Experimental and modelling analysis of the water gas shift reactor in a combined heat and power unit

The objective of the present thesis work is the experimental evaluation and the kinetic modelling of a commercial Pt based catalyst used in Water Gas Shift reactors, part of a larger project that has as its goal, the realization of a system of distributed micro-cogeneration for the production of electricity and heat for residential use. This project, born from the collaboration between Polytechnic of Milan and the industrial partner ICI Caldaie S.p.A. and winner of the Italian selections for "Industria 2015", called MICROGEN30. A fundamental part of the work was the comparison of kinetic models previously carried out in two separate studies conducted both within the Laboratory of Catalysis and Catalytic Processes of the Department of Energy of the Milan Polytechnic. The two thesis works differed mainly by the apparent reaction order of the effect of the CO concentration on the reactor output composition. The objective of the experimental part of the work was therefore the evaluation of the effect of the inlet concentration of the CO species that was performed through a data collection campaign. Furthermore, another experimental goal was the study of the catalyst stability. Through the kinetic analysis of the data collected by the present work and those provided by the previous works, it has been possible to re-evaluate the parameters forming kinetic expression. Firstly, using a low CO conversion data analysis and then using an integral data analysis, obtaining the best possible agreement between the experimental data and the model predictions. The last part of the work was the simulation of the WGS reactor using an antecedent MATLAB numerical model, adapted to the previously determined kinetics, with which the performances of three types of reactors were studied. The first studied concerns a multi-tubular reactor with cooling performed by refrigerant fluid under phase change conditions. The second one features an industrial-type reactor with two adiabatic stages and intermediate cooling. Finally, the third type of reactor implemented is an adiabatic reactor characterized by a high axial thermal conductivity that improves its performance.

L’obbiettivo del presente lavoro di tesi è la valutazione sperimentale e la modellazione cinetica di un catalizzatore a base Pt di tipo commerciale utilizzato nei reattori di Water Gas Shift, facente parte di un progetto più ampio che ha come scopo la realizzazione di un sistema di micro-cogenerazione distribuita per la produzione di energia elettrica e calore ad uso residenziale. Questo progetto, nato dalla collaborazione tra Politecnico di Milano e il partner industriale ICI Caldaie S.p.A. e vincitore delle selezioni italiane per “Industria 2015”, è denominato MICROGEN30. Parte fondamentale del lavoro è stato il confronto di modelli cinetici precedentemente realizzati in due studi separati svolti entrambi all’interno del Laboratorio di Catalisi e Processi Catalitici del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. I due lavori differivano principalmente per l’ordine di reazione apparente dell’effetto della concentrazione di CO sulla composizione in uscita al reattore. L’obbiettivo del lavoro sperimentale è stata quindi la valutazione dell’effetto della concentrazione in ingresso della specie CO che è stata eseguita tramite una campagna di raccolta dati. Ulteriore obbiettivo sperimentale è stato lo studio della stabilità del catalizzatore. Attraverso l’analisi cinetica dei dati raccolti dal presente lavoro e da quelli forniti dai lavori antecedenti è stata possibile la rivalutazione dei parametri facenti parte dell’espressione cinetica. Dapprima utilizzando un’analisi dei dati a bassa conversione di CO ed in seguito utilizzando un’analisi integrale dei dati, ottenendo il miglior accordo possibile tra i dati sperimentali e le predizioni del modello. L’ultima parte del lavoro è stata la simulazione del reattore WGS tramite modello numerico MATLAB, adattato alla cinetica precedentemente determinata, con cui sono state studiate le prestazioni di tre tipologie impiantistiche. La prima studiata riguarda un reattore multi-tubulare con raffreddamento eseguito tramite fluido refrigerante in condizioni di cambiamento di fase. La seconda è caratterizzata un reattore di tipo industriale con due stadi adiabatici e raffreddamento intermedio. Infine, la terza tipologia di reattore implementata è un reattore adiabatico contraddistinto da un’elevata conducibilità termica assiale che ne migliora le prestazioni.