Design and set-up of a lab-scale solar steam methane reformer

The existing energy scenario is largely based on combustion of fossil fuels, such as petroleum, natural gas and coal. Fossil fuels are a limited source, which is continuously declining since the demand for energy is continuously increasing. In the last years, the most serious problem is the environmental pollution that is constantly increasing. The use of the fossil fuels is also one of the causes of the increase of carbon dioxide (CO2) and other pollutants. For these reasons, there is the need to develop an efficient way to utilize them in order to have a sustainable development. In this view, a shift towards fuels with a lower content of carbon is necessary. The syngas, especially the hydrogen is the new potential fuel of the future. Among all the processes for the production of hydrogen, the steam methane reforming is the most efficient since it lead to a syngas ratio (H2/CO) equal to 3, thus to the highest hydrogen content. The reaction is endothermic, and it is favoured at high temperature, thus it necessary to provide heat in order to carry out the reaction. Usually, the required heat is supplied by a part of the feed stream (i.e. methane), which represents a simple approach but, at the same time, it worsens the overall yield balance on the system. In view of optimize the process and to avoid the burning of part of the reactants to run the process, alternative routes to provide heat to the system have been investigated. Among others, renewable energy sources are becoming increasingly important, since they are a viable option to improve overall system efficiency. These energy sources have some indisputable advantages over the use of fossil fuels, as for example, they are promising CO2 free alternatives. Among these new possible renewable energy sources, concentrated solar energy is a valuable candidate to provide energy to the reforming process. Converting the sun’s radiant energy into heat is very common from historical times and has evolved into a well-developed solar conversion technology today. In this thesis work, the setup of new steam reforming plant based on the use of a concentrated light source as solar simulator will be presented. In the first chapter an overview on hydrogen production methods will presented, by describing all the reforming processes, such as the steam methane reforming, the dry reforming of methane, the partial oxidation and the autothermal reforming. For all these reactions a brief review of the catalysts used to carry out the reaction is presented, highlighting the importance of the new structured catalysts that provide several kinds of benefits for the reaction performance. In the second chapter, the sun as energy source will be presented, distinguishing its direct energy conversion (i.e. photovoltaic process) form the other approaches, which are based on the conversion of sunlight into heat at high temperatures. In the third chapter, the solar steam reforming process will be discussed in detail. Several types of solar reformers will be presented, distinguishing the direct and the indirect heated configuration, and analysing just the use of the direct heated configuration, which is the type of reactor developed in this thesis work. In the fourth chapter, the experimental setup of the solar steam reforming plant will be presented. The first task will be the reactor configuration design. After that, the solar simulator set up is discussed, considering both the lamp and the concentrator. All the devices needed for the new rig set-up are shown, such as the steam generator and the condenser; at the end the operative conditions of the process have been selected. In the last chapter, a safety analysis has been carried out, since safety issues are dominant in chemical process engineering due to the high-risk potential from toxic substances as well as the severe process conditions of extreme pressure and temperature. In order to perform a safety analysis, a piping & instrumentation diagram will be first presented and at the end, on the bases of the obtained and accumulated information of the solar steam reforming, a Hazard and Operability analysis has been carried out, in order to understand the potential critical issue of the new plant.

Lo scenario energetico esistente è in gran parte basato sulla combustione di combustibili fossili, come petrolio, gas naturale e carbone. I combustibili fossili sono una fonte limitata, che è in continua diminuzione poiché la domanda di energia è in continuo aumento. Negli ultimi anni, il problema più grave è l'inquinamento ambientale che è in costante aumento. L'uso dei combustibili fossili è anche una delle cause dell'aumento del biossido di carbonio (CO2) e di altri inquinanti. Per questi motivi, c'è la necessità di sviluppare un modo efficiente per utilizzarli al fine di avere uno sviluppo sostenibile. In quest'ottica, è necessario uno spostamento verso carburanti con un contenuto di carbonio inferiore. Il syngas, in particolare l'idrogeno, è il nuovo potenziale carburante del futuro. Tra tutti i processi per la produzione di idrogeno, il reforming con metano del vapore è il più efficiente in quanto porta ad un rapporto di syngas (H2 / CO) pari a 3, quindi al più alto contenuto di idrogeno. La reazione è endotermica, ed è favorita ad alta temperatura, quindi è necessario fornire calore per effettuare la reazione. Solitamente, il calore richiesto viene fornito da una parte del flusso di alimentazione (cioè metano), che rappresenta un approccio semplice ma, allo stesso tempo, peggiora il bilancio complessivo del rendimento del sistema. Al fine di ottimizzare il processo ed evitare la combustione di parte dei reagenti per eseguire il processo, sono stati studiati percorsi alternativi per fornire calore al sistema. Tra l'altro, le fonti di energia rinnovabile stanno diventando sempre più importanti, poiché rappresentano un'opzione praticabile per migliorare l'efficienza generale del sistema. Queste fonti di energia hanno alcuni indiscutibili vantaggi rispetto all'uso di combustibili fossili, poiché ad esempio promettono alternative prive di CO2. Tra queste nuove possibili fonti di energia rinnovabile, l'energia solare concentrata è un valido candidato per fornire energia al processo di riforma. Convertire l'energia radiante del sole in calore è molto comune dai tempi storici e si è evoluto in una tecnologia di conversione solare ben sviluppata oggi. In questo lavoro di tesi, verrà presentato il set-up di un nuovo impianto di steam reforming basato sull'utilizzo di una sorgente luminosa concentrata come simulatore solare. Nel primo capitolo verrà presentata una panoramica sui metodi di produzione dell'idrogeno, descrivendo tutti i processi di reforming, come il reforming del metano del vapore, il reforming a secco del metano, l'ossidazione parziale e il reforming autotermico. Per tutte queste reazioni viene presentata una breve rassegna dei catalizzatori utilizzati per realizzare la reazione, evidenziando l'importanza dei nuovi catalizzatori strutturati che offrono diversi tipi di benefici per le prestazioni della reazione. Nel secondo capitolo, il sole come fonte di energia sarà presentato, distinguendo la sua conversione di energia diretta (vale a dire il processo fotovoltaico) dagli altri approcci, che si basano sulla conversione della luce solare in calore ad alte temperature. Nel terzo capitolo, il processo di reforming del vapore solare sarà discusso in dettaglio. Verranno presentati diversi tipi di reformer solari, che distinguono la configurazione riscaldata diretta e indiretta, e analizzeranno solo l'uso della configurazione riscaldata diretta, che è il tipo di reattore sviluppato in questo lavoro di tesi. Nel quarto capitolo verrà presentata la configurazione sperimentale dell'impianto di reforming a vapore solare. Il primo compito sarà il progetto di configurazione del reattore. Successivamente, viene discusso il simulatore solare, considerando sia la lampada che il concentratore. Vengono mostrati tutti i dispositivi necessari per il nuovo allestimento dell’impianto, come il generatore di vapore e il condensatore; alla fine sono state selezionate le condizioni operative del processo. Nell'ultimo capitolo è stata condotta un'analisi di sicurezza, poiché i problemi di sicurezza sono dominanti nell'ingegneria dei processi chimici a causa del potenziale ad alto rischio derivante da sostanze tossiche e delle condizioni di processo estreme di pressione e temperatura estreme. Per eseguire un'analisi di sicurezza, verrà presentato un diagramma di tubazioni e strumentazione e alla fine, sulla base delle informazioni ottenute e accumulate del reforming del vapore solare, è stata effettuata un'analisi di rischio e operabilità, al fine di capire il potenziale problema critico del nuovo impianto.