Computational modeling and economical assessment of an oxygen transport membrane (OTM) oxy-combustion reactor for heat recovery from a pyrolysis unit

Plastic materials disposal has become a topic of outmost importance in the last few years. We are witnessing an increasing production of plastics and dependance on its usage, while the recycling techniques are almost unchanged throughout the years, with a very low recycling efficiency: around 70% of wasted plastic is being burnt or sent to landfill. iCAREPLAST is a project funded by the European Union to implement a chemical recycling route of plastics: useful chemicals can be produced, at a very high efficiency rate, in an outlook of circular economy. Such process comprehends a preliminary pyrolysis process of all treated plastics put together, and subsequent catalytic reaction steps to obtain the desired final products. In the pyrolysis section, also gaseous hydrocarbons are produced, which are useless for the purpose. To enhance the energetic efficiency of the process, these gases can undergo a controlled, oxy-combustion reaction, to produce a great quantity of heat to be recycled in the plant. An Oxygen Transport Membrane (OTM) reactor would help to reach high control of the reactor, high efficiency, and low volumes. Due to its nature, it is a non-conventional unit that requires a proper design process. The aim of this study is to put the basis for the design, decision-making process linked to the oxy-combustion section of such recycle plant. Starting from the modeling of the reacting unit, it was possible to obtain feasible, numerical results as an outlet of a computational model. Then, a proper reactor configuration was hypothesized, and a qualitative, parametric study on the reactor allowed a better comprehension of the internal dynamic of the process and of the variables to be accounted for in the design process. Eventually, a plant design hypothesis brought to the formulation of the variation of the economic potential in function of such variables, a tool that can be useful in the decision-making process.

Lo smaltimento di materiale plastico è diventato un argomento di grande importanza negli ultimi anni. Assistiamo ad una crescita nella produzione di plastica, e al contempo ad una sempre crescente dipendenza dal suo utilizzo, mentre le tecniche di riciclo rimangono quasi immutate negli anni, con un’efficienza di riciclo molto bassa: circa il 70% dei rifiuti plastici viene bruciato o mandato a discarica. Il progetto iCAREPLAST, fondato dall’Unione Europea, punta a implementare un processo di riciclo chimico delle plastiche: reagenti chimici utili vengono prodotti, con un’efficienza di riciclo molto elevata, in un’ottica di economia circolare. Tale processo prevede uno step preliminare di pirolisi di tutte le plastiche trattate complessivamente e reazioni catalitiche successive per ottenere finalmente i prodotti desiderati. Nella sezione di pirolisi vengono prodotti anche idrocarburi gassosi non utili per il processo. Per migliorare l’efficienza energetica del processo, questi gas possono subire un trattamento controllato di ossicombustione, in modo da produrre una grande quantità di calore che può essere riciclato nell’impianto. Un reattore costituito da sistemi di Oxygen Transport Membrane (OTM) risulta funzionale allo scopo, garantendo alti livelli di controllo, alte efficienze e volumi contenuti. Data la sua natura, va disegnata opportunamente come unità non convenzionale. L’obiettivo di questo studio è mettere le basi per il processo di design e per prendere decisioni economiche per la sezione di ossicombustione di questo impianto di riciclo. Partendo dalla modellazione del reattore, è stato possibile ottenere risultati numerici veritieri come outlet di un modello informatico. In seguito, è stata ipotizzata un’opportuna configurazione reattoristica, e uno studio parametrico qualitativo ha permesso una migliore comprensione delle dinamiche interne del processo e delle variabili da considerare nel processo di design. Infine, un’ipotesi di design dell’impianto ha portato alla formulazione della variazione del potenziale economico in funzione di tali variabili, uno strumento che può essere utile per prendere decisioni economiche.