CFD-aided conceptual design of an intensified reactor for the production of synthetic natural gas within the power-to-methane context

Abstract

The spread of renewable sources has boosted the emerging Power-to-Methane (PtM) concept as an attractive strategy for turning surplus power into Synthetic Natural Gas (SNG). PtM is founded on CO2 methanation, a highly exothermic process that renders appropriate heat management challenging in conventional reactors. Hence Process Intensification (PI) may provide a breakthrough. This contribution presents a Computational Fluid Dynamics (CFD)-aided conceptual design of a heat-exchanger wall-coated methanation reactor. The design is based on a reactor formed by single-pass stacked plates comprising a reacting network of multiple channels coated with NiAl(O)x. The reactor is evaluated at industrially relevant operating conditions with an undiluted stoichiometric feed. A 3-D reaction channel is parametrised to define a design point that guarantees a minimum CO2 conversion of 95%, maximising throughput without hot spot formation. The plate manifold is 2-D dimensioned to keep an even flow distribution as a function of the number of channels. The entire stacked plate is 3-D simulated to corroborate the findings of former design stages and discuss the effect of the length of the channels on reactor performance. The proposed conceptual design sets a feasible PI base case to overcome the shortcomings of conventional reactors for PtM applications.

La expansión de las fuentes renovables ha impulsado el concepto emergente de energía a metano (PtM) como una estrategia atractiva para convertir el excedente de energía en gas natural sintético (SNG). PtM se basa en la metanización de CO2, un proceso altamente exotérmico que hace que la gestión adecuada del calor sea un desafío en los reactores convencionales. Por lo tanto, la Intensificación de Procesos (PI) puede proporcionar un gran avance. Esta contribución presenta un diseño conceptual asistido por dinámica de fluidos computacional (CFD) de un reactor de metanación revestido de pared con intercambiador de calor. El diseño se basa en un reactor formado por placas apiladas de un solo paso que comprende una red de reacción de múltiples canales recubiertos con NiAl(O)x. El reactor se evalúa en condiciones de funcionamiento industrialmente relevantes con una alimentación estequiométrica sin diluir. Se parametriza un canal de reacción 3D para definir un punto de diseño que garantiza una conversión mínima de CO2 del 95%, maximizando el rendimiento sin formación de puntos calientes. El colector de placas está dimensionado en 2D para mantener una distribución uniforme del flujo en función del número de canales. Toda la placa apilada se simula en 3D para corroborar los hallazgos de las etapas de diseño anteriores y analizar el efecto de la longitud de los canales en el rendimiento del reactor. El diseño conceptual propuesto establece un caso base PI factible para superar las deficiencias de los reactores convencionales para aplicaciones PtM.