Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context

112 páginasThe idea of a sustainable future has led to the exclusion of fossil fuels from development policies and the inclusion of low-carbon alternatives instead. The strategy must be holistic, as proposed by the carbon capture and utilization technologies alongside renewable energies. An example is converting CO2 into value-added products, such as CH4 or Synthetic Natural Gas (SNG), using surplus power of renewable alternatives, in a low-carbon footprint process. The chemical route for the synthesis of SNG from CO2 and H2 is a catalytic reaction known as CO2 methanation or Sabatier reaction. The methanation is an example of CO2 capture and utilization technologies' industrial application within the so-called Power-to-Methane (PtM) context. In this scenario, fixed bed reactors have been the reaction technology employed by default. However, their deficiency in handling the heat released from the highly exothermic Sabatier reaction or responding to the process' intermittency appropriately has been demonstrated. These drawbacks have aroused scientific interest in developing reactors better adapted to the PtM context demands. One approach is by intensifying the methanation process to increase the mass- and energy-transfer and improve its transient response. In this project, the phenomenological hot spots formation in fixed bed reactors used for the methanation industrial process was investigated through a parametric sensitivity analysis, simulating the reactor start-up. On the other hand, it was proposed a CFD simulation-aided conceptual design of a wall-coated reactor for the SNG production using an intensification strategy. The design was based on a reactor formed by single-pass and heat-exchanger stacked-plates. The reacting channel dimensions were defined, including the catalytic layer thickness, fulfilling a minimum quality threshold given by the CO2 conversion (≥ 95%). The proposed design was also intended to maximize the volume of processed gas while meeting the quality requirement, resulting in a throughput per reaction channel of ~12 ml/min. Likewise, the plates manifold geometry and dimensions that best promoted a flow rate uniform distribution were established as a function of the number of reacting channels. Finally, a preliminary dynamic analysis of the operation start-up and shutdown was performed, establishing that the designed reactor does not present a hysteresis behaviour, an ideal condition for intermittent environments.La idea de un futuro sostenible ha conllevado a suprimir el uso de combustibles de origen fósil de los planes de desarrollo y por el contrario incluir alternativas con baja huella de carbono. La estrategia debe ser holística, como lo proponen las tecnologías de captura y utilización de CO2 junto con las energías renovables. Un ejemplo es la conversión del CO2 en productos con valor agregado, como el CH4 o Gas Natural Sintético (GNS), utilizando la energía sobrante de las alternativas renovables, en un proceso con baja huella de carbono. La ruta química para síntesis de GNS a partir de CO2 e H2 es una reacción catalítica que se conoce como metanación de CO2 o reacción de Sabatier. La metanación es un ejemplo de aplicación industrial de las tecnologías de captura y utilización de CO2 en lo que también se conoce como el contexto Power-to-Methane (PtM). En ese ámbito, los reactores de lecho fijo han sido la tecnología de reacción utilizada por defecto. Sin embargo, se ha demostrado su incapacidad para manejar el calor liberado producto de la reacción de Sabatier (altamente exotérmica), o de responder apropiadamente a la intermitencia del proceso. Estas dificultades han despertado el interés científico por desarrollar reactores que se adapten mejor a las exigencias del contexto PtM. Una propuesta yace en intensificar el proceso de metanación, incrementando la transferencia de masa y energía además de mejorar su respuesta transitoria. En este proyecto se estudió, por un lado, la formación fenomenológica de puntos calientes en reactores de lecho fijo utilizados industrialmente para el proceso de metanación a través de un análisis de sensibilidad paramétrico, simulando el arranque del reactor. Por el otro lado, se propuso un diseño conceptual asistido por simulación CFD de un reactor de pared recubierta para la producción de GNS a través de una estrategia de intensificación. El diseño partió de un reactor formado por platos apilados de intercambio de calor de un solo paso. Se definieron las dimensiones del canal de reacción, incluyendo el grosor de la capa catalítica, que cumplían con el umbral mínimo de calidad dado por la conversión de CO2 (≥ 95%). El diseño propuesto también tuvo por objeto maximizar el volumen de gas procesado, cumpliendo a la vez con el requisito de calidad, lo que resultó en un rendimiento por canal de reacción de ~12 ml/min. Así mismo se estableció la geometría y dimensiones del colector del plato que mejor favorecían una distribución uniforme de la velocidad del flujo en función del número de canales de reacción. Por último, se realizó un análisis dinámico preliminar del arranque y apagado de la operación, estableciendo que el reactor diseñado no presenta un comportamiento de histéresis, ideal para un entorno con alta intermitencia.Maestría en Diseño y Gestión de ProcesosMagíster en Diseño y Gestión de Proceso

Propuesta de una caja de herramientas computacional de código abierto para la resolución de PDEs en el contexto de la ingeniería de reacciones químicas utilizando FEniCS y componentes complementarios

15 páginasIn this contribution, an open-source computational toolbox composed of FEniCS and complementary packages is introduced to the chemical and process engineering field by addressing two case studies. First, the oxidation of o-xylene to phthalic anhydride is modelled and used as a FEniCS′ proof-of-concept based on a comparison with the software Aspen Custom Modeler (ACM). The results show a maximum absolute error of 2% and thus a good FEniCS/ACM agreement. Second, synthetic natural gas (SNG) production through CO2 methanation is covered in further detail. In this instance, a parametric study is performed for a tube bundle fixed-bed reactor employing a two-dimensional and transient pseudo-homogeneous model. An operating window for critical variables is evaluated, discussed, and successfully contrasted with the literature. Therefore, the computational toolbox methodology and the consistency of the results are validated, strengthening FEniCS and complements as an interesting alternative to solve mathematical models concerning chemical reaction engineering.En esta contribución, se introduce en el campo de la ingeniería química y de procesos una caja de herramientas computacional de código abierto compuesta por FEniCS y paquetes complementarios al abordar dos casos de estudio. En primer lugar, se modela la oxidación de o-xileno a anhídrido ftálico y se utiliza como prueba de concepto de FEniCS basada en una comparación con el software Aspen Custom Modeler (ACM). Los resultados muestran un error absoluto máximo del 2 % y, por tanto, una buena concordancia FEniCS/ACM. En segundo lugar, se cubre con más detalle la producción de gas natural sintético (SNG) a través de la metanización de CO2. En este caso, se realiza un estudio paramétrico para un reactor de lecho fijo de haz de tubos empleando un modelo pseudo-homogéneo bidimensional y transitorio. Se evalúa, discute y contrasta exitosamente con la literatura una ventana de operación para variables críticas. Por lo tanto, se valida la metodología de la caja de herramientas computacional y la consistencia de los resultados, fortaleciendo FEniCS y complementos como una alternativa interesante para resolver modelos matemáticos relacionados con la ingeniería de reacciones químicas

Diseño conceptual asistido por CFD de un reactor intensificado para la producción de gas natural sintético en el contexto de conversión de energía a metano

17 páginasThe 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

Instituciones Jurídicas colombianas Apróximaciones históricas

La investigación científica en Derecho ha representado históricamente, uno de los temas más complejos a los que pueda enfrentarse un teórico del Derecho1; los enmarañados caminos tienen que ver, entre otros elementos, con la dificultad para identificar el objeto de la investigación jurídica y los métodos que deben usarse para desentrañar el sentido del Derecho, tal como se deduce de los planteamientos de Larenz, Haba y Ferrajoli, entre otros2. A su vez, si se articulan conceptualmente estos aspectos es necesario que se derive en la construcción de un concepto de Derecho que debe formularse desde una cimentación teórica que puede estructurarse desde la historia. Con esta declaración sobre la dificultad para encontrar las piezas que descubran el camino epistémico para la investigación en Derecho, es conveniente buscar una cercanía conceptual desde la visión pragmática de la interpretación histórica. Para lograr esta proximidad, además de los puntos comunes entre dos disciplinas (Derecho e historia) es necesario, además, partir de un enfoque meta-teórico que descubra una línea de pensamiento desde donde se pueda interpretar una multiplicidad de hechos históricos que podrían tener cercanía con la Ciencia del Derecho. Por ello, la pregunta de investigación desde la que se abordará el tema propuesto, será interrogar sobre ¿por qué la ciencia jurídica debe aprovechar las pautas epistemológicas conquistadas por la teoría de la interpretación histórica en su enfoque pragmatista? El método que se sigue para abordar esta investigación es adoptar la teoría hermenéutica de Hans Georg Gadamer (2003), quien reconoce la necesidad de pensar el conocimiento desde un metalenguaje que se explica porque “la introducción de un sistema de signos convencionales nunca se puede efectuar mediante el sistema elegido en esas convenciones” y “en consecuencia, la introducción de un lenguaje artificial presupone ya otro lenguaje en el que se habla” (p. 56). Se trata del problema del metalenguaje. En Gadamer más allá del método, es posible pensar en el ideal de la “verificabilidad de todos los conocimientos”. No obstante, reconoce “que este ideal se alcanza muy pocas veces y que los investigadores que aspiran a alcanzar ese ideal con la mayor precisión no suelen decirnos las cosas realmente importantes” (p. 56). Por ello, especialmente hace un llamado a las denominadas, ciencias del espíritu, para que desde esa “fundada desconfianza hacia un determinado tipo de trabajos científicos que muestra demasiado a las claras, delante, detrás y sobre todo debajo (en las notas) el método con el que están hechos” (p. 57). De esta manera, debe reconocerse que ellas (las del espíritu) sí proveen resultados y estos pueden ser aún “más importantes y fecundos” y que quedarían “muy al margen del ideal de verificabilidad” (p. 57), en referencia expresa a las ciencias exactas y físicas. Para ello, y recogiendo estos dos perfiles filosóficos y epistémicos (hermenéutica y ciencia) podemos analizar el problema en que se encuentra la epistemología del Derecho; así, si se quiere una metateoría que se encargue de estudiar los fundamentos epistémicos del conocimiento del Derecho no limitado solamente a la interpretación y ontología normativa (cuestión interna del Derecho), sino desde el conocimiento de teorías y su proceso de selección, de teorías rivales y, además, insertar en la racionalidad científica, la interpretación histórica. En consecuencia, el método es usar la comprensión y la interpretación de textos y teorías consolidadas que se han encargado de estudiar el concepto de interpretación histórica. Respecto a la metodología, se trata de articular diversas teorías que pueden tener espacios comunes, desde donde se puede ponerlas en contacto y, a la vez, intentar preguntar y establecer algunos elementos epistemológicos, especialmente relacionados con la interpretación de la historia, que pueden servir para la construcción del conocimiento en el Derecho. Se abordarán los siguientes temas: presupuestos para la interpretación histórica en el Derecho; interpretación, un componente de la investigación en Derecho; papel del intérprete; la conciencia histórica; la dialéctica y la interpretación histórica; modelos usados en el proceso de conocimiento de la historia; la verdad en el proceso de construcción de la historia

Financial Stability Report - March 2011

El año 2010 fue de recuperación económica a nivel global. La economía mundial creció a una tasa cercana al 5% anual, cifra superior a lo esperado antes por el mercado. El incremento en los precios de los bienes básicos, junto con el mayor grado de aversión al riesgo relativo de las economías desarrolladas, como consecuencia de su lento ritmo de expansión, contribuyeron al importante flujo de capitales a economías emergentes. En Colombia, los altos términos de intercambio, la mejora en los niveles de confianza y las favorables condiciones de financiamiento llevaron a una recuperación rápida del crecimiento del producto, jalonado especialmente por la inversión y el consumo. Lo anterior también contribuyó a la recuperación de las actividades de intermediación tradicional luego de la desaceleración del crédito, que se dio como consecuencia de la crisis internacional de 2009.The year 2010 was one of economic recovery on the global level. The worldwide economy grew at a rate that was close to 5% annually, a figure that is higher than had previously been expected by the market. The rise in the prices for commodities together with the higher degree of risk aversion with respect to the developed economies as a consequence of their slow rate of expansion contributed to a significant flow of capital towards emerging economies. In Colombia, the high terms of trade, the improvement in the confidence levels and the favorable conditions of financing led to a rapid recovery of output growth, fueled especially by investment and consumption. The above also contributed to the recovery of traditional intermediation activities after the slowdown in lending that occurred as a consequence of the international crisis of 2009

Financial Stability Report - September 2011

En el entorno internacional, las perspectivas de menor crecimiento y los temores sobre la sostenibilidad de la deuda pública de algunas economías europeas han incrementado la percepción de riesgo y, por ende, la incertidumbre y la volatilidad de los mercados financieros internacionales. A pesar de que la percepción de riesgo se mantiene en niveles bajos para las economías latinoamericanas, sus mercados de capitales se han visto afectados por la mayor aversión al riesgo. No obstante, en Colombia la situación interna continúa con un buen comportamiento en lo corrido de 2011: el PIB del primer semestre presentó una tasa de crecimiento de 5,2%, impulsado por el consumo de los hogares y la inversión privada en maquinaria y equipo. Adicionalmente, las exportaciones crecieron 11,5% real, tanto por aumentos en precios como en cantidades y la inversión extranjera directa creció a una tasa anual de 75%, en especial por lo ocurrido en el sector minero. Esta dinámica del sector real sigue jalonando las actividades de intermediación, que continúan mostrando un comportamiento dinámico. La cartera bruta mantuvo su tendencia creciente durante el primer semestre de 2011, lo que se tradujo en un incremento real anual de 18,9%. La modalidad de consumo mostró el mayor dinamismo, registrando una variación real anual de 20,6%. La cartera comercial, que se contrajo levemente entre mayo y junio, creció 19,9% y la cartera de vivienda con titularizaciones lo hizo a una tasa estable de 13,5% real anual. Por el lado de las cuentas pasivas se presenta un crecimiento importante de los bonos (52,9%), del crédito interbancario (41,6%) y de las captaciones, en particular de las cuentas corrientes y de ahorro (15,6% y 20%, en cada caso).On the international scene, the prospect for lower growth and the fears about the sustainability of the public debt that some European economies have raised the risk perception and, therefore, the uncertainty and volatility of the international financial markets. In spite of the fact that the risk perception remains at low levels for the Latin American economies, their capital markets have been affected by the greater aversion to risk. Nevertheless, the domestic situation in Colombia has continued to show positive performance so far in 2011. The GDP for the first half of the year showed a growth rate of 5.2% driven by household consumption and private investment in machinery and equipment. Furthermore, exports grew a real 11.5% due to both rises in prices and increases in quantity and direct foreign investment grew at an annual rate of 75%, especially because of what has happened in the mining sector. This strength in the real sector continues to boost the intermediation activities that are still showing a strong performance. The gross portfolio maintained its growth trend in the first half of 2011, which translates into a real annual increase of 18.9%. The consumer loan portfolio showed the greatest strength as it registered a real, annual variation of 20.6%. The commercial loan portfolio, which had shrunk slightly between May and June, grew 19.9% and the housing loan portfolio with securitizations grew at a stable rate of a real, annual 13.5%. Regarding liability accounts there has been a significant growth in bonds (52.9%), interbank loans (41.6%), and in deposits, especially in checking and savings accounts (15.6% and 20% in each case)

Financial Stability Report - March 2012

Durante 2011 el entorno económico internacional se caracterizó por un alto grado de incertidumbre, propiciado por los problemas de deuda pública o privada en un buen número de países industrializados. En el último trimestre del año, las condiciones financieras en la zona del euro se deterioraron significativamente y sus perspectivas de crecimiento empeoraron. De esta forma, pese a la mejora reciente en la dinámica económica de los Estados Unidos, se prevé un crecimiento mundial moderado durante los primeros seis meses de 2012. Por su parte, en Colombia los indicadores de actividad económica mostraron un comportamiento favorable durante el segundo semestre de 2011 y las expectativas siguen siendo optimistas.In 2011, the international economic environment was characterized by a high degree of uncertainty brought about by the problems of public or private debt in many of the industrialized countries. The financial conditions in the euro zone deteriorated significantly in the last quarter of the year and their outlook for growth got worse. Thus, in spite of the recent improvement in the economic strength of the United States, moderate worldwide growth is anticipated for the first six months of 2012. The economic activity indicators in Colombia, in turn, showed a favorable performance in the second half of 2011 and expectations continue to be optimistic

Biodiversidad 2018. Reporte de estado y tendencias de la biodiversidad continental de Colombia

Las cifras y temáticas contenidos en el presente Reporte, aunque no son el panorama completo del estado del conocimiento de la biodiversidad en Colombia, son un compendio seleccionado de los temas que, desde el Instituto Humboldt, consideramos son relevantes y merecen ser discutidos por el público general. En muchos de los casos, las cifras no son esperanzadoras u son un llamado urgente a la acción. En otro casos son la evidencia de que se requieren acciones a nivel nacional, y más allá de esto, son muchas las iniciativas que están germinando desde los territorios, cada vez desde una mayor variedad de actores.Bogotá, D. C., Colombi