Homogeneous and heterogeneous models of an industrial methanol reactor

Methanol synthesis has been the subject of many improvements over the last decades since it became more cost effective and scalable than earlier high pressure technology. Methanol is mainly used as a raw material for formaldehyde production, accounting for almost 27% of the world’s consumption. The use of methanol as direct fuel is the second-largest market at almost 11%, with acetic acid as the third-largest market. China is the largest consumer, comprising almost 41% of universal consumption. Recently, the idea of employing methanol to replace hydrogen as a fuel for the future has been developed since methanol is easy to store and can be readily used in the current infrastructure of fuel stations. Methanol technologies are licensed by numerous companies worldwide, which are continuously trying to improve and optimize their processes, starting from the core: the reactor. This work is mainly focused on the modelling of the Lurgi converter, nowadays considered the most performant. In the introduction the main mathematical models already present in literature are showed and compared. In the central part, two different mathematical models of the reactor are developed, paying particular attention on heat and mass transport phenomena occurring inside the system. A first, simpler, pseudo-homogeneous model represents a good compromise between accuracy of results and computational time. A second heterogeneous model is proposed where an innovative discretization of the catalyst particle is introduced: each shell is treated as a CSTR reactor, whose inlet and outlet fluxes are considered of diffusive nature. Effectiveness factors for every reaction are computed in two different ways: the concept of Thiele modulus is exploited in the pseudo-homogeneous reactor, while the theoretical definition is adopted in the heterogeneous reactor. Models are validated through the comparison with both experimental and literature data. A critical analysis of the different correlations used to describe the physical properties of the reactive mixture is conduced and the best ones are selected for the simulations. The results provided by two different kinetic expressions are discussed and a sensitivity analysis on the key parameters characterizing the reactor is performed. The work concludes with the description of possible, future perspectives concerning the modelling of methanol reactors.

La sintesi del metanolo è stata oggetto di numerosi miglioramenti negli ultimi decenni da quando è diventata più economica rispetto alla precedente tecnologia ad alta pressione. Il metanolo è utilizzato principalmente come materia prima per la produzione di formaldeide, che rappresenta quasi il 27% del consumo mondiale, mentre l'uso del metanolo come combustibile diretto copre circa l'11% della produzione. La Cina è il più grande consumatore, con quasi il 41% del consumo mondiale. Recentemente, si sta sviluppando l’idea di utilizzare il metanolo in luogo dell'idrogeno come combustibile del futuro, dal momento che è facile da immagazzinare e può essere facilmente utilizzato nelle attuali infrastrutture delle stazioni di rifornimento. Le tecnologie di produzione del metanolo sono brevettate da numerose aziende in tutto il mondo, che cercano continuamente di migliorare e ottimizzare i loro processi, partendo dalla parte più importante: il reattore. In questo lavoro si dedica particolare attenzione alla modellazione del reattore Lurgi, attualmente considerato il più performante. L’introduzione verte sulla descrizione e sul confronto dei più importanti modelli matematici presenti in letteratura. Il corpo centrale comprende lo sviluppo di due modelli matematici, prestando particolare attenzione al trasferimento di calore e ai fenomeni di trasporto che si verificano all'interno del sistema. Il primo, più semplice, modello pseudo-omogeneo rappresenta un buon compromesso tra accuratezza dei risultati e tempo di calcolo. Un secondo modello eterogeneo adotta un innovativo metodo di discretizzazione della particella di catalizzatore in diversi gusci concentrici. Ciascun guscio è modellato come un reattore CSTR i cui flussi di ingresso e di uscita sono considerati di natura diffusiva. I fattori di utilizzazione del catalizzatore per ogni reazione sono calcolati con due diverse metodologie: il concetto di modulo di Thiele viene sfruttato nel reattore pseudo-omogeneo, mentre per il reattore eterogeneo è adottata la definizione rigorosa. I modelli sono validati attraverso il confronto con i dati disponibili in letteratura. Le correlazioni utilizzate per descrivere le proprietà fisiche della miscela reattiva sono selezionate attraverso una analisi critica del materiale proposto in letteratura. Nella parte finale vengono discussi i risultati forniti da due diverse espressioni cinetiche e viene eseguita un'analisi di sensitività sui parametri chiave che caratterizzano il reattore.