Banco de pruebas móvil para el análisis cinético Power-to-X de alta resolución

Visión resuelta en el tiempo y en el espacio del reactor

23.03.2022 - Alemania

La conversión de energía renovable en fuentes de energía química mediante los llamados procesos Power-to-X está adquiriendo un papel cada vez más importante en la transición energética de Alemania. Como fuentes de energía a largo plazo, fáciles de transportar y de gran capacidad, las PtX maximizan el potencial de las energías renovables y permiten la transformación completa de todos los sectores (energía/transporte/agricultura/edificios). Las futuras plantas de PtX se construirán principalmente en regiones remotas que ofrezcan un alto potencial de energías renovables, o incluso en alta mar. Para que estos procesos químicos sean posibles en condiciones tan exigentes, son necesarios reactores de síntesis y estrategias de funcionamiento innovadores.

En el Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE se ha desarrollado un banco de pruebas de uso universal para investigaciones cinéticas, con el fin de analizar las reacciones catalíticas de lecho fijo en condiciones dinámicas de funcionamiento. El sistema "KISS", compacto y móvil, también puede utilizarse in situ en regiones remotas.

El banco de pruebas KISS (Kinetic Investigations and Screening Setup) desarrollado en el Fraunhofer ISE permite la medición espacialmente resuelta de los perfiles de concentración y, al mismo tiempo, la monitorización de alta resolución del perfil de temperatura axial. Para ello se utiliza un sistema de medición de fibra óptica y un sistema de muestreo de válvulas multiposición junto con un espectrómetro infrarrojo dinámico por transformada de Fourier (FTIR). "En comparación con los reactores cinéticos tradicionales, el KISS es único en cuanto a la velocidad de las campañas de medición, así como al perfecto control de la temperatura del reactor, incluso cuando el proceso de síntesis genera mucho calor", explica el Dr. Ouda Salem, Jefe del Grupo Power to Liquids del Fraunhofer ISE. En el KISS se pueden investigar las reacciones tanto en la fase gaseosa como en la líquida. Gracias a los materiales de alto rendimiento utilizados, el KISS puede utilizarse incluso en condiciones de síntesis termoquímicas difíciles, lo que permite la investigación cinética de una variedad de productos PtX como el metanol, el éter dimetílico, el éter oximetilénico, los combustibles de aviación y el amoníaco. Esto es de interés para las empresas que desarrollan nuevos catalizadores o procesos químicos, así como para las instituciones de investigación.

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Visión espacial y temporal del reactor

El núcleo del sistema es un reactor de perfil que permite la medición dinámica de los perfiles de concentración y temperatura. Mediante el acoplamiento de puntos de muestreo axiales con análisis FTIR dinámicos, la composición del producto puede analizarse en siete posiciones a lo largo del reactor. Así, todos los parámetros de reacción relevantes se determinan de forma resuelta en el tiempo y en el espacio. Pueden desarrollarse modelos cinéticos de alta precisión, incluso para redes de reacción complejas.

En combinación con la unidad de análisis dinámico, la amplia automatización del banco de pruebas (funcionamiento 24 horas al día, 7 días a la semana) permite realizar campañas de medición en un tiempo mínimo. Además de las mediciones cinéticas, el KISS también es adecuado para realizar mediciones a largo plazo y mediciones con componentes que podrían dañar el catalizador e inhibir la reacción. Esto aportará nuevos conocimientos sobre el comportamiento de desactivación de los catalizadores.

Simulación y experimentos en una sola plataforma

Una amplia plataforma de simulación permite procesar los datos experimentales y compararlos con los modelos cinéticos existentes. Así, los resultados experimentales y el rendimiento de los nuevos catalizadores pueden compararse con el estado de la técnica. Los nuevos modelos cinéticos pueden ser regresivos sobre la base de los datos del perfil medido. Al combinar los datos de medición del experimento con el software de simulación, se puede aplicar a escalas de producción mucho mayores y, en consecuencia, a vías de PtX mucho más rentables.

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El banco de pruebas ya se ha utilizado con éxito para la síntesis de DME. En este caso, la reacción tiene lugar en la fase líquida a una temperatura de reacción moderada, lo que crea nuevas oportunidades para la intensificación del proceso y la producción energéticamente eficiente. Durante la campaña de medición, se produjo una contracción dinámica inesperada del lecho catalítico con el catalizador investigado. "Gracias a la tecnología de medición por fibra óptica, la contracción se cuantificó de forma resuelta en el tiempo, basándose en el cambio del perfil de temperatura en el reactor y, como resultado, se incluyó en la modelización. Esto subraya el valor añadido del KISS en comparación con los bancos de pruebas cinéticos tradicionales", informa Malte Semmel, estudiante de doctorado del grupo Power to Liquids.

Actualmente, el banco de pruebas se utiliza para investigar la síntesis de amoníaco en un proceso PtX. El objetivo es investigar nuevos materiales catalizadores más activos, como los catalizadores basados en rutenio. "Ofrecen la posibilidad de realizar la reacción en condiciones de reacción mucho más suaves. Utilizando la técnica de medición descrita y combinándola con la simulación cinética de la reacción, se pueden desarrollar y validar modelos cinéticos de reacción para nuevos catalizadores incluso en estas condiciones difíciles", explica Thomas Cholewa, desarrollador del sistema KISS y estudiante de doctorado en el Grupo PtL. "Como resultado, la investigación podrá hacer una importante contribución a la comprensión de la síntesis de amoníaco en las condiciones modificadas de las tecnologías PtX".

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