Análisis termodinámico y cinético comparativo del tri-reformado de metano para la producción de gas de síntesis: un enfoque de simulación de procesos

Resumen

La creciente concentración de gases de efecto invernadero, principalmente metano (CH₄) y dióxido de carbono (CO₂), resalta la necesidad de tecnologías avanzadas de captura y utilización de carbono (CCU). El reformado triple de metano (TRM, por sus siglas en inglés) ha surgido como una vía muy prometedora para valorizar estos gases, convirtiéndolos en gas de síntesis (syngas, una mezcla de H₂/CO), una materia prima crítica para la industria química. Este estudio desarrolla y aplica un marco integral de simulación de procesos para evaluar sistemáticamente el proceso TRM, abordando la brecha existente en la literatura sobre la comparación rigurosa entre los límites termodinámicos y el rendimiento cinético real bajo diferentes composiciones de alimentación. Utilizando el simulador de procesos DWSIM (versión 8.1.2), se realizó un análisis comparativo empleando dos modelos de reactor distintos: un modelo de reactor de Gibbs para determinar los límites de equilibrio termodinámico y un modelo cinético de Reactor de Flujo Pistón (PFR) para evaluar el rendimiento en condiciones prácticas. La investigación evaluó tres composiciones de alimentación diferentes, variando las relaciones molares, con el objetivo de identificar criterios de optimalidad basados en: (1) máxima conversión conjunta de CH₄ y CO₂, (2) supresión de la formación de coque, (3) producción eficiente de syngas ajustable, y (4) balance energético favorable. El análisis termodinámico identificó una ventana de operación óptima entre 800 K y 900 K a presión atmosférica, donde las conversiones de reactivos se maximizan y se suprimen las reacciones secundarias formadoras de coque. El análisis cinético reveló que una composición de alimentación ideal (fracciones molares de: CH₄= 0,545, CO₂= 0,182, H₂O =0,091) logra una conversión de metano del 33,0% y produce syngas con una relación molar H₂/CO de 3,0 a 800 K, representando el mejor equilibrio entre conversión y selectividad. Finalmente se evaluaron los perfiles térmicos y de composición a lo largo del reactor evidenciando la formación de syngas y el consumo acelerado de metano en el proceso de Tri-reformado. Este trabajo proporciona una metodología computacional robusta para optimizar las condiciones de alimentación del TRM y producir gas de síntesis con composiciones ajustables, ofreciendo perspectivas valiosas para el diseño conceptual y el escalado de reactores para una producción química sostenible.