Optimal design and control of CO2 capture processes with phase-change solvents
Authors: Καζεπίδης Παναγιώτης 
Published: December 2024

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.