Applications of Ru-based catalyst for CO2 methanation : modeling study

The growing atmospheric concentration of carbon dioxide is the main anthropic cause of climate change due to the greenhouse gas effect. Among the different possibilities that can be applied as solution, the use of CO2 as carbon source to obtain added-value products is acquiring interest. In particular, CO2 hydrogenation to methane is one of the most promising routes. It is generally defined as Power-To-Gas technology and it allows to combine the excess renewable electric energy with the recycling of carbon dioxide. The purpose of this work is to develop a consistent model able to adequately describe experimental data already obtained on laboratory scale under isothermal conditions. Once the model has been validated, it is possible to extend the investigation of operative conditions and identify the most suitable process configuration that maximize CO2 conversion and CH4 purity. The results show that the optimal arrangement is composed by two reactors in series with intermediate water condenser since it is possible to operate at different temperatures enhancing the kinetics in the first reactor and achieving thermodynamic equilibrium conditions in the second one. The analysis of this configuration is then extended valuing also the reactor modeling and the assessment of operative effects on performance in order to verify whether the process scheme can be applied on the industrial scale. The problem of thermal management is then addressed because the first reactor works with enhanced reaction rate and thus presents more critical issues.

La crescente concentrazione atmosferica di anidride carbonica è la principale causa antropica del cambiamento climatico dovuto all'effetto serra. Tra le diverse possibilità che possono essere applicate come soluzione, l'uso di CO2 come fonte di carbonio per ottenere prodotti di valore aggiunto sta acquisendo interesse. In particolare, l'idrogenazione di CO2 a metano è una delle vie più promettenti. È generalmente definita come tecnologia Power-To-Gas e permette di combinare l'energia elettrica rinnovabile in eccesso con il riciclo di anidride carbonica. Lo scopo di questo lavoro è quello di identificare la configurazione di processo più adatta per massimizzare la conversione di CO2 e la purezza di CH4. I risultati mostrano che la disposizione ottimale è composta da due reattori in serie con condensatore d'acqua intermedio in quanto è possibile operare a temperature diverse favorendo la cinetica nel primo reattore e raggiungendo condizioni di equilibrio termodinamico nel secondo. L'analisi di questa configurazione viene poi estesa considerando anche la modellazione del reattore e la valutazione degli effetti operativi sulle prestazioni al fine di verificare se lo schema di processo può essere applicato su scala industriale. Viene quindi affrontato il problema di gestione termica all’interno del primo reattore che operando in condizioni di velocità di reazione più spinte presenta maggiori criticità.