Chemical looping reforming with packed bed reactor technology : experimental study and modelling

In this work, the experimental validation of a model for the description of Chemical-Looping Reforming with Packed Bed Reactor technology is achieved. The experiments have been performed on a lab-scale Packed Bed Reactor of property of the Technical University of Eindhoven (TU/e), which had already been featured in CLC investigations [17][24]. The model has been considered validated successfully when it could reproduce with reasonable accuracy both the breakthrough curves of reactants and the temperature profiles developed in the bed along the axial coordinate. With respect to Reduction and Reforming phases, the effect of different inlet gas compositions and different initial bed temperatures have been evaluated. An improved description of the temperature profiles has been achieved when the activation energies of the Reforming and the Water Gas Shift reactions have been halved and the pre-exponential factors re-calibrated, in order to maintain the reaction rates consistent with the ones verified by Medrano et al. in a previous work [29]. A refined description of the global heat exchange between the PBR and the environment has been incorporated. The model, once validated, has been used for the preliminary heat management on a single Packed Bed Reactor as dynamically operated in two realistic plants, the first designed for H2 production, while the latter has been designed for CH3OH production.

In questo lavoro è ottenuta la validazione sperimentale di un modello per la descrizione di Chemical Looping Reforming (CLR) ottenuta attraverso l’uso di reattori a letto fisso (Packed Bed Reactors, PBRs). Gli esperimenti sono stati svolti con un reattore a letto fisso di proprietà dell’Università Tecnica di Eindhoven (TU/e) e precedentemente utilizzato per esperimenti su Chemical-Looping Combustion [17][24]. Il modello è stato ritenuto validato con successo qualora fosse in grado di predire con sufficiente precisione sia la forma delle curve di breakthrough dei reagenti, sia i profili di temperatura sviluppati nel letto solido lungo la coordinata assiale. Durante le fasi di Riduzione e di Reforming sono stati valutati gli effetti di variazioni nella composizione molare delle correnti in ingresso e della temperatura iniziale del letto solido. Un miglioramento molto sensibile nella descrizione dei profili assiali di temperatura è stato ottenuto quando le energie di attivazione per le reazioni di Reforming e Water Gas Shift sono state dimezzate e i fattori pre-esponenziali ricalibrati, in modo tale da ottenere velocità di reazione consistenti con quelle verificate in precendenza da Medrano et al. [29]. In aggiunta, una nuova formulazione per il coefficiente di scambio globale tra il letto solido e l’ambiente è stata inserita. Il modello, una volta validato, è stato usato per la valutazione preliminare dei profili di temperatura sviluppati in un letto solido, nel caso in cui le fasi di Ossidazione, Riduzione e Reforming vengano eseguite ciclicamente e all’interno di processi industriali realistici. Due impianti sono stati presi in considerazione, il primo progettato per la produzione di H2, il secondo per la produzione di CH3OH.