Small scale fuel processing : a kinetic investigation of CO methanation

The main goal of this Thesis work is to study the CO methanation reaction. This purpose has been achieved both trough the experimental analysis and trough the definition of kinetic models. Experiments were carried out at diverse conditions. The present work is contextualized in a project called MICROGEN30, financed by the Ministry of Economic Development. The study was focused on a single catalyst, whose composition is Rh / Al2O3. It is made up of an active phase, dispersed on a spherical support. The catalyst was provided by ICI Caldaie S.p.A. The catalyst was subjected to a variety of different operative conditions: in this way it was possible to analyze its performances. In particular, the solid underwent various inlet compositions and fluxes. Data were collected in a fixed temperature range. The reactor configuration was obtained by a series of experiments aimed at highlighting the critical issues associated to each arrangement. In this way, it was possible to come to an optimal reactor set-up. Once all the data have been collected, the kinetic analysis was performed. This lead to different expressions that could describe the systems under study. At first, the reaction orders estimate was done by isolating low CO conversion measurements, i.e. in the differential regime. Later on, the analysis was extended to the entire operative range. The obtained parameters were such that the deviation between the model predictions and the experimental values was minimized.

Scopo del presente lavoro di tesi è lo studio della reazione di metanazione di CO. Tale obiettivo è stato raggiunto sia attraverso analisi sperimentali, condotte in differenti conzioni, sia attraverso la definizione di modelli cinetici. Il lavoro si innesta nel progetto denominato MICROGEN30, finanziato dal Ministero dello Sviluppo Economico. Lo studio è stato focalizzato su un unico catalizzatore, la cui composizione è Rh / Al2O3. Esso è costituito da uno strato di fase attiva disperso su un supporto sferico. Il catalizzatore è stato fornito dall’azienda ICI Caldaie S.p.A. La parte sperimentale ha riguardato l’analisi delle prestazioni del catalizzatore, sottoposto a differenti condizioni operative. Durante lo studio sono state variate le composizioni in ingresso al sistema e i flussi. La campagna di esperimenti è stata condotta in uno specifico range di temperature. La configurazione del reattore utilizzato è stata ottenuta tramite una serie di esperimenti preliminari che hanno evidenziato le criticità di ogni sistema. In questo modo, è stato possibile pervenire ad una conformazione ottimale. Terminata la campagna di raccolta dati, si è proceduto all’analisi cinetica del sistema, che ha permesso di arrivare a differenti espressioni in grado di descrivere i sistemi studiati. La stima degli ordini di reazione rispetto alle differenti specie chimiche è stata condotta dapprima in regime differenziale, ovvero sfruttando solo i dati a bassa conversione di CO. Successivamente, si è proceduto ad estendere l’analisi di modellazione all’intero campo operativo. I parametri ottenuti, sono tali da garantire il minor scarto possibile tra le predizioni del modello e i valori sperimentali.