Experimental and modeling investigation of electrified reverse water gas shift reactors

Within the current climate crisis, finding sustainable energy solutions to reduce and eventually eliminate anthropogenic greenhouse gas emissions is urgent. Since CO2-producing processes will persist in the near future, capturing CO2 is a crucial mitigation strategy. Additionally, replacing fossil-based raw materials with alternatives is essential for sustainability, leading to the idea of exploiting the captured carbon dioxide. The reverse water-gas shift (RWGS) process is proposed in this work as a possible CO2 valorization pathway, since the outcome is syngas production, fundamental in the chemical industry and for energy production. A catalyst is needed since the reaction runs with homogeneous kinetics only above 1200K and to favor the selectivity towards CO, limiting the extent of the side reaction, i.e. the methanation. The RWGS is an endothermic reaction and, to avoid the paradox of emitting more CO2 than the valorized quantity, heating the reac- tor without using fossil fuels is necessary. We propose the electrification of the reactor, exploiting the Joule effect, using as resistive element a SiSiC foam. The catalyst can be loaded in two different ways, i.e. by washcoating the foam or by packing it with catalytic pellets. The two have been analyzed and compared both experimentally and by means of a mathematical model. A first reactor configuration, where the current circulates into the reactor one-through, from the top towards the bottom of it, has been investigated in our laboratory for the packed foam. The results have been compared to the results reported in the scientific literature for washcoated foam, which seems more selective. A second reactor configuration, where the foam is cut in the middle and the current has to circulate with a U-shape path, has been identified as a promising approach, allowing to increase the total reactor resistance in a versatile way, keeping the pressure drops low. The I-shape reactor has been modeled too. For the washcoat, we exploited a model developed within our group. For the packed foam, we developed a model, validated by means of a comparison with experimental data. Our finding is that it works well in the region of interest, i.e. the high-temperature one. We focused then on the simulation of a semi-industrial scale reactor, with particular attention to the risk of carbon formation and the increase in yield. The solution we propose is to add a pre-methanation reactor before the RWGS, to increase the temperature and exit the region where carbon formation is possible, and to have more reactors in series with intermediate water removal, to increase the overall CO2 conversion.

Nell’attuale contesto di crisi climatica, urge trovare soluzioni sostenibili per ridurre, fino ad eliminare, le emissioni antropogeniche di gas serra. A causa del fatto che i processi che emettono anidride carbonica non saranno dismessi nel breve futuro, una strategia di mitigazione chiave è la cattura della CO2. Inoltre, considerando il fatto che sostituire materie prime fossili è essenziale per la sostenibilità, l’idea che sta prendendo piede è quella di sfruttare l’anidride carbonica catturata. In questo lavoro, il processo di valorizzazione della CO2 che viene proposto è la reverse water-gas shift (RWGS), il cui prodotto è il gas di sintesi, fondamentale nell’industria chimica ed energetica. È richiesto un catalizzatore, visto che la reazione avviene in maniera omogenea solo sopra i 1200K e per favorire la selettività di CO, limitando la reazione indesiderata, cioè la metanazione. La RWGS è una reazione endotermica e, per evitare il paradosso di emettere più CO2 della quantità valorizzata, è necessario scaldare il reattore senza ricorrere alla tradizionale combustione di combustibili fossili. La nostra proposta è di elettrificare il reattore, sfruttando l’effetto Joule, usando come elemento resistivo una schiuma in SiSiC. Il catalizzatore può essere caricato in due modi diversi, cioè facendo un washcoat della schiuma o impaccandola con pellet catalitici. Queste due metodologie sono state studiate e comparate sia sperimen- talmente che con un modello matematico. Nel nostro laboratorio abbiamo investigato una prima configurazione di reattore impac- cato, in cui la corrente circola dalla testa al fondo del reattore (chiamata "I"). I risultati sono stati confrontati con quelli riportati in letteratura per la schiuma washcoat. Quest’ultima ha mostrato maggiore selettività. Una seconda configurazione di reattore, in cui la schiuma risulta tagliata in mezzo e a causa di ciò la corrente circola con un percorso a "U", è stata individuata come promettente approccio, grazie al fatto che la resistenza totale del reattore può essere aumentata in maniera versatile e mantenendo le perdite di carico basse. Il reattore "I" è stato soggetto anche della modellazione matematica. Per il washcoat, abbiamo sfruttato un modello precedentemente sviluppato dal nostro gruppo. Per la schiuma impaccata, abbiamo sviluppato un modello e successivamente validato paragonando i risultati fornitici con quelli ottenuti sperimentalmente. Il modello lavora bene nella regione di interesse della RWGS, cioè quella di alta temperatura. Successivamente, l’oggetto della modellazione è stato un reattore di scala semi-industriale, prestando particolare attenzione al rischio di formazione di carbone e all’aumento della resa della reazione. Le soluzioni che proponiamo sono l’aggiunta di un reattore di pre-metanazione prima della RWGS, per aumentare la temperatura dei reagenti ed uscire dalla zona di rischio di formazione di carbone, e di avere più reattori in serie, con rimozione di acqua intermedia, per aumentare la conversione globale di CO2.