Análisis del límite fluido-dinámico de la mezcla de gases- sólido (h2/co –catalizador) en microrreactores para la producción de líquidos vía fischer tropsch

Abstract

El aprovechamiento idóneo y sustentable de los residuos agroindustriales y la alta demanda de recursos fósiles es uno de los grandes retos a los que se enfrenta actualmente la ciencia en el mundo. Una solución para estos grandes desafíos es la obtención de combustibles sintéticos, de productos químicos y de productos de alto valor agregado. En este sentido, la transformación termoquímica de estos residuos agroindustriales y la posibilidad de mezclarlos con carbón y/o con otro tipo de residuos se convierte en un tema transcendental de estudio. La transformación termoquímica de recursos sólidos mediante gasificación, permite la generación de un gas rico en hidrógeno (H2) y monóxido de carbono (CO), obteniendo una relación H2/CO que se utiliza en diferentes aplicaciones. Una de ellas se relaciona con el descubrimiento hecho por Fischer y Tropsch a inicios del siglo XX, la cual la mezcla de los gases H2 y CO, se convierten en los precursores para generar monómeros de hidrocarburos sintéticos; estos se transforman en cadenas de mayor peso molecular, sustituyendo los hidrocarburos derivados del petróleo. Este proceso en el cual el gas de síntesis, entra en contacto con el catalizador formando hidrocarburos de diferentes pesos moleculares, se le denomina Síntesis de Fischer Tropsch (SFT) Para llevar a cabo la SFT, se debe tener en cuenta el estudio de variables críticas como son la temperatura y presión, que deben estar controladas en un rango con una variación mínima, tener una relación H2/CO determinada, garantizar que se dé el contacto de la mezcla de gas H2/CO con el catalizador y un enfriamiento rápido a las condiciones de condensación de los gases obtenidos de la SFT; estas condiciones se pueden lograr mediante el diseño de reactores especiales denominados microrreactores. Para disminuir los costos de experimentación, es importante modelar el proceso antes de diseñar y construir el microrreactor, permitiendo predecir el comportamiento de las variables más significativas y obtener parámetros de diseño apropiados. Por lo anterior, en la presente investigación se desarrolló un modelo matemático, que tiene en cuenta el comportamiento fluidodinámico y la cinética de la reacción, en el instante donde el gas entra en contacto con el catalizador. El modelo matemático, se planteó basado en las ecuaciones de balances de materia, energía y cantidad de movimiento.; La cinética que no estaba dentro de las subrutinas estándar del Ansys Fluent para el catalizador de Ruhrchemie (catalizador comercial); se programó mediante una UDF (función definida por usuario) en lenguaje C. El aporte significativo de la tesis está centrado en el nuevo microrreactor desarrollado, a partir del estudio del comportamiento fluidodinámico cuando entra en contacto el gas con el catalizador, mediante un modelo de fluidodinámica computacional (CFD), con una cinética acoplada, el cual permitió validar experimentalmente la producción de hidrocarburos con un rendimiento del 52% y con una distribución de productos de cadenas largas de C6 a C34.y se obtuvo con un microrreactor cilíndrico que favorecia el contacto de forma radial y axial y se trabajó con una temperatura de 320°C una presión de 8 bar y una relación de H2/CO 2:1.

Abstract: The ideal and sustainable use of agro-industrial waste and the high demand for fossil resources is one of the major challenges facing the world today. To solve these great challenges, it is necessary to obtain new fuels, chemical products and products of considerable added value. In this sense the processing of these agroindustrial residues and the possibility of mixing them with coal via thermochemical processing is considered as a technically viable alternative. The thermochemical processing of solid resources through gasification allows the generation of a gas rich in H2 and CO under conditions that can be oriented for different applications. One of them relates to the discovery made by Fischer and Tropsch in the early twentieth century, in which H2 and CO become the precursors to generate hydrocarbon monomers, which can then be converted into higher molecular weight chains as a substitute of hydrocarbons derived from petroleum. The Fisher Tropsch synthesis (SFT) process requires controlled temperature and pressure conditions in a narrow range, intimate contact between the precursor gas and the catalyst, an appropriate particle size distribution of the catalyst impregnated in the support, and aneffective and rapid cooling of the reactor. These critical conditions can be achieved by designing very special reactors called microreactors, which require a prior modeling of the process to be carried out. This is done before constructing the reactor in order to obtain a prediction of its behavior. It was developed a mathematical model that takes into account the fluid dynamics of the gas towards the catalyst, the kinetics that account for the product distribution, the degree of conversion in the Fischer-Tropsch processes and the effects of the gas-solid contact of H2/CO - catalyst. In addition, and considering that the actual distribution of products in the FT synthesis differs significantly from the one that would be estimated thermodynamically, it was developed a mathematical model based on equations of mass, energy and momentum balances with a kinetics for the Ruhrchemie catalyst through the implementation of an UDF. This is a user-defined function that is programmed in Clanguage and is implemented as an additional subroutine to interact with Ansys Fluent and thus be able to simulate the chemical reactions involved in the FT synthesis by using iron as catalyst. Based on the developed mathematical model, a new microreactor for the Fisher Tropsch Synthesis process (SFT) was designed and built for continuous operation, avoiding the process stop by replacing catalysts, substantially improving the heat and mass transfer. For the performance evaluation of the microreactor a premixed gas of composition 64% H2, 32% CO and 4% N2 was used, which simulates a synthesis gas that is reported in the literature. The synthesis, preparation, characterization (structural analysis, morphological and particle size distribution) and activation of the iron catalyst (by the TPR technique) were carried out within the experimental strategy. The promoter variations were evaluated using the Friedman iso-conversional method and the Malék method, the kinetic coefficients of and the activation energies were obtained in order to select the best catalyst and the appropriate temperature conditions for the SFT. The significant contribution of the thesis is focused in the new microreactor developed from the study of gas-solid contact using a computational fluid dynamics (CFD) model with coupled kinetics, which allowed the production of hydrocarbons with a yield of 52% and a distribution of products with hydrocarbons having molecular weights up to 30.