Simulazione di impianti a membrana per la produzione di biometano

This master thesis analyzes the upgrading of biogas plants from food wastes in order to separate carbon dioxide and obtain biomethane by using polymeric membrane based purification systems. First of all, it is illustrated the physical mechanism underlying the permeation, and then various types of material useful for the purpose. A first comparative analysis is conducted on materials and on types of possible flows, through an analytical and numeric modeling of the physical phenomenon. From such analysis, it emerges that cellulose acetate is a material very suitable for the separation in question, while the flow pattern that optimizes the membrane permeation is the counter-current. Finally, some system configurations are simulated with single and double stage of separation, with or without the use of permeate in engines for power generation. The results are discussed in terms of economic and energy analysis, determining how different plants are more or less convenient depending on the value of the biomethane incentive. Considering the values adopted in the rest of Europe, it can be stated that the two-stage separation type is the more convenient and eco-friendly plant.

In questa tesi di laurea viene analizzato il potenziamento di impianti biogas da scarti agroalimentari per la separazione dell’anidride carbonica e l’ottenimento di biometano attraverso sistemi di purificazione a membrana polimerica. Dapprima viene illustrato il meccanismo fisico alla base della permeazione, quindi vengono illustrati vari tipi di materiali utili allo scopo. Una prima analisi comparativa viene condotta sui materiali e sulle tipologie di flusso possibili, attraverso una modellizzazione analitica e numerica del fenomeno fisico. Da tale analisi emerge come l’acetato di cellulosa sia un materiale molto indicato per la separazione in esame, mentre la configurazione di flusso che ottimizza la permeazione nelle membrane `e quella controcorrente. Infine vengono simulate alcune configurazioni di impianto, a singolo e doppio stadio, con o senza utilizzo del permeato in motori per la produzione elettrica. I risultati sono commentati a livello di analisi economica ed energetica di primo e di secondo principio, arrivando a determinare che i diversi impianti sono pi`u o meno convenienti a seconda del valore dell’incentivo posto al biometano. Considerando i valori adottati nel resto d’Europa, si può affermare che l’impianto più conveniente ed eco-compatibile è quello a doppio stadio di permeazione.