Simulació i validació d'un reactor de flux de pistó per la reacció de la reformació seca del metà

Abstract

Aquest Treball de Fi de Grau se centra en l'estudi i la validació d'un reactor de flux de pistó (PFR) aplicat a la reformació seca del metà (DRM), una reacció de gran interès pel seu doble impacte: la producció sostenible d'hidrogen i la valorització del CO₂. El treball integra una revisió exhaustiva dels fonaments cinètics de la DRM, així com del paper dels catalitzadors heterogenis suportats en espinel·la de magnesi (MgAl₂O₄) i en cèria (CeO₂), materials que destaquen per la seva estabilitat tèrmica i propietats redox. A nivell pràctic, es va desenvolupar una eina computacional en llenguatge C capaç de calcular l'equilibri termodinàmic de la DRM i de reaccions secundàries rellevants, com ara la RWGS, la descomposició de CH₄ i la reacció de Boudouard. Les simulacions van permetre analitzar la influència de variables com ara la temperatura, la pressió, el cabal d'alimentació i la massa del catalitzador sobre la conversió, el rendiment i la selectivitat. Els resultats van ser validats amb dades de la literatura i amb simulacions realitzades a Aspen HYSYS, incorporant a més una anàlisi de sensibilitat. L'estudi conclou que la DRM és una alternativa prometedora dins de la transició energètica i que la combinació de models propis i eines comercials constitueix una base sòlida per al disseny i l'optimització de processos químics sostenibles.

Este Proyecto de Fin de Grado se centra en el estudio y la validación de un reactor de flujo pistón (PFR) aplicado al reformado de metano en seco (DRM), una reacción de gran interés debido a su doble impacto: la producción sostenible de hidrógeno y la valorización de CO₂. El trabajo integra una revisión exhaustiva de los fundamentos cinéticos del DRM, así como del papel de los catalizadores heterogéneos soportados sobre espinela de magnesio (MgAl₂O₄) y ceria (CeO₂), materiales que destacan por su estabilidad térmica y propiedades redox. A nivel práctico, se desarrolló una herramienta computacional en lenguaje C capaz de calcular el equilibrio termodinámico del DRM y reacciones secundarias relevantes, como la RWGS, la descomposición de CH₄ y la reacción de Boudouard. Las simulaciones permitieron analizar la influencia de variables como la temperatura, la presión, el caudal de alimentación y la masa del catalizador en la conversión, el rendimiento y la selectividad. Los resultados se validaron con datos de la literatura y con simulaciones realizadas en Aspen HYSYS, incorporando además un análisis de sensibilidad. El estudio concluye que la DRM es una alternativa prometedora dentro de la transición energética y que la combinación de modelos propietarios y herramientas comerciales constituye una base sólida para el diseño y optimización de procesos químicos sostenibles.

This Final Degree Project focuses on the study and validation of a plug flow reactor (PFR) applied to the dry methane reforming (DRM) reaction, a reaction of great interest due to its dual impact: sustainable hydrogen production and CO₂ valorization. The work integrates an exhaustive review of the kinetic foundations of DRM, as well as the role of heterogeneous catalysts supported on a magnesium spinel (MgAl₂O₄) and ceria (CeO₂), materials that stand out for their thermal stability and redox properties. At a practical level, a computational tool in C language was developed capable of calculating the thermodynamic equilibrium of DRM and relevant secondary reactions, such as the RWGS, CH₄ decomposition and the Boudouard reaction. The simulations allowed analyzing the influence of variables such as temperature, pressure, feed flow and catalyst mass on conversion, yield and selectivity. The results were validated with data from the literature and with simulations performed in Aspen HYSYS, also incorporating a sensitivity analysis. The study concludes that DRM is a promising alternative within the energy transition and that the combination of proprietary models and commercial tools constitutes a solid basis for the design and optimization of sustainable chemical processes.