The use of hydrogen as an energy carrier could help to address issues related to energy security, global climate change and local air pollution. Membrane reactor processes are an attractive solution for the hydrogen production due to the possibility to integrate production and separation in the same system. The adoption of thin Pd-Ag ceramic supported membranes seems to be a good method to increase the hydrogen flux, reducing the cost of materials and maintaining the necessary mechanical strength. To further increase the hydrogen flux at a given absolute pressures, it is possible to feed a sweep gas in the permeate side but the observed benefits in terms of permeation are lower than what expected due to mass transfer limitation. To study the mass transfer limitations that occur in presence of sweep gas, an existing model for the hydrogen permeation through Pd-Ag membranes has been extended and validated against the experimental results obtained in a lab-scale at Eindhoven University of Technology. From the modelling, it has been observed that the reduction of the driving force is due to the stagnant sweep gas in the support pores while the concentration polarization in the permeate is negligible. In the end, a techno-economic evaluation of the use of sweep gas has been performed using the implemented model to extend a fluidized bed membrane reactor model which has been integrated in an Aspen system to produce 100 kg/day of hydrogen through methane auto-thermal reforming.

L’utilizzo di idrogeno come vettore energetico potrebbe risolvere problemi legati a sicurezza energetica, cambiamenti climatici e inquinamento dell’aria. I processi con reattori a membrana sono un’interessante soluzione per la produzione di idrogeno grazie alla possibilità di integrare produzione e separazione nello stesso sistema. L’adozione di Pd-Ag membrane con supporto ceramico sembra essere un buon metodo per aumentare il flusso di idrogeno, riducendo i costi dei materiali e mantenendo la necessaria resistenza meccanica. Per aumentare ulteriormente il flusso di idrogeno a pressioni fissate, è possible immettere uno sweep gas nel lato permeato ma, a causa di limitazioni al trasporto di massa, i benefici osservati sulla permeazione risultano minori del previsto. Al fine di studiare le limitazioni al trasporto di massa che avvengono in presenza di sweep gas, un modello per la permeazione di idrogeno attraverso Pd-Ag membrane è stato esteso e validato con risultati sperimentali ottenuti presso la Eindhoven University of Technology. Dalla modellazione è stato osservato che la riduzione della forza trainante è dovuta alla presenza di sweep gas stagnante nei pori del supporto mentre la concentrazione di polarizzazione nel lato permeato è risultata trascurabile. Per concludere, è stata fatta una valutazione tecno-economica dello sweep gas, utilizzando il modello implementato per estendere un modello di un reattore a membrana a letto fluidizzato, il quale è stato a sua volta integrato in un sistema Aspen per produre 100 kg/giorno di idrogeno da auto-thermal reforming di metano.

Modelling and experimental assessment of sweep gas influence on hydrogen permeation in Pd-Ag membranes

SORESI, SERENA
2016/2017

Abstract

The use of hydrogen as an energy carrier could help to address issues related to energy security, global climate change and local air pollution. Membrane reactor processes are an attractive solution for the hydrogen production due to the possibility to integrate production and separation in the same system. The adoption of thin Pd-Ag ceramic supported membranes seems to be a good method to increase the hydrogen flux, reducing the cost of materials and maintaining the necessary mechanical strength. To further increase the hydrogen flux at a given absolute pressures, it is possible to feed a sweep gas in the permeate side but the observed benefits in terms of permeation are lower than what expected due to mass transfer limitation. To study the mass transfer limitations that occur in presence of sweep gas, an existing model for the hydrogen permeation through Pd-Ag membranes has been extended and validated against the experimental results obtained in a lab-scale at Eindhoven University of Technology. From the modelling, it has been observed that the reduction of the driving force is due to the stagnant sweep gas in the support pores while the concentration polarization in the permeate is negligible. In the end, a techno-economic evaluation of the use of sweep gas has been performed using the implemented model to extend a fluidized bed membrane reactor model which has been integrated in an Aspen system to produce 100 kg/day of hydrogen through methane auto-thermal reforming.
FORESTI, STEFANO
GALLUCCI, FAUSTO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
19-apr-2018
2016/2017
L’utilizzo di idrogeno come vettore energetico potrebbe risolvere problemi legati a sicurezza energetica, cambiamenti climatici e inquinamento dell’aria. I processi con reattori a membrana sono un’interessante soluzione per la produzione di idrogeno grazie alla possibilità di integrare produzione e separazione nello stesso sistema. L’adozione di Pd-Ag membrane con supporto ceramico sembra essere un buon metodo per aumentare il flusso di idrogeno, riducendo i costi dei materiali e mantenendo la necessaria resistenza meccanica. Per aumentare ulteriormente il flusso di idrogeno a pressioni fissate, è possible immettere uno sweep gas nel lato permeato ma, a causa di limitazioni al trasporto di massa, i benefici osservati sulla permeazione risultano minori del previsto. Al fine di studiare le limitazioni al trasporto di massa che avvengono in presenza di sweep gas, un modello per la permeazione di idrogeno attraverso Pd-Ag membrane è stato esteso e validato con risultati sperimentali ottenuti presso la Eindhoven University of Technology. Dalla modellazione è stato osservato che la riduzione della forza trainante è dovuta alla presenza di sweep gas stagnante nei pori del supporto mentre la concentrazione di polarizzazione nel lato permeato è risultata trascurabile. Per concludere, è stata fatta una valutazione tecno-economica dello sweep gas, utilizzando il modello implementato per estendere un modello di un reattore a membrana a letto fluidizzato, il quale è stato a sua volta integrato in un sistema Aspen per produre 100 kg/giorno di idrogeno da auto-thermal reforming di metano.
Tesi di laurea Magistrale
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