Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context

112 páginas

Autores:: Ortiz Laverde, Santiago

Tipo de recurso:

Fecha de publicación:: 2021

Institución:: Universidad de la Sabana

Repositorio:: Repositorio Universidad de la Sabana

Idioma:: eng

id	REPOUSABA2_9a08debd2798d2288adb93826b8f3cc9
oai_identifier_str	oai:intellectum.unisabana.edu.co:10818/47654
network_acronym_str	REPOUSABA2
network_name_str	Repositorio Universidad de la Sabana
repository_id_str
dc.title.es_CO.fl_str_mv	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context
title	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context
spellingShingle	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context Diseño asistido por CFD Formación de puntos calientes Power-to-Methane Reactor de Lecho Fijo Intensificación de procesos Combustibles fósiles Gas natural Compuestos de carbono
title_short	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context
title_full	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context
title_fullStr	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context
title_full_unstemmed	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context
title_sort	Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context
dc.creator.fl_str_mv	Ortiz Laverde, Santiago
dc.contributor.advisor.none.fl_str_mv	Figueredo Medina, Manuel Alfredo Rengifo Gutiérrez, Camilo Cobo Ángel, Martha Isabel
dc.contributor.author.none.fl_str_mv	Ortiz Laverde, Santiago
dc.subject.other.spa.fl_str_mv	Diseño asistido por CFD Formación de puntos calientes Power-to-Methane Reactor de Lecho Fijo Intensificación de procesos
topic	Diseño asistido por CFD Formación de puntos calientes Power-to-Methane Reactor de Lecho Fijo Intensificación de procesos Combustibles fósiles Gas natural Compuestos de carbono
dc.subject.armarc.spa.fl_str_mv	Combustibles fósiles Gas natural Compuestos de carbono
description	112 páginas
publishDate	2021
dc.date.accessioned.none.fl_str_mv	2021-06-01T15:36:52Z
dc.date.available.none.fl_str_mv	2021-06-01T15:36:52Z
dc.date.issued.none.fl_str_mv	2021-05-10
dc.type.es_CO.fl_str_mv	masterThesis
dc.type.coarversion.fl_str_mv	http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
dc.type.coar.fl_str_mv	http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc
dc.type.hasVersion.es_CO.fl_str_mv	publishedVersion
dc.identifier.uri.none.fl_str_mv	http://hdl.handle.net/10818/47654
dc.identifier.local.none.fl_str_mv	282068 TE11298
url	http://hdl.handle.net/10818/47654
identifier_str_mv	282068 TE11298
dc.language.iso.es_CO.fl_str_mv	eng
language	eng
dc.rights.*.fl_str_mv	Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional
dc.rights.coar.fl_str_mv	http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.uri.*.fl_str_mv	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
rights_invalid_str_mv	Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacional http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.format.es_CO.fl_str_mv	application/pdf
dc.publisher.es_CO.fl_str_mv	Universidad de La Sabana
institution	Universidad de la Sabana
bitstream.url.fl_str_mv	https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/1/Thesis%20Santiago_Ortiz%20%282021%29.pdf https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/2/license_rdf https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/3/license.txt https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/4/Formato%20de%20autorizacion%20de%20divulgacion%20RI%20trabajos%20de%20grado%20V2bk.pdf
bitstream.checksum.fl_str_mv	56335aafa6d98064ee15461f75055dd4 4460e5956bc1d1639be9ae6146a50347 f52a2cfd4df262e08e9b300d62c85cab b84add089c4272bab65e8bfcb6e60aae
bitstream.checksumAlgorithm.fl_str_mv	MD5 MD5 MD5 MD5
repository.name.fl_str_mv	Intellectum Universidad de la Sabana
repository.mail.fl_str_mv	contactointellectum@unisabana.edu.co
_version_	1766695370841128960
spelling	Figueredo Medina, Manuel AlfredoRengifo Gutiérrez, CamiloCobo Ángel, Martha IsabelOrtiz Laverde, Santiago2021-06-01T15:36:52Z2021-06-01T15:36:52Z2021-05-10http://hdl.handle.net/10818/47654282068TE11298112 páginasThe idea of a sustainable future has led to the exclusion of fossil fuels from development policies and the inclusion of low-carbon alternatives instead. The strategy must be holistic, as proposed by the carbon capture and utilization technologies alongside renewable energies. An example is converting CO2 into value-added products, such as CH4 or Synthetic Natural Gas (SNG), using surplus power of renewable alternatives, in a low-carbon footprint process. The chemical route for the synthesis of SNG from CO2 and H2 is a catalytic reaction known as CO2 methanation or Sabatier reaction. The methanation is an example of CO2 capture and utilization technologies' industrial application within the so-called Power-to-Methane (PtM) context. In this scenario, fixed bed reactors have been the reaction technology employed by default. However, their deficiency in handling the heat released from the highly exothermic Sabatier reaction or responding to the process' intermittency appropriately has been demonstrated. These drawbacks have aroused scientific interest in developing reactors better adapted to the PtM context demands. One approach is by intensifying the methanation process to increase the mass- and energy-transfer and improve its transient response. In this project, the phenomenological hot spots formation in fixed bed reactors used for the methanation industrial process was investigated through a parametric sensitivity analysis, simulating the reactor start-up. On the other hand, it was proposed a CFD simulation-aided conceptual design of a wall-coated reactor for the SNG production using an intensification strategy. The design was based on a reactor formed by single-pass and heat-exchanger stacked-plates. The reacting channel dimensions were defined, including the catalytic layer thickness, fulfilling a minimum quality threshold given by the CO2 conversion (≥ 95%). The proposed design was also intended to maximize the volume of processed gas while meeting the quality requirement, resulting in a throughput per reaction channel of ~12 ml/min. Likewise, the plates manifold geometry and dimensions that best promoted a flow rate uniform distribution were established as a function of the number of reacting channels. Finally, a preliminary dynamic analysis of the operation start-up and shutdown was performed, establishing that the designed reactor does not present a hysteresis behaviour, an ideal condition for intermittent environments.La idea de un futuro sostenible ha conllevado a suprimir el uso de combustibles de origen fósil de los planes de desarrollo y por el contrario incluir alternativas con baja huella de carbono. La estrategia debe ser holística, como lo proponen las tecnologías de captura y utilización de CO2 junto con las energías renovables. Un ejemplo es la conversión del CO2 en productos con valor agregado, como el CH4 o Gas Natural Sintético (GNS), utilizando la energía sobrante de las alternativas renovables, en un proceso con baja huella de carbono. La ruta química para síntesis de GNS a partir de CO2 e H2 es una reacción catalítica que se conoce como metanación de CO2 o reacción de Sabatier. La metanación es un ejemplo de aplicación industrial de las tecnologías de captura y utilización de CO2 en lo que también se conoce como el contexto Power-to-Methane (PtM). En ese ámbito, los reactores de lecho fijo han sido la tecnología de reacción utilizada por defecto. Sin embargo, se ha demostrado su incapacidad para manejar el calor liberado producto de la reacción de Sabatier (altamente exotérmica), o de responder apropiadamente a la intermitencia del proceso. Estas dificultades han despertado el interés científico por desarrollar reactores que se adapten mejor a las exigencias del contexto PtM. Una propuesta yace en intensificar el proceso de metanación, incrementando la transferencia de masa y energía además de mejorar su respuesta transitoria. En este proyecto se estudió, por un lado, la formación fenomenológica de puntos calientes en reactores de lecho fijo utilizados industrialmente para el proceso de metanación a través de un análisis de sensibilidad paramétrico, simulando el arranque del reactor. Por el otro lado, se propuso un diseño conceptual asistido por simulación CFD de un reactor de pared recubierta para la producción de GNS a través de una estrategia de intensificación. El diseño partió de un reactor formado por platos apilados de intercambio de calor de un solo paso. Se definieron las dimensiones del canal de reacción, incluyendo el grosor de la capa catalítica, que cumplían con el umbral mínimo de calidad dado por la conversión de CO2 (≥ 95%). El diseño propuesto también tuvo por objeto maximizar el volumen de gas procesado, cumpliendo a la vez con el requisito de calidad, lo que resultó en un rendimiento por canal de reacción de ~12 ml/min. Así mismo se estableció la geometría y dimensiones del colector del plato que mejor favorecían una distribución uniforme de la velocidad del flujo en función del número de canales de reacción. Por último, se realizó un análisis dinámico preliminar del arranque y apagado de la operación, estableciendo que el reactor diseñado no presenta un comportamiento de histéresis, ideal para un entorno con alta intermitencia.application/pdfengUniversidad de La SabanaAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internacionalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2Diseño asistido por CFDFormación de puntos calientesPower-to-MethaneReactor de Lecho FijoIntensificación de procesosCombustibles fósilesGas naturalCompuestos de carbonoDesign of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization ContextmasterThesispublishedVersionhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85http://purl.org/coar/resource_type/c_bdccM. Oh and C. C. Pantelides, “A modelling and simulation language for combined lumped and distributed parameter systems,” Comput. Chem. Eng., vol. 20, no. 6–7, pp. 611–633, Jun. 1996.L. M. Aparicio, “Transient isotopic studies and microkinetic modeling of methane reforming over nickel catalysts,” J. Catal., vol. 165, no. 2, pp. 262–274, 1997.F. Koschany, D. Schlereth, and O. Hinrichsen, “On the kinetics of the methanation of carbon dioxide on coprecipitated NiAl(O)<inf>x</inf>,” Appl. Catal. B Environ., vol. 181, pp. 504–516, 2016.E. Tsotsas and E. U. Schlünder, “On axial dispersion in packed beds with fluid flow,” Chem. Eng. Process. Process Intensif., vol. 24, no. 1, pp. 15–31, 1988.R. J. Kee, M. E. Coltrin, and P. Glarborg, “Molecular Transport,” in Chemically Reacting Flow, Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2005, pp. 487–539.E. N. Fuller, P. D. Schettler, and J. C. Giddings, “A new method for prediction of binary gas-phase diffusion coefficients,” Ind. Eng. Chem., vol. 58, no. 5, pp. 18–27, May 1966R. Bauer and E. U. Schlunder, “Effective radial thermal conductivity of packing in gas flow. Part I. convective transport coefficient,” Int. Chem. Eng., vol. 18, no. 2, pp. 181– 188, 1978R. Bauer and E. U. Schlunder, “Effective radial thermal-conductivity of packings in gasflow. Part II. Thermal-conductivity of packing fraction without gas-flow,” Int. Chem. Eng., vol. 18, no. 2, pp. 189–204, 1978.E. Esche, “Optimal Operation of a Membrane Reactor Network,” 2011.J. Bremer, K. H. G. Rätze, and K. Sundmacher, “CO 2 methanation: Optimal start-up control of a fixed-bed reactor for power-to-gas applications,” AIChE J., vol. 63, no. 1, pp. 23–31, Jan. 2017.N. Wakao and T. Funazkri, “Effect of fluid dispersion coefficients on particle-to-fluid mass transfer coefficients in packed beds,” Chem. Eng. Sci., vol. 33, no. 10, pp. 1375– 1384, 1978.VDI, VDI Heat Atlas. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2010Facultad de IngenieríaMaestría en Diseño y Gestión de ProcesosMagíster en Diseño y Gestión de ProcesosORIGINALThesis Santiago_Ortiz (2021).pdfThesis Santiago_Ortiz (2021).pdfVer documento en PDFapplication/pdf5238382https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/1/Thesis%20Santiago_Ortiz%20%282021%29.pdf56335aafa6d98064ee15461f75055dd4MD51CC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8805https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/2/license_rdf4460e5956bc1d1639be9ae6146a50347MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-8498https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/3/license.txtf52a2cfd4df262e08e9b300d62c85cabMD53Formato de autorizacion de divulgacion RI trabajos de grado V2bk.pdfFormato de autorizacion de divulgacion RI trabajos de grado V2bk.pdfCartaapplication/pdf633125https://intellectum.unisabana.edu.co/bitstream/10818/47654/4/Formato%20de%20autorizacion%20de%20divulgacion%20RI%20trabajos%20de%20grado%20V2bk.pdfb84add089c4272bab65e8bfcb6e60aaeMD5410818/47654oai:intellectum.unisabana.edu.co:10818/476542023-03-31 11:08:34.118Intellectum Universidad de la Sabanacontactointellectum@unisabana.edu.coPGEgcmVsPSJsaWNlbnNlIiBocmVmPSJodHRwOi8vY3JlYXRpdmVjb21tb25zLm9yZy9saWNlbnNlcy9ieS1uYy1uZC8zLjAvIj48aW1nIGFsdD0iTGljZW5jaWEgQ3JlYXRpdmUgQ29tbW9ucyIgc3R5bGU9ImJvcmRlci13aWR0aDowIiBzcmM9Imh0dHA6Ly9pLmNyZWF0aXZlY29tbW9ucy5vcmcvbC9ieS1uYy1uZC8zLjAvODh4MzEucG5nIiAvPjwvYT48YnIgLz5Fc3RlIDxzcGFuIHhtbG5zOmRjdD0iaHR0cDovL3B1cmwub3JnL2RjL3Rlcm1zLyIgaHJlZj0iaHR0cDovL3B1cmwub3JnL2RjL2RjbWl0eXBlL1RleHQiIHJlbD0iZGN0OnR5cGUiPm9icmE8L3NwYW4+IGVzdMOhIGJham8gdW5hIDxhIHJlbD0ibGljZW5zZSIgaHJlZj0iaHR0cDovL2NyZWF0aXZlY29tbW9ucy5vcmcvbGljZW5zZXMvYnktbmMtbmQvMy4wLyI+bGljZW5jaWEgQ3JlYXRpdmUgQ29tbW9ucyBSZWNvbm9jaW1pZW50by1Ob0NvbWVyY2lhbC1TaW5PYnJhRGVyaXZhZGEgMy4wIFVucG9ydGVkPC9hPi4K

Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context

Publicaciones similares