Methane steam reforming using Rh/Al2O3 catalyst particles packed into copper foams : kinetic study in concentrated conditions and intensified H2 production tests

The current chemical and energetic scenario is marked by a growing interest in capillary and sustainable production of hydrogen and synthetic gas to be used as alternative energy source, starting element for the synthesis of chemicals and liquid fuels or intermediate for iron and steel industry. To reach this goal, novel processes require catalysts and innovative solutions to manage a flexible request and improve the productivity at small-scale. The aim of this Work are the kinetic and thermal studies of novel technologies for the development of small-scale Methane Steam Reforming reactors with noble-based catalyst, Rh, operated in concentrated and industrially relevant conditions. Due to the high-energy demand of the process, kinetic studies are challenging with traditional configuration of the reactor. Based on previous studies, the adoption high-conductive foams filled with catalytic particles allow to reduce the impact of the thermal limitations to study the rector in full kinetic regime, even at high space velocities. Then, using spherical catalytic particles packed in copper foams, it was possible to make experimental studies to investigate the methane, steam, carbon dioxide and hydrogen effect over the distribution of the products. The results were used to develop a kinetic scheme of highly active Rh catalysts in industrially relevant conditions. Therefore, the experimental study of an intensified configuration of the reactor (non-diluted catalyst) was performed, with the goal to verify the performances and evaluate the heat transfer properties that affect the productivity of the process.

Nel merito del contesto chimico ed energetico attuale, si assiste a una crescente richiesta di produzione decentralizzata e sostenibile di idrogeno e gas di sintesi impiegabili come vettore energetico alternativo, per la produzione di chemicals oppure come intermedi nell’industria del ferro e dell’acciaio. Per raggiungere questo obiettivo è necessario sviluppare processi che richiedono catalizzatori e soluzioni innovative per rispondere a una domanda flessibile e incrementare la produttività su piccola scala. Gli obiettivi del presente lavoro di Tesi sono stati gli studi cinetici e termici del processo di Steam Reforming di metano in presenza di un catalizzatore a base di Rh in condizioni concentrate e industrialmente rilevanti. A causa dell’elevato contributo endotermico di tale processo, condizioni così sfidanti rappresentano un impedimento per l’esecuzione di accurati studi cinetici se effettuati con configurazioni di reattori tradizionali. Sulla base di precedenti studi, è noto che l’adozione di particelle cataliticamente attive impaccate in schiume conduttive permette di ridurre fortemente l’impatto di limitazioni termiche anche per alti valori di velocità spaziale, necessari per porsi in regime cinetico. Perciò, utilizzando un reattore avente una configurazione con schiume di rame impaccate con particelle catalitiche sferiche, è stato effettuato uno studio cinetico sperimentale per descrivere l’effetto della concentrazione di metano, acqua, monossido di carbonio e idrogeno sulla composizione dei prodotti. I risultati raccolti sono stati utilizzati per studiare uno schema cinetico valido in condizioni industrialmente rilevanti per catalizzatori a base Rh altamente reattivi. A seguito, è stato condotto uno studio sperimentale del reattore in una configurazione intensificata (catalizzatore non diluito), allo scopo di verificarne il funzionamento e valutare le proprietà di scambio termico, che rappresentano uno stadio limitante per la produttività del processo.