Plantas de gasificación
Descripción del reactor en lecho fluido de cuarzo
El reactor está diseñado para el estudio de procesos discontinuos, a una escala más pequeña permitiendo un mayor control de las variables del proceso, así como la recogida completa del material sólido tras el proceso para su análisis. Dicho reactor está fabricado con cuarzo, un material químicamente inerte a altas temperaturas y mide 740 mm de longitud y 32 mm de diámetro interno. Cuenta con un plato poroso en la zona intermedia, que permite soportar sólidos en el reactor, que podrán formar un lecho fijo o un lecho fluido. Permite alimentar una mezcla de diferentes gases, disponiendo además de una entrada auxiliar para poder alimentar caudales controlados de líquidos (como vapor de agua o hidrocarburos) facilitando la vaporización de los mismos antes de llegar a la zona de reacción. Como equipos auxiliares cuenta con un horno eléctrico, una unidad de condensación y un sistema de alimentación de líquidos. Al final de la línea de salida se sitúan los analizadores que permiten medir de forma continua los gases (CO, CO2, CH4, e H2). Cuenta también con un sistema de recogida y adquisición de datos.
Planta de lecho fluidizado de laboratorio 3 kWth
El reactor es un lecho fluidizado burbujeante de 51 mm de diámetro y una capacidad nominal de 0.7-1.0 kg/h. La planta está diseñada para pruebas con alimentación de combustibles sólidos en continuo y en discontinuo. Permite alimentar mezclas de diferentes gases (vapor, aire, oxígeno, nitrógeno, CO2, H2, etc). Permite la extracción de material del lecho a dos alturas, de forma discontinua a través de dos rebosaderos. En el “freeboard” existen tres entradas secundarias de gas.
El reactor dispone de un horno, que permite fijar independientemente las temperaturas de las zonas de lecho fluidizado y freeboard y de un precalentador para la mezcla gaseosa que se emplea como agente fluidizante. Los caudales de entrada de gases se ajustan mediante controladores de flujo másico, tanto los gases que se alimentan por la parte inferior del reactor como las entradas secundarias de aire. El sistema de alimentación continuo consta de tolva, tornillo dosificador y tornillo de paso rápido. La alimentación superior permite el dosificado discontinuo de combustibles granulados o pellets. Al final de la línea de salida está situado un analizador de gases que mide de forma continua CO, CO2, CH4, e H2. Todas las medidas se recogen en una tarjeta de adquisición de datos a través de un PLC. También se dispone de un micro GC Agilent 3000A con dos canales, que analiza el gas de forma discontinua (una muestra cada 5 minutos) para medida de otras especies gaseosas. La planta está diseñada para poder tomar muestras de gas, de alquitranes, de especies contaminantes inorgánicas y de partículas. Dispone también de un sistema básico de depuración de gases compuesto por un ciclón, borboteadores con agua y biodiesel y filtros.
Planta piloto de lecho fluidizado 20 kWth
El reactor es un lecho fluidizado burbujeante de 190 mm de diámetro y una capacidad de procesado de 2 a 5 kg/h de combustible. La planta está diseñada para realizar pruebas de gasificación en continuo simulando condiciones industriales. Su diseño permite alimentar diferentes corrientes sólidas (combustible, catalizador, sorbente de CO2, etc…) empleando, para ello, diferentes dosificadores. Como agente fluidizante (y gasificante) pueden emplearse mezclas de diferentes gases (vapor de agua, aire, oxígeno, nitrógeno, CO2, etc…). Los caudales de entrada de gases se ajustan mediante controladores de flujo másico, mientras que el caudal de vapor se controla mediante el uso de una bomba peristáltica. Tiene un rebosadero para la extracción de material del lecho de forma continua, así como un loop-seal en la caja de vientos que permite la extracción de sólidos desde la zona inferior del lecho.
La línea de salida del gas de síntesis dispone de un sistema de depuración de gases compuesto por un ciclón, columna de absorción de alquitranes y diferentes filtros para la eliminación de partículas o condensados. Al final de la línea de salida está situado un analizador de gases que mide de forma continua CO, CO2, CH4, e H2. También se dispone de un micro GC Agilent 3000A con dos canales, que analiza el gas de forma discontinua (una muestra cada 5 minutos) para medida de otras especies gaseosas. Todas las medidas se recogen en una tarjeta de adquisición de datos a través de un PLC. La planta está diseñada para poder tomar muestras de gas, de alquitranes, de especies contaminantes inorgánicas y de partículas.
Laboratorio de ensayo de catalizadores
El Laboratorio de ensayo de catalizadores está especialmente capacitado para ensayar reacciones catalíticas heterogéneas a alta presión. La instalación está configurada de manera que es posible usar tanto reactivos gaseosos como líquidos, permitiendo estudiar multitud de reacciones. El laboratorio dispone de cuatro reactores a escala laboratorio en total, siendo tres de ellos reactores tubulares y otro tipo slurry.
Hasta ahora el Laboratorio de ensayo de catalizadores se ha utilizado para estudiar las siguientes reacciones catalíticas: síntesis de etanol con catalizadores de oxosíntesis, hidrodesulfuración, metanol y Fisher Trops modificados, hidrogenación de metilacetato, carbonilación de dimetileter, síntesis de butanol y butadieno a partir de etanol, y reformado de metano con vapor.
Las principales aplicaciones que se le ha dado al laboratorio en el estudio de estas reacciones catalíticas han sido:
- Ensayo de múltiples catalizadores (screening)
- Optimización de las condiciones de operación de catalizadores específicos
- Pruebas de larga duración para determinar la estabilidad de catalizadores
- Determinación de modelos cinéticos
Los equipos principales que conforman el laboratorio son los siguientes:
Reactores de lecho fijo de alta presión
Reactor HP1
Este sistema está constituido por un reactor tubular de lecho fijo de acero inoxidable 310, de 0.9 cm de diámetro exterior y 33 cm de largo, capaz de operar hasta 100 bares. El acero inoxidable 310 soporta temperaturas de hasta 1100 ºC y presenta excelente resistencia en ambientes químicos corrosivos como el debido a los alcoholes y ácidos orgánicos. Para controlar la temperatura de reacción se dispone de un horno capaz de alcanzar los 800 ºC y un sistema de refrigeración por aire.
Reactor HP2
Este sistema está constituido por un reactor tubular de lecho fijo de acero inoxidable 304, 0,9 cm de diámetro exterior y 32,5 cm de largo, capaz de operar hasta 200 bares. Para controlar y medir la temperatura se disponen de dos resistencias que envuelven al reactor y de un termopar que mide la temperatura axial en el reactor en tres puntos.
Reactor HP3
Este sistema está constituido por un reactor tubular de lecho fijo de acero inoxidable 310, de 1.8 cm de diámetro exterior y 33 cm de largo, capaz de operar hasta 200 bares. El acero inoxidable 310 soporta temperaturas de hasta 1100 ºC y presenta excelente resistencia en ambientes químicos corrosivos. Para controlar la temperatura de reacción se dispone de un horno capaz de alcanzar los 1100 ºC.
Reactor trifásico (Slurry) a alta presión
Este reactor está constituido por una vasija proporcionada por Autoclave Engineers, de un litro de capacidad, en acero inoxidable 316, que dispone de un agitador de turbina y es capaz de operar hasta 250 bares. El catalizador se mantiene en suspensión en el seno de un lecho líquido. El líquido es habitualmente un hidrocarburo pesado (lo suficiente para que no se evapore a la temperatura de reacción) y el syngas es borboteado en el seno del líquido. El slurry es enfriado mediante un serpentín por el que circula agua y que se encuentra en el lecho del reactor.
Las principales ventajas de este tipo de reactores son la alta capacidad de transferencia de calor, que conlleva un óptimo control de la temperatura de reacción, y la posibilidad de añadir nuevas cargas del slurry utilizado con catalizador fresco.
Analizadores
Cada reactor tiene asociado un sistema analítico. En total, el Laboratorio de Síntesis Catalítica dispone de varios cromatógrafos de gases Agilent 6890 N y 7890 N Network GC System, un espectrómetro de Masas Hiden Analytical QGA, y un analizador de gases Emerson X-Stream XE.
Cromatógrafo de Gases Agilent
Los GC-6890 están dotados de doble inyector, dos columnas empaquetadas, una columna capilar, un detector de conductividad térmica (TCD) y uno de ionización de llama (FID). En los GC-7890 se dispone también de doble inyector, cinco columnas capilares, un detector de conductividad térmica (TCD) y dos de ionización de llama (FID).
Espectrómetro de Masas Hiden
El espectrómetro de Masas Hiden Analytical QGA permite el análisis en continuo de múltiples componentes gaseosos mediante espectrometría de masas por cuadrupolo. Diseñado para cuantificar gases en tiempo real, el sistema ofrece alta sensibilidad para un amplio rango de especies, incluyendo gases ligeros como el hidrógeno (H₂) y el helio (He), así como compuestos más pesados como dióxido de carbono (CO₂), monóxido de carbono (CO), metano (CH₄), y amoníaco (NH₃), entre otros. El QGA emplea ionización por impacto electrónico y un analizador cuadrupolar que permite la separación de los iones según su relación masa/carga (m/z), lo que facilita el análisis simultáneo y preciso de múltiples gases, incluso en mezclas complejas.
Analizador de Gases Emerson
El analizador de gases Emerson X-Stream XE modelo XEGP-IR IR IR TC permite el análisis de cuatro componentes en continuo, combinando detectores TC e IR y permite el análisis simultáneo de diferentes componentes de gas, incluyendo aquellos que no responden bien a los detectores IR solos, como el hidrógeno. Los detectores IR suelen utilizarse para la determinación de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2) y metano (CH4), mientras que el TC se utiliza para el análisis de hidrógeno (H2).