Modeling of mixed ionic-electronic conductive membranes for oxygen separation

The growth of world population and of the energy demand, together with the sharp and sudden increase of greenhouse gases atmospheric concentration, caused by anthropogenic emissions, is forcing the scientific community to adopt more efficient and cleaner energy solutions, in order to meet the global energy request and to guarantee a sustainable development under the environmental point of view. Fossil fuels global consumption and connected emissions are mostly related to the power generation and the industrial sectors. Then, it is here we should direct our efforts if we are willing to ensure the energy security, while decreasing the environmental footprint and effectively controlling climate changes. Oxy-combustion is a technique that leads to the achievement of superior performances in terms of either energy efficiency and emissions reduction, especially when coupled with a carbon capture system. In fact, several industrial sectors have already adopted this solution so as to improve the combustion efficiency and the yield of the entire process. The work of this thesis is focused on the development of a mathematical model to analyze the behavior and predict the performances of Mixed Ionic-Electronic Conductive (MIEC) membranes, for air separation purposes. Recently, the interest of the scientific community and the research activities about these ceramic membranes have grown exponentially, since MIEC membranes are expected to reach a substantial decrease in the energy consumption related to oxygen production, with respect to more mature technologies, such as cryogenic distillation. To evaluate the performances of planar MIEC membranes, a software has been developed in Fortran 90 programming language, using Visual Studio graphic interface. The model is able to deal with both co-current and counter-current flow arrangement. Moreover, membrane and support properties have been calibrated through an experimental data fitting procedure, achieving an average prediction error of 4.5% on the value of the permeated oxygen flux, with respect to lab measurements. Finally, some case studies have been investigated, involving the application of MIEC membranes in the glass manufacturing process. Energy balances on the oxy-fuel glass melting furnace have proved that fuel consumption may be reduced more than 20%, with respect to the benchmark air-fuel case.

La crescita della popolazione e della domanda energetica pro capite, unita al brusco aumento della concentrazione atmosferica di gas serra, causato dalle emissioni antropogeniche, ha costretto la comunità scientifica ad adottare soluzioni energetiche sempre più efficienti e pulite, al fine di riuscire a soddisfare il fabbisogno della popolazione e di garantire uno sviluppo sostenibile dal punto di vista ambientale. A livello globale, il consumo di combustibili fossili e le emissioni da esso derivanti sono legati in gran parte al settore industriale e a quello della generazione di potenza. E’ quindi su questi due settori che bisogna concentrarsi se si vuole intervenire in maniera efficace sulla sicurezza energetica, assicurando al contempo la compatibilità con le politiche riguardanti la salvaguardia dell’ambiente e il contenimento dei cambiamenti climatici. L’ossi-combustione è una tecnica che consente di ottenere prestazioni elevate sia in termini di efficienza energetica, che in termini di riduzione di emissioni, specialmente quando ad essa viene associato un sistema di cattura della CO2. Molti settori industriali hanno già infatti adottato la combustione ad ossigeno in quanto permette di ottenere una riduzione dei consumi, migliorando l’efficienza termica e la resa dell’intero processo. Il lavoro di questa tesi è focalizzato sullo sviluppo di un modello per l’analisi delle prestazioni di membrane a conduzione mista (MIEC) per separazione aria. L’interesse e la ricerca della comunità scientifica attorno a queste membrane ceramiche ha avuto una notevole crescita in anni recenti, in quanto questa tecnologia potrebbe portare a una riduzione dei consumi energetici legati alla produzione di ossigeno. Un modello matematico, capace di valutare le prestazioni di membrane planari a conduzione mista in configurazione equi-corrente e contro-corrente, è stato implementato in linguaggio Fortran 90, su piattaforma grafica Visual Studio. Inoltre, una calibrazione delle proprietà della membrana e del supporto è stata eseguita tramite un fitting di dati sperimentali, raggiungendo un errore medio del 4.5% sul valore del flusso di ossigeno calcolato, rispetto alle misure di laboratorio. Infine, sono stati esaminati vari casi studio riguardanti l’applicazione di membrane MIEC al processo di produzione del vetro. I bilanci termici sul forno fusorio oxy-fuel rivelano che sono possibili risparmi superiori al 20% sul consumo di combustibile, rispetto al caso di benchmark con combustione ad aria.