Optimal design and control of CO2 capture processes with phase-change solvents

Abstract

The main goal of this thesis is to investigate the design, optimization and control of post-combustion CO2 capture processes based on CO2 absorption by phase-change (biphasic) solvents. Phase-change solvents upon reaction with CO2 and/or change in conditions (e.g. temperature or pressure) exhibit two liquid phases with different CO2 content in each liquid phase. Such behavior may be advantageous to the capture economics through the reduction of the energy requirements provided that a suitable process flowsheet is derived, and the appropriate operating conditions are determined. The process design procedure is initiated with the definition of a process superstructure that can accommodate the physical and chemical transformation stages for any solvent-based CO2 capture process and enables the use of an expanded design space of increased flexibility. Rigorous mathematical models are developed for the chemical absorption and solvent regeneration processes for conventional single liquid phase (such as monoethanolamine, MEA) and phase-change solvents. Experimentally validated thermodynamic models are used for the simulation of the complex multi-phase equilibrium in the separation processes. Emphasis is placed on the simulation of the three-phase system that could emerge during process operation. Efficient modeling techniques based on orthogonal collocation on finite elements enabling a compact mathematical model are utilized to represent the physical and chemical phenomena occurring and the discrete nature of the multi-phase system and the respective process configuration. The optimal flowsheet configuration and operating conditions are calculated through an optimization procedure aiming at the minimization of the overall annualized cost for the capture process system. Energy requirements have been reduced by 40% with a 26% reduction in the overall annualized cost for the capture process with phase-change solvents. The results have been confirmed in two industrial case studies, a natural gas fired power plant and a lime manufacturing plant. The process models have been extended to account for the presence of pollutants such as sulfur (SOx) and nitrogen oxides (NOx) in the treated flue gas. These pollutants, commonly found in industrial flue gases, interact with the absorption solvents and could reduce CO₂ absorption capacity. The performance of the absorption-based capture system has been affected by 24% under the presence of pollutants. Simulated results have been validated with pilot scale experimental data leading to a set of accurate process models. Dynamic transitions in carbon capture plants are frequent due to power generation and production shifts. Dynamic models of the CO2 capture plant with phase-change solvents along with a multi-loop control system aims to investigate the resilience of the capture system under the influence of multiple disturbances in flue gas composition, concentration and flowrate. A multi-loop control scheme enabled an efficient operation of the system with a controlled use of energy resources. The thesis solidly develops innovative modeling and control strategies for phase-change solvent carbon capture systems and demonstrates that phase-change solvents can significantly reduce energy consumption, improve operational flexibility, and offer greater resilience in the presence of pollutants compared to conventional solvents. The work provides a solid foundation for further advancements in the field of CO₂ capture and offers practical solutions for large-scale industrial applications.

Ο κύριος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση του σχεδιασμού, της βελτιστοποίησης και του ελέγχου διεργασιών δέσμευσης CO₂ από απαέρια καύσης, με τη χρήση διαλυτών αλλαγής φάσης (διφασικοί διαλύτες). Οι διαλύτες αλλαγής φάσης, κατά την αντίδρασή τους με το CO₂ ή/και υπό κάποιες συνθήκες (π.χ. θερμοκρασία, πίεση ή σύσταση), εμφανίζουν δύο υγρές φάσεις με διαφορετική περιεκτικότητα σε CO₂ σε κάθε φάση. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί να είναι επωφελής για τα οικονομικά της δέσμευσης μέσω της μείωσης των ενεργειακών απαιτήσεων, υπό την προϋπόθεση ότι έχει σχεδιαστεί κατάλληλη ροή διεργασιών και έχουν καθοριστεί οι κατάλληλες συνθήκες λειτουργίας. Η μελέτη σχεδιασμού ξεκινά με τον καθορισμό μιας υπερδομής που μπορεί να ενσωματώσει τα στάδια φυσικών και χημικών διεργασιών για οποιαδήποτε διεργασία δέσμευσης CO₂ με διαλύτες και να επιτρέψει τη χρήση ενός διευρυμένου σχεδιασμού με αυξημένη ευελιξία. Αναπτύσσονται αυστηρά μαθηματικά μοντέλα για τις διεργασίες χημικής απορρόφησης και αναγέννησης διαλυτών για συμβατικούς διαλύτες μίας υγρής φάσης (όπως η μονοαιθανολαμίνη, MEA) και διαλύτες αλλαγής φάσης. Χρησιμοποιούνται θερμοδυναμικά μοντέλα που έχουν επικυρωθεί πειραματικά για τη προσομοίωση της πολύπλοκης ισορροπίας πολλαπλών φάσεων στις διεργασίες διαχωρισμού. Δίνεται έμφαση στην προσομοίωση του τριφασικού συστήματος που μπορεί να εμφανιστεί κατά τη λειτουργία της διεργασίας. Αποτελεσματικές τεχνικές μοντελοποίησης, βασισμένες στην ορθογώνια ταξιθεσία σε πεπερασμένα στοιχεία, επιτρέπουν τη δημιουργία ενός συμπαγούς μαθηματικού μοντέλου που αντιπροσωπεύει τα φυσικά και χημικά φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα, καθώς και τη διακριτή φύση του συστήματος πολλαπλών φάσεων και της αντίστοιχης διαμόρφωσης της διεργασίας. Η βέλτιστη διαμόρφωση της ροής και οι συνθήκες λειτουργίας υπολογίζονται μέσω μιας διαδικασίας βελτιστοποίησης που στοχεύει στην ελαχιστοποίηση του συνολικού ετήσιου κόστους της διεργασίας δέσμευσης. Οι ενεργειακές απαιτήσεις μειώθηκαν κατά 40% με μια μείωση 26% στο συνολικό ετήσιο κόστος της διεργασίας δέσμευσης με διαλύτες αλλαγής φάσης. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν σε δύο βιομηχανικές περιπτώσεις, μία μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από φυσικό αέριο και μία μονάδα παραγωγής ασβέστη. Τα μοντέλα διεργασιών επεκτάθηκαν για να ληφθεί υπόψη η παρουσία ρύπων όπως θείο (SOx) και οξείδια του αζώτου (NOx) στα επεξεργασμένα καυσαέρια. Αυτοί οι ρύποι, που συνήθως βρίσκονται στα βιομηχανικά καυσαέρια, αλληλεπιδρούν με τους διαλύτες απορρόφησης και μπορούν να μειώσουν τη χωρητικότητα και ταχύτητα απορρόφησης CO₂. Η απόδοση του συστήματος δέσμευσης, βασισμένου σε απορρόφηση, επηρεάστηκε κατά 24% λόγω της παρουσίας ρύπων. Τα προσομοιωμένα αποτελέσματα επικυρώθηκαν με πειραματικά δεδομένα σε πιλοτική κλίμακα, οδηγώντας σε ένα σύνολο μοντέλων της διεργασίας με μεγάλη ακρίβεια. Οι δυναμικές μεταβολές στις εγκαταστάσεις δέσμευσης άνθρακα είναι συνεχείς λόγω των μεταβολών στην παραγωγή ενέργειας και προϊόντων. Δυναμικά μοντέλα της εγκατάστασης δέσμευσης CO₂ με διαλύτες αλλαγής φάσης, μαζί με ένα σύστημα ελέγχου πολλαπλών βρόχων, στοχεύουν στη διερεύνηση της απόκρισης του συστήματος δέσμευσης υπό την επίδραση πολλαπλών διαταραχών στη σύνθεση, συγκέντρωση και ρυθμό ροής των καυσαερίων. Ένα σύστημα ελέγχου πολλαπλών βρόχων επέτρεψε την αποδοτική λειτουργία του συστήματος με ελεγχόμενη χρήση ενεργειακών πόρων. Η διατριβή αναπτύσσει με συνέπεια καινοτόμες στρατηγικές μοντελοποίησης και ελέγχου για συστήματα δέσμευσης άνθρακα με διαλύτες αλλαγής φάσης και αποδεικνύει ότι οι διαλύτες αλλαγής φάσης μπορούν να μειώσουν σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας, να βελτιώσουν την επιχειρησιακή ευελιξία και να προσφέρουν μεγαλύτερη ανθεκτικότητα παρουσία ρύπων σε σύγκριση με τους συμβατικούς διαλύτες. Το έργο παρέχει μια ισχυρή βάση για περαιτέρω προόδους στον τομέα της δέσμευσης CO₂ και προσφέρει πρακτικές λύσεις για βιομηχανικές εφαρμογές μεγάλης κλίμακας.