In questo rapporto sono presentati e discussi i risultati delle prove di laboratorio su impianto pilota finalizzate alla valutazione della fattibilità del processo di shift del gas di sintesi con reattore catalitico a membrana (CMR). La sperimentazione, focalizzata sulla reazione di shift a bassa temperatura (200-280°C), aveva l’obiettivo di verificare che il CMR consente di ottenere una conversione della reazione maggiore rispetto a un reattore tradizionale e, possibilmente, anche rispetto al valore corrispondente all’equilibrio termodinamico. L’attività ha innanzitutto riguardato la selezione e la definizione delle caratteristiche funzionali della membrana e del catalizzatore da utilizzare nel reattore, e il relativo dimensionamento. In questa ottica è stata sintetizzata e caratterizzata a permeazione una membrana composita asimmetrica costituita da uno strato di palladio (23-24%) -argento (76-77%) depositato elettrochimicamente su un substrato ceramico di -allumina a porosità controllata. Lo strato depositato (internamente al supporto tubolare) presenta uno spessore di 13-15 m. Per quanto riguarda il catalizzatore la scelta è caduta sul C-18-AMT prodotto da Sud Chemie, già impiegato nelle prove di shift con reattore convenzionale (milestone 7.2.1.2). Il suddetto catalizzatore, a base di Cu/Zn, opera nell’intervallo di temperatura compresa tra 200-280°C e per pressioni fino a 40 bar. L’attività ha quindi riguardato il progetto, la costruzione e il collaudo dell’impianto pilota in cui inserire il reattore a membrana, progettato e costruito al CESI (milestone 7.2.3.5). In particolare in sede di collaudo si è verificato che la soluzione costruttiva utilizzata per il reattore a membrana (tenuta radiale tra reattore metallico e modulo ceramico mediante l’impiego di guarnizioni in grafite e impermeabilizzazione degli estremi della membrana con resina epossidica), consente di minimizzare le fughe dei gas di processo attraverso le tenute e mantenerle a valori accettabili rispetto agli obiettivi della sperimentazione. L’attività sperimentale sull’impianto pilota ha infine confermato la fattibilità del processo di shift a bassa temperatura con CMR in quanto sono state ottenute conversioni superiori ai valori corrispondenti all’equilibrio termodinamico (e quindi, a maggior ragione rispetto ad un reattore tradizionale).

La differenza tra dati sperimentali e valori all’equilibrio, come atteso, diventa più marcata all’aumentare della temperatura e della differenza di pressione a cavallo della membrana (driving force del processo di separazione). L’idrogeno separato, nonostante l’inquinamento di CO 2 dovuto alle perdite attraverso le tenute, presenta una purezza che varia dal 94 al 97.5% ed è pertanto potenzialmente utilizzabile come combustibile. Il fattore di recupero dell’idrogeno (percentuale d’idrogeno separato) è risultata invece abbastanza basso (al massimo 37%) rispetto a quanto previsto in sede progettuale (80%); questo fatto è stato, con ogni probabilità, determinato da un imperfetto condizionamento della membrana in temperatura. Tale osservazione è contingente in quanto legata alle prestazioni dello specifico esemplare di membrana impiegata e quindi non pregiudica l’esito positivo della verifica di fattibilità del CMR. In sintesi la sperimentazione, oltre ad aver confermato la fattibilità del processo di shift a bassa temperatura con CMR, ha consentito di evidenziare le criticità legate allo sviluppo della tecnologia CMR per un suo potenziale utilizzo anche nei processi di shift ad elevata temperatura e reforming del metano e, conseguentemente, di definire le relative priorità di ricerca legate, in particolare, alle seguenti tematiche : null Ottimizzazione della procedura di preparazione delle membrane su supporto ceramico null Sintesi di membrane in lega di palladio su supporto metallico (es acciaio inossidabile sinterizzato) null Sviluppo di giunzioni metallo-ceramiche che assicurino una perfetta tenuta dell’accoppiamento reattore membrana null valutazione in prove di lungo termine della stabilità delle caratteristiche meccaniche e separative delle membrane.