Modellazione termodinamica e simulazione del processo di rimozione di gas acidi tramite assorbimento fisico con metanolo

The goal of this thesis is the development of a thermodynamic model for the simulation of the acid gases removal process through physical absorption with methanol. Three models are proposed: model A, B, C. These models are based on the SRK EoS, with the Huron-Vidal mixing rules modified or not modified and NRTL models for the activity coefficient definition. To reach this goal the starting point is the thermodynamic description of pure components, thus moving to the description of binary mixtures. Parameters sets for each model are calculated through mathematical regression, starting from experimental data. More precisely, three parameters are calculated for pure component and five for each binary mixture. These thermodynamic models can be easily used for multicomponent mixtures, like the mixture studied in this work, made up by CO2, H2S, CH3OH, CO, N2, CH4 and H2. It is evaluated the introduction of a new combinatorial term within the activity coefficient definition, to improve the description of highly asimmetrical systems. On the basis of the analysis of the VLE graphs obtained with the proposed models, it is decided to go on without the combinatorial term, which turned out to be useless for the studied mixture. It is studied the influence of this combinatorial term for the description of more asymmetrical systems, like the systems with H2 and n - paraffins: H2 - nC10, H2 - nC20, H2 - nC28, H2 - nC36. Within these systems the combinatorial term turns out to be useful, even though not in a generalized way, but depending on the studied binary mixture. Then the model is validated with the comparison between the results coming from the model and the experimental results from an absorption column within a pilot plant. Finally, the simulation of a full-scale plant is performed. It is a not selective acid gases removal process and the simulation comfirms that the proposed thermodynamic model is able to describe a full-size process.

Obbiettivo della tesi è sviluppare un modello termodinamico per la simulazione del processo di abbattimento di gas acidi tramite assorbimento fisico con metanolo. Si propongono tre modelli: modello A, B, C. Questi modelli sono basati sulla equazione di stato SRK, con regole di miscelazione di Huron – Vidal, modificate o meno, e dei modelli NRTL modificati per la definizione del coefficiente di attività. Per giungere a questo scopo si parte dalla descrizione termodinamica dei composti puri, per poi passare alla descrizione delle miscele binarie. Si calcola, tramite regressione numerica a partire da dati sperimentali, dei set di parametri per ogni modello. Per la precisione, si ricavano tre parametri per ogni composto puro e cinque parametri per ogni miscela binaria. I modelli termodinamici così definiti sono facilmente estensibili alla miscela multicomponente in questione, costituita da CO2, H2S, CH3OH, CO, N2, CH4 e H2. Si valuta l’introduzione di un termine combinatorio nuovo all’interno della definizione del coefficiente di attività, per migliorare la descrizione di sistemi altamente asimmetrici. Sulla base dell’analisi dei grafici VLE ottenuti con i modelli proposti, si decide di continuare con il modello C, senza il termine combinatorio, rivelatosi inutile per la miscela in questione. Si studia quindi l’influenza di questo termine combinatorio nella descrizione di sistemi molto più asimmetrici, quali i sistemi contenenti H2 e n – paraffine: H2 – nC10, H2 – nC20, H2 – nC28, H2 – nC36. In questi sistemi il termine combinatorio proposto si rivela utile, anche se non in modo generalizzato, ma dipendente dalla coppia di composti in questione. Si passa alla convalida del modello proposto per il processo oggetto di studio, tramite il confronto tra risultati generati dal modelli e risultati sperimentali ottenuti dalla colonna di assorbimento presente in un impianto pilota. Si effettua infine la simulazione di un processo non selettivo di assorbimento di gas acidi tramite assorbimento con metanolo su larga scala, confermando che il modello termodinamico proposto è in grado di simulare anche un processo completo di dimensioni reali.