Produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione catalitica di kerosene

L’H2 è attualmente un elemento di elevato interesse economico, con notevoli prospettive di sviluppo delle sue applicazioni. La sua produzione industriale supera attualmente i 55 ∙ 1010 m3/anno, avendo come maggiori utilizzatori (95% circa) i processi di produzione dell’ammoniaca e quelli di raffineria (in funzione delle sempre più stringenti normative ambientali). Inoltre, sono sempre più importanti le sue applicazioni come vettore energetico, in particolare nel settore dell’autotrazione, sia dirette (termochimiche) che indirette, come alimentazione delle fuel cells per la produzione di energia elettrica. L’importanza economica degli utilizzi dell’ H2 ha portato alla costruzione di una rete per la sua distribuzione di oltre 1050 km, che collega i siti di produzione ai principali utilizzatori (in Francia, Belgio, Olanda e Germania). Attualmente l’ H2 è prodotto in impianti di larga scala (circa 1000 m3/h) da combustibili fossili, in particolare metano, attraverso i processi di steam reforming ed ossidazione parziale catalitica, mentre su scala inferiore (circa 150 m3/h) trovano applicazione anche i processi di elettrolisi dell’acqua. Oltre a quella relativa allo sviluppo di processi per la produzione di H2 da fonti rinnovabili, una tematica grande interesse è quella relativa al suo stoccaggio, con una particolare attenzione ai sistemi destinati alle applicazioni nel settore automotivo o dei trasposti in generale. In questo lavoro di tesi, svolto nell’ambito del progetto europeo “Green Air” (7FP – Transport) in collaborazione (in particolare) con EADS (D), CNRS (F), Jonhson-Matthey (UK), EFCECO (D), CESA (E) e HyGEAR (NL), è stato affrontato uno studio preliminare della reazione di deidrogenazione di miscele di idrocarburi e di differenti kerosene per utilizzo aereonautico, finalizzato allo sviluppo di nuovi catalizzatori e dei relativi processi per la produzione di H2 “on board” utilizzando il kerosene avio per ottenere, utilizzando fuel cells, l’energia elettrica necessaria a far funzionare tutta la strumentazione ed i sistemi di comando di aeroplani della serie Airbus, con evidenti vantaggi dal punto di vista ponderale e delle emissioni.

Sviluppo di nuovi sistemi catalitici per la produzione di idrogeno "on-board" mediante deidrogenazione di idrocarburi

La ricerca è collocata nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport) che è finalizzato alla produzione di idrogeno a bordo di aerei mediante deidrogenazione catalitica di cherosene avio. La deidrogenazione di molecole organiche volta alla produzione di idrogeno è una reazione poco studiata; in letteratura sono presenti solo esempi di deidrogenazione di molecole singole, tipicamente a basso peso molecolare, per la produzione di olefine. Già per questi substrati la conduzione della reazione risulta molto complessa, quindi l’impiego di frazioni di combustibili reali rende ancora più problematica le gestione del processo. L’individuazione dei parametri operativi e della corretta formulazione del catalizzatore possono essere definiti accuratamente solo dopo un approfondito studio dei meccanismi di reazione e di disattivazione. Pertanto questo lavoro ha come obiettivo lo studio di questi meccanismi partendo da molecole modello per giungere poi a definire la reattività di miscele complesse. Le problematiche principali che si presentano nella conduzione di questa reazione sono la disattivazione da coke e da zolfo. Quindi è evidente che la comprensione dei meccanismi di reazione, di formazione dei depositi carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo è uno stadio fondamentale per delineare quali siano i requisiti necessari alla realizzazione del processo. Il fine ultimo della ricerca è quello di utilizzare le informazioni acquisite dallo studio dei meccanismi coinvolti per arrivare a formulare un catalizzatore capace di soddisfare i requisiti del progetto, sia in termini di produttività di idrogeno sia in termini di tempo di vita, unitamente alla definizione di accorgimenti utili al miglioramento della conduzione della reazione.

Deidrogenazione catalitica di cherosene per la produzione di H2 "on-board": studio della disattivazione dei catalizzatori

Questo lavoro di tesi è stato sviluppato nell’ambito del progetto europeo “GREEN AIR” (7FP – Transport), svolto in collaborazione con diversi enti europei, pubblici e privati. Si tratta di un programma finalizzato alla produzione di idrogeno “on – board” per deidrogenazione catalitica di cherosene avio, da alimentare ad un sistema di fuel cells per la produzione dell’energia elettrica necessaria al funzionamento della strumentazione e dei sistemi di comando degli aeroplani. In questo lavoro di tesi ci si è concentrati sullo studio dei meccanismi di reazione e disattivazione coinvolti nella reazione di deidrogenazione di carburanti. Sono stati studiati approfonditamente le caratteristiche peculiari della reazione di deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi, ponendo particolare attenzione ai meccanismi di disattivazione. Lo studio è stato affrontato, prima analizzando la disattivazione per formazione di depositi carboniosi, utilizzando catalizzatori classici per reazioni di deidrogenazione ed alimentando miscele di idrocarburi prive da zolfo, quindi la disattivazione data da quest'ultimo elemento proponendo una serie di catalizzatori a base di fosfuri. I primi studi si sono concentrati su sistemi Pt-Sn supportati su allumina, utilizzati industrialmente per la produzione di olefine leggere a partire da miscele semplici di alcani, il cui comportamento è noto, nella seconda parte sono stati presi in considerazione sistemi a base di CoP e Ni2P, originariamente progettati per la reazione di idrodesolforazione. In conclusione, è stato possibile individuare gli aspetti chiave relativi ai meccanismi di disattivazione dei sistemi catalitici tradizionalmente impiegati nella deidrogenazione. In particolare ha permesso di individuare interessanti possibilità per ridurre, attraverso la rigenerazione e la riduzione del fenomeno di disattivazione, l’impatto del costo del catalizzatore sul processo. Inoltre sono stati individuati sistemi alternativi per la produzione di idrogeno molto interessanti, mettendo in luce gli aspetti che necessitano di essere ancora approfonditi per ottimizzarne l’applicazione.

Proprietà morfologiche e strutturali di catalizzatori a base di Pt e Pd per la produzione di H2

In questo lavoro di tesi è stato affrontato uno studio mirato alla comprensione ed alla correlazione delle proprietà chimico-fisiche e morfologiche di catalizzatori a base di Pd/Pt supportati su allumina impiegati nella produzione di idrogeno mediante deidrogenazione di miscele complesse di idrocarburi contenenti elevati tenori di zolfo. La produzione di idrogeno mediante deidrogenazione parziale di fuel direttamente su aeromobili necessita di catalizzatori altamente performanti dei quali siano note tutte le caratteristiche in modo da prevedere, in un ampio margine di sicurezza, le possibili cause di malfunzionamento. L’applicabilità di materiali a base di Pd/Pt in questa reazione risiede nella loro capacità di resistere all’avvelenamento da zolfo, rivendicata in letteratura per reazioni di idrogenazione e della quale si sono trovate evidenze sperimentali in alcune prove preliminari svolte nello stesso ambito di ricerca. Le prove catalitiche hanno evidenziato che la deposizione su allumina dei due metalli in ragione di un rapporto molare Pd:Pt=2 con un carico di metalli complessivo del 2% in peso mostra i migliori risultati in termini di resistenza all’avvelenamento da zolfo e da deposizione di composti carboniosi.

Deidrogenazione catalitica di idrocarburi per la produzione di H2 "on-board"

Lo studio della deidrogenazione catalitica di idrocarburi affronta uno dei problemi principali per l'applicazione delle fuel cells in aeromobili. La conversione di miscele di idrocarburi in H2 può essere eseguita in loco, evitando le difficoltà di stoccaggio dell'idrogeno: l'H2 prodotto è privo di CO e CO2 e può essere alimentato direttamente alle celle a combustibile per dare energia ai sistemi ausiliari, mentre i prodotti deidrogenati, mantenendo le loro originali caratteristiche possono essere riutilizzati come carburante. In questo un lavoro è stato effettuato uno studio approfondito sulla deidrogenazione parziale (PDH) di diverse miscele di idrocarburi e carburante avio JetA1 desolforato utilizzando Pt-Sn/Al2O3, con l'obiettivo di mettere in luce i principali parametri (condizioni di reazione e composizione di catalizzatore) coinvolti nel processo di deidrogenazione. Inoltre, la PDH di miscele idrocarburiche e di Jet-A1 ha evidenziato che il problema principale in questa reazione è la disattivazione del catalizzatore, a causa della formazione di residui carboniosi e dell’avvelenamento da zolfo. Il meccanismo di disattivazione da residui carboniosi è stato studiato a fondo, essendo uno dei principali fattori che influenzano la vita del catalizzatore e di conseguenza l'applicabilità processo. Alimentando molecole modello separatamente, è stato possibile discriminare le classi di composti che sono coinvolti principalmente nella produzione di H2 o nell’avvelenamento del catalizzatore. Una riduzione parziale della velocità di disattivazione è stata ottenuta modulando l'acidità del catalizzatore al fine di ottimizzare le condizioni di reazione. I catalizzatori Pt-Sn modificati hanno mostrato ottimi risultati in termini di attività, ma soffrono di una disattivazione rapida in presenza di zolfo. Così, la sfida finale di questa ricerca era sviluppare un sistema catalitico in grado di lavorare in condizioni reali con carburante ad alto tenore di zolfo, in questo campo sono stati studiati due nuove classi di materiali: Ni e Co fosfuri supportati su SiO2 e catalizzatori Pd-Pt/Al2O3.

Complessi carbenici N-eterociclici di rutenio: catalizzatori omogenei in reazioni di idrogenazione e deidrogenazione

Il presente lavoro di tesi si inserisce in un progetto di ricerca volto alla sintesi di nuovi complessi di metalli di transizione per lo sviluppo di catalizzatori bifunzionali metallo-legante da impiegare in reazioni di catalisi omogenea, in particolare in reazioni redox quali idrogenazione e deidrogenazione attraverso il trasferimento di idrogeno. Il mio progetto ha riguardato la messa a punto della sintesi di complessi di Ru(0) che combinano leganti ciclopentadienonici e carbeni N-eterociclici e la sintesi dei corrispondenti complessi cationici per protonazione. Inoltre, è stato sintetizzato e caratterizzato un nuovo complesso cationico attraverso la metilazione del corrispettivo complesso neutro. I complessi sintetizzati sono stati utilizzati come precursori di catalizzatori nella riduzione tramite trasferimento di idrogeno del 4-fluoroacetofenone, valutandone l’attività catalitica in relazione a leganti, additivi e controioni. Allo scopo di delineare qualche ipotesi sul meccanismo di reazione sono stati effettuati diversi studi sulla reattività dei complessi impiegati in catalisi, in particolare usando la piridina come agente di “trapping”. Infine, è stato condotto uno studio preliminare dell’attività catalitica dei complessi sintetizzati nell’ossidazione di benzilalcol a benzaldeide. The present work is part of a research project that involves the study of new ruthenium-based transition metal complexes in order to develop new metal-ligand bifunctional catalysts to employ in homogeneous catalytic systems, in particular in redox reactions such as hydrogenation and dehydrogenation through hydrogen transfer. My project is focused on the optimization of the synthesis of Ru(0) complexes that combines different ligands as tetraphenylcyclopentadienone and N-heterocyclic carbenes and the synthesis of the corresponding cationic complexes by protonation. Furthermore, it is reported the synthesis and characterization of a new cationic complex obtained by methylation of the corresponding neutral complex. All the prepared complexes were employed as catalyst precursors in the transfer hydrogenation of 4-fluoroacetophenone and their performances were investigated in relation to the type of ligands, additives and counterions. The reactivity of these ruthenium complexes was also investigated with the aim of delineate some hypothesis on the reaction mechanism, in particular employing pyridine as a trapping agent. Finally, preliminary studies on the oxidation of benzyl alcohol have been carried out.

Investigation of kerosene combustion characteristics with pilot hydrogen in model supersonic combustors

Experimental investigations on the ignition and combustion stabilization of kerosene with pilot hydrogen in Mach 2.5 airflows were conducted using two test combustors, with cross sections of 30.5 x 30 and 51 x 70 mm, respectively. Various integrated modules, including the combinations of different pilot injection schemes and recessed cavity flameholders with different geometries, were designed and tested. The stagnation pressure of vitiated air varied within the range of 1.1-1.8 NiPa, while the stagnation temperature varied from 1500 to 1900 K. Specifically, effects of the pilot hydrogen injection scheme, cavity geometry, and combustor scaling on the minimally required pilot hydrogen equivalence ratio were systematically examined. Results indicated that the cavity depth and length had significant effects on the ignition and flameholding, whereas the slanted angle of the aft wall was relatively less important. Two cavities in tandem were shown to be a more effective flameholding mechanism than that with a single cavity. The minimally required pilot hydrogen equivalence ratio for kerosene ignition and stable combustion was found to be as low as 0.02. Furthermore, combustion efficiency of 80% was demonstrated to be achievable for kerosene with the simultaneous use of pilot hydrogen and a recessed cavity to promote the ignition and global burning.

An Experimental Study of Kerosene Combustion in a Supersonic Model Combustor Using Effervescent Atomization

Investigation of kerosene combustion in a Mach 2.5 flow was carried out using a model supersonic combustor with cross-section area of 51 mm × 70 mm and different integrated fuel injector/flameholder cavity modules. Experiments with pure liquid atomization and with effervescent atomization were characterized and compared. Direct photography, Schlieren imaging, and planar laser induced fluorescence (PLIF) imaging of OH radical were utilized to examine the cavity characteristics and spray structure. Schlieren images illustrate the effectiveness of gas barbotage in facilitating atomization and the importance of secondary atomization when kerosene sprays interacting with a supersonic crossflow. OH PLIF images further substantiate our previous finding that there exists a local high-temperature radical pool within the cavity flameholder, and this radical pool plays a crucial role in promoting kerosene combustion in a supersonic combustor. Under the same operation conditions, comparison of the measured static pressure distributions along the combustor also shows that effervescent atomization generally leads to better combustion performance than the use of pure liquid atomization. Furthermore, the present results demonstrate that the cavity characteristics can be different in non-reacting and reacting supersonic flows. As such, the conventional definition of cavity characteristics based on non-reacting flows needs to be revised.

Investigation of Vaporized Kerosene Injection and Combustion in a Supersonic Model Combustor

Injection and combustion of vaporized kerosene was experimentally investigated in a Mach 2.5 model combustor at various fuel temperatures and injection pressures. A unique kerosene heating and delivery system, which can prepare heated kerosene up to 820 K at a pressure of 5.5 MPa with negligible fuel coking, was developed. A three-species surrogate was employed to simulate the thermophysical properties of kerosene. The calculated thermophysical properties of surrogate provided insight into the fuel flow control in experiments. Kerosene jet structures at various preheat temperatures injecting into both quiescent environment and a Mach 2.5 crossflow were characterized. It was shown that the use ofvaporized kerosene injection holds the potential of enhancing fuel-air mixing and promoting overall burning. Supersonic combustion tests further confirmed the preceding conjecture by comparing the combustor performances of supercritical kerosene with those of liquid kerosene and effervescent atomization with hydrogen barbotage. Under the similar flow conditions and overall kerosene equivalence ratios, experimental results illustrated that the combustion efficiency of supercritical kerosene increased approximately 10-15% over that of liquid kerosene, which was comparable to that of effervescent atomization.

超临界煤油超声速燃烧特性实验 Experiments on Supersonic Combustion of Supercritical Kerosene

针对各种温度、压力下，马赫数2．5流场中超临界煤油的超声速燃烧性能进行了实验研究。研制并测试了一个新型二级煤油加热系统，该系统能够把0．8kg的煤油在5．5MPa压力下加热至至950K而不产生严重的结碳。超声速燃烧试验表明，在相同的来流和燃料当量比条件下，超临界煤油的燃烧效率比室温煤油提高10％～15％，与氢气泡雾化的燃烧效率相当。

Analysis of Thermophysical Properties of Daqing RP-3 Aviation Kerosene

针对广泛应用于超燃冲压发动机的吸热碳氢燃料,简要介绍了用于模拟燃料热物理特性的替代燃料方法和广义对应状态法则.以大庆RP-3航空煤油为例,选择了一个由49%（摩尔比）正十烷,44%1,3,5-三甲基环己烷以及7%正丙基苯组成的替代煤油用来模拟RP-3航空煤油进行热物理特性研究,并采用广义对应状态法则对替代煤油热力学和输运特性进行了数值研究.在此基础上,提出了预测超临界态流体通过音速喷管流量的新方法并得到了实验验证.

Combustion and Ignition of Thermally Cracked Kerosene in Supersonic Model Combustors

A series of experiments were conducted to characterize the self-ignition and combustion of thermally cracked kerosene in both a Mach 2.5 model combustor with a combustor entrance height of 51 mm and a Mach 3.0 model combustor with an entrance height of 70 mm. A unique kerosene heating and delivery system was developed, which can prepare heated kerosene up to 950 K at a pressure of 5.5 MPa with negligible fuel coking. The extent of China no. 3 kerosene conversion under supercritical conditions was measured using a specially designed system. The compositions of gaseous products as a result of thermal cracking were analyzed using gas chromatography. The mass flow rates of cracked kerosene were also calibrated and measured using sonic nozzles. With the injection of thermally cracked kerosene, the ability to achieve enhanced combustion performance was demonstrated under a variety of airflow and fuel conditions. Furthermore, self-ignition tests of cracked kerosene in a Mach 2.5 model combustor over a range of fuel injection conditions and with the help of different amounts of pilot hydrogen were conducted and discussed.

Effects of entry conditions on cracked kerosene-fueled supersonic combustor performance

Supersonic combustion of thermally cracked kerosene was experimentally investigated in two model supersonic combustors with different entry cross-section areas. Effects of entry static pressure, entry Mach number, combustor entry geometry, and injection scheme on combustor performance were systematically investigated and discussed based on the measured static pressure distribution and specific thrust increment due to combustion. In addition, the methodology for characterizing flow rate and composition of cracked kerosene was detailed. Using a pulsed Schlieren system, the interaction of supercritical and cracked kerosene jet plumes with a Mach 2.5 crossflow was also visualized at different injection temperatures. The present experimental results suggest that the use of a higher combustor entry Mach number as well as a larger combustor duct height would suppress the boundary layer separation near the combustor entrance and avoid the problem of inlet un- start.

Investigation of Vaporized Kerosene Injection in a Supersonic Model Combustor

Characteristics of vaporized aviation kerosene injection in a supersonic model combustor were preliminarily investigated. The electrically storage type heater has a volume capacity of heating kerosene of 0.8 kg up to 670 K at a pressure of 5.5 Mpa. The temperature to cause pressurized kerosene jet being fully vaporized in Quiescent atmosphere was found to be 550 K at 4 Mpa however the pressurized hot kerosene remains in liquid state within the tube. The correspondent jet spray in Mach 2.5 vitiated air cross-flow were visualized by using stop schlieren photograph.It was found the penetration depth of the hot pressurized kerosene jet is approximately same with the temperature varied from 290 K to 550 k. at pressure of 4 Mpa. This results showed that the atomization process of hot kerosene jet spray in supersonic combustor could be bypassed and directly transferred to be gas state at temperature 550 K and pressure of 4 Mpa.

Performance of a Supersonic Model Combustor using Vaporized Kerosene Injection

Characteristics of supersonic combustion by injecting kerosene vapor into a Mach 2.5 crossflow at various preheat temperatures and pressures were investigated experimentally. A two-stage heating system has been designed and tested, which can prepare heated kerosene of 0.8 kg up to 820 K at pressure of 5.5 Mpa with minimum/negligible fuel coking. In order to simulate the thermophysical properties of kerosene over a wide range of thermodynamic conditions, a three-component surrogate that matches the compound class of the parent fuel was employed. The flow rate of kerosene vapor was calibrated using a sonic nozzle. Computed flow rates using the surrogate fuel are in agreement with the experimental data. Kerosene jets at various preheat temperatures injecting into both quiescent environment and Mach 2.5 crossflow were visualized. It was found that at injection pressure of 4 Mpa and preheat temperature of 550 K the kerosene jet was completely in vapor phase, while keeping almost the same penetration depth as compared to the liquid kerosene injection. Supersonic combustion tests were also carried out to compare the combustor performance for the cases of vaporized kerosene injection, liquid kerosene injection, and effervescent atomization with hydrogen barbotage, under the similar stagnation conditions. Experimental results demonstrated that the use of vaporized kerosene injection leads to better combustor performance. Further parametric study on vaporized kerosene injection in a supersonic model combustor is needed to assess the combustion efficiency as well as to identify the controlling mechanism for the overall combustion enhancement.