Ενεργειακή και οικονομική αξιολόγηση διεργασιών μετατροπής διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμα

Κόντου, Αθηνά; Kontou, Athina

dc.contributor.author	Κόντου, Αθηνά	el
dc.contributor.author	Kontou, Athina	en
dc.date.accessioned	2022-02-28T19:12:33Z
dc.date.available	2022-02-28T19:12:33Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54871
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.22569
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
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	Μεθανόλη	el
dc.subject	Διοξείδιο του άνθρακα	el
dc.subject	Μετατροπή	el
dc.subject	Κόστος	el
dc.subject	Θερμοδυναμική	el
dc.subject	Κινητική	el
dc.subject	Methanol	en
dc.subject	Carbon dioxide	el
dc.subject	Conversion	el
dc.subject	Cost	el
dc.subject	Thermodynamic	el
dc.subject	Kinetic	el
dc.title	Ενεργειακή και οικονομική αξιολόγηση διεργασιών μετατροπής διοξειδίου του άνθρακα σε καύσιμα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Energy and economic evaluation of carbon dioxide conversion processes into fuel	en
heal.classification	Διεργασίες	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2021-10-07
heal.abstract	Τα τελευταία χρόνια ένα ζήτημα το οποίο απασχολεί ιδιαίτερα την ανθρωπότητα είναι το φαινόμενο της κλιματικής αλλαγής, το οποίο είναι απόρροια του φαινομένου του θερμοκηπίου. Στα πλαίσια της προσπάθειας για παγκόσμια μείωση των εκπομπών των αερίων του θερμοκηπίου, έχει δημιουργηθεί έντονο ενδιαφέρον για την εδραίωση τεχνολογιών, που αποσκοπούν στην ελάττωση των εκπομπών αυτών και ειδικά των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα. Πέρα από την δέσμευση και αποθήκευση άνθρακα (Carbon Capture and Storage, CCS), οι προσπάθειες εστιάζονται στην χρήση του δεσμευμένου διοξειδίου του άνθρακα, άμεσα ως πρώτη ύλη (Carbon Capture and Utilization, CCU), για παραγωγή άλλων χρήσιμων χημικών ουσιών, όπως για παράδειγμα για την παραγωγή μεθανόλης. Τέτοιες διεργασίες μετατροπής, ωστόσο, απαιτούν υψηλά ποσά ενέργειας, τα οποία πρέπει να προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές, για να έχει νόημα η χημική ανακύκλωση του διοξειδίου του άνθρακα. Στο πλαίσιο αυτό, στην παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιείται μελέτη και οικονομική αξιολόγηση της διεργασίας της χημικής ανακύκλωσης του διοξειδίου του άνθρακα προς παραγωγή μεθανόλης. Για τον σκοπό αυτό αναπτύσσεται το διάγραμμα ροής της διεργασίας στο υπολογιστικό περιβάλλον Aspen Plus V8.8. Αρχικά, στα πλαίσια της μοντελοποίησης της διεργασίας, απαραίτητη είναι η επιλογή του κατάλληλου θερμοδυναμικού μοντέλου, ώστε να διασφαλιστεί η ορθή θερμοδυναμική περιγραφή της ισορροπίας φάσεων του συστήματος. Για την περιγραφή της ατμώδους και της υγρής φάσης του συστήματος επιλέγεται το μοντέλο RK-ASPEN, το οποίο χρησιμοποιεί την κυβική καταστατική εξίσωση Soave-Redlich-Kwong. Έμφαση δίνεται στην περιγραφή της ατμώδους φάσης, επειδή στις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας της διεργασίας τα σύστημα βρίσκεται σε ατμώδη φάση. Οι δυαδικοί συντελεστές αλληλεπίδρασης των συστατικών και οι παράμετροι πρόβλεψης της τάσης ατμών των καθαρών συστατικών, που διατίθενται στην βάση δεδομένων του Aspen Plus, αξιολογούνται σε σχέση με τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα ισορροπίας φάσεων των δυαδικών μιγμάτων και των πειραματικών τάσεων ατμών, αντίστοιχα, και γίνεται προσαρμογή των παραμέτρων όπου απαιτείται. Το προσαρμοσμένο θερμοδυναμικό μοντέλο είναι επαρκές για την αξιόπιστη περιγραφή πολυσυστατικών μιγμάτων πλούσια σε υδρογόνο. Έπειτα, μελετώνται οι κινητικές των αντιδράσεων παραγωγής μεθανόλης, καθώς είναι εξίσου σημαντικές για την ακριβή περιγραφή της διεργασίας. Δεδομένου ότι δεν είναι διαθέσιμα στην ανοιχτή βιβλιογραφία δεδομένα βιομηχανικής κλίμακας, η προσομοίωση βασίζεται στα αποτελέσματα αντίστοιχης προσομοίωσης της βιβλιογραφίας. Μελετάται η κινητική έκφραση που βασίζεται στα πειραματικά δεδομένα των Graaf et al.1, που ακολουθεί τον μηχανισμό Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW), η οποία χρησιμοποιείται και στην προσομοίωση της διεργασίας της αντίστοιχης δημοσίευσης. Για την περιγραφή του αντιδραστήρα, πραγματοποιείται αντικατάσταση των σταθερών ισορροπίας των αντιδράσεων του συστήματος με αυτές που υπολογίζονται μέσω της εξίσωσης Van’t Hoff και προσαρμογή των κινητικών σταθερών των ρυθμών των αντιδράσεων. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης είναι παρόμοια με αυτά της βιβλιογραφίας, με τις μεγαλύτερες διαφορές να παρατηρούνται στις συστάσεις της μεθανόλης και του νερού, στις στήλες διαχωρισμού. Τα αποτελέσματα της παρούσας εργασίας θεωρούνται περισσότερο αντιπροσωπευτικά, λόγω των προσαρμογών που γίνονται στο θερμοδυναμικό και στο κινητικό μοντέλο. Αφού καταστρωθεί το διάγραμμα ροής της διεργασίας και ολοκληρωθεί η προσομοίωση, διεξάγεται παραμετρική ανάλυση ως προς διάφορες λειτουργικές μεταβλητές του τμήματος αντίδρασης, με σκοπό τον προσδιορισμό των βέλτιστων συνθηκών λειτουργίας. Εξετάζονται παράμετροι, όπως η πίεση και η θερμοκρασία λειτουργίας του αντιδραστήρα, η αναλογία των αντιδρώντων συστατικών και η καθαρότητα του ρεύματος υδρογόνου που τροφοδοτείται στον αντιδραστήρα. Φαίνεται ότι η συγκέντρωση του υδρογόνου επηρεάζει περισσότερο την μετατροπή της αντίδρασης, με καθαρότερη τροφοδοσία υδρογόνου, να οδηγεί σε αυξημένη της μετατροπής του διοξειδίου του άνθρακα και απόδοσης παραγωγής μεθανόλης στον αντιδραστήρα. Η κατανάλωση ενέργειας ανά κιλό μεθανόλης είναι σχεδόν σταθερή μέχρι τα 60 bar, ενώ παρουσιάζει απότομη αύξηση μετά τα 65 bar, με την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας να ελαχιστοποιείται στα 50 bar. Συνεπώς, η βέλτιστη πίεση λειτουργίας του αντιδραστήρα, που θεωρήθηκε για τη βασική προσομοίωση είναι τα 50 bar. Η θερμοκρασία έχει αρνητική επίδραση στη μετατροπή ισορροπίας, καθώς οι αντιδράσεις σύνθεσης μεθανόλης είναι εξώθερμες και ευνοούνται σε χαμηλές θερμοκρασίες, παρόλο που με την αύξηση της θερμοκρασίας ευνοείται το κινητικό κομμάτι. Η αύξηση της θερμοκρασίας της αντίδρασης οδηγεί σε αύξηση της μετατροπής έως τους 250οC, ενώ παράλληλα πλησιάζει ολοένα και περισσότερο στην χημική ισορροπία. Στο τελευταίο κομμάτι της εργασίας, πραγματοποιείται μία προκαταρτική οικονομική αξιολόγηση της διεργασίας, ενώ αξιολογούνται τα κόστη για την περίπτωση χρήσης «πράσινου» και «μπλε» υδρογόνου. Από την ανάλυση αυτή, συμπεραίνεται ότι το 98% του συνολικού ετήσιου κόστους αποδίδεται στα λειτουργικά κόστη της διεργασίας, εκ των οποίων το 93% οφείλεται στο υψηλό κόστος παραγωγής του υδρογόνου. Το υπόλοιπο 2% αποδίδεται στο πάγιο κόστος, από το οποίο σχεδόν το 40% το κατέχει το πάγιο κόστος της μονάδας των μοριακών κοσκίνων. Το συνολικό ετήσιο κόστος ανά τόνο παραγόμενης μεθανόλης ανάγεται σε 1803 EUR/tn για «πράσινο» υδρογόνο, σε 804 EUR/tn και σε 645 EUR/tn για «μπλε» υδρογόνο με ή χωρίς CCS, αντίστοιχα. Το συνολικό ετήσιο κόστος ανά τόνο διοξειδίου του άνθρακα ανέρχεται σε 731 EUR/tn, 306 EUR/tn και 239 EUR/tn, αντίστοιχα. Καθώς η χρήση υψηλής καθαρότητας «πράσινου» υδρογόνου καθιστά την διεργασία μη ελκυστική, αξιολογείται το κόστος για χρήση μικρότερης καθαρότητας υδρογόνο (95% κ.β.), από όπου, προκύπτει μείωση στις απαιτήσεις της αναγέννησης κατά 0.3% ετησίως. Ωστόσο, προκύπτει 0.2% αύξηση στο πάγιο κόστος του εξοπλισμού, το οποίο καταλογίζεται στον επιπλέον εναλλάκτη θερμότητας που προστίθεται. Έτσι, ενώ μειώνεται το συνολικό ετήσιο κόστος ανά τόνο διοξειδίου του άνθρακα κατά 0.3%, το συνολικό ετήσιο κόστος ανά τόνο μεθανόλης αυξάνεται κατά 0.7%. Τέλος, μελετάται η επίδραση του μεγέθους της μονάδας στο κόστος προϊόντος. Γίνεται αύξηση της τροφοδοσίας του διοξειδίου του άνθρακα, τέτοια ώστε η μονάδα να μπορεί να ανταπεξέλθει στις απαιτήσεις των εκπομπών βιομηχανικών μονάδων τσιμέντου και αλουμινίου της Ελλάδος. Η αύξηση του μεγέθους της μονάδας οδηγεί σε μικρή μείωση του συνολικού ετήσιου κόστους ανά τόνο διοξειδίου του άνθρακα και ανά τόνο μεθανόλης.	el
heal.abstract	In recent years an issue that is of particular concern to humanity is the phenomenon of climate change, which is a consequence of the greenhouse effect. As part of the effort to reduce global emissions of greenhouse gases, there has been a strong interest in consolidating technologies designed to reduce such emissions, especially carbon dioxide emissions. In addition to carbon capture and storage (CCS), efforts focus on the use of carbon dioxide, directly as a raw material (Carbon Capture and Utilization (CCU), to produce other uses of chemicals, such as methanol. However, such conversion processes require high amounts of energy, which must come from renewable sources in order for chemical recycling of carbon dioxide to make sense. So in the present work, a study and economic evaluation of the process of chemical recycling of carbon dioxide to methanol production is carried out. For this purpose, the process flowchart in the Aspen Plus V8.8 environment is developed. Initially, in the context of process modeling, it is necessary to select the appropriate thermodynamic model, in order to ensure the correct thermodynamic description of the phase balance of the system. The RK-ASPEN model is chosen to describe the vapor and the liquid phase of the system, which uses the Soave-Redlich-Kwong cubic equation of state. Emphasis is placed on the description of the vapor phase, because under the pressure and temperature conditions of the process the system is in the vapor phase. The binary interaction coefficients and the vapor pressure prediction parameters of the pure components available in the Aspen Plus database are evaluated in relation to the available phase equilibrium experimental data of the binary mixtures and the experimental vapor saturation pressure, The adapted thermodynamic model is sufficient for the reliable description of hydrogen-rich multicomponent mixtures. Then, the kinetics of methanol production are studied, as they are equally important for the accurate description of the process. As industrial scale data is not available in the open literature, the simulation is based on the results of a corresponding simulation available in literature. In this work, it is studied the kinetic expression based on the experimental data of Graaf et al.2, which follows the Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson (LHHW) mechanism, which is also used in the simulation of the corresponding publication. For the reactor description, the equilibrium constants of the reactions involved are replaced with those calculated by the Van’t Hoff equation and the reaction rate kinetic constants are adjusted accordingly. The simulation results are close to those of the literature, with the largest differences being observed in methanol and water compositions at the separation columns. The results of this work are more representative, due to the adjustments made to the thermodynamic and kinetic model. Once the process flow chart is made and the simulation is completed, a parametric analysis is performed on several operating variables of the reaction section, to determine the optimal operating conditions. Parameters such as the pressure and operating temperature of the reactor, the ratio of reactants and the purity of the hydrogen stream fed to the reactor are examined. It seems that the concentration of hydrogen has the greatest impact on the reaction conversion, with a cleaner hydrogen supply, leading to an increase in the conversion of carbon dioxide and the efficiency of methanol production in the reactor. The energy consumption per kilo of methanol is almost constant up to 60 bar, while it shows a sharp increase after 65 bar, with the electricity consumption being minimized to 50 bar. Therefore, the optimum operating pressure of the reactor, which was considered for the base case simulation is 50 bar. Temperature has negative effect on equilibrium conversion, as methanol synthesis reactions are exothermic and are favored at low temperatures. Although with increasing the reactor temperature the kinetic part is favored. The increase of the reaction temperature leads to an increase of the conversion up to 250οC, while at the same time it is getting closer and closer to the chemical equilibrium. In the last part of the work, a preliminary financial evaluation of the process is performed, while the costs for the case of use of "green" and "blue" hydrogen are evaluated. From this analysis, it is concluded that 98% of the total annual cost is attributed to the operating costs of the process, of which 93% is due to the high cost of hydrogen production. The remaining 2% of the total annual cost is attributed to the fixed cost, of which almost 40 % is held by the fixed cost of the molecular sieve unit. The total annual cost per ton of methanol produced is reduced to 1803 EUR/tn for "green" hydrogen, 804 EUR/tn and 645 EUR/tn for "blue" hydrogen with or without CCUS, respectively. The total annual cost per ton of carbon dioxide is 731 EUR/tn, 306 EUR/tn and 239 EUR/tn, respectively. As the use of high purity "green" hydrogen makes the process unattractive, the cost of using lower purity hydrogen (95% by weight) is estimated, which results in a 0.3% reduction in regeneration requirements per year. However, there is a 0.2% increase in the fixed cost of equipment. which is charged to the additional heat exchanger added. Thus, while reducing the total annual cost per ton of carbon dioxide by 0.3%, the total annual cost per ton of methanol increases by 0.7%. Finally, the effect of unit size on product cost is studied. The carbon dioxide feed is increased, so that the unit can meet the requirements of emissions of cement and aluminum industrial units in Greece. The increase in the size of the unit leads to a small reduction in total annual costs per ton of carbon dioxide per ton of methanol.	en
heal.advisorName	Βουτσάς, Επαμεινώνδας
heal.committeeMemberName	Καρώνης, Δημήτριος
heal.committeeMemberName	Μαγουλάς, Κωνσταντίνος
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ). Εργαστήριο Θερμοδυναμικής και Φαινομένων Μεταφοράς	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	220
heal.fullTextAvailability	false