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L’ossigeno costituisce il 21% dell’aria. Oltre a essere indispensabile per la
vita degli organismi e per molte attività umane, è tra i composti chimici più
utilizzati nel mondo, con numerose applicazioni in quasi ogni settore industriale.
La separazione dell’ossigeno dall’aria è un grande business, che ogni
anno coinvolge 100 milioni di tonnellate di ossigeno. Tale mercato è ritenuto
in forte espansione, poiché tutte le tecnologie di produzione di energia pulita
richiedono ossigeno come agente ossidante.
La produzione di O2 per separazione dall’aria costituisce un fattore che
influisce pesantemente sui costi di gestione di un impianto. Le diverse tecniche
di produzione dell’ossigeno si differenziano fra loro essenzialmente per le
dimensioni dell’impianto, ossia per la quantità di ossigeno prodotta al giorno,
per la purezza dell’ossigeno ottenuto, per la possibilità di generarlo in
situ e per la facilità di mettere immediatamente in marcia la produzione.
In genere è consuetudine introdurre una bipartizione in metodi criogenici,
che sono quelli operanti a bassa temperatura, come la distillazione frazionata
dell’aria, e metodi non criogenici, che sono tutti gli altri, operanti a temperatura ambiente.
La ricerca è indirizzata verso la prospettiva di rendere meno penalizzante
dal punto di vista economico ed energetico la separazione dell’ossigeno dall’aria
senza però andare ad intaccare drasticamente la produzione stessa di
ossigeno ad elevato grado di purezza.
Recentemente, una nuova tecnologia di separazione dell’aria sta emergendo,
essa si basa su particolari membrane ceramiche che separano l’ossigeno
dall’aria ad elevate temperature, in contrasto con le temperature super fredde
richieste dalla separazione criogenica convenzionale, senza intaccare il grado
di purezza del prodotto e la sua produzione.
L’obiettivo principale della tesi è comprendere il comportamento ed gli
eventuali vantaggi che derivano dall’integrazione di un Air Separation Unit
operante con tecnologia Ion Trasport Membrane con un processo IGCC-CCS.
L’elaborato si concentra sulle membrane ceramiche dense per la separazione
di ossigeno. Vengono descritti i materiali che possono essere utilizzati
a tale scopo, indicandone la struttura e le caratteristiche di trasporto dell’ossigeno
e le leggi che lo regolano. E’ stato, quindi, sviluppato un modello di
simulazione di separazione dell’ossigeno dall’aria con membrane ceramiche,
con l’utilizzo di Honeywell UniSim®Design per lo studio dell’Air Separation
Unit. Si sono, poi, individuate le apparecchiature necessarie per la separazione
dell’ossigeno e illustrate le configurazioni dell’ASU non integrata e
dell’ASU integrata con il processo IGCC-CCS.
La tesi presenta una breve descrizione delle tecnologie tradizionali di produzione
dell’ossigeno, ed analizza la tecnica di separazione tramite membrane
ITM. Illustra la modellazione e la successiva validazione del sistema di
separazione dell’ossigeno grazie alle User Unit Operation costruite ad hoc.
Descrive e confronta i modelli di processo dell’ASU non integrata ed integrata
con la turbogas dell’impianto IGCC-CCS evidenziando i vantaggi derivanti
dall’integrazione.