Θερμοδυναμική ανάλυση συστημάτων δέσμευσης Διοξειδίου του Άνθρακα

Πρέντζα, Λουκία

dc.contributor.author	Πρέντζα, Λουκία	el
dc.date.accessioned	2019-05-07T06:24:55Z
dc.date.available	2019-05-07T06:24:55Z
dc.date.issued	2019-05-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48646
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2970
dc.rights	Default License
dc.subject	ΧΗΜΙΚΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ	el
dc.subject	ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΔΕΣΜΕΥΣΗΣ CO2	el
dc.subject	ΔΥΝΑΜΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ	el
dc.subject	ΦΥΣΙΚΗ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗ	el
dc.subject	ΕΞΕΡΓΕΙΑΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ	el
dc.subject	CHEMICAL ABSORPTION	en
dc.subject	CARBON CAPTURE SYSTEMS	en
dc.subject	DYNAMIC NODEL	en
dc.subject	EXERGY ANALYSIS	en
dc.subject	PHYSICAL ADSORPTION	el
dc.title	Θερμοδυναμική ανάλυση συστημάτων δέσμευσης Διοξειδίου του Άνθρακα	el
dc.title	THERMODYNAMIC ANALYSIS OF CARBON CAPTURE SYSTEMS	en
dc.contributor.department	ΤΟΜΕΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-03-28
heal.abstract	Το πεδίο έρευνας της Διδακτορικής Διατριβής είναι τα Συστήματα Δέσμευσης Διοξειδίου του Άνθρακα ή Carbon Capture and Storage (CCS) systems, με έμφαση στις εφαρμογές χημικής απορρόφησης και φυσικής προσρόφησης. Κύριος στόχος της έρευνας είναι η διερεύνηση των διαφόρων παραμέτρων λειτουργίας που επιδρούν στην απόδοση αυτών των διεργασιών με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας. Η προσέγγιση των συστημάτων πραγματοποιείται τόσο μέσα από προσομοιώσεις και για τις δύο τεχνολογίες όσο και μέσω πειραματικής διερεύνησης για τη χημική απορρόφηση. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση περιγράφει τις διαθέσιμες τεχνολογίες δέσμευσης διοξειδίου του άνθρακα αλλά επικεντρώνεται κυρίως στη χημική απορρόφηση και τη φυσική προσρόφηση. Για τις δύο αυτές μεθόδους διερευνώνται οι σύγχρονες τεχνικές, οι κύριες προσεγγίσεις προσομοίωσης τους καθώς και αντιπροσωπευτικά στατικά και δυναμικά μοντέλα. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται στο λογισμικό Matlab® ένα στατικό μοντέλο ρυθμού αντίδρασης το οποίο προσομοιώνει τη χημική απορρόφηση και πραγματοποιείται επικύρωσή του για δύο υδατικά διαλύματα αλκανολαμινών, της Μονοαιθανολαμίνης (ΜΕΑ) και της 2-Άμινο-2-μέθυλο-1-προπανόλης (AMP). Το μοντέλο προσομοιώνει τα δύο κύρια τμήματα της διάταξης, δηλαδή τον απορροφητή και τον αναγεννητή όπου πραγματοποιείται ανάκτηση του διαλύματος. Οι προβλέψεις του μοντέλου τόσο για τον απορροφητή όσο και για τον αναγεννητή επικυρώνονται μέσω σύγκρισης με πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία παρουσιάζοντας ικανοποιητικές προβλέψεις των διαφόρων παραμέτρων. Η επικύρωση του μοντέλου ακολουθείται από παραμετρική ανάλυση η οποία ποσοτικοποιεί την επίδραση των διαφόρων παραμέτρων στην διαδικασία. Η μελέτη ευαισθησίας που διενεργείται δείχνει ότι η παροχή εισόδου του αερίου καθώς και η θερμοκρασία εισόδου του υγρού είναι οι κύριες παράμετροι που επηρεάζουν την απόδοση της δέσμευσης CO2 και την απαιτούμενη ενέργεια αναγέννησης στον εκροφητή. Η σύγκριση μεταξύ των δύο διαλυμάτων που μελετήθηκαν επιβεβαιώνει την υπεροχή της ΜΕΑ ως απορροφητικό μέσο έναντι της AMP. Το ολοκληρωμένο σύστημα δέσμευσης με χημική απορρόφηση προσομοιώθηκε και στο εμπορικό λογισμικό Aspen Plus. Η διάταξη αποτελείται από δύο στήλες με πληρωτικό υλικό, τον απορροφητή και τον αναγεννητή, τον αναβραστήρα και τον εναλλάκτη θερμότητας. Το σύστημα μοντελοποιήθηκε για δύο περιπτώσεις διαλυμάτων αμινών, ένα υδατικό διάλυμα ΜΕΑ και ένα διάλυμα του μείγματος MDEA/PZ. Το διάλυμα MDEA/PZ δεσμεύει το 99% του ρύπου από το καυσαέριο ενώ το διάλυμα ΜΕΑ το 80%, για τις συγκεκριμένες συνθήκες. Για τα δύο συστήματα υπολογίστηκε ο ολικός εξεργειακός βαθμός απόδοσης θεωρώντας τη διάταξη ως ένα ολοκληρωμένο θερμοδυναμικό σύστημα. Η ολική εξεργειακή απόδοση βρέθηκε υψηλότερη για την περίπτωση του μείγματος MDEA/PZ. Υπολογίζοντας επιμέρους βαθμούς απόδοσης για τις στήλες της διάταξης, ο απορροφητής παρουσίασε χαμηλότερους βαθμούς απόδοσης και για τα δύο διαλύματα, σε σχέση με τον αναγεννητή ο οποίος παρουσιάζει ελαφρώς υψηλότερες τιμές. Συνολικά, το σύστημα παρουσιάζει υψηλότερους βαθμούς απόδοσης τόσο σε μακροσκοπικό επίπεδο όσο και σε επίπεδο επιμέρους τμημάτων. Επιπλέον, η ανάλυση έδειξε ότι η διάταξη MDEA/PZ απαιτεί 5% χαμηλότερη ενέργεια στον αναγεννητή σε σχέση με την περίπτωση της ΜΕΑ. Τέλος, πραγματοποιήθηκε προσομοίωση διάταξης υγροποίησης CO2 με τη μέθοδο Linde-Hampson. Στη συνέχεια μελετήθηκε η περίπτωση ταυτόχρονης δέσμευσης CO2 και H2S από ρεύματα φυσικού αερίου με χρήση δύο τύπων διαλύματος, ΜΕΑ και MDEA. Διενεργήθηκαν παραμετρικές προσομοιώσεις με σκοπό τη ανάλυση της επιλεκτικότητας των δύο αμινών στον ένα ρύπο ένταντι του άλλου. Επιπρόσθετα, προσομοιώθηκε η δυναμική συμπεριφορά του απορροφητή στις διατάξεις χημικής απορρόφησης. Η μαθηματική λύση του προβλήματος επιτεύχθηκε με την ανάπτυξη ενός κώδικα σε Matlab® με εφαρμογή της μεθόδου των πεπερασμένων διαφορών. Μελετήθηκαν διάφορα σενάρια διακύμανσης λειτουργίας με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων για τη δυναμική συμπεριφορά του συστήματος. Οι επιμέρους παράμετροι που μελετήθηκαν είναι οι παροχές εισόδου των δύο ρευστών, οι θερμοκρασίες τους, οι λόγοι παροχών και η συγκέντρωση του διαλύματος. Εξετάζοντας το μεταβατικό φαινόμενο, η απόκριση του συστήματος σε μεταβολές της παροχής αερίου είναι άμεση ενώ στην περίπτωση μεταβολών της υγρής παροχής το σύστημα χρειάζεται χρόνο περίπου δύο λεπτών μέχρι να σταθεροποιηθεί σε νέα σταθερή λειτουργία για την εξεταζόμενη περίπτωση. Στη συνέχεια , αναπτύχθηκε υπολογιστικός κώδικας σε Matlab® που προσομοιώνει το στάδιο προσρόφησης της διαδικασίας δέσμευσης με εναλλαγή πίεσης. Το μοντέλο βασίζεται στα μοντέλα ισόθερμων των Toth και Langmuir και στην Linear Driving Force (LDF) προσέγγιση. Από τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας προέκυψε σετ διαφορικών εξισώσεων το οποίο επιλύθηκε με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών. Το δυναμικό μοντέλο επικυρώθηκε μέσω σύγκρισης με πειραματικές καμπύλες διάσπασης από τη βιβλιογραφία για τον ζεόλιθο 13Χ. Πραγματοποιήθηκαν παραμετρικές προσομοιώσεις με σκοπό τον προσδιορισμό της επίδρασης της παροχής και της θερμοκρασίας του αερίου στη διαδικασία της προσρόφησης και στις καμπύλες διάσπασης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αύξηση της θερμοκρασίας προσρόφησης οδηγεί σε σημαντική μείωση του χρόνου διάσπασης λόγω της επιδείνωσης της προσροφητικής ικανότητας του υλικού. Το μοντέλο εφαρμόστηκε και για άλλα 3 υλικά: τον ζεόλιθο EMC1, τον ενεργοποιημένο άνθρακα και τη μεταλλική οργανική δομή Mg-MOF-74. Από την σύγκριση των υλικών προέκυψε ότι το Mg-MOF-74 επέδειξε σημαντικά μεγαλύτερους χρόνους διάσπασης σε σχέση με τα άλλα υλικά επιτυγχάνοντας πιο αποδοτική διεργασία. Τέλος, η διαδικασία της χημικής απορρόφησης διερευνήθηκε και πειραματικά μέσω του σχεδιασμού και της κατασκευής δύο πειραματικών διατάξεων οι οποίες κατασκευάστηκαν στο Εργαστήριο με υλικά χαμηλού κόστους. Στόχος της πειραματικής διερεύνησης είναι η επιβεβαίωση των θεωρητικών παρατηρήσεων και η συλλογή πειραματικών δεδομένων που επικυρώνουν τα αναπτυχθέντα μοντέλα. Το μοντέλο επικυρώθηκε και με χρήση ίδιων πειραματικών δεδομένων και επιβεβαιώθηκαν πειραματικά παρατηρήσεις που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις.	el
heal.sponsor	Η διδακτορική διατριβή υλοποιήθηκε με υποτροφία του ΙΚΥ η οποία χρηματοδοτήθηκε από την Πράξη «Πρόγραμμα χορήγησης υποτροφιών για μεταπτυχιακές σπουδές δευτέρου κύκλου σπουδών» από πόρους του ΕΠ «Ανάπτυξη Ανθρώπινου Δυναμικού, Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση», 2014-2020 με τη συγχρηματοδότηση του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταμείου (Ε.Κ.Τ) και του Ελληνικού Δημοσίου.	el
heal.advisorName	ΚΟΡΩΝΑΚΗ, ΕΙΡΗΝΗ	el
heal.committeeMemberName	ΡΟΓΔΑΚΗΣ, ΕΜΜΑΝΟΥΗΛ	el
heal.committeeMemberName	ΑΝΤΩΝΟΠΟΥΛΟΣ, ΚΙΜΩΝ	el
heal.committeeMemberName	ΣΑΓΙΑ, ΑΘΗΝΑ	el
heal.committeeMemberName	ΧΟΥΝΤΑΛΑΣ, ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΤΖΙΒΑΝΙΔΗΣ, ΧΡΗΣΤΟΣ	el
heal.committeeMemberName	ΓΙΑΚΟΥΜΗΣ, ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ	el
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	243
heal.fullTextAvailability	true