ES2908866T3 - Reactor de lecho fijo catalítico que integra un elemento de calentamiento eléctrico, unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor que comprende un reactor de este tipo y un generador de vapor eléctrico, procedimiento de funcionamiento asociado - Google Patents

Reactor de lecho fijo catalítico que integra un elemento de calentamiento eléctrico, unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor que comprende un reactor de este tipo y un generador de vapor eléctrico, procedimiento de funcionamiento asociado Download PDF

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Abstract

Reactor (2) de lecho fijo catalítico, que comprende: - al menos una cámara de reformado (22), destinada a ser alimentada en la parte superior por una mezcla de gas natural o de biogás y de vapor de agua y en la que está alojado un lecho fijo catalítico (25) de reformado con vapor con vapor de agua, estando delimitada la cámara de reformado por al menos una pared (26); - al menos un elemento calentador eléctrico (27) insertado en el lecho fijo catalítico para calentar este último, - al menos un elemento de aislamiento térmico (28) dispuesto entre el lecho fijo catalítico y la o las paredes (26) de delimitación de la cámara de reformado, - al menos una membrana (29) permselectiva al hidrógeno, dispuesta en la cámara de reformado (22), en la periferia del, y/o insertada en el lecho catalítico, dejando un espacio entre la membrana y la o las paredes de delimitación de la cámara o del elemento de aislamiento térmico, siendo adecuado el espacio para la recuperación del hidrógeno producido por reformado con vapor.

Description

DESCRIPCIÓN
Reactor de lecho fijo catalítico que integra un elemento de calentamiento eléctrico, unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor que comprende un reactor de este tipo y un generador de vapor eléctrico, procedimiento de funcionamiento asociado
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de la producción de hidrógeno descentralizada para el sector del hidrógeno comercial, y el abastecimiento de estaciones de distribución de hidrógeno.
Más precisamente, la invención se refiere, en primer lugar, al reactor de producción de hidrógeno por reformado con vapor, y a la unidad descentralizada de producción de hidrógeno comercial, o para la movilidad que lo implementa. Se recuerda en este documento que se entiende por “hidrógeno comercial” el hidrógeno que se produce, y envasa por un proveedor, en tubos en un remolque de camión o en botellas cilíndricas, y después se transporta durante una distancia significativa y se vende a un consumidor diferente del productor, en general pequeños consumidores.
Técnica anterior
La producción de hidrógeno necesita materia que contenga hidrógeno (agua, metano, etc.) y energía (calor, electricidad) para extraer el hidrógeno de la materia. Para producir hidrógeno localmente se necesita que esta materia y esta energía estén disponibles localmente, bien por medio de una red de distribución que presenta un entramado suficientemente fino, o bien por producciones locales disponibles cerca del lugar de producción, y, por lo tanto, de donde es necesario.
La producción considerada localmente va desde algunos kilogramos hasta algunos cientos de kilogramos por hora, y la unidad de producción debe estar situada cerca del mercado de consumo (pequeños consumidores industriales o de servicios, estaciones de hidrógeno para la movilidad en carretera y fluvial).
La ventaja principal de este mercado, al menos en Europa, además del hecho de que existe actualmente, y representa ya un diez por ciento del mercado del hidrógeno en Francia, es que los gastos de envasado y de transporte del hidrógeno permiten liberar potencialmente un margen para una producción local de baja capacidad con respecto a la producción actual, que es masiva, centralizada en dos o tres sitios en Europa y, por lo tanto, alejada de los consumidores.
El mercado de las estaciones de distribución de hidrógeno para la movilidad está, por su parte, en proceso. Las limitaciones principales para una producción deslocalizada pueden resumirse de la siguiente manera:
- una producción baja, típicamente menor que una cantidad diaria del orden de 500 a 1000 kg;
- una adaptación temporal rápida según la necesidad, es decir, una alta dinámica de producción con un tiempo corto de puesta en producción, para evitar un almacenamiento intermedio de hidrógeno significativo y, por lo tanto, muy costoso,
- una huella en el suelo reducida y una gran compacidad, es decir, que el volumen de la instalación debe ser pequeño,
- un coste de inversión lo más reducido posible, sabiendo que para este tipo de instalaciones, es decir, de baja producción, representa el factor principal del coste de producción, etc.
A estas limitaciones se añaden, en particular para las estaciones de hidrógeno dedicadas a la movilidad, la necesidad de tener una huella de CO2 lo más reducida posible.
Debido a la existencia de redes de transporte y de distribución altamente entamadas de la materia fuente de hidrógeno y de la energía necesaria para la producción de hidrógeno, las dos tecnologías desarrolladas industrialmente hasta la fecha en Francia y en Europa, que son susceptibles de realizar una producción deslocalizada, son la electrolisis del agua y el reformado del gas natural.
En lo que se refiere a la electrolisis del agua, esta tecnología tiene un coste de producción marginal del hidrógeno de tres a cuatro veces superior al del gas (según el país), un capex (acrónimo de “capital expenditure” o gastos de inversión) de instalación más elevado que para una unidad de reformado, normalmente de 2 a 3 veces superior, si es que se pueden comparar, ya que las capacidades de las unidades existentes son muy diferentes de las de reformado actuales, un consumo doble de agua, una eficacia energética menor, normalmente de menos del 5% hasta menos del 20%, incluso a nivel de la unidad, y una emisión de CO2 que depende de la naturaleza del mix eléctrico del país. En este último punto, en el Reino Unido, la emisión es de 400 g de CÜ2/kWh, lo que es muy elevado. Sin embargo, la electrolisis del agua tiene como ventajas principales el adaptarse bien a las pequeñas capacidades de producción, necesitar un espacio ocupado y presentar una dinámica de variación de carga y de puesta en marcha superior a las instalaciones térmicas del tipo unidad de reformado con vapor, como se describirá a continuación. Finalmente, por la naturaleza de la energía empleada, ofrece la oportunidad de ganancias de oportunidad en los servicios a la red eléctrica (vía “power to gas”).
Como ya se ha mencionado, la existencia de una red de gas natural altamente entramada en Francia (entramado menor que 30 km), pero también en Europa, permite considerar la producción deslocalizada de hidrógeno por reformado de gas natural.
La tecnología de reformado del gas natural más adecuada para la producción de hidrógeno es el reformado con vapor de agua o reformado con vapor, que se desarrolla industrialmente desde hace más de 50 años.
Las reacciones químicas que producen el hidrógeno con esta tecnología son las siguientes:
- la reacción de reformado del metano con vapor de agua, que es altamente endotérmica:
[Chem 1] CH4 H20 <-> CO 3H2,
con AH= 247 kJ/mol;
- la reacción de reformado del monóxido de carbono con vapor de agua, denominada WGS (acrónimo anglosajón por “Water Gas Shift”), que es exotérmica:
[Chem 2] CO H20 <-> C 02 H2
con AH= -41,6 kJ/mol;
Cada una de estas reacciones se hace en una etapa distinta de la unidad de producción, de manera respectiva habitualmente denominadas SMR (acrónimo anglosajón de “Steam Methane Reformer”) y WGS (acrónimo de “Water Gas Reaction”).
La reacción global se escribe:
[Chem 3] CH4 + 2H20 <-» 4H2 C 02
con AH= 206 kJ/mol
Una unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor tal como se considera a partir de la década del 2010 es un sistema complejo de varias estaciones o etapas funcionales, que tiende a la mayor eficacia energética y a la menor emisión posible de CO2 en la chimenea hacia la atmósfera.
La Figura 1 muestra una representación esquemática de tal unidad, generalmente designada con la referencia 1, que realiza además una captura y después un envasado del CO2 producido.
Esta unidad 1 de reformado con vapor comprende principalmente las estaciones o etapas siguientes:
- al menos una etapa 2 de reformado con vapor del metano en gas de síntesis (mezcla de las especies: H2, CO, CO2, CH4).
- al menos una etapa 3 de desulfuración, aguas arriba de la etapa de reformado con vapor 2;
- al menos una etapa 4 de reformado del CO con vapor, aguas debajo de la etapa 2 de reformado con vapor del metano. La reacción de reformado con agua del CO es catalítica. Se desarrolla entre 400 y 300°C y es exotérmica, lo que necesita el enfriamiento de o de las etapas 4 de reformado;
- al menos un quemador 5 adaptado para producir el calor necesario para la reacción de reformado, pero también para la producción del vapor de agua. Cada quemador 5 realiza la combustión de los gases de purga de las etapas de separación aguas abajo, especialmente para la depuración de hidrógeno, en general, con un aporte significativo, normalmente del 20 al 30%, de gas natural;
- al menos un generador 6 de vapor que es alimentado de calor por el o los quemadores 5 y por una recuperación de calor liberado por la etapa 4 de reformado del CO;
- una estación de captura 7 del CO2 producido, en general por adsorción sobre aminas, aguas debajo de la etapa 4 de reformado del CO, y que es alimentada con vapor de agua por el generador de vapor 6;
- una etapa de depuración del hidrógeno 8, generalmente por una adsorción por inversión de presión (PSA), aguas debajo de la etapa de captura 7, enviándose los gases de purga procedentes de está depuración a un quemador 5, o bien reinyectándose en su cabezal reformado con vapor, normalmente en la etapa 3 de desulfuración, como se muestra en la Figura 1;
- etapas de compresión 9, 10 para las salidas de producción respectivamente de CO2 y H2 ;
- una alimentación eléctrica 11 para el funcionamiento de los diferentes componentes eléctricos, especialmente los compresores respectivamente del CO2 producido 9 y del hidrógeno producido 10, así como éste y los elementos de regulación de la unidad. Como se muestra en la Figura 1, la alimentación eléctrica 9 se toma, preferentemente, de la red eléctrica.
En la Figura 2, se ha representado una etapa 2 de reformado con vapor tal y como está constituida en la unidad 1 mostrada en la Figura 1.
La etapa 2 comprende un horno cuyo recinto 20 aloja una pluralidad de quemadores de gas 21 en el que están suspendidos tubos que forman cada uno un reactor de reformado 22, que se calientan por convección de los gases de combustión y en el interior de los cuales tiene lugar el reformado del metano en gas de síntesis. Estos tubos 22 están llenos de catalizador y alimentados por la parte superior desde los colectores de entrada 23 con una mezcla de gas natural y de vapor de agua. El gas de síntesis producido se extrae mediante colectores de salida 24.
En la Figura 3, se ha representado esquemáticamente un tubo de reformado 22 con un catalizador 25, simbolizando las flechas la alimentación y la salida de gas. La temperatura en el catalizador 25 debe ser de al menos 800°C, lo que requiere temperaturas en el recinto 20 del horno mucho más elevadas, y, por lo tanto, temperaturas exteriores carca de las paredes 26 de los tubos de reformado en general de más de 1000°C. Esto implica que la presión de los gases que debe prevalecer en el interior de un tubo de reformado sea menor que aproximadamente 20 bares, a fin de garantizar la resistencia mecánica del tubo.
Las principales ventajas de esta unidad de reformado con vapor pueden resumirse de la siguiente manera: - un abastecimiento garantizado por la disponibilidad de una única fuente de energía-materia en el conjunto del territorio a menos de 30 km, con la red de transporte de gas natural;
- una tecnología madura, aunque se haya probado a escalas de producción muy superiores a la de la aplicación considerada, es decir, la producción deslocalizada de hidrógeno;
- un coste de la energía y de materia de 3 a 4 veces menor que para las otras formas de energía de red; - un alto nivel de presión en la canalización de gas natural que es superior a 60 bares, incluso a 80 bares, en una gran parte de la red, lo que tiene un impacto beneficioso sobre el dimensionamiento de la unidad, su consumo energético y su coste.
Sin embargo, presenta también inconvenientes importantes, como los siguientes:
- un coste muy elevado de los tubos de reformado 22 que deben realizarse de una aleación a alta temperatura (T> 1100°C) para poder resistir las temperaturas en el recinto del horno. El coste de la o de las aleaciones utilizadas puede ser del orden de 70 veces el del acero;
- una limitación de la presión interna a menos de 20 bares para garantizar la resistencia mecánica a las temperaturas en el recinto del horno, y esto a un coste razonable, lo que tiene consecuencias directas y fuertes sobre el dimensionamiento, la eficacia y el coste de las etapas aguas debajo de la etapa 2 de reformado con vapor (etapa 4 de reformado, etapa 8 de depuración del hidrógeno por PSA y compresores 9, 10 aguas abajo). En este punto, en una unidad 1, el coste de una etapa 8 que implementa una adsorción PSA es superior al de la etapa 2 de reformado con vapor;
- una integración térmica complicada para garantizar una eficacia energética correcta del horno de la etapa 2 de reformado con vapor, que no evita, sin embargo, las pérdidas en los humos del horno;
- una baja dinámica posible de variaciones en la carga, debido, en parte, a los quemadores de gas natural utilizados y a la fuerte inercia del conjunto del horno y de la etapa 2 de reformado;
- tiempos de puesta en marcha y parada que, por las razones mencionadas anteriormente, son significativos y pueden duran normalmente varias decenas de horas;
- una compacidad muy baja, relacionada con las grandes dimensiones de la planta 2 de reformado con vapor, incluyendo, en parte, la del recinto 20 del horno, y a la dificultad de dar geometrías de tubos de reformado 22 distintas de las geometrías rectas para garantizar las resistencias a la temperatura y presión), y a las de las etapas aguas abajo debido al límite de presión a 20 bares;
- un consumo de gas natural, del orden del 20 al 30%, utilizado para realizar únicamente calentar, y que, por un lado, es generador de emisión de NOx, y, por otro lado, amplifica la emisión local de CO2 debida a la combustión de gas en el o los quemadores. Este CO2 altamente diluido en el nitrógeno y el vapor de agua es, por otro lado, difícilmente captable, lo que aumenta aún más el coste y el consumo de energía.
Finalmente, cabe señalar que se ha propuesto recientemente el uso de un biogás procedente de una metanización de residuos o de biomasa en lugar del gas natural para la producción de hidrógeno.
Los inconvenientes potenciales de este recurso son el precio del biogás, que puede superar el precio nominal de la electricidad, el sobrecoste energético y económico debido a la instalación de la estación de captura del CO2 aguas arriba, y, finalmente, la eventual limitación del recurso energético local.
Finalmente, la solicitud de patente DE10040539 describe un reactor de membrana para la producción de hidrógeno por reformado con vapor, a partir de una corriente de hidrocarburos, comprendiendo dicho reactor un calentador eléctrico situado en el centro del reactor. La membrana es permselectiva al hidrógeno, y el catalizador de reformado está preferentemente incluido en o soportado por la membrana.
Existe, por lo tanto, la necesidad de mejorar las soluciones de producción localizada de hidrógeno a fin de remediar los inconvenientes citados anteriormente, y con vistas, especialmente, a mejorar el coste de inversión y/o de funcionamiento, y el rendimiento.
El objetivo de la invención es satisfacer, al menos en parte, esta necesidad.
Descripción de la invención
Para ello, la invención se refiere, en uno de sus aspectos, a un reactor de lecho fijo catalítico, que comprende: - al menos una cámara de reformado, destinada a ser alimentada en su parte superior con una mezcla de gas natural o de biogás y de vapor de agua, y en la que está alojado un lecho fijo catalítico de reformado con vapor con vapor de agua, estando la cámara de reformado delimitada por al menos una pared;
- al menos un elemento calentador eléctrico insertado en el lecho fijo catalítico para calentar este último, - al menos un elemento de aislamiento térmico dispuesto entre el lecho fijo catalítico y la o las paredes de delimitación de la cámara de reformado.
Preferentemente, el reactor de lecho fijo catalítico es de forma general tubular.
Ventajosamente, el elemento calentador eléctrico es un tubo a base de inconel o una fibra de cerámica o un hilo metálico calentador moldeado directamente en una cerámica.
Más ventajosamente, el elemento de aislamiento térmico está constituido por un tejido constituido de láminas de fibras minerales o de fieltros de sílice, o por un revestimiento refractario inorgánico.
El reactor comprende al menos una membrana permselectiva al hidrógeno, dispuesta en la cámara de reformado, en la periferia del y/o insertada en el lecho fijo catalítico, dejando un espacio entre la membrana y la o las paredes de delimitación de la cámara o el elemento de aislamiento térmico, siendo el espacio adecuado para la recuperación del hidrógeno producido por reformado con vapor.
La membrana es ventajosamente una membrana inorgánica constituida de níquel o de paladio depositado sobre un soporte de cerámica poroso.
La membrana es preferentemente coaxial con el lecho fijo catalítico.
La invención se refiere también a una unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor, que comprende:
- al menos una etapa de reformado del metano con vapor de agua que comprende al menos un reactor de lecho fijo catalítico como se ha descrito anteriormente;
- al menos un generador de vapor eléctrico, conectado fluídicamente aguas arriba del reactor, para llevar el vapor de agua a este último.
Por “generador de vapor eléctrico”, se entiende aquí, y en el ámbito de la invención, un generador que usa electricidad como fuente de alimentación para producir calor que genera el vapor, en lugar de quemar combustible. Según una realización ventajosa, la salida del reactor está conectada fluídicamente a la red de distribución de gas natural.
Según otra realización ventajosa, la unidad comprende una línea de retorno conectada entre la salida del reactor y la red de gas natural, para reenviar a esta última el gas parcialmente reformado en el reactor.
La invención tiene finalmente por objeto un procedimiento de funcionamiento de una unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor tal como se ha descrito anteriormente, según el cual la mezcla de gas y de vapor de agua que alimenta el reactor de lecho fijo catalítico está a una presión mayor o igual a 20 bares.
En este procedimiento, el gas es preferentemente el gas natural de la red de distribución, cuya presión es la de alimentación del reactor de lecho fijo catalítico.
Analizando los inconvenientes de las unidades de producción de hidrógeno por reformado con vapor existentes, tales como se ilustran en la Figura 1, los inventores han constatado que los principales provienen del diseño mismo de las plantas 2 de reformado con vapor implementadas como se ha detallado anteriormente en referencia a la Figura 2.
Se pensó entonces de manera juiciosa en sustituir los quemadores de gas de la planta de reformado con vapor por un calentador eléctrico directamente integrado en la zona catalítica de un reactor de lecho fijo.
Esta integración permite trabajar a alta presión, ya que la pared de la cámara de reformado/confinamiento que aloja el catalizador ya no tiene que asegurar el paso del calor desde el exterior, necesario para la reacción. La pared de la cámara de reformado/confinamiento puede , por lo tanto, fría, normalmente estar a una temperatura menor que 400°C, y estar aislada térmicamente de la zona catalítica de reacción caliente, bien mediante un aislante térmico añadido, o bien por el lecho de catalizador en sí, que es mal conductor de calor.
La ausencia de necesidad de tener que conducir el calor desde el exterior permite muy ventajosamente integrar una membrana permselectiva en el interior de la cámara de reformado, en la periferia de las zonas calentadas del lecho. La implantación de tal membrana permite extraer una parte del hidrógeno producido en el lecho catalítico, con el efecto beneficioso de contrarrestar el efecto negativo de la presión sobre la conversión del metano. Dicho de otra manera, con una membrana permselectiva implantada como se ha mencionado anteriormente, se aumenta la superficie membranaria, y, por lo tanto, la tasa de recuperación del hidrógeno producido.
Las ventajas de un reactor de reformado con integración de un elemento de calentamiento eléctrico según la invención dentro de una unidad de producción de hidrógeno, en lugar de los quemadores de gas de las unidades tradicionales como las de la Figura 1, son numerosas y pueden resumirse de la siguiente manera;
- simplificación de la unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor con una mejora de los diseños y la eventual integración de funciones en los componentes principales de la unidad; la simplificación de la unidad en la única estación de reformado con retorno del gas no reformado en la canalización de gas natural aguas arriba con un bajo gasto energético, o bien en una canalización de gas natural aguas abajo (circuito de distribución P<40 bares
- mejora de la compacidad, del coste, de la dinámica de funcionamiento tanto de la etapa de reformado como de la unidad completa, con la posibilidad muy ventajosa de implementar un generador de vapor con calentamiento exclusivamente eléctrico;
- disminución del 20 al 30% del consumo de gas natural;
- disminución de las emisiones de gas de efecto invernadero y de contaminantes, especialmente supresión de la emisión de NOx relacionada con la combustión de gas natural y disminución de la emisión de CO2 correspondiente a la disminución del consumo de gas natural;
- mejora de la eficacia energética de la unidad, que los inventores consideran mayor que el 83% con la realización de la invención,
- posibilidad de elevar la presión de funcionamiento a la que prevalece en la canalización de transporte/distribución de gas natural (circuito de distribución a presión menor que 40 bares), lo que se convertirá en una ganancia de eficacia sobre el rendimiento de extracción del hidrógeno y en una disminución del volumen y del coste de los componentes de la unidad (etapas de reformado);
- posibilidad de aumentar la temperatura efectiva del lecho del catalizador debido a la ubicación del calentador eléctrico en el interior del reactor, con el corolario de la posibilidad de aumentar eventualmente el rendimiento de conversión debilitado por el aumento de presión anterior,
- posibilidad, gracias a la membrana permselectiva integrada, de extraer una parte del hidrógeno producido, disminuir la temperatura en una conversión dada, y disminuir el flujo hacia el reactor de WGS, y aumentar la concentración en CO en este flujo con una fuerte repercusión sobre la compacidad y la eficacia material de la etapa WGS, y la desaparición probable de al menos una etapa WGS.
- posibilidad, debido a la alta presión del lecho catalítico, de regresar a la canalización de gas natural si la unidad se coloca sobre un nodo de conexión transporte-distribución, saliendo el gas parcialmente reformado del reactor, esto con una baja pérdida energética de compresión (pérdida de carga en el lecho), pudiendo no ser ya necesarias las etapas aguas abajo;
- posibilidad de extraer, a una presión elevada, normalmente mayor que 10 o 20 bares, según la presión del reactor de reformado, un hidrógeno de alta pureza (en función de la selectividad de la membrana);
- mejora de la dinámica de producción, ya que un reactor según la invención que integra un elemento calentador eléctrico presenta una inercia menor que los quemadores de gas según el estado de la técnica, con una potencia de calentamiento también más fácilmente regulable;
- posibilidad de ganancia de oportunidad en los servicios a la red eléctrica (aplicación “Power to gas”).
Otras ventajas y características de la invención destacarán mejor a partir de la lectura de la descripción detallada de ejemplos de implementación de la invención dada a título ilustrativo y no limitativo con referencia a las figuras siguientes.
Breve descripción de los dibujos
[Fig 1] es una vista esquemática de una unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor según el estado de la técnica.
[Fig 2] es una vista esquemática en perspectiva de una etapa de reformado con vapor según el estado de la técnica, tal como se implementa en una unidad según la figura 1.
[Fig 3] es una vista esquemática en corte longitudinal de un tubo de reformado de lecho catalítico según el estado de la técnica tal como se implementa en una etapa de reformado de la figura 2.
[Fig 4] es una vista esquemática en corte longitudinal de un reactor de reformado de lecho fijo catalítico que no es conforme a la invención.
[Fig 5] es una vista esquemática en corte longitudinal de un reactor de reformado de lecho fijo catalítico según una realización ventajosa de la invención.
[Fig 6] ilustra, en forma de curvas, el efecto de la extracción de hidrógeno sobre el rendimiento de conversión.
[Fig 7] es una vista esquemática de una unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor que no es conforme a la invención.
Descripción detallada
Las figuras 1 a 3 se refieren a un ejemplo de etapa de reformado con vapor y de unidad de producción de hidrógeno según el estado de la técnica. Estas figuras 1 a 3 se han comentado ya en preámbulo, y por lo tanto no se comentarán más adelante.
En aras de la claridad, para todas las figuras 1 a 7 se utilizan las mismas referencias que designan los mismos elementos según el estado de la técnica y según la invención.
Las flechas en línea de puntos en las figuras designan las líneas eléctricas, mientras que aquellas en línea continuas designan las líneas fluídicas.
En la Figura 4, se ha representado un reactor 2 de lecho fijo catalítico (fuera de la invención).
Comprende una cámara de reformado 22, de forma general tubular, destinada a ser alimentada en su parte superior con una mezcla de gas natural o de biogás y de vapor de agua, y en la que está alojado un lecho fijo catalítico 25 de reformado con vapor con vapor de agua.
Según la invención, un elemento calentador eléctrico 27 se inserta directamente en el lecho fijo catalítico para calentar este último. El elemento calentador eléctrico 27 puede ser un tubo a base de inconel o una fibra de cerámica o un cable metálico calentador moldeado directamente en una cerámica.
Un elemento de aislamiento térmico 28 está dispuesto entre el lecho fijo catalítico 25 y la pared 26 de delimitación de la cámara de reformado 22. Este aislamiento térmico 28 permite confinar el calor producido por el calentamiento eléctrico en el interior de la cámara de reformado 22 y, por lo tanto, tener una pared 26 relativamente fría, normalmente a una temperatura menor que 400°C, durante la reacción de reformado con vapor. El elemento de aislamiento térmico 28 puede estar constituido por un tejido constituido por láminas de fibras minerales o de fieltros de sílice, o por un revestimiento refractario inorgánico.
En la Figura 5 se muestra una realización ventajosa del reactor 2 de lecho fijo catalítico según la invención. Según esta realización, en la cámara de reformado 22 se dispone una membrana 29 permselectiva al hidrógeno, coaxialmente con el lecho fijo catalítico 25 dejando libre un espacio entre la membrana 29 y el elemento de aislamiento térmico 28. Este espacio permite extraer una parte del hidrógeno producido por reformado con vapor en el lecho catalítico 25, con la ventaja de contrarrestar el efecto negativo de la presión sobre la conversión del metano. Esta ventaja se destaca claramente en la Figura 6, que se extrae de la publicación [1].
La membrana 29 puede ser una membrana inorgánica constituida de níquel o de paladio depositada sobre un soporte de cerámica poroso.
En la Figura 7 se ha representado una unidad de producción de hidrógeno 1 por reformado con vapor que integra al menos una etapa de reformado del metano con vapor de agua que comprende un reactor 2 de lecho fijo catalítico que se acaba de describir, no siendo dicho reactor conforme a la invención.
Como se puede ver en esta Figura 7, la integración de un reactor de reformado con vapor 2 con calentamiento interno eléctrico permite una mejora de la eventual integración de funciones en los componentes principales de la unidad.
Más particularmente, en lugar de un generador de vapor 6 con calentamiento por calor de combustión de un quemador de gas como según el estado de la técnica (Figura 1), la unidad 1 comprende un generador de vapor eléctrico 60, conectado fluídicamente aguas arriba del reactor de reformado con vapor, para llevar el vapor de agua a este último.
Por otro lado, se encuentra en esta unidad de reformado con vapor 1 principalmente las estaciones o etapas siguientes:
- al menos una etapa 3 de desulfuración, aguas arriba del reactor de reformado con vapor 2 según la invención; - al menos una etapa 4 de reformado del CO con vapor, aguas abajo del reactor de reformado por vapor 2. Como se muestra en la Figura 7, el calor que se libera en la etapa 4 de reformado puede alimentar también el generador de vapor eléctrico 60;
- una estación de captura 7 de CO2 producido, por adsorción sobre aminas, aguas debajo de la etapa 4 de reformado del CO y que es alimentada con vapor de agua por el generador de vapor eléctrico 60;
- una etapa 8 de depuración del hidrógeno, por adsorción por inversión de presión (PSA), aguas debajo de la etapa de captura 7, reinyectándose los gases de purga procedentes de esta depuración en la parte superior de reformado con vapor, normalmente en la etapa 3 de desulfuración, como se muestra en la figura 7;
- etapas 9, 10 de compresión para las salidas de producción de CO2 y H2, respectivamente;
- una alimentación eléctrica 11 para el funcionamiento de los diferentes componentes eléctricos, especialmente los compresores, respectivamente del CO2 producido 9 y del hidrógeno producido 10, así como el de los elementos de regulación de la unidad. Como se muestra en la Figura 7, la alimentación eléctrica 9 se toma preferentemente de la red eléctrica.
El funcionamiento de la unidad de producción de hidrógeno 1 se realiza ventajosamente alimentando el reactor de lecho fijo catalítico 2 mediante una mezcla de gas natural de distribución y de vapor de agua a una presión mayor o igual a 20 bares.
Se pueden considerar otras variantes y mejoras sin salirse por ello del ámbito de la invención tal como se reivindica a continuación.
Lista de referencias citadas:
[1] Gallucci 2011, “Modeling of Membrane reactors for hydrogen production and purification .royal Society of Chemistry 2011.”

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Reactor (2) de lecho fijo catalítico, que comprende:
- al menos una cámara de reformado (22), destinada a ser alimentada en la parte superior por una mezcla de gas natural o de biogás y de vapor de agua y en la que está alojado un lecho fijo catalítico (25) de reformado con vapor con vapor de agua, estando delimitada la cámara de reformado por al menos una pared (26);
- al menos un elemento calentador eléctrico (27) insertado en el lecho fijo catalítico para calentar este último, - al menos un elemento de aislamiento térmico (28) dispuesto entre el lecho fijo catalítico y la o las paredes (26) de delimitación de la cámara de reformado,
- al menos una membrana (29) permselectiva al hidrógeno, dispuesta en la cámara de reformado (22), en la periferia del, y/o insertada en el lecho catalítico, dejando un espacio entre la membrana y la o las paredes de delimitación de la cámara o del elemento de aislamiento térmico, siendo adecuado el espacio para la recuperación del hidrógeno producido por reformado con vapor.
2. Reactor (2) de lecho fijo catalítico según la reivindicación 1, de forma general tubular.
3. Reactor (2) de lecho fijo catalítico según la reivindicación 2, siendo la membrana coaxial con el lecho catalítico.
4. Reactor (2) de lecho fijo catalítico según una de las reivindicaciones anteriores, siendo el elemento calentador eléctrico (27) un tubo a base de superaleaciones o una fibra de cerámica o un cable metálico calentador moldeado directamente en una cerámica.
5. Reactor (2) de lecho fijo catalítico según una de las reivindicaciones anteriores, estando constituido el elemento de aislamiento térmico por un tejido constituido de láminas de fibras minerales o de fieltros de sílice, o por un revestimiento refractario inorgánico.
6. Reactor de lecho fijo catalítico según una de las reivindicaciones anteriores, siendo la membrana una membrana inorgánica constituida de níquel o de paladio depositado sobre un soporte cerámico poroso.
7. Unidad (1) de producción de hidrógeno por reformado con vapor, que comprende:
- al menos una etapa de reformado del metano con vapor de agua que comprende al menos un reactor de lecho fijo catalítico (2) según una de las reivindicaciones anteriores;
- al menos un generador de vapor eléctrico (60) conectado fluídicamente aguas arriba del reactor, para llevar el vapor de agua a este último.
8. Unidad (1) según la reivindicación 7, estando configurada la salida del reactor para ser conectada fluídicamente a la red de distribución de gas natural.
9. Unidad (1) según la reivindicación 8, que comprende una línea de retorno configurada para ser conectada entre la salida del reactor y la red de gas natural, y para reenviar a este último el gas parcialmente reformado en el reactor.
10. Procedimiento de funcionamiento de una unidad de producción de hidrógeno por reformado con vapor según una de las reivindicaciones 7 a 9, según el cual la mezcla de gas y de vapor de agua que alimenta el reactor de lecho fijo catalítico está a una presión mayor o igual a 20 bares.
11. Procedimiento de funcionamiento según la reivindicación 10, siendo el gas un gas natural de la red de distribución cuya presión es la de alimentación del reactor de lecho fijo catalítico.
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