Modello numerico di un canale per l'adsorbimento di anidride carbonica da gas combusti

This dissertation presents and validates a model of an absorbent channel for the separation of carbon dioxide from the flue gas of power plants. This model is the basic element to simulate an innovative technology for post-combustion Carbon Capture and Sequestration (CCS). The basic idea of this technology is the absorption of carbon dioxide from flue gas onto a honeycomb monolithic reactor made of activated carbon. The regeneration of such a sorbent is carried out by steam bled from the low pressure section of the power cycle, according to a Thermal Swing Adsorption (TSA) scheme. The monolith is mounted in a rotating Ljungstrom-like device alternatively crossed by flue gas in a sector, and by steam/air or other flows in the other sectors (thus alternating phases of absorption, flushing and regeneration). The model of the single absorbent channel is the starting point for a future techno-economic feasibility study. This Thesis presents the basics of absorption onto activated carbon for different species; it discusses the main peculiarities of the proposed process; it defines a mathematical model of the absorption, mass and heat transfer, as well as momentum and energy transport along the channel, in the macro- and micro- pores of the absorbent matrix. The mathematical model is then translated into a numerical model, with the implementation of the two-step Lax-Wendroff (Richtmyer) scheme for the solution of the unsteady 1D + 1D (channel + macro-pores) differential problem. Finally, the model is validated against literature data and some consideration are drawn, showing possible simplifications to make the simulation tool more efficient, while preserving the due accuracy.

L'oggetto della tesi è la presentazione e validazione di un modello di un canale adsorbente per la separazione dell'anidride carbonica dai gas combusti provenienti da centrali di generazione energetica. Il modello è l'elemento basilare per simulare il funzionamento di una tecnologia innovativa di cattura post-combustione di anidride carbonica (CCS). L'idea di base per questa tecnologia è l'adsorbimento dell'anidride carbonica contenuta nei gas combusti su carbone attivo in un reattore monolitico con struttura a nido d'ape. La rigenerazione dell'adsorbente è ottenuta attraverso l'impiego di un flusso di vapore spillato dalla sezione a bassa pressione del ciclo di potenza, secondo uno schema TSA (Thermal Swing Adsorption). Il monolito è montato in un dispositivo rotante con architettura di tipo Ljungstrom attraversato alternativativamente da gas combusti in un settore, e da vapore, aria o altri flussi negli restanti settori (così da alternare fasi di adsorbimento, scarico e rigenerazione). Il modello del singolo canale adsorbente è il punto di partenza per un futuro studio di fattibilità tecnico-economica. Questa Tesi presenta i principi dell'adsorbimento su carbone attivo per differenti specie, tratta le più rilevanti peculiarità del processo proposto e descrive un modello matematico per l'adsorbimento, lo scambio termico e di massa ed il trasporto di quantità di moto ed energia per il canale e per il reticolo macro- e micro- poroso della matrice. Il modello matematico è quindi tradotto in un modello numerico, con l'implementazione dello schema di Lax-Wendroff a due passi (Richtmyer) per la risoluzione di un problema differenziale non stazionario 1D + 1D (canale + macro-pori). Infine il modello è validato attraverso dati di letteratura e vengono formulate alcune riflessioni, mostrando possibili semplificazioni per rendere più efficiente lo strumento di simulazione mantenendo la necessaria accuratezza.