Análisis de alternativas tecnológicas para la separación de hidrógeno en procesos de decarbonización de metano

Bellera Fernández de la Cruz, Rafael (2017). Análisis de alternativas tecnológicas para la separación de hidrógeno en procesos de decarbonización de metano. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM), Madrid.

Descripción

Título: Análisis de alternativas tecnológicas para la separación de hidrógeno en procesos de decarbonización de metano
Autor/es:
  • Bellera Fernández de la Cruz, Rafael
Director/es:
  • Abánades Velasco, Alberto
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Febrero 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Energética
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

Las emisiones de gases de efecto invernadero debidas al uso de combustibles fósiles deben reducirse drásticamente para mitigar el calentamiento global. Actualmente el gas natural está llamado a desempeñar un papel crucial a corto plazo, cubriendo una porción significativa de la demanda mundial de energía y como un importante medio de almacenamiento para la industria química. La captura y almacenamiento de carbono es la principal tecnología para evitar las emisiones de dióxido de carbono asociadas al uso de hidrocarburos, pero otras alternativas como la decarbonización pueden convertirse en una opción viable para minimizar las emisiones antropogénicas. En particular, la descomposición de metano fue propuesta en el pasado como técnica para ser aplicada en economías de bajo carbono, pero su implementación demostró inviabilidad técnica y económica a escala industrial. Un proyecto del Grupo de Investigaciones Termoenergéticas de la ETSII propone un innovador reactor de descomposición de metano basado en la inyección de metano en columnas de metal líquido que podría ser ajustable a escalas industriales y económicamente competitivo, demostrando una alternativa viable de uso del gas natural al mismo tiempo que respetando el medio ambiente y facilitando la integración de una energía limpia como es el hidrógeno en el sector energético. Mediante esta tecnología, el carbono es eliminado del gas natural, presentando potenciales aplicaciones. La viabilidad científica ha sido demostrada a escala de laboratorio, pero impedimentos tecnológicos han frustrado la escalabilidad. Uno de los problemas es conseguir un método que permita separar y purificar el hidrógeno obtenido al menor coste energético posible. Este proyecto trata de analizar cuatro alternativas tecnológicas viables para procesos de separación de hidrógeno a raíz de la decarbonización del metano. En él se explican cuatro procesos distintos utilizados en la actualidad para la separación de hidrógeno, estos son: •Separación por condensación parcial. Método criogénico. •Separación por absorción en un aceite parafínico. •Separación por difusión en membranas de paladio. •Separación por adsorción mediante oscilación de presión (PSA). En primer lugar, la condensación parcial es un método que consigue separar el hidrógeno del metano llevando la mezcla de estos dos gases a temperaturas próximas a la de condensación del metano, licuando así el metano y obteniendo un producto gaseoso de hidrógeno. Este sistema requiere de alcanzar temperaturas de aproximadamente 160˚C. En segundo lugar, la separación por absorción en un aceite parafínico se basa en el principio de la absorción de un gas en un líquido. En este proceso una corriente de gas que contiene tanto hidrógeno como metano se introduce en absorbedores que contienen éstos aceites. En los aceites se capturan las moléculas de metano, permitiendo purificar la corriente de entrada y obtener hidrógeno de elevada pureza. El tercer proceso estudiado es el de la separación por adsorción mediante oscilación de presión, también conocido como PSA (Pressure Swing Adsorption). Este método se basa en el principio físico de la adsorción de un gas en un sólido. En este caso los sólidos son lechos de materiales como la zeolita, los cuales a elevadas presiones permiten más adsorción. Estos procesos se llevan a cabo en cuatro etapas: presurización, adsorción, despresurización y regeneración. Estas cuatro etapas se realizan de forma cíclica. El último método estudiado es el de la separación mediante difusión en membranas de paladio. El paladio es un elemento que presenta una elevada selectividad al hidrógeno, permitiendo a este pasar a través de membranas formadas por este material y así mientras que permite la difusión del hidrógeno, otras moléculas como el metano no consiguen atravesar la estructura cristalina del paladio. Como se puede ver, cada proceso funciona por un principio físico diferente: la condensación, la absorción, la difusión y la adsorción. Es por ello que urge la necesidad de comparar estos procesos y conseguir establecer cuál es el mejor para separar el hidrógeno del metano. Con este objetivo se plantea la parte práctica de este trabajo. Entre los parámetros más importantes que se pueden estudiar sobre estos procesos están los del coste de inversión y los del consumo energético necesario. Cabe destacar que el coste de inversión, aunque puede dar la impresión de ser un factor de importancia, este pierde frente al consumo energético necesario del proceso, ya que el coste de inversión acaba resultando poco significativo frente al consumo energético, que es el parámetro que requiere más capital a lo largo de toda la vida de la planta. Por ello, en este trabajo se estudia el consumo energético necesario de cada uno de estos cuatro procesos de separación, pudiendo así determinar cuál es el que requiere un menor consumo energético. Para el estudio energético de cada proceso se han planteado problemas de cada uno de ellos, en los cuales intervienen distintas variables propias de cada proceso. Mediante la resolución de dichos problemas se consigue calcular el consumo neto de trabajo requerido por los cuatro procesos. Los cálculos termodinámicos se han realizado con la la herramienta informática EES. Se estudia el consumo energético de estos cuatro procesos de separación para separar el hidrógeno de corrientes procedentes de procesos de decarbonización de metano. En segundo lugar se encuentra la adsorción por oscilación de presión o PSA (PressureSwing Adsorption), que es actualmente el proceso más utilizado en la industria de la purificación de hidrógeno. Este sistema presenta ventajas energéticas frente a las otras dos alternativas, razón por la cual se ha impuesto a éstas en el campo industrial, aunque presenta desventajas frente a la separación por membranas de paladio cuando nos referimos a tratar corrientes de gas obtenidas por procesos de decarbonización de metano. Por otro lado, la tecnología criogénica presenta un elevado consumo energético, del orden del doble que el de la PSA. Se concluye que esta tecnología no será apropiada para la separación de hidrógeno procedente de corrientes de decarbonización de metano. El consumo de trabajo que requiere conseguir temperaturas tan bajas incrementa enormemente el consumo energético de esta tecnología. Finalmente, la separación de hidrógeno por absorción física presenta un consumo energético mucho mayor a las membranas de paladio. Se concluye que este proceso no será apropiado para la separación de hidrógeno en corrientes procedentes de la decarbonización de metano. El consumo también es algo superior al de la PSA, operando en condiciones parecidas de presión y temperatura, por lo que este sistema está en clara desventaja en cuanto a consumo energético respecto a la PSA, aunque si que es apropiado para procesos en los que se prima la recuperación de hidrógeno frente a la pureza, ya que logra porcentajes mayores de recuperación que la PSA. Una vez seleccionada la tecnología de las membranas de paladio como la más apta, el objetivo es profundizar en esta tecnología y conseguir hallar las ecuaciones por las cuales se rige.

Más información

ID de Registro: 46076
Identificador DC: http://oa.upm.es/46076/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:46076
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 26 May 2017 07:24
Ultima Modificación: 26 May 2017 07:24
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