Design and energy integration of a lignocellulosic biorefinery

Νικλάνοβιτς, Δήμητρα; Niklanovits, Dimitra

dc.contributor.author	Νικλάνοβιτς, Δήμητρα	el
dc.contributor.author	Niklanovits, Dimitra	en
dc.date.accessioned	2016-02-09T11:18:15Z
dc.date.available	2016-02-09T11:18:15Z
dc.date.issued	2016-02-09
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41957
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9517
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Βιοδιυλιστήρια	el
dc.subject	Λιγνοκυτταρινούχα βιομάζα	el
dc.subject	Προσομοίωση διεργασιών	el
dc.subject	Ενεργειακή ολοκλήρωση	el
dc.subject	Σύνθεση διεργασιών	el
dc.subject	Biorefineries	en
dc.subject	Lignocellulosic biomass	en
dc.subject	Process flowsheeting	en
dc.subject	Energy integration	en
dc.subject	Process synthesis	en
dc.title	Design and energy integration of a lignocellulosic biorefinery	en
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Σχεδιασμός ολοκληρωμένου λιγνοκυτταρινούχου βιοδιυλιστηρίου	el
heal.classification	Βιοδιυλιστήρια	el
heal.classification	Biorefining	en
heal.classificationURI	http://lod.nal.usda.gov/105327
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-07-07
heal.abstract	In this thesis project a lignocellulosic biorefinery which produces a big number of useful biochemicals was designed and integrated. Part of this thesis project took place in collaboration with EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne), in Lausanne. The finite source of the fossil fuels, as well as their major contribution in the increase of GHG emissions, led the developed countries to seek out for alternative renewable energy sources. One of the most effective and abundant source of this kind, is the lignocellulosic feedstock. For this reason, wheat straw, which belongs to this category, was used as feedstock for the designed biorefinery. Its main components are cellulose, hemicellulose and lignin, to which wheat straw disintegrates through a complex organosolv pretreatment process. Each process included in the biorefinery was designed and simulated in Aspen Plus V7.2, by taking into consideration their properties and the bioconversion technologies through which they are produced. After the full completion of the process design of the biorefinery, thermal, mass and economic data were extracted from the simulation results and were used for the energy integration of the biorefinery The energy integration of each process in a biorefinery is extremely important in order to ensure big energy savings in the final plant. In this thesis project, the energy integration was estimated with two different approaches. Firstly, Osmose, a linear programming program, was used, which was developed in EPFL. This program provided the ability to calculate the size of the defined additional utilities for each chemical path of the biorefinery. Additionally, the possible profitability of each final product was calculated. The energy savings for the integrated chemical paths were also calculated. For the second approach, a program based on the transshipment model developed by Papoulias and Grossman was created in GAMS. This time, each process was integrated individually. However, the important difference is that during this process, the most cost-efficient utility combination, through a series of utility combinations, is pointed out. The Grand Composite Curves for each process were designed. Again, the energy savings for each integrated process were indicated. Through the comparison of the results of these two methods, useful conclusions can occur regarding the profitability the energy requirements of the final products.	en
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία, θα σχεδιαστεί και θα ολοκληρωθεί ενεργειακά ένα βιοδιυλιστήριο το οποίο παράγει χρήσιμα βιοχημικά προϊόντα, κυρίως για τη σύνθεση βιοπλαστικών. Μέρος της εργασίας αυτής εκπονήθηκε σε συνεργασία με το πανεπιστήμιο EPFL στη Λωζάννη. Η πεπερασμένη διαθεσιμότητα πετρελαϊκών πηγών καθώς και η σοβαρή επιβάρυνση του περιβάλλοντος από τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα, οι οποίες οφείλονται κυρίως στην καύση των ορυκτών καυσίμων, οδήγησαν τις ανεπτυγμένες χώρες στην αναζήτηση νέων εναλλακτικών πηγών ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια, ιδιαίτερη μνεία γίνεται στη χρήση βιομάζας για την παραγωγή βιοκαυσίμων και βιοχημικών. Τα κύρια οφέλη που μπορεί να προσδώσει η ευρεία διάδοση τέτοιου είδους τεχνολογιών στη βιομηχανία είναι πρωτίστως η ανανεώσιμη φύση της βιομάζας, καθώς και οι μειωμένες εκπομπές αερίων του θερμοκηπίου κατά την επεξεργασίας της, σε σχέση με τα ορυκτά κλάσματα. Τα κλάσματα βιομάζας που χρησιμοποιούντο αρχικά ως πρώτη ύλη συμπεριελάμβαναν άμυλο, ζάχαρη, λίπη και φυτικά έλαια, το οποίο όμως δημιούργησε μια ανταγωνιστική σχέση μεταξύ της βιομηχανίας των βιοδιυλιστηρίων και της βιομηχανίας τροφίμων. Για το λόγο αυτό ξεκίνησαν να χρησιμοποιούνται πήγες βιομάζας δεύτερης γενιάς, οι οποίες δεν αποτελούν επιλογή για τροφή. Η κύρια κατηγορία της δεύτερης γενιάς και η περισσότερο υποσχόμενη, είναι η βιομάζα λιγνοκυτταρικής βάσης, όπως οι μη βρώσιμες καλλιέργειες, το άχυρο, το καλαμπόκι και το ξύλο. Το κοινό χαρακτηριστικό όλων αυτών των πηγών ενέργειας είναι ότι αποτελούνται από τρία βασικά δομικά χαρακτηριστικά: την κυτταρίνη, την ήμικυτταρίνη και τη λιγνίνη. Η αφθονία τέτοιων πηγών βιομάζας είναι ένας από τους λόγους που προτιμάται η χρησιμοποίηση λιγνοκυτταρίνης ως πρώτη ύλη ενός βιοδιυλιστηρίου Ως βιοδιυληστήριο, ορίζεται μια εργοστασιακή μονάδα παραγωγής η οποία ολοκληρώνει διάφορες διεργασίες μετατροπής της βιομάζας σε βιοκαύσιμα, βιοχημικά προϊόντα και ισχύ. Το πρώτο πράγμα που πρέπει να καθοριστεί κατά το σχεδιασμό ενός βιοδιυλιστηρίου είναι το είδος και ο τρόπος προεπεξεργασίας της βιομάζας, κάτι που αποτελεί μια ιδιαίτερα κοστοβόρα διαδικασία. Αυτό είναι και ένα από τα βασικά μειονεκτήματα της βιομάζας. Η σύνθεση και η αποθήκευση πρώτων υλών από βιομάζα είναι πιο περίπλοκη από το πετρέλαιο. Επίσης, η πρώτες ύλες της βιομάζας είναι πιο διάσπαρτες από τις πετρελαϊκές. Το γεγονός όμως ότι η αξιοποίηση τέτοιων πηγών ενέργειας μπορεί να βελτιώσει αισθητά την ποιότητα ζωής, απλά μετατρέπει αυτά τα προβλήματα σε προκλήσεις για την επιστημονική κοινότητα. Στο συγκεκριμένο βιοδιυλιστήριο που σχεδιάστηκε, ως πρώτη ύλη εισάγεται το στάχυ, το οποίο υπόκειται σε μια βιοχημική προεπεξεργασία με τη βοήθεια οξέων, η οποία σχεδιάστηκε από την εταιρεία CIMV στη Γαλλία. Έπειτα, προσδιορίστηκε η κατάλληλη τεχνολογία μετατροπής της βιομάζας ανάλογα με το επιθυμητό προϊόν. Οι τεχνολογίες αυτές χωρίζονται σε δυο μεγάλες κατηγορίες, τις θερμοχημικές (πυρόλυση, αεριοποίηση, κ.ά.) και τις βιοχημικές (ζύμωση, αναερόβια χώνεψη, υδρόλυση, υδρογόνωση). Στο συγκεκριμένο βιοδιυληστήριο θα εφαρμοστεί ένας συνδυασμός των παραπάνω τεχνολογιών. Στο σχεδιαζόμενο βιοδιυλιστήριο παράγονται διάφορα προϊόντα, κάθε ένα από τα οποία έχει ως πρώτη ύλη ένα από τα τρία βασικά κλάσματα της λιγνοκυτταρικής βιομάζας: τη λιγνίνη, τη γλυκόζη (υδρολυόμενη κυτταρίνη) ή τη ξυλόζη (υδρολυόμενη ημικυτταρίνη). Εφαρμόζοντας στη λιγνίνη ταχεία πυρόλυση, παράγονται φαινολικά ολιγομερή και βιοκάρβουνο, το οποίο μετά από έντονη πυρόλυση με παρουσία οξυγόνου, μετατρέπεται σε ενεργό άνθρακα. Ο ενεργός άνθρακας είναι ιδανικός για το φιλτράρισμα των αποβλήτων και των τοξικών χημικών από επιθυμητά προϊόντα, είτε υγρά είτε αέρια. Τα προϊόντα που παράγονται χρησιμοποιώντας ως πρώτη ύλη τη γλυκόζη είναι και τα περισσότερα. Το νάιλον-66, ένα χημικό το οποίο διακρίνεται για τη χημική του σταθερότητα, είναι ένα από αυτά. Η γλυκόζη υπόκειται σε ζύμωση και μετατρέπεται σε σακχαρικό οξύ, το οποίο με τη σειρά του υδρογονώνεται σε αδιπικό οξύ, το οποίο τελικά μετά από πολυμερισμό μεταμορφώνεται σε νάιλον-66. Επίσης, παράγονται πολυαμίδια των οποίων η δομή βασίζεται στην αντίδραση συμπύκνωσης μεταξύ μιας αμινομάδας και του φορανδοξυλικού οξέος (2,5-FDCA). Το χημικό αυτό παράγεται μέσω της ζύμωσης της 5-υδρομεξυμεθυλοφουρφουράλης (5-HMF) η οποία δημιουργείται μέσω της αφυδάτωσης της γλυκόζης. Τέτοιου είδους πολυμερή συναντούν πολλές εφαρμογές στη βιομηχανία των πλαστικών. Ένα άλλο βιολογικό πολυαμίδιο που παράγεται σε αυτό το βιοδιυλιστήριο είναι το φουρονικό πολυαιθυλένιο (PEF) μέσω του πολυμερισμού 2,5-FDCA σε συνδυασμό με αιθυλενογλυκόλη, η οποία προκύπτει από υδρογόνωση της γλυκόζης. Το πολυμερές PEF είναι ικανό να αντικαταστήσει επάξια το ευρέως διαδεδομένο πλαστικό PET. Τέλος, ποσότητα ισοσορβίτη παράγεται μέσω καταλυτικής αφυδρογόνωσης της σορβιτόλης, που με τη σειρά της δημιουργήθηκε μέσω υδρογόνωσης της γλυκόζης. Ο ισοσορβίτης που παράχθηκε, εισάγεται ως πρόσθετο στο PEF, κι έτσι δημιουργείται το ενισχυμένο πολυμερές, PEIF. Τα προϊόντα που παράγονται από τη ξυλόζη είναι σαφώς λιγότερα, αλλά εξίσου χρήσιμα στη βιομηχανία. Για παράδειγμα, το διισοκυανικό διφαινυλομεθάνιο (diisocyanate) παράγεται μέσω μιας καταλυτικής αντίδρασης από το 3,5-διμεθυλισοξαζόλιο (furamine) και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πολυουρεθανών ελαστομερών. Το διμεθυλισοξαζόλιο δημιουργείται από την αντίδραση αμμονίας με φουρφουράλη, η οποία προκύπτει μέσω της αφυδάτωσης της ξυλόζης. Τέλος, η ξυλιτόλη υπόκειται σε ζύμωση για την παραγωγή 1,2,4-βουτανετριόλης, η οποία νιτροποιείται για την παραγωγή τρινιτρικής 1,2,4-βουτανετριόλης. Όλες οι παραπάνω διεργασίες μοντελοποιήθηκαν στο Aspen Plus V7.2 λαμβάνοντας υπόψη της ιδιότητες και της θερμικές τους αντοχές, καθώς και τα όρια λειτουργίας των μονάδων που χρησιμοποιήθηκαν για τις αντιδράσεις μεταξύ διαφορετικών χημικών και για τους διαχωρισμούς μιγμάτων. Επίσης, σε όλες τις διεργασίες, η ποσότητα των πρώτων υλών που απέρριπτε το σύστημα, ανακυκλωνόταν στην τροφοδοσία με σκοπό την όσο το δυνατή μεγαλύτερη εξοικονόμηση. Μοντελοποιώντας διεργασίες στο πρόγραμμα αυτό, υπήρξε η δυνατότητα εξαγωγής των ενεργειακών και μαζικών ισοζυγίων για κάθε διεργασία, καθώς και οικονομικών δεδομένων που αφορούν το πάγιο κόστος της κάθε μιας. Εξίσου σημαντική όμως είναι και η ενεργειακή ολοκλήρωση της κάθε διεργασίας που ακολουθεί μετά τον αρχικό σχεδιασμό της, καθώς με τον τρόπο αυτό εξοικονομούνται τεράστια ποσά ενέργειας. Στη διπλωματική αυτή, έγινε ενεργειακή ολοκλήρωση των διεργασιών του βιοδιυληστηρίου με δύο διαφορετικές προσεγγίσεις. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε ένα πρόγραμμα γραμμικού προγραμματισμού, το Osmose, το οποίο κατασκευάστηκε στο EPFL σε μια πλατφόρμα του Matblab, και το οποίο τελεί ακόμα υπό βελτίωση. Μέσα από το συγκεκριμένο πρόγραμμα, το κάθε χημικό μονοπάτι της διεργασίας ολοκληρώθηκε ενεργειακά θεωρώντας ότι το σύνολο της ποσότητας των ενδιάμεσων προϊόντων που παράγονται, καταναλώνεται για την παραγωγή των τελικών προϊόντων. Έτσι, διαπιστώθηκαν το μέγεθος των ενεργειακών αναγκών για την παραγωγή του καθενός τελικού προϊόντος ξεχωριστά, σύμφωνα με τις θερμές και ψυχρές παροχές που ορίστηκαν. Εκτός από αυτό, υπολογίστηκε το πιθανό κέρδος που μπορεί να αποφέρει η παραγωγή του κάθε προϊόντος (τελικού πάντα), λαμβάνοντας υπόψη το κόστος των πρώτων υλών και την τιμή των προϊόντων και των παραπροϊόντων που είναι διαθέσιμα προς πώληση στην αγορά. Θεωρήθηκε ότι η εκάστοτε αγορά μπορεί να απορροφήσει όλη την ποσότητα χημικών που παράγεται από το βιοδιυλιστήριο. Διαπιστώθηκε ότι το μόνο επικερδές προϊόν ήταν το νάιλον-66. Τέλος, καταγράφηκε η ενεργειακή εξοικονόμηση για το κάθε ολοκληρωμένο χημικό μονοπάτι. Η δεύτερη προσέγγιση της ενεργειακής ολοκλήρωσης των διεργασιών του βιοδιυλιστηρίου έγινε κατασκευάζοντας ένα πρόγραμμα στο GAMS με βάση το μοντέλο μεταφόρτωσης (transshipment model) που έχει αναπτυχθεί από τους Papoulias και Grossman και βασίζεται ουσιαστικά στη μέθοδο Linnhoff. Αυτή τη φορά, κάθε διεργασία που περιλαμβάνεται στο βιοδιυλιστήριο ολοκληρώθηκε ενεργειακά ξεχωριστά. Η βασική διαφορά όμως είναι ότι το πρόγραμμα που κατασκευάστηκε επέτρεψε την ενεργειακή ολοκλήρωση της κάθε διεργασίας για πολλούς διαφορετικούς συνδυασμούς θερμών παροχών και τον υπολογισμό του βέλτιστου οικονομικά συνδυασμού. Συγκεκριμένα, τα 3 επίπεδα ατμών υψηλής πίεσης και τα 4 επίπεδα ψυχρών παροχών που επιλέχθηκαν έμειναν σταθερά για όλους τους συνδυασμούς. Τα επίπεδα ατμών που εναλλάσσονταν ανά τριάδες ήταν 6, μέσης και χαμηλής πίεσης. Από όλους αυτούς τους συνδυασμούς, τελικά στη βέλτιστη λύση προέκυψαν τα επίπεδα ατμών στις θερμοκρασίες 160 ̊C, 120 ̊C και 100 ̊C. Η λύση δίνει επίσης το μέγεθος της κάθε παροχής που απαιτείται για κάθε διεργασία. Επιπροσθέτως, το πρόγραμμα στο GAMS έτρεξε και μια φορά μόνο με τη θερμότερη και τη ψυχρότερη θερμή παροχή, έτσι ώστε να κατασκευαστεί το Μεγάλο Σύνθετο Γράφημα για κάθε διεργασία. Πάνω σε κάθε γράφημα φαίνονται τα επίπεδα και το μέγεθος των βέλτιστων παροχών, έτσι όπως ορίστηκαν από το πρόγραμμα. Και σε αυτή την προσέγγιση, υπολογίζεται η ενεργειακή εξοικονόμηση της κάθε διεργασίας, καθώς και το συνολικό ενεργειακό κόστος για την παραγωγή καθενός από τα τελικά προϊόντα. Τέλος, συμπεραίνεται ότι ενώ το Osmose είναι ένα εύχρηστο και αξιόπιστο εργαλείο, δε δίνει τη δυνατότητα της αυτόματης εύρεσης του πιο οικονομικού συνδυασμού ενεργειακών παροχών. Επίσης, δε λαμβάνει υπόψη του ότι η ενεργειακή ολοκλήρωση του συνόλου ενός χημικού μονοπατιού δεν είναι πάντα εφικτή στην πραγματικότητα. Δηλαδή, το γεγονός ότι ένα προϊόν χρησιμοποιείται για την παραγωγή κάποιου άλλου στο ίδιο βιοδιυλιστήριο, δε σημαίνει ότι βρίσκονται απαραίτητα σε κοντινή τοποθεσία. Η μεταφορά ενέργειας λοιπόν μεταξύ τους θα ήταν τεχνικά και οικονομικά ανέφικτη. Εν κατακλείδι, προτείνεται η συνέχιση της ενεργειακής ολοκλήρωσης αυτού του βιοδιυλιστηρίου στο πλαίσιο μιας Συνολικής Μονάδας, όπου θα λαμβάνει χώρα εναλλαγή θερμότητας μεταξύ διαφορετικών χημικών μονοπατιών. Κάτι τέτοιο θα επιφέρει ακόμα μεγαλύτερη εξοικονόμηση ενέργειας και συνεπώς χρημάτων.	el
heal.sponsor	EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne)	fr
heal.advisorName	Κοκόσης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Κοκόσης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Σαρίμβεης, Χαράλαμπος	el
heal.committeeMemberName	Καλογήρου, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	121 σ.
heal.fullTextAvailability	true