reattore termico del Paul Scherrer Institute (Zurigo)reattore termico del Paul Scherrer Institute (Zurigo)

reattore termico del Paul Scherrer Institute (Zurigo)

Il modello di reattore a cui la presente tesi fa riferimento, per quel che riguarda la prima e più importante reazione del ciclo termochimico in questione, è quello sviluppato al

Paul

Scherrer Institute (PSI) di Zurigo (Department of Mechanical and Process Engineering,

ETH - Swiss Federal Institute of Technology),

in Svizzera, elaborato da

Schunk & al.

(2009)

sotto la supervisione del prof.

Aldo Steinfeld

. Esso è un prototipo di reattore a cavità cilindrica rotante da 10 che svolge la fase ‘endotermica solare’ del ciclo termochimico , ovvero la dissociazione dell’ossido di zinco in zinco puro (in fase vapore) e ossigeno. Tutta l’analisi energetica e della cinetica chimica, con i relativi rendimenti ottenuti vengono presentati dunque sulla base delle prove sperimentali svolte in questo laboratorio. I componenti base del reattore e le prove sperimentali effettuate verranno presentate nel prossimo capitolo.

Un reattore chimico basato sul concetto di irraggiamento diretto richiede un’analisi dettagliata che leghi il processo di trasferimento di calore con l’avanzare della reazione chimica. Modellare tale interazione è necessario per valutare le prestazioni di diversi

design di reattore e per ottimizzare la progettazione affinchè si riesca a ottenere il massimo rendimento di conversione da energia solare a chimica. Per la determinazione delle proprietà termiche del materiale in questione (ossido di zinco reattivo) quali la conduttività termica effettiva , il coefficiente di estinzione e il coefficiente di assorbimento superficiale ., e per la determinazione delle caratteristiche di trasferimento di calore e della cinetica chimica,sono state effettuati degli studi basati su prove termogravimetriche

(Schunk e Steinfeld, 2009)

. Lo schema dell’apparato solare-termogravimetrico è quello presentato in Figura 5.2.1.1:

Figura 5.2.1.1 – Schema dell’apparato termo gravimetrico (Schunk e Steinfeld, 2009)

L’apparato sperimentale utilizzato da

Schunk e Steinfeld (2009)

consiste in un ricevitore a cavità cilindrica, rivestito di materiale isolante (ossido di alluminio e di zirconio) e con un apertura circolare da cui entra l’energia solare concentrata, attraverso una sottile finestra di quarzo. Dentro la cavità si trova un campione di ossido di zinco sostenuto mediante una sbarra di ossido di alluminio da una bilancia di accurata precisione. Con questa disposizione, il campione di è direttamente esposto alla radiazione solare concentrata, mentre la sua perdita di peso (dovuta alla decomposizione per via della reazione chimica che si verifica) è continuamente monitorata. Un flusso di Argon viene inoltre insufflato tangenzialmente e radialmente all’altezza dell’apertura per garantire una protezione alla finestra dai prodotti condensati e per guidare all’uscita del contenitore i prodotti della reazione,ovvero gassoso e . A valle, lo ; condensa e passa attraverso un filtro apposito che consente di analizzarne la composizione.

L’esperimento è stato condotto utilizzando come dispositivo un captatore solare costituito da un eliostato a inseguimento lungo un asse che riflette i raggi solari verso un concentratore parabolico. L’intensità del flusso solare è stata regolata mediante una schermatura ‘veneziana’ localizzata tra eliostato e concentratore solare e misurata otticamente con una camera CCD come illustrato nella Figura 5.2.1.1. Il campione esaminato, introdotto in un tubo di ossido di alluminio, richiama, come vedremo nel prossimo capitolo, la struttura che si realizza nel reattore prototipo; esso è mostrato in Figura 5.2.1.2.

Figura 5.2.1.2 – Struttura del campione utilizzato nella prova termo gravimetrica (Schunk e Steinfeld, 2009)

Il campione consiste in uno ‘strato impaccato’ di particelle di dello spessore di 12 , seguite da una piastrella sinterizzata di di 3.7 e da 24.3 di strato isolante 80% 3| 20% c. Attraverso questo campione

Schunk e Steinfeld (2009)

hanno studiato l’analisi cinetica e hanno convalidato il modello di trasferimento di calore. Le Figure 5.2.1.3 e 5.2.1.4 riportano le immagini, realizzate con microscopio a scansione elettronica, della struttura delle particelle di reattive e della piastrella di .

Figura 5.2.1.3 – Vista al microscopio della struttura particellare dell’ossido di zinco reattivo (Schunk e Steinfeld, 2009)

Figura 5.2.1.4 – Vista al microscopio della struttura particellare della piastrella sinterizzata di ossido di zinco (Schunk e Steinfeld, 2009)

Le particelle di reattivo mostrano una struttura cristallina di tipo wurtzite senza microporosità, indicando così che la porosità media è dovuta principalmente allo spazio vuoto tra particelle. Le dimensioni dei granuli dello sinterizzato sono nell’ordine dei 2 8 . Dalla prova sperimentale eseguita,

Schunk e Steinfeld (2009)

hanno trovato che a 2340 < e 1 v.5 di pressione totale la variazione dell’energia libera di Gibbs = del processo è nulla , mentre la variazione di entalpia =_> è circa 350 /43. A queste condizioni l’ossido di zinco si decompone nei suoi costituenti piuttosto che sublimare a gassoso. I valori dell’energia di attivazione determinati variano tra i 310 e i 375 / 43 a seconda della struttura dello (tubi,pastiglie sinterizzate etc) e dell’atmosfera in cui sono inseriti (aria, argon, ) .Ad esempio, per particelle di di 50 e 1 in

Argon, l’energia di attivazione è di 353 26 /43 nel range di temperatura tra 1713 e 2023 <. La variazione di massa = è attribuibile solo ed esclusivamente allo strato impaccato di , poiché la piastrella di contigua non ha subito segni di dissociazione, oltre che nessuna reazione con lo strato di 3 . Lo strato impaccato di particelle di è sottoposto a un regime transitorio di ablazione, caratterizzato da una velocità di trasferimento di calore, prevalentemente per irraggiamento, sul livello superiore del campione, il quale subisce la fase endotermica di dissociazione, che procede più velocemente rispetto al tasso di trasferimento di calore per conduzione, verificantesi negli strati inferiori del pacchetto. Anche la legge cui obbedisce la velocità di reazione chimica, riportata nel prossimo capitolo, è stata determinata mediante questa prima prova sperimentale.

La completa analisi energetica della reazione di dissociazione del viene svolta nel capitolo seguente e tiene conto dell’esatta geometria del reattore prototipo proposto da

Schunk & al. (2009)

,del volume variabile dell’ossido di zinco , che si consuma nel tempo per via della reazione, e dell’alimentazione con la carica fresca di ossido in modalità discontinua (definita ‘semi-batch’). Anche per quel che riguarda la fase di spegnimento e la fase di idrolisi si fa riferimento a degli apparati studiati e realizzati al PSI. In particolare, per quest’ultima fase, il modello di idrolizzatore a cui ci si riferisce è quello elaborato da

Wegner & al. (2005)

. Per la descrizione delle strutture si rimanda anche qui al capitolo seguente.

Capitolo 6

Nel documento Cicli termochimici per la produzione di idrogeno solare: modello di simulazione di un reattore termico per dissociazione di ossido di zinco (pagine 78-83)