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CONFRONTO TRA TIPI DI ELETTROLIZZATORI:
Attualmente si sta spingendo verso le cella ad alta temperatura, anche se le PEM rimangono le più sviluppate per un fattore di praticità, in quando l’elettrolizzatore PEM non contiene una soluzione alcalina che è corrosiva e potrebbe danneggiare l’impianto.
Produzione di metanolo
SINTESI DEL METANOLO
Per quanto riguarda la produzione di metanolo, la materia prima utilizzata è costituita principalmente da gas naturale.
Industrialmente, il processo di sintesi si sviluppa su tre unità principali:
- Preparazione del gas di sintesi
- Sintesi del metanolo
- Purificazione del metanolo
Come primo step abbiamo la desolforazione, perché lo zolfo è un potente veleno per il catalizzatore, e a seconda di come avviene la reazione la compressione può avvenire prima o dopo della sintesi di un prodotto: in generale conviene farla dopo perché il lavoro di compressione è il logaritmo del rapporto delle
pressioni per il numero di moli e visto che nella reazione di produzione del metanolo abbiamo 3 moli prima e 1 dopo allora conviene farla dopo perché il lavoro di compressione è minore.
Le principali reazioni per la sintesi del metanolo sono le seguenti:
Termodinamicamente: è un processo esotermico che comporta una diminuzione del numero di moli.
La massima conversione all'equilibrio si ottiene in condizioni di bassa temperatura ed alta pressione.
La composizione dell'alimentazione è:
- 8-10% di CO2
- 18-21% di CO
- 67-69% di H2
- <3% di CH4
Considerando la reazione:
Il rapporto stechiometrico dovrebbe essere uguale a 2, tuttavia, in parallelo avviene anche la reazione:
Quindi il rapporto stechiometrico deve essere maggiore di 2, calcolando secondo l'espressione:
Di solito, S è circa 2,2.
La presenza di alte concentrazioni di CO2 in ingresso ha un effetto benefico sulla conversione in quanto:
Previene il decorso della reazione che porta da CO a CO2.
causa del vapor d'acquaImpedisce la formazione del dimetiletere (disidratazione del metanolo)
Funge da regolatore di temperatura perché la conversione di CO2 a metanolo è meno esotermica
Tuttavia, è preferibile avere una più elevata concentrazione di CO nel syngas perché la sua conversione a metanolo richiede meno H2 e non produce acqua che diluisce il metanolo prodotto.
L'acqua all'interno del processo è un problema perché la miscela azoto-acqua intrappola il metanolo e per questi motivi inserisco l'anidride carbonica nel processo. Anche in questo caso la presenza di inerti abbassa la resa del processo perché il sistema si sbilancia verso la formazione dei reagenti e non dei prodotti (come per l'ammoniaca).
Di solito, per poter andare a definire quella che è la temperatura sotto la quale la reazione è favorita o meno si va a calcolare quando il (∆G0=∆H0-T∆S0) e da qui esce che latemperatura di annullamento è∆G0=0T=408 K. A temperature superiori a questo valore, essendo la reazione esotermica, la resa si abbassanotevolmente. Quindi, per ottenere rese alte, bisognerebbe operare a temperature inferiori, ma la velocità di reazione sarebbe talmente bassa da non essere industrialmente accettabile, per cui nascel’esigenza di impiegare catalizzatori. Processo High Pressure: catalizzatori a base di monossido di zinco (ZnO) e triossido di cromo (Cr2O3) con pressione di esercizio di 300 atm e temperature tra i 300-400°C. Processo Low Pressure: catalizzatori a base di monossido di zinco (ZnO), allumina (Al2O3) e rame (Cu) con pressione di esercizio tra 50-100 atm e temperatura tra i 200-300°C. Per determinare il profilo termico ottimale lungo il reattore, sono utili le curve di velocità-temperatura a resa costante. Per valori prolungati del fattore di tempo, la reazione tende asintoticaemente all’equilibrio che viene raggiunto in tempo.
tanto più brevi quanto più alta è la temperatura. Per un reattore, alle varie temperature si hanno le isoterme di reazione: al variare della temperatura (costante sull’isoterma scelta) e dei grammi di catalizzatore sulle moli di ingresso. Da queste si ottiene la conversione esatta in metanolo. All’aumentare della temperatura si avrà un aumento del grado di conversione, però man mano che ci si sposta verso temperature maggiori, il grado di conversione si abbassa perché è favorito l’equilibrio. Per cui, partendo dalle isoterme di reazione, si va a prendere un certo tempo: così ho, su ogni isoterma di reazione, il tempo, la temperatura e il grado di conversione. Fatto ciò, avrò un altro diagramma con ordinate la concentrazione di metanolo e con ascisse le temperature: da questo diagramma ottengo la resa di metanolo. All’inizio, all’aumentare della temperatura avrò un controllo cinetico:
possibile a questo obiettivo.Possibile. Le tre tipologie principali di reattore sono:
- Reattore a raffreddamento rapido
- Reattore con raffreddamento a gas o liquido
- Reattore ad acqua bollente
Gli obiettivi principali perseguiti nella fase di sintesi sono:
- Riduzione della quantità di catalizzatori utilizzato
- Riduzione alla minima temperatura di funzionamento possibile (reazioni esotermiche che comportano un'elevata % di conversione)
- Calore recuperato di buona qualità (aumento efficienza globale del sistema)
- Bassa % di prodotti intermedi
Il reattore è suddiviso in più stadi di catalisi, alla fine di ciascuno avviene l'immissione di un'appropriata portata di gas di processo che assolve, oltre che alla funzione di alimentazione, anche la funzione di raffreddamento. La portata viene suddivisa in una quantità principale che viene immessa dall'alto. Lateralmente ci sono ulteriori immissioni per fare in modo che sia la stessa portata di alimentazione a...
raffreddare il sistema: così si riesce adottenere un profilo di temperatura che si avvicina al profilo visto prima
Il problema è che, quanto più il reagente attraversa il letto catalitico,tanto più questo reagisce, quindi le correnti in basso reagiscono di meno eper questo ho una forte disuniformità nel grado di reazione all’interno del reattore
SVANTAGGI
- L’immissione del gas nei differenti stadi del reattore comporta un’elevata disuniformità della reazione e una bassa efficienza
VANTAGGI
- L’assorbimento del calore è più efficiente perché alla fine di ogni stadio del reattore viene inserito uno scambiatore di calore a liquido o gas
REATTORE CON RAFFREDDAMENTO
Più utilizzato A GAS O LIQUIDO
VANTAGGI
- L’intera portata di combustibile attraversa l’intera lunghezza del letto
SVANTAGGI
- La temperatura operativa del letto ha un’oscillazione significativa tra
quella più alta man mano scende. Per rendere il metanolo il più puro possibile si faandare la corrente di metanolo uscente da unacolonna di distillazione in un’altra colonna didistillazione.
BIOMASSA
Definizione
La parola biomassa indica ogni materiale di origine biologica, dunque legato alla chimica del carbonio: ogni sostanza che deriva direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.
In questa definizione rientrano un’ampia varietà di sostanza che possono essere suddivise nelle seguenti categorie:
- biomassa da colture energetiche (alberi o cespugli)
- residui forestali
- residui agricoli
- residui zootecnici (sostanza organica prodotta da allevamenti animali)
- residui agroindustriali e dell’industria alimentare
- rifiuti solidi urbani
- residui industriali, urbani e
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