Abstract:
CONDITION FOR PROJECT PUBLICATION. LOHC technologies represent a safe and efficient alternative for hydrogen (H2) storage and transportation. Furfural, derived from lignocellulosic biomass, is a promising compound for this application and for biofuel production, as it can be hydrogenated into tetrahydrofurfuryl alcohol (THFA), a stable, versatile, and high-value product. However, the synthesis of THFA involves a two-step reaction pathway, which depends on the choice of catalyst, solvent, and operating conditions. This study proposes a dual-site kinetic model based on the Langmuir-Hinshelwood mechanism and evaluates the exergetic performance of an integrated furfural hydrogenation process under continuous flow conditions. The Aspen Plus simulation included alkaline water electrolysis for H2 production, catalytic hydrogenation using Ni-Cu/Al in 2-butanol, and product separation via distillation. The kinetic model showed good agreement with experimental data and accurately predicted product distribution. Exergy analysis revealed that the electrolyzer was the main contributor to exergy destruction (23.83 GJ/h), followed by the hydrogenation reactor (9.05 GJ/h) and the distillation column (7.95 GJ/h), with an overall system exergy efficiency of 69.95%. Operating pressure had no significant effect on selectivity or efficiency, while increasing temperature improved both. It is recommended to implement heat recovery technologies to improve overall exergy efficiency, and to evaluate the dehydrogenation pathway to assess the potential of furfural as an LOHC within sustainable biorefinery systems.
Keywords: furfural hydrogenation, exergy, simulation, kinetic model, LHHW, tetrahydrofurfuryl alcohol
Description:
CONDICIONAMIENTO DE PUBLICACION DE PROYECTO. Las tecnologías LOHC representan una alternativa segura y eficiente para el almacenamiento y transporte de H2. El furfural, derivado de biomasa lignocelulósica, es un compuesto prometedor para esta aplicación y para la producción de biocombustibles, al hidrogenarse a alcohol tetrahidrofurfurílico (THFA), un compuesto estable, versátil y de alto valor agregado. Sin embargo, su síntesis involucra una reacción en dos etapas, condicionada por la elección del catalizador, el solvente y las condiciones de operación. Este estudio propone un modelo cinético de sitio dual basado en el mecanismo de Langmuir-Hinshelwood, y evalúa el desempeño exergético del proceso integrado de hidrogenación en condiciones de flujo continuo. La simulación en Aspen Plus incluyó la electrólisis alcalina para la producción de H2, la reacción catalítica con Ni-Cu/Al en 2-butanol, y la separación del producto. El modelo cinético mostró buen ajuste a datos experimentales, y permitió predecir la distribución de productos. El análisis exergético reveló que el electrolizador fue el mayor contribuyente a la tasa de exergía destruida (23.83 GJ/h), seguido del reactor de hidrogenación (9.05 GJ/h) y la columna de destilación (7.95 GJ/h), con una eficiencia global de 69.95%. La presión no afectó significativamente la selectividad ni la eficiencia, mientras que el aumento de temperatura mejoró ambos indicadores. Se recomienda incorporar tecnologías de recuperación de calor para aumentar la eficiencia exergética del proceso global, y estudiar la ruta de deshidrogenación para evaluar el potencial del furfural como LOHC en biorrefinerías sostenibles.