Reactors for two steps catalytic direct biogas methanation: coupling energy efficiency and productivity

To produce biomethane starting from biogas a purification is needed to separate CH4 from the other species, like CO2. The result is the production of highly pure biomethane that can be introduced directly in the natural gas line or used as fuel. In this work, the Sabatier reaction is exploited to effectively perform the biogas upgrading. Consequently, CO2 will be converted directly into CH4, resulting in the production of biomethane without the need of any separation. The reaction is highly exothermic and it is limited by thermodynamic equilibrium (favored by high pressure and low temperatures). The project underlying this study involves a two-stage methanation process, constituted by two fixed-bed reactors with Ni-based catalyst. The objective of this work is to study the performances of the first-stage reactor in pseudo-adiabatic configurations using a pellet-type catalyst instead of the more commonly used laboratory-scale powder catalyst. The powder of the new pellets-type catalyst (J.M. CP1518) was compared with the powder catalyst already used in previous works (Clariant EX11921) and results to have almost the same activity. Then a new reactor was set up containing the catalyst in pellets and with pre-heating, as a method for providing heat, to make the set-up as similar as possible to what would be achieved in a real plant. A thermal analysis was conducted with an inert flux in order to understand the thermal characteristics of the reactor quantifying the heat fluxes involved. The results show rather significant axial temperature gradients, due to heat dispersion, especially at low flow rates, however, the thermal power transferred to the process fluid was always greater than the dispersed one. The pre-heating system was studied in depth, both experimentally and through a numerical simulation which allowed to understand its effectiveness. Then, several reactive tests has been conducted to find the optimal operating conditions, using mainly two different reactor set-ups. In particular, for each test performed it was possible to notice the development of very high temperatures, of around 400-500°C, in the catalytic bed due to the exothermic reaction. Despite the high temperatures reached and the thick insulation of the reactor, it was difficult to find the autothermal conditions. In the pseudo-adiabatic configurations, the best performances from the thermal point of view and therefore also from the point of view of the output composition, were found for the tests conducted with low WHSVs. Indeed, with the WHSV of 4 ml mg−1 h−1, the reactor was found to be autothermal and, at steady state, the output dry composition obtained consists of 66% CH4, 27% H2, 7% CO2 and 0.2% of CO.

Per produrre biometano partendo dal biogas è necessaria la separazione del CH4 dagli altri componenti, tra cui la CO2. Il biometano poi può essere immesso direttamente nella rete del gas naturale oppure utilizzato come carburante. Nel seguente lavoro, la reazione di Sabatier viene sfruttata per condurre in modo efficace l’upgrading del biogas. Pertanto, la CO2 verrà convertita direttamente in CH4, producendo biometano senza la necessita di alcuna separazione. La reazione di metanazione è altamente esotermica ed è limitata dall’equilibrio termodinamico (è favorita dall’alta pressione e dalle basse temperature). Il progetto alla base di questo studio, prevede un processo di metanazione a due stadi costituito da due reattori a letto fisso con catalizzatore a base di Ni. L’obiettivo di questa tesi è lo studio delle prestazioni del reattore del primo stadio, in configurazioni pseudo-adiabatiche utilizzando un catalizzatore in pellet invece della forma in polvere, che è più comune su scala di laboratorio. La polvere del nuovo catalizzatore in pellet (J.M. CP1518) è stata confrontata con quella già utilizzata in lavori precedenti (Clariant EX11921), le attività dei catalizzatori sono risultate comparabili. Quindi, è stato allestito un reattore , inserendo il catalizzatore in pellet e utilizzando un pre-riscaldamento come metodo per fornire calore. È poi stata condotta un’analisi termica con un flusso inerte al fine di comprendere le caratteristiche termiche del reattore, quantificandone i flussi di calore coinvolti. I risultati mostrano gradienti di temperatura assiale piuttosto significativi, soprattutto alle basse portate, dovuti alla dispersione del calore. Ciononostante, la potenza termica trasferita al fluido di processo è sempre superiore rispetto quella dispersa. Il sistema di pre-riscaldamento è poi stato studiato nel dettaglio, sia sperimentalmente che attraverso simulazioni numeriche. Successivamente, sono stati condotti numerosi test con reazione, svolti principalmente su due diverse configurazioni del reattore, al fine di trovare le condizioni di processo ottimali. In particolare, su ciascun test effettuato è stato possibile notare lo sviluppo di alte temperature, circa 400-500°C, nel letto catalitico, a causa della forte esotermicità della reazione. Nonostante le alte temperature raggiunte e lo spesso isolamento del reattore, è stato difficile trovare le condizioni di autotermia. Per le configurazioni testate, le migliori prestazioni, sia dal punto di vista termico che della composizione in uscita, sono state riscontrate nelle prove con basse WHSV. Infatti, con la WHSV di 4 ml mg−1 h−1, il reattore è risultato essere autotermico. A questa portata la miscela secca in uscita, allo stato stazionario, è costituita dal 66% CH4, 27% H2, 7% CO2 e 0,2% CO.