Simulations of structured reactors for circular economy applications

Abstract

The development of alternative technologies along with the retrofit of existing industrial processes constitute the necessary route for a green and sustainable energy future. In this framework, the employed reactors are probably the most critical components that govern the performance of the processes. In the present work, structured reactors involved in three circular economy applications are examined: solar thermochemical water and/or carbon dioxide splitting, solar decomposition of calcium carbonate and methanol/dimethyl ether production. The first two processes belong to the Concentrated Solar Thermal (CST) family of technologies, while the latter represents the hydrocarbons production via Fischer-Tropsch pathways. CST technologies collect and exploit the energy of the sun to drive high enthalpy processes of zero carbon footprint. They cover a wide range of applications, including but not limited to solar fuels production, material processing and commodities production. Nonetheless, the products of such processes can be furtherly used as the raw materials of well-established petrochemical technologies and in this way secondary solar energy carriers are obtained. Regarding solar thermochemical splitting, the data obtained from the kinetic analysis feed the mathematical model of the reactor on the single-channel scale. Subsequently, the energy model of the entire reactor is constructed. The reactor is simulated taking into account the interaction with the surrounding cavity under steady state or transient conditions. Further on, a generic computational tool capable of assessing the overall efficiency of the process is presented and the impact of the critical parameters is identified. The knowledge gained from these models paves the way for a novel reactor design which, in tandem with a tight control strategy, significantly improves the status of the technology.As far as solar calcination is concerned, the operational framework of a horizontal screw feeder is established. The prototype is irradiated and therefore gradually heated, while nitrogen continuously flows through the reactor to keep the partial pressure of the produced CO2 as low as possible. The volumetric flow range of the inert gas is defined, so that the working temperature is not affected and the produced carbon dioxide is sufficiently removed. These two parameters are the driving forces of the reaction and promote the conversion of CaCO3. Subsequently, the residence time distribution analysis of the solid particles reveals the effect of the operational conditions on the mixing characteristics of the flow. Finally, the use of an electromagnet is proven a promising option for increasing the homogeneity of the solids volume fraction.The solar hydrogen of thermochemical splitting along with the CO2 that is captured from solar calcination, directly feed monolithic structured reactors to produce methanol and dimethyl ether. Therefore, the effective coupling of the technologies is achieved. Appropriate kinetic expressions that accurately describe the production curves under various operational conditions are obtained and they guide the subsequent parametric analyses that assess the effect of the critical parameters on the productivity. The outcomes conclude the characteristics of the reactors of both processes. Moreover, for the direct DME production, the entire process is simulated, investigating the effect of the recycling loop on the overall performance.The various conclusions are synopsized and discussed in the last part of the study. As a general remark, reactors are not just the means to convert the inlet stream into the desired products. Their hardware (geometry, design) and software (operation protocol) control the productivity, the cost, the capacity and the efficiency of the processes. For this reason, multifunctional reactors that are capable of performing multiple tasks, e.g. heat recuperation or particulate transport, is the core concept in order to construct novel units of attractive performance.

Η ανάπτυξη εναλλακτικών τεχνολογιών καθώς και η τροποποίηση των υπαρχόντων βιομηχανικών διεργασιών συνιστούν την απαραίτητη οδό προς ένα πράσινο και βιώσιμο μέλλον. Σε αυτό το πλαίσιο, οι αντιδραστήρες που επιλέγονται για να πραγματοποιηθούν οι διεργασίες είναι ίσως τα πιο κρίσιμα στοιχεία που ορίζουν την απόκριση τους. Στην παρούσα μελέτη, εξετάζονται δομημένοι αντιδραστήρες που περιλαμβάνονται σε τρεις διεργασίες κυκλικής οικονομίας: στην ηλιοθερμοχημική διάσπαση του νερού ή/και του διοξειδίου του άνθρακα, στην ηλιακή διάσπαση του ανθρακικού ασβεστίου και την παραγωγή μεθανόλης/διμεθυλαιθέρα. Οι δυο πρώτες διεργασίες ανήκουν στην οικογένεια των τεχνολογιών Συγκεντρωμένης Ηλιακής Ακτινοβολίας (ΣΗΑ), ενώ η τελευταία αντικατοπτρίζει την παραγωγή υδρογονανθράκων μέσω Fischer-Tropsch διαδικασιών. Οι ΣΗΑ τεχνολογίες συλλέγουν και αξιοποιούν την ενέργεια του ήλιου για την πραγματοποίηση διεργασιών υψηλής ενθαλπίας με μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα. Καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών που περιλαμβάνει, χωρίς όμως να περιορίζεται εκεί, την παραγωγή ηλιακών καυσίμων, την κατεργασία υλικών και την παραγωγή χρήσιμων χημικών προϊόντων. Εκτός από αυτό, τα προϊόντα των εν λόγω διεργασιών δύναται να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω, ως πρώτες ύλες σε ευρέως διαδεδομένες πετροχημικές τεχνολογίες. Με αυτόν τον τρόπο παράγονται δευτερογενείς ηλιακοί ενεργειακοί φορείς.Όσον αφορά την ηλιοθερμοχημική διάσπαση, τα δεδομένα που προκύπτουν από την κινητική ανάλυση τροφοδοτούν το μαθηματικό μοντέλο του αντιδραστήρα στην κλίμακα ενός μονολιθικού καναλιού. Εν συνεχεία, σχεδιάζεται το ενεργειακό μοντέλο ολόκληρου του αντιδραστήρα, παίρνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση του τελευταίου με την κοιλότητα μέσα στην οποία είναι τοποθετημένος, υπό σταθερές αλλά και δυναμικές συνθήκες. Έπειτα, παρουσιάζεται ένα γενικευμένο υπολογιστικό εργαλείο για το χαρακτηρισμό της συνολικής απόδοσης της διεργασίας, ενώ επίσης προσδιορίζεται η επίδραση των κρίσιμων παραμέτρων. Η γνώση που έχει αποκτηθεί χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό ενός καινοφανούς αντιδραστήρα ο οποίος βελτιώνει σημαντικά, σε συνδυασμό με μια αυστηρή στρατηγική ελέγχου, το επίπεδο της τεχνολογίας.Όσον αφορά την ηλιακή ασβεστοποίηση, στόχος της μελέτης είναι να καθοριστεί το λειτουργικό πλαίσιο ενός οριζόντιου κοχλιωτού αντιδραστήρα. Το πρωτότυπο ακτινοβολείται με αποτέλεσμα να αυξάνει σταδιακά τη θερμοκρασία του, ενώ άζωτο διαρρέει συνεχώς τον αγωγό για να κρατάει όσο το δυνατόν χαμηλότερα τη μερική πίεση του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Το εύρος της ογκομετρικής παροχής του αδρανούς αερίου καθορίζεται έτσι ώστε να μην επηρεάζεται η θερμοκρασία λειτουργίας και να απομακρύνεται επαρκώς το παραγόμενο CO2. Αυτές οι δύο παράμετροι είναι οι κινητήριες δυνάμεις της διεργασίας εφόσον ευνοούν τη μετατροπή του CaCO3. Στη συνέχεια, από την ανάλυση του χρόνου παραμονής των σωματιδίων προκύπτει η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στα χαρακτηριστικά ανάμιξης της ροής. Τέλος, η χρήση ηλεκτρομαγνήτη αποδεικνύεται μια υποσχόμενη επιλογή για την αύξηση της ομοιογένειας του κλάσματος όγκου των στερεών σωματιδίων μέσα στον ασβεστοποιητή.Το ηλιακό υδρογόνο της ηλιοθερμοχημικής διάσπασης του νερού μαζί με το CO2 που έχει δεσμευτεί κατά τη διάρκεια της ηλιακής ασβεστοποίησης, τροφοδοτούν δομημένους μονολιθικούς αντιδραστήρες προς παραγωγή μεθανόλης και διμαιθυλαιθέρα. Ως εκ τούτου, επιτυγχάνεται η σύζευξη όλων των τεχνολογιών που εξετάζει η διατριβή. Διεξάγονται κατάλληλες κινητικές εκφράσεις που περιγράφουν επαρκώς της καμπύλες των προϊόντων κάτω από διάφορα σενάρια λειτουργίας, οι οποίες κατευθύνουν τις επακόλουθες παραμετρικές αναλύσεις για τον προσδιορισμό της επίδρασης των κρίσιμων παραμέτρων στην παραγωγικότητα. Από τα αποτελέσματα προκύπτουν και τα χαρακτηριστικά των αντιδραστήρων και των δύο διεργασιών. Ακόμη, για την απευθείας παραγωγή του DME, παρομοιώνεται η συνολική διεργασία και διερευνάται το σενάριο της ανακύκλωσης στην απόκριση του συστήματος.Τα διάφορα συμπεράσματα, συνοψίζονται και σχολιάζονται στο τελευταίο τμήμα της εργασίας. Σαν γενική παρατήρηση, οι αντιδραστήρες δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται απλώς σαν το μέσο για τη μετατροπή του εισερχόμενου ρεύματος στα επιθυμητά προϊόντα. Η υλική κατασκευή (γεωμετρία, σχέδιο) και το λογισμικό τους (πρωτόκολλο λειτουργίας) ελέγχουν την παραγωγικότητα, το κόστος, τη χωρητικότητα και την απόδοση των διεργασιών. Για αυτόν το λόγο, πολύ-λειτουργικοί αντιδραστήρες οι οποίοι είναι ικανοί να πραγματοποιούν πολλαπλά καθήκοντα, π.χ. ανάκτηση θερμότητας ή μεταφορά σωματιδίων, είναι ο πυρήνας για την κατασκευή καινοτόμων μονάδων υψηλής απόδοσης.