Descrizione della commessa "Processi innovativi di conversione di idrocarburi. (ET.P03.010)"

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  • Descrizione della commessa "Processi innovativi di conversione di idrocarburi. (ET.P03.010)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • L'attività trova diretta ricaduta nella crescente richiesta nell'utilizzo di combustibili di basso impatto ambientale (il metano, per esempio) o di vettori energetici intrinsecamente puliti (e l'idrogeno è il primo di questi) prodotti a loro volta con processi \"puliti\". In particolare nell'individuazione di sistemi innovativi per la produzione di idrogeno, essenzialmente per via catalitica così come nella messa a punto di processi di combustione di idrogeno puro e/o in miscela e nella gestione \"sicura\" dei suddetti processi. Lo studio dei processi catalitici di dry-reforming e metanazione, recentemente inserito nella commessa, si rivolge alle cosiddette \"low carbon technologies\" che prevedono il sequestro e l'utilizzo della CO2. Direttamente rivolti a problematiche ambientali sono infine i processi SCR per il trattamento di fumi di scarico da motori marini e la combustione di particolato da motori diesel. (literal)
Strumentazione
  • -evaporatori rotativi, forni elettrici e micro-onde, stufe, reagenti chimici; -reattori da laboratorio PFR a letto fisso per reazioni in fase eterogenea - forni elettrici di alta T (massimo esercizio 1200°C) per la gestione e il controllo termico dei reattori da laboratorio -sistemi di analisi dei gas in flusso: analizzatori di H2, CH4, HC, CO, CO2, O2, NOx, SOx, gas-cromatografi, FT-IR -sistemi di analisi chimica e fisica di solidi: ICP, SEM/EDS,GC-MS, granulometro laser, analizzatore elementare FTIR/UV, analizzatore per area superficiale, distribuzione porosimetrica e metallica, sistema TPD/TPR/TPO -spettrometro FTIR accoppiato a termobilancia con forno di alta T dotato di due celle (in trasmissione e DRIFT) per misure in-situ -termocamera per la misura di profili termici in reattori catalitici -impianti in flusso per la conduzione di test catalitici - bruciatore catalitico ibrido -sistema di diagnostica PLIF per la caratterizzazione di intermedi e prodotti di reazione - Workstation con 2 processori dual Xeon per il calcolo seriale e/o parallelo -Cluster di PC costituito da 8 nodi bi-processori per calcoli in parallelo -codici di calcolo commerciali Fluent, CHEMKIN (literal)
Tematiche di ricerca
  • Combustione catalitica o ibrida su catalizzatori strutturati a base di metalli nobili e di transizione e relativo studio teorico-numerico; Avvelenamento/rigenerazione da zolfo di catalizzatori per ossidazione parziale di idrocarburi per produzione di syngas o olefine, dry-reforming di gas naturale e metanazione. Progettazione, messa a punto ed impiego di reattori di combustione a fluidodinamica controllata (CSTR, PFR) per la caratterizzazione di cinetiche di reazione in condizioni MILD; Purificazione di correnti di H2 da CO per ossidazione preferenziale su catalizzatori a base di metalli nobili e di transizione Preparazione e caratterizzazione di catalizzatori a base di perovskiti dopate con rodio per upgrading di tar da pirolisi di biomassa Preparazione e caratterizzazione di catalizzatori a base di TiO2 dopata per produzione di H2 per fotoreforming Preparazione e caratterizzazione di materiali ad alta oxygen storage capacity per chemical looping Preparazione e caratterizzazione di sorbenti inorganici per cattura di Hg da fumi di combustione Simulazione di flussi reattivi, interazione fiamma-vortice e propagazione anomala di fiamma (LES e DNS) (literal)
Competenze
  • Le competenze maturate e rilevanti per lo sviluppo della commessa sono: - preparazione di catalizzatori strutturati ad alta resistenza termica e meccanica e chimica (soprattutto in relazione all'esercizio ad elevata pressione o alla resistenza a veleni) per reazioni di ossidazione parziale e totale di idrocarburi leggeri, dry-reforming di gas naturale e metanazione; - caratterizzazione chimica e fisica delle superficie catalitiche di sistemi polverulenti e strutturati, studio del processo di invecchiamento/disattivazione di catalizzatori sottoposti a cicli termici e chimici; - Progettazione, messa a punto ed impiego di reattori di combustione a fluidodinamica controllata (CSTR, PFR) per la caratterizzazione di cinetiche di reazione; - testing di reazioni catalitiche di ossidazione di idrocarburi, idrogeno e monossido di carbonio in sistemi in flusso e elaborazione matematica e statistica dei risultati; - Utilizzo di codici di calcolo commerciali per lo studio fluidodinamico e cinetico di processi di combustione (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Le tematiche di ricerca si rivolgono a gran parte dei processi che coinvolgono gli alcani leggeri, sia per la produzione diretta di energia in processi innovativi o comunque alternativi a quelli tradizionali sia per la trasformazione in composti a più alto valore aggiunto. In particolare si rivolgono alla produzione di energia con più basso impatto ambientale sia conducendo il processo di combustione a temperature lontane dalla soglia di formazione di NOx sia utilizzando combustibili \"puliti\" quali ad esempio l'idrogeno evitando quindi l'emissione diretta di CO2 nell'ambiente. Lo sviluppo di sistemi catalitici per la produzione di H2 trova una diretta ricaduta nel settore delle celle a combustibile, nei processi per la produzione di gas di sintesi ed idrogeno nonché nello stadio preliminare di combustione ricca in turbine a gas. Analogamente lo studio del processo catalitico di ossidazione dell'idrogeno e di miscele CH4/H2 è di fondamentale importanza per l'utilizzo di questo combustibile nei sistemi di produzione di energia. I processi catalitici di dry-reforming e metanazione sono direttamente inseriti nel campo dell'utilizzo della CO2. (literal)
Tecnologie
  • Le competenze tecnico/scientifiche del gruppo interessato da questa commessa maturate nelle attività di carattere teorico/modellistica finora condotte si esplicano nelle seguenti attività: -) sviluppo di codici di calcolo CFD per la simulazione di processi di combustione turbolenta in condizioni stazionarie e dinamiche, basati sia sull'approccio RANS che sull'approccio più sofisticato LES; -) simulazione di esplosioni mediante l'implementazione di cinetiche dettagliate. -) identificazione dei pathways cinetici critici nelle condizioni di ossidazione MILD di idrocarburi gassosi attraverso la sistematica validazione dei risultati ottenuti per mezzo della simulazione numerica (con meccanismi dettagliati) con i risultati della attività sperimentale. Le competenze di carattere chimico-fisico si traducono invece nella ottimizzazione di formulazioni catalitiche che sono frutto dell'analisi parallela delle prestazioni catalitiche e delle proprietà chimico-fisiche condotta sui nuovi sistemi sintetizzati. (literal)
Obiettivi
  • L'obiettivo generale della commessa è quello di accrescere le conoscenze sulle tecnologie di conversione innovativa di idrocarburi leggeri proponendo nuovi processi e nuovi materiali (catalitizzatori, sorbenti etc.) che abbiano essenzialmente un minore impatto sull'ambiente rispetto a quelli attualmente applicati in risposta alla crescente richiesta di ridurre le emissioni nocive. Ognuna delle linee di attività perseguita riguarda la messa a punto di processi alternativi a quelli esistenti, già sviluppati e commercialmente impiegati, che mirano a produrre energia in maniera pulita o più pulita, oppure alla produzione di composti chimici a maggior valore aggiunto rispetto agli idrocarburi di partenza: syngas, idrogeno puro, olefine. Uno degli scopi principali della ricerca è il miglioramento significativo delle prestazioni dei processi indagati, ma anche la conoscenza scientifica alla base dei limiti intrinseci allo sviluppo commerciale o industriale. I mezzi attraverso i quali gli obiettivi saranno perseguiti sono quelli relativi alla ottimizzazione delle condizioni operative o dei materiali impiegati utilizzando processi differenti e linee di approccio alternative. (literal)
Stato dell'arte
  • Il contesto è quello del DIITET, in particolare il Progetto \"Generazione Distribuita di Energia\". L'attività è rivolta allo sviluppo di tecnologie innovative, rispetto a quelle più consolidate, di produzione di energia e/o composti ad alto valore aggiunto attraverso processi di ossidazione di idrocarburi sia gassosi che liquidi con un'alta efficienza e un basso impatto ambientale. L'attività di ricerca del gruppo di ricercatori interessato da questa commessa è tradizionalmente legata a processi di ossidazione catalitica, eterogenea o flameless; le competenze sviluppate sono distribuite in campi piuttosto ampi: -sviluppo di materiali (catalizzatori o sorbenti) con alta resistenza chimica e termica; -combustione catalitica di idrocarburi, mediante catalizzatori strutturati per l'ossidazione parziale e totale di metano e idrocarburi legger, dry-reforming di metano e metanazione; -upgrade e purificazione di correnti gasosse per ossidazione catalitica selettiva o reforming -impiego di metodi numerici avanzati per investigare i meccanismi di scambio di calore e materia in reattori catalitici in cui le trasformazioni chimiche avvengano sia in fase gas che sulla superficie di un sol (literal)
Tecniche di indagine
  • Le competenze tecnico/scientifiche del personale dedicato alla presente commessa permettono lo sviluppo delle seguenti metodologie supportate dall'impiego delle strumentazioni descritte in precedenza: -preparazione di catalizzatori o sorbenti con speciali caratteristiche legate all'impiego in specifici processi; -caratterizzazione delle proprietà chimiche e fisiche dei materiali e opportuna modulazione delle proprietà attraverso un'adeguata scelta della formulazione e del metodo di preparazione; -analisi cinetica dell'ossidazione di idrocarburi (in condizioni MILD o catalitiche) con identificazione dei parametri al variare delle condizioni operative; -sviluppo di codici di calcolo avanzato per la simulazione di profili di velocità, temperatura e concentrazione in reattori catalitici. (literal)
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