Conductive structural internals for adsorption/desorption processes: modelling study of biogas upgrading and CO2 valorisation

Due to global warming, the scientific community and governments are moving to reduce carbon dioxide emissions. Among various solutions to this problem, new methods for producing low-CO2 impact fuels are being studied. Biogas and synthetic fuels are among the most researched. Biogas is produced through the anaerobic digestion of organic matter by bacteria that break down more complex molecules into methane and carbon dioxide. Because of this carbon dioxide contamination, biogas must undergo an upgrading process in which the CO2 is removed. This CO2 can then be valorised by converting it into net-zero synthetic fuel. The goal of the work is to study the performance of a newly proposed process involving purification of biogas and valorisation of the biogenic CO2. Specifically, the process includes capturing CO2 through pellets of an adsorbent (Zeolite) packed, along with methanation catalyst (Ru/γ-Al2O3), within a metallic periodic open cellular structure (POCS) in a fixed bed reactor. Subsequently, the captured CO2 undergoes methanation by feeding green hydrogen into the reactor. the presence of the metallic structures enables a high level of heat transfer, which improves the performance of both the CO2 adsorption and methanation phases. In this work, a dynamic 1D heterogenous reactor model is developed using gPROMS platform. The model includes the full cycle of the process which can be divided into 2 main phases, the CO2 adsorption phase and the methanation phase, in addition to a final cooling step. Besides comparing two reactor configurations, namely packed foam and packed POCS reactors, the model is used to evaluate the sensitivity of the overall process performance towards different operating conditions. The reactor temperature during the CO2 adsorption phase, the reactor pressure, and the hydrogen flow rate during the methanation phase are selected as parameters for this study. Ideally, the process should deliver a single methane stream exiting the reactor, with an average CO2 molar percent below 2% and H2 molar percent lower than 10%. Hence, the study is extended to include hypothetical catalyst and CO2 adsorbent with superior performances to validate the feasibility of achieving the selected targets.

A causa del surriscaldamento globale, la comunità scientifica e i governi si stanno muovendo per far fronte alle emissioni di anidride carbonica. Tra le varie soluzioni a questo problema si stanno studiando nuovi modi per produrre combustibili a basso impatto di CO2. Tra questi i biogas e i combustibili sintetici sono tra i più studiati. Il biogas viene prodotto dalla digestione anerobica di materia organica da parte di batteri che riescono a scindere molecole più complesse in metano e anidride carbonica. A causa di questa contaminazione di anidride carbonica il biogas va sottoposto ad un processo di purificazione in cui viene asportata la CO2 che può poi essere valorizzata trasformandola in combustibile sintetico ad impatto zero. L'obiettivo del lavoro è studiare le prestazioni di un processo di recente proposta che combina la purificazione del biogas alla valorizzazione della CO2 biogenica. Nello specifico, il processo prevede la cattura di CO2 tramite pellet di adsorbente (zeolite) impaccati, insieme a un catalizzatore per la metanazione (Ru/γ-Al2O3), all'interno di una struttura periodica a celle (POCS) di un reattore a letto fisso. Successivamente, la CO2 catturata viene sottoposta a metanazione attraverso l'immissione di idrogeno. La presenza delle strutture metalliche consente un elevato trasferimento di calore, migliorando così le prestazioni delle fasi di adsorbimento della CO2 e di metanazione. In questo studio è stato sviluppato un modello dinamico 1D eterogeneo del reattore utilizzando la piattaforma gPROMS. Il modello include l'intero ciclo del processo, che può essere suddiviso in due fasi principali: la fase di adsorbimento della CO2 e la fase di metanazione, oltre a una fase finale di raffreddamento. Oltre al confronto tra due configurazioni del reattore, ovvero reattori impaccati in schiume o in POCS, il modello viene utilizzato per valutare come le prestazioni complessive del processo varino rispetto a diverse condizioni operative. La temperatura del reattore durante la fase di adsorbimento della CO2, la pressione del ciclo e il flusso di idrogeno durante la fase di metanazione sono stati selezionati come parametri per questo studio. Idealmente, il processo dovrebbe produrre un flusso unico di metano in uscita dal reattore, con una percentuale molare media di CO2 inferiore al 2% e una percentuale molare di H2 inferiore al 10%. Pertanto, lo studio è stato ampliato includendo un catalizzatore ipotetico e un adsorbente di CO2 con prestazioni superiori, al fine di validare la fattibilità del raggiungimento degli obiettivi prefissati.