Análisis de parámetros de diseño y propuestas de un reactor de estaño líquido para la pirólisis de gas natural
Authors:   , Martínez Rodríguez Ángel 
Published: September 2024

In the energy sector, many initiatives are being developed to achieve an energy transition towards a cleaner and decarbonised economy, where hydrogen is considered a key element to achieve a sustainable energy system ("Green Deal"). Hydrogen is an energy vector that can be used as a fuel, or as storage vector ("Power-to-Gas"). It is also the simplest and most abundant compound on the planet, and its main residue is water vapour, which makes it very attractive. However, it is not found in free form on Earth, but has to be obtained from hydrogenated compounds.

Hydrogen production processes can be classified according to aspects such as the origin and type of the raw material and the technology used or the heat source. Among the different hydrogen production processes, a selection of different technologies has been made in order to better understand their operation mechanism, all with great potential: Methane Steam Reforming, Coal Gasification, Water Electrolysis, Partial Oxidation of Methane, Autothermal Reforming of Methane and Pyrolysis of Natural Gas.

An important area for the viability of a process is the determination of energy and exergy efficiencies, as well as its overall integration into the circular economy. For this reason, an energy and exergy study of hydrogen production processes has been carried out, which have previously been studied in depth. The analysis consolidates methane reforming or autothermal reforming as viable technologies in the current state of the art, with reasonable energy and exergy efficiencies. However, natural gas or electrolysis show very promising results, and therefore their technological maturity and scale-up should be advanced.

Natural gas pyrolysis is based on the endothermic reaction of methane thermal decomposition, producing hydrogen gas and solid carbon. This process operates at very high temperatures, so the search for a sustainable and efficient energy supply is of great importance for its industrial development. This study has focused on the use of liquid tin as a metal and silicon carbide as a compatible structural material. The technological development of methane pyrolysis in liquid metal reactors is in an experimental phase that still needs to evolve in order to be in direct competition with other mature technologies.

All the theoretical information on this technology has been compiled, the research continued with the analysis to check the validation of its implementation in industry. Given the high costs for testing, even on a small scale with this technology, in order to lay the foundations for a baseline knowledge, the first trial has been the analysis of possible reactor parameters and configurations by CFD simulations.

A major task is the design of a possible reactor design for optimal and continuous operation. The geometry or configuration assigned to the design does not have to be fixed, and alternative reactors can be proposed with respect to the one used for this study. This design flexibility is a great advantage for its possible scalability.

This case study has focused on investigate how the methane molecule behaves in the reactor with the liquid tin. The main parameters analysed are temperature, residence time, porosity, and methane conversion. In addition to the kinetic parameters and the energy load to operate with solar radiation.

The CFD simulations carried out provided to understand the possible behaviour and functionality of the methane pyrolysis reactor prototype with liquid tin. The set of all simulations performed shows a great potential in the technology for hydrogen production with liquid metals. This research has served to lay the foundations for the initial validation of this kind of technology and allow to think also about possible future developments of larger scales in the laboratory or pilot plants.

RESUMEN

En el campo energético se están desarrollando multitud de iniciativas para lograr una transición energética hacia una economía más ecológica y descarbonizada, donde el hidrógeno es considerado un elemento clave para alcanzar un sistema energético sostenible (Green Deal). El Hidrógeno es un vector energético que se puede utilizar tanto como combustible, o como vector de almacenamiento (Power-to-Gas). Además, es el compuesto más simple y abundante del planeta, y su principal residuo es el vapor de agua. Sin embargo, no se encuentra en forma libre en La Tierra, sino que se ha de obtener a partir de compuestos hidrogenados.

Los procesos de producción de hidrógeno pueden clasificarse en función de aspectos como la materia prima, la tecnología empleada o la fuente de calor. Para conocer mejor algunos procesos de producción de hidrogeno, se ha realizado una selección de diversas tecnologías con el fin de conocer mejor su funcionamiento, todas con grandes potenciales: Reformado con Vapor de Metano, Gasificación de Carbón, Electrólisis de Agua, Oxidación Parcial de Metano, Reformado Autotérmico de Metano y Pirólisis de Gas Natural.

Un ámbito importante para la viabilidad de un proceso es la determinación de las eficiencias energética y exergética, así como su integración global en la economía circular. Por ello se ha realizado un estudio energético y exergético de los procesos de producción de hidrógeno nombrados previamente. El análisis consolida el reformado con metano o el reformado autotérmico como las tecnologías viables en el estado actual de la técnica. Sin embargo, el gas natural o la electrólisis muestran resultados muy prometedores, que deben avanzar en su madurez tecnológica y de escalado.

La Pirolisis de Gas Natural se basa en la reacción endotérmica de descomposición térmica de metano, produciéndose hidrógeno gaseoso y carbón sólido. En este proceso se opera con temperaturas muy elevadas, por lo que la búsqueda de un aporte energético sostenible y eficiente es de gran importancia para su desarrollo industrial. Este estudio se ha centrado en el empleo de estaño líquido como metal, y de carburo de silicio como material estructural. El desarrollo tecnológico de la pirólisis de metano en reactores de metal líquido se encuentra en una fase experimental que debe evolucionar, para suponer una competencia directa con el resto de tecnologías ya consolidadas.

Recopilada toda la información teórica de esta tecnología, el siguiente paso es iniciar su análisis para comprobar la validación de su implementación en la industria. Debido a los altos costes de experimentar incluso a baja escala con esta tecnología, para sembrar unas bases que den conocimientos de partida, un primer contacto es el análisis de parámetros y configuraciones posibles del reactor mediante simulaciones CFD.

Una tarea de gran relevancia es el diseño de un posible boceto de reactor con el que trabajar de forma óptima y continua. La geometría o configuración asignada al diseño no tiene por qué ser fija, pudiendo proponerse alternativas de reactores respecto al que se ha terminado utilizando para este estudio, esta flexibilidad de diseño es una gran ventaja para su posible escalado.

Este caso de estudio se ha centrado en observar cómo se comporta la molécula de metano en el reactor con el estaño líquido. Los principales parámetros analizados son la temperatura, el tiempo de residencia, la porosidad, y la conversión de metano. Además de los parámetros cinéticos y, la carga energética para operar con radiación solar.

Las simulaciones CFD realizadas han ayudado a conocer el posible comportamiento y la funcionalidad del prototipo de reactor de pirolisis de metano con estaño líquido planteado. El conjunto de todas las simulaciones muestra un gran potencial en la tecnología para la producción de hidrógeno con metales líquido. Tras su análisis se puede validar para su futurible escalabilidad en laboratorio o planta piloto, donde continuar con su estudio.