Efecto de la presión y configuración de suministro en la eficiencia de mezclado mediante el efecto Venturi para mezclas CO2/H2-CH4/H2 en el proceso Power-To-Gas
análisis CFD
Introducción: El presente artículo es uno de los resultados del proyecto “Desarrollo de un sistema “power to gas” (PTG) en el contexto de las fuentes de energía renovables y convencionales disponible en la Guajira” este fue desarrollado por La Universidad de Antioquia y la universidad de La Guajira durante el 2019-2023.
Problema: La eficiencia y uniformidad de la mezcla de gases en aplicaciones Power-to-Gas se ven afectadas por variaciones de presión y configuraciones de suministro. Objetivo: Evaluar la influencia de variaciones de presión y configuraciones de suministro en la eficiencia del proceso de mezcla Venturi, utilizando indicadores como el Z-factor y el coeficiente de variación (CoV).
Metodología: Se emplearon simulaciones numéricas para cuatro configuraciones de mezcladores. Para mezclas CO2/H2, se trabajó a 1 bar (caso i) y 4 bar (caso ii); para mezclas CH4/H2, a 3 bar (caso i) y 35 bar (caso ii).
Resultados: A medida que la presión del gas de entrada aumenta, la uniformidad disminuye para ambas mezclas. La introducción horizontal de H2 mejora la uniformidad de CO2/H2, mientras que la alimentación vertical beneficia la mezcla CH4/H2. El mezclador reduce el CoV un 80% en promedio para CO2/H2. En mezclas CH4/H2 a 3 bares, hay reducciones del 60%; a 35 bares aumentan un 56%.
Conclusión: Presión y configuración de suministro influyen en el proceso de mezclado, destacando la importancia de considerar estos factores en aplicaciones Power-to-Gas.
Originalidad: Se explora el proceso de mezclado Venturi en mezclas específicas de gases para aplicaciones Power-to-Gas.
Limitaciones: las condiciones y configuraciones estudiadas pueden no cubrir todos los escenarios posibles en aplicaciones Power-to-Gas.
Cómo citar
Licencia
Derechos de autor 2024 Ingeniería Solidaria
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Compromiso ético y cesión de derechos
El autor debe declarar que su trabajo es original e inédito y que no se ha postulado a evaluación simultánea para su publicación por otro medio. Además, debe asegurar que no tiene impedimentos de ninguna naturaleza para la concesión de los derechos previstos en el contrato.
El autor se compromete a esperar el resultado de evaluación de la revista Ingeniería Solidaria, antes de considerar su presentación a otro medio; en caso de que la respuesta de publicación sea positiva, adicionalmente, se compromete a responder por cualquier acción de reivindicación, plagio u otra clase de reclamación que al respecto pudiera sobrevenir por parte de terceros.
Asimismo, debe declarar que, como autor o coautor, está de acuerdo por completo con los contenidos presentados en el trabajo y ceder todos los derechos patrimoniales, es decir, su reproducción, comunicación pública, distribución, divulgación, transformación, puesta a disposición y demás formas de utilización de la obra por cualquier medio o procedimiento, por el término de su protección legal y en todos los países del mundo, al Fondo Editorial de la Universidad Cooperativa de Colombia, de manera gratuita y sin contraprestación presente o futura.
[1] P. Igeland et al, “The energy transition: The behavior of renewable energy stock during the times of energy security uncertainty,” Renewable Energy, vol. 221, pp. 119746, 2024.
[2] B. Elie et al, “Gold and crude oil as safe-haven assets for clean energy stock indices: Blended copulas approach,” Energy, vol. 178, pp. 544-553, 2019.
[3] Z. Liu et al, “Renewable energy utilizing and fluctuation stabilizing using optimal dynamic grid connection factor strategy and artificial intelligence-based solution method,” Renewable Energy, vol. 219, pp. 119379, 2023.
[4] Q. Hassan et al, “A review of hybrid renewable energy systems: Solar and wind-powered solutions: Challenges, opportunities, and policy implications,” Results in Engineering, pp. 101621, 2023.
[5] R. Qiu et al, “Green hydrogen-based energy storage service via power-to-gas technologies integrated with multi-energy microgrid,” Appl. Energy, vol. 350, pp. 121716, 2023.
[6] D. Lanni et al, “Biomethane production through the power to gas concept: A strategy for increasing the renewable sources exploitation and promoting the green energy transition,” Energy Conversion and Management, vol. 293, pp. 117538, 2023.
[7] M. Lehner et al, “Storage options for renewable energy,” Power-to-Gas: Technology and Business Models, pp. 1-6, 2014.
[8] M. Thema, F. Bauer and M. Sterner, “Power-to-Gas: Electrolysis and methanation status review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 112, pp. 775-787, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.06.030.
[9] M. Ozturk and I. Dincer, “A comprehensive review on power-to-gas with hydrogen options for cleaner applications,” Int J Hydrogen Energy, vol. 46, (62), pp. 31511-31522, 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.07.066.
[10] M. Götz et al, “Renewable Power-to-Gas: A technological and economic review,” Renewable Energy, vol. 85, pp. 1371-1390, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.07.066.
[11] M. Lehner et al, Power-to-Gas: Technology and Business Models. Springer, 2014.
[12] A. Okunlola, M. Davis and A. Kumar, “The development of an assessment framework to determine the technical hydrogen production potential from wind and solar energy,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 166, pp. 112610, 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2022.112610.
[13] O. Tang, J. Rehme and P. Cerin, “Levelized cost of hydrogen for refueling stations with solar PV and wind in Sweden: On-grid or off-grid?” Energy, vol. 241, pp. 122906, 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122906.
[14] Y. Patcharavorachot et al, “Comparative energy, economic, and environmental analyses of power-to-gas systems integrating SOECs in steam-electrolysis and co-electrolysis and methanation,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 42, pp. 101873, 2023. Available: https://www-sciencedirect-com.udea.lookproxy.com/science/article/pii/S2451904923002263. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsep.2023.101873.
[15] R. M. Molano-Pulido, F. M. Cabrera, y F. E. Vargas-Silva, “Electronic ACPM meter in gallons, for the electric generator tank of the ESUFA radar”, Vis. Electron., vol. 16, no. 2, 2022. Available: https://revistas.udistrital.edu.co/index.php/visele/article/view/20694 DOI: 10.14483/22484728.20694.
[16] P. Straka, “A comprehensive study of Power-to-Gas technology: Technical implementations overview, economic assessments, methanation plant as auxiliary operation of lignite-fired power station,” J. Clean. Prod., vol. 311, pp. 127642, 2021. Available: https://www-science-direct-com.udea.lookproxy.com/science/article/pii/S0959652621018606. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.127642.
[17] J. Fąfara and N. Modliński, “Numerical study of internal flue gas recirculation system applied to methane-hydrogen powered gas microturbine combustor.” Combustion Engines (2300-9896), vol. 192(1), pp. 63–77, 2023. DOI: https://doi.org/10.19206/CE-152236.
[18] K. K. Botros, M. Shariati and S. Sandhawalia, “Performance of five different natural gas and hydrogen blending mixer designs via CFD,” in International Pipeline Conference, vol. V001T08A005, pp. 1-14, 2022.
[19] T. Wang et al, “A numerical study on the transient injection characteristics of gas fuel injection devices for direct-injection engines,” in Actuators, Vol. 12, Page 102, 12 (3), 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/act12030102.
[20] M. R. Dahake and S. E. Patil, “Experimental Study on CNG Engine with Different Ventury Configuration,” Materials Today: Proceedings, vol. 55, pp. 388-393, 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.08.357.
[21] Q. Liu et al, “Analysis of the static mixer effect on natural gas mixing process in a pipeline,” Flow Meas. Instrum., vol. 85, pp. 102146, 2022. Available: https://www-sciencedirect-com.udea.lookproxy.com/science/article/pii/S0955598622000267. DOI: 10.1016/j.flowmeasinst.2022.102146.
[22] D. Hu et al, “Design and numerical simulation of a gas mixer,” Mapan, vol. 30, pp. 203-209, 2015. DOI: https://doi.org/10.1007/s12647-015-0135-3.
[23] M. M. Haddadi et al, “Comparative analysis of different static mixers performance by CFD technique: An innovative mixer,” Chin. J. Chem. Eng., vol. 28, (3), pp. 672-684, 2020. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cjche.2019.09.004.
[24] E. Fourcade et al, “CFD calculation of laminar striation thinning in static mixer reactors,” Chemical Engineering Science, vol. 56, (23), pp. 6729-6741, 2001.
[25] J. N. Armor, “Overcoming equilibrium limitations in chemical processes,” Applied Catalysis A: General, vol. 222, (1-2), pp. 91-99, 2001.
[26] C. Mejía-Botero et al, “Effect of preheat temperature, pressure, and residence time on methanation performance,” Energy, vol. 269, pp. 126693, 2023. Available: https://www-sciencedirect-com.udea.lookproxy.com/science/article/pii/S0360544223000877. DOI: 10.1016/j.energy.2023.126693.
[27] G. Pluvinage, J. Capelle and M. H. Meliani, “Pipe networks transporting hydrogen pure or blended with natural gas, design and maintenance,” Eng. Failure Anal., vol. 106, pp. 104164, 2019.
[28] M. W. Melaina, O. Antonia and M. Penev, “Blending hydrogen into natural gas pipeline networks: a review of key issues,” 2013. DOI: https://doi.org/10.2172/1068610.
[29] H. De Vries, O. Florisson and G. C. Tiekstra, “Safe Operation of Natural Gas Appliances Fuelled with Hydrogen & Natural Gas Mixtures (Progress Obtained in the Naturalhy-Project),” 2007. Available: https://h2tools.org/file/7451/download?token=4ZNOefdX.
[30] Enapter (2021). AEM technology. Enapter handbook. Available: https://handbook.enapter.com/electrolyser/el40/downloads/ELE40-MAN-000EN-REV05.pdf.
[31] Pedro Souza de Oliveira, João et al, “Coupling a neural network technique with CFD simulations for predicting 2-D atmospheric dispersion analyzing wind and composition effects,” J Loss Prev Process Ind, vol. 80, pp. 104930, 2022. Available: https://www-sciencedirect-com.udea.lookproxy.com/science/article/pii/S0950423022002066. DOI: 10.1016/j.jlp.2022.104930.
[32] Y. Zhang, M. Zhang and H. Zhou, “Mixing performance of preheated flue gas entering selective catalytic reactor under low loads,” Appl. Therm. Eng., vol. 224, pp. 120049, 2023.
[33] M. Zhou et al, “Numerical investigation of turbulent reactive mixing in a novel coaxial jet static mixer,” Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, vol. 122, pp. 190-203, 2017.
[34] Ansys (2018). Ansys 19.2 Delivers Faster Problem-Solving Capabilities Across the Entire Portfolio. Available: https://www.ansys.com/news-center/press-releases/09-18-18-ansys-19-2-delivers-faster-problem-solving-capabilities-across-entire-portfolio.
[35] S. V. Patankar, “Numerical heat transfer and fluid flow, Hemisphere Publ,” Corp., New York, vol. 58, pp. 288, 1980.
[36] C. Habchi et al, “Mixing performance in split-and-recombine milli-static mixers—A numerical analysis,” Chem. Eng. Res. Design, vol. 142, pp. 298-306, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.12.010.
[37] M. Y. L. Pérez et al, “Análisis de modelaciones de canal abierto con reducción en OpenFOAM,” Ingeniería Solidaria, vol. 19, (2), pp. 1-21, 2023.
[38] A. W. Nienow, M. F. EDWARDS and N. Harnby, Mixing in the Process Industries. Elsevier Science, 1997.
[39] L. J. Dietsche and A. C. Neubauer, “Computational fluid dynamics model of viscous droplet breakup,” Chemical Engineering Science, vol. 64, (22), pp. 4543-4552, 2009. Available: https://doi.org/10.1016/j.ces.2009.06.046.
[40] C. K. Law, Combustion Physics. Cambridge University Press, 2010.
