Idrogenazione dell'anidride carbonica a olefine leggere = Hydrogenation of carbon dioxide to light olefins

Nell’industria chimica, l’obiettivo principale è ridurre l’emissione di gas serra nell’atmosfera i quali sono responsabili del riscaldamento globale. Le fonti di anidride carbonica nella raffineria sono molteplici (es. rigenerazione di catalizzatori, gas esausti da fornaci, cracking catalitico…). Per risolvere questo problema, l'anidride carbonica è catturata e riutilizzata per produrre sostanza a valore maggiore come le olefine leggere (si è utilizzato un simulatore di processo per progettare l’impianto). Nella tesi si è progettato un processo per rimuovere l'anidride carbonica dal gas esausto; per farlo ci sono due possibilità: adsorbimento su zeoliti o assorbimento con ammine (MEA). L'anidride carbonica è idrogenata a metanolo in un reattore a letto fisso con un catalizzatore commerciale a base di rame (Cu/ZnO/Al2O3). Il metanolo, infine è vaporizzata sulla zeolite SAPO-34 per produrre olefine leggere (etilene, propilene); questo processo avviene in un reattore con fluidizzazione turbolenta accoppiato con un rigeneratore per la combustione del coke. Per la progettazione dell’impianto si deve utilizzare “idrogeno-verde”, per cui c’è un elettrolizzatore che lo produce dall’acqua. L’apparecchiatura è anche alimentata con energia rinnovabile per evitare l’emissione di gas serra (es. eolico, solare). Lo step di cattura della anidride carbonica è progettato per avere una corrente ad elevato grado di purezza. La sintesi del metanolo è progettata seguendo il lavoro svolto da Kiss et al.; si utilizza un reattore multi-tubolare contente le particelle (shell particles) di catalizzatore il tutto raffreddato con olio diatermico che scorre esternamente ai tubi e due colonne per rimuovere i prodotti secondari e reagenti residui. La produzione delle olefine (MtO – Methanol to Olefins) avviene basandosi sulle informazioni di due brevetti US 6266282 (per il reattore) e US 6673978 B2 (per il rigeneratore), questo per garantire la corretta composizione in uscita. Il reattore MtO è progettato con la conversione e la selettività reperita in letteratura perché i dati cinetici non sono disponibili. Lo step di separazione per il caso MtO è eseguito con colonne di distillazione ad alta pressione per ottenere correnti molto pure ed evitare temperature molto basse negli scambiatori di calore. La parte sperimentale si basa sul testare 5 catalizzatori per la sintesi del metanolo. I catalizzatori utilizzati sono: rame (catalizzatore tradizionale, ma solo la fase attiva senza il supporto di ZnO/Al2O3), ossido di indio (In2O3) e tre miscele dei due (In[x]Cu[100-x]O[y], x=10,50,90). L’ossido di indio è un catalizzatore innovativo che sfrutta le vacanze di ossigeno sulla superficie. Queste vacanze permettono di catturare l'anidride carbonica e l’attivano per la reazione d’idrogenazione. I catalizzatori sono sintetizzati per coprecipitazione come ossalati, poi calcinati per decomporli a ossidi. I catalizzatori sono testati in un reattore a letto fisso per valutarne le prestazioni (conversione, resa, selettività) e la deposizione di coke (valutata con TPC sul catalizzatore esausto). Le proprietà chimico-fisiche sono state studiate con: BET (superficie specifica e porosità), analisi cristallografica (XRD), analisi in temperatura programmata (riduzione e desorbimento di anidride carbonica), ICP (analisi della composizione dei metalli presenti).