DISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UN BLOQUE DE CÁLCULO EN ASPEN-PLUS PARA EL MODELADO RIGUROSO DE LA DESCOMPOSICIÓN DE AMONIACO EN REACTORES DE MEMBRANA

Abstract

En el contexto actual de transición energética desde un uso mayoritario de combustibles fósiles a la utilización de energías sostenibles con el medio ambiente, el hidrógeno renovable juega un papel fundamental para llevar a cabo este cambio sin perder calidad de vida. Sin embargo, las dificultades técnicas derivadas del almacenamiento y transporte de hidrógeno incentivan la búsqueda de nuevas soluciones tecnológicas, como, por ejemplo el uso de portadores químicos que permiten almacenar de forma segura en su composición química hidrógeno de origen renovable (eventualmente generado durante épocas o momentos de baja demanda) y extraerlo cuando sea necesario. En este contexto, el amoniaco es altamente atractivo para ser usado como molécula portadora de hidrógeno debido a su mayor densidad energética, estructura libre de carbono y existencia de sistemas de almacenamiento y transporte bajos. En el momento cuando se requiera recuperar el hidrógeno almacenado, la molécula de amoniaco se descompondría en este compuesto y nitrógeno mediante una reacción química relativamente sencilla, aunque posteriormente sería necesario disponer de una etapa de purificación, especialmente si el hidrógeno va a emplearse en dispositivos como pilas de combustible, en donde se requiere una alta pureza de éste. Ambas etapas pueden llevarse a cabo simultáneamente en dispositivos conocidos como reactores de membranas, aumentando la conversión de amoniaco respecto a un reactor convencional (o manteniéndola a condiciones de operación más favorables) debido a la separación in-situ del hidrógeno generado gracias a la elevada selectividad de la membrana y el consecuente desplazamiento del equilibrio químico del proceso hacia los productos de reacción. Esta alternativa tecnológica permitiría la intensificación del propio proceso, proporcionando ventajas importantes en términos, no solo de operatividad, sino en el número de equipos implicados o menor tamaño de la instalación, lo que tiene una repercusión directa en la economía del proceso. Ante un previsible aumento de empleo de este tipo de reactores, el presente trabajo se basa en la creación de un modelo matemático en Matlab R2023b integrado con el software de simulación AspenPlus V12.1 en el que se simulen las condiciones y los resultados obtenidos con un reactor catalítico de membranas y se comprueba la validez del modelo creado mediante su comparación con resultados experimentales llevados a cabo en diferentes condiciones de operación obtenidos en bibliografía especializada. De esta comparación se concluye que el modelo construido reproduce adecuadamente los resultados de conversión y pureza, mientras que los resultados de recuperación presentan una mayor desviación. Esta desviación puede deberse al fenómeno de polarización por concentración observado en ensayos de laboratorio y no considerado en esta primera aproximación del modelo de cálculo, que se basa en la capacidad máxima teórica que podrían ofrecer este tipo de dispositivos. Sin embargo, el modelo puedo resultar de gran utilidad para realizar un primer análisis de multitud de situaciones y condiciones de operación en las que pudiera plantearse aplicar esta tecnología, reduciendo así el número de casos a estudiar de forma rigurosa con un mayor grado de detalle. Por último, para demostrar de forma práctica la aplicabilidad del modelo de cálculo construido y su utilidad, se ha procedido al estudio de un caso práctico en el que se pretendía hacer uso de esta tecnología para generar recuperar el hidrógeno almacenado en forma de amoniaco y abastecer una flota de 10 autobuses urbanos de pila de combustible, como los adquiridos por la Empresa Municipal de Transporte (EMT) de Madrid.