Scope of this work is to examine design issues concerning the reforming of the hydrocarbons in compact systems, which can be used for hydrogen generation onboard vehicles. Several models have been developed in order to build a comprehensive fluid dynamics tool to simulate physical and chemical phenomena that affect reforming process. Models have been extensively validated on results from scientific literature and "Direct" project, a research program funded by the European Union which concern Diesel fuel reforming. The models were then used successfully in the design of two reactors, the first called "Prometer", the other "Syngas UTV", which are capable of operating Catalytic Partial Oxidation (CPOx) of liquid fuels and gaseous fuels respectively. The two multifuel systems have been tested with Diesel fuel and methane. In particular, the choice of run "Prometer" reactor with Diesel fuel is due to the fact that gasoil CPOx is particularly difficult due to soot formation, which often involves fast and irreversible shutdown of the reactor. For this reason, the development of stable and long-life CPOx reactors for Diesel fuel is still an objective for scientific community. The experimental result were successful, even for Diesel reforming, since no soot formation was observed during experiments. To this goal, fuel vaporization and mixing were found to have a key role.

Nel presente lavoro sono state approfondite le tematiche relative alla riformulazione degli idrocarburi in sistemi compatti, applicabili a bordo di autoveicoli, in particolar modo quelle inerenti la progettazione. Sono stati sviluppati numerosi modelli di calcolo al fine di approntare uno strumento di fluidodinamica computazionale in grado di simulare i fenomeni che caratterizzano le diverse fasi del processo, e guidare la progettazione di detti sistemi. I modelli predisposti, prima di essere impiegati per la progettazione, sono stati ampiamente validati sulla base dei risultati sperimentali a disposizione: per quanto al reforming del gasolio si è fatto riferimento ad un reattore sviluppato nell’ambito di un progetto finanziato dall’Unione Europea denominato “Direct”, cui hanno partecipato enti di ricerca pubblici e privati ed aziende, per quanto al reforming del metano si è fatto riferimento alla letteratura scientifica. I modelli sono stati poi impiegati con successo nella progettazione di due reattori, il primo denominato “Prometer” è in grado di operare la riformulazione di combustibili liquidi, l’altro denominato “Syngas UTV” di quelli gassosi. I due sistemi sono stati concepiti in maniera da essere in grado di gestire combustibili diversi (sistemi multifuel), la sperimentazione in laboratorio si è però focalizzata sull’utilizzo di gasolio e metano. In particolare la scelta di sperimentare il reattore “Prometer” sul gasolio è dovuta al fatto che questi presenta caratteristiche che ne rendono particolarmente difficile la riformulazione senza incappare nella formazione di particolato, cui segue l’interruzione irreversibile del funzionamento del reattore. Per questo motivo lo sviluppo di sistemi stabili ed in grado di garantire durate di funzionamento adeguate, per l’ossidazione parziale del gasolio finalizzata alla produzione di idrogeno, rappresenta ancora un obiettivo per il mondo scientifico. I risultati della sperimentazione sono stati estremamente soddisfacenti, anche per la riformulazione del gasolio, sebbene in un unico ciclo di dottorato non sia stato possibile approfondire ulteriormente la sperimentazione, per l’ingente impegno di tempo che lo sviluppo dei sistemi ha richiesto. La prosecuzione delle attività di ricerca intraprese ha eccellenti possibilità di concludere favorevolmente verso la possibilità di giungere allo sviluppo di sistemi stabili ed in grado di operare senza produzione di particolato, che non è stata riscontrata nelle prime prove effettuate sul reattore. Per scongiurare tale evenienza si ritiene, sia sulla base delle evidenze sperimentali che dalle simulazioni effettuate, che le fasi di vaporizzazione e miscelazione abbiano un ruolo fondamentale.

De Simone, G. (2009). Analisi teorica, progettazione e sperimentazione di sistemi per la produzione di idrogeno da idrocarburi.

Analisi teorica, progettazione e sperimentazione di sistemi per la produzione di idrogeno da idrocarburi

DE SIMONE, GIULIO
2009-09-03

Abstract

Scope of this work is to examine design issues concerning the reforming of the hydrocarbons in compact systems, which can be used for hydrogen generation onboard vehicles. Several models have been developed in order to build a comprehensive fluid dynamics tool to simulate physical and chemical phenomena that affect reforming process. Models have been extensively validated on results from scientific literature and "Direct" project, a research program funded by the European Union which concern Diesel fuel reforming. The models were then used successfully in the design of two reactors, the first called "Prometer", the other "Syngas UTV", which are capable of operating Catalytic Partial Oxidation (CPOx) of liquid fuels and gaseous fuels respectively. The two multifuel systems have been tested with Diesel fuel and methane. In particular, the choice of run "Prometer" reactor with Diesel fuel is due to the fact that gasoil CPOx is particularly difficult due to soot formation, which often involves fast and irreversible shutdown of the reactor. For this reason, the development of stable and long-life CPOx reactors for Diesel fuel is still an objective for scientific community. The experimental result were successful, even for Diesel reforming, since no soot formation was observed during experiments. To this goal, fuel vaporization and mixing were found to have a key role.
3-set-2009
A.A. 2008/2009
Ingegneria dell'energia-ambiente
21.
Nel presente lavoro sono state approfondite le tematiche relative alla riformulazione degli idrocarburi in sistemi compatti, applicabili a bordo di autoveicoli, in particolar modo quelle inerenti la progettazione. Sono stati sviluppati numerosi modelli di calcolo al fine di approntare uno strumento di fluidodinamica computazionale in grado di simulare i fenomeni che caratterizzano le diverse fasi del processo, e guidare la progettazione di detti sistemi. I modelli predisposti, prima di essere impiegati per la progettazione, sono stati ampiamente validati sulla base dei risultati sperimentali a disposizione: per quanto al reforming del gasolio si è fatto riferimento ad un reattore sviluppato nell’ambito di un progetto finanziato dall’Unione Europea denominato “Direct”, cui hanno partecipato enti di ricerca pubblici e privati ed aziende, per quanto al reforming del metano si è fatto riferimento alla letteratura scientifica. I modelli sono stati poi impiegati con successo nella progettazione di due reattori, il primo denominato “Prometer” è in grado di operare la riformulazione di combustibili liquidi, l’altro denominato “Syngas UTV” di quelli gassosi. I due sistemi sono stati concepiti in maniera da essere in grado di gestire combustibili diversi (sistemi multifuel), la sperimentazione in laboratorio si è però focalizzata sull’utilizzo di gasolio e metano. In particolare la scelta di sperimentare il reattore “Prometer” sul gasolio è dovuta al fatto che questi presenta caratteristiche che ne rendono particolarmente difficile la riformulazione senza incappare nella formazione di particolato, cui segue l’interruzione irreversibile del funzionamento del reattore. Per questo motivo lo sviluppo di sistemi stabili ed in grado di garantire durate di funzionamento adeguate, per l’ossidazione parziale del gasolio finalizzata alla produzione di idrogeno, rappresenta ancora un obiettivo per il mondo scientifico. I risultati della sperimentazione sono stati estremamente soddisfacenti, anche per la riformulazione del gasolio, sebbene in un unico ciclo di dottorato non sia stato possibile approfondire ulteriormente la sperimentazione, per l’ingente impegno di tempo che lo sviluppo dei sistemi ha richiesto. La prosecuzione delle attività di ricerca intraprese ha eccellenti possibilità di concludere favorevolmente verso la possibilità di giungere allo sviluppo di sistemi stabili ed in grado di operare senza produzione di particolato, che non è stata riscontrata nelle prime prove effettuate sul reattore. Per scongiurare tale evenienza si ritiene, sia sulla base delle evidenze sperimentali che dalle simulazioni effettuate, che le fasi di vaporizzazione e miscelazione abbiano un ruolo fondamentale.
diesel; combustion; methane; catalytic; oxidation; fluid dynamics; CFD; CPOx; soot
Settore ING-IND/08 - MACCHINE A FLUIDO
Italian
Tesi di dottorato
De Simone, G. (2009). Analisi teorica, progettazione e sperimentazione di sistemi per la produzione di idrogeno da idrocarburi.
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