CAPE-OPEN custom model development of a co-current hollow fiber membrane unit for process simulators

Process simulation is an essential tool for the design, control and optimization of chemical processes. However, the database of typical commercial process simulation software tools does not include non-standard unit operations. In this thesis a custom unit operation is developed and implemented in Aspen HYSYS V11® process simulator, according to the CAPE-OPEN (Computer Aided Process Engineering - Open Standard) standard. CAPE-OPEN is a framework that enables the integration of custom unit operations into various process simulation environments, ensuring interoperability and flexibility. The non-conventional unit operation developed in this work is co-current hollow fiber membrane for gas separation, a technology characterized by growing industrial relevance, high compactness and efficiency. First, the mathematical model that describes the behaviour of the membranes is validated with a maximum deviation of 14 % from experimental values. Then, the implemented unit is tested in a series of case studies, focusing on the comparison with pressure swing water absorption (PSWA) for biogas upgrading to biomethane. Membrane technology demonstrates better performances when organized in a three-membrane configuration for total biogas upgrading (CO2 content lower than 2.5 %). In this case, in fact, the energy consumption for biomethane production is 21 % lower and the energy consumed per unit of treated biogas and separated CO2 are less than half that of PSWA. Overall, the results confirm that the CAPE-OPEN compliant unit operation performs effectively within the simulation environment, demonstrating its potential for the development of additional custom unit operations.

La simulazione di processo è una pratica essenziale per la progettazione, controllo e ottimizzazione dei processi chimici. Tuttavia, il database dei tipici software di simulazione di processo commerciali non include le unità operative non standard. Nella presente tesi un’unità operativa personalizzata viene sviluppata e implementata nel simulatore di processo Aspen HYSYS V11®, secondo lo standard CAPE-OPEN (Computer Aided Process Engineering - Open Standard). CAPE-OPEN è un framework che permette l’integrazione di unità operative personalizzate in diversi ambienti di simulazione dei processi, garantendo interoperabilità e flessibilità. L’unità operativa non convenzionale sviluppata nel presente lavoro di tesi è una membrana a fibra cava co-corrente per la separazione dei gas, una tecnologia caratterizzata da una crescente rilevanza industriale, alta compattezza ed efficienza. In primo luogo, il modello matematico che descrive il comportamento delle membrane è validato con uno scostamento massimo del 14 % rispetto ai valori sperimentali. Successivamente, l’unità implementata viene testata in una serie di casi studio, con particolare attenzione al confronto con il pressure swing water absorption (PSWA) per l’upgrading del biogas a biometano. La tecnologia a membrane dimostra prestazioni migliori quando organizzata in una configurazione a tre membrane per l’upgrading totale del biogas (contenuto di CO2 inferiore al 2.5 %). In questo caso, infatti, il consumo energetico per la produczione di biometano è inferiore del 21 % e il consumo energetico per unità di biogas trattato e di CO2 separata sono meno della metà rispetto al PSWA. Complessivamente, i risultati confermano che l’operazione unitaria conforme a CAPE-OPEN funziona efficacemente all’interno dell’ambiente di simulazione, dimostrando il suo potenziale per lo sviluppo di ulteriori operazioni unitarie personalizzate.