Aplicación de catalizadores basados en fibras a reacciones en fase gas – modelado y experimentación

Abstract

Los catalizadores fibrosos son estructuras prometedoras para aplicaciones en sistemas de reacción limitados por transferencia de calor y masa. Se propone aplicar un catalizador con estructura fibrosa a la reacción de metanación de dióxido de carbono, como reacción de prueba de naturaleza altamente exotérmica. Este sistema de reacción es de gran importancia en tecnologías Power-to-Gas, el almacenamiento de energía eléctrica excedente y aprovechamiento de fuentes renovables. Se prepararon papeles cerámicos catalíticos mediante una técnica estándar de fabricación de papel celulósico. Se estudió en laboratorio el desempeño de los catalizadores en la reacción de metanación de dióxido de carbono. Los resultados de los experimentos de reacción se replicaron empleando un modelo de reactor 1D1D, que incorpora información disponible en literatura sobre fenómenos de transporte en catalizadores fibrosos. La caída de presión y la transferencia de calor son factores limitantes que obstaculizan el desempeño de los catalizadores fibrosos. Mediante simulaciones, se exploraron alternativas para mejorar el comportamiento de transferencia de calor. Las características geométricas de los materiales se variaron para mejorar el rendimiento del reactor. Los catalizadores fibrosos con características seleccionadas se compararon con lechos empacados convencionales, utilizando parámetros de reactores a escala técnica. Los catalizadores fibrosos adecuadamente diseñados mejoran la performance del reactor, proporcionando una operación casi isotérmica y mejorando la utilización del catalizador. Permitirían el uso de reactores compactos con caídas de presión aceptables, y reducirían los costos de inversión en material activo. Los resultados abren las puertas al diseño de catalizadores fibrosos optimizados para los requerimientos de cada proceso.

Fibrous catalysts are promising structures for applications in reaction systems which are limited by mass and heat transfer. It is proposed to apply a fibrous structured catalyst to the methanation of carbon dioxide, as a test reaction of highly exothermic nature. This reaction system is of great relevance for Power-to-Gas technologies, the storage of surplus electricity, and the expliotation of renewable ressources. Catalytic ceramic papers were prepared using a standard papermaking technique for cellulosic paper. The catalysts were tested in carbon dioxide methanation, on a lab scale. The experimental results were replicated with a 1D1D model, which incorporates information available in the literature on transport phenomena in fibrous catalysts. Pressure drop and heat transfer are limiting factors that hinder the performance of the fibrous catalysts. Simulations were performed to study alternatives for improving the heat transfer behavior. The geometric characteristics of the materials were varied to improve the reactor performance. Fibrous catalysts with selected characteristics were compared to conventional packed beds of pellets, using parameters relevant on a technical scale. Adequately designed fibrous catalysts improve the reactor performance, enabling a nearly isothermal operation and improving catalyst utilization. They would enable the use of compact reactors with acceptable pressure drops, and would reduce the inversion on active material. The presented results are a basis for the design of fibrous catalysts optimized to the requirements of specific processes.