Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations in membrane gas separation processes : Application to biogas upgrading with zeolite membranes
Simulations de la mécanique des fluides numériques (CFD) dans les procédé de séparation de gaz par membranes : Application à l'épuration du biogaz avec des membranes en zéolite
Abstract
Gas separation is an important process in many industries, nowadays several technologies are used in the industry, such as chemical absorption or cryogenic processes. These technologies sometimes present some disadvantages such as the high energy consumption or the large footprint of the units. An alternative technology that can solve these problems is membrane separation, which is based on the difference in permeation rates of gases through a semi-permeable barrier. In recent years, impressive improvements in separation performance have been reported for various gas mixtures. This breakthrough in material performance addresses a key issue in terms of implications for process simulation, design and scale-up strategy. More specifically, it challenges the classical 1D approach that remains the cornerstone of current process design studies for gas separation using commercially available polymeric membranes. This study aims to demonstrate the need to develop a very different, rigorous simulation strategy when evaluating high performance membranes for industrial application. In fact, mass transfer limitations and/or non-isothermal conditions may occur along such membranes and significantly affect the separation performance; however, their effects are not considered in the classical modeling approach. A series of lab-scale experiments with a high permeance/high selectivity zeolite membrane are reported and carefully analyzed using CFD simulations and an improved 1D model for CO₂/CH₄ separations. By systematically comparing the 1D model and CFD simulations, the effect of concentration polarization is highlighted. A strong parametric sensitivity is obtained, with a complex interplay between operating conditions and the resulting error on key separation performances. A novel, simplified calculation method can be used for this purpose and is presented. This fast and efficient method can also be used for a general mapping of the effect of concentration polarization. The effect of temperature variation in the module is also investigated based on CFD simulations including the Joule-Thomson effect.
La séparation des gaz est un procédé important pour de nombreuses applications industrielles. De nos jours, plusieurs technologies sont utilisées à l'échelle industrielle, telles que l'absorption ou les procédés cryogéniques. Ces technologies présentent parfois des inconvénients, comme une consommation énergétique élevée ou une grande empreinte au sol des unités. Une technologie alternative qui peut résoudre ces problèmes est la séparation par membrane, qui est basée sur la différence de vitesse de perméation des gaz à travers une barrière semi-perméable. Ces dernières années, des améliorations impressionnantes des performances de matériaux membranaires ont été rapportées pour divers mélanges de gaz. Cette percée dans les performances des matériaux remet en question les stratégies employées pour la simulation du procédé, la conception et la stratégie de mise à l'échelle. Plus précisément, cela remet en question l'approche classique (généralement de type 1D) qui reste la pierre angulaire des études de conception des procédés actuelles pour la séparation des gaz utilisant des membranes polymériques disponibles dans le commerce. Cette étude vise à démontrer la nécessité de développer une stratégie de simulation très différente et rigoureuse lors de l'évaluation des membranes à haute performance pour une application industrielle. En effet, des limitations de transfert de masse et/ou des conditions non isothermes peuvent se produire lors de la mise en œuvre de ce type de membrane et affecter de manière significative les performances de séparation ; cependant, leurs effets ne sont généralement pas pris en compte dans l'approche de modélisation classique. Une série d'expériences à l'échelle de laboratoire avec une membrane zéolithe à haute perméance / haute sélectivité est rapportée et soigneusement analysée à l'aide de simulations CFD et d'un modèle 1D amélioré pour les séparations CO₂/CH₄. En comparant systématiquement le modèle 1D et les simulations CFD, l'effet de la polarisation de concentration est mis en évidence. Une forte sensibilité paramétrique est obtenue, avec une interaction complexe entre les conditions de fonctionnement et l'erreur résultante sur les performances clés de séparation. Une nouvelle méthode de calcul simplifiée peut être utilisée à cet effet et est présentée. Cette méthode rapide et efficace peut également être utilisée pour une cartographie générale de l'effet de polarisation de concentration. L'effet de la variation de température dans le module est également étudié sur la base de simulations CFD incluant l'effet Joule-Thomson.
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