Ενεργειακή ολοκλήρωση Λιγνοκυτταρινούχου Βιοδιυλιστηρίου

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στην ανάλυση των ενεργειακών απαιτήσεων ενός υπο μελέτη λιγνοκυτταρινούχου βιοδιυλιστηρίου και στην ανάπτυξη μεθοδολογίας για την αξιολόγηση και επιλογή των διεργασιών που εξασφαλίζουν τη μέγιστη ενεργειακή εξοικονόμηση, εάν ολοκληρωθούν συνολικά. Τα τελικά προϊόντα που θα παραχθούν είναι θέμα επιλογής, που καθορίζεται από την εξασφάλιση της βιωσιμότητας του βιοδιυλιστηρίου. Για το λόγο αυτό, απαιτείται μια μεθοδολογία που θα ανιχνεύει όλα τα πιθανά μονοπάτια παραγωγής και θα αξιολογεί το καθένα από αυτά ως προς τις ενεργειακές τους απαιτήσεις σε θερμή και ψυχρή παροχή. Η βέλτιστη λύση που επιλέγεται είναι το μονοπάτι που έχει τις ελάχιστες απαιτήσεις θερμής και ψυχρής παροχής και παρουσιάζει μέγιστη ανάκτηση θερμότητας από την ολοκλήρωση των ανεξάρτητων διεργασιών του ως μια συνολική Μονάδα. Το βιοδιυλιστήριο που εξετάζεται έχει τροφοδοσία 18,75 tn/h ξηρής λιγνοκυτταρινούχας βιομάζας και αποτελείται από τη κεντρική διεργασία (Κλασμάτωση Βιομάζας με Οργανικά Οξέα) που παράγει τρία ενδιάμεσα προϊόντα - λιγνίνη, C5 και C6 σάκχαρα - και από διεργασίες που συνδέονται με αυτήν και μετατρέπουν τα ενδιάμεσα σε τελικά προϊόντα, τα οποία είναι: οι PF Ρητίνες και η Πολυουρεθάνη από τη λιγνίνη, η Αιθανόλη και η Ξυλιτόλη (με βιοτεχνολογική και καταλυτική διεργασία) από τα C5 σάκχαρα, και το Ιτακονικό Οξύ και η Αιθανόλη από τα C6 σάκχαρα. Η προσομοίωση των διεργασιών γίνεται στο Aspen Plus V7.2, προκειμένου να εκτιμηθούν οι απαιτήσεις των διεργασιών αυτών σε θερμή και ψυχρή παροχή. Μετά την εξαγωγή των δεδομένων γίνεται ενεργειακή ολοκλήρωση κάθε διεργασίας χωριστά με τη μέθοδο του Κόμβου Ανάσχεσης, σχεδιάζοντας κατάλληλα τα ενεργοβόρα συστήματα διαχωρισμού (αποστακτικές στήλες και εξατμιστήρες), ώστε να είναι δυνατή η ολοκλήρωσή τους με τα ρεύματα των διεργασιών, και υπολογίζεται η ελάχιστη απαίτηση θερμής και ψυχρής παροχής. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί ως εργαλείο την Ανάλυση Συνολικής Μονάδας, με βαθμό ελευθερίας τον αριθμό των διεργασιών που θα υλοποιηθούν στη συνολική Μονάδα. Ανιχνεύοντας όλα τα επιτρεπτά μονοπάτια παραγωγής, γίνεται υπολογισμός των αναγκών θερμής και ψυχρής παροχής για όλους τους δυνατούς συνδυασμούς των διεργασιών που βρίσκονται σε κάθε μονοπάτι, ολοκληρωμένες πλέον ως ενιαίες Μονάδες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, ολοκληρώνοντας τις διεργασίες των μονοπατιών σε συνολικές Μονάδες, μπορεί να επιτευχθεί εξοικονόμηση που κυμαίνεται από 63,9 έως 83,3 % για την θερμή παροχή και 70,9 έως 84,4 % για την ψυχρή παροχή. Η βέλτιστη ενεργειακά επιλογή είναι το μονοπάτι “Κλασμάτωση Βιομάζας – βιοΞυλιτόλη – Ιτακονικο Οξύ – PF Ρητίνες” με εξοικονόμηση θερμής και ψυχρής παροχής κατά 83,3% και 84,4 % αντίστοιχα. Οι αρχικές ανάγκες του μονοπατιού αυτού υπολογίστηκαν σε 226,44 ΜW θερμής παροχής και 228,59 ΜW ψυχρής παροχής, ενώ η τελική λύση που προτείνεται απαιτεί 37,83 ΜW και 35,75 ΜW θερμής και ψυχρής παροχής αντίστοιχα.

The purpose of this thesis is to analyse the energy demands of an under study lignocellulosic biorefinery and to develop a methodology for the selection of valorization paths which ensure maximum energy savings when integrated as total sites. The final products are a matter of choice, determined by the objective for sustainability of the biorefinery. Therefore, a methodology, able to detect all possible production paths and evaluate their energy demands, is required. The optimum solution is the path with minimum energy demands of hot and cold utility and maximum energy recovery by integrating all plants into a total Site. The studied biorefinery has a feed of 18,75 tn/h dry lignocellulosic biomass and consists of a main plant that produces three chemical intermediates – lignin, C5 and C6 Sugars – and other plants that are branched to convert the intermediates to the final products, which are Lignin based PF Resins and Polyurethane, C5 Sugar based Ethanol and Xylitol (biological and catalytic process) and C6 Sugar based Itaconic Acid and Ethanol. All processes are simulated in Aspen Plus V7.2 in order to evaluate hot and cold utility demands. When data are extracted, each process is integrated independently using Pinch Analysis, making necessary modifications to all energy intensive separation units (distillation colums, evaporators) in order to integrate them with process streams, and minimum hot and cold utility demands are calculated. The methodology developed uses Total Site Analysis as a synthesis tool, while the number of processes, which constitute the total site, is a degree of freedom. After detecting all feasible production paths, minimum hot and cold utility demamds are calculated for all possible process integration scenarios, considering them as total sites. The results indicate that, by integrating all the processes in a total site, there are energy savings in a range of 63,9 to 83,3 % and 70,9 to 84,4 % of Heating and Cooling Duties, respectively. The optimum solution refers to the path “Organosolv – bio-Xylitol – Itaconic Acid – PF Resins” which has max energy savings of 83,3 and 84,4 % of Heating and Cooling Duties, respectively. The initial needs of this path were calculated to be 226,44 MW and 228,59 ΜW of hot and cold utility, respectively, while the corresponding values of the final solution are 37,83 MW and 35,75 MW.