Modelo teórico, numérico y experimental de un prototipo de microreactor para la metanación de CO2 como alternativa de tecnología Power-to-Gas

Abstract

En este trabajo de tesis se demostraron las ventajas de los microreactores para la producción de metano a partir de la hidrogenación de CO2, se presentaron modelos derivados de la resolución de los fenómenos de transporte para futuras optimizaciones, y un estudio cinético aplicable en la tecnología Power-to-Gas (PtG). La cinética fue modelada experimentalmente en un microreactor catalítico usando un catalizador 12%Ni/Al2O3, considerando el balance de cantidad de movimiento y continuidad de especies tridimensional. El microreactor constó de 80 microcanales de dimensiones 0,45x0,15x50 (mm3), y 0,04 (mm) de espesor de catalizador. Se realizaron 60 ensayos experimentales por triplicado en diversas condiciones de flujo volumétrico (110, 130 y 140 mL/min), temperatura (275, 300, 325 y 325°C) y presión parcial de reactivos. Los parámetros cinéticos se ajustaron numéricamente utilizando COMSOL Multiphysics 5.6 y Matlab 2021. Se determinó que un modelo cinético de potencia con un exponente cinético bajo (0,1-0,2) es adecuado para representar una amplia gama de datos experimentales de conversión de CO2 (hasta 86%) y rendimiento de CH4 (hasta 86%), y que podría ser útil en aplicaciones de PtG. Se calculó una energía de activación en el rango de 79-97 (kJ/mol). Además, se propuso un modelo analítico riguroso de velocidad basado en la aplicación del método de la transformada finita de Fourier a la ecuación multidimensional de Navier-Stokes, que, no solo permite obtener perfiles de velocidad precisos tanto en la zona catalítica como hueca dentro de los canales de un microreactor utilizado para la metanación de CO2, sino que también constituye una herramienta robusta para el futuro escalamiento y optimización de la eficiencia catalítica de este proceso. Finalmente, los resultados numéricos mostraron una mayor conversión de CO2 (y H2) a CH4 en condiciones donde prevalecían las fuerzas de difusión, mientras que un aumento en el flujo disminuyó la actividad catalítica cuando se consideraron solo las fuerzas de advección. En régimen laminar, las fuerzas difusivas en un microreactor son superiores a las de un reactor convencional debido a su configuración (alta relación superficie/volumen y número de microcanales), lo que representa una ventaja comparativa en la actividad catalítica. Así, esta investigación determinó que el uso de microreactores es una alternativa prometedora para aumentar la conversión de H2 en CH4, y así facilitar el almacenamiento de energía renovable e hidrógeno verde en la infraestructura de gas natural.