Mathematical model analysis of a reactor for methanol synthesis from CO2 rich syngas

Carbon dioxide is a common undesired by-product of several industrial processes and also the main source of the greenhouse gases. CO2 capture could be an interesting solution to control the environmental emissions, but it is strongly hindered by its high cost. Therefore, the hydrogenation of carbon dioxide to methanol is a promising strategy to reuse the captured CO2, making it not only economically viable but also a profitable business. The aim of the work is to make a comparison between the traditional industrial methanol process based on a feed rich in CO with a small CO2 molar fraction and the opposite situation, characterized by a feed with CO2 as only source of carbon. In order to do so, a parametric analysis has been made changing feed gas composition, operating conditions (coolant temperature, pressure and recycle ratio) and reactor design parameters (tube’s diameter and length). The analysis has been performed adopting the commercial combination of a multitubular reactor externally refrigerated by boiling water and an ideal condenser. The reactor has been simulated with a 2-D steady-state heterogeneous mathematical model. A description of concentration and thermal gradients along the axial and radial coordinate of the tubes has been provided using material, energy and momentum balances, coupled with a 1-D model accounting for the intraporous concentration profiles inside the catalytic pellet in isothermal conditions. The results show that the production of methanol starting from CO2 is thermodynamically unfavoured since yield and conversions are lower than the traditional process. However, it is possible to overcome this disadvantage using recycle ratios that are anyway comparable with those usually adopted by the industrial practice. Instead, the overall reaction is less exothermic and therefore the temperature control of the reactor is easier. This leads to the possibility to use larger tube diameter saving in terms of investment cost.

L’anidride carbonica è un sottoprodotto indesiderato comune di diversi processi industriali e anche la principale fonte dei gas serra. La cattura di CO2 potrebbe essere una soluzione interessante per controllare le emissioni ambientali, ma è fortemente ostacolata dal suo costo elevato. Pertanto, la reazione di idrogenazione di anidride carbonica per produrre metanolo è una strategia promettente per riutilizzare la CO2 catturata, rendendola non solo economicamente valida ma anche un'attività redditizia. Lo scopo di questo lavoro è quello di fare un confronto tra il tradizionale processo industriale per produrre metanolo basato su un gas di alimentazione ricco di CO con una piccola frazione molare di CO2 e la situazione opposta, caratterizzata da un gas di alimentazione con CO2 come unica fonte di carbonio. Per fare ciò, è stata effettuata un'analisi parametrica che modifica la composizione del gas di alimentazione, le condizioni operative (temperatura del liquido refrigerante, pressione e rapporto di riciclo) e i parametri di design del reattore (diametro e lunghezza del tubo). L'analisi è stata condotta adottando la combinazione di un reattore multitubulare refrigerato esternamente con acqua in ebollizione e un condensatore ideale. Il reattore è stato simulato con un modello matematico eterogeneo 2-D allo stato stazionario. Una descrizione della concentrazione e dei gradienti termici lungo la coordinata assiale e radiale dei tubi è stata fornita utilizzando bilanci di materia, energia e quantità di moto, accoppiati con un modello 1-D che tiene conto dei profili di concentrazione intraporosi all'interno del pellet catalitico in condizioni isoterme. I risultati mostrano che la produzione di metanolo a partire da CO2 è termodinamicamente sfavorita poiché la resa e le conversioni sono inferiori rispetto al processo tradizionale. Tuttavia, è possibile superare questo svantaggio utilizzando rapporti di riciclo paragonabili a quelli solitamente adottati dalla pratica industriale. La reazione complessiva è invece meno esotermica e quindi il controllo della temperatura del reattore è più semplice. Ciò porta alla possibilità di utilizzare un maggiore diametro del tubo garantendo un notevole risparmio in termini di costi di investimento.