Estudio de conversión de dióxido de carbono en reactor de plasma no térmico

El incremento de la demanda de energía, el consumo de combustibles fósiles y, en consecuencia, el aumento de emisiones de CO₂ requiere profundizar en nuevas tecnologías de captura, almacenaje y consumo de carbono, conocidas como CCUS por sus siglas en inglés Carbon Capture Utilisation and Storage. Entre estas CCUS podemos encontrar diversas tecnologías de transformación del CO₂, como tecnologías de hidrogenación, de electrocatálisis, de termocatálisis y reacciones en plasma. Los reactores de plasma permiten la transformación del CO₂, un componente altamente estable termodinámicamente, en productos de alto valor añadido, como es el CO, contribuyendo así a la disminución de las emisiones ambientales. De hecho, un reactor de plasma no térmico es capaz de ionizar el dióxido de carbono a presiones y temperaturas ambientales.

En este contexto, la Dra. Cristina Mas Peiró llevó a cabo su tesis doctoral en el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de IQS School of Engineering, bajo el titulo Thermodinamic, Fluid Dynamic and Plasma Study of Gas Mixtures in a Non-Thermal Plasma Conversion Reactor, codirigida por el Dr. Oriol Pou Ibar, profesor e investigador del Grupo de Ingeniería y Simulacion de Procesos Ambientales – GESPA, y el Dr. Felix Llovell Ferret, profesor de Ingeniería Química de la Universidad Rovira i Virgili – URV y director de la Cátedra URV sobre Captura y Aprovechamiento de CO₂.

El objetivo de esta tesis doctoral ha sido el estudio computacional de un caso específico de un reactor de conversión de dióxido de carbono en un plasma no térmico (NTP), generado en un reactor de descarga de barrera dieléctrica, con argón como gas diluyente. El enfoque combinado en esta tesis integra consideraciones termodinámicas, fluido-dinámicas y de plasma, junto con datos experimentales disponibles de laboratorio, completando así un estudio profundo en estos tres ámbitos tan diferentes y complejos del conocimiento.

Para llevar a cabo su investigación, la Dra. Mas Peiró diseñó y construyó un sistema de conversión NTP para estudiar diferentes modelos del sistema de plasma, utilizando, en primer lugar, un estudio termodinámico mediante la ecuación de estado polar soft-SAFT EoS, que permite caracteriza el comportamiento de las mezclas de gases involucrados. Además del CO₂, en este sistema NTP intervienen también el monóxido de carbono (CO), oxígeno (O₂), Nitrógeno (N₂), argón (Ar) e hidrógeno (H₂). A través de esta ecuación, se pudieron predecir valores de equilibrio líquido-vapor y otras propiedades de las mezclas, mostrando una buena concordancia con los datos experimentales y estableciendo los fundamentos para la realización de otras simulaciones.

Por lo que respecta al estudio fluido-dinámico, la Dra. Mas Peiró optimizó el flujo de especies dentro del reactor de plasma, empleando la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD)  a través del análisis con SolidWorks® Flow Simulation, determinando aquellas variables que afectan de forma más significativa al rendimiento del reactor de plasma, como son la velocidad media y la vorticidad.

Finalmente, el estudio de plasma se llevó a cabo introduciendo las ecuaciones de plasma que suceden dentro del reactor utilizando COMSOL® Multiphysics, definiendo el modelo con un estudio de química de argón puro en geometrías 1D y 2D, encontrando que en ambos casos el modelo mostraba una adecuada interpretación de la física de plasma.

La combinación de las simulaciones computacionales realizadas por la Dra. Mas Peiró ha permitido conseguir una comprensión completa del comportamiento del reactor de plasma no térmico y, junto con la validación experimental, ha podido explorar el impacto de diversos factores en la generación de plasma, aportando respuestas para futuros ensayos experimentales y optimizaciones de diseño.

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