Intensificación de reactor de metanol verde: perfil de temperatura óptimo

Abstract

El constante aumento en las emisiones de CO2 debido al uso de combustibles fósiles, dan pie a buscar nuevas alternativas para la generación de energía. Una opción que engloba el uso de ERNC, captura de CO2 e hidrógeno verde es la producción de metanol, el cual posee una alto contenido energético y se encuentra en estado líquido a condiciones ambientales. La hidrogenación de CO2 para formar metanol se realiza regularmente en reactores multitubulares. Un punto importante para obtener una alta conversión de CO2 es la temperatura de operación, la cual se define para cierta composición de entrada, esta última al ir variando a lo largo del reactor da indicios de que la temperatura óptima pueda variar según el avance de la reacción. El objetivo general es determinar el impacto en el CAPEX y OPEX de la unidad de conversión al utilizar un perfil de temperatura variable en las secciones del reactor, frente a uno homogéneo en la totalidad de este. La investigación se realiza mediante el software Aspen HYSYS V9, donde se simula el comportamiento del reactor multitubular mediante un PFR isotérmico y se compara con la alternativa propuesta siendo cinco PFR en serie con enfriamiento intermedio para mantener la temperatura óptima constante en cada uno de ellos. La estrategia comienza buscando la temperatura óptima para la primera sección del reactor, donde una vez obtenida se realiza el mismo procedimiento para el segundo reactor pero considerando que el primer reactor ya posee su temperatura que maximiza la conversión de CO2, así sucesivamente hasta llegar a la última sección. Esto se realiza para dos casos de alimentación uno concentrado y el otro diluido. Se obtiene que al utilizar un perfil de temperatura variable el largo del reactor disminuye un 20% a diferencia de la alternativa tradicional. No obstante, los costos de inversión aumentan un 160% y de operación en 40% al implementar esta estrategia, por lo que aún es necesario estudiar alternativas distintas para llevar a cabo el perfil de temperatura óptimo, teniendo en consideración de que existe evidencia que al seccionar el reactor y controlar su temperatura es posible disminuir su largo en un porcentaje significativo, obteniendo la misma conversión que utilizando un único reactor isotérmico.The constant increase in CO2 emissions due to the use of fossil fuels calls for the exploration of new alternatives for energy generation. One option that encompasses the use of renewable energy sources, CO2 capture, and green hydrogen is the production of methanol, which has a high energy content and remains in a liquid state under ambient conditions. The hydrogenation of CO2 to form methanol is regularly performed in multitubular reactors. An important factor in achieving high CO2 conversion is the operating temperature, which is defined for a certain feed composition. As the composition varies along the reactor, it suggests that the optimal temperature may vary according to the progress of the reaction. The general objective is to determine the impact on CAPEX and OPEX of the conversion unit when utilizing a variable temperature profile in different sections of the reactor, as opposed to a homogeneous temperature profile throughout. The research is carried out using Aspen HYSYS V9 software, where the behavior of the multitubular reactor is simulated using an isothermal Plug Flow Reactor (PFR) and compared with the proposed alternative of five series PFRs with intermediate cooling to maintain the optimal temperature constant in each of them. The strategy begins by determining the optimal temperature for the first reactor section. Once obtained, the same procedure is applied to determine the temperature for the second reactor section, considering that the first reactor already operates at its temperature that maximizes CO2 conversion. This process is repeated successively until reaching the last section. It is done for two feed cases: concentrated and diluted. It is found that using a variable temperature profile reduces the reactor length by 20% compared to the traditional alternative. However, the investment costs increase by 160% and the operational costs by 40% when implementing this strategy. Therefore, it is still necessary to explore alternative approaches to achieve the optimal temperature profile, taking into consideration the evidence that by dividing the reactor into sections and controlling its temperature, it is possible to significantly reduce its length while maintaining the same conversion as using a single isothermal reactor.