Sviluppo di un modello per la simulazione di reattori a membrana a separazione di O2 per impianti con cattura di CO2 pre-combustione

Recent climate change and awareness of a needed reduction in GHG emissions have further supported the development of new technologies with the goal of making competitive power production with CO2 capture. The development of new materials capable of selectively permeating O2 enables new options for CCS; one of these, the combination of an OTM membrane with typical processes of chemical conversion of a pre-combustion plant allows obtaining promising results. The complex and numerous aspects that affect this component require a careful study in order to be able to predict performance. In the present case, we are talking about evaluating the heat exchange, the chemical reactions, the mass transport and the pressure losses; moreover, they are all interdependent phenomena between them. This work sets the basis, discusses and develops an 1D model that axially divides the reactor in finite volumes in order to obtain results much more precise and reliable than a black-box model but at the same time requiring reduced execution times in comparison to complex 3D CFD simulations. Based on the results obtained by different authors about the best configuration and design as well as the fruits of the DEMOYS project, I have built a model able to simulate a planar reactor in co-current configuration with asymmetric membrane. In addition to geometric variables, many other aspects can be configured giving appreciable flexibility to the model, which is capable of providing many results in order to evaluate performance under many points of view. After validated, the model is applied to a case study in order to show its potential and try to give some answers to this technology still far from commercialization. Not less important objective of this work was the development of an application on the basis of the mathematical model created, capable of being easily expanded and/or integrated into existing software in order to future and further analysis on the reactor and about power plants equipped with it.

I recenti cambiamenti climatici e la consapevolezza di una necessaria riduzione delle emissioni di GHG hanno ulteriormente alimentato lo sviluppo di nuove tecnologie con l’obiettivo di rendere competitivi gli impianti di produzione di potenza con cattura della CO2. Lo sviluppo di nuovi materiali capaci di permeare selettivamente O2 rende possibili nuove opzioni per la tecnologia CCS; di queste, la combinazione di una membrana OTM con i processi di conversione chimica tipici di un impianto pre-combustione permette di ottenere risultati promettenti. I complessi e numerosi aspetti che interessano questo componente richiedono un accurato studio per poterne prevedere le prestazioni. Nella fattispecie, si tratta di valutare lo scambio termico, le reazioni chimiche, il trasporto di massa e le perdite di carico; fenomeni tutti interdipendenti tra di loro. Questo lavoro pone le basi, discute e sviluppa un modello 1D che suddivide assialmente il reattore in volumi finiti con l’intento di ottenere risultati ben più precisi ed attendibili rispetto ad un modello black-box ma allo stesso tempo richiedere ridotti tempi di esecuzione in confronto alle complesse simulazioni CFD in 3D. Basandomi sui risultati ottenuti da diversi autori riguardo la migliore configurazione e design nonché sui frutti del progetto DEMOYS, ho costruito un modello in grado di simulare un reattore planare in configurazione equi-corrente dotato di membrana asimmetrica. Oltre alle variabili geometriche, molti altri aspetti possono essere configurati conferendo un’apprezzabile flessibilità al modello, il quale è capace di restituire numerosi risultati allo scopo di valutare le prestazioni sotto molteplici punti di vista. Dopo averlo validato, il modello è applicato ad un caso studio al fine di mostrarne le potenzialità nonché provare a dare qualche risposta a questa tecnologia ancora lontana dalla commercializzazione. Obiettivo non meno importante di questo lavoro è stato lo sviluppo di un software sulla base del modello matematico creato, in grado di essere agilmente ampliato e/o integrato in programmi già esistenti al fine di ulteriori e future analisi sul reattore e su impianti dotati dello stesso.