Diseño conceptual e integración energética en el proceso de producción y purificación de hidrógeno

Abstract

En el presente Capítulo se analiza el proceso de producción conjunta de energía eléctrica y calor por medio de un sistema de reformado de combustibles líquidos. Particularmente se presenta un proceso de reformado de etanol o glicerina para la producción de hidrógeno acoplado a una pila de combustible de tipo polimérica. Se proponen distintas variantes en el sistema que permiten lograr valores aceptables de eficiencias. La generación de estas variantes se logra mediante herramientas de síntesis óptima e integración de procesos. La síntesis y optimización del proceso global permite encontrar las principales variables que afectan al proceso y los compromisos que se producen entre dichas variables. El sistema en estudio debe mostrar una alta integración energética para lograr eficiencias competitivas e incluye un reformador de combustible, dos reactores para la reacción water-gas-shift WGS, un reactor de oxidación preferencial de CO COPROX; una celda de combustible de tipo membrana de intercambio protónico, una unidad de post-combustión que aprovecha la energía contenida en las corrientes de salida del ánodo y el cátodo de la celda de combustible, una turbina de expansión que acciona uno o varios compresores de aire, el conjunto de intercambiadores de calor que permite recuperar la energía térmica del proceso y un sistema de enfriamiento que extrae la energía térmica remanente del sistema [1- 3]. En trabajos previos, herramientas de simulación de procesos han sido utilizadas extensivamente para evaluar el desempeño de sistemas de celdas de combustible ([4], [5] y [6]). En el presente trabajo se utiliza un simulador comercial para resolver los balances de masa y energía, y para calcular las condiciones operativas de las unidades de proceso, pero a diferencia de los trabajos previos, aquí se analiza el sistema en su conjunto, incluyendo todos los componentes necesarios para su operación. El proceso bajo estudio fue implementado dentro de HYSYS® (2001). El reactor de reformado lleva a cabo las reacciones más importantes para obtener hidrógeno, mientras que los reactores de WGS y COPROx deben reducir el nivel de CO a menos de 10ppm que es el límite aceptado por la celda de combustible. En este esquema de simulación, la red de intercambiadores de calor se modela utilizando la operación LNG provista dentro del entorno de simulación de procesos HYSYS®. Esta operación se ha usado para identificar las oportunidades de intercambio de calor más eficientes y definir las condiciones operativas óptimas del sistema de reformado con el objetivo de optimizar la eficiencia global del proceso. En la Figura 13.1 se presenta un diagrama de flujo del proceso empleado. Debe notarse las siguientes consideraciones: El combustible líquido se utiliza mayoritariamente en el reactor de reformado, sin embargo existe la opción de utilizar parte del mismo en el reactor de combustión para cerrar el balance total de energía. El agua que condensa antes y en la pila de combustible se recircula pudiendo incluso obtenerse un exceso neto de agua en todo el sistema. El aire que se comprime e ingresa al sistema tiene tres usos, el más importante es en el cátodo de la pila de combustible y el segundo es en el reactor de oxidación preferencial de CO y el tercer uso es en el reactor de combustión. Los gases que salen del ánodo de la pila de combustible se utilizan también en el reactor de combustión. Los gases de salida del reactor de combustión se expanden en una turbina antes de ser descargados a la atmósfera. Un conjunto de posibles intercambiadores de calor son incluidos en todo el proceso para ajustar las temperaturas de operación a los valores deseados.