Producción de hidrógeno mediante reacciones de reformado en reactor de lecho fluidizado de dos zonas

El trabajo realizado se enmarca dentro de la línea de investigación que tiene como finalidad el desarrollo de nuevos reactores catalíticos más eficaces y seguros en la industria química y se ha desarrollado en el grupo de investigación creg (catalysis, molecular separations and reactor engineering group), en su sección perteneciente al instituto de investigación en ingeniería de aragón (i3a). En concreto, se ha estudiado la viabilidad de producción y purificación de hidrógeno, para su aplicación como vector energético alternativo a los combustibles fósiles tradicionales, mediante reformado en reactores con separación de zonas de regeneración-reacción. El reactor de lecho fluidizado de dos zonas (rlfdz) desarrollado por el grupo creg posibilita la alimentación de agente reductor (reactivo) y oxidante (regenerador) a diferentes alturas del lecho. En dicho reactor, habitualmente el oxígeno es alimentado junto a un gas inerte por la parte inferior del lecho de forma que oxida el sólido y/o quema el coque presente en esa zona (zona oxidante o de regeneración). Este sólido, debido a su intensa mezcla característica de los lechos fluidizados, es transportado hasta la zona superior (zona reductora o de reacción), donde se alimenta el reactante y el sólido regenerado en la parte inferior es activo para llevar a cabo la reacción, perdiendo actividad a medida que transcurre la misma. El sólido desactivado circulará nuevamente a la parte oxidante, repitiéndose el ciclo y permitiendo una operación continua. En trabajos previos, este reactor se ha mostrado como una alternativa muy interesante en procesos de oxidación selectiva de olefinas (produciéndose un gran aumento en la selectividad a productos deseados) y de deshidrogenación catalítica (regenerándose `in situ¿ y de forma continua, en la zona oxidante, el catalizador en el que se deposita coque en la zona de reacción). A lo largo de este trabajo se ha analizado la viabilidad de la aplicación de los reactores de lecho fluidizado de dos zonas a los procesos de reformado: reformado oxidativo de metano con vapor y reformado oxidativo de etanol con vapor. Para conseguir el correcto funcionamiento del sistema es necesario que el catalizador, además de tener buena actividad y selectividad para la reacción estudiada, presente un adecuado comportamiento fluidodinámico. Con este fin, se han sintetizado diversos catalizadores, para llevar a cabo las reacciones citadas. Dichos catalizadores están principalmente basados en níquel, ya que son los más económicos aunque también los que presentan más problemas de desactivación por coque en las reacciones objeto de estudio. El uso del rlfdz puede resultar por ello más ventajoso que un reactor de lecho fluidizado convencional (rlf) donde se coalimenta oxígeno y reactante por la parte inferior. Un catalizador 1%ni/al2o3 y un catalizador 2,5% ni/al2o3, sintetizados ambos a través de un método de impregnación a humedad incipiente, se utilizaron para el reformado oxidativo de metano. Un catalizador 1%ni/al2o3 sintetizado por el mismo método se utilizó también para el reformado oxidativo de etanol. Por su parte, otro catalizador (pt/ceo2-zro2)-bentonita se preparó mediante un proceso de aglomeración del catalizador precursor pt(1,2%)/ce0,25zr0,75o2 con una arcilla (bentonita), para así disponer de un sólido con un adecuado tamaño de partícula y resistencia mecánica apto para el trabajo en reactor de lecho fluidizado. Este catalizador (pt/ceo2-zro2)-bentonita se utilizó para el reformado oxidativo de etanol. Con objeto de obtener información sobre la estructura y las propiedades fisicoquímicas de los catalizadores sintetizados en este estudio, éstos se han caracterizado empleando diversas técnicas: adsorción de nitrógeno para determinación de la superficie específica bet, análisis termogravimétrico (tga), difracción de rayos x (xrd), microscopía electrónica de transmisión (tem), reducción a temperatura programada (tpr). Para una mejor comprensión del proceso se ha realizado un estudio paramétrico para evaluar la influencia de las principales variables de operación: temperatura, velocidad relativa respecto a la de mínima fluidización y relación entre caudales alimentados de los reactantes (h2o/o2 y h2o/ch4 en el reformado oxidativo de metano; y vapor de agua/etanol (s/e) y oxígeno/etanol (o/e) en el reformado oxidativo de etanol). Se ha llevado a cabo un estudio de la estabilidad del sistema para ambos procesos realizando experimentos de coalimentación en rlf en las mismas condiciones que los realizados en rlfdz, con el fin de comprobar si el catalizador pierde actividad al trabajar en ambos modos de contacto. Se ha realizado la simulación de equilibrio termodinámico de cada una de las reacciones estudiadas usando el programa hysys para conocer las conversiones y las selectividades de equilibrio para las condiciones que se estudiaron experimentalmente. También se ha realizado el cálculo de los depósitos carbonosos que se forman en condiciones de equilibrio termodinámico para cada uno de los dos procesos considerados en condiciones iguales a las experimentales. Finalmente, se han comparado los resultados obtenidos en las distintas reacciones usando el rlfdz con los obtenidos por otros autores en distintos sistemas de reacción utilizando catalizadores similares a los de este estudio en cada caso