Efecto de la calidad del LPG utilizado en los reactores de reformación catalítica para producir hidrógeno

ARTÍCULO ORIGINAL Efecto de la calidad del LPG utilizado en los reactores de reformación catalítica para producir hidrógeno Effect of LPG quality used in catalytic reforming reactor for producing hydrogen Dra. Margarita Rivera-Soto, Dr. René Viera-Bertrán, Dr. Carlos HernándezPedrera, Dr. Rafael Matos-Durán Facultad de Ingeniería Química, Universidad de Oriente, Santiago de Cuba. RESUMEN Sobre la base de un modelo matemático bidimensional y un software basado en él, concebidos para simular el comportamiento de los reactores utilizados en la producción de Hidrógeno mediante la reformación catalítica de LPG con vapor de agua, se han desarrollado varios estudios de simulación, teniendo como fuente de información datos de la operación industrial. En este trabajo se presentan los resultados de uno de los estudios de simulación, realizado con el propósito de valorar el efecto que los cambios en la calidad del LPG utilizado como materia prima, pudieran ocasionar en la calidad del hidrógeno producido. Palabras claves: LPG, hidrógeno, reformación catalítica. ABSTRACT On the base of a two-dimensional mathematical model and software based on him, conceived to simulate the operation of the reactors used in the production of Hydrogen, by the catalytic steam reforming of LPG, several simulation studies they have been developed, using as source of information the data of the industrial operation. In this work the results are presented of one of the simulation studies, carried out with the purpose of valuing the effect that the changes in the quality of 53 the LPG utilized as raw material, they could cause in the quality of the produced hydrogen. Keywords: hydrogen, catalytic reforming, LPG. INTRODUCCIÓN La creciente demanda de los productos de níquel y cobalto en el mercado mundial, justifica la motivación hacia el desarrollo y ampliación de las tecnologías existentes en Cuba, incluyendo la industria minera, que ocupa un renglón económico priorizado en el país. La reformación de hidrocarburos con vapor de agua contribuye aproximadamente al 50 % de la producción mundial de hidrógeno [3]. Numerosos autores consideran que la vía más utilizada para producir hidrógeno es la reformación con vapor de agua a partir de hidrocarburos y alcoholes; centrándose este estudio, en particular, en la reformación catalítica del LPG con vapor de agua. El LPG es un combustible comúnmente usado como portador energético y también constituye una materia prima fundamental para obtener hidrógeno por la vía de la reformación catalítica con vapor de agua. La composición de este producto varía de un país a otro; oscilando de 20 a 100 por ciento de propano (% en volumen), con contenido más altos en los países del norte de Europa; por ejemplo, el contenido de propano en diferentes países es aproximadamente: 90 % en Alemania, 50 % en Países Bajos y Bélgica, 35 % en Francia, 30 % en España, 25 % en Italia y, 20 % en Grecia [1]. En el estudio realizado durante un período correspondiente a dos años se pudo comprobar que, en Cuba la composición del LPG utilizado en la reformación catalítica con vapor de agua para producir hidrógeno, puede cambiar en los diferentes períodos por variaciones del contenido de propano, desde el 30 al 65 por ciento (% molar), según las diferentes fuentes proveedoras [3]. En la reformación catalítica del LPG, la calidad del Hidrógeno producto puede ser afectada por la presencia de impurezas como: Metano (CH4), Monóxido de Carbono (CO) y Dióxido de Carbono (CO2) en el mismo, lo que conjuntamente con la necesidad actual del incremento de la capacidad de producción de la planta industrial, explica la importancia del estudio de la operación de los reactores de reformación catalítica utilizados, con la finalidad de garantizar su buen funcionamiento y la calidad del producto principal. OBJETIVO Analizar el efecto que los cambios en la composición del LPG utilizado como materia prima, pudieran tener sobre la calidad del hidrógeno obtenido como producto principal, en la reformación catalítica de LPG con vapor de agua. 54 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El presente estudio tiene como bases los aspectos teóricos relacionados con el desarrollo de un modelo matemático, de naturaleza fenomenológica y estructura bidimensional, un algoritmo y un programa de computación, desarrollados con la finalidad de describir la operación de los reactores utilizados en el proceso de producción de hidrógeno, a partir de la reformación catalítica de LPG con vapor de agua. Identificación de un modelo físico adecuado En la reformación con vapor en reactores tubulares se combinan los procesos de Transferencia de Calor y Transferencia de Masa. El calor es transferido desde los quemadores de los hornos por convección y radiación a los tubos del reformador y de estos, por idénticos mecanismos al lecho de catalizadores. Al mismo tiempo se producen un conjunto de reacciones químicas, existiendo gradientes de concentración y de temperatura en la dirección radial alrededor de las partículas del catalizador y a todo lo largo del tubo, cuya determinación cuantitativa debe efectuarse bidimensionalmente. Considerando la estructura generalizada para el desarrollo de los modelos fenomenológicos, mostrada en la figura 1, seguidamente se presenta el análisis de diferentes aspectos teóricos que sirvieron de base para desarrollar el modelo matemático conveniente. Desarrollo de un modelo matemático conveniente Considerando que el LPG alimentado al reactor sólo contiene Propano y n-Butano, las especies involucradas en el sistema seguirán las relaciones estequiométricas, derivadas de las ecuaciones 1 a 4, que representan las reacciones que se verifican en el reactor objeto de estudio, de las cuales la 1 y 2 son irreversibles, la 3 es reversible en las condiciones de operación y la 4 es tan rápida que puede considerarse en estado de equilibrio químico. 55 Según esta notación el sistema de reacciones, para el desarrollo del modelo de las relaciones estequiométricas, puede representarse como: Las reacciones de reformación, de manera general, pueden ser representadas como reacciones de primer orden con respecto a cada reactante [2]. La determinación cuantitativa de gradientes radiales y axiales, como se ha planteado, requiere de un modelo bidimensional, porque predice detalladamente el comportamiento de la temperatura y la composición, en ambas direcciones, dentro del reactor [2,3]. Los modelos pseudohomogéneos bidimensionales han sido utilizados para simular la operación de reformación en estado estacionario y/o no estacionario [2,3], así como para establecer perfiles de concentración y temperatura en un catalizador poroso [2], empleado en la reformación de CH4. En cuanto a los modelos matemáticos utilizados para el diseño y/o simulación de reactores de cama fija, puede considerarse un hecho comprobado que en sistemas como el que se estudia, en los que se producen pronunciados gradientes de temperatura y composición de las especies quími (...truncated)