Dimensionamento ottimizzato di una membrana polimerica per la separazione di idrogeno da una miscela metano-idrogeno

The actual energy transition allows for different solutions for reducing carbon dioxide emissions. Due to the huge amount of natural gas used in the current scenario, one possible implementation is the addition of a relevant quantity of hydrogen to the main pipeline network. Actually, some utilities are not able to work with natural gas characterized by a high hydrogen content. So, simultaneously with the addition of the hydrogen to the methane, it is necessary to implement a gas species separation system. This system enables the production of mixtures with a low hydrogen content. The paper shows the optimized sizing of a polymeric membrane for the separation of hydrogen from a methane-hydrogen mixture. Due to that separation, two types of gases are obtained: refined gas, with 2% hydrogen by volume, and permeate gas, with 86–87% hydrogen by volume. The overall sizing of the plant takes into account also the intercooled compressor plant of gas permeated through the membrane. In fact, it is necessary to bring the separated gas to the same temperature and pressure as the refined gas. This process allows the permeate gas to be used or entered into the main pipeline network. The duct, used for the separation of the gas species, is made by the main channel, where the input hydrogen-methane mixture flows, by the membrane and the support, for the separation of the species, and by the secondary channel, where the permeate gas flows. The plant has been sized using a Matlab code in order to obtain the correct results. A study on the operations of the plant has been performed by varying some input parameters such as the initial pressure of the gas entering the main channel, the pressure of the permeate gas, the selectivity of the membrane, the height of the main channel, the inlet molar flow rate, and the number of the intercooled compressors. Afterwards, it is possible to optimize the plant and obtain the parameters that allow for a minimum cost on the refined gas produced. The study has been made separately for two cases: the inlet gas in the main channel is characterized by laminar flow or by turbulent flow. The specific cost of the plant isC_(tot,specific)=8,024[€/(tonn)], when the inlet gas is characterized by a laminar flow, and C_(tot,specific)=7,691[€/(tonn)],, when the inlet gas is characterized by a turbulent flow. Even if the specific cost of the plant is lower when the inlet gas is characterized by a turbulent flow, it is necessary to take into account that the ducts are an order of magnitude longer in that case. Depending on the properties of the inlet mixture, it is possible to have two different plants. In order to produce the same amount of refined gas when the inlet flow is laminar, it is necessary to design a higher number of ducts in series with a length of approximately 13 [m]. Instead, when the inlet flow is turbulent, it is necessary to design a lower number of ducts in series with a length of approximately 121 [m]. In both cases, the specific cost of the plant is approximately 1,2% of the natural gas's actual cost. The size of the plant turns out to be acceptable in terms of costs and allows the addition of significant quantities of hydrogen into the main pipeline network.

La transizione energetica in corso ha permesso di valutare diverse soluzioni per la riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Dato l’enorme utilizzo del gas naturale nello scenario attuale, una delle implementazioni proposte è l’immissione nella rete dei gasdotti presente di una percentuale in volume significativa di idrogeno. Attualmente, però, non tutte le utenze che sfruttano il gas naturale come combustibile possono sopportare quantità di idrogeno significative. Di conseguenza, a pari passo con l’aggiunta di idrogeno nel metano, è necessaria l’implementazione di un sistema di separazione delle specie che permetta di tornare a quantità di idrogeno in volume minime. L’elaborato presenta il dimensionamento ottimizzato di una membrana polimerica per la separazione dell’idrogeno da una miscela metano-idrogeno. Dalla separazione delle specie si ottengono il gas raffinato, con percentuali in volume di idrogeno del 2%, e il gas permeato, con percentuali in volume di idrogeno dell’86 − 87%. Tale dimensionamento tiene in considerazione anche l’impianto di compressione interrefrigerata del gas permeato attraverso la membrana. E’ necessario, infatti, portare il gas separato alla stessa temperatura e alla stessa pressione del raffinato, per rendere possibile un suo utilizzo o una sua reimmissione nella rete principale. La condotta utile per la separazione delle specie del gas è composta dal canale principale, dove fluisce la miscela idrogeno-metano di input, dal modulo membrana-supporto, necessario per la separazione delle specie, e dal canale secondario, dove fluisce il gas permeato. L’impianto è stato dimensionato con l’utilizzo di un codice matlab, da cui si ottengono i risultati desiderati. E’ stato quindi eseguito uno studio approfondito sul funzionamento dell’impianto al variare dei parametri di input regolabili, quali: la pressione del gas in ingresso nel canale principale della condotta, la pressione del gas permeato, la selettività della membrana, l’altezza del canale principale della condotta, la portata molare in ingresso e il numero di compressori interrefrigerati. In seguito è stato possibile ottimizzare l’impianto, ricavando i parametri che permettono di ottenere un costo totale minimo sulla quantità di gas raffinato. Lo studio è stato fatto separatamente per due casistiche possibili: il gas in ingresso nel canale principale della condotta necessaria per la separazione delle specie può essere caratterizzato da moto laminare o turbolento. Il costo specifico ottenuto rispettivamente per il moto del fluido in ingresso laminare o turbolento sono C_(tot,specific)=8,024[€/tonn] e C_(tot,specific)=7,691[€/tonn]. Si può notare un costo specifico minimo nel secondo caso. E’ necessario, però, tenere in considerazione che nel caso il moto della miscela nel canale principale della condotta per la separazione delle specie sia turbolento, tale condotta ha una lunghezza di circa un ordine di grandezza maggiore rispetto al caso con moto laminare. A seconda della caratterizzazione del fluido in ingresso, si hanno quindi due impianti molto differenti. A parità di gas raffinato prodotto, quando la miscela in ingresso è caratterizzata da moto laminare, è necessario progettare più condotte in serie, con una lunghezza di circa 13 [m], mentre quando la stessa miscela è caratterizzata da moto turbolento, è necessario progettare meno condotte in serie, ma con una lunghezza di circa 121 [m]. In entrambi i casi il costo specifico dell’impianto corrisponde a circa l’1, 2% del costo attuale del gas naturale. Il dimensionamento dell’impianto è quindi accettabile in entrambi i casi e rende possibile l’aggiunta di quantità di idrogeno rilevanti nella rete dei gasdotti, senza un aumento eccessivo del costo del gas naturale.