Once through processes exploiting Ru-based catalysts for CO2 hydrogenation to SNG

This work wants to present the latest research activities of the Laboratory of Catalysis and Catalytic Processes of Politecnico di Milano on ruthenium-based catalyst. More specifically, this work proved the possibility to obtain cost-competitive high purity methane for industrial applications, by adopting a once-through configuration. A quick introduction over the global energy outlook and the applications of CO2 methanation in both the energy and industrial context is provided. The concept of power to gas is presented, as well as the application of ultra-pure methane in the silicon chip industry. Experiments were carried out on a bespoke test rig alongside thermodynamic studies performed with Aspen One process simulator. In order to increase the once-through CO2/H2 conversion, the possibility of working at low temperatures and space velocities was then investigated. The adopted Ru-catalysts exhibited a stable behavior, even in presence of the large amounts of steam generated by the reaction. Using two catalytic beds in series at different temperatures, increased CH4 purity in the outlet stream were obtained. The best configuration is obtained by operating the first reactor at high temperatures to boost the process kinetics, while keeping the second reactor at milder conditions so to exploit the high CO2 conversion at equilibrium. Condensing the water exiting from the first reactor further boosts the methane purity. Preliminary modeling results evidenced that the yield and purity of CH4 is strongly increased by increasing the working pressure as well, but the solubility of CH4 in water at high pressure and low temperature may cause unwanted C-losses in condensed water between the two reactors.

Questo lavoro vuole presentare le più recenti attività di ricerca condotte nel groppo di catalisi e processi catalitici del Politecnico di Milano sulla metanazione di CO2 co catalizzatore costituito da rutenio su allumina. Più specificamente, questo lavoro dimostra come sia possibile ottenere correnti di metano concentrate in configurazione di processo “once through”, cioè a singolo passaggio. Viene fornita una rapida introduzione sulle prospettive energetiche globali e le applicazioni della metanazione di CO2 sia nel contesto energetico che industriale. Viene presentato il concetto di Power to Gas, nonché l'applicazione del metano ultra-puro nell'industria dei chip di silicio. Sono stati condotti esperimenti su un apposito impianto di prova insieme a studi termodinamici condotti con il simulatore di processo Aspen One. Per migliorare la conversione di CO2/H2 sul singolo passaggio è stata investigata la possibilità di lavorare a basse temperature e velocità spaziali. Il catalizzatore a base rutenio utilizzato ha presentato un comportamento stabile, anche in presenza di elevate quantità di vapore acqueo prodotto dalla reazione. Utilizzando due letti catalitici in serie a temperature diverse, purezze crescenti di metano in uscita sono state ottenute. La miglior configurazione è ottenuta operando il primo reattore a alte temperature per favorire la cinetica del processo, mantenendo il secondo a temperature più basse per sfruttare la conversione di CO2 più alta all’equilibrio. Condensando l’acqua all’uscita del primo reattore si innalza ulteriormente il limite di purezza raggiungibile. La modellazione preliminare ha mostrato come sia la resa che la purezza del metano prodotto migliorino innalzando la pressione, ma le elevate pressioni e basse temperature potrebbero causare l’indesiderata dissoluzione in acqua di metano nell’acqua condensata tra un reattore e il successivo.