Development and optimization of separation/purification processes of industrial gas streams by advanced adsorption processes

Gas separation plays an integral yet complex role in the chemical industry, with application-specific needs dependent on feed composition. This encompasses an extensive scope spanning macro to micro processes. Among emerging methodologies, adsorption technology has demonstrated considerable promise across a variety of applications and scientific fields, necessitating deeper investigation to fully realize its potential uses and capabilities. Ongoing research is predominantly focused on adsorbent characterization and enhancing its capacity. Nonetheless, increased attention is required for overcoming limitations of adsorption process dynamics as well as the optimization of existing adsorption setup. Based on this two aspects were extensively researched during the tenure of PhD i. Development of advanced adsorption process and ii. Optimization of existing adsorption system for the industrial gas separation For the former post-combustion carbon capture was focused for the development of DR-PSA novel approach. Carbon capture was explored solely because of exponential rise in the CO2 concentration due to climate change. Such DR-PSA configuration was capable to separate both raffinate and extract stream product at high purity concurrently. Robust theory model was computed to overcome the thermodynamic limitations of existing PSA process as well as the shortcomings of equilibrium theory. Using robust theory model, the performance of DR-PSA was then compared with the existing VPSA pilot plant for CO2 capture using identical system and operating parameters. Using 5A zeolite the VPSA was able to recover 79 vol.% CO2 with 85 vol.% purity from anhydrous flue gas comprising of 15 vol.% CO2 at a power consumption of 2.37MJ/kgCO2. While using the VPSA design specification, DR-PSA was able to recover the CO2 product ≥96% purity at less stringent pressure ratio albeit at higher energy consumption of 2.58 MJ/kgCO2. Sensitivity analysis study based on the pressure ratio and light reflux ratio demonstrated that energy consumption can be lowered to mere 1.67 MJ/kgCO2 while constraining the CO2 purity to ≤95%. The comparative results were quite encouraging to proceed with the economic feasibility of the DR-PHA configuration as well as the adoption of the DR-PHA system for carbon capture on an industrial pilot scale. While for the latter fixed-bed temperature swing adsorption unit at Settala Gas was studied for optimization of olefins/paraffins separation. Not long enough, the desired product purity was not being achieved through the existing fixed-bed adsorption system. Multi-component fixed-bed adsorption model was numerically designed to study the adsorption behavior of hydrocarbon feedstock with sulfur and moisture impurities. The dynamic model was constructed around the olefins, paraffins and impurities such as moisture, mercaptans and sulfide contents to mirror the Settala Gas unit performance. The model results demonstrated that due to energy crisis and strict regulations the operating conditions for the regeneration sequence are inadequate. Furthermore, the dynamics of the adsorption step also needs to be changed for required separation criteria. Based on such finding two strategies were formulated at slightly higher energy consumption and presented to the Settala Gas management for implementation. The model results and strategy findings were accepted by Settala Gas for implementation.

La separazione dei gas svolge un ruolo integrale ma complesso nell'industria chimica, con esigenze specifiche dell'applicazione dipendenti dalla composizione dell'alimentazione. Ciò comprende un ampio ambito che spazia dai macro ai micro processi. Tra le metodologie emergenti, la tecnologia di adsorbimento ha dimostrato notevoli promesse in una varietà di applicazioni e campi scientifici, rendendo necessaria un'indagine più approfondita per realizzare appieno i suoi potenziali usi e capacità. La ricerca in corso è prevalentemente focalizzata sulla caratterizzazione dell'adsorbente e sul miglioramento della sua capacità. Tuttavia, è richiesta una maggiore attenzione per superare i limiti della dinamica del processo di adsorbimento e per l'ottimizzazione dell'attuale configurazione di adsorbimento. Sulla base di ciò, due aspetti sono stati ampiamente studiati durante il mandato del dottorato di ricerca i. Sviluppo di un processo di adsorbimento avanzato e ii. Ottimizzazione del sistema di adsorbimento esistente per la separazione dei gas industriali Per la prima la cattura del carbonio post-combustione è stata focalizzata per lo sviluppo del nuovo approccio DR-PSA. La cattura del carbonio è stata esplorata esclusivamente a causa dell'aumento esponenziale della concentrazione di CO2 dovuto al cambiamento climatico. Tale configurazione DR-PSA era in grado di separare sia il raffinato che il prodotto di flusso estratto ad elevata purezza contemporaneamente. È stato elaborato un modello teorico robusto per superare le limitazioni termodinamiche del processo PSA esistente, nonché le carenze della teoria dell'equilibrio. Utilizzando un modello teorico robusto, le prestazioni di DR-PSA sono state quindi confrontate con l'impianto pilota VPSA esistente per la cattura di CO2 utilizzando parametri operativi e di sistema identici. Utilizzando zeolite 5A, il VPSA è stato in grado di recuperare il 79 vol.% di CO2 con l'85 vol.% di purezza da gas di combustione anidro composto dal 15 vol.% di CO2 a un consumo energetico di 2,37 MJ/kgCO2. Utilizzando le specifiche di progettazione VPSA, DR-PSA è stato in grado di recuperare il prodotto CO2 con una purezza ≥96% a un rapporto di pressione meno rigoroso, sebbene a un consumo energetico più elevato di 2,58 MJ/kgCO2. Uno studio di analisi di sensibilità basato sul rapporto di pressione e sul rapporto di riflusso della luce ha dimostrato che il consumo di energia può essere ridotto a soli 1,67 MJ/kgCO2, limitando al contempo la purezza della CO2 a ≤95%. I risultati comparativi sono stati piuttosto incoraggianti per procedere con la fattibilità economica della configurazione DR-PHA e con l'adozione del sistema DR-PHA per la cattura del carbonio su scala pilota industriale. Mentre per quest'ultima unità di adsorbimento a temperatura oscillante a letto fisso presso Settala Gas è stata studiata per l'ottimizzazione della separazione di olefine/paraffine. Non abbastanza a lungo, la purezza del prodotto desiderata non veniva raggiunta tramite il sistema di adsorbimento a letto fisso esistente. Il modello di adsorbimento a letto fisso multicomponente è stato progettato numericamente per studiare il comportamento di adsorbimento della materia prima idrocarburica con impurità di zolfo e umidità. Il modello dinamico è stato costruito attorno alle olefine, alle paraffine e alle impurità come umidità, mercaptani e contenuti di solfuro per rispecchiare le prestazioni dell'unità Settala Gas. I risultati del modello hanno dimostrato che, a causa della crisi energetica e delle rigide normative, le condizioni operative per la sequenza di rigenerazione sono inadeguate. Inoltre, anche la dinamica della fase di adsorbimento deve essere modificata per i criteri di separazione richiesti. Sulla base di tale scoperta, sono state formulate due strategie con un consumo energetico leggermente superiore e presentate alla direzione di Settala Gas per l'implementazione. I risultati del modello e le conclusioni della strategia sono stati accettati da Settala Gas per l'implementazione.