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Las reacciones catalíticas son fundamentales para el sector energético, ya que se utilizan de forma generalizada para convertir gases naturales corrientes y biomasa en combustibles y productos químicos de alta energía. Un catalizador sólido se pone en contacto con reactivos gaseosos para acelerar la formación de los productos deseados y mejorar drásticamente la eficiencia.
Durante decenios, estas reacciones se han llevado a cabo en reactores de lecho fijo, que se llenan con gránulos de catalizador empaquetados en un orden aleatorio. Este diseño de «lecho empaquetado» limita el potencial de reacción, debido a una tasa lenta de transferencia de calor hacia dentro o hacia fuera del reactor.
«Un aspecto crítico de esos procesos es la gestión del calor de reacción», explica Enrico Tronconi, catedrático de Ingeniería Química en la Universidad Politécnica de Milán. «Para habilitar unidades de procesamiento nuevas, eficientes y compactas como las que se necesitan con urgencia dados los escenarios de energía distribuida, tales obstáculos deben eliminarse», añade.
En el proyecto financiado con fondos europeos INTENT, Tronconi diseñó un nuevo «reactor estructurado» capaz de intensificar la transferencia de calor de los procesos catalíticos y potencialmente hacer que el sector energético sea mucho más sostenible.
«Hemos demostrado tanto mediante experimentos como mediante modelos matemáticos que, si los componentes internos están hechos de un material altamente conductor (como el aluminio o el cobre), podemos esperar una transferencia de calor mucho más eficiente que en lechos empaquetados», afirma Tronconi. «Por ejemplo, se evitarán los “puntos calientes” o “puntos fríos” perjudiciales en el reactor».
Introducción de estructuras internas
Al reemplazar los empaquetados aleatorios de gránulos de catalizador con catalizadores estructurados, como panales o espumas de celda abierta, el reactor aprovecha un mecanismo de transferencia de calor diferente: la conducción de calor en la matriz de la estructura.
Estas estructuras internas, que podrían ser espumas de celda abierta o estructuras impresas en tres dimensiones (3D), pueden activarse catalíticamente recubriéndolas con una capa de catalizador activo, un proceso conocido como «recubrimiento de lavado». De manera alternativa, se podrían empaquetar con partículas de catalizador de un tamaño adecuado para la reacción deseada.
«En ambos casos, la estructura celular altamente conductora garantiza un excelente transporte de calor y una distribución uniforme de la temperatura en todo el reactor, eliminando así el principal cuello de botella del proceso», subraya Tronconi.
Diseño y prueba de las estructuras internas conductoras del reactor
El equipo de INTENT estudió dos generaciones de componentes internos conductores de reactores, comenzando con materiales celulares disponibles en el mercado y luego pasando a una nueva clase de diseños impresos en 3D. A continuación, investigaron estas estructuras como portadores de catalizadores, mediante una metodología innovadora que combina experimentos con modelos computacionales.
En paralelo, los investigadores también estudiaron de forma experimental la aplicación del nuevo concepto de reactor a escala de laboratorio para dos procesos clave: la síntesis de Fischer-Tropsch (FT), que produce combustibles de hidrocarburos limpios; y el reformado con vapor de metano (MSR, por sus siglas en inglés), el método más utilizado y rentable para producir hidrógeno.
El plan original de INTENT también incluía una investigación de catalizadores estructurados aplicados a la reforma solar, utilizando la radiación solar para suministrar calor al MSR. En los últimos años, ha surgido un nuevo concepto que utiliza energía eléctrica procedente de fuentes renovables para suministrar este calor. Por lo tanto, en INTENT, el equipo dirigió sus actividades hacia el estudio de este concepto y diseñó y construyó dos nuevas configuraciones para el funcionamiento del MSR electrificado.
Contribución a un futuro de energía limpia
Gracias a sus resultados prometedores, el trabajo de INTENT sobre la electrificación de MSR atrajo de inmediato la atención de una importante empresa energética italiana. En la actualidad, el equipo está trabajando de manera conjunta en el desarrollo de una unidad eMSR para la producción a pequeña escala de hidrógeno con bajo contenido de carbono.
Según Tronconi, INTENT ha demostrado de forma categórica que la aplicación de componentes internos de reactores celulares térmica y eléctricamente conductivos presenta un gran potencial para la intensificación de los procesos catalíticos.
«En vista de la aceleración actual de la transición energética, la necesidad de tal intensificación es incluso mucho mayor hoy en día que cuando se concibió originalmente el proyecto, hace siete años».