Simulazione di membrane per la separazione di ossigeno utilizzate in sistemi per la produzione di idrogeno o syngas su piccola e media scala

The constant search for new energy vectors and the need to reduce emissions of greenhouse gases have made materials with selective oxygen permeability very appealing. This feature can lead to applications in many fields, from using technologies that take advantage of Carbon Capturing Systems to produce electricity, to alternative and more efficient production processes for hydrogen or syngas. The main goal of this thesis is the development of a reliable software for the simulation of OTM-CPO reactors that can also be coupled with other programs to describe integrated and complex plant configurations. For this reason, simulation time became a crucial parameter to control together with reliability. A one dimensional method with axial discretization of the reactor has been chosen to obtain this goal. All mass and thermodynamic exchange phenomena have been considered with particular attention given to diffusion within the Ionic Transport Membrane (ITM). A kinetic model has been implemented to have a complete understanding of the reaction network, giving the simulation a more refined output than the one obtained considering simple chemical equilibrium. The software developed allows equi-current flux simulations with the possibility to consider asymmetric membranes, i.e. ones that include a porous support. The proposed model has been successfully validated for two cases of simple oxygen separation. It has also been used to have important information regarding the reactor behavior during application in a hydrogen production plant, highlighting positive aspects and limitations

La continua ricerca di nuovi vettori energetici e la necessità di ridurre le emissioni di gas a effetto serra ha portato un forte interesse nello studio di materiali capaci di permeare selettivamente l’ossigeno. L’ambito di utilizzo può essere ampio, passando da tecnologie per la produzione di energia elettrica con sistemi di cattura dell’anidride carbonica (CCS), a tecnologie per la produzione di syngas o idrogeno in maniera più efficiente dei metodi tradizionali. L’obiettivo principale di questo lavoro è lo sviluppo di un software affidabile per la simulazione di reattori OTM-CPO che possa anche essere integrato in programmi più ampi per descrivere situazioni impiantistiche integrate e complesse. Al fianco dell’affidabilità si è dunque cercato un metodo che potesse completare le simulazioni in tempi ridotti. Per questo scopo è stato scelto un metodo 1-D con discretizzazione assiale del reattore. Sono stati considerati tutti i fenomeni di scambio termico e massico, con particolare attenzione alla diffusione all’interno della membrana a trasporto ionica (ITM). È stata inoltre inserita una cinetica per il network di reazioni al lato permeato per avere una comprensione più completa rispetto alla semplice simulazione con l’equilibrio chimico. Il software sviluppato prevede la simulazione di flussi equi-corrente e la possibilità di considerare membrane asimmetriche, cioè accompagnate da un supporto poroso. Il modello proposto è stato validato con successo per due casi di semplice separazione dell’ossigeno. È stato poi usato per avere delle informazioni importanti riguardo al comportamento del reattore all’interno di un impianto di produzione di idrogeno, sottolineandone gli aspetti positivi e i limiti riscontrati.