Desarrollo de sistemas catalíticos e intensificación de procesos para la producción de hidrógeno comprimido y productos de interés

Resumen

La presente tesis doctoral se enmarca en el ámbito de la producción de hidrógeno renovable, y en el estudio metodologías de intensificación de procesos para la producción de hidrógeno mediante reactores de membrana y reactores que operan a alta presión. Para la producción de hidrógeno renovable, se estudió en detalle el proceso de reformado autotérmico (ATR) de bioetanol. Se diseñó y construyó un sistema de reacción de escala de laboratorio, que se operó bajo condiciones reales de operación industrial. En una primera etapa, se realizó la evaluación de distintos catalizadores comerciales para el ATR de etanol. Tras la selección del tipo de catalizador con mejor rendimiento, se probaron distintas variaciones sobre el mismo, añadiendo dopantes a la fase activa y al soporte. Los catalizadores con mejores resultados se probaron durante más de 100 h manteniendo su rendimiento. Una vez seleccionados la composición primara de los catalizadores, se hicieron pruebas para el escalado y optimización de los catalizadores fabricados mediante un proceso industrial. Se estudiaron los efectos de las condiciones de operació, siendo el parámetro de mayor relevancia la relación O/C. El mejor de los catalizadores desarrollados aumentó el rendimiento y disminuyó la producción de hidrocarburos en estas condiciones, alcanzándose un rendimiento de hasta 3.1 mol H2 / mol etanol. Este catalizador se probó durante 200 horas, manteniendo su estabilidad en todo el periodo, validando su aplicación en un reformador de etanol para la producción de hidrógeno. En otro apartado, se estudió la utilización de membranas de transporte de oxígeno como elemento distribuidor de oxígeno para el sistema de reacción de ATR, permitiendo alimentar al reactor oxígeno de alta pureza producido in-situ. Se probaron membranas capilares de BSCF. En el sistema de reacción de ATR, las membranas mostraron una permeación acorde a los valores habituales para este material. Se estudió el comportamiento de las membranas de BSCF en una atmósfera con vapor, en la que la permeación alcanzada disminuyó en presencia de vapor. La utilización de estas membranas en la reacción de ATR requeriría de un escalado correcto, pues el flujo de oxígeno aportado por la membrana sería bajo respecto a las necesidades de oxígeno de la reacción de ATR. Seguidamente, se probaron los efectos de la aplicación de capas protectoras porosas sobre los capilares de BSCF, para mejorar su estabilidad química en ambientes de rección. Mediante la técnica de dip-coating se aplicaron capas porosas de BSCF, CTO-CMO (Ce0.8Tb0.2O2-¿- MnCo2O4) y CTO. La aplicación de estas capas aumentó la permeación por la mejora en el área superficial de intercambio y de las reacciones superficiales, alcanzándose 3 - 3.6 NmL·min-1·cm-2 para las membranas recubiertas, frente a 2.4 NmL·min-1·cm-2 para la membrana sin recubrimiento. Estas mismas membranas se probaron en un reactor de membrana, en reacción con CH4. Las capas aporataron efectos catalíticos y protectores respecto a la membrana sin tratamiento superficial. Las capas de CTO y CTO-CMO aumentaron la permeación de oxígeno y la conversión de CH4, que alcanzó valores del 100%, y además, resultaron estables en las condiciones de reacción, mientras que las membranas con capa de BSCF y sin recubrimiento tuvieron conversiones más bajas y su estructura quedó degradada por la atmósfera de la reacción. Finalmente, se llevó a cabo el diseño y construcción de un sistema de reacción de alta presión para el estudio de procesos de producción de hidrógeno a alta presión a presiones de hasta 300 barg. En esta unidad, se podrán llevar a cabo reacciones de producción de hidrógeno a partir de biomasa en agua supercrítica. Adicionalmente, se diseñó un reactor de membrana que permitirá el trabajo con membranas de permeación de gases en condiciones de alta severidad, con potencial aplicación en la producción de hidrógeno a partir de reacciones de reformado con una alta eficiencia.