Diseño multifísico de un quemador de petcoke y producción de hidrógeno mediante la aplicación de un sistema de reformado de vapor de metano
Autores: Davidy, Alon
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Diseño multifísico de un quemador de petcoke y producción de hidrógeno mediante la aplicación de un sistema de reformado de vapor de metano
Categoría
Ciencias Medioambientales
Subcategoría
Desarrollo sostenible
Palabras clave
Coke de petróleo
Combustión
Reformado de vapor de metano
Reactor de lecho catalítico
Dinámica de fluidos computacional
Valor calorífico
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 25
Citaciones: Sin citaciones
El pet-coke (coke de petróleo) se identifica como un sólido rico en carbono y de color negro. A pesar de los riesgos ambientales que plantea la explotación del pet-coke, se aplica principalmente como combustible para hervir y quemar en la generación de energía y en plantas de producción de cemento. Se considera un reemplazo prometedor para las plantas de energía de carbón debido a su mayor valor calorífico, contenido de carbono y baja ceniza. En esta investigación se desarrolló un modelo computacional de dinámica de fluidos (CFD) para la reforma de vapor de metano. El sistema de producción de hidrógeno está compuesto por un quemador de pet-coke y un reactor de lecho catalítico. El calor liberado, producido por la combustión del pet-coke, se utilizó para el calentamiento convectivo y radiativo del lecho catalítico para mantener la reacción de reforma de vapor de metano en hidrógeno y monóxido de carbono. Este algoritmo computacional se compone de tres pasos: simulación de la combustión del pet-coke utilizando el software de simulador de dinámica de incendios (FDS) acoplado con el análisis estructural térmico del revestimiento del quemador y un cálculo multifísico del proceso de reforma de vapor de metano (MSR) que tiene lugar dentro del reactor de lecho catalítico. El análisis estructural del revestimiento del quemador se llevó a cabo acoplando las soluciones de la ecuación de conducción de calor, la ecuación de flujo de vapor en medios porosos de Darcy y la ecuación de mecánica estructural. Para validar la temperatura gaseosa y la fracción molar de monóxido de carbono obtenidas por el cálculo de FDS, se realizó una comparación con los resultados de la literatura. La temperatura máxima obtenida de la simulación de combustión fue de aproximadamente 1440 grados C. La temperatura calculada es similar a la temperatura reportada, que también está cerca de 1400 grados C. La lectura máxima de la fracción molar de dióxido de carbono fue del 15.0%. El software COMSOL de multifísica resuelve simultáneamente el flujo de fluidos del medio catalítico, el calor y la masa con las ecuaciones de transporte de cinética de reacción química del reactor de lecho catalítico de reforma de vapor de metano. La conversión de metano es de aproximadamente 27%. El vapor y el metano decaen a lo largo del reactor de lecho catalítico con la misma pendiente. Se han reportado valores similares en la literatura para la temperatura de MSR de 510 grados C. La fracción de masa de hidrógeno se incrementó en un 98.4%.
Descripción
El pet-coke (coke de petróleo) se identifica como un sólido rico en carbono y de color negro. A pesar de los riesgos ambientales que plantea la explotación del pet-coke, se aplica principalmente como combustible para hervir y quemar en la generación de energía y en plantas de producción de cemento. Se considera un reemplazo prometedor para las plantas de energía de carbón debido a su mayor valor calorífico, contenido de carbono y baja ceniza. En esta investigación se desarrolló un modelo computacional de dinámica de fluidos (CFD) para la reforma de vapor de metano. El sistema de producción de hidrógeno está compuesto por un quemador de pet-coke y un reactor de lecho catalítico. El calor liberado, producido por la combustión del pet-coke, se utilizó para el calentamiento convectivo y radiativo del lecho catalítico para mantener la reacción de reforma de vapor de metano en hidrógeno y monóxido de carbono. Este algoritmo computacional se compone de tres pasos: simulación de la combustión del pet-coke utilizando el software de simulador de dinámica de incendios (FDS) acoplado con el análisis estructural térmico del revestimiento del quemador y un cálculo multifísico del proceso de reforma de vapor de metano (MSR) que tiene lugar dentro del reactor de lecho catalítico. El análisis estructural del revestimiento del quemador se llevó a cabo acoplando las soluciones de la ecuación de conducción de calor, la ecuación de flujo de vapor en medios porosos de Darcy y la ecuación de mecánica estructural. Para validar la temperatura gaseosa y la fracción molar de monóxido de carbono obtenidas por el cálculo de FDS, se realizó una comparación con los resultados de la literatura. La temperatura máxima obtenida de la simulación de combustión fue de aproximadamente 1440 grados C. La temperatura calculada es similar a la temperatura reportada, que también está cerca de 1400 grados C. La lectura máxima de la fracción molar de dióxido de carbono fue del 15.0%. El software COMSOL de multifísica resuelve simultáneamente el flujo de fluidos del medio catalítico, el calor y la masa con las ecuaciones de transporte de cinética de reacción química del reactor de lecho catalítico de reforma de vapor de metano. La conversión de metano es de aproximadamente 27%. El vapor y el metano decaen a lo largo del reactor de lecho catalítico con la misma pendiente. Se han reportado valores similares en la literatura para la temperatura de MSR de 510 grados C. La fracción de masa de hidrógeno se incrementó en un 98.4%.