Produzione di idrogeno ed etilene da soluzioni diluite di bioetanolo

In questo lavoro di tesi si valuta la possibilità di utilizzare soluzioni diluite di bioetanolo come materia prima per la produzione di idrogeno o di bioetilene. Sono state tratte le seguenti conclusioni. È stata verificata la possibilità di utilizzare soluzioni diluite di bioetanolo per queste applicazioni, come materia prima decisamente più economica rispetto all’etanolo anidro. Ciò consente un notevole risparmio energetico per la sua produzione. Sono state proposte strategie alternative, più economiche, per la purificazione di etanolo. Per concentrazioni relativamente elevate si è rivelata vantaggiosa una separazione flash, mentre una nuova strategia di feed split è più adeguata se l’obiettivo è la produzione di soluzioni molto diluite. Sono stati preparati catalizzatori a base di Ni/ZrO2, variamente drogati con ossidi basici, per lo steam reforming di etanolo, finalizzato alla produzione di idrogeno. Tra questi, il catalizzatore drogato con K2O si è rivelato il più attivo. Sul catalizzatore più promettente è stato quindi effettuato uno studio cinetico variando la temperatura, la velocità spaziale ed il rapporto acqua/etanolo. Tale studio ha permesso di evidenziare la stretta correlazione tra la temperatura di esercizio ed il rapporto acqua/etanolo in alimentazione, consentendo di dimostrare il vantaggio dell’uso di soluzioni diluite di bioetanolo in termini sia di resa di idrogeno, sia di durata del catalizzatore, sia di alleggerimento della sezione di purificazione. È stato sviluppato un modello cinetico originale per il miglior catalizzatore, che consente di evidenziare sottoprodotti di reazione critici e l’accumulo di coke. Il modello cinetico è stato poi implementato in un flowsheet in Aspen Plus che include uno steam reformer, due reattori WGS, un metanatore ed una fuel cell. Le simulazioni hanno consentito di evidenziare ulteriormente l’effetto positivo di alimentazioni diluite di bioetanolo sul rendimento elettrico e termico d’impianto. Infine è stata dimostrata la possibilità di utilizzare soluzioni di etanolo diluite per la produzione di etilene. La coalimentazione di acqua si è rivelata vantaggiosa nonostante una minore conversione prevista dal punto di vista termodinamico. La coalimentazione di acqua e il funzionamento a temperatura relativamente elevata (500 °C) ha permesso di ottenere la conversione completa dell’etanolo in modo molto selettivo ad etilene. L’aggiunta di piccole quantità di Ni si è dimostrata un mezzo efficace per limitare la produzione di olefine pesanti, di etere etilico e idrocarburi rispetto ai dati di letteratura.