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Tesis

Modelado y métodos para la síntesis y diseño óptimos. aplicaciones a procesos basados en energías alternativas
by

Diego Oliva

on 14 July 2010

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Transcript of Tesis

Modelado y métodos para la síntesis y diseño
óptimos. Aplicaciones a procesos basados
en energías alternativas. Capítulo I Universidad Nacional del Litoral
Facultad de Ingeniería Química Director de Tesis: Dr. Pio Antonio AGUIRRE
Co-director de Tesis: Dr. Miguel Ceferino MUSSATI
Autor: Diego Gabriel OLIVA Introducción Energía Celdas de Combustible SOFC PEMFC Actualmente la generación de energía contribuye significativamente al sostenimiento y desarrollo de la economía global. Desde las telecomunicaciones hasta el transporte de bienes necesitan energía para ofrecerlos a la sociedad al ritmo y forma en que ésta los demanda en los tiempos actuales. Si utilizamos combustibles líquidos tenemos: Etanol Glicerina Asumiendo una correcta gestión y utilización de los recursos requeridos, la producción de hidrógeno a partir del reformado de etanol se presenta a priori como una alternativa ambientalmente deseable, ya que abre oportunidades para la utilización de recursos renovables que se encuentran globalmente disponibles. La producción de biodiesel se ha incrementado notablemente en estos últimos años. Al igual que el etanol, y asegurando una adecuada gestión y utilización de los recursos requeridos, su producción puede o no considerarse como ambientalmente amigable dependiendo de las condiciones locales donde se requiera implementar su utilización. La glicerina es un subproducto de la producción de biodiesel, cuya demanda es comparativamente mucho menor que la cantidad que se produce concomitantemente a la obtención del biodiesel, resultando en una sobresaturación del mercado a muy corto plazo. Capítulo II Capítulo III Capítulo IV Capítulo V Capítulo VI La mayoría de trabajos existentes evalúa la eficiencia ya sea de los reformadores de combustible o bien de las celdas de combustible pero no en forma conjunta En este trabajo propone tener en cuenta la integración energética de estos sistemas y las potencias requeridas por los equipos auxiliares que integran el proceso (bombas, compresores, reactores de purificación de gases, turbinas). Análisis energético del procesador de glicerina para producción de hidrógeno para celda PEM. Comparación con un procesador de etanol. Flow sheet del proceso utilizando Glicerina Reactores involucrados en el proceso Reacciones Resultados (gráficos) Flow sheet del proceso utilizando la unidad LNG Modificaciones al modelo SYNHEAT Parámetro modificado Línea de operación Cambio de variable. Discretización de las corrientes del proceso Red de intercambiadores de calor del SPG Red de intercambiadores de calor del SPE Ejemplos Operación óptima de sistemas procesadores de glicerina y etanol y síntesis óptima de su red de intercambio calórico, integrados a pilas de combustible de óxido sólido (SOFC). Modelado, síntesis y optimización de redes de intercambio calórico. Aplicación a sistemas procesadores de combustible. SISTEMA Esquema simplificado del proceso Modelado del proceso PEMFC SOFC Estimación de las variables en cada estado Reacciones en el reformador Modelo de la celda de combustible SOFC Modelo del combustor SISTEMA INGAR. Instituto de Desarrollo y Diseño. CONICET - UTN Modelo a optimizar Pasos para inicialización Resultados de la optimización Diseño óptimo del reactor de oxidación preferencial de monóxido de carbono (COPrOx) basado en modelos. Oxidación preferencial de CO Modelo matemático del reactor Cinética Catalizador Modelo de optimización Resultados de la optimización Simulación y comparación con resultados de la optimización Resultados Trabajos futuros Forma Tradicional
Esquema Cáscara de cebolla Nuevo esquema de resolución


Flow sheet del proceso utilizando la unidad LNG T variable T variable T variable T variable T variable T variable T variable Descripción de corrientes frías y calientes Definición de eficiencias Curvas compuestas en el máximo de eficiencia del sistema
Tabla de temperaturas Comparación del sistema operando con:
Glicerina o Etanol Con glicerina Con etanol SYNHEAT modelo original Ejemplo Ejemplo H2 y C3 no han sido integradas por la línea de operación pero requieren utilidades, así pasan a denominarse par huérfano Integración energética acoplada al modelo Performance energética del sistema de reformado de glicerina para celdas PEM Se encontraron diferencias en eficiencias analizando la pila PEM aislada y con el conjunto del sistema Se detectaron regiones de operación autosuficiente en la PEM Se sintetizaron las redes de intercambiadores de calor de los sistemas que utilizan pilas PEM funcionando con glicerina o con etanol como combustible. Se presentaron modificaciones a metodologías ya probadas para la resolución de este tipo de síntesis. Se ha presentado una metodología aplicada a procesos que necesitan integración energética en la cual se optimizan las variables operativas y se sintetiza la red de intercambiadores de calor simultáneamente. Se aplicó esta técnica a un sistema basado en una pila SOFC operando con glicerina y luego con etanol. Se presentaron metodologías y resultados para el diseño y optimización del reactor COPrOx. Para cumplir los objetivos se han tenido en cuenta restricciones que involucran cuestiones operativas, de construcción, tecnológicas y de eficiencia. Además se ha aplicado la metodología en diferentes situaciones que dependen de la potencia a producir. Modelado y diseño de reactores no convencionales del tren de reacción de los sistemas estudiados Planteo de superestructuras que propongan diferentes flowsheet de los procesos Análisis de sensibilidad de los sistemas SOFC en sus valores de eficiencia óptimos Agradecimientos
Este trabajo fue realizado en INGAR Instituto de Desarrollo y diseño CONICET-UTN de Santa Fe, entre 2005 y 2010.
Deseo agradecer a mis directores los Dres. Pio Antonio Aguirre y Miguel Ceferino Mussati por la oportunidad que me dieron de trabajar en INGAR, por el estímulo, la confianza y por su dedicación.
Deseo también agradecer a todos los miembros del grupo Ingeniería de Procesos y Biotecnología por su ayuda y por su amistad. Un especial agradecimiento a las contribuciones de Javier Francesconi.
Muchas gracias a toda la gente de INGAR (administrativos, personal de apoyo, becarios e investigadores) por hacer del ambiente de trabajo un lugar agradable y de amistad.
Agradezco al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas y a la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica, por financiar este doctorado.
Un agradecimiento especial a los nuevos amigos y amigas a lo largo de los cinco años de estadía en Santa Fe.
Finalmente quiero agradecer a mi familia por su estímulo y por valorar mi trabajo; especialmente a mi madre, tíos y abuelos.
-Reactor de conversión -Encargado de suplir los requerimientos energéticos del sistema SOFC Yee y Grossman 1990 Agua Etanol Aire a celda Gases salidos del combustor Agua Glicerina Aire a Celda Gases salidos del combustor
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