Alternative processes for the production of biofuels and synthetic fuels: development, simulation and optimization

The research project of this PhD thesis was the development of alternative processes for the production of biofuels and synthetic fuels. The work consisted mainly modelling, process simulation and optimization, with an additional experimental part about the production of bioethanol by glucose fermentation. Regarding this part, a pilot reactor has been built in order to measure the kinetics of fermentation under CO2 pressure and interesting results, at different conditions, have been obtained. About bioethanol also a simulation work has been done: a first generation process production of bioethanol has been optimized. Then the interest was focused on the development and modelling of alternative processes for the production of synthetic fuels from coal (Coal to Liquid or CTL). Innovative and alternative solutions have been developed especially for the gasification section. Two configurations for gasification were proposed and verified in order to carried out the gasification with air instead of oxygen, without diluting the syngas produced with nitrogen. For each process considered the analysis began with the thermodynamic study and, after that, kinetics and mass transfer have been considered. Performances of the different processes developed have been evaluated, regarding to energy efficiency and environmental impact (CO2 emissions), obtaining significant improvements compared with existing technologies. Finally, a simplified economic and financial analysis was attempted.

Il progetto di ricerca di questa tesi di dottorato ha riguardato lo sviluppo di processi alternativi per la produzione di biocarburanti e carburanti di sintesi. Il lavoro svolto è stato prevalentemente di modellazione, simulazione e ottimizzazione di processo, a cui si è aggiunta una parte sperimentale sulla produzione di bioetanolo. Per quanto riguarda quest’ultima, si è costruita un’apparecchiatura per misurare le cinetiche di fermentazione alcolica sotto pressione di CO2, e si sono ottenuti risultati interessanti a diverse condizioni di lavoro. Anche una parte del lavoro di simulazione ha riguardato il bioetanolo, di cui è stato ottimizzato un processo di produzione di prima generazione. Poi l’interesse si è focalizzato sullo sviluppo e sulla modellazione di processi alternativi per la produzione di combustibili sintetici da carbone (Coal to Liquid o CTL). Si sono messe a punto soluzioni innovative ai processi esistenti soprattutto per la sezione di gassificazione. Sono state proposte e verificate mediante simulazione due idee per realizzare la gassificazione del carbone con aria, senza diluire il gas di sintesi prodotto. Per ogni processo considerato l’analisi è iniziata con lo studio termodinamico per poi includere anche gli aspetti cinetici e di trasporto di materia. Si sono valutate le prestazioni dei processi proposti, con riferimento all’efficienza energetica e all’impatto ambientale (emissioni di CO2), ottenendo risultati decisamente migliorativi rispetto alle tecnologie esistenti. Si è abbozzata infine un’analisi economico-finanziaria.