Experimental development and modeling of a membrane reactor for the direct synthesis of DME with CO2 valorization

Resumen

Se ha estudiado la síntesis directa de dimetil éter (DME) a partir de sistemas H2+CO+CO2, con un reactor de membrana de lecho fijo (PBMR). El trabajo experimental para el diseño y puesta a punto del reactor ha consistido en las siguientes etapas: selección del material adecuado para la membrana en base a su caracterización; puesta a punto de un método reproducible de cristalización de la membrana sobre un soporte metálico; configuración del sistema reactor-membrana en el laboratorio; adecuación del equipamiento de análisis cromatográfico al nuevo sistema experimental.En base a los resultados se ha evaluado la mejora de las prestaciones respecto al reactor convencional (PBR), justificables por la alteración del equilibrio termodinámico debido a la permselectividad de los componentes del medio de reacción y consiguiente cambio de composición en el reactor.El catalizador utilizado ha sido de CuOZnOZrO2/SAPO-11, y ha sido caracterizado por diferentes técnicas: adsorción-desorción de N2; microscopio de barrido (SEM); espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES); difracción de rayos X (XRD); reducción a temperatura programada (TPR); quimisorción TPR/N2O; desorción a temperatura programada (TPD) de NH3; termogravimetría/calorimetría de la adsorción diferencial de NH3. Su comportamiento en el intervalo de condiciones antes descrito para el PBMR ha sido cuantificado con un modelo cinético que considera lasetapas individuales del esquema de reacción (síntesis de metanol y DME desde CO y CO2, deshidratación de metanol a DME y reacción water gas shift (WGS)), así como la desactivación del catalizador (principalmente con deposición de coque).Se ha establecido un original modelo matemático para la simulación del reactor de membrana, con la membrana LTA seleccionada. El modelo de simulación considera las ecuaciones del modelo cinético y las ecuaciones de transporte de materia para cada componente entre las regiones de reacción y permeado. Este modelo se ha utilizado en primer lugar, para determinar las propiedades de transporte en la membrana, mediante experimentos sin catalizador en la región de reacción. En segundo lugar, y utilizando los parámetros cinéticos y de transporte en la membrana, previamente calculados, se ha realizado la simulación del PBMR, evaluando las ventajas de este reactor respecto al PBR para la producción de DME y oxigenados (DME y metanol) y mostrando la capacidad del propio modelo de simulación para estudios de aumento de escala y para futuros estudios de optimización de estrategias de barrido y recirculación.