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Design and fabrication of large-sized planar oxygen transport membrane components for direct integration in oxy-combustion processes

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Design and fabrication of large-sized planar oxygen transport membrane components for direct integration in oxy-combustion processes

In questo lavoro viene descritta la progettazione e il processo di realizzazione di membrane planari per la separazione dell’ossigeno. Le membrane realizzate sono assemblate in un modulo con configurazione 4-end mode, dove il feed-gar ricco di ossigeno è alimentato da un lato del component, mentre l’ossigeno permeato è asportato grazie all’alimentazione di un gas povero di ossigeno dall’altro lato.

L’ossi-combustione basata su separazione a membrane è una tecnologia promettente per la combustione efficiente di combustibili contenenti carbone grazie all’opportunità di catturare simultaneamente CO2 dai gas di scarico che si ottengono. Le condizioni della combustione in ossigeno richiedono un particolare design delle membrane ceramiche a causa delle alte pressione e alte temperature applicate. Per tale motivo è stato progettato un modulo con membrane planari con configurazione  4-end mode che utilizza membrane asimmetriche La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3−δ. Simulazioni FEM e CFD sono state eseguite per sviluppare la struttura a canali interna delle membrane, in grado di resistere ad una pressione di 5 bar applicata sul lato del feed, raggiungendo al tempo stesso una concentrazione di O2 del 27% nel gas di sweep, come ad esempio CO2, e un recupero di ossigeno dal feed gas dell’ 86%.

Grazie al design simmetrico dei componenti di membrane, questi risultano facilmente scalabili. Le membrane sono state realizzate grazie all’ottimizzazione di un processo a catena a partire dalle polveri fino al component finale costituito da uno strato membrane denso di 20 μm di spessore, un supporto con il 38% di porosità, una struttura interna a canali e un sottile strato poroso attivo (3–5 μm). Particolare enfasi è stata data alla scalabilità del processo di realizzazione in modo da assicurare la possibilità di realizzare il processo anche su scala industriale. Il processo a catena è applicabile anche ad altri materiali per qualsiasi applicazione d’interesse. Infine, la riproducibilità del processo è stata dimostrata con successo grazie alla fabbricazione di component di membrane con una lunghezza di 100 mm e una larghezza di 70 mm.

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