Modeling and design of an experimental set-up for the study of a power-to-methanol process

Power-to-fuel is a technology that provides a final application to the CO2 captured from industrial exhaust gases by producing a synthetic fuel. The objective of this thesis is to build a model for the reactor of a Power-to-Methanol process. The design of the reactor is inspired by Bos M.J and Brilman D.W.F (2014), consisting of a hot zone where the reaction takes place, and a cold zone where the condensation of the products occurs. The proposed prototype consists in the addition of a distillation column in the upper part of the reactor. Both the catalytic bed and the separation part are inserted into the same vessel. The results of the proposed model are employed to evaluate the optimal operating conditions referred to an equipment of small size. The results obtained from a homogeneous one-dimensional model were compared with those of Luyben W.I (2010) and Bos M.J and Brilman D.W.F (2014). The conversion obtained by Luyben and that of the model show small discrepancies: 25% vs 22.7% for H2, 17% vs 15.9% for CO2 and 64% vs 56.7% for CO. Sensitivity analysis showed some characteristics of the model: there exists an optimal value of inlet temperature (220°C), high pressures have a beneficial effect on the reagents conversion and it is possible to synthesize methanol also in excess of CO2.

Power-to-Fuel è una tecnologia che fornisce un'applicazione finale alla CO2 catturata dai gas di scarico industriali producendo un combustibile sintetico. L'obiettivo di questa tesi è quello di costruire un modello per il reattore di un processo Power-to-Methanol. Il design del reattore è ispirato a quello di Bos M.J e Brilman D.W.F (2014), costituito da una zona calda in cui avviene la reazione e da una zona fredda in cui avviene la condensazione dei prodotti. Il reattore da modellizzare in questo progetto ha una colonna di distillazione nella parte superiore. Sia il letto catalitico che la parte di separazione sono inseriti nello stesso recipiente. I risultati del modello proposto sono impiegati per valutare le condizioni operative ottimali riferite ad un aparecchiatura di piccole dimensioni. I risultati ottenuti da un modello monodimensionale omogeneo sono stati confrontati con quelli di Luyben W.I (2010) e Bos M.J e Brilman D.W.F (2014). La conversione ottenuta da Luyben e quella del modello mostrano piccole discrepanze: 25% vs 22.7% per H2, 17% vs 15.9% per CO2 e 64% contro 56.7% per CO. Le analisi di sensitività hanno mostrato alcune caratteristiche del modello: esiste un valore ottimale della temperatura di ingresso (220 ° C), alte pressioni hanno un effetto benefico sulla conversione dei reagenti ed è possibile sintetizzare il metanolo anche in eccesso di CO2.