Recuperación de hidrógeno de mezclas gaseosas mediante un proceso PSA

Resumen

Esta tesis doctoral consiste en un trabajo de investigación enmarcado en el campo de la purificación de hidrógeno mediante procesos cíclicos de PSA (Pressure Swing Adsorption). El estudio se ha centrado en mezclas en las que el hidrógeno es el compuesto mayoritario y cuyas principales impurezas son metano, monóxido de carbono y dióxido de carbono. La principal fuente de obtención de hidrógeno a día de hoy es a partir del gas natural que se encuentra presente en los yacimientos petrolíferos. El proceso por el cual se obtiene el hidrógeno se denomina SMR por sus siglas en inglés (Steam Methane Reforming). Este proceso consiste en la oxidación de metano empleando vapor de agua. Esto da lugar a una mezcla gaseosa que contiene principalmente hidrógeno y dióxido de carbono. La corriente suele contener metano que ha quedado sin reaccionar y monóxido de carbono. El proceso de purificación que más se utiliza para la recuperación del hidrógeno de la mezcla que se obtiene tras el SMR es el proceso PSA. Dicho proceso es una operación unitaria de separación basada en la adsorción. Durante el proceso PSA se logra la purificación del hidrógeno reteniendo las impurezas que lo acompañan en un lecho de partículas adsorbentes. La clave del proceso reside en la influencia que la presión tiene sobre el proceso de adsorción. La optimización de los procesos PSA mediante el diseño se ha potenciado enormemente gracias a las herramientas de modelización matemática, con las que se consigue simular el rendimiento del ciclo y estimar las variables de operación. Esta información es muy valiosa a la hora de construir las unidades de PSA con el menor coste posible. El objetivo de esta tesis doctoral ha sido la validación de una herramienta de simulación desarrollada en el grupo CyPS (Grupo de Catálisis y Procesos de Separación) perteneciente al Departamento de Ingeniería Química situado en la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Complutense de Madrid. El programa resuelve un modelo matemático que alberga los fenómenos que se dan durante el proceso de PSA: balance de materia, de calor y de cantidad de movimiento. También incluye los fenómenos de equilibrio y cinética de adsorción. Para ello se ha realizado un trabajo de experimentación con el que se ha obtenido la información necesaria para diseñar un ciclo de PSA. Los sólidos adsorbentes estudiados en este trabajo han sido: Carbón activado BPL ya que su uso está muy extendido en el campo de la adsorción, y se emplea como sólido adsorbente en los procesos PSA de purificación de hidrógeno. Zeolita X intercambiada con Ca y Mg en donde se ha estudiado la adsorción de los distintos compuestos de una mezcla gaseosa típica de un proceso SMR. El adsorbente UTSA 16, un adsorbente tipo MOF (Metal Organic Framwork) el cual no ha sido previamente estudiado en procesos de PSA y el cual se ha probado como un adsorbente capaz de retener las impurezas típicas de un gas tipo SMR. Se han llevado a cabo diferente tipo de experimentos: Experimentos de pulsos de adsorción en lecho fijo con lo que se ha estudiado la cinética de adsorción. Experimentos de curvas de rotura en lecho fijo con lo que se han obtenido las isotermas de adsorción de los diferentes compuestos de las mezclas en los adsorbentes. Experimentos de ciclos PSA con los adsorbentes en una instalación de un solo lecho. Se ha evaluado el rendimiento del ciclo y la composición de las corrientes. Se ha utilizado la herramienta de simulación para reproducir resultados de ciclos PSA a las mismas condiciones presentes durante los experimentos. Se han comparado los resultados simulados y experimentales con el objetivo de validar el modelo matemático propuesto en la herramienta de simulación desarrollada en el grupo CyPS.