Medida no invasiva del campo térmico en el interior de un reactor químico heterogéneo

Dibujo20131023 temperature mapping - 2D NMR signal-to-noise ratio mpas - gas-phase thermal maps ptNP

El diseño de los reactores químicos heterogéneos en los que conviven fases sólidas y gaseosas es muy complicado por el acoplo entre la transferencia de calor y masa, y la cinética de la reacción química (normalmente catalizada). Las simulaciones por ordenador son muy complicadas, pero la observación experimental (medir la temperatura del gas sin perturbar el fluido) es muy difícil. Se publica en Nature una nueva técnica de termometría por resonancia magnética nuclear (RMN) que permite medir el campo de temperatura de forma no invasiva. El mapa térmico logrado tiene errores menores del cuatro por ciento, lo que permite localizar puntos calientes y fríos en el interior de los reactores gas-sólido catalizados. Para los que hemos trabajado en la simulación numérica de estos reactores, poder comparar los resultados con medidas reales no invasivas es una oportunidad única para validar nuestro trabajo. El artículo técnico es Nanette N. Jarenwattananon et al., “Thermal maps of gases in heterogeneous reactions,” Nature 502: 537–540, 24 Oct 2013.

Dibujo20131023 ptnp reactor system - thermal map - numerical calculation of heat flux

La termometría RMN se basa en la medida de los tiempos de relajación de los espines nucleares (de los átomos con un número impar de nucleones) y hasta ahora se había aplicado a reactores heterogéneos líquido-sólido, pero el nuevo trabajo la extiende a reactores gas-sólido y líquido-gas-sólido. Su mayor limitación es que, por ahora, la temperatura se mide sólo en el rango entre 303 y 413  K. Pero el nuevo método es robusto ante factores como la presión, la composición del gas, el tipo de reactor, el tipo de catalizador, la velocidad de reacción y la conversión en estado estacionario. Por ello, en principio, la técnica es aplicable a la mayoría de las reacciones químicas de interés industrial.

Dibujo20131023 Thermal map of gases in an operating catalytic microreactor - nature com

La termometría RMN explota que la fase de los espines nucleares cambia al azar cuando se aplica un campo magnético débil (1 T/cm). Este cambio se incrementa conforme crece la temperatura porque se acelera el movimiento de las moléculas del gas dentro del reactor químico. Estas variaciones de la fase de los espines se analizan utilizando el espectro de Fourier, donde aparecen como picos a cierta frecuencia. La anchura de estos picos depende de la temperatura, siendo más pequeña a mayor temperatura (en la siguiente figura la anchura se denomina FWHM, del inglés Full-Width at Half-Maximum).

Dibujo20131023 Temperature mapping by motional averaging - nature com

Mediante termografía RMN se puede obtener un mapa tridimensional de la temperatura dentro del reactor a basa de cortes planos (similares a los TAC que se usan en medicina). Por ahora el problema mayor es que sólo se observa la región con temperatura entre 300 y 400 K (más o menos). Los resultados se han validado comparándolos con medidas invasivas en un reactor experimental en el que propileno e hidrógeno reaccionan para formar propano; este reactor es un pequeño cilíndrico con una longitud de 10 mm. El método necesita de una fase de calibración usando medidas invasivas. La calibración transforma las anchuras (FWHM) en una escala absoluta de temperaturas. Una vez obtenido el mapa de temperaturas, utilizando métodos numéricos (diferencias finitas) se puede obtener el mapa del flujo de calor.