Simulazione di uno scambiatore di calore con FlexPDE
Questo lavoro è innanzitutto una dimostrazione di come sia possibile sostituire un’apparecchiatura reale mediante l’utilizzo di un modello basato sulle equazioni di trasporto. Un tool di questo tipo presenta il vantaggio di non rendere necessaria, almeno in una fase preliminare di ricerca, l’apparecchiatura fisica, con notevoli risparmi economici. Dopo aver quindi descritto dal punto di vista fluidodinamico e termico il sistema si sono andante a verificare le risposte modellistiche ottenute, confrontandole con i risultati forniti dalla teoria. Solo dopo questa fase di validazione è stato possibile utilizzarlo come strumento predittivo e sostitutivo di un’apparecchiatura reale. È stato poi affrontato un problema caratteristico dei fenomeni di trasporto: l’analisi del coefficiente di scambio termico, nella sezione anulare, in regime laminare. Partendo dall’equazione di Sieder-Tate, valida nella sezione circolare, si è giunti a sviluppare due modelli per il numero di Nusselt nella sezione anulare. Il primo, basato su due parametri (c e p), ha evidenziato che il numero di Nusselt oltre a dipendere dai parametri Re, Pr, D/L mostra una forte dipendenza da un altro fattore geometrico riconducibile al rapporto tra i diametri. Tuttavia in questo lavoro non è stato possibile ricavare un’espressione generalizzata, ma sono state gettate le basi per eventuali sviluppi futuri. Nel secondo modello proposto, di natura puramente empirica, si è sfruttata l’equazione di Sieder-Tate per poi giungere ad una nuova espressione del numero di Nusselt, che ben descrive l’andamento dei dati sperimentali. In questo caso, sulla base dei dati a disposizione, è stato possibile ottenere una relazione di valenza generica. In entrambi i casi sarebbe opportuno approfondire l’analisi del sistema in condizioni operative differenti, in particolare variando il rapporto tra i diametri dei condotti. In questo modo si potrebbe ampliare il campo di validità delle equazioni proposte giungendo ad espressioni generalizzate. [PDF Relazione]
PROJECTS
Sono state utilizzate equazioni di stato cubiche (EoS) e differenti regole di mixing per ottenere il miglior fitting di dati sperimentali di equilibrio liquido-vapore per il sistema anidride carbonica – acqua (CO2 – H2O). Particolare attenzione è stata posta sulla regola di mixing Panagiotopoulus – Reid andando a ricavare un’espressione generalizzata per i suoi parametri nell’intervallo 110-350°C in funzione della EoS di Peng – Robinson.
Cubic equations of state (EoS) have been adopted and different mixing rules have been used to obtain the best fitting of experimental data on vapor-liquid equilibrium (VLE) for carbon dioxide — water (CO2 – H2O). A special attention has been paid to the Panagiotopoulus — Reid mixing rule in order to determine a general relationship for the related parameters in the range 110-350°C to be used in the Peng-Robinson EoS.
Studio del sistema Anidride Carbonica- Acqua con differenti EoS cubiche e regole di mixing
Design of a plant for the production of formaldehyde in Aspen Plus
Design project 1st assignement
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Prepare a brief literature survey of alternative available processes.
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Carry out the preliminary process design: block flow diagram, process flow diagram, mass and energy balances based on information available in the literature.
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Evaluate the gross profit on the basis of the characteristic performance of the process.
Design project 2nd assignement
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Optimized design with the aid of the process simulator of the synthesis reactor of formaldehyde, of the distillation columns and of a heat exchanger. Preliminary design for all the other equipment.
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Detailed process flow diagram and final material and energy balances.
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Heat integration of the process and flow diagram of the heat integrated process.
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List of the equipment and of the utilities.
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Economic evaluation of the process and profitability analysis
The plant operates 330 days a year for 24 hours a day.
Large amounts of hydrogen are needed in the petroleum and chemical industries as a chemical building block, of which the largest application is for the processing (“upgrading”) of fossil fuels, and in the production of ammonia. Therefore, the demand for hydrogen will increase continuously and it is of great importance to reduce its production cost. At these days, the main technique to produce hydrogen from hydrocarbon fuels is steam reforming (SR), a catalytic endothermic process in which a hydrocarbon (e.g., methane) reacts with steam to produce hydrogen and carbon monoxide.
Due to its endothermicity, very high reaction temperature and heat flux towards the reaction system are required to achieve high methane conversion. The process intensification is of primary importance in order to further reduce the cost; so realizing the process by coupling the catalyst and reactor design has drawn more and more attention. In this direction, previous studies demonstrated that high thermal conductivity supports allow a flatter thermal profile along the catalytic bed, so resulting in a higher average temperature at the outlet section of the catalytic bed and consequently in higher hydrocarbon conversion. Furthermore the highly conductive supports assure also a more uniform radial temperature profile, thus resulting in an improvement in heat transfer revealing significantly lower hot spot temperatures.
Many studies focused the attention on the use of monolithic catalysts especially for endothermic reactions, more recently in the Wall Flow (WF) configuration. Structured supports allow also to reduce pressure drops and to overcome the heat transfer limitations, which are the main problems of the conventional packed beds. Moreover the WF configuration minimizes the mass transfer limitations in respect to the conventional flow-through (FT) monolith.
Silicon Carbide (SiC) monoliths (Pirelli Ecotechnology, 150 cpsi), were selected as support for the preparation of the structured catalysts. The preferred active species is Nickel, due to the good activity in reforming reactions. The Ni loaded SiC monolith was prepared by repeated impregnation phases in 1M nickel acetate solution (C4H6O4Ni-4H2O), drying at 120°C and calcination at 600°C, in order to obtain a 30%wt of active species load. This procedure allows realizing a uniform and homogeneous distribution of the nickel oxide on the monolith walls and inside the porosity.
The prepared monolithic catalysts were characterized by X-Ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Energy Dispersive Spectroscopy (EDAX).
The experimental MSR tests were performed on the catalytic monoliths in the FT and WF configurations, in the temperature range of 750-800°C and at different GHSV values, in a tubular lab scale reactor in isothermal conditions.
Monolithic catalysts for methane steam reforming intensification: experimental and numerical investigations
