Conversión de CO2 a metano empleando procesos SERP

• Autores: Andrés Cañada Barcala
• Directores de la Tesis: José Antonio Delgado Dobladez (dir. tes.), Vicente Ismael Águeda Maté (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Juan García Rodríguez (presid.), María Martín Martínez (secret.), Carlos Alberto Prieto Velasco (voc.), Ernesto Simón (voc.), M. Aránzazu García Martín (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Química por la Universidad Complutense de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense
• Resumen

  • En esta Tesis Doctoral se ha estudiado la aplicación de un proceso mejorado de metanación de CO2 a bajas temperaturas y presión atmosférica, con el objetivo de contribuir a la descarbonización estipulada en el Acuerdo de París. Esta mejora se consigue a partir de los denominados Sorption Enhanced Reaction Processes (SERP), que consisten en la adición de un adsorbente al proceso de reacción que sea capaz de retener uno de los productos y desplazar así el equilibrio de la reacción.

    Los catalizadores más recurrentes en esta reacción son los basados en níquel, mientras que los soportes más habituales son la alúmina, la sílice o mezclas de ambos soportes.

    Por otro lado, puesto que el producto que se quiere adsorber en la reacción es el agua, se seleccionaron las zeolitas y un titanosilicato ETS-4 como adsorbentes.

    En la primera etapa de la tesis se sintetizaron una serie de catalizadores impregnados en zeolita y titanosilicato, de forma que cumplían las dos funciones, catalizar la conversión de CO2 y adsorber agua de forma selectiva. Estos catalizadores fueron Ni5A, Ni13X y NiETS-4, los cuales fueron caracterizados como adsorbentes por el método de pulsos cromatográficos junto al catalizador comercial, Ni/SiAl, con fines comparativos.

    Seguidamente, se realizó un cribado catalítico de estos catalizadores obteniendo la conversión de CO2 y la selectividad a metano, de forma que se descartaron Ni13X y NiETS-4 en función de los resultados.

    Después de esta etapa preliminar de síntesis y caracterización de los catalizadores, se procedió al diseño de los procesos SERP de metanación, dando lugar a tres publicaciones distintas. Las dos primeras consistieron en el diseño del proceso con el software PSASIM a partir de los datos experimentales del catalizador y del adsorbente. La tercera y última publicación consistió en la aplicación del proceso a escala experimental, en aras de validar los resultados obtenidos en el diseño por simulación. Las principales etapas de estas publicaciones fueron las siguientes: - En el primer artículo se obtuvo el modelo cinético del catalizador comercial.

    Además, se decidió añadir zeolita 3A como adsorbente de agua.

    - Con el modelo cinético del catalizador y la isoterma de adsorción de la zeolita 3A, se diseña en PSASIM un proceso cíclico de metanación de CO2 que incluye tres etapas: reacción/adsorción, lavado y purga. Las dos últimas etapas consisten en reutilizar los productos de la primera para desorber el agua retenida por la zeolita.- Como resultado del diseño, se obtiene un producto rico en metano a 275 ºC y presión atmosférica, sin necesidad de aplicar variaciones en la temperatura o en la presión. Además, el producto es apto para el consumo de gas natural doméstico.- En la segunda publicación se diseñó un proceso de metanación de biogás procedente de la digestión anaerobia de una planta de tratamiento de aguas residuales. Para ello, se seleccionó el catalizador NiAl2O3 como el más idóneo frente al comercial, dados sus altos rendimientos de reacción a bajas temperaturas.

    - Añadiendo zeolita 3A como adsorbente, se consiguió obtener usando PSASIM un producto con un 98.6% de pureza en biometano a 215 ºC y presión atmosférica.

    El proceso estaba formado por las mismas etapas que el primero y, de nuevo, no fue necesario aplicar variaciones de presión o de temperatura.- En la tercera publicación se aplicó el proceso SERP de forma experimental, contando con dos etapas principales: reacción/adsorción seguida de regeneración a partir de una etapa de purga. El catalizador seleccionado fue NiAl2O3 con zeolita 3A como adsorbente.

    - Se consiguió maximizar la conversión de CO2 durante 5 ciclos de reacción/adsorción + purga a 225 ºC y presión atmosférica. El catalizador se mantuvo estable a lo largo de los 5 ciclos estudiados. Por tanto, en esta Tesis Doctoral se proponen los procesos SERP como una alternativa viable a las condiciones típicas de metanación de CO2, ya que se puede maximizar el rendimiento de reacción a baj