Engineering and construction of a pilot scale electrified steam methane reforming rig

I reattori catalitici elettrificati consentono la decarbonizzazione per processi catalitici endotermici e ad alto consumo energetico. L'elettrificazione del processo di steam reforming del metano consente di produrre H₂ decarbonizzato e, allo stesso tempo, grazie ai vantaggi aggiuntivi offerti dall'innovativa progettazione del reattore, consente lo sfruttamento di materie prime distribuite, come il biogas. Negli ultimi 3 anni, il Politecnico di Milano ha studiato un nuovo reattore catalitico elettrificato che integra elementi riscaldanti come fili in un supporto termicamente conduttivo, dove le particelle di catalizzatore sono incorporate nella matrice di rame. Questo concetto può essere scalato in una configurazione multi-filo, in cui più elementi sono posizionati in un'unica matrice di rame, in grado di trattare fino a 2 Nm³/h di gas naturale, con un incremento di scala di 10 volte rispetto alle tipiche unità su scala di laboratorio testate in precedenza. In questo lavoro di tesi, un impianto da banco e i reattori multi-filo sono progettati e costruiti per consentire la sperimentazione del concetto con gas naturale in configurazione 24/7. Vengono descritti in dettaglio la progettazione degli elementi chiave dell'unità, lo studio del sistema di controllo che consente di testare in sicurezza questa unità, il montaggio dettagliato dell'impianto e i test di sicurezza eseguiti prima dell'avvio del reattore.

Electrified catalytic reactors enable the decarbonization for energy demanding and endothermic catalytic processes. Electrification of methane steam reforming allows to produce decarbonized H2 and at the same time, thanks to additional benefits provided by innovative reactor design, they can enable the exploitation of distributed feedstocks, as biogas. A new electrified catalytic reactor that integrates heating elements as wires into a thermally conductive support, where catalyst particles are embedded into the copper matrix has been studied by Politecnico di Milano in the last 3 years. This concept can be scaled-up in a multi-wire configuration, where multiple elements are placed into a single copper matrix, able to treat up to 2 Nm3/h of Natural Gas, making a 10x increase of scale with respect to typical lab-scale units tested previously. In this thesis work, a bench-scale rig and the multi-wire reactors are engineered and constructed to allow the testing of the concept with natural gas under 24/7 configuration. The design of the key elements of the unit, the study of the control system that allows testing with safety this unit, the detailed mounting of the rig and the safety tests performed prior to the startup of the reactor are described in detail.