Modeling, simulation and experimental investigations of dual reflux pressure swing adsorption process

Since its inception more than half a century ago, the technology of pressure swing adsorption (PSA) is now considered as the method of choice for the separation and/or purification of many gaseous mixtures. For processing binary feed gas mixtures, it can be categorized as: stripping, rectifying and dual-reflux. Heavy product purity is thermodynamically constrained in stripping PSA whereas, rectifying PSA systems have thermodynamic constraints on the purity of the light product, while dual-reflux pressure swing adsorption (DR-PSA) is capable of achieving complete separation of binary feed gas mixture. Therefore, the main aim of this thesis was to dwell further on DR-PSA process via mathematical modeling, detailed simulation and experimental investigations. Based on equilibrium theory, a numerical code was developed for calculating the composition profiles as well as the evolution of wave profiles inside the column in a DR-PSA configuration, and an optimal design procedure was proposed. Moreover, a detailed mathematical model of the DR-PSA process was developed and validated against experimental data both from the literature and measured in a dedicated a lab-scale DR-PSA process unit specifically built and tested. Overall, the model exhibited reliability and versatility.

La tecnologia di separazione “pressure swing addsorption” (PSA) è comunemente utilizzata per la separazione e/o purificazione di molti miscele gassose e può essere classificata in: “stripping”, “rectifying” e “dual-reflux”. La purezza del composto più fortemente adsorbito di una miscela binaria da separare è termodinamicamente vincolata nel processo stripping-PSA, mentre la purezza del composto meno fortemente adsorbito è termodinamicamente vincolata nel processo rectifying-PSA; viceversa, il processo dual-reflux PSA (DR-PSA) è in grado di separare completamente una miscela binaria. Pertanto, l'obiettivo principale di questa tesi è stato quello di approfondire la conoscenza del processo DR-PSA tramite modelli matematici, simulazioni dettagliate e indagini sperimentali. Utilizzando la teoria all’equilibrio, è stato sviluppato un codice numerico per calcolare l’evoluzione temporale dei profili di composizione all'interno della colonna per una specifica configurazione DR-PSA; sulla base dei risultati di tale codice è stato proposto un procedimento per la progettazione ottimale del processo. Inoltre, è stato sviluppato un modello matematico dettagliato del processo DR-PSA, che è stato poi convalidato utilizzando sia dati sperimentali di letteratura, sia dati sperimentali misurati in un impianto in scala di laboratorio di un’unità DR-PSA appositamente costruito e testato. Nel complesso, il modello si è dimostrato essere affidabile e versatile.