Dynamic modeling of catalytic reactors for green methanol comparing different converter alternatives

Green methanol, namely produced from CO2 and green hydrogen, can be an opportunity to boost the energy transition and to reduce the dependency on fossil fuels of humankind. Methanol is an important chemical intermediate to generate many products ready to the final use. However, the real dream is to arrive at a “methanol economy” in which green methanol substitutes fossil fuel in many applications. This can permit to close the balance of CO2, being at the same time the by-product of combustion and the reactant. The necessity to deepen the knowledge about this technology is urgent because the production of green methanol is already much more expensive than that of conventional methanol, due to the novelty of the idea. In this work the aim is to produce a dynamic tool to simulate the behavior of a green methanol reactor, mostly due to the fact that the fluctuations which are intrinsically related to the renewables sources, that supply the electrolysers to produce green hydrogen, can bring some process disturbance inside the reactor. In addition, four different pseudo-isothermal reactor configurations are studied, namely the classical packed bed and then three structured options: honeycomb monolith, open cell foam and packed foam. One of the objectives of this work is to produce a reliable tool, which permits the user to analyze and compare the dynamic response across dynamic scenarios for different reactor configurations. The thesis is structured in four chapters and the conclusions. The Chapter 1 is the introduction, in which the appeal of green methanol is presented together with the unsolved challenges, also performing a literature survey around different steady state and dynamic reactor models. Chapter 2 covers the assumptions and model equations for the two models, steady state and dynamic one. The Chapter 3 is completely dedicated to the validation of the different sub-models inserted in the code. Lastly, the Chapter 4 considers the outcomes of the dynamic scenario investigated.

Il metanolo verde, cioè prodotto dalla CO2 e dall’idrogeno verde, può essere un’opportunità per accelerare la transizione energetica e ridurre la dipendenza dell’uomo dai combustibili fossili. Il metanolo, al momento, è un importante intermedio chimico che aiuta a produrre molte sostanze pronte per essere vendute sul mercato. Ma il vero sogno è quello di arrivare alla cosiddetta “methanol economy” in cui il metanolo prodotto per via green sostituisce le fonti fossili in diversi ambiti. Questo permetterebbe di chiudere il ciclo della CO2, prodotta nella combustione ma riutilizzata come reagente per produrre il combustibile stesso. È importante approfondire la conoscenza di questo processo poiché la produzione del metanolo verde è ancora molto più costosa di quella convenzionale, a causa del fatto che è una tecnologia nuova. In questo lavoro l’obiettivo è produrre uno strumento analitico per simulare dinamicamente il reattore per il metanolo verde. Poiché a cause delle fluttuazioni caratteristiche delle rinnovabili, che devono alimentare l’elettrolizzatore per produrre l’idrogeno verde, il reattore può subire alcuni disturbi. Inoltre, sono stati testati quattro diversi modelli, il classico letto impaccato e poi tre configurazioni strutturate: il monolita, la schiuma conduttiva e la schiuma impaccata. Il vero obiettivo di questo lavoro è quello di produrre uno strumento affidabile, che permette all’utente di analizzare quale sia la migliore configurazione per la data applicazione, anche confrontando le diverse risposte dinamiche. La tesi è strutturata in quattro capitoli e le conclusioni alla fine. Il Capitolo 1 è l’introduzione, in cui vengono presentate le potenzialità e le problematiche del metanolo verde, portando avanti anche un’indagine di letteratura sui diversi modelli stazionari o dinamici presenti. Il Capitolo 2 esprime tutte le decisioni che sono state prese nello sviluppo dei due modelli, quello stazionario e quello dinamico. Il capitolo 3 è interamente dedicato alla validazione dei sotto modelli presenti nel codice e infine il Capitolo 4 riassume tutti i risultati degli esempi testati.