Effects of Periodic Open Cellular Structures design on the intensification of heat transfer in Fischer-Tropsch structured reactor: a pilot plant study

Process intensification is a promising field of research in the chemical industry, offering a smaller, cleaner and energy efficient technology. In compliance with the regulations advocating for the replacement of fossil fuels with nonpetroleum resources, Fischer-Tropsch (FT) process is regarded as a predominant technology for the synthesis of liquid fuels from renewable energy resources. Nevertheless, the intensification of the FT process in compact scale reactors is challenging in terms of heat transfer. This thesis investigates experimentally the significance of adoption of highly conductive 3D printed Periodic Open Cellular Structures (POCS) for an efficient heat management for the FT reaction. The performance of the process is assessed by packing Co/Al2O3 particles in this conductive material at industrial FT process conditions. Three experimental runs were conducted, each using a POCS with unique design features. The variations across these runs included the gap between the POCS and the reactor wall, the relative density (RD) of the POCS, and the surface-to-volume ratio (Sv). These three parameters were adjusted to evaluate their impact on the overall heat transfer of the POCS. The third run was performed under diluted reaction conditions, where a regression for kinetic parameters for the FT process was conducted based on the experimental data. As a result, with an optimal geometric design and material properties, conductive POCS enable precise temperature control even at the most severe process conditions (i.e. at lower GHSV, high CO conversions resulting in high volumetric heat duties). Further investigations showed that the performance of these POCS is mainly affected by the relative density RD and through the gap from a given threshold value. An increase in relative density enhances the overall heat transfer coefficient, thereby improving the heat transfer efficiency. Gaps higher than the threshold (45 µm) tend to decrease the overall heat transfer coefficient.

L’intensificazione di processo rappresenta un campo promettente nell’industria chimica, con l’obiettivo di sviluppare tecnologie più compatte, sostenibili ed efficienti dal punto di vista energetico e ambientale. In linea con le normative che promuovono la transizione dai combustibili fossili alle risorse non petrolifere, il processo Fischer-Tropsch (FT) è emerso come una tecnologia fondamentale per la sintesi di combustibili liquidi a partire da materie prime rinnovabili. Tuttavia, l’intensificazione del processo FT in reattori compatti presenta sfide significative legate alla gestione del calore. In questa tesi viene presentata l’applicazione sperimentale di Periodic Open Cellular Structures (POCS) conduttivi per l’intensificazione di reattori compatti FT. Le strutture vengono realizzate tramite stampa 3D in alluminio e vengono testate durante le tipiche condizioni di processo di FT di bassa temperatura (Low Temperature Fischer-Tropsch LTFT). Lo studio valuta come le prestazioni di un catalizzatore commerciale Co/Al₂O₃ vengono influenzate dalla presenza dei POCS conduttivi. Per meglio capire gli effetti introdotti dai POCS, sono stati condotti tre esperimenti, ognuno dei quali utilizza POCS con caratteristiche di design specifiche; di modo da studiare l’innovazione introdotta dai POCS e capire quali sono i parametri fondamentali nel fenomeno di scambio termico. I parametri di design includono lo spazio tra la parte esterna del POCS e la parete del reattore (GAP), la densità relativa (RD) del POCS e il rapporto tra superficie-volume (Sv) della matrice interna dello stesso. Questi parametri sono stati regolati sistematicamente per valutarne l’impatto sull’efficienza del trasferimento di calore. L’effetto dei parametri geometrici dei POCS è stato valutato tramite il calcolo di un coefficiente di scambio termico complessivo, che tiene conto di tutte le grandezze in gioco. Inoltre, nel terzo esperimento, sono state implementate le condizioni di reazione diluite, volte alla regressione di parametri cinetici per ottenere una descrizione matematica delle performance del catalizzatore commerciale a base di cobalto adottato durante le prove sperimentali. I risultati hanno dimostrato che i POCS permettono un’effettiva intensificazione dello scambio termico, e che la variazione dei parametri di design incidono nel controllo della temperatura anche in condizioni operative severe, caratterizzate da basse velocità spaziali dei gas (GHSV) e/o alte conversioni di CO, che generano elevate densità di calore volumetrico. Le analisi sui diversi campioni hanno dapprima rivelato che la densità relativa (RD) e lo spazio tra le POCS e la parete del reattore (Gap) sono i fattori più critici. Un aumento della RD migliora significativamente il coefficiente complessivo di scambio di calore. Al contrario, GAP superiori alla soglia di 45 µm, riducono il coefficiente complessivo di trasferimento di calore. In secondo luogo, che il GAP ha un’importanza a partire dalla condizione di 45 µm: nelle condizioni con più basso GAP le performance non paiono influenzate da questo parametro. Questo studio evidenzia il potenziale dei POCS conduttivi nel superare le limitazioni del trasferimento termico che si generano nella scala compatta. I risultati ottenuti, con la descrizione matematica del catalizzatore adottato, aprono la strada alla completa descrizione matematica del reattore strutturato, volta allo sviluppo di reattori FT più efficienti e performanti.