Producción de gas de síntesis a partir de biogás

Abstract

La presente Tesis Doctoral aborda el diseño, modelado y optimización de procesos para la valorización de biogás mediante su conversión a hidrógeno de alta pureza y a biometanol, con énfasis en la intensificación de procesos, la integración energética y la autosuficiencia térmica en pequeña escala. En una primera etapa, se realiza un análisis termodinámico de equilibrio del reformado con vapor de biogás/biometano, identificando la influencia de la temperatura y presión sobre la producción de gas de síntesis. Se selecciona condiciones de operación como compromiso entre limitaciones termodinámicas y la integración del equipo en el proceso general de producción hidrógeno / gas de síntesis. Sobre esta base, se evaluaron cuatro esquemas de proceso que integran etapas de purificación de biogás, reformado y separación de gas de síntesis para la obtención de hidrógeno puro. Se plantea el diseño de una etapa de separación del dióxido de carbono del biogás (upgrading) utilizando módulos de membranas poliméricas en multietapas, con el fin de obtener una corriente altamente enriquecida en metano, apta para alimentar el reformador. El estudio contempla diferentes estrategias de recirculación para maximizar simultáneamente pureza y recuperación, integrando esta etapa dentro del esquema global de producción. A partir de conceptos de la intensificación de procesos, se plantean distintos diseños para el reactor convectivo de reformado. En particular, se propone una configuración con tubos tipo bayoneta, que permite una recuperación mayor de calor de la corriente de salida del lecho catalítico. Además, se profundiza el análisis mediante dos configuraciones intensificadas de reformadores convectivos con tubos tipo bayoneta divididos en zonas de alta y baja temperatura, con el objetivo de reducir costos de los materiales del equipo e incorporar membranas selectivas a hidrógeno. Adicionalmente, se incorpora el diseño de un reactor de membrana para integrar reacción y separación en una misma unidad, particularmente en la etapa de water gas shift (desplazamiento de gas de agua), con el objetivo de favorecer la producción y separación de hidrógeno puro, y superar las limitaciones de equilibrio. En una extensión del enfoque inicial, la Tesis Doctoral explora la producción de biometanol como alternativa de valorización del biogás. Se diseña un proceso integrado que incluye un reformador intensificado, un reactor de síntesis de metanol y una sección de purificación del mismo, manteniendo la autosuficiencia térmica propuesta en el diseño original. Además, se realiza un análisis técnico-económico del lazo de síntesis para la elección de la presión óptima de operación del mismo. El trabajo se enmarca en el contexto de la transición hacia sistemas energéticos de menor huella de carbono y en la necesidad de desarrollar tecnologías eficientes y viables para aplicaciones descentralizadas y de pequeña escala.

This Doctoral Thesis addresses the design, modeling and optimization of processes for the valorization of biogas through its conversion to high purity hydrogen and biomethanol, with focus on process intensification, energy integration and small-scale operation with thermal self-sufficiency. Through a thermodynamic equilibrium analysis of biogas/biomethane steam reforming, the influence of temperature and pressure on synthesis gas production was studied. Operating conditions were selected as a compromise between thermodynamic limitations and the integration of the equipment into the overall process of hydrogen/synthesis gas production. Four different process schemes were evaluated, integrating biogas purification, reforming, and synthesis gas separation stages aiming pure hydrogen production. The design of a biogas upgrading stage (carbon dioxide separation) using multi-stage polymer membrane modules is proposed, with the aim of obtaining a stream highly enriched in methane (called biomethane), suitable for feeding the reformer. The study considers different recirculation strategies to simultaneously maximize methane purity and recovery, integrating this stage within the overall production scheme. Based on process intensification concepts, different designs for the convective reforming reactor are studied. In particular, a bayonet-tube configuration is introduced, which allows for energy recovery from the hot stream leaving the catalytic bed. Furthermore, the analysis is expanded to the study of two intensified configurations of convective reformers equipped with bayonet-tubes, which are divided into high- and low-temperature zones with the aim of reducing manufacture costs and allowing the implementation of hydrogen-selective membranes. Additionally, the design of a membrane reactor is addressed towards the integration of reaction and separation in the same process unit, particularly, in the water gas shift stage, to overcome equilibrium limitations via the separation of the produced hydrogen from the reaction medium as well as the overall hydrogen production is enhanced. This Thesis investigation also explores biomethanol production as an alternative for biogas valorization. An integrated process is designed, including an intensified reformer, a methanol synthesis reactor, and a methanol purification section, while maintaining the thermal self-sufficiency proposed in the original design. Furthermore, a techno-economic analysis of the synthesis loop is performed to determine the optimal operating pressure. The research work is framed within the context of the transition towards energy systems with a lower carbon footprint and the need to develop efficient and viable technologies for decentralized / small-scale applications.