Process simulation and Life Cycle Assessment of ceramic pigments production

Alifieris, Olympios; Αλιφιέρης, Ολύμπιος

dc.contributor.author	Alifieris, Olympios	en
dc.contributor.author	Αλιφιέρης, Ολύμπιος	el
dc.date.accessioned	2020-11-07T06:48:25Z
dc.date.available	2020-11-07T06:48:25Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51809
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19507
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	LCA	en
dc.subject	Ceramic pigments	en
dc.subject	SimaPro	en
dc.subject	Aspen Plus	en
dc.subject	TiO2	en
dc.subject	Διοξείδιο του τιτανίου	el
dc.subject	Κεραμικές χρωστικές	el
dc.subject	Ανάλυση κύκλου ζωής	el
dc.subject	Ανόργανες χρωστικές	el
dc.subject	Inorganic pigments	en
dc.subject	Pr-Zr yellow	en
dc.subject	Cr2O3 green	en
dc.subject	Κίτρινο του Pr-Zr	el
dc.subject	Πράσινο του Cr2O3	el
dc.subject	Τριοξείδιο του χρωμίου	el
dc.subject	Κίτρινο του πρασεοδυμίου-ζιρκονίου	el
dc.subject	Πράσινο του τριοξειδίου του χρωμίου	el
dc.subject	Praseodymium-zirconium yellow	en
dc.subject	Chromic oxide green	en
dc.subject	Titanium dioxide	en
dc.title	Process simulation and Life Cycle Assessment of ceramic pigments production	en
dc.title	Προσομοίωση και ανάλυση κύκλου ζωής της διεργασίας παραγωγής κεραμικών χρωστικών	el
dc.contributor.department	Τομέας Θερμότητας - Εργαστήριο ετερογενών μειγμάτων & συστημάτων καύσης	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Energy engineering	en
heal.classification	Mechanical Engineering	en
heal.language	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-06-26
heal.abstract	Οι ανόργανες χρωστικές χρησιμοποιούνται από τα προϊστορικά χρόνια, κυρίως λόγω των χρωματικών τους ιδιοτήτων, ενώ οι σύγχρονες χρωστικές χρησιμοποιούνται επίσης για τις προστατευτικές και μαγνητικές τους ιδιότητες. Μία υπο-κατηγορία των ανόργανων χρωστικών είναι οι κεραμικές χρωστικές, οι οποίες χρησιμοποιούνται κυρίως στη βιομηχανία κεραμικών λόγω της θερμικής και χημικής τους σταθερότητας και της υψηλής χρωματικής αντοχής τους. Η παρούσα μελέτη συγκεντρώνεται στη διαδικασία παραγωγής τριών κεραμικών χρωστικών οι οποίες χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία, μέσω της παραδοσιακής μεθόδου παραγωγής κεραμικών (πύρωση σε υψηλές θερμοκρασίες με χρήση περιστροφικού κλιβάνου): λευκό του διοξειδίου του Τιτανίου (ρουτίλιο TiO2), πράσινο του οξειδίου του Χρωμίου(ΙΙΙ) (Cr2O3) και κίτρινο του Ζιρκονίου – Πρασεοδυμίου [(Pr,Zr)SiO4]. Στο πρώτο μέρος της μελέτης, το στάδιο της πύρωσης κατά την παραγωγή κάθε χρωστικής προσομοιώθηκε στο «Aspen Plus», με στόχο να υπολογισθούν οι απαιτήσεις θερμότητας κατά την παραγωγή τους. Τα αποτελέσματα του TiO2 επικυρώθηκαν μέσω μίας δημοσιευμένης σε επιστημονικό περιοδικό μελέτης, ενώ η παραγωγή των υπόλοιπων χρωστικών βασίστηκε σε πατέντες των Η.Π.Α. και Ευρωπαϊκές πατέντες, καθώς και σε δημοσιευμένες μελέτες. Ανάλογα με την παραγόμενη χρωστική, οι ενεργειακές καταναλώσεις διαφέρουν, κυρίως λόγω των διαφορετικών αντιδράσεων που πραγματοποιούνται κατά την παραγωγή τους. Στο δεύτερο μέρος της μελέτης, τα αποτελέσματα από το «Aspen Plus», καθώς και τυπικές τιμές ηλεκτρικών και θερμικών καταναλώσεων ενός εργοστασίου, χρησιμοποιήθηκαν ώστε να διεξαχθεί μία ανάλυση κύκλου ζωής από το στάδιο της εξόρυξης των πρώτων υλών, μέχρι την παραγωγή του τελικού προϊόντος. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε είναι το «SimaPro» ενώ η παραγωγή των χρωστικών θεωρείται πως γίνεται εξολοκλήρου στην Ελλάδα. Το σύγχρονο Ελληνικό ενεργειακό σύστημα μοντελοποιήθηκε με τη χρήση δεδομένων από τα έτη 2018 έως 2020. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης κύκλου ζωής αποτελούνται από τις εκπομπές CO2 από ορυκτά καύσιμα σε kg, το δείκτη GWP(100) σε kg ισοδύναμου CO2 και την ενέργεια η οποία προέρχεται από μη-ανανεώσιμα (ορυκτά) καύσιμα σε ισοδύναμα MJ. Από την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων προκύπτει πως το μεγαλύτερο μέρος των εκπομπών κατά την παραγωγή των χρωστικών προέρχεται από τις διεργασίες παραγωγής και μεταφοράς των πρώτων υλών (από 50%, έως 97%), παρά από τη διεργασία της πύρωσης (από 1.2%, έως 30%). Τέλος, παρατίθενται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της συνδυασμένης χρήσης του Aspen Plus και του SimaPro.	el
heal.abstract	Inorganic pigments have been known and used since prehistoric times, mainly for their colouring properties, while modern pigments are also used for their protective or magnetic properties. One sub-category of inorganic pigments are ceramic pigments, which are predominately used in the ceramic industry due to their thermal and chemical stability and their high tinting strength. The current study focuses on three of the most widespread ceramic pigments, produced by the traditional ceramic route (calcination at high temperatures using a rotary kiln): Titanium dioxide white (rutile TiO2), Chromium(III) oxide green (Cr2O3) and Zirconium-Praseodymium yellow [(Pr,Zr)SiO4]. In the first part of the study, the calcination stage during the production process of each pigment is simulated in “Aspen Plus” in order to determine the thermal energy demand during their production. Titanium dioxide white results are validated using a relevant scientific paper, while the production of the other pigments is based on U.S. and European patents, as well as published papers. Depending on the produced pigment, heat requirements vary due to the different reactions occurring during the production of each pigment. In the second part of the study, results from “Aspen Plus”, along with further data regarding electrical and thermal consumptions of a production plant, are used to perform a Life Cycle Assessment (LCA) in “SimaPro”, using a cradle-to-gate approach. The production of each pigment is assumed to occur in Greece under current conditions. Therefore, existing datasets are updated and incorporated into the LCA software, towards modelling the current Greek electricity and natural gas production and imports respectively. Results of the LCA include the CO2 emissions from fossil fuels in kg, GWP(100) in kg of CO2 equivalent and energy from non-renewable (fossil) fuels required in MJ equivalent, all referring to the respective cases of producing 1 kg of pigment. Reviewing the LCA results, it is concluded that the biggest part of the emissions during the production of each pigment originates from the production and transportation of its starting materials (contributing from 50%, up to 97% of total CO2 emissions) and other facilities (electricity, production plant etc.), rather than the calcination process (contributing from 1.2%, up to 30% of total CO2 emissions). Finally, the major technical findings are summarized and the methodological advantages and disadvantages of the collaborative use of Aspen Plus and SimaPro are listed.	en
heal.advisorName	Φούντη, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Γιακουμής, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	132 p.	en
heal.fullTextAvailability	false