Modelling membrane-based systems for process intensification

The European Union has to follow a path of joint decarbonization and competitiveness. This is especially true for energy-intensive industries, which recent drop in productivity is correlated to their energy consumption. Membranes are thin barriers used for the selective separation of chemical components, and their low energy-intensity, low costs and broad versatility make them a suitable alternative to energy-intensive thermal separation methods in process industries. The scope of this dissertation is the development of mathematical models and modelling tools to facilitate membranes assessments and to evaluate the benefits of membrane-based separation systems. Three different applications of membranes are studied, and the work is divided accordingly in three parts: Part 1 is about palladium-based membranes to recover hydrogen from natural gas grid; Part 2 is again about Pd-based membranes, used in a membrane reactor for hydrogen production via autothermal biogas reforming; Part 3 is about polymeric membranes in the process of ω3 fatty acids enrichment. In Part 1, an ε-MTU method is developed to simplify membrane module design, together with an innovative simple polarization model. Applied to H2 deblending from natural gas, it shows improvements compared to state-of-the-art separation costs. In Part 2, performance charts are introduced as a tool to evaluate and visualize performance of a membrane reactor. This simplifies the techno-economic assessment, where membrane-based solution turned out to be convenient compared to benchmark production process at small scale. In Part 3, a kinetic model based on a random distribution of acids is developed to improve transesterification description, and membrane-based process is successfully compared to benchmark solution for oil enrichment. Considering state-of-the-art technologies, membrane-based solutions show potential benefits in process intensification at small scales. The modelling tools developed in this Thesis will help engineers and researchers in membranes implementation in different processes, sectors and technology readiness stages.

L’Unione Europea deve seguire una strada in cui decarbonizzazione e competitività siano combinate. Vale in particolare per le industrie energivore, per le quali esiste una recente correlazione tra calo in produttività e consumi energetici. Le membrane sono sottili barriere utilizzate per la separazione selettiva di sostanze chimiche, la cui bassa richiesta energetica, i cui costi moderati e la cui grande versatilità rendono adatte a sostituire i dispendiosi metodi termici di separazione in molte applicazioni. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di modelli matematici e strumenti volti a facilitarne la valutazione, oltre alla quantificazione dei benefici di sistemi basati su membrane. La tesi comprende tre diverse applicazioni, ed è dunque divisa in tre parti: la prima parte riguarda l’applicazione di membrane basate su leghe al palladio per la separazione di idrogeno dalla rete del gas naturale; la seconda parte riguarda le stesse membrane utilizzate in reattori a membrana per la produzione di idrogeno da reforming autotermico del biogas; la terza parte riguarda l’applicazione di membrane polimeriche nel processo di arricchimento di acidi grassi ω3. Nella prima parte è sviluppato un metodo ε-MTU per semplificare la progettazione dei moduli, oltre ad un modello semplificato delle perdite per polarizzazione. Applicati alla separazione di idrogeno dal gas naturale, hanno portato a un risparmio nei costi di separazione rispetto allo stato dell’arte. Nella seconda parte sono introdotte le “mappe di performance” per la valutazione della prestazione di reattori a membrana, permettendo una semplificazione dell’analisi tecnico-economica. Quest’ultima ha mostrato un risparmio del sistema basato su reattore a membrana rispetto al processo convenzionale per la produzione su piccola scala. Nella terza parte è sviluppato un modello cinetico basato su una distribuzione uniforme degli acidi grassi, migliorando le attuali descrizioni, ed è stato poi valutato l’intero processo di arricchimento dell’olio utilizzando le membrane. Allo stato dell’arte sono mostrati potenziali benefici nell’utilizzo di sistemi di separazione basati su membrane per intensificazione di processo su piccole scale. Gli strumenti di modellizzazione sviluppati in questo lavoro potranno aiutare ingegneri e ricercatori ad implementare le membrane in diversi processi, settori e fasi dello sviluppo tecnologico.