Produzione di substitute natural gas (SNG) per idrogenazione di CO2 su catalizzatori a base di Ru : studio cinetico

In a global scenario that is going towards the "carbon free" energy industry goal, the produced CO2 should be seen as recyclable product. This thesis work is related to Power to Gas research field. The Sabatier chemical reaction makes methane from CO2 and H2. The development of the methanation process goes through a deep knowledge of the reaction kinetic. To obtain some expression for the reaction rates, three different approaches are used: an empirical one and two LHHW (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson). The kinetical model development is carried on using a non-linear regression code, in order to obtain adaptive parameters: pre-exponential factor, activation energies, adsorption enthalpies. An experimental dataset, obtained from a laboratory rig, is necessary to evaluate these values. The dataset contains CO2 conversion and CO selectivity data related to different process conditions (temperature, pressure, GHSV, etc.). The regression output is analysed using mean error, correlation index and compared with literature values. When possible, a semplification process is carried on in order to decrease the mathematical complexity Three different models are finally reported, the ones with the best performances in the simulation of CO2 conversion and, when possible, CO selectivity data. Furthermore, the most complete model is used in order to determine the process conditions that grant the highest yield.

In uno scenario energetico mondiale che sta evolvendo sempre più verso la decarbonizzazione, la CO2 è vista come un prodotto di scarto da riciclare. Il presente lavoro di tesi si inserisce nel contesto di ricerca del Power to Gas. In quest'ottica la reazione di Sabatier, che combina CO2 e H2 per produrre metano, viene vista come possibile risposta. Lo sviluppo del processo di metanazione di CO2 su scala industriale passa necessariamente da una dettagliata conoscenza della cinetica di reazione. Per ricavare delle formulazioni per la velocità di reazione sono stati seguiti tre approcci: uno empirico e due di tipo meccanicistico, basati su un modello LHHW (Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson). Lo sviluppo dei modelli cinetici è avvenuto utilizzando un codice di regressione non lineare, con il quale si sono calcolati i parametri adattivi: fattori pre-esponenziale, energia di attivazione, entalpia di adsorbimento. Si è utilizzato e regredito un dataset sperimentale ricavato attraverso un impianto di laboratorio, che contiene dati di conversione e selettività al variare delle principali variabili di processo (temperatura, pressione, GHSV etc.). I risultati delle regressioni sono stati analizzati attraverso un’analisi degli errori medi percentuali, valutando l’indice di correlazione e comparando i parametri cinetici ottenuti con quelli riportati in letteratura. Quando possibile è stata effettuata una semplificazione del modello per diminuirne la complessità matematica. Sono stati presentati i tre modelli che garantiscono le migliori prestazioni in termini di capacità di fitting dei valori sperimentali di conversione di CO2 e, quando possibile, selettività a CO. Infine il modello più completo è stato utilizzato per determinare le condizioni operative che garantiscono la massima resa del processo.