Pirolisis de metano en reactores de lecho empacado: Modelado cinético, simulaciones numéricas y perspectivas experimentales

La pirolisis de alimentaciones hidrocarburadas como el metano (CH4) y el gas natural surge como un proceso clave de producción de hidrógeno (H2) a gran escala y libre de dióxido de carbono, combinado con la captura de carbono como material sólido. Para entender a fondo y escalar, la compleja cinética y dinámica de este proceso en reactores técnicamente relevantes como lechos empacados y móviles aún necesita ser explorada, particularmente en lo que respecta a la formación de carbono y su impacto en el rendimiento del reactor. Este estudio integra modelado cinético, simulaciones numéricas y hallazgos experimentales para comprender de manera integral la pirolisis de CH4 bajo condiciones relevantes para la industria y sus implicaciones para una producción eficiente de H2 y captura de carbono. La investigación abarca temperaturas desde 1273 K hasta 1873 K, adición de H2 con relaciones H2:CH4 de 0 a 4 y tiempo de residencia en la zona caliente de 1 a 7 s. Dos caminos distintos conducen a la formación de carbono: la formación de hollín y la deposición de carbono. Cada camino se origina a partir de diferentes precursores en fase de gas. Un mecanismo de reacción en fase de gas basado en pasos elementales se acopla con un modelo de formación de hollín de hidrocarburos aromáticos policíclicos y un modelo de deposición recientemente desarrollado de hidrocarburos ligeros. Se realizan simulaciones numéricas en un modelo de reactor de lecho empacado, incorporando un método de momentos para la formación de hollín y un modelo para la deposición de carbono. El modelo se evalúa frente a experimentos y predice los efectos de las condiciones de operación sobre la distribución de productos en fase de gas y la formación de carbono. También estima el cambio en la voidage del lecho a lo largo del tiempo operacional. El estudio revela que a la temperatura de 1673 K, la conversión de CH4 excede el 94 %, mientras que tanto los rendimientos de H2 como de carbono sólido superan el 96 %. El sofisticado marco de modelado y simulación presentado aquí proporciona así una comprensión mejorada del proceso de pirolisis de CH4 y presenta una herramienta valiosa para optimizar este proceso.