Multiphysics modeling of CO2 methanation in a monolithic reactor: dynamic responses to temporary H2 disturbances.
| dc.contributor.advisor | García Carmona, Ximena Andrea | es |
| dc.contributor.author | Pérez Vilela, Douglas Enrique | es |
| dc.date.accessioned | 2025-07-10T16:48:45Z | |
| dc.date.available | 2025-07-10T16:48:45Z | |
| dc.date.issued | 2025 | |
| dc.description | Tesis presentada para optar al grado de Doctor/a en Ciencias de la Ingeniería con mención en Ingeniería Química. | es |
| dc.description.abstract | El tren de reactores de lecho fijo en serie, con enfriamiento intermedio entre etapas, es la tecnología utilizada actualmente para la metanación de CO2, aunque su implementación es compleja y costosa. Esta realidad ha incentivado la búsqueda de alternativas más eficientes y costo-efectivas. Entre estas los reactores de tipo monolito panal de abeja han generado gran interés y su estudio se ha incrementado de manera relevante en los últimos años. Por otro lado, si se utiliza H2 verde en esta reacción, su flujo experimentará fluctuaciones debido a la intermitencia de las energías renovables que lo generan. Con base en lo anterior, se propone en esta tesis evaluar la respuesta dinámica de un reactor monolítico de metanación de CO2, frente a perturbaciones en el flujo de H2. Para lograr el objetivo, se realizó en primer lugar una revisión bibliográfica de los estudios sobre el modelado de reactores de metanación de CO2. A continuación, se desarrolló un modelo matemático del reactor monolítico y se sugirieron estudios esenciales para su análisis. El modelo se empleó para analizar el comportamiento transitorio del reactor monolítico ante fluctuaciones en la carga de H2 según las condiciones de operación propuestas. A través de un estudio paramétrico se evaluaron los efectos de la actividad catalítica, el tipo de perturbación y el tamaño del equipo sobre la respuesta dinámica del reactor. Posteriormente, se llevó a cabo una evaluación dinámica-experimental del reactor monolítico ante un cambio repentino en la carga de H2. Estos resultados fueron esenciales para validar el modelo y comparar teóricamente la respuesta dinámica del monolito panal de abeja con la de un reactor de lecho fijo bajo distintas condiciones fluctuantes de carga de H2. La revisión de la literatura indicó que el modelo de escala completa, axialsimétrico, bidimensional, heterogéneo y transiente es adecuado para modelar el reactor monolítico de panal de abeja. El modelo formulado reveló que, al usar un catalizador de alta actividad como el Ru, el reactor muestra un comportamiento dinámico similar al observado cuando se utiliza un catalizador más convencional en base a Ni. Por otra parte, aunque se obtiene una mejor respuesta dinámica ante una fluctuación gradual (rampa) del flujo de H2, el monolito también responde adecuadamente a una perturbación repentina (escalón). Además, el tamaño del equipo influye significativamente en la tendencia no estacionaria del monolito ante cambios en el flujo de H2. La evaluación dinámico experimental, permitió validar el modelo matemático del reactor. La comparación con un reactor de lecho fijo, bajo las mismas condiciones de operación, tamaño de reactor y temperatura máxima, evidenció diferencias dinámicas entre el monolito y el lecho fijo en los casos de estudio seleccionados. Estas diferencias están relacionadas con las distintas cargas de catalizador y las estructuras internas de ambos equipos, evidenciándose en la mayoría de los casos que el monolito tiene mayor estabilidad dinámica ante fluctuaciones de la carga de H2 verde. Con base en los resultados obtenidos de las evaluaciones del monolito panal de abeja bajo régimen transiente, se concluye que este tipo de reactor muestra una respuesta dinámica favorable ante la fluctuación de la carga de H2 verde para diferentes condiciones de operación, demostrando ser incluso una alternativa tecnológica atractiva en contraste con el reactor de lecho fijo para la metanación de CO2. | es |
| dc.description.abstract | The fixed-bed reactor train in series with intermediate cooling between stages is the current technology used for CO2 methanation. However, its implementation is complex and costly. This reality has prompted a pursuit of more efficient and cost-effective solutions. Among these, honeycomb monolith reactors have attracted considerable attention, leading to a significant rise in their study in recent years. On the other hand, if green H2 is used in this reaction, its flow will fluctuate due to the intermittent nature of the renewable energies that produce it. Based on the above, this thesis proposes evaluating the dynamic response of a monolithic reactor against perturbations in the H2 flow. In order to achieve this objective, a bibliographic review on CO2 methanation reactor modeling was carried out. Then, a mathematical model of the monolithic reactor was developed and essential studies were suggested for its analysis. The model was used to analyze the transient behavior of the monolithic reactor under fluctuations in the H2 load according to the proposed operating conditions. A parametric study was conducted to evaluate how catalytic activity, type of perturbation, and equipment size affect the dynamic response of the reactor. Subsequently, a dynamic-experimental evaluation of the monolithic reactor was conducted to assess its performance under a sudden change in the H2 load. These results were crucial for validating the model and theoretically comparing the dynamic response of the honeycomb monolith to that of a fixed-bed reactor under various fluctuating H2 load conditions. The literature review indicated that the full-scale, axialsymmetric, two-dimensional, heterogeneous, transient model is suitable for modeling the monolithic honeycomb reactor. The model demonstrated that with a high-activity catalyst like Ru, the reactor shows dynamic behavior similar to that seen with a conventional Ni-based catalyst. On the other hand, the monolith not only shows a better dynamic response to gradual fluctuations (ramp) in H2 flow, but it also responds adequately to sudden perturbations (step). Furthermore, the equipment's size greatly affects the monolith's nonstationary tendency in response to changes in H2 load. The dynamic experimental evaluation allowed validating the mathematical model of the reactor. The comparison between a monolith and a fixed bed reactor, under identical operating conditions, reactor size, and maximum temperature, revealed dynamic differences in the selected study cases. The differences between the reactors are due to varying catalyst loads and internal structures, with the monolith exhibiting greater dynamic stability in response to fluctuations in the green H2 load. Based on the results obtained from the evaluations of the honeycomb monolith under transient conditions, it is concluded that this type of reactor has a favorable dynamic response to fluctuations in green H2 load across various operating conditions. This makes it an attractive technological alternative compared to the fixed bed reactor for CO2 methanation. | en |
| dc.description.campus | Concepción | es |
| dc.description.departamento | Departamento de Ingeniería Química | es |
| dc.description.facultad | Facultad de Ingeniería | es |
| dc.description.sponsorship | ANID, Beca Doctorado Nacional 2020 21200674 | es |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.udec.cl/handle/11594/12777 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.publisher | Universidad de Concepción | es |
| dc.rights | CC BY-NC-ND 4.0 DEED Attribution-NonCommercial-NoDerivs 4.0 International | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject | Multiphysics modeling | en |
| dc.subject | Monolithic reactors | en |
| dc.subject.ods | ENERGÍA asequible y sostenible | es |
| dc.subject.ods | Acción CLIMÁTICA | es |
| dc.title | Multiphysics modeling of CO2 methanation in a monolithic reactor: dynamic responses to temporary H2 disturbances. | en |
| dc.type | Thesis | en |