Modellazione di un reattore di ossidazione parziale catalitica di combustibili liquidi : analisi del comportamento termico e ruolo dei processi chimici e di trasporto

Catalytic Partial Oxidation (CPO) of liquid fuels is a promising technology for the small-scale production of syngas (H2 and CO). Rh-based catalysts can be used, which, thanks to their high activity, allow the use of reduced reactive volumes and the achievement of high syngas yield. As the CPO process is generally exothermic, it can be conducted in adiabatic reactors. It involves the superposition of exothermic and endothermic reactions at the inlet of the catalyst, generating a hot spot temperature, causing catalytic deactivation for sintering. In previous works, experimental tests on liquid fuels were carried out to analyze the thermal and chemical-kinetic behavior of the main operating conditions. In this work, simulations were performed on a computer using a mathematical model. Its validation was made through a comparison with experimental evidence of previous thesis work, which the model is shown to be able to reproduce satisfying. Therefore, based on the simulations, comparisons were made to the variation of the main operating conditions (concentration, O2/C ratio, flow rate) and the main geometric parameters (channel opening, vacuum degree, catalytic mass). The target was to try to reduce the hot spots temperature in undiluted conditions (4%). It has been seen that it’s preferable to work with lower O2/C ratios and lower flow rate, and with larger cell density values. On the contrary, channel opening, vacuum degree and catalytic mass have proved to be ineffective compared with methane CPO. The analysis of the results of the model showed that the reason for this different behavior is attributed to the different impact of diffusive limitations, more relevant to large molecular hydrocarbons.

L’Ossidazione Parziale Catalitica (CPO) di combustibili liquidi è una tecnologia promettente per la produzione su piccola scala di syngas (H2 e CO). Si possono usare catalizzatori a base di rodio che, grazie alla loro elevata attività, permettono l’uso di volumi di reattore ridotti e l’ottenimento di un’elevata resa a syngas. Il processo di CPO è globalmente esotermico, quindi può essere condotto in reattori adiabatici. Prevede la sovrapposizione di reazioni esotermiche ed endotermiche all’ingresso del catalizzatore, generando un hot spot di temperatura, causa della disattivazione catalitica per sintering. In lavori precedenti, sono state effettuati studi sperimentali su combustibili liquidi per analizzare il comportamento termico e chimico-cinetico al variare delle principali condizioni operative. In questo lavoro di tesi sono state condotte delle simulazioni a computer utilizzando un modello matematico. La sua convalida è avvenuta attraverso un confronto con prove sperimentali di lavori di tesi precedenti, che il modello si è dimostrato in grado di riprodurre in modo soddisfacente. Quindi, sulla base delle simulazioni, sono stati eseguiti dei confronti al variare delle principali condizioni operative (concentrazione, rapporto O2/C, portata) e dei principali parametri geometrici (apertura del canale, grado di vuoto, massa catalitica). L’obiettivo è stato quello di cercare di ridurre gli hot spot di temperatura in condizioni non diluite (4%). Si è visto come sia preferibile lavorare con rapporti O2/C e portate più basse, e con valori di densità di cella più grandi. Viceversa apertura del canale, grado di vuoto e massa catalitica si sono dimostrati poco efficaci diversamente da quanto riscontrabile per la CPO del metano. L’analisi dei risultati del modello ha evidenziato che la ragione di questo differente comportamento sia da attribuire al diverso impatto delle limitazioni diffusive, più rilevanti nel caso di molecole idrocarburiche pesanti.