor de membranas. Se analizó el efecto catalítico del Pd en la membrana sobre la WGS. Se estudió los posibles efectos difusionales y/o de inhibición del catalizador en la permeación de H2 a través de la membrana. 2. Ensayos bajo el régimen del catalizador. Se realizó un análisis técnico económico para evaluar el proceso termodinámico en un sistema de ATR, seguido por un sistema de CMR y un sistema de captura de CO2. Se evaluó el funcionamiento y la estabilidad de dos catalizadores (Fe-Cr y TopsoeZnO/ZnAl2O4) bajo condiciones de CMR y de FBR. En este estudio se realizó lo siguiente: Se analizó el efecto de la GHSV en la xco en un CMR. Se estudió el efecto del aumento del contenido de CO2, manteniendo la relación H2O/CO, en la estabilidad de los catalizadores bajo condiciones de FBR y de CMR. Se evaluó el efecto de la variación de la relación H2O/H2 bajo condiciones de FBR en la desactivación de los catalizadores. Los resultados muestran que el CMR es un buen candidato para el proceso de producción de H2 de los gases provenientes de la gasificación de la biomasa así como del reformado de gas natural. Además, se demostró que para estos procesos se pueden utilizar ambos catalizadores. En el caso del catalizador de Fe Cr es necesario mantener H2O/H mayor de 0,5