Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση εντατικοποιημένης 
διεργασίας παραγωγής μεθανόλης από CO2 με χρήση 
αντιδραστήρων μεμβρανών

Κάπονα, Φωτεινή; Kapona, Fotini

dc.contributor.author	Κάπονα, Φωτεινή	el
dc.contributor.author	Kapona, Fotini	en
dc.date.accessioned	2023-01-12T11:05:41Z
dc.date.available	2023-01-12T11:05:41Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56644
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.24342
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	Αντιδραστήρας πλάσματος	el
dc.subject	Αντιδραστήρας μεμβρανών	el
dc.subject	Methanol	en
dc.subject	Carbon dioxide	en
dc.subject	Plasma reactor	en
dc.subject	Membrane reactor	en
dc.subject	Εντατικοποιημένη διεργασία	el
dc.subject	Intensive process	en
dc.title	Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση εντατικοποιημένης διεργασίας παραγωγής μεθανόλης από CO2 με χρήση αντιδραστήρων μεμβρανών	el
dc.title	Design and optimization of an intensive process for the production of methanol from CO2 using membrane reactors	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Μηχανική Διεργασιών	el
heal.classification	Design and optimization	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-09-04
heal.abstract	Η επιτακτική ανάγκη μείωσης των παγκόσμιων αερίων του θερμοκηπίου και συγκεκριμένα CO2 επιβάλει την συνεχή μελέτη συμβατικών και νέων τεχνολογιών, συνδυαστικά και μη, αποβλέποντας στην απόδοση καινοτόμων γραμμών παραγωγής προϊόντων προστιθέμενης αξίας. Η αντικατάσταση συμβατικών βιομηχανιών με εναλλακτικές, στρέφει το ενδιαφέρον στην μελέτη τεχνολογίας πλάσματος. Τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά της τεχνολογίας αυτής την εντάσσουν σε μία θεωρητική ανάπτυξη και μελέτη γραμμής παραγωγής μεθανόλης με πρώτη ύλη το CO2από τα καυσαέρια του Βlast Furnace της βιομηχανίας ατσαλιού. Πέραν του αντιδραστήρα πλάσματος η αλυσίδα παραγωγής συνδυάζει τη συμβατική μέθοδο υγρής απορρόφησης CO2 από μονοαιθυλαμίνη με άλλες δύο εναλλακτικές διεργασίες που βασίζουν την διεκπεραίωση του σκοπού τους στην συνεργιστική δράση της αρχής λειτουργίας των μεμβρανών και αυτής των χημικών φαινομένων. Οι διεργασίες αυτές είναι η σύνθεση της μεθανόλης και η μερική οξείδωση του μεθανίου για την απαραίτητη παροχή Η2 στην παραγωγή της μεθανόλης. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν και βελτιστοποιήθηκαν οι διάφορες χαρακτηριστικές παράμετροι των επιλεχθέντων διεργασιών, με σκοπό την βέλτιστη απόδοση και παραγωγή τελικού προϊόντος. Στην διάταξη υγρής απορρόφησης οι παράμετροι οι οποίοι εξετάσθηκαν είναι 1) η ροή μονοαιθυλαμίνης, 2) ο λόγος επαναρροής, 3) η συνολική ροή εξόδου κορυφής στην στήλη εκρόφησης, 4) η θερμοκρασία εισόδου, 5) η πίεση και 6) ο αριθμός δίσκων στην στήλη εκρόφησης και απορρόφησης. Στους δύο αντιδραστήρες μεμβράνης μελετήθηκαν 1) οι θερμοκρασίες εισόδου, 2) οι πιέσεις λειτουργίας, 3) οι διάμετροι των μεμβρανών ενώ επιπρόσθετα για τον αντιδραστήρα μεμβράνης μερικής οξείδωσης μεθανίου μελετήθηκαν οι λόγοι εισόδου 4) Η2Ο/CΗ4 και 5) Ο2/CH4. Η προσομοίωση της συμβατικής τεχνολογίας δέσμευσης CO2 πραγματοποιήθηκε στο Αspen Plus V11 ενώ οι εναλλακτικές διεργασίες περιγράφηκαν με μαθηματικές εξισώσεις στο MATLAB. Μετα την δέσμευση του CO2 με απόδοση 98.8% στην διάταξη υγρής απορρόφησης αμινών, το CO2 τροφοδοτείται στον αντιδραστήρα πλάσματος, για την μετατροπή του σε CO. Ο αντιδραστήρας αυτός εντάχθηκε στην προσομοίωση ως εικονικό μοντέλο με βάση πειραματικά δεδομένα άλλης μελέτης τα οποία αποδίδουν τη μετατροπή του CO2 ίση με 60%. Το CO και το εναπομένον CO2 τροφοδοτούνται στον αντιδραστήρα διπλής μεμβράνης παραγωγής μεθανόλης στην ζώνη αντιδράσεων. Η τελευταία αποτελείται από εσωτερική μεμβράνη,τη μεμβράνη υδρόξυ-σοδαλίτη, που απομακρύνει το παραγόμενο Η2Ο και εξωτερική, τη μεμβράνη παλλαδίου, που μεταφέρει το αντιδρών Η2 που απαιτείται από την ζώνη μεταφοράς του στην ζώνη αντιδράσεων. Η απόδοση του αντιδραστήρα ως προς την παραγωγή μεθανόλης είναι 65% αποδίδοντας παραγωγή μεθανόλης 1.2 kg/sec. Το Η2 για την παραγωγή της προέρχεται από τα απαέρια του Coke Oven τα οποία πρώτα τροφοδοτούνται σε έναν δεύτερο αντιδραστήρα διπλής μεμβράνης μερικής οξείδωσης: μία μεμβράνη περβοσκίτη διαπερατή στο οξυγόνο του αέρα για την οξείδωση του μεθανίου και μίας διαπερατής στο παραγόμενο και υπάρχον Η2. Η αντίδραση μερικής οξείδωσης μεθανίου παρέχει την απαραίτητη ενέργεια για την διεκπεραίωση της ενδόθερμης αντίδρασης υγρής αναμόρφωσης μεθανίου. Συγκεκριμένα 78 mol% του μεθανίου καταναλώνεται κατά την αντίδραση υγρής αναμόρφωσης (ενδόθερμη) και 22 mol% καταναλώνεται κατά την μερική οξείδωση (εξώθερμη). Η απόδοση του συγκεκριμένου αντιδραστήρα ως προς την παραγωγή Η2 είναι 94%. Στο σύνολο αποδίδεται μία αναδυόμενη εναλλακτική εντατικοποιημένη διεργασία παραγωγής μεθανόλης που παρά την παρουσία των τεχνολογικών περιορισμών και τις ανάγκες περισσότερης μελέτης, η υλοποίηση της έχει προοπτική.	el
heal.abstract	The urgent need to reduce global greenhouse gases, specifically CO2, requires the continuous study of conventional and new technologies combined or not, with a view to increase the performance of innovative production chains of added-value products. The replacement of the conventional, energy intensive industries with greener approaches turns the interest to the study of Plasma Technology. The fundamental characteristics of this technology make it an ideal alternative for the theoretical development and study of a Methanol production chain with CO2 from Blast Furnace gases of steel mill industry being the chemical precursor. The production chain still combines the conventional CO2 chemical absorption technology method using mono-ethanol amine (MEA) in combination with two other alternative processes, that are based on the synergistic action of the operating principle of the Membranes and that of chemical reactions. Specifically, the various characteristic parameters of the selected processes were studied and optimized, with the aim of optimal performance and maximum production of the final product. The parameters examined in the chemical absorption technology are: 1) the monoethylamine flow, 2) the reflux ratio, 3) the total exit flow from the top of the desorption column 4) the inlet temperature, 5) the pressure and 6) the number of stages in the desorption and absorption column. For the two membrane reactors, 1) the inlet temperatures, 2) operating pressures and 3) membrane diameters were studied, while additionally for the methane partial oxidation membrane reactor, 1) the H2O/CH4 and 2) O2/CH4 inlet ratios were also examined. The simulation of the conventional processes in the production line was carried out in the Aspen environment while the alternative processes were described with mathematical equations in MATLAB. CO2 is captured with an efficiency of 98.8% in the liquid amine absorption setup, and it is fed to the plasma reactor, to be converted into CO. The plasma reactor was included in the simulation as a shortcut model based on experimental data from another study, with a CO2 conversion of 60%. CO and the residual CO2 are then fed to the membrane reactor for methanol production in the reaction zone. The reactor consists of two membranes, the inner membrane which is the hydroxy-sodalite membrane and removes the produced H2O, and the outer palladium membrane, which carries the H2 required for hydrogenation in the reaction zones. The efficiency of the reactor in terms of methanol production is 65%, which translates to a methanol production of 1.2 kg/sec. The H2 required for methanol production comes from Coke Oven gases also from the steel mill industry. These gases are first fed to another membrane reactor where partial oxidation of methane takes place for the amplification of the existing H2. The reactor consists of two membranes, a perovskite membrane permeable to the oxygen, which is needed for the oxidation of methane and one permeable to the produced and existing H2. The partial oxidation reaction provides the necessary energy to carry out the endothermic liquid methane reforming reaction for the H2 production. Specifically, 78 mol% of the methane is consumed during the liquid reforming reaction (endothermic) and 22 mol% is consumed during the partial oxidation (exothermic). The efficiency of the specific reactor in terms of H2 production is 94%. Overall, despite the occurrence of technological limitations, these results further support the emerging alternative method of methanol production and its prospects of being viable.	en
heal.advisorName	Στεφανίδης, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Καβουσανάκης, Μιχάλης	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	113 σ.
heal.fullTextAvailability	false