Development of a robust algorithm for the numerical description of gas permeation systems

Abstract

Im Rahmen des Projektes HylyPure® wurde am Institut für Verfahrenstechnik, Umwelttechnik und Technische Biowissenschaften ein Verfahren entwickelt, um Wasserstoff aus einer Mischung mit Erdgas zurückzugewinnen und so das Erdgasnetz zum Wasserstoffkotransport zu nutzen. Der HylyPure®-Prozess besteht aus Gaspermeations- und Druckwechseladsorptionsschritten. Eine Versuchsanlage für beide Teile wurde and der TU Wien entwickelt. Zur weiteren Optimierung des Prozesses wird eine Lösung zur effizienten Simulation großer Parameterfelder und komplexer Fließschemata erforderlich. Ein Algorithmus zur Simulation von Gaspermeation wurde vor einigen Jahren am Insistut entwickelt und publiziert, welcher jedoch nicht alle derzeitigen Anforderungen erfüllt. Diese Diplomarbeit stellt vecgp vor, einen aktualisierten und verbesserten Algorithmus basierend auf der Finite-Differenzen-Methode. Vecgp ermöglicht nichtnur stabile Berechnungen für eine große Anzahl an möglichen Prozesskonfigurationen, sondern ist auch deutlich schneller und kann Multikomponentenfälle, sowie Membranmodule mit hohen Rückgewinnungsraten effizient simulieren. Die neue objektorientierte und modulare Implementierung in MATLAB stellt sicher, dass der Code einfach erweitert und wiederverwendet werden kann. Neben der Simulation des Stofftransportes in Membranmodulen erlaubt vecgp auch Druckverlust- und Energiebilanzberechnungen und ermöglicht die Verwendung von Realgasdaten basierend auf den genauesten derzeit verfügbaren Modellen. Die Kernfunktionen sind ausgiebig getestet und gegen den existierenden Algorithmus validiert. Außerdem wurde vecgp auch schon erfolgreich zur Simulation von komplexen mehrstufigen Prozessen eingesetzt.

Within the project HylyPure, a process for the separation of hydrogen from a mixture with methane has been developed at the Institute of Chemical, Environmental, and Biological Engineering. This enables the usage of the natural gas grid for the transport of hydrogen. The HylyPure process includes gas permeation and pressure swing adsorption steps and a test facility for both steps was developed at TU Wien. For further optimizations of the process, a solution to efficiently simulate large parameters sets and complex flow sheets is required. An algorithm for the simulation of gas permeation was developed and published at the institute some years ago, but does not fulfill all the current needs. This thesis presents VECGP, an updated and enhanced algorithm based on the finite difference method. VECGP not only ensures stable calculations for a wide range of gas permeation cases, but also significantly improves performance and is able to solve multi component systems and cases with high recovery rates efficiently. A new object oriented and modular implementation allows easy expansion and re-usage of code while simultaneously improving user-friendliness. Besides evaluating the mass transfer through membrane modules, VECGP also provides pressure drop and energy balance calculation and allows inclusion of real gas properties based on the best currently available models. The core feature set is validated against the existing algorithm and has successfully been used to simulate complex multi-stage processes.