Design di reattori per conversione orto-para di idrogeno tramite fluidodinamica computazionale = Design of Reactors for Ortho-Para Hydrogen Conversion Using Computational Fluid Dynamics

L’idrogeno riveste un’importanza fondamentale nell’industria chimica odierna, con applicazioni che spaziano dalla sintesi di importanti composti chimici come l’ammoniaca e il metanolo al trattamento del greggio. Negli ultimi tempi ha acquisito grande popolarità principalmente grazie alla possibilità di impiegarlo come vettore energetico, ovvero come mezzo di stoccaggio di energia prodotta da altre fonti rinnovabili che però sono intermittenti. La crescente domanda globale di idrogeno rende essenziale lo sviluppo di tecnologie efficienti per la sua produzione, per lo stoccaggio e per il trasporto. Lo stoccaggio sul lungo periodo rappresenta una sfida ingegneristica di non facile soluzione perché, oltre all’utilizzo di materiali e tecniche peculiari, è necessario tenere in considerazione la possibilità che ci siano delle perdite sostanziali e rilascio di calore dovuti a una reazione di conversione degli isomeri di spin dell’idrogeno. L’idrogeno infatti è costituito da due isomeri di spin, l’orto-idrogeno, caratterizzato da spin nucleari paralleli, e il para-idrogeno, con spin nucleari antiparalleli. Se a temperatura ambiente la composizione del normal-idrogeno vede un’abbondanza relativa di gran lunga maggiore dell’orto-idrogeno, a temperature vicino a quella di liquefazione il componente termodinamicamente favorito è il para-idrogeno. Avviene dunque una lenta conversione dell’uno nell’altro isomero, accompagnata da un rilascio di calore e conseguente evaporazione di parte dell’idrogeno liquefatto. Per evitare questo fenomeno di riscaldamento e successivo boil-off si fa in modo che la reazione OPC (Ortho – Para Conversion) avvenga velocemente durante il processo di liquefazione grazie all’utilizzo di un catalizzatore. La configurazione reattoristica adoperata è quella del letto impaccato, in cui il catalizzatore in forma di pellet viene attraversato da una corrente continua di idrogeno. Il presente lavoro si concentra sulla modellazione di un reattore catalitico a letto impaccato per la conversione degli isomeri di spin dell’idrogeno attraverso l’uso della Computational Fluid Dynamics (CFD). L’obiettivo principale è studiare gli effetti del trasporto di calore e di materia che avvengono con la reazione di conversione, un aspetto cruciale per ottimizzare l'efficienza e la sicurezza nei processi di liquefazione e stoccaggio dell'idrogeno. Il punto di partenza è la creazione di un modello per il catalizzatore, ottenuto a partire da una ricostruzione geometrica dei pellet utilizzati in azienda, realizzata tramite l’utilizzo di software per la modellazione 3D come ImageJ e Blender. Le simulazioni fluidodinamiche vengono eseguite con il software open-source OpenFOAM, il quale offre la flessibilità di personalizzare i solver per problemi specifici, come nel caso in esame, in cui è stato costruito un nuovo solver che risolve simultaneamente il trasporto di una specie reattiva (l’orto-idrogeno) e il trasporto di temperatura, contemplando una reazione con cinetica del primo ordine dipendente dalla temperatura secondo una legge di tipo Arrhenius. Con il modello CFD sviluppato e’ possibile testare diverse configurazioni impiantistiche al variare del tipo di catalizzatore utilizzato, sia dal punto di vista della morfologia dei pellet, sia della loro attivita’ catalitica, ed ottenere il risultato del relativo bilancio tra il grado di conversione della reazione esotermica e il trasporto di calore nell’impianto.