Resumen de Catalysts for steam reforming of Ethanol in a catalytic wall reactor
José Antonio Torres Rivero
La energía se ha convertido en una necesidad vital para garantizar el desarrollo de las sociedades modernas. Entre las diferentes posibles alternativas para producir energía, el hidrogeno presenta varias características que lo convierten en un atractivo vector energético: primero, se trata de una tecnología más eficiente para transformar la energía química en electricidad -por ejemplo, utilizando pilas de-combustible, las cuales también reducen de manera significativa los niveles de emisión de CO2 -; en segundo lugar, el hidrogeno puede ser producido a partir de una amplia variedad de materias primas, incluyendo recursos renovables y no renovables. Sin embargo, las tecnologías para producir hidrogeno para applicaciones con pilas de combustible aun requieren de un esfuerzo en investigación y desarrollo.El objetivo principal de esta tesis fue de evaluar técnicamente las opciones para preparar y utilizar catalizadores en placas insertados en un reactor de pared catalítica para producir hidrogeno mediante el reformado por vapor de etanol bajo condiciones de alta eficiencia térmica. Para completar el objetivo general y los objetivos específicos, se diseño un plan experimental sistemático, compuesto de tres partes: documentación, experimentación y simulación numérica. La información utilizada se puede clasificar en tres ramas: primero, una revisión detallada de las características generales que presentan las técnicas de reformado, seguido por una revisión descriptiva del reformado por vapor de etanol, enfocado en los principales aspectos de la preparación de catalizadores y la realización de la reacción química. A continuación en segundo lugar, se presenta una descripción acerca de reactores estructurados y los métodos para preparar catalizadores. Por último, en tercer lugar, se expone una explicación centrada en los materiales, equipos y métodos empleados para explorar el rendimiento de los catalizadores. Esta parte incluye la descripción de: algunas de las técnicas analíticas más comunes para caracterizar y evaluar tanto catalizadores como compuestos químicos y la descripción de las herramientas utilizadas en la simulación numérica.El primer bloque de simulación numérica tiene como fin evaluar las posibles restricciones termodinámicas por medio de análisis específicos basados en el equilibrio termodinámico, tanto del reactor como del proceso integrado. Luego, se ejecuta un mapeo del conjunto de condiciones operacionales, compuesto por cuatro variables principales: (temperatura, relación vapor carbón, presión y factor de recobro de hidrogeno en el separador de membrana). Ello con el fin de garantizar una operación auto-térmica del procesador de combustible. Se compara la habilidad y la ventaja entre los diferentes tipos de catalizadores publicados en trabajos previos en base a las condiciones termodinámicas ideales determinadas en el análisis termodinámico.Para los catalizadores en polvo, se realizo experimentos de caracterización y reacción mediante el empleo de un reactor de lecho fijo. Se ha efectuado un estudio sistematico para comparar la actividad y la selectividad de dos tipos de catalizadores, bajo condiciones moderadas de temperatura y relación vapor carbón. Los catalizadores basados en níquel (Ni/La2O3-Al2O3) y cobalto (Co-Fe/ZnO y Co-Mn/ZnO) han sido preparados y probados a las siguientes condiciones: temperatura en el rango de 400-500°C, relación vapor carbono entre 2 y 4, tiempo de contacto desde 4.3 hasta 1100 min·gcat molEtOH-1, cubriendo un rango de conversión de etanol desde 20 hasta 100%. Se ha efectuado un diseño de análisis multifactorial para establecer la influencia de las variables (temperatura, relación vapor carbón, tiempo de contacto y formulación del catalizador) en términos de la conversión de etanol y la selectividad hacia los diferentes productos.Por último, se ha efectuado la caracterización, simulación y experimentación utilizando una configuración de reactor de pared catalítica. Primero, se emplea un modelo en 2D para analizar las características principales del reactor de pared catalítica diseñado y construido para realizar la reacción sobre las placas con catalizador previamente preparadas. En segundo lugar, se expone de manera detallada el método seguido para preparar dos tipos diferentes de placas catalíticas. Estas placas con catalizador son caracterizadas de manera similar al método empleado con los catalizadores en polvo. Luego, se ha realizado un estudio sistemático para comparar la actividad y la selectividad de los dos tipos de placas catalíticas. Por último, mediante un modelo 1D se revelan aspectos fundamentales de la configuración del reactor de pared catalítica utilizando una configuración con dos canales paralelos, en los cuales se ejecutan una reacción endotérmica y otra exotérmica respectivamente.La principal conclusión de este trabajo es que el reformado por vapor de etanol puede ser realizado bajo condiciones de alta eficiencia térmica si se emplea un diseño basado en un reactor de pared catalítica con recobro de calor integrado a una unidad de separación para la purificación del hidrogeno. Las placas catalíticas han demostrado ser un elemento fundamental en este tipo de reactor porque incrementan de manera significativa el transporte de calor que se requiere para sostener las reacciones endotérmicas.
