A lumped kinetic model for the pyrolysis of polyethylene

The management of plastic waste brings along sustainability issues that make it an open problem. The most widespread recycling technologies, i.e. mechanical recycling, have demonstrated some limits that have led to the development of alternative routes, such as chemical recycling. The most established technologies in the latter are pyrolysis and gasification. Their potential is vast, nevertheless these processes have not reached the technological maturity yet. Therefore, a better understanding of the chemistry is crucial for the implementation of a breakthrough reactor design at industrial scale. Many mechanistic models are today able to properly reproduce the weight loss curves and the gas products distribution, but their potential is strongly limited as a consequence of the big number of species and reactions. Indeed, the design of a pyrolysis reactor requires fluid dynamic computations performed by ad hoc computational fluid dynamic codes, which are not compatible with the size of the current kinetic models. This study investigates a simplified kinetic model for the pyrolysis of polyethylene. The main goal of the model is to overcome the computational limits through a drastic reduction of the number of species and reactions via the adoption of a “lumped” approach that does not affect the level of accuracy. Firstly, a detailed mechanistic model has been selected on the basis of its prediction performances and, secondly, the targets to be pursued by the “reduced” model have been set, i.e. the ability to reproduce the weight loss curves as well as the gas products distribution. With these goals in mind, a “lumping” strategy has been adopted. It has resulted in a dramatic reduction of the number of species and reactions (59 and 568 respectively), thus of the computational cost. The lumped model has been validated in a broad range of heating rates (dynamic runs) as well as temperatures (isothermal runs), demonstrating excellent results. Nevertheless, the model shows its limits in the case of non-atmospheric pressures: this aspect shreds some light on future perspectives of research.

La gestione dei rifiuti plastici solleva questioni di sostenibilità che la rendono un problema ancora attuale. I limiti riscontrati in alcune delle strategie di riciclo più diffuse, quali il riciclo meccanico, hanno indirizzato allo sviluppo di trattamenti alternativi, fra questi il riciclo chimico, che si avvale delle tecnologie di pirolisi e gassificazione. Il loro potenziale è vasto, tuttavia questi processi non hanno ancora raggiunto la maturità tecnologica. Si rende pertanto necessario un approfondimento dei meccanismi cinetici che li governano, al fine di implementare un design reattoristico ottimale su scala industriale. I modelli meccanicistici ad oggi esistenti possono prevedere correttamente la curva termogravimetrica e lo spettro dei prodotti in fase gas, ma l'elevato numero di specie e reazioni che li caratterizzano ne compromette fortemente il potenziale. La progettazione di un reattore di pirolisi comporta infatti calcoli fluidodinamici basati su codici ad hoc, che risultano incompatibili con le dimensioni dei modelli cinetici attualmente disponibili. Lo studio in oggetto indaga un modello cinetico semplificato per la pirolisi del polietilene. Tale modello si prefigge l'obiettivo di attuare una drastica diminuzione del numero di specie e di reazioni mediante la strategia di riduzione di "lumping", pur mantenendo buoni livelli di accuratezza. Si è dapprima selezionato un modello cinetico dettagliato con ottimi risultati di previsione, si sono quindi fissati i target da soddisfare, quali la descrizione della curva termogravimetrica e dello spettro dei prodotti in fase gas. Ne è risultato un abbattimento del numero di specie e reazioni (rispettivamente, 59 e 568), con conseguente calo del costo computazionale. Si è validato infine il modello ottenuto in un ampio range di velocità di riscaldamento (condizioni dinamiche) e di temperature (condizioni isoterme), con esiti soddisfacenti. Permangono tuttavia dei limiti nella descrizione del processo di pirolisi a pressioni non atmosferiche, che potrebbero costituire oggetto di ulteriore indagine.