Modelado termo-fluido-dinámico de un reactor tubular de membrana catalítica para la producción de hidrógeno a partir de la descomposición de amoníaco

Título

Modelado termo-fluido-dinámico de un reactor tubular de membrana catalítica para la producción de hidrógeno a partir de la descomposición de amoníaco

Colaborador

Goldschmit, Marcela

Editor

Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ingeniería

Fecha

2024-12-12

Extensión

95 p.

Resumen

El uso de amoníaco como vector de hidrógeno verde es considerado una potencial solución a las problemáticas de transporte y almacenamiento de hidrógeno para la transición energética. No obstante, las tecnologías requeridas para descomponer el amoníaco en hidrógeno no se encuentran desarrollados comercialmente. Los reactores de membrana catalítica son objeto de varios estudios como una opción prometedora para realizar la descomposición de amoníaco, debido a la alta conversión que pueden lograr con una menor cantidad de catalizador y demanda térmica que los reactores de lecho empacado convencionales. Los modelos matemáticos publicados para simular estos reactores han ayudado a entender las particularidades de cada diseño y demostrar sus beneficios sobre reactores convencionales. Sin embargo, estos modelos cuentan con simplificaciones que limitan su aplicación para comparar distintas configuraciones y optimizar el diseño de un reactor. En esta tesis se presentará un modelo de volúmenes finitos para resolver el flujo reactivo bidimensional, no-isotérmico y compresible dentro de un reactor de membrana catalítica, y demostrará su utilidad para comparar distintos diseños potenciales del reactor. Para este modelo, se planteará una cinética de reacción que permita considerar el efecto inhibidor del hidrógeno sobre la reacción, y un modelo de flujo permeable para la membrana que permita variar su espesor. El modelo del reactor se validará utilizando ensayos experimentales sobre dos reactores distintos publicados en la bibliografía y se analizará mediante un estudio paramétrico. Finalmente, se aplicará el modelo para estudiar el escalado de un reactor de laboratorio para su uso industrial y se evaluará la importancia de representar ciertos parámetros dentro del modelo, como por ejemplo las distancias radiales.
The use of ammonia as a hydrogen vector is considered as a potential solution to the difficulties presented by the transportation and storage of green hydrogen for the energy transition. However, the technologies required to decompose ammonia into hydrogen have not been developed commercially. Catalytic membrane reactors are the object of various investigations as a promising option to decompose ammonia due to the high conversion they can achieve with a lower amount of catalyst and heat demand required when compared to conventional packed-bed reactors. The mathematical models published to simulate these reactors have helped to understand the particularities of each design and demonstrated the benefits against conventional reactors. However, these models have assumed simplifications which limit their use to compare different technologies and optimize reactor design. In this thesis a finite volume model will be presented to solve the reacting, non-isothermal and compressible flow within a catalytic membrane reactor and its use to compare different potential reactor designs will be demonstrated. In this model, the reaction kinematics used will consider hydrogens inhibiting effect on the reaction, and the permeable flow model for the membrane will allow for the modification of the membranes thickness. The reactor model will be validated using experimental data published on two different reactors and analyzed though a parametric study. Finally, the model will be applied to study the scale-up of an experimental reactor to an industrial use and evaluate the importance of representing certain parameters within the model, like for example the radial distances.