SIMULACION NUMERICA DE LA REACCION DE

METANIZACION DE DIOXIDO DE CARBONO PARA

PRODUCCION DE GAS NATURAL SINTETICO EN UN
REACTOR DE LECHO FIJO
Cristian Fernando Limachi Aruni, María Nela Mamani Flores, Jorge Marcelo
Tiñini Crispín, Verónica Alejandra Zegarrundo Lira, Norah Alicia Vilca Tarqui
Universidad Mayor de San Andrés, Facultad de Ingeniería, Carrera de Ingeniería Química,
Av. Mariscal Santa Cruz N° 1175, La Paz, Bolivia
limachiarunic@gmail.com, marian.leoncita@gmail.com, jorge-ti-ini@hotmail.com ,
alejandrazegali@hotmail.com , alisvilca100@gmail.com

RESUMEN

En el presente proyecto se estudiará a la reacción de metanización entre el Dióxido de Carbono y el Hidrógeno

para obtener metano, el cual tendrá propiedades muy similares a la del Gas Sintético Natural, con un beneficio
ambiental grande ya que se estaría pensando en reducir el Dióxido de Carbono residual en el proceso de generación
de energía eléctrica el cual se usa en el país, además de fundamentar de manera teórica la selección del método
más óptimo para la producción del Hidrogeno a partir de la fermentación anaerobia de residuos de un sustrato de
carga orgánica y composición conocida mediante un bioreactor operado en modo batch.

En el estudio además buscaremos las mejores condiciones de operación en el reactor, como ser temperatura o
presión con el objetivo de lograr la mejor conversión en el Dióxido de Carbono, se utilizará software como
COMSOL Multi-Physics y Matlab-SIMULINK para realizar las simulaciones con el objetivo de optimizar el
proceso además también de comparar los distintos catalizadores que pueden ser utilizados en este tipo de
reacciones.

Palabras clave: metanización, modelo, condiciones de operación, simulaciones.

ABSTRACT
In the present project the methanization reaction between Carbon Dioxide and Hydrogen will be studied to obtain
methane, which will have properties very similar to that of Natural Synthetic Gas, with a great environmental
benefit since one would be thinking of reducing Dioxide of residual carbon in the electric power generation process
which is used in the country, in addition to theoretically supporting the selection of the most optimal method for
the production of hydrogen from the anaerobic fermentation of residues from an organic load substrate and
composition known by means of a bioreactor operated in batch mode.

In the study we will also look for the best operating conditions in the reactor, such as temperature or pressure in
order to achieve the best conversion in Carbon Dioxide, software such as COMSOL Multi-Physics and Matlab-
SIMULINK will be used to perform the simulations with the objective of optimizing the process as well as
comparing the different catalysts that can be used in this type of reaction.

Keywords: methanation, model, operating conditions, simulations.

 1. INTRODUCCION quiere llegar a priorizar es el tema ambiental si bien
trataremos reutilizando el CO2 desprendido para la
En las últimas décadas se ha empezado a depender creación de biogás se debe ver cuánta es la
cada vez más de los combustibles fósiles. Este producción de gases nocivos para el ambiente por
aumento causa problemas debido a que se están ello se realizara el planteamiento de la huella de
agotando por su gran demanda. Otro problema que carbono para el proceso de obtención de gas natural
provoca el consumo de combustibles fósiles es el sintético para las emisiones asociadas a las
daño medioambiental que producen cuando se operaciones del proceso, la herramienta de cálculo
queman fundamentalmente el CO2. de emisiones de gases de efecto invernadero, nos
En Bolivia el gran productor de energía YPFB es hará investigar y conocer el origen, la magnitud de
aquella que puede proporcionar sus grandes sus emisiones, que constituirá el primer paso para
cantidades de CO2 para la obtención de metano ya reducir sus costes energéticos, así como para reducir
que YPFB proyecta que las termoeléctricas en el SIN sus emisiones de GEI, contribuyendo así con la lucha
consumirían 465.196 millones de pies cúbicos de gas contra el cambio climático (Guía práctica para el
entre el 2009 y el 2018. Las quemas de esta cantidad cálculo de emisiones de GEI, 2011).
de gas emitirían 25,4 megatoneladas de CO2. Dando
2. MATERIALES Y METODOS
por año 2.8 megatoneladas de CO2 en uso para
I) Modelo matemático
energía eléctrica. (YPFB 2009, p. 32-33) viendo este
descargo de gases es que podemos ver el método de Esta sección describe en detalle el modelo utilizado
su obtención, se plantea la recolección de CO2 para describir el fenómeno de combustión en lecho
(dióxido de carbono) por el método de absorción tubular fijo. Se presentarán rigurosamente todas las
química utilizando Monoetanolamina (MEA) que ecuaciones, así como todos los parámetros que
son aminas primarias. Detallamos las etapas del aparecen en ellas. Desde el modelo general, son
sistema para una descripción breve. aplicables los casos particulares que conducen a la
simplificación del mismo, así como las condiciones
El gas que contiene el CO2 se pone en contacto con
bajo las cuales se redujeron estos nuevos modelos
un absorbente líquido capaz de capturar el CO2. El
(R.Y. Chein, 2016).
absorbente cargado con CO2 se transporta a otra
torre donde se regenera mediante cambios de Una vez que se conoce el modelo seleccionado para
temperatura o presión y libera el CO2. El absorbente trabajar, se procede al tratamiento de las ecuaciones
regenerado se envía de nuevo el proceso de captura que lo describen. La existencia de diferentes
de CO2. Para contrarrestar las pérdidas de actividad simplificaciones implica el uso de diferentes
del absorbente, se introduce siempre nuevo métodos de acción en el momento de su tratamiento.
absorbente (Mimura et al.,2000), es asi como se (W.Y. Chen, 2016).
obtendrá el CI2 para este proceso aprovechando una
descarga constante que produce YPFB en Bolivia. II) Consideraciones del modelo de
reactor tubular de lecho fijo
El hidrogeno es uno de los principales reactivos para
el proceso de obtención de metano sintético. Y entre En este se llevará a cabo con reactivos en fase
otros métodos de obtención de este reactivo sería gaseosa y un catalizador en fase solida, esto hace que
aplicable por fermentación oscura que por previos el sistema sea bifásico y heterogéneo (K. Petersen-
estudios se han comprobado que su implementación Aasberg, 2011).
seria de menor costo comparado con otros como ser El lecho fijo será un lecho empaquetado de partículas
la electrolisis. que es atravesado por el fluido(K. Petersen-Aasberg,
El proceso anterior permite el uso de sustratos 2011).
complejos. En la cual se aprovecharía residuos de Todas las especies en la mezcla de gas son gases
frutas y verduras que tienen alto contenido de
ideales(W.Y. Chen, 2016)..
glucosa y fructuosa. Se propone también el estudio
de la evaluación de la obtención de Hidrogeno a Se supone que el flujo de gas en el reactor es
partir de tecnologías como la fermentación oscura débilmente compresible, aximetrico, estable y
siendo que este podría aumentar la viabilidad del laminar.
proyecto. (Moreno Cárdenas, 2019)
El reactor tiene una longitud de L y un radio de Rb
Se planteará un diseño del procesocon un reactor de como se muestra en la figura N. (W.Y. Chen, 2016).
lecho fijo con talaizador el cual estarán incluidos ya
estos materiales los cuales nos permitirán el
desarrollo del proceso,Uno de los problemas que se
Fig. N 1 Dominio físico del reactor tubular de lecho fijo 𝑝𝐶𝐻4 ∗ 𝑝𝐻2𝑂2
para la reacción de metanizacion de CO2. 𝛽= (2)
𝑝𝐶𝑂2 ∗ 𝑝𝐻24 ∗ 𝐾𝑒𝑞

Fig.N 2. Verificación numérica del modelo por datos

experimentales reportados por Hwang et al.(2008)

Fuente :(Numérical Simulation Of Carbón Dioxide

Methanation, R.Y. Chein (2016), pag.245)

El reactivo entrante consiste en CO2 y H2 con un

molar específico. Proporción introducida en el
Fuente: Numérical Simulation Of Carbón Dioxide
reactor desde el fondo del reactor, N2 también se Methanation, R.Y. Chein (2016), pag.245)
introduce en la entrada del reactor y sirve como un
gas inerte equilibrado en la reacción. La presión,
temperatura y velocidad de alimentación de los
En la ecuación (1), k es la constante de velocidad, pi
reactivos en la entrada (K. Petersen-Aasberg, 2011).
(i = CO2, H2, CH4 y H2O) es La presión parcial en
III) Modelo de reacción química el cajero automático de las especies i, Ki es la
adsorción superficial constante de equilibrio para la
Según para la metanizacion de CO2 catalizada especie i, y Keq es el Sabatier general equilibrio de
usando catalizador de níquel Ni se puede describir reacción constante. Las expresiones para estas
usando el tipo Hougene Watson (Hwang et al. variables, se dan como:
(2008)), usando la ecuación (1):
−113497.4
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O 𝐾 = 1.0635𝑥1011 exp ( ) (3)
𝑅𝑇
Po Pa 69691.8
𝐾 = 9.099𝑥10−7 exp ( ) (4)
-XaPo -4XaPo XaPo 2XaPo 𝑅𝑇
39942.0
Po(1-Xa) Pa-4XaPo XaPo 2XaPo 𝐾 = 9.6104𝑥10−4 exp ( ) (5)
𝑅𝑇
PCO2 PH2 PCH4 PH2O

ecuación del mecanismo de reacción: 28183 17430

𝐾𝑒𝑞 = 𝑒𝑥𝑝 [( 𝑇2
+ 𝑇
− 8.2536 log(𝑇) +
𝑟𝑚
2.8032𝑥10−3 ) + 33.165] (6)
𝑘𝐾𝐶𝑂2 ∗ 𝐾𝐻24 ∗ 𝑝𝐶𝑂2 ∗ 𝑝𝐻24 (1 − 𝛽)
= 𝜌𝑐𝑎𝑡 (1)
(1 + 𝐾𝐶𝑂2 ∗ 𝑝𝐶𝑂2 + 𝐾𝐻2 ∗ 𝑝𝐻2)5 Basadas en las anteriores ecuaciones, se puede
4
𝑘𝐾𝐶𝑂2 𝐾𝐻2 𝑃𝑜 (1−𝑋𝑎 )((𝑃𝑎 −4𝑋𝑎 𝑃𝑜 ))4
escribir el termino fuente de energía qc y la tasa de
𝑟𝑚 = 𝜌𝑐𝑎𝑡 [1+𝐾 5 × [1 − destrucción de producción de especies ri,
𝐶𝑂2 𝑃𝑜 (1−𝑋𝑎 )+𝐾𝐻2 (𝑃𝑎 −4𝑋𝑎 𝑃𝑜 )]
4𝑋𝑎3 𝑃𝑜2
(1−𝑋𝑎 )(𝑃𝑎 −4𝑋𝑎 𝑃𝑜 )4 𝐾𝑒𝑞
] 𝑞𝑐 = 𝑟𝑚 [∆𝐻298𝐾 + (𝑐𝑝𝐶𝐻 + 2𝑐𝑝𝐻2𝑂 − 𝑐𝑝𝐶𝑂 −
4 2

Donde: 4𝑐𝑝 ) (𝑇 − 298)] (7)

𝐻2

ρcat: es la densidad del catalizador rCO2 = -MCO2 rm ; rH2 = -4MH2 rm

β: equilibrio de aproximación al equilibrio rCH4 = MCH4 rm ; rH20 = 2MH2O rm
coeficiente definido como:
En la ecuación H298K = -165Kj/mol es el calor de V. Diagrama del proceso
reacción de Sabatier en estado estándar, Cpi depende
Fig.N 3. Diagrama del proceso de metanizacion a
de la temperatura (Borgnakke and Sonntag, 2009).
partir de CO2 y H2
IV. Balance de materia
Por el consumo entre 2009 – 2008 se consumirán
465,196 millones de ft3 de gas y producirán 2.54
MTon de CO2 al año(YPFB, 2018) con lo cual se
procederá al balance de reactivos y productos:

Tomamos la producción de 10 años:

25,4 𝑀𝑇𝑜𝑛 𝑀𝑡𝑜𝑛 𝐶𝑂2
= 2,54
10 𝑎ñ𝑜𝑠 𝑎ñ𝑜
Producción por mes:
𝑇𝑜𝑛 𝐶𝑂2 1 𝑎ñ𝑜 𝑇𝑜𝑛 𝐶𝑂2
2,54 ∗ 106 ∗ = 211666,67
𝑎ñ𝑜 12 𝑚𝑒𝑠𝑒𝑠 𝑚𝑒𝑠

Producción por día:

𝑇𝑜𝑛 𝐶𝑂2 1 𝑚𝑒𝑠 𝑇𝑜𝑛 𝐶𝑂2
211666,67 ∗ = 7559,52
𝑚𝑒𝑠 28 𝑑𝑖𝑎𝑠 𝑑𝑖𝑎

En moles, tenemos que el FCO2 es: Fuente: Elaboración propia

𝑇𝑜𝑛 1000 𝑘𝑔 1 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑚𝑜𝑙

7559,52 ∗ ∗ = 171807,27
𝑑𝑖𝑎 1 𝑇𝑜𝑛 44 𝑘𝑔 𝑑𝑖𝑎
La figura N°3 nos presenta el diagrama del proceso
de metanizacion en el cual usaremos un reactor de
Balance de materia en el reactor: lecho fijo con catalizador representado por el
numero 1 al cual alimentaremos con H2 Y CO2
CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O donde V1 y V2 son las llaves de los flujos de los
FCO2 4FCO2 tanques de almacenamiento donde guardaremos el
CO2 y el H2 para nuestra reacción, los mismos con
-XCO2FCO2 -4XCO2FCO2 XCO2FCO2 2XCO2FCO2 llaves correspondientes para la medida de cuanto
FCO2(1- XCO2) 4FCO2(1- XCO2) FCO2XCO2 2XCO2FCO2 necesitaremos en cada reacción, los círculos delante
representan sensores que controlaran el paso de los
FCO2 (f) FH2 (f) FCH4 (f) FH2O (f) gases, para luego su mezcla antes de entrar al reactor,
Entonces podemos obtener los flujos a la salida de los cuales son dirigidos hacia el reactor de lecho fijo
nuestro reactor, teniendo como dato una conversión con catalizador mediante llave V3.
del 98%, en las mejores condiciones obtenidas en la El reactor tendrá salida de los productos como son el
simulación (PCO2 = 1atm, T = 200 OC)
agua, el metano en estado gaseoso a alta temperatura
𝑘𝑚𝑜𝑙 para lo cual se usara un intercambiador de calor para
𝐹𝐶𝑂2 (𝑓) = 3436,14 separar los vapores de agua producidos y que se
𝑑𝑖𝑎
evacuaran del sistema con la válvula V4 que es la
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝐹𝐻2 (𝑓) = 13744,58 purga para la condensación del agua y V5 para el
𝑑𝑖𝑎
gas metano por donde saldrá finalmente el producto
𝑘𝑚𝑜𝑙 de la reacción.
𝐹𝐶𝐻4 (𝑓) = 168371,12
𝑑𝑖𝑎
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝐹𝐻2𝑂 (𝑓) = 336742,25
𝑑𝑖𝑎
 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN En la tabla 3 se observa la desviación estándar y el
coeficiente de variación, los cuales son parámetros
Análisis del diseño experimental para los factores para caracterizar el tipo de tratamiento de datos del
más influyentes experimento.
Se realiza un estudio en base a diseño experimental
con la variación de los dos factores más influyentes Tabla 3: Aprobación de resultados
en este proceso, los cuales son la temperatura y
presión.
Variando la presión desde un valor de 0.1 atm hasta
un 1.5 atm, se observa la siguiente matriz de diseño
como se observa en la tabla 1. Fuente: Proyecto Metanizacion del CO2 para producción
de Gas Natural, Programa Desing Expert – Versión 7.0.0
Tabla 1: Matriz de diseño experimental

Las gráficas se analizan para poder verificar que se

cumplan los supuestos del modelo.

a) Grafica de Normalidad.
Grafica 1: Normalidad

Fuente: Proyecto Metanizacion del CO2 para producción de

Gas Natural, Programa Desing Expert – Versión 7.0.0
Fuente: Proyecto Metanizacion del CO2 para producción
de Gas Natural, Programa Desing Expert – Versión 7.0.0
b) Grafica de Residuales.

Grafica 2: Residuales
La tabla 2 que representa la matriz ANOVA, se
verifica los valores de “Prob>F” que nos ayuda a
determinar cuál es el factor más influyente en el
tratamiento de los datos en el proceso.

Tabla 2: Matriz ANOVA

Fuente: Proyecto Metanizacion del CO2 para producción

Fuente: Proyecto Metanizacion del CO2 para producción de Gas Natural, Programa Desing Expert – Versión 7.0.0
de Gas Natural, Programa Desing Expert – Versión 7.0.0
 Interpretación: Con los datos de la tabla 1, se PCO2=0.5atm
analiza la tabla 2 que es la matriz ANOVA donde se
Grafica 4: Simulación de Conversión contra tiempo.
observa que los valores de “Prob>F” deben ser
menores a 0,05 para ser significativo, lo que indica
que el factor más influyente es B (PRESION) ya que
cumple el supuesto de probabilidad P.

En la tabla 3, se observa una desviación estándar de

0,15 el cual indica que la mayor parte de los datos
del tratamiento están agrupados cerca de la media o
valor esperado, así mismo el CV% que tiene un valor
de 24.82 indica que las unidades de las
variabilidades experimentales en este tratamiento se
encuentran en el rango “buen experimento”.

En la gráfica 1 de Normalidad, se observa que para

una presión de CO2 de 1.5 atm ya presenta defecto,
esto indica que se debe considerar presiones menores
Fuente: Matlab R2015a
a esta; los demás datos tienden en una línea recta, por
lo tanto, se cumple el supuesto. PCO2= 1 atm
En la gráfica 2 de Residuales se ve que las corridas Grafica 5: Simulación de Conversión contra tiempo.
aleatorias para los diferentes valores de presión son
aceptables porque no existe un patrón definido y que
no pasan los límites máximos y mínimos, así mismo
se comprueba que a la presión de 1.5amt ya no se
verifica los supuestos.

Simulación Reacción del Gas Sintético Natural,

Mejores Condiciones de Operación con Matlab.
Se sabe que la relación de ingreso al reactor PCO2/PH2
debe ser igual a 4 (Chein et al.,2015) entonces una
vez realizada la simulación (cuyo código esta
anexado en el Anexo 1)podemos probar con distintos
valores de PCO2 y también de temperatura para ver
cuáles son las condiciones más optimas de trabajo:

PCO2=0.25 atm
Grafica 3: Simulación de Conversión contra tiempo.
Fuente: Matlab R2015a

Interpretación: En las Gráficas 3,4 y 5 se puede

verificar que debido a que la reacción es demasiado
exotérmica las temperaturas se llevan a temperaturas
bajas para optimizar la conversión del proceso, por
lo que a 573 K se tiene la mayor conversión
aumentando la presión de CO2. Y además se obtiene
mayores conversiones a una presión del CO2 de 1
atm como se ve en la Grafica 5.

Simulación de eficiencia de los catalizadores.

En este apartado evaluaremos el mejor catalizador
Fuente: Matlab R2015a con una simulación con COMSOL-Multiphysics; en
la cual veremos gráficos de los flujos que se forman
de los productos y los que se reducen en los reactivos
 Se evaluara 2 catalizadores, los mejores para este 4. COSTO DE LOS CATALIZADORES
proceso (Chein et al.,2015).
 Catalizador de Ni/Mg2Al3
Tabla N 4 Caracterización de catalizadores

Catalizador Ni/Mg2Al3 Ni,Rh/ZrO2,SiO2 Tabla 5: Costos del catalizador de Ni/Mg2Al3

Densidad[Kg/m3] 1991 1186
Diámetro de 16 0.85-1
Unidad Precio Precio Costo
particula[mm] Catalizador (kg) ($) (Bs) total
(Bs)
Fuente: Chein et al.,2015 1 12.68 88.38 158.10
Ni
Mg2Al3 1 10 69.7
Entonces realizando la simulación con COMSOL, Fuente: Spanish.alibaba-Niquel PrecioOro-
obtenemos las siguientes graficas: MagnesioAluminuro

a) Catalizador de Ni,Rh/ZrO2,SiO2
 Catalizador de Ni, Rh/ZrO2, SiO2
Grafica 6: Perfiles de Flujos molares.

Tabla 6: Costos del catalizador de Ni, Rh/ZrO2, SiO2

Unidad Precio Precio Costo

Catalizador (kg) ($) (Bs) total
(Bs)
Rh 1 10.00 69.7
Ni 1 12.68 88.38 267.50
ZrO2 1 15.00 104.55
SiO2 1 0.7 4.88

Fuente: spanish.alibaba-Niquel, spanish.alibaba-

Rodio, spanish.alibaba-oxidocirconio, spanish-
Fuente: COMSOL-Multiphysics alibaba-cuarzo,silice

b) Catalizador de Ni/Mg2Al3. Más información de la ficha técnica se encuentra en

Anexo 2.
Grafica 7: Perfiles de Flujos molares
 Diferencia porcentual de costos
( Ni, Rh/ZrO2, SiO2) − ( Ni/Mg2Al3)
%𝑑𝑖𝑓 = 𝑥100%
( Ni, Rh/ZrO2, SiO2)

% diferencia de costos = 40.9%

5. DISCUSION DE RESULTADOS
Con la primera simulación podemos observar que las
mejores condiciones para las cuales se consigue una
conversión alta de CO2 son a una presión de entrada
de este de 1 atm, como se observa. en la gráfica 5
Como además también podemos ver que la mejor
temperatura de operación será de 573 K, lo cual se
Fuente: COMSOL-Multiphysics verifica en las gráficas 3,4 y 5.

Como podemos observar en las Gráficas 6 y 7 las Si hablamos del mejor catalizador, dados los perfiles
curvas son muy similares, casi no existe diferencia, de concentración en las gráficas 6 y 7; observamos
se comprueba que cualquiera de las opciones es que cualquiera de las opciones es válido ya que los
válido para este tipo de reacción, también podemos perfiles de concentración se desarrollan a un mismo
ver como los flujos van variando respecto al ritmo y se alcanza en un determinado volumen la
volumen del reactor. máxima conversión, es decir que es indistinto utilizar
un catalizador de Ni en base de Alúmina de
magnesio o Níquel en medio de zeolitas como ZnO2 573 K, los cuales se validaron con el programa
y SiO2. COMSOL Multi-Physics y Matlab-SIMULINK
donde se determinó una mayor conversión de 0,985
6. CONCLUSIONES a la presión de 1 atm y temperatura de 573 K; y con
Para la simulación numérica de la reacción de la simulación de los catalizadores Ni/Mg2Al3 y
metanizacion de dióxido de carbono para producción Ni,Rh/ZrO2,SiO2 se evidencia que no tuvieron
de gas natural, se utilizó el reactor tubular de lecho significancia en la conversión del CO2 a CH4 , en
fijo ya que este cumple con varias especificaciones cuestión de costos es más rentable utilizar el
necesarias para el proceso de metanizacion del CO2 catalizador de Ni/Mg2Al3, el cual tiene un precio de
en condiciones isotérmicas, donde el hidrogeno se 158,10 bs como se observa en la tabla 4.
obtiene por el método de fermentación oscura ya que A pesar de que los resultados no han sido validados
es el más rentable y para el análisis de las experimentalmente, se tendrá una diferencia cuando
condiciones óptimas del CO2 se describió la se trabaje con fluidos de comportamiento no ideal,
metanizacion mediante la ecuación de tipo Hougene presentándose desviaciones cuando se haga un
Watson con el uso del catalizador de níquel, análisis del tipo flujo pistón.
realizando un análisis de diseño experimental con el
programa Desing Expert 7.0.0, donde se determinó
que el factor más influyente es la presión del CO2
con un valor menor a 1,5 atm y temperatura de

7. NOMENCLATURA
Rb radio del reformador, m
CF Forchheimer coeficiente de arrastre
r dirección radial
Cp calor específico de gas, J kg-1 K-1
ri tasa de generación de molares de las especies i,
Dij coeficiente de diffusion molecular binario, m2 kg m-3 s-1
s-1
DTi coeficiente de difusión térmica de las especies rm Velocidad de reacción de metanización de CO2,
i, m2 s-1 mol m-3 s-1

dp diámetro de partícula del catalizador, m T Temperatura, K

F Caudal molar, mol s-1 V velocidad, m s-1

qc término de fuente de energía debido a la
hc coeficiente de transferencia de calor, W m-2 K-1 reacción química, W m-3
K permeabilidad del lecho de catalizador, m-2
R constante de gas universal, 8.314 J mol-1 K-1
Ki Constante de equilibrio de adsorción de
superficie de especies, atm-1 vR velocidad de entrada promedio, ms-1
Keq Constante de equilibrio en la reacción de xi fracción molar de especies i
cambio de gas de agua, atm-2
z dirección axial
K constante de velocidad de reacción de
metanización de CO2, mol kg-1cat s-1 Símbolos griegos

L longitud del reactor, m factor de aproximación al equilibrio

mcat peso del catalizador, g ε porosidad del lecho catalítico

Mi peso molecular de las especies i, g mol-1 conductividad térmica, W m-1 K-1

mi fracción de masa de especies i viscosidad, kg m-1 s-1

NG número de especies en la mezcla de gases densidad, kg m3

Fi tasa de flujo molar de las especies i, mol s-1 Xa conversion del reactivo

p presión, Pa Po presion parcial inicial de CO2

Q caudal volumétrico, m3 s-1 Pa presion parcial inicial del H2

CV% coeficiente de variación porcentual Subíndice
P Probabilidad in entrada
F Estadístico de prueba m mezcla de gases
df Grados de libertad R reacción
cat catalizador

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4ba979555c9d51a293H.jpg_220x220.jpg
9. ANEXOS

ANEXO 1
Código en MATLAB R2015a para la simulación de la cinética y obtener las mejores condiciones de
operación.
function RUNK
%Xa=w
%Datos
T1=573;
Po=1;
Pa=4;
k=106350000000*exp(-13651.35915/T1);
KCO2=0.0000009099*exp(8382.463315/T1);
KH2=0.00096104*exp(4804.1857/T1);
Keq=exp(28183/(T1^2)+17430/T1-8.2536*log10(T1)+0.0028032*T1+33.165);
MCO2=0.044;
Dencat=2000;
a=0;
b=500;
N=1000;
t=zeros(1, N);
w=zeros(1, N);
w(1)=0;
h=(b-a)/N;
t(1)=a;

F=@(t,y) (Dencat*k*KCO2*KH2^4*(1-y)*(Pa-4*y*Po)^4)*(1-(4*y^3*Po^2)/((1-
y)*(Pa-4*Po*y)*Keq))/((8.314*T1)*(1+KCO2*Po*(1-y)+KH2*(Pa-4*y*Po))^5);

for i=1:(N-1)
K1=h*(F(t(i),w(i)));
K2=h*(F(t(i)+0.5*h,w(i)+0.5*K1));
K3=h*(F(t(i)+0.5*h,w(i)+0.5*K2));
K4=h*(F(t(i)+ h,w(i)+ K3));
w(i+1)=w(i)+(K1+2*K2+2*K3+K4)/6;
t(i+1)=a+i*h;
end

%Para una segunda temperatura

T2=873;
ka=106350000000*exp(-13651.35915/T2);
KCO2a=0.0000009099*exp(8382.463315/T2);
KH2a=0.00096104*exp(4804.1857/T2);
Keqa=exp(28183/(T2^2)+17430/T2-8.2536*log10(T2)+0.0028032*T2+33.165);

u=zeros(1, N);
v=zeros(1, N);
v(1)=0;

u(1)=a;
G=@(u,m) (Dencat*ka*KCO2a*KH2a^4*(1-m)*(Pa-4*m*Po)^4)*(1-
(4*m^3*Po^2)/((1-m)*(Pa-4*Po*m)*Keqa))/((8.314*T2)*(1+KCO2a*Po*(1-
m)+KH2a*(Pa-4*m*Po))^5);

for j=1:(N-1)
K1a=h*(G(u(j),v(j)));
K2a=h*(G(u(j)+0.5*h,v(j)+0.5*K1a));
K3a=h*(G(u(j)+0.5*h,v(j)+0.5*K2a));
K4a=h*(G(u(j)+ h,v(j)+ K3a));
v(j+1)=v(j)+(K1a+2*K2a+2*K3a+K4a)/6;
u(j+1)=a+j*h;
end
%Para una tercera temperatura
T3=773;
kb=106350000000*exp(-13651.35915/T3);
KCO2b=0.0000009099*exp(8382.463315/T3);
KH2b=0.00096104*exp(4804.1857/T3);
Keqb=exp(28183/(T3^2)+17430/T3-8.2536*log10(T3)+0.0028032*T3+33.165);

p=zeros(1, N);
q=zeros(1, N);
q(1)=0;

p(1)=a;

J=@(p,z) (Dencat*kb*KCO2b*KH2b^4*(1-z)*(Pa-4*z*Po)^4)*(1-
(4*z^3*Po^2)/((1-z)*(Pa-4*Po*z)*Keqb))/((8.314*T3)*(1+KCO2b*Po*(1-
z)+KH2b*(Pa-4*z*Po))^5);

for f=1:(N-1)
K1b=h*(J(p(f),q(f)));
K2b=h*(J(p(f)+0.5*h,q(f)+0.5*K1b));
K3b=h*(J(p(f)+0.5*h,q(f)+0.5*K2b));
K4b=h*(J(p(f)+ h,q(f)+ K3b));
q(f+1)=q(f)+(K1b+2*K2b+2*K3b+K4b)/6;
p(f+1)=a+f*h;
end
%Para una cuarta temperatura
T4=873;
kc=106350000000*exp(-13651.35915/T4);
KCO2c=0.0000009099*exp(8382.463315/T4);
KH2c=0.00096104*exp(4804.1857/T4);
Keqc=exp(28183/(T4^2)+17430/T4-8.2536*log10(T4)+0.0028032*T4+33.165);

e=zeros(1, N);
r=zeros(1, N);
r(1)=0;

e(1)=a;

O=@(e,g) (Dencat*kc*KCO2c*KH2c^4*(1-g)*(Pa-4*g*Po)^4)*(1-
(4*g^3*Po^2)/((1-g)*(Pa-4*Po*g)*Keqc))/((8.314*T3)*(1+KCO2c*Po*(1-
g)+KH2c*(Pa-4*g*Po))^5);
for c=1:(N-1)
K1c=h*(O(e(c),r(c)));
K2c=h*(O(e(c)+0.5*h,r(c)+0.5*K1c));
K3c=h*(O(e(c)+0.5*h,r(c)+0.5*K2c));
K4c=h*(O(e(c)+ h,r(c)+ K3c));
r(c+1)=r(c)+(K1c+2*K2c+2*K3c+K4c)/6;
e(c+1)=a+c*h;
end
%Grafica
plot(t, w)
title('Grafico Conversion vs Tiempo(PCO2=1.5 atm)')

hold on
plot(u, v)
hold on
plot(p, q)
hold on
plot(e, r)
legend('573 K','673 K','773 K','873 K');
ylabel('Conversion CO2');
xlabel('Tiempo[s]')
hold off

end

ANEXO 2

Ficha técnica de Níquel

 Ficha técnica de óxido de circonio

Ficha técnica de aluminuro de magnesio

Ficha técnica de rodio
Ficha técnica de dióxido de silicio