Modelling simulation and optimization of innovative hybrid separation processes for energy savings

Abstract

Pressure Swing Adsorption (PSA) and membrane systems have become highly important gas separation technologies in chemical manufacturing petroleum and natural gas refining. In this thesis the reliable PSA technology able to produce high purity gases has been combined with the low cost membrane systems to increase the performance (in terms of energy requirements and overall product recovery) decrease the overall capital investment costs and reduce negative impact on the environment (by removing the most common pollutants carbon monoxide and carbon dioxide). An integrated modelling simulation and optimization framework for complex gas separation processes including: 1) PSA, 2) porous membranes for gas separations, and 3) hybrid PSA/membrane processes has been developed and applied on the process of hydrogen production from steam methane reformer off gas and possibilities for process improvement discussed. The overall hydrogen recovery for given minimum requirements in product purity has been systematically maximized using the recent advances on process optimization while optimizing the number of beds. PSA cycle configuration and various PSA and membrane operating and design parameters and the results have been compared to the optimization results of the PSA only case. The benefits of hybrid systems have been assessed in terms of reduction of adsorption columns size, improvements in the overall hydrogen recovery reduction of the carbon dioxide content in the feed and waste gas streams and improvements in a calorific value of the waste gas streams.

Η προσρόφηση με εναλλαγή πίεσης (Pressure Swing Adsorption PSA) και συστήματα μεμβρανών έχουν γίνει ιδιαίτερα σημαντικές τεχνολογίες διαχωρισμού αερίων στην χημική βιομηχανία, στη διύλιση πετρελαίου και φυσικού αέριου. Στην παρούσα εργασία η αξιόπιστη τεχνολογία PSA για την παραγωγή υψηλής καθαρότητας αερίων έχει συνδυαστεί με τα χαμηλού κόστους συστήματα μεμβρανών για αύξηση της απόδοσης (από την άποψη των ενεργειακών αναγκών και ανάκτηση του προϊόντος), μείωση του συνολικού κόστους της επένδυσης κεφαλαίου και τη μείωση των αρνητικών επιπτώσεων στο περιβάλλον (με την αφαίρεση κοινών ρύπων όπως μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα). Έχει αναπτυχθεί μια ολοκληρωμένη μελέτη μοντελοποίησης, προσομοίωσης και βελτιστοποίησης για σύνθετες διεργασίες διαχωρισμού αέριων συμπεριλαμβανομένων: 1) PSA, 2) πορωδών μεμβρανών για διαχωρισμό αέριων και, 3) υβριδικά συστήματα PSA και διεργασιών μεμβρανών και εφαρμόζεται στη διεργασία της παραγωγής υδρογόνου από αναμόρφωση του μεθανίου με ατμό και εξετάζονται οι δυνατότητες για τη βελτίωση της διεργασίας. Η συνολική ανάκτηση του υδρογόνου για τις ελάχιστες απαιτήσεις σε καθαρότητα του προϊόντος έχει συστηματικά μεγιστοποιηθεί χρησιμοποιώντας πρόσφατες τεχνικές σχετικά με τη βελτιστοποίηση της διεργασίας με παράλληλη βελτιστοποίηση του αριθμού των κλινών και κύκλου της PSA και άλλες παραμέτρους σχεδιασμού και λειτουργίας της μεμβράνης και της PSA και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τη βελτιστοποίηση μονό της PSA. Τα οφέλη των υβριδικών συστημάτων έχουν αξιολογηθεί όσον άφορα τη μείωση μεγέθους των στηλών προσρόφησης, την συνολική ανάκτηση του υδρογόνου τη μείωση της περιεκτικότητας σε διοξείδιο του άνθρακα στην τροφοδοσία και στα απαέρια όπως και βελτιώσεις στην ενεργειακή αξία των απαερίων.