Analisi di unità criogeniche per il frazionamento dell'aria

This work studies an innovative Air Separation Unit included in an IGCC plant which uses a cryogenic pump to compress the liquid oxygen (LOX) from athmospheric pressure to Texaco (entrained bed) reactor's pressure (20-40 bar). Usually Air Separation units use a compressor which realize this operation, but the pure oxygen can cause several safety problems when it's compressed in gaseous form, thus the principal aim is to understand if the alternative system considered, which is more secure, is also efficient. The thesis starts explaining the theory about equations of state (Redlich Kwong Soave equation, Peng Robinson equation), which are used to predict air volumetric behaviour, and the distillation process, taking attenction about special featurings like columns thermal integration. In the second time an existing ASU plant is analized due to find which values the operation parameters can assume to make the ASU working correctly. Then the second principle efficiency ($\eta_{II}$) is measured through the ratio between the ideal and real works of separation and it's used to compare cryo-pump and "`classic"' plants. Moreover, every single component has been considered in entropic analisys, so it's easy to undersatnd where the system work better and where it doesn't. After the calibration a new project model is made: key parameters are modified due to improve efficiency, where it's possible. The program used to verify and calculate the air separation unit is AspenPlus 2006; in this enviroment the model is made by drawing the flowsheet, choosing fluid species (and EoS) and setting up all parameters discovered in calibration section. Results presented in this work are directly used in a major model which describes the IGCC plant. Furthermore, with additional conditions, it's possible to create a wider model which could be used for oxycombustion and fuel cell plants.

Questo lavoro di tesi studia un innovativo impianto di separazione dell'aria incluso a sua volta in un impianto IGCC, che sfrutta una pompa criogenica per comprimere l'ossigeno liquido dalla pressione atmosferica a quella richiesta dal reattore di gassificazione Texaco (20-40 bar). Solitamente le unità di separazione dell'aria utilizzano un compressore per effettuare questa operazione, tuttavia l'ossigeno puro può causare molti proplemi relativi alla sicurezza se compresso allo stato gassoso. Perciò il principale obiettivo è di capire se il sistema alternativo considerato, il quale risulta più "`sicuro"', è al tempo stesso efficiente. La tesi comincia spiegando la teoria delle equazioni di stato (RKS e PR), le quali vengono utilizzate per predirre il comportamento volumetrico dell'aria, e continua spiegando la teoria della distillazione, ponendo particolare attenzione sulle condizioni più importanti e particolari, come l'integrazione energetica delle colonne di frazionamento. Nella seconda parte un impianto ASU esistente viene analizzato cosi da poter scoprire quali valori possono essere assunti dai parametri operativi per far si che l'unità lavori correttamente. Quindi il rendimento di secondo principio viene calcolato ed utilizzato per comparare gli impianti "`classico"' ed alternativo. Inoltre, ogni componente è stato considerato nell'analisi entropica, cosi che sia possibile capire anche dove il sistema necessita di essere migliorato. Dopo la calibrazione in fase di progetto è stato realizzato un nuovo modello: i parametri operativi chiave sono stati modificati per cercare di migliorare l'efficienza, dove possibile. Il programma di calcolo utilizzato è AspenPlus 2006; in questo ambiente il modello è stato fatto disegnando lo schema concettuale, scegliendo i componenti dell'aria e settando tutti i parametri analizzati nel capitolo della calibrazione. I risultati presentati in questo lavoro vengono direttamente inseriti nel modello che descrive l'impianto IGCC. Inoltre, ponendo condizioni aggiuntive, è possibile creare un modello di ASU più ampio che può essere utilizzato negli impianti di ossicombustione ed in quelli con celle a combustibile.