Diseño y simulación de un reactor catalítico de lecho fluidizado para la producción de hidrógeno libre de COx y nanotubos de carbono por descomposición del metano.

La descripción y simulación de la fluidodinámica de un reactor catalítico de lecho fluidizado es un proceso complejo, debido a la multitud de parámetros, variables involucradas y la falta de modelos teóricos fundamentales. Si además, el proceso que se desea analizar es catalítico (descomposición de metano en este caso), conlleva inevitablemente la desactivación del catalizador y la formación de materiales carbonosos nanoestructurados. El reactor va a operar en estado no estacionario debido tanto a la pérdida de actividad del catalizador como a la modificación de las propiedades fluidodinámicas del sólido por la formación de la nanomateriales carbonosos (NMCs, e.g. Nanotubos de carbono-CNTs) sobre el mismo. En este trabajo se ha desarrollado la descripción físico-matemática de un reactor catalítico sólido-gas de lecho fluidizado. El modelo desarrollado está basado en el modelo de tres fases de Kunii-Levenspie (burbuja, nube y emulsión). Al modelo de Kunii-Levenspiel se le ha acoplado una cinética rigurosa de reacción, basada en las etapas fundamentales del mecanismo de reacción: adsorción-carburización de la fase metálica del catalizador, difusión-precipitación del NMC y desactivación del catalizador. El modelo desarrollado ha permitido la simulación y el estudio de la influencia de dos de las principales variables de operación del proceso como son la temperatura de reacción y la composición de alimentación a la entrada del reactor (CH4/H2/N2). No obstante, el programa desarrollado permite estudiar el efecto de otras variables relacionadas, por ejemplo con la actividad intrínseca del catalizador (i.e. con su composición, activación, preparación, textura, etc.), o con las propiedades fluidodinámicas del sólido (densidad, esfericidad) o del gas (densidad, viscosidad). La resolución del modelo global desarrollado en este trabajo es un avance en el diseño, simulación y optimización del proceso de producción de hidrógeno libre de COx y de NMCs de alto valor añadido.