Browsing by Author "Barbieri, Giuseppe"

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Advanced Membrane-based Technology for Treatments of Industrial Streams
(Università della Calabria, 2021-04-12) Melone, Leonardo; Cipparrone, Gabriella; Giorno, Lidietta; Barbieri, Giuseppe
Analysis of membrane reactor integration in hydrogen production process
(2014-11-11) Mirabelli, Ilaria; Drioli, Enrico; Barbieri, Giuseppe; Molinari, Raffaele
In the H2 production field, the membrane reactor (MR) technology is considered a promising and interesting technology. In this thesis work the integration in a small scale hydrogen generator of an MR, to carry out the water gas shift reaction (WGS), has been studied. In particular, the effect of MR integration from a systems perspective, i.e. specifically assessing the impact of MR on the whole process, has been investigated. A preliminary design of a pilot scale MR to produced 5 Nm3/h of H2 by reformate stream upgrading has been performed. A CO conversion of 95% and an hydrogen recovery yield of 90% have been fixed as minimum performance target of the WGS-MR. Depending on the system considered to promote the driving force for the permeation, three scenarios have been proposed: base, vacuum and sweep scenario. On the basis of results from a preliminary scenario screening, the required membrane area (ca. 0.179 m2), for vacuum and sweep scenarios, has been estimated by means of an MR modelling and simulation. The results obtained from the pilot scale have been used for the scale-up of the WGS-MR integrated in the 100 Nm3/h hydrogen production unit. The plant for the integrated process (reformer and WGS-MR) has been simulated by using the commercial simulation tool Aspen Plus®. The MR integration, actually, implies a re-design of the process downstream the WGS reactor. Since more than 90% of the produced H2 is directly recovered in the permeate stream, the PSA unit can be removed, leading to a more compact system. For the retentate stream post processing, the possibility to recover the CO2, by means of membrane gas separation technology has been proposed. The results for a two stages membrane separation unit confirmed the technological feasibility of the CO2 capture, achieving the CO2 purity target. Pursuing the logic of process intensification, the comparison with the reference technology (reformer, high temperature shift, PSA) showed as the WGS-MR integrated system results in a more “intensified” process since a higher H2 productivity, a smaller plant and an enhanced exploitation of raw materials are obtained. In addition, since the MR delivers a high-pressure CO2-rich stream, it provides an opportunity for small-scale CO2 capture and thus possible emission reduction. The possibility to extend the spectrum of MR application in reactions of industrial interest, where hydrogen is produced as by-product, has been also studied. In particular, as case study, the direct conversion of n-butane to isobutene has been analysed showing as, from a thermodynamic point of view, better performance (equilibrium conversion up to seven times higher than the one of a traditional reactor) can be obtained.
Gas permeation through zeolite membranes: modelling and experimental analysis
(Università della Calabria, 2020-03-27) Zito, Pasquale Francesco; Critelli, Salvatore; Barbieri, Giuseppe; Brunetti, Adele
La separazione gassosa è uno stadio fondamentale in numerosi processi industriali, in quanto consente la purificazione e il recupero di componenti ad alto valore (come H2) e, allo stesso tempo, la riduzione delle emissioni di vari inquinanti atmosferici, quali, ad esempio, la CO2. Tradizionalmente, essa viene condotta tramite assorbimento e distillazione criogenica, tecniche ben note e consolidate. Tuttavia, entrambe risultano ad alto impatto ambientale, in quanto necessitano dell’impiego di un solvente (assorbimento) o di condizioni operative drastiche (distillazione criogenica). Pertanto, nell’ottica di uno sviluppo più sostenibile, che vada nella direzione della green chemistry (ovvero progettare prodotti e processi che evitino o riducano l’utilizzo e la produzione di sostanze dannose per l’ambiente) e segua i principi della Process Intensification in termini di minori consumi energetici e volumi di impianto, le membrane rappresentano una valida alternativa ai processi tradizionali. In questo lavoro di dottorato, sono state studiate le potenzialità delle membrane zeolitiche nel separare correnti gassose contenenti CO2, gas permanenti (N2, H2, CH4) e vapore, mediante un’indagine modellistica e sperimentale. Il trasporto di materia attraverso i pori zeolitici è stato descritto sviluppando un modello ad-hoc che considerasse la competizione tra surface diffusion e gas translation diffusion. Tale modello, validato per miscele secche ed umide su membrane di vario tipo (SAPO-34, DDR, NaY, 4A), è stato utilizzato per prevedere la separazione multicomponente al variare delle condizioni operative. La permeazione in miscela è risultata molto diversa rispetto quella in gas singolo. In particolare, la CO2 ha mostrato un incremento di permeanza in presenza di alcune specie, come l’idrogeno. In questo caso, infatti, essa usufruisce dell’effetto positivo esercitato dall’idrogeno sulla diffusività binaria, che regola la surface diffusion in miscela. Al contrario, le specie più debolmente adsorbite (H2, N2, CH4) hanno subìto una netta riduzione di flussi e permeanze in miscela, a causa dell’effetto di hindering che la CO2 adsorbita esercita sulla loro diffusione. Ciò si è tradotto in selettività di miscela (per esempio, 22 nel caso di CO2/N2 in SAPO-34) significativamente migliori rispetto a quelle valutate con i gas singoli. Si è dimostrato, quindi, come sia importante avere un’analisi del trasporto in miscela, nell’ottica di una valutazione realistica delle proprietà separative delle membrane, fondamentale in fase di progettazione di unità di separazione. Le previsioni modellistiche sono state confermate e corroborate da prove sperimentali per correnti a diversa composizione, effettuate su una membrana DDR fornita dal Professore Xuehong Gu, della Nanjing Tech University. Le misure sperimentali hanno confermato elevate selettività in miscela (per esempio, 106 e 17 nel caso di CO2/CH4 e CO2/H2), diverse da quelle calcolate sulla base di misure a gas singolo. Questi valori di selettività rendono le zeoliti particolarmente adatte per recuperare la CO2 da correnti di miscele multicomponente. Per quanto riguarda le miscele umide, si è dimostrato come l’acqua in fase vapore blocchi completamente la diffusione superficiale dei gas permanenti (H2, CO e CH4), i quali permeano solo per gas translation diffusion. Pertanto, la competizione tra surface diffusion e gas translation diffusion, espressa nel modello proposto, ha consentito di descrivere accuratamente la permeazione in membrane zeolitiche e di prevedere così il comportamento in ampi intervalli di condizioni operative. L’analisi modellistica ha confermato come l’alta affinità di queste membrane verso CO2 e H2O le renda particolarmente selettive e, dunque, indicate per ottenere correnti concentrate di permeato e retentato da poter riutilizzare e valorizzare.
Impianto integrato a membrana per la produzione di idrogeno per PEM-PC
(2014-06-10) Brunetti, Adele; Drioli, Enrico; Barbieri, Giuseppe; Aiello, Rosario
Preparation and Characterisation of Photocatalysts for CO2 valorisation in Membrane Reactors
(2019-05-10) Pomilla, Francesca Rita; Marcì, Giuseppe; Barbieri, Giuseppe; Molinari, Raffaele
Carbon dioxide is a gas that is constantly exchanged among the atmosphere, oceans, and land surface due to its continuous production and absorption by many microorganisms, plants and animals. These processes tend to balance the CO2 content in the atmosphere; however, since the Industrial Revolution, human activities are perturbing this equilibrium causing global warming and climate change. Due to this problem, an increasing concern has bring the scientific community to devote huge efforts to the CO2 reduction and/or valorisation. The published researches demonstrate that photocatalytic reduction of CO2 in the presence of H2O as reductant is a promising green way to obtain CH4, CO, CH3OH, EtOH, HCHO, acetaldehyde, and other products. Albeit, some aspects should be still improved in the use of the current technology, mainly related to the fact that TiO2, the most known photocatalyst, absorbs light in the ultraviolet region of the electromagnetic spectrum and the use of the visible light is by far desirable. Beside the use of the best light source, also the high recombination hole-electron photogenerated charges (h+ e-) should be reduced or, in the best prospective, suppressed. The aim of the current PhD dissertation is the CO2 reduction by renewable methods, by using sunlight in order to obtain molecules that eventually could be used as fuels. This challenge aims to miming the natural process
Preparation and Characterisation of Photocatalysts for CO2 valorisation in Membrane Reactors
(2019-05-10) Pomilla, Francesca Rita; Critelli, Salvatore; Marcì, Giuseppe; Barbieri, Giuseppe; Molinari, Raffaele
Process innovation and process intensification by membrane systems in the treatment of gas industrial streams
(2014-06-10) Chiappetta, Giovanni; Drioli, Enrico; Barbieri, Giuseppe; Molinari, Raffaele