Analisi delle prestazioni di impianti di produzione di idrogeno basati su reattori a membrana

The use of fossil fuels is a major source of CO2 emissions by humans. The CO2 is a greenhouse gas responsible, therefore, requires a policy of mitigation of emissions. This paper focuses on the fired tubular reformer plants for hydrogen production from natural gas. The thesis compares several cases in which we introduce the pre-combustion capture of carbon dioxide through the system MDEA; with considerations on the post-capture using MEA. In particular the study focuses on improvements in plant performance due to the integration of mixed conductor membranes for hydrogen separation (HTM) Demoys studied within the European project. The paper is therefore composed of three chapters studying the issue of CO2, its environmental implications, the possibility of capture and sequestration and hydrogen production systems based on the reforming reaction of methane. The fourth chapter describes the simulation work carried out, using the GS program, according to study cases will be reported in subsequent comparisons with the membranate reactors, in order to verify the changes in performance and how the introduction of membranate reactors changes the plant layout, for both cases with and without CO2 capture. It continues with a chapter studying the membranate reactor technology and the types of membranes currently available (and in development) for the separation of hydrogen from gas streams. The sixth chapter focuses on the simulation work done so to study the possible integration of the membranes, studied in the project Demoys, at FTR reactors with and without CO2 capture, which in these cases can be obtained by cryogenic trapping. For these plants were also conducted sensitivity analysis with respect to the main operating parameters of such plant schemes. There is also a study on the extension of the surface membrane to varying operating conditions and performance of the membrane itself. Finally, by comparing the results obtained from simulation, using the calculation code GS, of the different configurations studied, we demonstrate how the integration of membranes in plants for the production of hydrogen fired tubular reforming plants from natural gas, is a technology very promising for the production of the energy carrier hydrogen with a simultaneous capture of carbon dioxide.

L’utilizzo dei combustibili fossili è una delle fonti principali di emissione di CO2 da parte dell’uomo. La CO2 è uno dei gas ritenuti responsabili dell’effetto serra, pertanto, è necessaria una politica di mitigazione delle emissioni. Relativamente agli impianti di reforming tubulare a fiamma diretta per la sola produzione di idrogeno da gas naturale, la tesi mette a confronto diversi casi nei quali si introduce la cattura pre-combustione dell’anidride carbonica per mezzo del sistema MDEA, con considerazioni sull’opportunità di post cattura tramite MEA. In particolare lo studio verte sui miglioramenti delle prestazioni degli impianti a seguito dell’integrazione di membrane a conduttori misti per la separazione di idrogeno (HTM) studiate nell’ambito del progetto europeo Demoys. L’elaborato si compone quindi di tre capitoli didattici iniziali nei quali viene affrontata la questione della CO2, le sue implicazioni ambientali, le possibilità di cattura e sequestro e i sistemi per la produzione di idrogeno basati sulla reazione di reforming del metano. Il quarto capitolo illustra il lavoro di simulazione svolto, tramite il programma GS, per studiare dei casi base cui saranno riferiti i successivi confronti con i reattori membranati, in modo da verificare le variazioni di prestazioni e in che modo l’introduzione dei reattori membranati modifichi il layout impiantistico, sia per casi con che senza cattura della CO2. Si prosegue quindi con un capitolo di approfondimento sulla tecnologia dei reattori membranati e sui tipi di membrane attualmente disponibili (e in fase di sviluppo) per la separazione di idrogeno da correnti gassose. Il sesto capitolo si concentra quindi sul lavoro di simulazione svolto per studiare la possibile integrazione delle membrane, studiate nel progetto Demoys, in reattori FTR con e senza cattura della CO2, che in questi casi si può ottenere per via criogenica. Riguardo questi impianti sono state inoltre condotte analisi di sensibilità rispetto ai principali parametri operativi di tali schemi impiantistici, inoltre si è effettuato uno studio riguardante l’estensione della superficie membranata al variare delle condizioni di funzionamento e delle prestazioni della membrana stessa. Infine dal confronto dei risultati ottenuti dalla simulazione, tramite il codice di calcolo GS, delle diverse configurazioni trattate, si dimostra come l’integrazione delle membrane in impianti per la produzione di idrogeno, tramite reforming tubulare a fiamma diretta dal gas naturale, sia una tecnologia molto promettente per ottenere la produzione del vettore energetico idrogeno con una contestuale cattura dell’anidride carbonica.