Design, simulation and optimization of a caustic wash absorption column for the H2S removal in a real biogas plant

Biogas is not a recent discovery. As a matter of fact, evidence of its existence dates back to the 10th century B.C. However, biogas is still one of the most interesting and promising renewable sources, as it allows to produce many forms of energy and other valuable products starting from wastes. In this context, one of the biggest problems associated with biogas is the presence of hydrogen sulfide among its components, which is a toxic, flammable, and malodourous gas that should be removed. Out of all the available removal technologies, one of the most efficient is the chemical absorption with sodium hydroxide as solvent. The purpose of this thesis is to analyze and optimize a real absorption column which exploits the aforementioned hydrogen sulfide removal technology. This column is designed and built by the company Tecnoimpianti Water Treatment (T.W.T.) and is located in a biogas plant in Grumello del Monte (BG). The first part of this work is dedicated to the plant description and to the explanation of the experimental campaign, which is conducted through numerous field measurements. In the second part, the data collected from the field measurements are implemented as input on a process simulation software to build a real-time representation (Digital Twin) of the absorption column. The Digital Twin is used to analyze the response of the system after a variation of the main parameters. Basing on the data collected from both the simulation and the experimental campaign, a sensitivity analysis is then performed to identify the most influential parameters on the H2S removal efficiency. The results highlighted that the sodium hydroxide flow rate and its concentration are the variables with the highest influence on the process. Finally, by means of a multiple regression analysis on Excel, a user-friendly tool has been developed for T.W.T. to automatize the design of future similar applications.

Il biogas non è una scoperta recente. Le prove della sua esistenza risalgono infatti al X secolo a.C. Tuttavia, esso rappresenta ancora una delle fonti rinnovabili più interessanti e promettenti, in quanto consente di produrre molte forme di energia e altri prodotti di valore a partire dai rifiuti. In questo contesto, uno dei maggiori problemi associati al biogas è la presenza di idrogeno solforato tra i suoi componenti, che è un gas tossico, infiammabile e maleodorante che è opportuno rimuovere. Tra tutte le tecnologie di rimozione disponibili, una delle più efficienti è l'assorbimento chimico con idrossido di sodio come solvente. Lo scopo di questa tesi è quello di analizzare e ottimizzare una reale colonna di assorbimento che sfrutta la già citata tecnologia di rimozione dell'idrogeno solforato. Questa colonna, progettata e realizzata dalla società Tecnoimpianti Water Treatment (T.W.T.), si trova in un impianto di produzione biogas a Grumello del Monte (BG). La prima parte di questo lavoro è dedicata alla descrizione dell'impianto e alla spiegazione della campagna sperimentale che è stata condotta attraverso numerosi campionamenti. Nella seconda parte, i dati raccolti sul campo sono poi stati implementati come input su un software di simulazione di processo per costruire una rappresentazione in tempo reale (Digital Twin) della colonna di assorbimento. Il Digital Twin è stato poi utilizzato per analizzare la risposta del sistema a fronte di variazioni dei parametri principali. Sulla base dei dati raccolti sia dalla simulazione che dalla campagna sperimentale, è stata quindi eseguita un'analisi di sensitività al fine di identificare i parametri più impattanti sull'efficienza di rimozione di H2S. I risultati hanno evidenziato che la portata dell'idrossido di sodio e la sua concentrazione sono le variabili maggiormente influenti sul processo. Infine, nell’ultima parte della tesi, attraverso una regressione multipla su Excel, è stata sviluppata un’interfaccia che sarà poi utilizzata da T.W.T. per automatizzare la progettazione di applicazioni simili future.