CAPITOLO 6 CONCLUSIONI

CAPITOLO 6

CONCLUSIONI

Lo scopo di questa tesi è stato quello di ottimizzare la produzione di idrogeno, in termini di conversione del CO. Si è cercata la migliore configurazione impiantistica per ottimizzare tale resa cercando di ridurre al minimo la massa catalitica necessaria. Tale configurazione impiantistica si colloca all’interno della “Water Gas Shift Section” inserita nel contesto di un più ampio processo di produzione di idrogeno a partire da combustibili solidi.

Il Sistema Complessivo è costituito dall’interconnessione di quattro macro-blocchi principali costituiti da:

• Gasificazione del carbone

• Pulizia del Syngas e Recuperi Energetici • Reazione di Water Shift (WGSR)

• Separazione dell’Idrogeno

Lo studio specifico trattato in questo lavoro consiste nell’ottimizzazione della resa in Idrogeno, ottenuta mediante Water Gas Shift Reaction applicata al syngas proveniente dalle precedenti fasi di:

• Gasificazione del carbone: dal quale si ottiene il syngas

• Pulizia del syngas ottenuto: al fine di rimuovere le sostanze inquinanti (prevalentemente NH3, HF, HCl, H2S e particolato) che rendono il gas non adatto alle

successive lavorazioni o applicazioni del gas ottenuto.

Per l’individuazione della migliore configurazione impiantistica da adottare e per l’ottenimento delle migliori condizioni operative è stato necessario condurre una ricerca bibliografica, dalla quale ricavare le necessarie valutazioni sulle migliori configurazioni consolidate ed innovative. Tale ricerca si è rivelata utile al fine del reperimento di dati ed informazioni utili allo sviluppo del nostro modello. Abbiamo riportato alcuni articoli di particolare interesse suddivisi in 4 categorie a seconda della centralità dell’argomento trattato:

1 Lavori su Reattori ed apparecchiature per lo studio della WGSR su scala di laboratorio o su scala pilota

2 Produzione di idrogeno mediante processi comprendenti la WGSR 3 Membrane Catalitiche applicate alla WGSR

4 Studi focalizzati sull’attività catalitica di Catalizzatori tradizionali e non

Sulla base delle conoscenze acquisite dallo studio di tali articoli abbiamo scelto le configurazioni impiantistiche e catalitiche più consolidate dal punto di vista industriale e su tali configurazioni abbiamo svolto delle analisi di sensitività al fine di ricavare le migliori condizioni operative di ogni tipo di configurazione scelta. Nelle analisi di sensitività:

• abbiamo studiato tre catalizzatori per la WGSR condotta a bassa T ed una volta scelto quello che ci garantiva i migliori risultati in termini di conversione di idrogeno, minimizzando la massa catalitica impiegata (catalizzatore ICI-Cu/ZnO/Al2O3), ne

abbiamo ricavato le migliori condizioni operative a cui condurre la reazione di nostro interesse

• abbiamo studiato le migliori condizioni operative a cui condurre la WGSR ad alta T su quello che dalla letteratura è risultato essere il miglior catalizzatore per tale tipo di reazione (catalizzatore Fe2O3/Cr2O3)

Infine abbiamo sviluppato un modello impiantistico mettendo in serie i due reattori catalitici suddetti operanti alle loro condizioni ottimali ed abbiamo effettuato un confronto, in termini di resa di idrogeno, con i due precedenti modelli a reattore singolo.

Sulla base della comparazione dei risultati ottenuti dai tre modelli ottimizzati (vedi capitolo 5) si può affermare che ai fini dell’ottenimento di una corrente di idrogeno ad elevata purezza:

•

operante ad elevata T non garantisce buone rese in termini di conversione del CO,

infatti, ipotizzando una conversione pari all’80% di quella all’equilibrio, si raggiunge, nel reattore, una conversione effettiva del 54,8 % circa, impiegando una massa catalitica di circa 80 kg e con una frazione molare del CO in uscita dal reattore pari a 0,163.

• Migliori risultati si ottengono con un singolo reattore tubolare catalitico con

catalizzatore ICI-Cu/ZnO/Al2O3 operante a bassa T, col quale si ottiene, ipotizzando

una conversione pari all’80% di quella all’equilibrio, una resa in termini di conversione effettiva del CO del 72,9% impiegando una massa catalitica di 21 kg circa, e con una frazione molare del CO in uscita dal reattore pari a 0,097.

•

catalizzatori in serie; il primo operante ad alte T (400°C) con catalizzatore Fe2O3/Cr2O3, il secondo operante a basse T (200°C) con catalizzatore

ICI-Cu/ZnO/Al2O3. Con questa configurazione, ipotizzando una conversione pari all’80%

di quella all’equilibrio, si ottiene una conversione effettiva dell’ 84% con una frazione molare del CO in uscita pari a 0,057. La massa catalitica complessiva impiegata è di 115 kg (80 kg Fe2O3/Cr2O3 + 35 kg Cu/ZnO/Al2O3) che risulta notevolmente più

elevata rispetto al caso precedente.

6.1 Scelta della migliore Configurazione Impiantistica

Alla fine, per la scelta definitiva del modello impiantistico da adottare, bisognerà tener conto di diversi fattori e la scelta ricadrà su uno degli ultimi due modelli citati a secondo che si vorrà privilegiare la purezza della corrente di Idrogeno prodotta o l’economicità del processo industriale. Un ruolo fondamentale in tale scelta avranno anche i processi che seguiranno la fase di Water Gas Shift. Se gli studi attualmente in corso sui sistemi di separazione a membrana dell’Idrogeno dovessero raggiungere buoni risultati applicativi, abbinati ad una singola fase di WGS a bassa T, potrebbero fornire risultati di notevole interesse. Se oltre a questo aggiungiamo un’eventuale utilizzo futuro di nuovi catalizzatori a base di metalli nobili, che offrono risultati migliori in termini di conversione del CO per la WGSR a bassa T, l’ipotesi di un reattore di shift operante a bassa T ed integrata con membrane selettive all’idrogeno, sembra quella che potrebbe garantire una produzione di idrogeno a livello industriale in grado di soddisfare le future esigenze in termini di un’eventuale ed auspicabile utilizzo di idrogeno come combustibile “pulito”, alternativo agli attuali combustibili fossili. Per l’utilizzo di idrogeno nelle Celle a Combustibile, allo stato delle attuali conoscenze, si predilige una configurazione impiantistica che favorisca la massima conversione del CO, quindi il modello a due reattori in serie è quello che mi garantisce i risultati migliori.

I principali fattori che contribuiscono all’adozione del processo a due stadi sono:

• Un buon compromesso fra Conversione di Equilibrio e Cinetica favorevole

• Una buona adattabilità al contesto operativo (buona integrazione con la Temperatura e la Pressione della corrente gassosa in uscita dallo stadio di pulizia del syngas)

• Minimizzazione reazioni parassite indesiderate • Basse richieste di vapore aggiuntivo

• Alta resistenza all’Avvelenamento del Catalizzatore operante ad alta T