Simulación en Matlab, Scilab y GNU Octave del reformado de etanol con vapor de agua para producir hidrógeno en un microrreactor

Abstract

En este trabajo se realizará una simulación en MATLAB, SCILAB (sólo una de las dos pàrtes) y GNU OCTAVE del reformado de etanol con vapor de agua para producir hidrógeno en un microrreactor de sección reactangular con una serie de microcanales con catalizador en su superficie de Paladio y de determinada longitud. En dos microcanales contigüos pasarán una corriente de gases reactivos por uno de ellos y gases de combustión por otro. Los gases reactivos serán vapores de agua y etanol, mientras que los gases de combustión serán vapor de agua, dióxido de carbono, oxígeno y nitrógeno. Los reactivos y los gases de combustión entrarán a distinta temperatura, a mayor la de los combustibles. El producto número de microcanales por el area de sección total es constante de forma que se obtiene una relación entre el número de microcanales con el ancho de microcanal de tipo potencial negativa (a menor ancho de microcanal más número de ellos). Se conoce tanto el número de canales en altura como en anchura del microrreactor, por lo que podemos realizar una aproximación del espesor de aleta que tiene cada microcanal (se desprecia el espesor de catalizador). La relación del espesor respecto del ancho de microcanal es lineal (a mayor ancho de microcanal , mayor espesor de aleta). La sección transversal será siempre constante. Para una temperatura fija de 600 ºC en la entrada de microrreactor se ira variando tanto la temperatura de entrada de los gases de combustión (800ºC, 900ºC y 1000ºC) como el ancho de microcanal (200, 500, 1000, 1500 y 2000 micras), tanto para una configuración, respecto a la entrada de gases, en isocorriente y en contracorriente. Como se verá en las conclusiones el tiempo de residencia es constante para el caso base, tanto para el lado de la reacción como para los gases de combustión, ya que no varía no varía la velocidad de los mismos para una longitud de 80 mm de microrreactor (reactor de flujo pistón). Para su simulación se usó, para el caso de isocorriente, el ode23s en MATLAB, ode23s en GNU OCTAVE y el que posee por defecto SCILAB, ode, y el "método del disparo o shooting" para el caso de la configuración en contracorriente, mediante las funciones bvp4c y bvp5c en MATLAB, no se pudo en SCILAB ya que es muy complejoy en GNU OCTAVE mediante la función bvp4c del paquete odepkg. Las propiedades termofísicas de los reactivos, productos y gases de combustión (densidad, capacidad calorífica, Prandtl, viscosidades y conductividades térmicas) se calcularon mediante el software Engineering Equation Solver para todas las temperaturas necesarias y sus correspondientes regresiones lineales con el programa Microsoft Excel. Las constantes de equilibrio de las reacciones involucradas se determinan mediante un método descrito en Smith (2001) y para contrastar con la aplicación informática Thermosolver de Barnes y Koretsky, dando resultados idénticos. Las reacciones y cinética química usadas son del artículo de López (2012), mientras que el modelo matemático del proceso es de Anzola (2011). Se da un repaso al diseño, modelado y simulación de procesos químicos, al hidrógeno, características, uso y métodos de producción y al reformado de etanol con vapor de agua en sí. Las reacciones reversibles son: • Endotérmica: ◦ Reacción 2, ya que, T aumenta, dT>0 y d(ln K) >0. La constante de equilibrio aumenta. • Exotérmica:. ◦ Reacción 3, ya que, T aumenta, dT>0 y d(ln K)<0. La constante de equilibrio disminuye.