A mathematical modelling of catalytic milli-fixed bed reactor for Fischer-Tropsch synthesis and methanation reaction from carbon dioxide

In the most recent decades, we have become progressively more conscious of the impact that anthropological activities are having on the environment, from both a local and global point of view. Never before it was more important to find a new balance between human needs for optimal living conditions, respect for the environment and intelligent use of natural resources. All of mankind has to accept that progress is not everlasting and consumption cannot be indiscriminate, otherwise there will dire consequences in recent future. The first target of this thesis is the analysis and comparison between two chemical processes that are coming under greater scrutiny and interest of both the scientific and industrial community for their capability of reducing the most impactful anthropological activities (transportation and power-generation): • Fischer-Tropsch synthesis (FTS) • Methanation of carbon dioxide This research is based on the development of two computerized models, one for each chemical process, using COMSOL Multiphysics and Matlab software. As secondary target of this thesis work, a performance analysis of COMSOL Multiphysics is performed to verify its capabilities as simulation solver for complex reactive systems. Previously to this thesis work, COMSOL Multiphysics had yet to be employed for these purposes at Politecnico di Milano, which sparks the interest for a potentially efficient and multifunctional simulation tool.

Nel corso dei più recenti decenni, l’uomo è diventato progressivamente più conscio dell’impatto che le sue attività stanno avendo sull’ambiente, su scala sia locale sia globale. Mai come oggi è stato più necessario trovare un nuovo equilibrio tra i bisogni dell’uomo a garantirsi uno stile di vita ottimale, il rispetto per l’ambiente e un uso più intelligente delle risorse naturali. Tutta l’umanità deve accettare l’idea che il progresso non può essere infinito e il consumo non può essere senza regole né criterio, altrimenti le conseguenze nel prossimo futuro saranno gravi. Primo obiettivo di questa tesi è l’analisi e la comparazione tra due processi chimici a cui la comunità scientifica ed industriale sta mostrando da anni un crescente interesse, per via della loro capacità di mitigare gli effetti delle attività umane a più alto impatto ambientale: trasporto su strada e generazione di potenza. Questi due processi sono noti come: • Sintesi di Fischer-Tropsch (FTS) • Metanazione da anidride carbonica Questa ricerca si basa sullo sviluppo di due modelli di simulazione computerizzata, uno per ciascun processo chimico, utilizzando i software COMSOL Multiphysics e Matlab. Il secondo obiettivo di questo lavoro di tesi è proprio la verifica delle capacità e dell’adeguatezza del software COMSOL Multiphysics quale strumento per la simulazione di complessi sistemi reagenti; per questi scopi il Politecnico di Milano non ne aveva fatto uso in precedenza. Si è pertanto interessati all’eventualità di poter disporre di un ulteriore software di simulazione, di cui spicca la multifunzionalità.