Estudios sobre difusión multicomponente y reacción química en un medio poroso: descomposición catalítica del ácido fórmico acoplada a la reacción de desplazamiento del gas de agua Public Deposited
El presente es un estudio teórico y numérico de un sistema hipotético compuesto por dos reactores de tipo tanque agitado interconectados mediante una membrana porosa que permite el intercambio de materia y energía. El caso particular analizado es la descomposición catalítica del ácido fórmico (HCOOH) en fase gas para ambos tanques utilizando distintos catalizadores lo cual da como resultado que en un tanque se produzca H2 y CO2 mientras que en el otro CO y H2O. Se construye un modelo matemático que describe el comportamiento dinámico del sistema basado en la implementación del Dusty Gas Model (DGM), el cual permite describir los mecanismos de transporte producto de las interacciones molécula-molécula así como moléculapared haciendo uso de los conceptos fenomenológicos de difusión multicomponente, difusión de tipo Knudsen y flujo viscoso. Adicionalmente se considera que el medio poroso tiene una actividad catalítica tal que permite que los productos obtenidos en cada tanque intervengan en una reacción química reversible, la reacción de desplazamiento del gas de agua (WGSR, por sus siglas en inglés). Mediante el uso del álgebra y cálculo matricial se introducen expresiones explícitas para los fluxes difusivos multicomponente en balances de materia y energía que permiten tomar en cuenta la dependencia espacial de la matriz de difusividades para el cómputo de perfiles de variables de estado dentro de medios porosos. Este tratamiento matricial es validado a través de la simulación de un experimento de difusión multicomponente llevado a cabo por Duncan y Toor (1962), obteniéndose una desviación relativa aceptable con respecto a las observaciones sin depender de ningún parámetro ajustable. Hecho lo anterior, se procede al análisis del comportamiento dinámico del sistema para la descomposición del HCOOH. Primeramente se estudia el efecto de los parámetros de diseño del medio poroso sobre el transporte de materia en ausencia de reacción química, posteriormente se procede a estudiar el acoplamiento entre la reacción y el transporte así como los efectos de la temperatura sobre el comportamiento del medio poroso. Para ambos casos se presenta un análisis de la estructura numérica de la matriz de difusividades en puntos seleccionados dentro 2 del medio poroso que permite ver el acoplamiento e interacción entre los diversos fluxes difusivos de la mezcla. Los resultados arrojados por la aplicación del DGM al caso particular son comparados con los de un modelo simplificado basado en la ley de Fick. La predicción de fluxes difusivos para las distintas especies en el medio poroso presenta diferencias mínimas entre ambos modelos, no obstante, los fluxes totales de materia así como el desempeño global del sistema presenta grandes diferencias cuantitativas entre los dos modelos, principalmente en la parte transitoria de la operación. Finalmente es analizado el efecto que tienen algunos parámetros de diseño del medio poroso así como de operación del sistema sobre la evolución dinámica del desempeño (conversión de HCOOH y rendimiento de H2). Al ser este un producto final de estudios de maestría en ingeniería química se pretende que sea un ejercicio complejo de abstracción que permita la puesta en práctica de los conocimientos adquiridos así como una reflexión crítica acerca de estos. No obstante, el presente proyecto puede servir de punto de partida para la exploración de un mayor número de sistemas reaccionantes de membrana, ya sea arrojando información para el diseño o bien para la optimización de su desempeño.
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