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CAPÍTULO 2

Análisis de Eficiencia e Integración Energética del Proceso

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Capítulo 2

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2.1 Introducción. Definición del Problema de Síntesis del Proceso
En el presente Capítulo se analiza el proceso de producción conjunta de energía
eléctrica y calor por medio de un sistema dereformado de etanol para la producción de
hidrógeno acoplado a una pila de combustible de tipo polimérica. Se proponen distintas
variantes en el sistema que permiten lograr valores aceptables de eficiencias. La
generación de estas variantes se logra mediante herramientas de síntesis e integración
de procesos. La síntesis y optimización del proceso global permite además encontrar lasprincipales variables que afectan al proceso y los compromisos que se producen entre
dichas variables. El sistema en estudio debe mostrar una alta integración energética para
lograr eficiencias competitivas e incluye un reformador de bioetanol, dos reactores para la
reacción water-gas-shift, un reactor de oxidación preferencial de CO; una celda de
combustible de polímero sólido, una unidad depost-combustión que aprovecha la energía
contenida en las corrientes de salida del ánodo y el cátodo de la celda de combustible,
una turbina de expansión que acciona uno o varios compresores de aire, el conjunto de
intercambiadores de calor que permite recuperar la energía térmica del proceso y un
sistema de enfriamiento que extrae la energía térmica que exporta el sistema. El proceso
propuesto sebasa en los esquemas similares considerados por Godat y Marechal (2003)
para un procesador de metano, Ratnamala y col. (2005) para un procesador de gas
licuado de petróleo, y Little (1994) para el reformado de etanol.

El objetivo es analizar y optimizar mediante técnicas de síntesis y simulación la
eficiencia de un procesador de bioetanol acoplado a un sistema de celda de tipo PEM
(membranade intercambio protónico). Como punto de partida para el análisis, el sistema
hipotético sugerido por Little (1994) se ha usado como caso de referencia, con el objeto
de analizar la sensibilidad de los mayores parámetros de decisión y determinar los
mayores cuellos de botella implicados en la integración energética. Esta forma de análisis

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permite evaluar la influencia de restricciones y medir su importancia con respecto a la
eficiencia del sistema.
Se han utilizado extensivamente herramientas de simulación de procesos para
evaluar el desempeño de sistemas de celdas de combustible (Kivisaari y col., 2001; Ersoz
y col., 2006a; Ersoz y col., 2006b). En el presente trabajo se utiliza un simulador
comercial para resolver losbalances de masa y energía, y para calcular las condiciones
operativas de las unidades de proceso. El proceso bajo estudio fue implementado dentro
de HYSYS® (2001).
La red de intercambiadores de calor se modela utilizando la operación LNG
provista dentro del entorno de simulación de procesos HYSYS®. Esta operación se ha
usado para identificar las oportunidades de intercambio de calor máseficientes y definir
las condiciones operativas óptimas del sistema de reformado en orden a proporcionar
una mejor eficiencia global considerando el balance de la planta.

2.2 Antecedentes del Análisis y Estudio del Proceso Reformado de Etanol
Relativamente poca bibliografía considera el análisis termodinámico del
procesador de etanol (Little, 1994; Ioannides, 2001; Örücü y col., 2005; Song ycol.,
2005). Little (1994) evalúa mediante simulación las condiciones operativas del proceso de
reformado considerando distintos combustibles como materia prima, entre ellos el etanol.
Ioannides (2001) realiza un análisis termodinámico del proceso total de obtención de H2
por reformado de etanol sin la consideración de integración del proceso. Song y col.
(2005) analizan un sistema integrado...