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Modello matematico bidimensionale di uno steam reformer e di un combustore catalitico

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Modello matematico bidimensionale di uno steam reformer e di un combustore catalitico

Nell’ambito del progetto GENDIS, facente parte della Ricerca di Sistema, area tematica Evoluzione del Sistema Elettrico, è prevista la progettazione e la realizzazione di un impianto sperimentale ibrido che accoppia una cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell) di nuova concezione con una microturbina a gas. L’attività di modellistica descritta in questo rapporto si inquadra in questo progetto poiché si è ritenuto importante supportare la fase di progettazione del sistema di controllo e supervisione con lo sviluppo di un modello matematico dinamico in grado di simulare il comportamento del processo nelle varie condizioni di esercizio. Il ruolo di questo simulatore, dato che si tratta di un impianto sperimentale complesso con forte contenuto innovativo, risulta fondamentale per definire le funzioni di controllo e di protezione, nonché le procedure di esercizio. Il modello matematico contenuto in questo simulatore è in grado di trattare l’insieme dei sistemi che lo compongono (trattamento del combustibile, lo stack MCFC con il relativo steam-reformer, il sistema di alimentazione dell’aria con la relativa microturbina, il sistema di produzione del vapore) per studiare transitori di normale esercizio, quindi si ritiene risulti adeguato a soddisfare gli scopi suddetti. Per analizzare alcuni componenti critici, come lo stack, lo steam-reformer e il bruciatore catalitico, durante transitori di carattere incidentale, ovvero provocati da disturbi di grande ampiezza sul sistema, i modelli del simulatore di cui sopra possono non essere sempre adeguati e quindi fornire risultati non proprio attendibili. Per questo motivo si è pensato di sviluppare un modello più raffinato di due di questi componenti, ovvero lo steam reformer e il bruciatore catalitico, da integrare nel simulatore. Nel presente rapporto viene descritto il modello matematico di un reattore in cui si sviluppano reazioni chimiche fra i diversi componenti gassosi attraverso l’uso di un opportuno catalizzatore. In particolare si è esaminato il reattore per la produzione di idrogeno da metano costituito da uno steam-reformer e dal relativo combustore catalitico. Il modello si basa sulla rappresentazione di un generico canale catalitico in cui vengono descritti i fenomeni di trasporto, accumulo e diffusione di energia e massa delle varie specie chimiche lungo la direzione principale del moto e nella direzione trasversale nel mezzo poroso (catalizzatore) ove si descrivono le reazioni chimiche con le relative cinetiche. A differenza dei modelli presenti in letteratura nei lavori di Jianguo Xu e Gilbert F. Froment nel 1989 e di H. Oh e James Cavendish nel 1982, dove le reazioni chimiche nel catalizzatore sono considerate globalmente con opportuni coefficienti di efficienza e considerando un unico volume di controllo del mezzo poroso, questo modello considera le reazioni chimiche nei volumi elementari del mezzo poroso, in relazione alle concentrazioni e alle temperature locali. Queste ultime variabili si ottengono considerando i fenomeni fisici di diffusione di energia nel mezzo poroso, risolvendo le relative equazioni di conservazione di massa delle varie specie chimiche. L’algoritmo di soluzione numerica del modello è di tipo implicito iterativo ed è stato realizzato in linguaggio C e integrato in ambiente MATLAB-Simulink attraverso l’utilizzo delle S-Function.

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