Numerical modelling of intensified structured reactors for the Fischer-Tropsch synthesis

Intensification of small-scale Gas to Liquid processes is the key for the exploitation of remote natural gas reservoirs and other sources of carbon feedstocks in presence of economically-competitive renewable hydrogen. Fischer-Tropsch Synthesis enables the conversion of H2 rich syngas into liquid fuels. This process is well known at industrial scale, where large Slurry Bubble Column Reactors or Multitubular Fixed-Bed Reactors are employed. However, these technologies are hardly scalable due to fluidynamics and heat transfer problems. It has been demonstrated by Laboratory of Catalysis and Catalytic Processes (LCCP) research group at Politecnico di Milano that the use of structured conductive supports (i.e. honeycomb monoliths, open-cell foams, 3D printed Periodic Open Cellular Structures) packed with catalytic pellets, enable the scaling down of the process, thanks to improved heat transfer properties. This work aims to develop a 2-dimensional mathematical model which takes into account mass and energy balances of Fischer-Tropsch tubular reactor filled with packed conductive internals. First, a representative kinetics of the process has been derived from the fitting of dedicated experimental tests. Then, the model has been successfully validated through different sets of experimental data reported in previous works of LCCP research group for lab-scale reactors. Finally, it has been extended to predict the performance of a new pilot reactor currently in startup on the research group: sensitivity analysis and design of experiment study (DOE) was performed to assess in a predictive way the operative windows of operations and the performances of different reactor configurations.

Nell’ambito dei processi Gas to Liquid di piccola taglia, l’intensificazione è la chiave per lo sfruttamento di giacimenti di gas naturale difficili da raggiungere e altre fonti di carbonio, in uno scenario caratterizzato da una grande disponibilità di idrogeno verde a basso prezzo. La sintesi di Fischer Tropsch permette la conversione di syngas ricco in idrogeno in combustibili liquidi. Questo processo è ben noto su scala industriale, dove reattori di grandi dimensioni sono impiegati (Slurry Bubble Column, Multitubular Fixed-Bed). Tuttavia, queste tecnologie sono difficilmente scalabili per problemi di fluidodinamica e scambio termico. È stato dimostrato dal gruppo di ricerca LCCP del Politecnico di Milano, che l’uso di supporti strutturati e termicamente conduttivi (i.e. monoliti a nido d’ape, schiume a cella aperta, strutture cellulari aperte periodiche), impaccati con pellet catalitici, permette di scalare questi processi anche su taglie inferiori, grazie ad un’ottima gestione del calore di reazione. Questo lavoro mira a sviluppare un modello matematico bi-dimensionale, il quale tenga conto dei bilanci di massa ed energia per un reattore tubolare impaccato e con strutture interne conduttive, adibito alla sintesi di Fischer-Tropsh. Inizialmente, un’equazione cinetica rappresentativa del processo è stata ricavata attraverso una regressione di dati sperimentali appositamente raccolti. Successivamente, il modello è stato validato con successo grazie a numerose prove sperimentali condotte dal gruppo di ricerca LCCP su reattori da laboratorio. Infine, tale modello è sato utilizzato per predire le prestazioni di un reattore pilota attualmente in avvio nel gruppo di ricerca: analisi di sensitività e progettazione degli esperimenti sono state condotte per valutare in via predittiva le finestre operative di funzionamento e le prestazioni di differenti configurazioni reattoristiche.