Kinetic modeling and process simulation of CO2 methanation in presence of steam and oxygen

Carbon capture and utilization is of growing interest nowadays to limit CO2 emissions in the atmosphere. In recent years, researchers have analyzed the possibility of using bio-derived CO2 to produce valuable end products by using renewable energy sources. Specifically, this study faces the challenge of finding a catalyst suitable for CO2 methanation derived from fermentation streams so that commercial activities such as breweries can reduce their impact on CO2 emissions with innovative technologies. The derivation from fermenters means that the reaction occurs in the presence of oxygen and steam. Typical catalysts for methanation are deactivated in these conditions, so the objective of this work is to develop a kinetic model which can describe experimental results in these conditions and to perform a process simulation to analyze the potential of methane production to be injected in distribution pipelines. To do so, this research includes experimental work to derive a kinetic model with custom parameters to account for inhibitors, as well as the process simulation itself. The resulting model contains a custom kinetic term which modifies a power-law kinetic model for CO2 methanation, with coefficient of determination (R2) equal to 72.27 %. The process simulation successfully validates the custom model and efficiently simulates the CO2 methanation, obtaining a conversion equal to 72.32 %.

L'interesse per la cattura e il riutilizzo della CO2 sta crescendo per limitare le emissioni di anidride carbonica in atmosfera. Studi recenti hanno analizzato la possibilità di utilizzare CO2 con origine biologica per trasformarla in prodotti di valore integrando fonti di energia rinnovabile. In particolare, questo studio affronta la sfida di trovare un catalizzatore adatto per la metanazione della CO2 che deriva da processi di fermentazione in modo che attività commerciali come le birrerie possano ridurre le emissioni di CO2 con tecnologie innovative. Dato che questi flussi derivano dalla fermentazione, la reazione dovrebbe avvenire in presenza di vapore acqueo e ossigeno. I catalizzatori tipici per la metanazione sono disattivati in queste condizioni, quindi l'obiettivo della tesi è quello di sviluppare un modello cinetico che possa riprodurre risultati sperimentali in queste condizioni, e infine simulare un processo per analizzare la potenziale produzione di metano da iniettare nelle linee di metano per la distribuzione. Questa ricerca comprende studi sperimentali per la derivazione del modello cinetico, oltre alla simulazione di processo stessa. Il modello risultante contiene un termine cinetico personalizzato che modifica il modello "power-law" per la metanazione della CO2, ottenendo una valore di R2 pari a 72.27 %. La simulazione di processo valida il modello personalizzato e simula la metanazione in maniera efficiente, ottenendo una conversione del 72.32 %.