Evaluación de Modelos de
Simulación de Reactores utilizados en la Combustión con Chemical Looping
Combustión (CLC): Un enfoque en la integración industrial eficiente
Analysis of Reactors Simulation
Models used in Combustion with Chemical Looping Combustion (CLC) as an
Alternative and Potencial for Integration in
Industrial Processes
Sandra Peña*
Ana Santamaría*
Mayra Olaya*
Abstract
Chemical Looping
Combustion (CLC) is an emerging technology that enables energy generation with
inherent CO₂ capture, positioning itself as a sustainable alternative to
conventional methods. This study evaluates reactor simulation models ranging
from equilibrium-based approaches to kinetic models implemented in software
such as ANSYS Fluent and COMSOL Multiphysics. Key applications include power
generation, hydrogen production, and fossil fuel processing, alongside
challenges such as material selection, cost reduction, and adaptability to
diverse feedstocks. The manganese minerals OXMN009 and OXMN009P demonstrate
high efficiency, confirming that the optimization of models and materials is
crucial for the industrial viability of CLC.
Keywords: chemical looping combustion, reactor simulation, industrial integration,
kinetic modeling, CO2 capture.
Resumen
La Combustión con Chemical Looping Combustion
(CLC) es una tecnología emergente que permite generar energía con captura
inherente de CO₂, posicionándose como alternativa sostenible frente a métodos
convencionales. Este estudio evalúa modelos de simulación de reactores, desde
enfoques de equilibrio hasta modelos cinéticos, aplicados en softwares como
ANSYS Fluent y COMSOL Multiphysics. Se destacan aplicaciones en generación
eléctrica, producción de hidrógeno y procesamiento de combustibles fósiles,
junto con retos como selección de materiales, reducción de costos y adaptación
a diversas fuentes. Los minerales de manganeso OXMN009 y OXMN009P muestran alta
eficiencia, confirmando que la optimización de modelos y materiales es clave
para la viabilidad industrial del CLC
Palabras Clave: combustión en CLC, simulación de reactores, integración industrial, modelado cinético, captura de CO2.
Resumo
A Combustão por Ciclo Químico (CLC) é uma tecnologia emergente que
possibilita a geração de energia com captura inerente de CO₂, posicionando-se
como uma alternativa sustentável aos métodos convencionais. Este estudo avalia
modelos de simulação de reatores variando desde abordagens baseadas no
equilíbrio até modelos cinéticos implementados em softwares como ANSYS Fluent e
COMSOL Multiphysics. As principais aplicações incluem a geração de energia, a
produção de hidrogênio e o processamento de combustíveis fósseis, juntamente
com desafios como a seleção de materiais, a redução de custos e a
adaptabilidade a diversas matérias-primas. Os minerais de manganês OXMN009 e
OXMN009P demonstram alta eficiência, confirmando que a otimização de modelos e
materiais é crucial para a viabilidade industrial da CLC.
Palavras-chave: combustão por looping químico, simulação de
reatores, integração industrial, modelagem cinética, captura de CO2.
INTRODUCTION
Actualmente, la aplicación de CLC en la industria se encuentra en fase de investigación y desarrollo, con estudios experimentales y simulaciones computacionales que buscan optimizar su rendimiento y viabilidad económica. Diferentes tipos de reactores han sido propuestos para este proceso, incluyendo reactores de lecho fluidizado burbujeante, lecho fluidizado circulante y lecho fijo, cada uno con características específicas que influyen en la eficiencia del sistema.
Uno de los aspectos clave en el desarrollo
del CLC es la selección de materiales transportadores de oxígeno adecuados,
dado que su estabilidad térmica y reactividad afectan directamente la
eficiencia del proceso. Según Peña Murillo et al. (2024), el uso de minerales
de manganeso como transportadores de oxígeno ha demostrado ser una opción
prometedora debido a su alta capacidad de transporte de oxígeno y su bajo
costo. En particular, el mineral OXMN009 y su versión mejorada OXMN009P, que
incorpora impregnación con cobre, han mostrado una mayor reactividad y
eficiencia en el proceso de combustión con captura de CO₂
Este artículo se enfoca en el análisis de los modelos de simulación de reactores utilizados en CLC, destacando su papel en la optimización del diseño y operación de estos sistemas. Además, se analiza la integración de los sistemas de CLC en procesos industriales, examinando el funcionamiento de sus componentes clave, como reactores y sistemas de control, para comprender su aplicación en la generación de energía, producción de hidrógeno y otros procesos industriales. Se presentan ejemplos de integración en la industria y se identifican los desafíos tecnológicos que deben abordarse, como la selección de materiales transportadores de oxígeno más eficientes, la reducción de costos operativos y la adaptabilidad de CLC a distintas fuentes de combustible.
Finalmente, se discuten las perspectivas futuras para la implementación a gran escala de esta tecnología, considerando aspectos como la regulación ambiental, la aceptación por parte de la industria y la mejora de la infraestructura existente para su incorporación en procesos industriales ya establecidos.
MATERIALS AND METHODS
Este estudio
se centra en la revisión de literatura y el análisis comparativo de modelos de
simulación utilizados en la Combustión con Chemical Looping Combustion (CLC).
La metodología aplicada en esta investigación se sustenta en el examen de
múltiples fuentes académicas, incluyendo artículos científicos, informes
técnicos y estudios experimentales que abordan los principios teóricos y las
aplicaciones prácticas del CLC en la industria
La revisión
bibliográfica permitió identificar las tecnologías actuales, los desarrollos
recientes y las innovaciones en el diseño y operación de reactores CLC. Se
analizaron estudios previos que han evaluado la eficiencia de los sistemas CLC,
su capacidad para reducir emisiones de gases de efecto invernadero y su
viabilidad económica para su implementación en procesos industriales
Además, se
realizó un análisis comparativo de los modelos de simulación disponibles,
considerando aspectos como su nivel de precisión, las herramientas
computacionales utilizadas y su aplicabilidad en distintos escenarios
industriales. Este análisis se apoyó en el uso de herramientas especializadas
de simulación, como ANSYS Fluent y COMSOL Multiphysics, las cuales permiten la
evaluación detallada del comportamiento de los reactores bajo diferentes
condiciones operativas
Uno de los aspectos clave en la modelización de CLC es la caracterización y selección de los materiales transportadores de oxígeno. Según el estudio de Peña Murillo et al. (2024), se han evaluado minerales de manganeso como el OXMN009 y su versión mejorada OXMN009P, que incorpora impregnación con cobre, mediante termogravimetría (TGA) para analizar su comportamiento cinético y capacidad de transporte de oxígeno. Los resultados han demostrado que el OXMN009P exhibe una mayor reactividad y eficiencia en la combustión con combustibles gaseosos, como metano (CH₄), monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂), debido a su alta capacidad de transferencia de oxígeno y estabilidad térmica.
El enfoque
metodológico de este trabajo también incluyó la clasificación de los modelos de
simulación en función de su capacidad para representar la cinética química y
las interacciones entre los transportadores de oxígeno y el combustible. Se
consideraron modelos de equilibrio, que asumen condiciones ideales, y modelos
cinéticos, que integran parámetros dinámicos y reacciones químicas en tiempo
real
La validación de los datos obtenidos a partir de la revisión bibliográfica se llevó a cabo mediante la comparación con estudios experimentales y pruebas de simulación previas. Esta metodología permitió identificar los principales desafíos tecnológicos en la implementación del CLC y definir estrategias para mejorar su eficiencia y reducir los costos operativos.
Modelos Estudiados
Para el análisis de los modelos de simulación de reactores en CLC, se consideraron dos enfoques principales: modelos de equilibrio y modelos cinéticos. Estos modelos permiten comprender la interacción entre los transportadores de oxígeno y el combustible, optimizando la eficiencia del proceso y reduciendo las emisiones contaminantes (Seepana et al., 2021)
Modelos de Equilibrio
Los modelos
de equilibrio se basan en el principio de equilibrio termodinámico para
predecir la composición final de los productos de reacción en condiciones
ideales. Estos modelos son fundamentales para evaluar la conversión completa
del combustible y determinar la eficiencia teórica del proceso
Dado que los
modelos de equilibrio no consideran las velocidades de reacción ni las
variaciones en las condiciones operativas, su aplicación en la simulación de
procesos industriales es limitada. Sin embargo, proporcionan una referencia
inicial para la optimización del diseño de reactores y la selección de
materiales transportadores de oxígeno con alta estabilidad térmica y química
Modelos Cinéticos
Los modelos
cinéticos consideran la velocidad de reacción y la influencia de factores como
la temperatura, la presión y la composición del transportador de oxígeno en el
desempeño del reactor. Estos modelos son esenciales para analizar el
comportamiento dinámico de los reactores y predecir la evolución de las
reacciones químicas en el tiempo
Para operar
eficazmente, el sistema CLC requiere mantener temperaturas específicas en ambos
reactores; el reactor de reducción opera a temperaturas entre 800 y 1000°C,
mientras que el reactor de oxidación trabaja a temperaturas algo inferiores.
Estas condiciones aseguran una reactividad óptima del portador de oxígeno y la
completa conversión del combustible
Los modelos
cinéticos también consideran la estabilidad y reactividad del portador de
oxígeno a lo largo de múltiples ciclos de oxidación y reducción. Para ello, se
han estudiado materiales como óxidos de níquel (NiO), hierro (Fe₂O₃) y cobre
(CuO), que presentan alta estabilidad térmica y mecánica, esenciales para un
funcionamiento eficiente a largo plazo
Uno de los principales desafíos en la modelización cinética es la determinación de los coeficientes de reacción y los mecanismos de interacción entre los transportadores de oxígeno y los combustibles. En este sentido, los estudios experimentales han permitido refinar los modelos y mejorar la precisión de las simulaciones (Seepana et al., 2021).
En el
análisis comparativo de los modelos, se identificaron las principales ventajas
y limitaciones de cada enfoque. Mientras que los modelos de equilibrio
proporcionan una visión general del rendimiento esperado en condiciones
ideales, los modelos cinéticos permiten evaluar con mayor precisión la dinámica
de reacción en escenarios operativos reales
La aplicación del software como ANSYS Fluent y COMSOL Multihysics es importante para simular y analizar el comportamiento de los reactores y sistemas de combustión, debido a que permiten modelar fenómenos complejos de transferencia de calor, transferencia de masa y reacciones químicas fundamentales en la compresión y optimización del proceso de Combustión en Bucle Químico (CLC) (Faizal & Deshpande, 2023).
Permite realizar simulaciones detalladas de la dinámica de los fluidos, transferencia de calor y cinética de reacción dentro de los reactores de lecho fluidizado, proporcionando información sobre la eficiencia del proceso, distribución de temperatura y captura de dióxido de carbono. Además, son prácticos para modelar la interacción entre los transportadores de oxígeno, los combustibles y los productos de reacción, contribuyendo a la compresión integral del proceso (Faizal & Deshpande, 2023).
La integración de CLC en un ciclo combinado para la producción de energía eléctrica es una estrategia prometedora para mejorar la eficiencia energética y reducir las emisiones de dióxido de carbono, esta integración combina un ciclo Brayton con un ciclo Rankine, aprovechando el calor residual generado en el proceso de combustión, un buen control permite integrar el proceso en ciclos combinados de generación de electricidad, por ende, incrementa la eficiencia energética.
La producción
de hidrógeno mediante el proceso de Reformado Químico en Bucle (CLR) es una de
las aplicaciones más prometedoras dentro de la tecnología de Bucle Químico.
Este proceso emplea transportadores sólidos de oxígeno que permiten una
transferencia controlada de oxígeno al combustible, por ejemplo, los minerales
de manganeso OXMN009 y OXMN009P que influyen directamente la eficiencia y
captura de dióxido de carbono en la generación de energía
En el proceso
de CLC para los combustibles fósiles, permitiendo una combustión altamente
eficiente con captura integrada de dióxido de carbono. En este proceso un
portador de oxígeno oxida el combustible en un reactor de reducción,
produciendo CO2 y vapor de agua como subproductos. En este contexto
la evaluación de minerales como el de manganeso OXMN009 y OXMN009P es una
opción efectiva para la captura de dióxido de carbono provocado por los óxidos
metálicos
RESULTS
Los modelos
de equilibrio y cinéticos desempeñan un papel fundamental en la comprensión y
diseño de reactores para procesos de combustión, debido a que permiten simular
el comportamiento de las reacciones químicas, así evaluando la eficiencia del
sistema y optimización de las condiciones operativas . En la Tabla 1 se
muestran la comparativa entre el modelo de equilibrio y el modelo cinético.
Los modelos de simulación en CLC, incluyendo los modelos de equilibrio y cinéticos, han demostrado ser herramientas fundamentales para optimizar el diseño y la operación de los reactores, proporcionando un mejor entendimiento de los fenómenos de transferencia de masa y calor. La comparación de modelos ha permitido identificar las fortalezas y limitaciones de cada enfoque, lo que contribuye a la mejora continua de la tecnología CLC.
Las aplicaciones industriales del CLC, como la generación de energía eléctrica, la producción de hidrógeno y el procesamiento de combustibles fósiles, destacan el potencial de esta tecnología para abordar los desafíos energéticos y medioambientales actuales. La integración del CLC en ciclos combinados para la generación de energía eléctrica y su relevancia en la producción eficiente de hidrógeno subrayan su papel en la transición hacia fuentes de energía más limpias y sostenibles.
Los desafíos y oportunidades identificados en la estabilidad operativa, la búsqueda de materiales transportadores de oxígeno y la optimización de reactores ofrecen áreas clave para la investigación y el desarrollo continuo en el campo del CLC. Abordar estos desafíos y aprovechar estas oportunidades es fundamental para garantizar la implementación exitosa y sostenible del CLC en aplicaciones industriales, lo que respalda la importancia de la innovación y la mejora continua en esta tecnología.
REFERENCES
Abad, A., de las Obras-Loscertales, M.,
García-Labiano, F., de Diego, L. F., Gayán, P., & Adánez, J. (2017). In situ gasification
Chemical-Looping Combustion of coal using limestone as oxygen carrier
precursor and sulphur sorbent. Chemical
Engineering Journal, 310, 226–239.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.10.113
Abad, A., Gayán, P., García-Labiano, F., de Diego, L. F., & Adánez, J. (2018). Relevance of plant design on CLC
process performance using a Cu-based oxygen carrier. Fuel Processing
Technology, 171, 78–88.
https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.09.015
Adánez-Rubio,
I., Abad, A., Gayán, P., de Diego, L. F.,
García-Labiano, F., & Adánez, J. (2013).
Performance of CLOU process in the combustion of different types of coal with
CO2 capture. International Journal of Greenhouse Gas Control, 12,
430–440. https://doi.org/10.1016/j.ijggc.2012.11.025
Arango, E. (2020). Desarrollo de
transportadores sólidos de oxígeno de bajo costo a base de hierro y/o
manganeso disponibles en Colombia Utilizando CO e H2 como combustibles en la
Tecnología de CLC (CHEMICAL LOOPING COMBUSTION). Universidad del Valle.
Arango, E., & Vasquez, F. (2016).
Determinación de los parámetros cinéticos para la combustión usando minerales
del suroccidente colombiano como transportadores sólidos de oxígeno. In Escuela
de Ingeniería Química: Ingeniero.
https://bibliotecadigital.univalle.edu.co/handle/10893/16893
Bolaños, A., & Tobon, J. (2020). Estudio
de los métodos de densificación de biomasa para su aplicación en la
densificación del residuo de corte de caña de azúcar. Universidad del
Valle.
García-Labiano, F., de Diego, L. F., Adánez,
J., Abad, A., & Gayán, P. (2005). Temperature variations in the
oxygen carrier particles during their reduction and oxidation in a
chemical-looping combustion system. Chemical Engineering Science, 60(3),
851–862. https://doi.org/10.1016/j.ces.2004.09.049
Mendiara, T., Pérez, R., Abad, A., De Diego, L. F., García-Labiano, F., Gayán, P., & Adánez, J.
(2012). Low-cost Fe-based oxygen carrier materials for the iG-CLC process with coal. 1. Industrial and
Engineering Chemistry Research, 51(50), 16216–16229.
https://doi.org/10.1021/ie302157y
Peña, S.,
Forero, C., Velasco-Sarria, F., & Arango, E. (2024). Evaluation of the
Mineral Manganese OXMN009 and OXMN009P in the Chemical Looping Combustion
(CLC) Process Using Thermogravimetry. Applied Sciences (Switzerland), 14(15).
https://doi.org/10.3390/app14156823
Pérez-Vega,
R., Abad, A., Gayán, P., de Diego, L. F.,
García-Labiano, F., & Adánez, J. (2017).
Development of (Mn0.77Fe0.23)2O3 particles as an oxygen carrier for coal
combustion with CO2 capture via in-situ gasification chemical looping
combustion (iG-CLC) aided by oxygen uncoupling
(CLOU). Fuel Processing Technology, 164, 69–79.
https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2017.04.019
Teng, Y.,
& Zhang, D. (2020). Comprehensive study and comparison of equilibrium and
kinetic models in simulation of hydrate reaction in porous media. Journal of Computational Physics, 404, 109094.
https://doi.org/10.1016/J.JCP.2019.109094