Modellizzazione di un reattore a membrana per produzione idrogeno da gas naturale e realizzazione di un banco di prova

This work is part of a framework for research and development on membrane reactors for the production of pure hydrogen from natural gas. The interest on this configuration relies on the possibility to implement this technology within a PEM fuel cell based micro-cogenerator for civilian use. A mathematic one-dimensional model developed in Matlab allows the design and analysis of the performance of membrane reactors with initial configurations which differ in geometry, reactant composition, operating conditions and directions of the streams involved. The model is validated through comparison with a two-dimensional model developed in Fluent. Moreover, this work also includes the design and engineering of a test stand for a fixed bed membrane reactor (type Pd/Ag) in the laboratory of Politecnico di Milano. The design of the components follows the specifications on desired operating conditions of temperatures up to 700 °C and 11 barg. The control program developed in Labview, monitors operating conditions and controls the operation and safety of the system. In addition, having experimental results will enable further validation and improvement of the mathematical model, aiming to develop more accurate simulations of the real plant.

Il presente lavoro si inserisce in un quadro di ricerca e sviluppo relativo all’integrazione dei reattori a membrana per la produzione di idrogeno puro da gas naturale in un sistema microcogenerativo a fuel cell PEM per utenze del settore civile. Nella prima parte del lavoro è stato messo a punto un modello monodimensionale in ambiente Matlab che permette il dimensionamento e l’analisi del comportamento di reattori a membrana con diverse configurazioni iniziali che variano per geometria, composizione dei reagenti in alimentazione, condizioni operative e direzioni delle correnti in gioco. Il modello è stato validato grazie al confronto con un modello bidimensionale elaborato in ambiente Fluent. Paralleamente si è proceduto alla realizzazione e gestione di un banco di prova per la sperimentazione di un reattore a membrana (tipo Pd/Ag) a letto fisso nei laboratori del Politecnico di Milano. Il dimensionamento dei componenti del banco è stato effettuato in funzione delle condizioni operative limite e delle massime portate elaborate dal reattore. La gestione del banco è affidata ad un programma elaborato in Labview che monitora i parametri operativi dal banco e controlla l’operazione e la messa in sicurezza del sistema. In un secondo momento i risultati delle sperimentazioni potranno essere implementati nel modello matematico in modo da ottenere delle simulazioni che si avvicinino al comportamento reale del sistema.