Modelling, simulation and optimisation of gas separation processes using Pressure/Vacuum Swing Adsorption (P/VSA) for efficient post-combustion carbon dioxide capture

Abstract

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται ανάπτυξη και εφαρμογή του μαθηματικού πλαισίου προσομοίωσης και βελτιστοποίησης με χρήση του περιβάλλοντος gPROMS™ για τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από απαέρια καύσης χρησιμοποιώντας διεργασία προσρόφησης με βαθμιδωτή μεταβολή πίεσης/κενού P/VSA (Pressure/Vacuum Swing Adsorption). Το προτεινόμενο μαθηματικό πλαίσιο αξιολογείται με σύγκριση με πειραματικά και θεωρητικά δεδομένα από την διεθνή βιβλιογραφία και παρουσιάζει καλή συμφωνία σε όρους διαφόρων δεικτών απόδοσης της διεργασίας. Γίνεται συστηματική εξέταση διαφόρων τύπων προσροφητικών υλικών (ζεόλιθος 13X, ενεργός άνθρακας, οργανομεταλλικές πορώδεις δομές MOFs) σε διεργασία P/VSA ενός σταδίου, καθώς επίσης και συνδυασμών προσροφητικών υλικών (ζεόλιθος 13Χ, οργανομεταλλικές πορώδεις δομές MOFs) σε διεργασία P/VSA δύο σταδίων με σκοπό τη σύγκριση της συμπεριφοράς τους σε σχέση με την ποιότητα διαχωρισμού για ένα εύρος λειτουργικών συνθηκών. Επιπλέον γίνεται συστηματική εξέταση νέων προσροφητικών υλικών που προκύπτουν από μεταβολή της ισοθέρμου ισορροπίας του 13Χ ζεολίθου σε διεργασία P/VSA ενός σταδίου και μελετάται η επίδραση του βέλτιστου σχεδιασμού του προσροφητικού υλικού των κλινών στην απόδοση λειτουργίας της διεργασίας και εξετάζονται πιθανά συνδυαστικά οφέλη μεταξύ προσροφητικού υλικού και διεργασίας P/VSA. Επίσης διεξάγονται μελέτες δυναμικής βελτιστοποίησης τόσο της διεργασίας P/VSA ενός σταδίου όσο και της διεργασίας P/VSA δύο σταδίων, κάτω από ρεαλιστικούς σχεδιαστικούς και λειτουργικούς περιορισμούς της διεργασίας με σκοπό την ελαχιστοποίηση της καταναλισκόμενης ενέργειας για προκαθορισμένες ελάχιστες απαιτήσεις στην καθαρότητα του CO2 και στην ανάκτηση του CO2. Από τις μελέτες δυναμικής βελτιστοποίησης προκύπτει ότι υπάρχει μια πολύπλοκη συσχέτιση μεταξύ των βέλτιστων δεικτών απόδοσης της διεργασίας P/VSA και των συνθηκών λειτουργίας που ποικίλει μεταξύ των διαφόρων προσροφητικών υλικών και δεν μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με απλή σύγκριση των ισόθερμων προσρόφησης CO2/N2 και των διαφόρων φυσικοχημικών δεδομένων όπως π.χ. της εκλεκτικότητας ισορροπίας και της δυναμικότητας προσρόφησης-εκρόφησης ισορροπίας. Έχει έτσι δειχθεί ότι οι στρατηγικές μοντελοποίησης, προσομοίωσης και βελτιστοποίησης της διεργασίας P/VSA, παρέχουν τον πιο αξιόπιστο τρόπο για να αξιολογηθούν τόσο ποιοτικά, όσο και ποσοτικά διάφορα προσροφητικά υλικά καθώς επίσης και συνδιασμοί προσροφητικών υλικών για τη μέγιστη δέσμευση του CO2. Η διατριβή αυτή δείχνει ότι η διεργασία P/VSA δύο σταδίων είναι μια αποδοτική και υποσχόμενη βιομηχανική τεχνολογία δέσμευσης του CO2 εξαιτίας της σχετικά χαμηλότερης κατανάλωσης ενέργειας σε σχέση με την ανταγωνιστική διεργασία χημικής απορρόφησης του CO2 με χρήση μονοαιθανολαμίνης. Συμπερασματικά, για να γίνει πιο ανταγωνιστική η δέσμευση και η αποθήκευση του CO2 σε μια μελλοντική βιώσιμη αγορά ενέργειας, νέες καινοτόμες διεργασίες δέσμευσης CO2 απαιτούνται να αναπτυχθούν, οι οποίες να μπορούν να μειώσουν τόσο το κόστος δέσμευσης CO2, όσο και το συνολικό κόστος της πάγιας επένδυσης της εγκατάστασης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή κινήθηκε επιτυχώς προς αυτήν την κατεύθυνση, με την συστηματική μελέτη μιας νέας γενιάς καινοτόμων προσροφητικών υλικών των οργανομεταλλικών πορώδων δομών (MOFs) και των νέων προσροφητικών υλικών που προκύπτουν από τη διαταραχή της ισοθέρμου ισορροπίας του 13Χ ζεολίθου και την αξιολόγηση της επίδρασης του βέλτιστου σχεδιασμού του προσροφητικού υλικού των κλινών στην απόδοση λειτουργίας της διεργασίας P/VSA.