Tool for Preliminary Design of Shell-and-Tube Heat Exchangers for Biogas Upgrading

Abstract

Raw biogas leaving an anaerobic digester is warm, saturated with water vapor, and contains small amounts of corrosive trace compounds. In this state, the gas cannot be fed directly to an upgrading system, where carbon dioxide, water vapor and other contaminants are removed to produce biomethane that meets a predefined quality. High humidity combined with reactive species promotes uncontrolled condensation and corrosion, making pre-cooling a necessary step to stabilize the gas before upgrading. The gas is therefore typically cooled in a shell-and-tube heat exchanger before entering downstream equipment. Designing such heat exchanger requires estimates of heat-transfer performance, condensation formation, outlet humidity, and pressure drop. This thesis develops a computational tool for the preliminary design of raw biogas coolers and evaluates its performance for representative operating conditions.

The modelling framework integrates thermodynamic property calculations, heat-transfer correlations, and pressure-drop formulations to determine required heat-transfer area and hydraulic behavior. Iterative solutions procedures are implemented to satisfy both thermal and hydraulic constraints. Representative design cases were defined based on typical raw biogas compositions, flow rates, cooling media, and temperature targets reported in industrial practice.

Due to limited availability of detailed geometric data of reference cases, the model is assessed though qualitative consistency checks rather than formal validation. The results exhibit physically reasonable trends for the estimated wet mass-flow rate, outlet relative humidity, condensate flow and required duty. Additionally, the tool successfully generated feasible designs for four unique design cases. The tool is therefore suitable for preliminary dimensioning and early-stage engineering assessments, while more advanced modelling and empirical data is required for a final design.

The thesis also includes a conceptual discussion of mounting orientation. Although the model cannot quantify orientation effects, literature indicates that horizontal and vertical configurations differ in condensate drainage, flow distribution, and fouling tendencies. Analysis of the heat exchanger lengths of the generated designs indicates that horizontal mounting is the most suitable.

Overall, the developed tool provides a transparent and useful basis for preliminary design of shell-and-tube raw biogas coolers and forms a foundation for future refinement and validation.

Abstract (Swedish)

Rå biogas är varm, mättad med vatten och innehåller små mängder av korrosiva spårämnen när den lämnar rötkammaren. I detta skick kan gasen inte levereras till uppgraderingsenheten som tar bort koldioxid, vattenånga och andra föroreningar för att leverera biometan som uppfyller fastställda kvalitetskrav. Den höga fuktigheten kombinerat med reaktiva ämnen leder till okontrollerad kondensation och korrosion. Därmed är för-kylningen ett viktigt steg för att stabilisera gasen innan uppgradering. För-kylning görs vanligtvis i en skal- och rörvärmeväxlare (shell-and-tube värmeväxlare) innan den når efterföljande utrustning. Dimensionering av en sådan värmeväxlare kräver uppskattningar av värmeöverföring, kondensatbildning, utgående fuktighet och tryckfall. Detta examensarbete utvecklar ett beräkningsverktyg för preliminär dimensionering av rågaskylare och utvärderar dess prestanda för representativa driftsförhållanden.

Modellen kombinerar termodynamiska egenskapsberäkningar, värmeöverföringskorrelationer och tryckfallsmodeller för att bestämma nödvändig värmeöverföringsarea och hydrauliskt beteende. Iterativa lösningsprocedurer används för att uppfylla både termiska och hydrauliska krav. Representativa design fall definierades utifrån typiska gaskompositioner, flöden, kylmedier och temperaturmål som förekommer industriellt.

På grund av begränsad tillgång till detaljerade geometriska data utvärderas modellen genom kvalitativa rimlighetskontroller snarare än formell validering. Resultaten visar fysiskt rimliga trender för bestämning av vått massflöde, utgående relativ fuktighet, kondensatbildning och krävd värmeöverföring. Modellen genererade dessutom rimliga konstruktioner för fyra unika designfall, vilket indikerar att verktyget är lämpligt för preliminär dimensionering och tidig bedömning av rågaskylare. Mer avancerad modellering och empiriska data krävs för slutgiltig konstruktion.

Arbetet inkluderar även en konceptuell diskussion om monteringsorientering. Litteraturen visar att horisontell och vertikal montering skiljer sig åt vad det gäller kondensatavrinning, flödesfördelning och nedsmutsning. Analys av de genererade designernas längder antyder att horisontell montering är mest lämplig.

Sammanfattningsvis utgör det utvecklade verktyget en transparent och praktiskt användbar grund för preliminär design av rågsakylare och skapar förutsättningar för framtida vidareutveckling och validering.

Popular Abstract (Swedish)

Ett digitalt verktyg för framtidens biogaskylare

Att kyla rå biogas är avgörande för att undvika korrosion, driftstörningar och onödiga kostnader. I detta examensarbete utvecklas ett beräkningsverktyg som gör det möjligt för industrin att dimensionera värmeväxlare för rågaskylning.

Biogas lyfts ofta fram som en viktig pusselbit i omställningen till ett mer hållbart energisystem. Innan gasen kan användas som fordonsbränsle eller matas in på gasnätet måste den renas och torkas i en uppgraderingsprocess. Direkt från produktionsanläggningen är biogasen varm, fuktig och innehåller stora mängder av koldioxid, samt små mängder av korrosiva ämnen. Om gasen leds vidare utan att kylas kan vatten kondensera på fel ställen, vilket orsakar rost, beläggningar och driftstopp. Därför är det allra första steget i många uppgraderingsanläggningar en värmeväxlare (en rågaskylare) som sänker temperaturen och låter vattnet kondensera kontrollerbart.

Att ta fram en sådan värmeväxlare från grunden är ingen trivial uppgift. Hur mycket värme måste bort? Hur mycket vatten kommer att kondensera? Hur mycket får trycket sjunka? Och hur påverkas allt detta av att gasen är en blandning av metan, koldioxid och spårämnen? För att kunna besvara dessa frågor behövs ett verktyg som kan ge ingenjörsmässiga uppskattningar i ett tidigt skede av designprocessen.
Det är här examensarbetet kommer in. Målet har varit att utveckla ett beräkningsverktyg för som kan ge en första dimensionering av en rågaskylare. Verktyget bygger på en klassisk och robust konstruktion, en skal- och rörvärmeväxlare där gasen strömmar genom ett rörknippe medan ett kylmedium passerar runt rören. Verktyget kombinerar termodynamik, värmeöverföringskorrelationer och tryckfallsberäkningar för att bestämma hur stor värmeöverföringsyta som krävs, den resulterande designen och hur gasens sammansättning och fuktighet förändras när den kyls.

För att göra verktyget relevant i praktiken har verkliga rågaskylare använts som utgångspunkt för att definiera rimliga temperaturmål och gasflöden. Dessa har även fungerat som en referens när modellens resultat kontrollerats. Eftersom geometriska detaljer kring referenserna är okända har ingen formell validering kunnat göras, men modellen visar konsekventa och fysiskt rimliga resultat.

Sammanfattningsvis visar examensarbetet att det är fullt möjligt att ta fram ett transparent och ingenjörsmässigt robust verktyg för preliminär dimensionering av rågaskylare. Verktyget kan användas som stöd i tidiga designskeden och utgör en grund för vidare utveckling mot mer detaljerade modeller och optimering.

• author: Johnsson, Evelina
• supervisor: Medya Hatun Tanis; Michelle Cimmerholm
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20261
• year: 2026
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Heat exchanger design, Shell-and-tube heat exchanger, Preliminary design tool, Thermal design, Heat transfer modelling, Pressure drop modelling, Biogas cooling, Process engineering
• language: English
• id: 9229850
• date added to LUP: 2026-06-02 09:26:19
• date last changed: 2026-06-02 09:26:19