Experimental investigation and process simulation analysis of an electrified reverse water gas shift reactor

In the context of addressing the climate crisis and reducing global warming, the valorization of captured CO2 is gaining significant attention as a sustainable solution. One promising pathway for CO2 valorization is the Reverse Water Gas Shift reaction, which converts CO2 into syngas (a mixture of CO and H2), a key feedstock for the organic chemical industry, that can be exploited for production of fuels and chemicals. However, the RWGS reaction is endothermic and limited by equilibrium, requiring high temperature for achieving reasonable CO2 conversion. Additionally, the RWGS competes with the methanation reaction, which can lead to unwanted methane formation, particularly at higher pressures. As such, the use of a catalyst is essential to run the reaction and enhance CO selectivity. This work investigates the electrification of the RWGS process as an alternative to conventional heating methods, that are paradoxical, given the high heat input required per mol of CO2 converted. The proposed electrified reactor is based on the direct electrification of a SiSiC POCS structure, that acts as a heating element. Besides, the structure has a high porosity and specific surface area that enable enhanced heat transfer and catalytic activation. The POCS is packed with a Rh/γ-Al2O3 catalyst, a quite active catalyst for the RWGS. The reactor setup is experimentally tested under various temperature, pressure, and gas hourly space velocity up to 21000 [Ncm3/h/gcat] at a H2/CO2 feed ratio of 3, which enables to stay outside the carbon formation region and provides a syngas with a stoichiometric number around 2, suitable for methanol production. The results demonstrate the feasibility of achieving equilibrium CO2 conversion and selectivity, with the system showing stable operation and no signs of catalyst deactivation or carbon formation. Furthermore, the findings indicate that at higher space velocities, thermal efficiency improves, supporting the scalability of the reactor for larger application. Additionally, process simulations are conducted on the software DWSIM to assess the performance of the RWGS reaction, and to identify an optimal setup for a downstream methanol production. Alongside with a single pass configuration, a system operated with recycle was considered, and the results indicate that the optimal configuration involves a reactor temperature of 900°C, a plant pressure of 10 bar, and a 50% recycle rate, achieving high conversion, selectivity, and yield, while maintaining manageable energy costs. It was demonstrated experimentally that is possible to run the reactor with a simulated stream with reaction products without leading to major catalyst activity loss or carbon formation. These findings highlight the potential of an electrified RWGS reactor as a sustainable solution for CO2 valorization and syngas production.

Nell'attuale contesto di crisi climatica e necessità di mitigare il riscaldamento globale, la valorizzazione della CO2 catturata sta emergendo come una soluzione sempre più rilevante. Una delle vie promettenti è la reazione di RWGS (Reverse Water Gas Shift), che converte la CO2 in syngas (una miscela di H2 e CO), fondamentale per l'industria chimica e ampiamente utilizzata nella produzione di carburanti e prodotti chimici. La reazione di RWGS è endotermica e limitata dall'equilibrio termodinamico, richiedendo alte temperature per raggiungere adeguati livelli di conversione della CO2. Inoltre, è in competizione con la reazione di Sabatier, che porta alla formazione di metano, specialmente ad alte pressioni. Pertanto, per favorire la reazione desiderata e aumentare la selettività verso il CO è necessario l'uso di un catalizzatore. Questo lavoro si concentra sull'elettrificazione della reazione tramite effetto Joule, in alternativa ai metodi convenzionali di riscaldamento che presentano un paradosso, richiedendo un elevato input di energia per mole di CO2 convertita. Il reattore oggetto di studio consiste nell'elettrificazione diretta di un POCS in SiSiC, utilizzato come elemento riscaldante. Inoltre, presenta una struttura altamente porosa con una estesa superficie disponibile, caratteristiche che favoriscono un miglior trasferimento di calore e aumentano l'attività catalitica. Il POCS è impaccato con un catalizzatore di Rh/γ-Al2O3 e testato a diverse temperature, pressioni e portate fino a 21000 [Ncm3/h/gcat], mantenendo un rapporto H2/CO2 in ingresso fissato a 3, che permette di rimanere al di fuori della regione di rischio di formazione del carbonio, ottenendo un syngas con un modulo metanolo vicino a 2, valore ottimale per la produzione di metanolo. Il sistema ha mostrato una buona stabilità durante gli esperimenti, senza disattivazione del catalizzatore o formazione di carbonio, con risultati di conversione e selettività all'equilibrio. Inoltre, si è osservato che, a maggiori portate, l'efficienza termica del sistema migliora, parametro cruciale per l'eventuale scala industriale. È stata inoltre sviluppata una simulazione del processo utilizzando il software DWSIM per analizzare la reazione di RWGS e identificare la configurazione ottimale per la produzione di syngas adatto alla conversione in metanolo. Sono state analizzate diverse configurazioni, con e senza riciclo dei reagenti non convertiti. I risultati indicano che una configurazione con temperatura di 900°C al reattore, pressione di 10 bar e riciclo del 50% risulta ottimale, raggiungendo una conversione, selettività e resa adeguata, mantenendo al contempo una spesa energetica contenuta. È stato inoltre dimostrato sperimentalmente che è possibile operare il reattore simulando un flusso con i prodotti di reazione, senza disattivazioni del catalizzatore o formazione di carbone. I risultati di questa ricerca evidenziano il potenziale della tecnologia di RWGS elettrificata per la valorizzazione della CO2 in chiave sostenibile.