Desarrollo de reactores para valorización de glicerol mediante reacciones de reformado
- Autores: Mirian Yus Montanel
- Directores de la Tesis: Jaime Soler Herrero (dir. tes.), Miguel Alejandro Menéndez Sastre (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Zaragoza ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Felipe Izquierdo Torres (presid.), Javier Herguido Huerta (secret.), Francisco Javier Gutiérrez Ortiz (voc.)
- Materias:
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- Resumen
Introducción: Esta investigación sobre desarrollo de reactores para valorización de glicerol mediante reacciones de reformado se ha llevado a cabo dentro del Grupo de Catálisis, Separaciones Moleculares e Ingeniería de Reactores (CREG) de la Universidad de Zaragoza, en el laboratorio de Ingeniería de Reactores Químicos del Instituto Universitario de Investigación en Ingeniería de Aragón (I3A).
El grupo CREG posee una trayectoria de más de 20 años de investigación en la optimización de procesos catalíticos, así como en el desarrollo de nuevos reactores químicos. Trabaja para ofrecer alternativas novedosas a los reactores convencionales de lecho fijo que trabajan en ciclos de reacción-regeneración, cuyo mayor inconveniente es la desactivación del catalizador por deposición de coque. Con objeto de solventar las paradas técnicas que ello acarrea, el grupo de investigación CREG propone un sistema de reacción basado en la integración de etapas de proceso mediante la regeneración del catalizador in situ, denominado reactor de lecho fluidizado de dos zonas (RLFDZ).
Esta investigación surge ante la necesidad de valorizar los subproductos generados en la transesterificación de ácidos grasos para la obtención de biodiésel. La actual crisis energética, generada por el agotamiento de los combustibles fósiles y una mayor preocupación por la huella ecológica sobre el planeta, obliga a fomentar la aplicación de fuentes de energía alternativas y renovables, como biomasa, hidrógeno o biodiésel.
La producción de biodiésel genera un 10 % de glicerol como subproducto. A pesar de las numerosas aplicaciones que tiene el glicerol, se está generando tal excedente del mismo que el mercado no está siendo capaz de asumirlo, por lo que su precio está decayendo. Así que es preciso encontrar una utilidad adicional que permita valorizarlo. Se plantea obtener un producto de alto valor añadido, hidrógeno, a partir de glicerol mediante el proceso de reformado con vapor de agua.
Desarrollo teórico: El objetivo principal de esta tesis es encontrar un sistema de reacción que permita alcanzar una conversión total de glicerol así como maximizar la selectividad de productos en fase gas, minimizando los productos en fase líquida. Además, se pretende combatir el proceso de desactivación del catalizador por deposición de coque, especialmente operando con baja relación molar agua/glicerol. El uso de una baja relación molar agua/glicerol reduce el consumo energético asociado a la vaporización y calentamiento del agua. Es decir, se desea obtener las mejores condiciones de operación y así contribuir al desarrollo de un proceso más eficiente para la producción de hidrógeno a partir de glicerol.
Se han diseñado, montado y optimizado las instalaciones necesarias para estudiar la reacción. Se han realizado ensayos en ausencia de catalizador, para conocer la distribución de productos provenientes de la descomposición térmica de glicerol en las tres fases: gaseosa, líquida y sólida.
Se ha procedido a un análisis bibliográfico para determinar el catalizador más apropiado para llevar a cabo el reformado de glicerol con vapor de agua, optándose por un catalizador de níquel sobre alúmina, por su demostrada actividad en este tipo de procesos y por su asequible precio frente a catalizadores basados en metales nobles, aunque posee el inconveniente de la desactivación por deposición de coque. Se han sintetizado catalizadores de Ni/Al2O3 y caracterizado mediante diferentes técnicas: difracción de rayos X, fluorescencia de rayos X, análisis termogravimétrico, adsorción y desorción de nitrógeno, distribución granulométrica y estudios fluidodinámicos. Con estos catalizadores se han realizado estudios en distintos tipos de reactores: lecho fijo, lecho fluidizado convencional y lecho fluidizado de dos zonas.
En los diferentes tipos de reactor, se han llevado a cabo estudios paramétricos de la influencia de las condiciones de operación, tales como temperatura, relación molar entre reactivos, caudal, cantidad de catalizador, carga de metal activo en el catalizador o tipo y concentración de agente regenerante.
Se ha simulado el equilibrio termodinámico de cada una de las condiciones de reacción aplicadas mediante el programa HYSYS, para establecer los valores de conversión y la distribución de productos. Además, se ha recurrido a otras herramientas para cotejar los datos teóricos obtenidos y determinar los depósitos carbonosos.
Se ha analizado y minimizado la desactivación del catalizador por deposición de coque. Para ello, se ha empleado el reactor de lecho fluidizado de dos zonas. En dicho reactor, se crean dos atmósferas reactivas simultáneas, sin barrera física entre ellas, pero independientes, delimitadas por una alimentación inferior y una alimentación a determinada altura del lecho catalítico, con un intercambio continuo de sólido entre ambas zonas, por efecto de la fluidización. En la zona superior, se lleva a cabo la reacción de reformado del glicerol y, en la zona inferior, transcurre la regeneración del catalizador coquizado. Se ha estudiado el uso de H2O, O2 y CO2 como agentes regenerantes. Se ha determinado la distribución de productos a lo largo del tiempo y la formación de coque en los distintos sistemas empleados. Se han analizado los perfiles de temperatura en el reactor de lecho fluidizado de dos zonas. También se ha estudiado la cinética del proceso de combustión del coque.
Finalmente, se han comparado los resultados más favorables alcanzados en el reactor de lecho fluidizado de dos zonas con los recogidos en bibliografía en estudios similares de reformado de glicerol con vapor de agua.
Conclusión: Todo lo analizado y estudiado ha permitido dirigir la descomposición del glicerol hacia los compuestos en fase gas y, más concretamente, favorecer la producción de hidrógeno minimizando, incluso eliminando, la generación de coque. Esto se logra mediante el uso de un RLFDZ, que permite obtener un sistema eficiente y estable con el tiempo, incluso con baja relación molar agua/glicerol.
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