Optimal design and operability of solvent-based post-combustion CO2 capture processes
Creators: name: Δαμαρτζής, Θεόδωρος Σ.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2016
Subjects: Δέσμευση CO2
Βέλτιστος σχεδιασμός
Λειτουργικότητα διεργασιών
Διαλύτες
CO2 capture
Optimal design
Process operability
Solvents

description: Στην παρούσα διατριβή προτείνεται ένα γενικευμένο πλαίσιο για το βέλτιστο σχεδιασμό διεργασιών δέσμευσης CO2 καύσης που βασίζεται σε ένα συστημικό και ευέλικτο μοντέλο ισορροπίας σε συνδυασμό με την τεχνική της ορθογώνιας ταξιθεσίας σε πεπερασμένα στοιχεία. Στο πλαίσιο αυτό, το τμήμα της στήλης διαχωρισμού χρησιμεύει ως η δομική μονάδα για τον σχεδιασμό των εναλλακτικών διεργασιών διαχωρισμού. Το τμήμα της στήλη διαχωρισμού σε συνδυασμό με τη δομική μονάδα μεταφοράς θερμότητας, καθώς και διαχωριστές και αναμίκτες ρευμάτων επιτρέπουν τη δημιουργία και αξιολόγηση εναλλακτικών διαγραμμάτων ροής μέσα σε ένα μη-γραμμικό πρόγραμμα βελτιστοποίησης. Το προτεινόμενο πλαίσιο σχεδιασμού χρησιμοποιείται για τον βέλτιστο σχεδιασμό ενός αριθμού εναλλακτικών διαγραμμάτων ροής για τον διαχωρισμό του CO2 από ένα ρεύμα απαερίων από μια βιομηχανική μονάδα με χρήση αμινών. Αυτά τα διαγράμματα ροής απεικονίζουν τις διάφορες μορφές σύνδεσης μεταξύ των μονάδων επεξεργασίας και υποδεικνύουν κατάλληλη κατανομή των κινητήριων δυνάμεων με στόχο την ανίσχυση της απόδοσης της διεργασίας. Ο βέλτιστος σχεδιασμόςγίνεται με βάση την ελαχιστοποίηση του συνολικού κόστους για όλα τα ζεύγη των διαλυτών και διαγραμμάτων ροής. Έγινε ο προσδιορισμός των βέλτιστων σημείων λειτουργίας για τον αποτελεσματικό διαχωρισμό απαερίων καύσης που προέρχονται από βιομηχανικές μονάδες. Προσδιορίστηκαν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των εναλλακτικών διαλυτών και διαγραμμάτων ροής και η απόδοση του κάθε υποψηφίου ζεύγους διαλύτη / διαγράμματος ροής αξιολογήθηκε με τη χρήση ποιοτικών και ποσοτικών δεικτών. Θεωρήθηκε ακόμα η ενεργειακή ολοκλήρωση μεταξύ των διαφόρων διεργασιών μέσα στη μονάδα δέσμευσης CO2, καθώς και μεταξύ της μονάδας δέσμευσης και της παρακείμενης μονάδας παραγωγής CO2. Επιπλέον, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο βέλτιστου σχεδιασμού λειτουργικότητας. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο πραγματοποιήθηκε η ταυτόχρονη αξιολόγηση και ιεράρχηση των διαφόρων συνδυασμών διαλυτών, διαγραμμάτων ροής και δομών ελέγχου. Η εξερεύνηση των χαρακτηριστικών σε μόνιμη κατάσταση και οι δυναμικές αποκρίσεις της διεργασίας αε εξωγενείς διαταραχές για μια δεδομένη δομή ελέγχου γίνεται με τη χρήση παραμετρικής ανάλυσης ευαισθησίας σε διαταραχές. Η ποσοτικοποίηση των δυνατοτήτων του κάθε συστήματος για αντιστάθμιση διαταραχών γίνεται με τη βοήθεια ενός κατάλληλα διαμορφωμένου δείκτη ελεγξιμότητας. Οι διαφορετικές εγγενείς ιδιότητες του συστήματος, όπως η δομή του επιλεγμένης διαγράμματος ροής και της φύσης του χρησιμοποιούμενου διαλύτη αποτελούν πρόσθετα χαρακτηριστικά σχεδιασμού που διαφοροποιούν την απόκριση της διαδικασία κατά τις επιβαλλόμενες διαταραχές. Η ανάλυση ευαισθησίας παράγει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την επιλογή της δομής ελέγχου και το εύρος των διακυμάνσεων των παραμέτρων εντός των οποίων οι υποψήφιες διεργασίες επιδεικνύουν τη βέλτιστη απόδοση. Επιπλέον, επιτρέπει την προσαρμοστική τροποποίηση των χαρακτηριστικών του σχεδιασμού της διαδικασίας, συμπεριλαμβανομένων των διαθέσιμων επιλογών διαλύτη και διαγράμματος ροής, προκειμένου να ενισχυθεί η λειτουργικότητα της διεργασίας. Επιπλέον καθίσταται δυνατή η αξιολόγηση της δυναμικής συμπεριφοράς των συστημάτων μέσω της χαρτογράφησης των δυναμικών χαρακτηριστικών ανοικτού βρόχου, συμπεριλαμβανομένου του προσδιορισμού των περιοχών που σχετίζονται με αστάθεια, ταλαντωτική συμπεριφορά ή αργή απόκριση. Έτσι, ο σχεδιασμός του συστήματος ελέγχου μπορεί να γίνει στοχεύοντας στη μετατόπιση των πόλων του κλειστού βρόχου του συστήματος σε θέσεις που που αντιστοιχούν σε αποδεκτές δυναμικές επιδόσεις.
description: A generalized framework for the optimal design of post-combustion CO2 capture processes based on a systemic and flexible equilibrium separation model that employs orthogonal collocation on finite elements (OCFE) techniques is proposed. Within this context, a column section of adaptive separation capability and functionality serves as the fundamental structural block for the identification of efficient separation schemes. Separation column sections in combination with heat transfer blocks as well as stream splitters and mixers enable the generation and evaluation of alternative flowsheet configurations within a non-linear optimization program. The proposed design framework is used for the optimal design of a number of alternative flowsheet configurations for the separation of CO2 from an industrial flue gas stream using a variety of amine solvents. These flowsheets illustrate the various connection patterns between the process units and indicate suitable distribution of process driving forces through which the overall efficiency can be drastically enhanced. Design optimization is performed on the basis of minimization of the total process costs for all pairs of solvents and flowsheets. The identification of the optimal operating points during the operation of the CO2 capture plant for the efficient separation of flue gas streams derived from industrial CO2 emitting plants of variable scales is performed. Interactions between the alternative solvents and process flowsheets are revealed during process operation and the performance of each candidate solvent/flowsheet pair is assessed using qualitative and quantitative considerations. Finally, heat integration between the different processes within the CO2 capture plant as well as between the capture plant and the adjacent CO2 emitting plant are considered. Further, an integrated design and operability framework is also proposed. Within this framework the simultaneous assessment, evaluation, rank ordering, and screening of various solvent, flowsheet configuration and control structure combinations is realized. The investigation of the steady state and dynamic effects that the process parameters and exogenous disturbances impose on the system for a given control structure is performed using steady state disturbance rejection analysis. Quantification of each system’s capabilities in terms of disturbance rejection is performed with the aid of a suitably formulated controllability index. The diverse inherent system properties such as the structure of the selected flowsheet configuration of the nature of the employed solvent constitute additional design features that diversify the process response to under the imposed variability. In turn, the performed sensitivity analysis generates useful insights regarding the control structure selection and the range of parameter variations within which the candidate processes demonstrate optimum performance. Furthermore, it allows the adaptive modification of the process design characteristics, inclusive of the available solvent and flowsheet options, in order to enhance process operability.Additionally, the evaluation of the system’s dynamic controllability results in a mapping of its open loop dynamic characteristics including the identification of operating regions of instability, oscillatory behavior or slow response. Thus, appropriate modifications on the process design or the design of the control scheme can be then targeted towards the relocation of the system’s closed loop poles to positions that favor acceptable dynamic performance.