Optimización de carga de catalizador en reactor de hidrogenación de CO2

Abstract

Los cambios acelerados y evidentes que está experimentando el clima del planeta en la actualidad, se deben en gran parte a la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2. El principal rubro que libera estas sustancias es el energético, especialmente las plantas termoeléctricas y el uso de combustibles derivados del petróleo. Dentro de las posibilidades para poder generar un cambio, es optar por combustibles limpios. Además de las energías renovables no convencionales que ya están en uso, se propone el desarrollo de tecnologías que permitan producir combustibles verdes a gran escala. Uno de los que ha tomado relevancia es el hidrógeno verde, obtenido mediante la electrólisis de agua, energizada por ERNC; pero, las limitaciones técnicas asociadas a su almacenamiento y transporte dificultan su masificación. Sin embargo, este puede utilizarse para la producción de combustibles como el metanol. Este alcohol ha tomado relevancia en el último tiempo gracias a su contenido energético y su versatilidad, y puede ser producido utilizando hidrógeno y dióxido de carbono, capturado del aire, o proveniente de efluentes industriales, gracias a la reacción de hidrogenación catalítica de dióxido de carbono. Dicha reacción se realiza en reactores catalíticos multitubulares, específicamente, se investiga la implementación en reactores estructurados, que poseen un catalizador poroso depositado en las paredes de los canales de una estructura monolítica, compuesta de cientos de canales paralelos por donde transita el gas alimentado. El diseño de estos reactores está influido en gran manera por la cantidad de catalizador en su interior. Este puede manipularse por dos vías, el aumento del espesor del recubrimiento catalítico (fw), y el incremento de la concentración de las partículas catalíticas contenidas en este (ρb). Ambas opciones tienen un impacto distinto en el proceso, reflejándose en el desempeño de la reacción. Con el objetivo de determinar la cantidad de catalizador óptima y de qué manera debe distribuirse en el equipo para el proceso en estudio, junto con determinar las condiciones de operación que beneficien el consumo de CO2 y la selectividad de metanol, y la estimación del costo de un reactor piloto, se implementa un modelo CFD bidimensional a escala tubo en el software ANSYS Fluent. En este se emulan las características de un monolito mediante el aproximamiento del continuo, considerando un reactor isotérmico.