Numerical modelling of an integrated reactor-heat exchanger system for thermal methane pyrolysis

Methane pyrolysis is a promising bridging technology for sustainable hydrogen production. Compared to conventional hydrogen routes, it requires less energy, can achieve net-zero CO₂ emissions when powered by sustainable sources, and produces a solid carbon co-product that can be valorised, enhancing both environmental and economic performance of the process. To advance the development of this technology, it is necessary to develop numerical models capable of accurately describing the evolution of gas-phase species as well as solid carbon formation. This work develops a multiscale modelling framework for non-catalytic thermal methane pyrolysis for turquoise hydrogen production. Initially, one-dimensional plug flow reactor and gas–solid heat exchanger models were developed, leveraging detailed microkinetic description of the chemistry and explicitly accounting for gas-phase conversion to solid soot that concomitantly reduces the gas flowrate. The models were then coupled to obtain a single integrated framework, with the objective of developing a tool able to predict the behavior of the entire process layout. Moreover, the models are able to fully characterize the soot particle size distribution and morphological properties, providing critical information for solid valorization. Lastly, a three-dimensional CFD reactor model was developed in catalyticFOAM, combining detailed microkinetics with detailed description of fluid dynamics and transport phenomena. The CFD model is thereby able to accurately predict gas-phase species distributions and to quantify the reduction of the gas flowrate associated with soot formation. As a whole, the multiscale framework was applied to simulate a wide range of relevant operating process conditions and configurations. The resulting insights provide a robust basis for process design and optimisation, supporting the scale-up of methane pyrolysis technology.

La pirolisi del metano rappresenta una promettente tecnologia di transizione per la produzione sostenibile di idrogeno. Rispetto ai processi convenzionali di produzione dell’ idrogeno, la pirolisi del metano richiede meno energia, può raggiungere emissioni nette di CO₂ pari a zero se alimentata da fonti rinnovabili, e produce come co-prodotto carbonio solido che può essere valorizzato, migliorando al contempo le prestazioni ambientali ed economiche del processo. Per promuovere lo sviluppo di questa tecnologia, è necessario sviluppare modelli numerici in grado di descrivere accuratamente l’evoluzione delle specie in fase gassosa così come la formazione del carbonio solido. In questa tesi è stato sviluppato un framework di modellazione multiscala per la pirolisi non catalitica del metano finalizzata alla produzione di idrogeno turchese. Inizialmente, basandosi su una descrizione dettagliata microcinetica della chimica, sono stati sviluppati modelli monodimensionali di reattore con flusso a pistone e di scambiatori di calore gas–solido che tengono esplicitamente conto della conversione della fase gassosa in carbonio solido, con conseguente riduzione della portata del gas. I modelli sono stati poi accoppiati per ottenere un unico framework integrato, con l’obiettivo di sviluppare uno strumento in grado di prevedere il comportamento dell’intero processo. Inoltre, i modelli consentono di caratterizzare in modo completo la distribuzione granulometrica e le proprietà morfologiche delle particelle di soot, fornendo informazioni cruciali per la valorizzazione del solido. Infine, è stato sviluppato un modello tridimensionale CFD del reattore in catalyticFOAM, capace di coniugare una descrizione microcinetica dettagliata con una descrizione accurata della fluidodinamica e dei fenomeni di trasporto. Il modello CFD è quindi in grado di predire con accuratezza le distribuzioni delle specie in fase gassosa e di quantificare la riduzione della portata gassosa associata alla formazione di carbonio solido. Complessivamente, il framework multiscala sviluppato è stato utilizzato per simulare un ampio spettro di condizioni e configurazioni operative di interesse. I risultati ottenuti forniscono una base solida per la progettazione e l’ottimizzazione del processo, supportando lo scale-up della tecnologia di pirolisi del metano.