PDF Basket
Reakcje katalityczne mają kluczowe znaczenie dla sektora energetycznego, ponieważ są powszechnie stosowane do przekształcania prostych gazów naturalnych i biomasy w wysokoenergetyczne paliwa i substancje chemiczne. Stały katalizator wchodzi w kontakt z gazowymi reagentami, aby przyspieszyć powstawanie pożądanych produktów i radykalnie zwiększyć wydajność.
Przez dziesiątki lat reakcje te prowadzono w reaktorach ze złożem stałym, które wypełnione są granulkami katalizatora upakowanymi w przypadkowej kolejności. Taka konstrukcja „upakowanego złoża” ogranicza potencjał reakcji ze względu na powolne tempo przekazywania ciepła do lub z reaktora.
„Krytycznym aspektem takich procesów jest zarządzanie ciepłem reakcji”, wyjaśnia Enrico Tronconi, profesor inżynierii chemicznej na Politechnice w Mediolanie. „Aby można było stworzyć nowe, wydajne i kompaktowe jednostki procesowe, tak bardzo potrzebne w świetle scenariuszy rozproszonej energii, takie przeszkody muszą zostać usunięte”, dodaje.
W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu INTENT Tronconi zaprojektował nowy „reaktor strukturalny”, który może zintensyfikować wymianę ciepła w procesach katalitycznych i potencjalnie uczynić sektor energetyczny znacznie bardziej zrównoważonym.
„Wykazaliśmy zarówno poprzez eksperyment, jak i modelowanie matematyczne, że jeśli elementy wewnętrzne są wykonane z materiału o wysokiej przewodności – na przykład aluminium lub miedzi – możemy spodziewać się znacznie bardziej efektywnego transferu ciepła niż w złożach upakowanych”, mówi Tronconi. „Na przykład uniknie się szkodliwych »gorących punktów« lub »zimnych punktów« w reaktorze”.
Wprowadzenie struktur wewnętrznych
Dzięki zastąpieniu losowego upakowania granulek katalizatora przez katalizatory o określonej strukturze, takiej jak plastry miodu lub pianki otwartokomórkowe, reaktor wykorzystuje inny mechanizm wymiany ciepła: przewodzenie ciepła w matrycy struktury.
Te „elementy wewnętrzne”, którymi mogą być pianki otwartokomórkowe lub struktury drukowane w 3D, można następnie aktywować katalitycznie poprzez pokrycie ich warstwą aktywnego katalizatora – proces znany jako „powlekanie w kąpieli”. Alternatywnie, mogą one być wypełnione cząstkami katalizatora o wielkości odpowiedniej do pożądanej reakcji.
„W obu przypadkach wysoce przewodząca struktura komórkowa zapewnia doskonały transport ciepła i równomierny rozkład temperatury w całym reaktorze, usuwając w ten sposób główne wąskie gardło procesu”, zauważa Tronconi.
Projektowanie i testowanie przewodzących elementów wewnętrznych reaktora
Zespół projektu INTENT przetestował dwie generacje przewodzących elementów wewnętrznych reaktora, zaczynając od komercyjnie dostępnych materiałów komórkowych, a następnie przechodząc do nowej klasy projektów inżynierskich, drukowanych w 3D. Następnie zbadali te struktury jako nośniki katalizatorów, poprzez innowacyjną metodologię łączącą eksperymenty z modelami obliczeniowymi.
Równolegle naukowcy testowali eksperymentalnie w skali laboratoryjnej zastosowanie nowej koncepcji reaktora dla dwóch kluczowych procesów: syntezy Fischera-Tropscha (FT), w wyniku której powstają czyste paliwa węglowodorowe; oraz reformingu metanu z parą wodną (ang. methane steam reforming, MSR), najpowszechniej stosowanej i najbardziej opłacalnej metody produkcji wodoru.
Pierwotny plan projektu INTENT obejmował również badanie katalizatorów strukturalnych stosowanych do reformingu słonecznego – wykorzystujących promieniowanie słoneczne do dostarczania ciepła do MSR. W ostatnich latach pojawiła się nowa koncepcja wykorzystująca energię elektryczną ze źródeł odnawialnych do dostarczania tego ciepła. W trakcie realizacji projektu INTENT badacze zajęli się zbadaniem tej koncepcji oraz zaprojektowaniem i skonstruowaniem dwóch nowych zestawów do obsługi zelektryfikowanego MSR.
Współtworzenie przyszłości czystej energii
Dzięki obiecującym wynikom prace zespołu projektu INTENT nad elektryfikacją MSR natychmiast przyciągnęły uwagę dużej włoskiej firmy energetycznej. Obecnie zespół wspólnie pracuje nad utworzeniem jednostki eMSR na potrzeby niskoemisyjnej produkcji wodoru na małą skalę.
„Projekt INTENT wyraźnie udowodnił, że zastosowanie termicznie i elektrycznie przewodzących komórkowych elementów wewnętrznych reaktora ma ogromny potencjał w zakresie intensyfikacji procesów katalitycznych”, mówi Tronconi.
„W świetle obecnego przyspieszenia transformacji energetycznej potrzeba takiej intensyfikacji jest dziś znacznie większa niż w momencie powstania projektu siedem lat temu”.