Studio comparativo della reazione endotermica catalitica di dry reforming del metano, in rettore a letto fisso, con riscaldamento a microonde vs. parete

Highly endothermic reactions, characterized by highly positive values of Gibb's free energy of reaction determined by the stability of reactants, are very energy intensive processes due to the obstacle posed by thermodynamic features of the reacting system. Among these processes there's the reaction of methane reforming, where methane is converted into syngas (a mixture of H2 and CO) through a catalytic process operated at temperatures ranging from 800 to 1100°C. High temperature required for activation of the reaction are usually obtained in furnaces, through combustion of fossil fuels; this heating strategy exploit both conduction and convection for transferring heat to the catalyst. However, this imply the presence of unavoidable temperature gradients between the walls and the centre of the bed (which reduces the process efficiency), and the emission of harmful greenhouse gasses due to the combustion process. The aim of this thesis work is focused on investigating alternative heating strategies, exploiting irradiation through microwaves, in order to heat the catalyst and therefore activate the reaction. Microwaves were generated by a common household microwave oven, which was modified and characterized in previous thesis works. Microwave heating is nowadays a very diffuse technology in domestic contexts, and its advantages are well known by the scientific community; the same diffusion is not observed, however, in industrial contexts, due to various problems which has still to be solved, among which thermal control of the system is a primary obstacle. The experimental campaign performed, required to investigate the real efficiency of microwave heating, was divided in two main sections. Initially the problem of thermal control was addressed, by investigating features of three different solutions: an infrared pyrometer, an air thermometer and, finally, thermocouples. The last control strategy turned out to be more efficient, even if particular cautions were required to make it properly work, due to the presence of metallic components immersed in the electromagnetic field. Then, the second part of the work was focused on the evaluation of the system's performances, and on the comparison of these performances with those obtained with conventional heating systems. This work was used to determine the feasibility of microwave heating applied to endothermic chemical processes. Both heating strategies were then evaluated from the energy efficiency standpoint; the microwave heating system resulted less efficient if compared to the conventional heating system, but future optimizations may lead to better performances.

Le reazioni fortemente endotermiche, caratterizzate da valori fortemente positivi di energia libera di Gibbs di reazione, determinati dalla elevata stabilità dei reagenti, richiedono elevati dispendi energetici per poter avvenire, a causa dell'ostacolo posto dalla termodinamica. Tra questi processi si annovera la reazione di Reforming del metano, nella quale il reagente è convertito a Syngas (una miscela di varie proporzioni di H2 e CO), mediante un processo catalitico che si svolge a temperature di 800-1100°C. L'elevata temperatura richiesta per l'attivazione di questo processo è tipicamente ottenuta in fornaci dalla combustione di combustibili fossili; questa modalità di riscaldamento sfutta i fenomeni di conduzione e convezione per trasferire calore al letto catalitico. Ciò comporta, tuttavia, la formazione di inevitabili gradienti termici tra la parete ed il centro del letto catalitico (che riducono l'efficienza del processo), oltre che all'emissione di gas serra generati dalla combustione di carburanti fossili. Lo scopo del lavoro sviluppato in questa tesi è focalizzato sull'investigazione di metodi alternativi di riscaldamento, che sfruttano l'irraggiamento mediante microonde per riscaldare il letto catalitico e permettere quindi l'attivazione della reazione. Per raggiungere questo scopo, è stato modificato un forno a microonde domestico di fascia media. La tecnologia del riscaldamento a microonde è ampiamente diffusa nell'ambito domestico, ed i suoi molteplici vantaggi sono noti da tempo alla comunità scientifica; la stessa diffusione non è stata però raggiunta a livello industriale, a causa di problematiche non secondarie nell'implementazione di questa tecnologia, tra le quali assume un ruolo prominente il controllo termico del letto. La campagna sperimentale volta all'investigazione della reale efficacia del riscaldamento a microonde è consistita in due parti principali. Durante la prima fase, il problema del controllo termico è affrontato, investigando tre possibili soluzioni: l'utilizzo di pirometri ad infrarosso, di termometri ad aria, e di comuni termocoppie metalliche. L'ultima soluzione si è rivelata migliore, pur richiedendo alcune accortezze volte a preservare l'integrità della sonda immersa presente nella cavità del forno a microonde. Una volta definita la strategia di controllo termico, è stato possibile avviare la seconda fase della campagna sperimentale, inerente la valutazione delle performances del sistema a microonde, e alla comparazione dei risultati ottenuti con il metodo di riscaldamento in forno convenzionale. Questo ha permesso di determinare la validità del riscaldamento a microonde applicato a reazioni endotermiche, catalizzate da specifici sistemi catalitici. I due processi sono stati poi valutati dal punto di vista dell'efficienza energetica; il riscaldamento a microonde è risultato meno efficiente, ma la possibilità di ottimizzare il sistema potrebbe portare in futuro a migliori performance energetiche.