Intensificación_de_Procesos_para_una_Industria_Química_más_sostenible

Intensificación de Procesos para una Industria Química más sostenible

Amaya Arteche / Enrique Ipiñazar Área de Biorrefinería y Valorización de Recursos

©TECNALIA RESEARCH & INNOVATION. All rights reserved.

Barcelona, 30 de septiembre de 2014

Índice

1. Breve Presentación de Tecnalia 2. ¿Qué es la Intensificación de Procesos? 3. Algunos ejemplos. 4. Proyectos en curso de TECNALIA en Intensificación

de Procesos. 5. Contacto

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Organizados en 7 Divisiones de Negocio: trabajamos desde la experiencia y la especialización en cada uno de los mercados en los que operamos, con una actitud eficiente y proactiva.

TECNALIA Modelo de Negocio


ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE: Retos y Líneas de Investigación

Redes Eléctricas Inteligentes

Almacenamiento y Movilidad Eléctrica Energías Renovables

Energía en el Mar

Energía Solar

Ciudades y Territorios Sostenibles y Resilientes

Sistemas de Predicción

Ciclo del Agua

Energía y

Medio Ambiente

El Sistema Energético de Futuro

Medio Ambiente y Cambio Climático

La Sostenibilidad como

megatendencia

Nuevos Materiales para una Economía Baja en Carbono

Biorrefinería , Bioenergía y Valorización de CO2

Uso Eficiente de los Recursos Valorización de residuos

Eficiencia Energética

Despejando Incertidumbres Asociadas al Tiempo y al Clima

BIOREFINERY GROP’S MAIN LINES OF WORK

Biomass Transformation Processes: (Thermochemical & Biochemical Processes) Development of specific catalysts Production of biogas, syngas & H2 Microalgae Development of processes to obtain platform molecules and their byproducts Processes to obtain biomonomers and biopolymers by not conventional ways “market-driven Process Intensification in Refinery and Bio-refinery (Novel reactors for biodiesel production via FTS)

Índice




ASPECTOS CLAVE PARA LA SOSTENIBILIDAD DE LA INDUSTRIA QUÍMICA

Disponibilidad y seguridad de recursos Crecimiento demográfico y económico sin

precedentes en países emergentes. Seguridad en procesos Competitividad en costes Medio Ambiente (reducción de GEIs) Aspectos sociales. Imagen pública

El 23% de los recursos energéticos lo consume el 5% de la población mundial


Trabajar en condiciones de Eficiencia Extrema requiere INTENSIFICAR LOS PROCESOS

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Tendencia emergente de la Ingeniería Química La intensificación de procesos es un concepto que se refiere a la puesta en marcha de equipos y/o métodos para “producir más con menos” y conseguir así mejores resultados desde el punto de vista ambiental, económico y social. Miniaturización de plantas Químicas

Definición:

Intensificación de Procesos para impulsar la eficiencia


ELEMENTOS de INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS IN

TEN

SIFI

CACI

ÓN

DE

PRO

CESO

S

EQUIPOS (Hardware)

Reactores Spinning Disk Reactor

Static mixer reactor Microreactor

Equipos para operaciones sin reacciones

Static mixer Compact heat exchanger

Rotating packed bed Centrifugal absorber

MÉTODOS (Software)

Reactores multifuncionales

Heat integrated reactor

Reactive separation Reactive extrusion

Separación Membrane adsorption Membrane distillation Adsorptive distillation

Fuentes de energía alternativas

Ultrasound Solar Energy Microwave

Electric field

Otros Plasma technology Supercritical fluid


VENTAJAS DE LA INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS

1. Mejora en costes: reducción en CapEx y OpEx ~ 20-80% 2. Ahorro en consumos energéticos: 20-85% . 3. Mejora en la eficiencia y aprovechamiento de recursos: > 10% de aumento

en rendimientos y selectividades 4. Mejora el Control y la Seguridad de los procesos: stockaje necesario de

productos peligrosos se puede reducir entre 10-1000 veces 5. Se obtienen productos con propiedades que no son posibles con las

tecnologías convencionales (tamaños de partículas, estructuras cristalinas,…)

27 m

Oscillatory Baffle Flow Reactor (NiTechSolutions)

: • Espacio (20 veces) • Tiempo proceso (20 veces) • CAPEX (2 veces) • Consumo energético y generación residuos • Defectos

Reducción

Índice




EJEMPLOS. CASOS PRÁCTICOS

Muchas de las tecnologías basadas en Intensificación de Procesos se aplican combinando operaciones unitarias simples sobre un dispositivo de uso múltiple.

Ejemplo 1: Un único dispositivo microestructurado se utiliza para llevar a cabo: • Reacción, • Intercambio de calor, • Mezcla de reactivos y/ o productos

intermedios • separación de productos



Ejemplo 2: Microondas pueden ser empleadas para • Reacción de síntesis,

• Post-Procesado de polímero (curado, welding,…),

• Procesos en alimentación

(pasteurización, secado,…)



Ejemplo 3: Un lecho empacado rotativo interviene en las etapas de: • Reacción, • Destilación • Absorción • Stripping, • Formación de nanopartículas

Índice




Reactor Micro-y Mili-estructurado

Dispositivo microestructurado en el que las reacciones químicas se llevan a cabo de una manera continua.

Estructuras 3D-rígidas empleadas como cámara de reacción, fabricadas en

material metálico, cerámico o polimérico, provistas de canales paralelos en la micro o milímetro por los que puede pasar un fluido. El ancho en la superficie lateral es el suficiente para que se puede depositar un catalizador.

Reducción de CapEx y OpEx Aumento de la relación superficie/volumen (Reactor microcanales: 10.000 a 50.000 m2/m3, Equipo convencional de laboratorio:

1000 m2/m3, Equipo industrial convencional : 100 m2/m3) Mayor eficiencia en los procesos de transferencia de calor. Mejor transferencia de masa (el tiempo de mezcla en el rango de milisegundos-nanosegundos) Capacidad de producción flexible

Ventajas de la tecnología de Micro-mili canales aplicada a FTS H2/CO

HC’s + H2O

Cooling

PROYECTOS DE TECNALIA EN INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS


Ventajas de la tecnología CMR aplicada a FTS

Reactor Catalítico de Membrana/ CMR

Dispositivo multifuncional catalítico en el que tienen lugar las etapas de reacción y purificación. Consta de un sustratao metálico o ceramico poroso (con geometría plana o tubular) sobre el que se deposita una membrana de permeabilidad selectiva..

:

Control del ratio H2/CO ratio en la alimentación evitando el agotamiento de no CO en el lecho catalítico. Empleando una alimentación distribuida de hidrógeno con una configuración de reactor de membrana y lecho empacado (Packed Bed Membrane Reactor -PBMR) configuration,

Mejora en la estabilidad del catalizador de FT, mediante la retirada contunua del agua formada empleando el concepto novedoso de milireactor catalítico de membrana (Catalytic Membrane Millireactor CMM),

Control preciso sobre la fraccion de producto deseada (hidrocarburos de cadena larga, diesel y gasolina) mediante:

PROYECTOS DE TECNALIA EN INTENSIFICACIÓN DE PROCESOS


Etapas de fabricación:

Desarrollo de Reactores

Avanzados para FTS.

Hardware construction FT catalyst development Integration Reactor-Catalyst

µR / Microchannel Reactor

CMR / Catalytic Membrane Reactor

Advanced FT

Reactors

Micromachiming Technologies Substrate Surface Pretreatments Microchannel Device

Construction

Integration Reactor-Catalyst

Catalytic Coating Strategy

Microreactor Technology

MRs

Joining Technologies

Membrane Technology

CMRs

Catalytic Membrane Reactor Construction

FT Catalysts Use of commercial or homemade catalysts

(from powders)

Joining Tecnologies

Coating Technologies

Sealing Tecnologies

TECNALIA está desarrollando un proceso novedoso para la fabrícación en una única etapa de módulos no basados en apilamientos.

Placa metálica con microcanales (Unidad Básica de Reacción)

Construcción Reactor de Microcanales

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Micromecanizado Apilamiento Soldadura Construcción perifféricos

Soldadura de perífericos Módulo de microcanales

Módulo de Microcanales

Constiituido por un apilamiento de placas metálicas con canales

realizados medianter micromecanizado .

Las dimensiones de los micorcanales oscilan entre 100 y 5000 µm

Desarrollo de Membranas Ensamblaje Membranas-Componentes Prototipo CMR

Construcción Reactor Catalítico de Membrana

Tecnologías de unión: Soldadura y braseado

Empleo de sellantes especiales

M. Metálica: Tecnologías de Recubrimiento (ELP, CVD & MS-PVD)

M. Cerámica: Tecnologías de Recubrimiento (ELP, CVD & MS-PVD)

Síntesis de materiales microporosos.

Interface substrate-catalyst

Integración Reactor-Catalizador Depositar una capa de catalizador sobre la superficie estructurada del micro-

milireactor. Rellenar el micro-milicanal.

Wall Millireactor

Reaction channel Catalyst Layer

Heat transfer medium Cooling / heating

Dout

Catalyst Layer

Reaction Channel

Membrane (substrate)

Cross-section View

Permeate Side: H2O

Catalytic Membrane Millireactor

Cross-section View

Catalyst Layer

Substrate (metal or ceramic)

Substrate mm

mm

Catalizador de FTS A partir de catalizadores comerciales o basados en formulaciones novedosas.

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“DEsign and Manufacturing of CAtalytic MEmbrane Reactors by developing new nano-architectured catalytic and selective membrane materials” LIDER: TECNALIA 2011- 2015 (Consortium: 18 members)

FTS-CMR Configuration Nº 1 Concept of distributed feeding PBMR Configuration (Packed Bed Membrane Reactor)

FTS-CMR Configuration Nº 2 Concept of H2O removal CMM Configuration (Catalytic Membrane Milli-reactor)

Objectives: i) Develop innovative multifunctional CMR based on new nano-architectured catalysts and selective membranes materials to improve their performance, durability, cost effectiveness and sustainability over four selected chemical processes (ATR, FTS, WGS and OCM). ii) Development of pilot prototypes.

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Amaya Arteche Calvo /Enrique Ipiñazar Alonso Área de Biorrefinería y Valorizción de Recursos

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Intensificación de procesos para una Industria Química más sostenible

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