Ottimizzazione di un sistema multistadio per la separazione di CO2 con membrana da miscele binarie N2-CO2 e CH4-CO2 = Optimization of a multi-stage system for membrane-based CO2 separation from N2-CO2 and CH4-CO2 binary mixtures

Dai dati pubblicati nei rapporti periodici del Gruppo Intergovernativo sul Cambiamento Climatico (IPCC) è evidente come le emissioni nette annuali di gas serra aumentino inesorabilmente. Per la maggior parte si tratta di emissioni di anidride carbonica provenienti dalla combustione di combustibili fossili e da processi industriali. Tra le diverse strategie che è doveroso attuare per limitare l’aumento della temperatura media globale a 1,5°C e raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette, è indispensabile l’implementazione di soluzioni per la cattura e lo stoccaggio della CO2 (CCS). La tecnologia di separazione con membrana è una delle possibili opzioni per la cattura della CO2, vantaggiosa per la sua ridotta richiesta energetica, assenza di scarti e facilità di scale-up. Per membrana si intende un materiale (organico o inorganico) semipermeabile, in grado di far passare selettivamente attraverso il suo spessore alcuni componenti piuttosto che altri. La tesi ha l’obiettivo di modellare un sistema di separazione con membrana per una miscela binaria gassosa, per poi realizzare un’ottimizzazione che permetta di progettare il sistema minimizzando il consumo energetico e la superficie di membrana da installare. I modelli e la procedura di ottimizzazione saranno implementati con il software MATLAB®. Verranno inizialmente descritte le tipologie di modulo a membrana e i modelli di flusso ideali che possono instaurarsi. Si presenteranno le equazioni che descrivono ciascun modello di flusso, la cui risoluzione permette di calcolare la performance del modulo in termini di recupero e purezza del prodotto. Per ciascun modello è stata scritta una funzione in MATLAB® che risolve il modulo nelle condizioni di flusso ipotizzate. Dopodiché i risultati forniti dal modello teorico sono stati confrontati con valori sperimentali trovati in letteratura, dimostrandone la validità. Nel caso migliore si è ottenuto un coefficiente di determinazione R^2 pari a 0.9807. Per raggiungere l’area di progetto della membrana necessaria alla separazione, più moduli vengono collegati tra loro formando uno stadio. Nella pratica industriale, un solo stadio non può soddisfare le caratteristiche del prodotto richieste. Si ricorre allora a sistemi in cui più stadi di separazione vengono collegati tra loro, con l’aggiunta o meno del ricircolo di correnti tra stadi. Si considereranno quattro possibili schemi che prevedono due stadi di separazione. L’aggiunta di nuovi stadi di separazione aumenta i gradi di libertà del sistema. La procedura di ottimizzazione avrà l’obiettivo di individuare le condizioni operative e i parametri di processo che permettono la minimizzazione al tempo stesso dell’area della membrana e del consumo energetico. Si tratta di un’ottimizzazione multiobiettivo realizzata tramite un algoritmo genetico controllato ed elitario, che fornisce come output le curve di Pareto. Si considereranno infine due casi studio: la separazione della CO2 da un gas di scarico (semplificato a una miscela N2-CO2) e l’upgrading del biogas prodotto da un digestore anaerobico (semplificato a una miscela CH4-CO2).