Modelado, síntesis y optimización del proceso de reformado de bioetanol para la producción de hidrógeno grado PEM

Abstract

Esta Tesis presenta resultados vinculados al análisis y diseño de un procesador de etanol para la producción de hidrógeno grado PEM. El procesador considerado consiste de un reactor de reformado de etanol con vapor de agua, seguido de un tren de reactores catalíticos para la purificación de los gases; reactores water-gas-shift (WGS) y reactor de oxidación preferencial de monóxido de carbono (CO-PrOx). A partir de la implementación del proceso en el entorno de simulación HYSYS, mediante la incorporación de un modelo de celda PEMFC, se analizó la integración energética del sistema evaluando la performance del procesador. Se analizó principalmente el efecto de la relación molar Agua/Etanol (R) y de la temperatura de reformado (TRef). La máxima eficiencia determinada es del orden del 38% y se obtiene a TRef=709 ºC y R=4. Posteriormente con el objeto de obtener el diseño de los reactores catalíticos se determinaron, mediante optimización basada en modelos, las variables operativas y geométricas que minimizan el volumen de las unidades. La metodología fue desarrollada en el entorno de modelado gPROMS. El reactor de reformado se modeló en forma conjunta con la cámara de gases permitiendo evaluar los tamaños relativos de las secciones presentes (lecho reactivo, refractarios y aislantes). El modelo heterogéneo 1D permitió determinar el diámetro de catalizador, longitud y diámetro del reactor, así como también los espesores de materiales aislantes. La metodología mostró ser robusta permitiendo evaluar los diferentes reactores con distintos grados de complejidad a diversas escalas de producción.

This Thesis presents results connected to the analysis and design of an ethanol processor for the production of PEM degree hydrogen. The processor considered consists of an ethanol steam reforming reactor, followed by a train of catalytic reactors for the hydrogen purification; water-gas-shift (WGS) and carbon monoxide preferential oxidation (CO-PrOx) reactors. By means of the process implementation in the HYSYS process flowsheet environment, building a PEM fuel cell model, it was analyzed the energy integration of the system evaluating the performance of the whole fuel cell system. It was mainly analyzed the effect of the molar Water/Ethanol ratio (R) and the reforming temperature (TRef) variables. The maximum efficiency attainable is about a 38% and obtained at TRef= 709 º C and R = 4. Subsequently, in order to obtain the design of the catalytic reactors were determined, through model-based optimization, the operating and geometrical variables that minimize the volume of the units. The methodology was developed in the modeling gPROMS software. By modeling the combustion chamber coupled to the reformer allowed to compute the relative sizes of the reactor components (bed reactive, refractory and insulation). The 1D heterogeneous model have allowed determining the catalyst diameter, length and diameter of the reactor, as well as the thickness of insulating materials. The methodology proved to be robust and allowed analyzing the different reactors with different degrees of complexity at several production scales.