Simulations of structured reactors for circular economy applications
Authors: Συρίγου Μαρία 
Published: December 2022

Η ανάπτυξη εναλλακτικών τεχνολογιών καθώς και η τροποποίηση των υπαρχόντων βιομηχανικών διεργασιών συνιστούν την απαραίτητη οδό προς ένα πράσινο και βιώσιμο μέλλον. Σε αυτό το πλαίσιο, οι αντιδραστήρες που επιλέγονται για να πραγματοποιηθούν οι διεργασίες είναι ίσως τα πιο κρίσιμα στοιχεία που ορίζουν την απόκριση τους. Στην παρούσα μελέτη, εξετάζονται δομημένοι αντιδραστήρες που περιλαμβάνονται σε τρεις διεργασίες κυκλικής οικονομίας: στην ηλιοθερμοχημική διάσπαση του νερού ή/και του διοξειδίου του άνθρακα, στην ηλιακή διάσπαση του ανθρακικού ασβεστίου και την παραγωγή μεθανόλης/διμεθυλαιθέρα. Οι δυο πρώτες διεργασίες ανήκουν στην οικογένεια των τεχνολογιών Συγκεντρωμένης Ηλιακής Ακτινοβολίας (ΣΗΑ), ενώ η τελευταία αντικατοπτρίζει την παραγωγή υδρογονανθράκων μέσω Fischer-Tropsch διαδικασιών. Οι ΣΗΑ τεχνολογίες συλλέγουν και αξιοποιούν την ενέργεια του ήλιου για την πραγματοποίηση διεργασιών υψηλής ενθαλπίας με μηδενικό αποτύπωμα άνθρακα. Καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών που περιλαμβάνει, χωρίς όμως να περιορίζεται εκεί, την παραγωγή ηλιακών καυσίμων, την κατεργασία υλικών και την παραγωγή χρήσιμων χημικών προϊόντων. Εκτός από αυτό, τα προϊόντα των εν λόγω διεργασιών δύναται να χρησιμοποιηθούν περαιτέρω, ως πρώτες ύλες σε ευρέως διαδεδομένες πετροχημικές τεχνολογίες. Με αυτόν τον τρόπο παράγονται δευτερογενείς ηλιακοί ενεργειακοί φορείς.Όσον αφορά την ηλιοθερμοχημική διάσπαση, τα δεδομένα που προκύπτουν από την κινητική ανάλυση τροφοδοτούν το μαθηματικό μοντέλο του αντιδραστήρα στην κλίμακα ενός μονολιθικού καναλιού. Εν συνεχεία, σχεδιάζεται το ενεργειακό μοντέλο ολόκληρου του αντιδραστήρα, παίρνοντας υπόψη την αλληλεπίδραση του τελευταίου με την κοιλότητα μέσα στην οποία είναι τοποθετημένος, υπό σταθερές αλλά και δυναμικές συνθήκες. Έπειτα, παρουσιάζεται ένα γενικευμένο υπολογιστικό εργαλείο για το χαρακτηρισμό της συνολικής απόδοσης της διεργασίας, ενώ επίσης προσδιορίζεται η επίδραση των κρίσιμων παραμέτρων. Η γνώση που έχει αποκτηθεί χρησιμοποιείται για το σχεδιασμό ενός καινοφανούς αντιδραστήρα ο οποίος βελτιώνει σημαντικά, σε συνδυασμό με μια αυστηρή στρατηγική ελέγχου, το επίπεδο της τεχνολογίας.Όσον αφορά την ηλιακή ασβεστοποίηση, στόχος της μελέτης είναι να καθοριστεί το λειτουργικό πλαίσιο ενός οριζόντιου κοχλιωτού αντιδραστήρα. Το πρωτότυπο ακτινοβολείται με αποτέλεσμα να αυξάνει σταδιακά τη θερμοκρασία του, ενώ άζωτο διαρρέει συνεχώς τον αγωγό για να κρατάει όσο το δυνατόν χαμηλότερα τη μερική πίεση του παραγόμενου διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Το εύρος της ογκομετρικής παροχής του αδρανούς αερίου καθορίζεται έτσι ώστε να μην επηρεάζεται η θερμοκρασία λειτουργίας και να απομακρύνεται επαρκώς το παραγόμενο CO2. Αυτές οι δύο παράμετροι είναι οι κινητήριες δυνάμεις της διεργασίας εφόσον ευνοούν τη μετατροπή του CaCO3. Στη συνέχεια, από την ανάλυση του χρόνου παραμονής των σωματιδίων προκύπτει η επίδραση των λειτουργικών παραμέτρων στα χαρακτηριστικά ανάμιξης της ροής. Τέλος, η χρήση ηλεκτρομαγνήτη αποδεικνύεται μια υποσχόμενη επιλογή για την αύξηση της ομοιογένειας του κλάσματος όγκου των στερεών σωματιδίων μέσα στον ασβεστοποιητή.Το ηλιακό υδρογόνο της ηλιοθερμοχημικής διάσπασης του νερού μαζί με το CO2 που έχει δεσμευτεί κατά τη διάρκεια της ηλιακής ασβεστοποίησης, τροφοδοτούν δομημένους μονολιθικούς αντιδραστήρες προς παραγωγή μεθανόλης και διμαιθυλαιθέρα. Ως εκ τούτου, επιτυγχάνεται η σύζευξη όλων των τεχνολογιών που εξετάζει η διατριβή. Διεξάγονται κατάλληλες κινητικές εκφράσεις που περιγράφουν επαρκώς της καμπύλες των προϊόντων κάτω από διάφορα σενάρια λειτουργίας, οι οποίες κατευθύνουν τις επακόλουθες παραμετρικές αναλύσεις για τον προσδιορισμό της επίδρασης των κρίσιμων παραμέτρων στην παραγωγικότητα. Από τα αποτελέσματα προκύπτουν και τα χαρακτηριστικά των αντιδραστήρων και των δύο διεργασιών. Ακόμη, για την απευθείας παραγωγή του DME, παρομοιώνεται η συνολική διεργασία και διερευνάται το σενάριο της ανακύκλωσης στην απόκριση του συστήματος.Τα διάφορα συμπεράσματα, συνοψίζονται και σχολιάζονται στο τελευταίο τμήμα της εργασίας. Σαν γενική παρατήρηση, οι αντιδραστήρες δεν πρέπει να αντιμετωπίζονται απλώς σαν το μέσο για τη μετατροπή του εισερχόμενου ρεύματος στα επιθυμητά προϊόντα. Η υλική κατασκευή (γεωμετρία, σχέδιο) και το λογισμικό τους (πρωτόκολλο λειτουργίας) ελέγχουν την παραγωγικότητα, το κόστος, τη χωρητικότητα και την απόδοση των διεργασιών. Για αυτόν το λόγο, πολύ-λειτουργικοί αντιδραστήρες οι οποίοι είναι ικανοί να πραγματοποιούν πολλαπλά καθήκοντα, π.χ. ανάκτηση θερμότητας ή μεταφορά σωματιδίων, είναι ο πυρήνας για την κατασκευή καινοτόμων μονάδων υψηλής απόδοσης.