Energía solar concentrada aplicada a la producción de hidrógeno. 2ª Parte: Procesos y reactores termoquímicos solares.

[Carolina Herradón - Grupo de Ingeniería Química y Ambiental. Universidad Rey Juan Carlos]

La reducción carbotérmica de óxidos metálicos utilizando coque, gas natural y otros materiales carbonosos como agentes reductores hace posible la reducción de óxidos a temperaturas mucho más moderadas que las requeridas de forma exclusivamente térmica.

MxOy + y C → x M + y CO                                                                                             (1)

MxOy + y CH4  → x M + y (2 H2+ CO)                                                                           (2)

La utilización de gas natural como agente reductor combina en un único proceso la reducción de óxidos metálicos con el reformado del gas natural para la co-producción de metales y gas de síntesis (Steinfeld y col. 1998). Las reducciones carbotérmicas de Fe3O4, MgO, y ZnO con C (grafito) y CH4 para producir Fe, Mg, Zn y gas de síntesis, respectivamente, se han llevado a cabo en hornos solares de lecho fijo/fluidizado y reactores tipo vortex (Steinfeld 2005). Estas reacciones son altamente endotérmicas y se completan a velocidades razonables a partir de 1500 K para el Zn y el Fe, y 1800 K para Mg. A continuación, en las figuras 1 y 2,  se muestran dos conceptos de reactor químico solar para obtener Zn mediante las reacciones 1 y 2.

Figura 1. Esquema de un reactor solar de “doble cavidad” para la reducción carbotérmica de ZnO. (Fuente: Instituto Paul Scherrer, Suiza).

Figura 2. Esquema de un reactor solar tipo vortex para la combinación de la reducción de ZnO y el reformado de CH4. (Fuente: Instituto Paul Scherrer, Suiza).

Con la disposición mostrada en la figura 1 la cavidad interna, fabricada en grafito, protege a la ventana a través de la cual se produce el paso de la radiación solar concentrada, de partículas y gases condensables provenientes de la cámara de reacción o de la cavidad externa, que es donde se encuentra la mezcla ZnO/carbón que va a ser sometida al calentamiento por radiación. Sin embargo, en la configuración que se muestra en la figura 2 las partículas de ZnO se introducen en la cavidad del reactor arrastradas por una corriente de gas natural que sigue una trayectoria helicoidal. En este caso la ventana se mantiene limpia mediante un flujo auxiliar de gas que se inyecta de forma radial y tangencialmente en la ventana y en los planos de apertura, respectivamente. La energía absorbida por los reactivos se utiliza para elevar su temperatura hasta 1300 K y para llevar a cabo la reacción (Steinfeld 2005).

Los reactores de irradiación indirecta, como el que se muestra en la figura 1, tienen la ventaja de que se elimina la necesidad de utilizar una ventana transparente. Las desventajas de este tipo de reactores vienen dadas por las limitaciones que imponen los materiales de construcción de las paredes del reactor: máxima temperatura de operación, conductividad térmica, absorción radiante, inercia, resistencia a los choques térmicos e idoneidad para la operación en estado transitorio.

Por su parte, los reactores de radiación directa, como los que se muestran en las figura 2, proporcionan una eficiente transferencia de calor al lugar de la reacción donde se necesita la energía, evitando de esta forma las limitaciones que supone el transporte de calor por medio de cambiadores de calor. El principal inconveniente se produce al trabajar en atmósferas reductoras o inertes por la necesidad de emplear en estos casos una ventana transparente, que es un componente crítico cuando se trabaja a elevada presión o en atmósferas gaseosas agresivas (Steinfeld 2005). 

Primera parte del artículo:

 http://www.madrimasd.org/blogs/energiasalternativas/2011/06/01/131220

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