Μοντελοποίηση της διεργασίας απορρόφησης/εκρόφησης CO2 και H2S σε υδατικά διαλύματα ανθρακικού καλίου με πιπεραζίνη

Μάνου, Κωνσταντίνα; Manou, Konstantina

dc.contributor.author	Μάνου, Κωνσταντίνα	el
dc.contributor.author	Manou, Konstantina	en
dc.date.accessioned	2017-03-08T08:24:21Z
dc.date.available	2017-03-08T08:24:21Z
dc.date.issued	2017-03-08
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44555
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5964
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείρηση Ενέργειας”	el
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	Δέσμευση διοξειδίου του άνθρακα	el
dc.subject	Υποκατάστατο φυσικού αερίου	el
dc.subject	Καθαρισμός υδροθείου	el
dc.subject	Μοντελοποίηση	el
dc.subject	Carbon capture	en
dc.subject	ELECNRTL	en
dc.subject	Aspen Plus	en
dc.subject	Acid gases (CO2 and H2S)	en
dc.subject	Όξινα αέρια (CO2 και H2S)	el
dc.subject	Piperazine	en
dc.subject	Hot potassium carbonate process	en
dc.subject	Υδατικό διάλυμα ανθρακικού καλίου	el
dc.subject	Πιπεραζίνη	el
dc.subject	Hydrogen sulfide removal	en
dc.subject	Coal to SNG	en
dc.title	Μοντελοποίηση της διεργασίας απορρόφησης/εκρόφησης CO2 και H2S σε υδατικά διαλύματα ανθρακικού καλίου με πιπεραζίνη	el
dc.title	Modeling of CO2 and H2S absorption/desorption process in aqueous potassium carbonate solutions promoted by piperazine	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Καθαρισμός αερίου	el
heal.classification	Gass processing	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-09-27
heal.abstract	Στη παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε ο καθαρισμός των όξινων αερίων CO2 και Η2S που περιέχονται σε αέριο σύνθεσης προερχόμενο από αεριοποίηση με ατμό, το οποίο προορίζεται να μετατραπεί σε SNG (Substitute Natural Gas) μέσω μεθανοποίησης. Ως διαλύτης χρησιμοποιήθηκε το υδατικό διάλυμα ανθρακικού καλίου αφού οι συνθήκες του αερίου και συγκεκριμένα η υψηλή πίεση (20 bar) αλλά και θερμοκρασία (800 οC), καθιστούσαν τη χρήση του αποδοτική. Το ενδιαφέρον στράφηκε στην επίτευξη των προδιαγραφών σύστασης αερίου που θέτονται από τη διεργασία της μεθανοποίησης με τη καλύτερη δυνατή ενεργειακή απόδοση. Συγκεκριμένα, ο λόγος H2/CO του καθαρισμένου αερίου έπρεπε να ήταν ίσος τουλάχιστον με τρία και η περιεκτικότητα του σε H2S να ήταν μικρότερη του 1 ppmv. Οι συνθήκες του αεριοποιητή ήταν τέτοιες ώστε ο λόγος H2/CO του αερίου σύνθεσης να ικανοποιείται και δεν υπήρχε κίνδυνος αλλοίωσης του καθώς η διεργασία καθαρισμού φάνηκε να βελτιώνει ελαφρά την τιμή του. Η μοντελοποίηση της διεργασίας πραγματοποιήθηκε στο λογισμικό Aspen Plus V8.6 όπου πρώτο βήμα αποτέλεσε η επιλογή τoυ κατάλληλου μοντέλου επίλυσης καθώς και η αξιολόγηση του βάσει πειραματικών δεδομένων ισορροπίας υγρού-ατμού των προς καθαρισμό συστατικών CO2 και Η2S. Έχοντας ηλεκτρολυτικό σύστημα, το μοντέλο που εφαρμόστηκε ήταν το ELECNRTL αφού προσφέρει ευελιξία για τον υπολογισμό των συντελεστών ενεργότητας σε διαλύματα πολύ χαμηλής αλλά και υψηλής συγκέντρωσης. Για την εκτέλεση των υπολογισμών της ατμώδους φάσης χρησιμοποιήθηκε η καταστατική εξίσωση Redlich-Kwong-Soave, καθώς συνίσταται για διεργασίες επεξεργασίας αερίων και είναι αποδεκτή σε συστήματα υψηλών πιέσεων. Κατά την αξιολόγηση της σύγκλισης των αποτελεσμάτων του ELECNRTL με τα πειραματικά δεδομένα φάνηκε ότι οι αποκλίσεις ήταν σημαντικές καθιστώντας αναγκαία την προσαρμογή των παραμέτρων αλληλεπίδρασης ζεύγους μορίων-ιόντων. Η προσαρμογή των παραμέτρων του CO2 βασίστηκε σε δεδομένα της βιβλιογραφίας ενώ του Η2S έγινε μέσω ανάλυσης παλινδρόμησης. Ακολούθησε η μελέτη της ενεργειακής απόδοσης της διεργασίας και της απόδοσης καθαρισμού Η2S για 95 % CO2 δέσμευση και σύσταση ανθρακικού καλίου ίση με 30 wt. % καθώς η συγκεκριμένη σύσταση συνίσταται στις περισσότερες εφαρμογές. Για το σκοπό αυτό το διάγραμμα ροής σχεδιάστηκε ως ανοικτού βρόγχου ώστε να επιτευχθεί καλύτερη σύγκλιση και μικρότεροι υπολογιστικοί χρόνοι. Στην συνέχεια ορίστηκαν οι επιθυμητές προδιαγραφές σχεδιασμού εκτελέστηκε πλήθος αναλύσεων ευαισθησίας για την μελέτη της επιρροής βασικών παραμέτρων του συστήματος (π.χ. λόγος ανθράκωσης διαλύτη εισόδου, πιέσεις λειτουργίας των στηλών, θερμοκρασία ψύξης του διαλύτη). Επειδή ο διαλύτης ανθρακικού καλίου χαρακτηρίζεται από αργούς ρυθμούς δέσμευσης CO2 θεωρήθηκε σκόπιμη η ενίσχυση της απόδοσης του μέσω προσθέτων. Στην συγκεκριμένη εργασία ως ενισχυτής χρησιμοποιήθηκε η πιπεραζίνη καθώς έχει φανεί στη βιβλιογραφία ότι η χρήση της ως πρόσθετο είναι ιδιαίτερα ελκυστική καθώς βελτιώνει το ρυθμό δέσμευσης CO2 και αυξάνει τη χωρητικότητα του διαλύτη. Οι θερμοδυναμικές και φυσικοχημικές ιδιότητες των ιόντων της πιπεραζίνης πάρθηκαν από τη βιβλιογραφία καθώς οι βιβλιοθήκες του Aspen δεν περιείχαν στοιχεία. Για το σχηματισμό των τριαδικών μιγμάτων K2CO3-PZ-H2O, θεωρήθηκε σκόπιμο η συγκέντρωση του Κ2CO3 να κυμανθεί στο εύρος 3.5 – 6.5 m K+ που αντιστοιχεί σε 19.5 – 31 wt. % K2CO3. Η προσθήκη πιπεραζίνης έγινε σε μολαρική αναλογία 0.1, 0.2 και 0.3 σε σχέση με το περιεχόμενο καλίου. Φάνηκε ότι η ενεργειακή απόδοση της μονάδας κατά τη χρήση των μιγμάτων βελτιώνεται με την αύξηση της συγκέντρωσης K2CO3, για το λόγο αυτό ως τελική συγκέντρωση K2CO3 επιλέχθηκε το 6.5 m K+. Τα τρία μίγματα που προέκυψαν, ήταν τα 6.5mΚ+/0.65 mPZ (PZ.0.1), 6.5mΚ+/1.3mPZ (PZ.0.2), 6.5mΚ+/1.95mPZ (PZ.0.3) και ακολούθησε η σύγκρισή τους με το απλό ανθρακικό κάλιο. Συμπερασματικά, η προσθήκη πιπεραζίνης ιδικά σε αναλογία 0.3 φάνηκε να βελτιώνει την χωρητικότητα του διαλύτη και να μειώνει την ενεργειακή απαίτηση. Παρόλα αυτά ο καθαρισμός H2S στα μίγματα K2CO3/PZ ήταν λιγότερο αποτελεσματικός σε σχέση με το απλό Κ2CO3, ενώ το όριο του 1 ppmv ήταν πολύ δύσκολο να επιτευχθεί ακόμα και με τη χρήση του Κ2CO3.	el
heal.abstract	The specific master thesis is regarding acid gas removal (H2S and CO2) of synthesis gas, coming from coal steam gasification and is intended for SNG (Substitute Natural Gas) production via methanation. For the cleaning process the utilized solvent was aqueous potassium carbonate since the synthesis gas conditions, especially the high pressure (20 bar) and temperature (800 oC) where extremely favorable for its efficiency. Intention was the cleaned gas to fulfill the strict restrictions imposed by the methanation process with the lower feasible energy consumption. Specifically, the cleaned gas molar ration H2/CO should be at least three, while the H2S content had to be lower than 1 ppmv which is required for the protection of the methanator catalysts. The selected gasification technology produced synthesis gas that fulfills the H2/CO requirement and during the cleaning process it was observed that this ratio was slightly ameliorated. Process modelling performed in Aspen Plus V8.6 where first step was the selection of the proper Property Method and the model assessment regarding vapor-to-liquid (VLE) experimental data of CO2 και Η2S. Since solvent was a strong electrolyte, the selected model for the activity coefficient calculation was the ELECNRTL, cause is the most versatile electrolyte property method that can handle solutions with very low to very high concentrations. For the phase properties calculation the Redlich-Kwong-Soave equation was used as it is proposed for gas processing and its use is accepted for high pressure systems. During the convergence evaluation of ELECNRTL with the experimental data, the deviation was not negligible making it necessary to adjust the molecule-electrolyte interaction pair parameters. The modification of CO2 parameters was based on bibliography data while H2S parameters were fixed via regression. Afterwards, process energy efficiency and H2S cleaning were investigated for 95 % CO2 capture with 30 % wt. K2CO3 solution, as this concentration is proposed for the majority of the applications. The process flowsheet was designed as open loop for its better convergence and the shorter computational time. Design specifications were defined for the flowsheet so as to represent a close loop that executes 95 % CO2 capture and a variety of sensitivity analyses performed in order to determine the influence of basic system parameters (e.g. lean loading, operating pressures of absorber and stripper, cooling temperature of solvent). Due to the fact that aqueous potassium carbonate solution is characterized by slow reaction rate for the CO2 absorption, it was considered useful to enhance its performance by adding a promoter. The utilized promoter was piperazine since its addition in catalytic amounts has shown to exhibit fast rate of absorption and to increase the solvent capacity. The thermodynamic and physicochemical properties of piperazine ions were token from bibliography because they were not included in the Aspen databanks. For the formation of the ternaries mixtures, the K2CO3 concentration varied in the range 3.5 – 6.5 m K+ which corresponds to 19.5 – 31 wt. % K2CO3. Piperazine (PZ) was added in molar ratio 0.1, 0.2 and 0.3 in relation to the potassium content. It was observed that the system energy efficiency was enhancing by the increase of the K2CO3 content, so 6.5 m K+ was chosen as the final K2CO3 concentration. As a result the investigated mixtures with 6.5 m K+ and the three different PZ ratios were the 6.5mΚ+/0.65 mPZ (PZ.0.1), 6.5mΚ+/1.3mPZ (PZ.0.2) and 6.5mΚ+/1.95mPZ (PZ.0.3), which were compared with the K2CO3. In conclusion, the piperazine addition especially in the ratio of 0.3 increases the solvent capacity and improves the energy efficiency. However the H2S cleaning by the blends K2CO3/PZ was not so satisfying as by using K2CO3, while the limit of 1 ppmv was very difficult to be attained even with K2CO3.	en
heal.advisorName	Κακαράς, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κούκιος, Εμμανουήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	141 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true