Diseño y desarrollo de reactor lecho fijo catalítico para gasificación de biomasa de banano en la producción de hidrógeno

El Hidrógeno y su producción en la actualidad es un tema importante de investigación, puesto que es considerado un vector energético limpio que puede ser usado en máquinas térmicas o como combustible sin emisión de gases de efecto invernadero lo que contribuiría a la protección del medio ambiente. Existen varios métodos que actualmente se investigan para la producción de hidrogeno, entre estos sobresalen la gasificación de la biomasa. De manera general este último se lleva a cabo en dos etapas: hidrólisis de la biomasa para producir compuestos solubles en agua y la etapa de reacción de gasificación de estos compuestos. El uso de catalizadores en la gasificación de biomasa favorece la formación de hidrogeno, así como reduce la formación de alquitrán, lo que se traduce en una mayor conversión de la biomasa. Una de las biomasas más abundantes en nuestro país es el residuo proveniente de las plantaciones de banano, cuyo potencial energético para producir hidrogeno aún no ha sido evaluado. Por lo antes mencionado, el objetivo de este trabajo fue diseñar un reactor catalítico de lecho fijo para realizar la gasificación de biomasa de banano. Para el diseño del reactor, la longitud y diámetro fueron estimadas considerando condiciones de fluidización y una relación altura/diámetro 3/1. Luego del diseño y construccion del reactor, la reacción de gasificación catalizada y no catalizada se llevó a cabo a condiciones de temperatura de 640 °C, presión atmosférica, masa de residuo de banano (correspondiente al pseudotallo) de 11.75 g, diámetro de partícula de 1.84 mm promedio, y vapor de agua recalentado como agente gasificante. El catalizador que se utilizó en el lecho fijo fue Ni/Al2O3, el cual fue sintetizado por coprecipitación de Ni(NO3)2.6H2O y Al(NO3)3.9H2O. La biomasa de banano se cargó en el reactor entre dos rejillas # 80 Tyler, con el fin de para soportar y evitar su arrastre. De manera similar, en la reacción catalizada, el catalizador fue ubicado entre 2 rejillas de # 200 Tyler, sobre el lecho de biomasa. A la mezcla gaseosa resultante de la reacción (vapor recalentado y gas de síntesis) se condeso el exceso de agua, y el gas de síntesis fue separado por separador bifásico. Finalmente, el gas de síntesis atravesó un filtro de silica gel y se recolecto en una funda Tedlar de 1L para su análisis por cromatografía de gases. Los resultados del diseño establecieron una longitud del reactor de 9 cm y 3 cm de diámetro. En la reacción no catalizada, los componentes que se obtuvieron en mayor porcentaje fueron: dióxido de carbono > hidrógeno > etileno. Por el contrario, en la reacción catalizada se obtuvo: hidrogeno > etileno > dióxido de carbono. El contenido de hidrógeno paso de 25.8% molar a 51.8% molar al utilizar catalizador; mientras que el dióxido de carbono redujo su contenido molar en un 50%. Adicionalmente, un balance de masa y energía estableció una conversión de 0.295 en base al vapor de agua, y un coeficiente global de transferencia de calor de 4.13 W/m2 K. Los resultados de este estudio muestran la buena selectividad del catalizador usado hacia la formación de hidrogeno y reducción de dióxido de carbonoHydrogen and its production are currently an important research topic, since it is considered a clean energy vector that can be used in thermal machines or as a fuel without greenhouse gas emissions, which would contribute to the protection of the environment. There are several methods that are currently being investigated for the hydrogen production, among these the biomass gasification stands out. In general, this latter is carried out in two stages: hydrolysis of the biomass to produce water-soluble compounds and the reaction stage of gasification of these compounds. The use of catalysts in the gasification of biomass favors the formation of hydrogen, as well as reduces the formation of tar, which translates into a higher conversion of the biomass. One of the most abundant biomass in our country is the residue from banana plantations, whose energy potential to produce hydrogen has not yet been evaluated. Due to the aforementioned, the objective of this work was to design a bed catalytic reactor to carry out the banana gasification. For the design of the reactor, the length and diameter were estimated considering fluidization conditions and a ratio height/diameter of 3/1. After the design and construction of the reactor, the catalyzed and uncatalyzed gasification reaction was carried out at conditions of temperature of 640 °C, atmospheric pressure, mass of banana residue of 11.75 g, particle diameter of 1.84 mm biomass, and superheated water vapor as a gasifying agent. The catalyst used in the fixed bed was Ni/Al2O3, which was synthesized by coprecipitation of Ni(NO3)2.6H2O and Al(NO3)3.9H2O. The banana biomass was loaded into the reactor between two # 80 Tyler grids, in order to support and prevent carryover. Similarly, in the catalyzed reaction, the catalyst was placed between 2 grids of #200 Tyler, on the biomass bed. The gaseous mixture resulting from the reaction (superheated steam and synthesis gas) was condensed with excess water, and the synthesis gas was separated by a two-phase separator. Finally, the synthesis gas passed through a silica gel filter and was collected in a 1L Tedlar sleeve for analysis by gas chromatography. The design results established a reactor length of 9 cm and 3 cm in diameter. In the uncatalyzed reaction, the components obtained in the highest percentage were carbon dioxide> hydrogen> ethylene. On the contrary, in the catalyzed reaction, it was obtained: hydrogen> ethylene> carbon dioxide. The hydrogen content went from 25.8 %mol to 51.8 %mol when using a catalyst; while carbon dioxide reduced its molar content by 50%. Additionally, a mass and energy balance established a conversion of 0.295 based on water vapor, and a global heat transfer coefficient of 4.13 W/m2K. The results of this study show the good selectivity of the used catalyst towards the formation of hydrogen and reduction of carbon dioxideIngeniero QuímicoCuenc