Evaluación del proceso de difusión-reacción en estructuras catalíticas generadas a partir de impresión 3D

Abstract

La utilización de la tecnología de impresión 3D se ha incrementado notablemente en los últimos años en diversas áreas, en particular, en el campo de los reactores catalíticos. Se dispone de distintos procedimientos para generar las estructuras 3D que actúan como reactores lo que, sumado a la posibilidad de emplear diferentes tipos de materiales en la impresión, ha ampliado el campo de aplicación de esta tecnología. Si bien existe una gran variedad de procesos estudiados con reactores catalíticos conformados a partir de impresión 3D, resultan de particular interés los de liberación de H2, usado como vector energético, a partir de sustancias empleadas para su transporte, como NH3 o los denominados LOHC, liquid organic hydrogen carriers. Disponiendo del catalizador para un proceso específico, el aporte de la impresión 3D está direccionado a generar estructuras que permitan minimizar, sino eliminar, los procesos de transporte de masa y energía que puedan resultar en un detrimento de la actividad y selectividad intrínseca que tiene el material catalítico. Al mismo tiempo la posibilidad de modelar “ad hoc” dichas estructuras permite minimizar también la pérdida de presión. Disponer de herramientas que permitan evaluar el impacto de los procesos de transporte en las estructuras catalíticas factibles de ser generadas a partir de impresión 3D constituye un requisito esencial a los efectos de diseñar, a través de la simulación, la estructura más adecuada para un dado proceso y plasmarla a través de la impresión. En particular, restringiendo la evaluación al proceso de reacción-difusión en un medio poroso, se debe explorar la capacidad predictiva para el caso de estructuras que, tomando un plano perpendicular a la dirección de flujo en el reactor, constituyen un sistema 2D. El objetivo de esta contribución es evaluar el proceso de difusión-reacción en sistemas 2D, correspondientes a distintas estructuras generadas a partir de impresión 3D. Se analizaron distintas expresiones cinéticas, tomando como base la información presentada por Lucentini para la descomposición de NH3. Los resultados alcanzados mediante la resolución numérica permiten identificar el impacto sobre el factor de efectividad de las diferentes estructuras de acuerdo con la zona de trabajo (variación del módulo de Thiele) y la expresión cinética utilizada. Asimismo, se analizaron alternativas 1D que permiten estimar el factor de efectividad de una forma simplificada, conservando un buen nivel de precisión en los sistemas estudiados.