Dispositivo y sistema de reformado de hidrocarburos con vapor.

Dispositivo y sistema de reformado de hidrocarburos con vapor de agua que comprende una membrana (8) en el interior de una cámara metálica (7),

siendo la membrana (8) y la cámara metálica (7) ambas cilíndricas y coaxiales. El hidrógeno generado es extraído a través de un primer conducto de extracción (2) conectado al interior de la membrana (8), y los reactivos sobrantes son extraídos a través de un segundo conducto de extracción (3) conectado a un espacio comprendido entre la cara exterior de la membrana (8) y la cara interior de la cámara metálica (7).

Dispositivo y sistema de reformado de hidrocarburos con vapor Objeto de la invención

La presente invención se refiere al campo del reformado de hidrocarburos con vapor, y más concretamente a un sistema y dispositivo de reformado que utiliza energía solar.

Antecedentes de la invención

La generación de hidrógeno resulta de gran interés en campos tan diversos como la industria energética, la ingeniería química y la extracción de combustibles fósiles. El hidrógeno es un vector energético capaz de generar electricidad de forma limpia y cómoda en pilas de combustible. Asimismo, puede aplicarse a hidrotratamiento, hidrocraqueo e hidrodesulfuración. La tecnología de generación de hidrógeno más extendida hasta la fecha es el reformado de hidrocarburos con vapor de agua. Se trata de un proceso químico en el que ambos reactivos se combinan en presencia de un catalizador para dar lugar a hidrógeno puro y monóxido de carbono. El proceso se lleva a cabo típicamente a temperaturas superiores a 750 °C y presiones cercanas a los 25 bar. Entre los hidrocarburos más eficientes y comúnmente empleados en este tipo de procesos se encuentran el metano y el gas natural. El uso de catalizadores permite acelerar el proceso debido a la alta estabilidad de estos compuestos.

Típicamente, los reformadores de metano actuales están compuestos por largos tubos colocados en paralelo sobre un plano. En el interior de cada uno de dichos tubos se dispone el catalizador en forma de lecho, siendo calentados mediante combustión. En una primera sección, se precalienta el gas de entrada gracias al calor recuperado de los gases de escape. Al mismo tiempo, se genera vapor de agua gracias al calor residual de estos mismos gases. La relación entre las cantidades de vapor y metano introducidas en el sistema es un parámetro cuya importancia radica, principalmente, en el envenenamiento del catalizador. A altas temperaturas se forma coque y éste provoca bloqueos de los sitios activos del catalizador en los que tiene lugar la reacción. Para evitarlo, se introduce una mayor cantidad de vapor, típicamente entre 2 y 6 veces superior a la alimentación de metano.

En una segunda sección, tienen lugar las reacciones químicas mencionadas en las que se produce el hidrógeno. En los reformadores convencionales, el calor necesario para llevar a cabo la reacción entre metano y vapor de agua, es aportado mediante la combustión en el propio reformador de un combustible. Esto provoca emisiones de contaminantes indeseadas, además de un gran consumo de gas natural o fuel.

Para evitar estos inconvenientes, se han desarrollado diversos sistemas de reformado que utilizan la energía solar para alcanzar las condiciones térmicas necesarias para que se produzca una generación de hidrógeno eficiente. Existen tanto reactores solares volumétricos como tubulares, habiéndose realizado diseños con diferentes geometrías, catalizadores y condiciones de operación. En los reactores volumétricos, la energía solar se capta a través de una ventana que calienta una cámara en la que se introducen los reactivos y desde la que se extraen los gases resultantes. En los reactores tubulares, la energía solar se aplica sobre un conducto cilíndrico en uno de cuyos extremos se introducen los reactivos y en cuyo extremo opuesto se extraen los gases resultantes.

No obstante, los reactores conocidos en el estado de la técnica presentan varias limitaciones. En primer lugar, hay que tener en cuenta que la radiación solar no es constante, por lo que según la localización de la planta, se tendrán más o menos horas productivas. Este problema puede llevar a la necesidad de utilizar sistemas de apoyo basados en combustibles convencionales. En segundo lugar, el calentamiento generado en estos sistemas no es homogéneo, por lo que la eficiencia de conversión puede cambiar entre zonas de un mismo reactor. Finalmente, en los reactores solares tradicionales, el hidrógeno generado aparece mezclado con los reactivos sobrantes, así como con el monóxido de carbono resultante de la reacción química. Esto ocurre tanto a la salida del sistema, como en la zona en la que se producen las reacciones químicas. En consecuencia, no sólo se hace necesario un sistema posterior de filtrado que permita separar el hidrógeno del resto de compuestos, sino que se disminuye la eficiencia de la conversión debido a la presencia del propio hidrógeno.

Existe por lo tanto en el estado de la técnica la necesidad de una técnica de un sistema y dispositivo de reformado de hidrocarburos con vapor de agua mediante radiación solar, que aumente la eficiencia de dicho reformado, y que permita obtener por separado el hidrógeno del resto de compuestos involucrados en la reacción química.

Descripción de la invención

La presente invención soluciona los problemas anteriormente descritos mediante un dispositivo y sistema de reformado de hidrocarburos con vapor de agua basado en cámaras tubulares que captan la energía solar, y en cuyo interior se encuentra una membrana porosa también tubular que extrae el hidrógeno producido, proporcionándolo a través de un conducto de salida independiente y mejorando la eficiencia de conversión del proceso de reformado.

En un primer aspecto de la invención se presenta un dispositivo de reformado de hidrocarburos, tales como el metano o el gas natural, con vapor de agua. El dispositivo utiliza radiación solar para calentar los reactivos (es decir, el hidrocarburo y el vapor de agua) hasta la temperatura necesaria para la generación eficiente de hidrógeno. Nótese, no obstante, que pueden existir tanto implementaciones particulares de la invención que utilicen únicamente dicha radiación solar, como implementaciones particulares que utilicen fuentes de energía adicionales para complementar dicha radiación solar. El dispositivo está basado en una estructura de cilindros (o tubos) concéntricos que comprende:

- Una cámara metálica cilindrica en cuyo interior se produce la reacción entre el vapor de agua y el metano en presencia de un catalizador. Los reactivos se introducen por un extremo de la cámara metálica y los productos se extraen por el extremo opuesto. El catalizador empleado es preferentemente níquel sobre alúmina.

- Una membrana cilindrica ubicada en el interior de la cámara metálica y coaxial a dicha cámara. La reacción entre el hidrocarburo y el vapor de agua se produce en el espacio entre la cara externa de la membrana porosa y la cara interna de la cámara metálica. El tamaño de los poros de la membrana está adaptado de forma que el hidrógeno generado en la reacción puede atravesar la membrana, mientras que los reactivos sobrantes y el monóxido de carbono generado permanezcan en el exterior de la membrana. Se consigue así recoger el hidrógeno generado con una gran pureza, al mismo tiempo que se mejora la eficiencia de la reacción química al vaciar de hidrógeno la zona fuera de la membrana.

- Preferentemente, el dispositivo comprende un tercer cilindro concéntrico externo a la cámara metálica (también denominado por esta razón en el texto como "tubo externo"), fabricado en vidrio, que permite mejorar la captación de energía solar del

dispositivo. Más preferentemente, el dispositivo comprende además medios de vacío que generan un vacío entre el tubo externo de vidrio y la cámara metálica. Dichos medios de vacío pueden ser los propios medios de fijación y extracción del sistema en el caso de implementarse o medios adicionales dedicados, generándose en cualquiera de los dos casos un vacío suave. También preferentemente, el tubo externo está fabricado en un vidrio con un elevado contenido en sílice.

El dispositivo comprende por lo tanto dos conductos de extracción, un primer conducto conectado al interior de la membrana a través del cual se extrae el hidrógeno, y un segundo conducto conectado al interior de la cámara metálica pero al exterior de la membrana a través del cual se extraen el resto de componentes (es decir, los reactivos sobrantes y el monóxido de carbono). Más preferentemente, el dispositivo comprende medios de fijación que conectan según lo descrito los conductos de extracción a la cámara metálica y a la membrana, estando dichos medios de fijación parcial o totalmente implementados en un material elastómero que por ser elástico absorbe las tensiones provocadas por las dilataciones del resto de elementos al aumentar la temperatura, evitando así que dichas tensiones se transmitan a otros elementos y, en particular, al tubo exterior de vidrio. Los conductos de extracción están también preferentemente fabricados en acero austenítico.

Preferentemente, la cámara metálica, es de un único material, aunque puede comprender a su vez dos...

1. Dispositivo de reformado de hidrocarburos (1) con vapor de agua adaptado para generar hidrógeno a partir de unos reactivos, que comprende una cámara metálica

(7) cilíndrica adaptada para calentar los reactivos utilizando, al menos, una radiación solar; caracterizado por que el dispositivo comprende además:

- una membrana (8) cilíndrica dispuesta coaxialmente en un interior de la cámara metálica (7), estando el dispositivo adaptado para introducir los reactivos en un espacio comprendido entre una cara exterior de la membrana (8) y una cara interior de la cámara metálica (7), y para recoger el hidrógeno generado en un interior de la membrana (8);

- un primer conducto de extracción (2) conectado al interior de la membrana (8);

- y un segundo conducto de extracción (3) conectado al espacio comprendido entre la cara exterior de la membrana (8) y la cara interior de la cámara metálica (7).

2. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado por que comprende además un tubo externo (6) de vidrio dispuesto coaxialmente en un exterior de la cámara metálica (7).

3. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 2 caracterizado por que comprende además medios de vacío adaptados para generar un vacío entre una cara interior del tubo externo (6) y una cara exterior de la cámara metálica (7)

4. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que la cámara metálica (7) comprende una capa interna de un primer acero austenítico o material de similares características y una capa externa de un segundo acero austenítico o material de similares características.

5. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la membrana

(8) es una membrana microporosa o una membrana densa.

6. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 y 5 caracterizado por que la membrana (8) es una membrana microporosa que comprende al menos una capa exterior de sílice microporoso.

7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5 y 6 caracterizado por que la membrana

miccroporosa de sílice comprende además:

- una capa interior de soporte de un material cerámico macroporoso;

- y una capa de transición entre la capa interior de soporte y la capa exterior de sílice.

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 7 caracterizado por que la capa interior de soporte es una capa de a-Alúmina y la capa de transición es una capa de y- Alúmina.

9. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores

caracterizado por que el dispositivo (1) comprende un catalizador monolítico de níquel sobre alúmina.

10. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores

caracterizado por que comprende además medios de fijación (4) que conectan el primer conducto de extracción (2) al interior de la membrana (8) y el segundo conducto de extracción (3) al espacio comprendido entre la cara exterior de la membrana (8) y la cara interior de la cámara metálica (7), comprendiendo dichos medios de fijación (4) un material elastómero adaptado para absorber las dilataciones de la cámara metálica.

11. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores

caracterizado por que el primer conducto de extracción (2) y el segundo conducto de extracción (3) son conductos de acero austenítico.

12. Sistema de reformado de hidrocarburos con vapor de agua que comprende una pluralidad de dispositivos de reformado de hidrocarburos (1) adaptados para generar hidrógeno a partir de unos reactivos, comprendiendo cada dispositivo una cámara metálica (7) cilíndrica adaptada para calentar los reactivos utilizando, al menos, una radiación solar; estando el sistema caracterizado por que cada dispositivo comprende además:

- una membrana (8) cilíndrica dispuesta coaxialmente en un interior de la cámara metálica (7), estando el dispositivo dispuesto para introducir los reactivos en un espacio comprendido entre una cara exterior de la membrana (8) y una cara interior de la cámara metálica (7), y para recoger el hidrógeno generado en un interior de la membrana (8);

- un primer conducto de extracción (2) conectado al interior de la membrana (8);

- y un segundo conducto de extracción (3) conectado al espacio comprendido entre la cara exterior de la membrana (8) y la cara interior de la cámara metálica (7).

13. Sistema de acuerdo con la reivindicación 12 caracterizado por que la pluralidad de

dispositivos de reformado de hidrocarburos (1) están dispuestas longitudinalmente sobre una superficie exterior de un soporte cilíndrico (5).

14. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 y 13 caracterizado por 10 que comprende además al menos un concentrador adaptado para redirigir la

radiación solar.

15. Sistema de acuerdo con la reivindicación 14 caracterizado por que el al menos un concentrador comprende una pluralidad de lentes convergentes.

16. Sistema de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15 por que comprende además medios de acumulación de energía térmica.