Unidad 1 Evidencia de Aprendizaje. Estudio técnico de la viabilidad de un sistema de producción de hidrógeno

UNIVERSIDAD ABIERTA Y A DISTANCIA DE MÉXICO

Seminario de hidrogeno y bioenergía

Unidad 1

Evidencia de Aprendizaje. Estudio técnico de la viabilidad de un sistema de producción de hidrógeno.

Profesor: Uriel Cid Reyes

Alumno:

José Guillermo Machuca Espíritu

ES162008562

Ing. Energías Renovables.

Producción de hidrogeno a partir del gas natural

Introducción

El hidrógeno se considera como la fuente de energía más eficiente, no contaminante, abundante y de coste aceptable en el futuro inmediato. El hidrógeno gaseoso es un combustible extraordinariamente limpio debido a que la energía química almacenada en el enlace H-H se libera cuando se combina con el oxígeno del aire produciendo solo agua como producto de la reacción. Aunque el hidrógeno puede producirse por reformado de metano, nafta, residuos de petróleo y carbón, la mayor relación atómica H/C en el metano con respecto a otros combustibles, hacen del gas natural la materia prima por excelencia para fabricar hidrógeno.

La importancia del gas hidrógeno en la industria química desde hace tiempo es conocida. Actualmente, el hidrógeno se obtiene como subproducto en determinados procesos: reformado catalítico en refinerías de petróleo o electrólisis de cloruro sódico fundido o en disolución acuosa. Las refinerías consumen completamente el hidrógeno que producen sus sistemas de reformado para mejorar el número de octano de la gasolina, precisando enormes cantidades de H2 adicionales para sus procesos que eliminan contenidos de átomos precursores de contaminantes (S principalmente) en gases, gasolinas y gasóleos, lo que les exige disponer de grandes plantas de fabricación de hidrógeno específicas. Consumos que además se van disparando, según la legislación medioambiental va exigiendo contenidos de azufre menores en los derivados del petróleo.

Sin embargo, junto a mercados tradicionales para el hidrógeno: industrias siderúrgicas y metalúrgicas, fabricación de vidrio, etc., aparecen mercados emergentes, entre los que destaca el relacionado con el sector del transporte, bien sea en vehículos con motores de combustión interna, que queman hidrógeno como combustible, o en vehículos que lo utilicen en pilas de combustible que alimenten motores eléctricos. Una característica fundamental de estos nuevos mercados lo constituye el hecho de que generan numerosos puntos de consumo totalmente dispersos por la geografía de cualquier país desarrollado. La alternativa de distribuir el hidrógeno siguiendo el método tradicional con el que se vienen distribuyendo la gasolina y el gasóleo (camiones con remolques) plantea serios inconvenientes asociados a problemas de seguridad y de coste. Una alternativa de enorme interés sería el desarrollo de las tecnologías que permitieran la fabricación del hidrógeno in situ, siempre que el consumo lo justifique.

La materia prima más interesante para fabricar hidrógeno a estos efectos la constituye el gas natural y su componente mayoritario, el metano (CH4) (aproximadamente el 90% en volumen del gas natural), dada la amplia red de distribución existente para este combustible y la existencia de tecnologías para su conversión en hidrógeno.

Actualmente, los procesos más importantes empleados para la producción de hidrógeno a partir de metano son cuatro: reformado con vapor, oxidación parcial, combinación de oxidación y reformado (sistema denominado de reformado autotérmico) y descomposición catalítica.

Antecedentes

El reformado con vapor es el proceso más utilizado a escala industrial y el más estudiado y conocido. Es el proceso con el que se obtiene una mayor producción de hidrógeno. En este caso la transmisión de calor es crítica ya que la reacción es fuertemente endotérmica. De ahí la necesidad de hornos de reformado enormes y de gran complejidad. Esta complejidad, y los costes asociados, provocan que este proceso sólo resulte económicamente viable para grandes producciones. Aunque debe hacerse notar que desarrollos en curso tratan de generar tecnologías de reformado más compactas y cuya viabilidad económica pueda alcanzarse para producciones menores en un futuro a mediano plazo.

Justificación

• Máxima conversión de metano.
• Alto rendimiento en Ia producción de hidrógeno.
• Mínimo consumo energético.
• Mínima generación de contaminantes secundarios (NOχ)
• Tamaño compacto.
• Bajos costes fijos y variables
• Rápido arranque y respuesta ante variaciones en Ia carga.
• Fácil operación y mantenimiento.

Desarrollo

En el reformado con vapor la reacción general es la siguiente:

CH4 + H2O → CO + 3H2 (∆Ho = 206 kJ/mol)        

Esta reacción es fuertemente endotérmica y favorecida a baja presión. El gas natural reacciona con vapor de agua en catalizadores de Ni en un reformador primario a temperaturas próximas a 1200 K y presión total de 20-30 bar. Aunque la estequiometría de la reacción solamente requiere 1 mol de H2O por mol de CH4, se incorpora un exceso de H2O (usualmente 2.5-5.0) para reducir la formación de carbón. La conversión de CH4 a la salida del reformador está en el orden 90-92% y la composición de la mezcla se acerca a la que predice el equilibrio termodinámico. A la salida del reformador primario se coloca un segundo reformador auto térmico en el que 8-10% del CH4 no convertido reacciona con oxígeno en la parte superior del tubo.

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