Optimal design and operability of solvent-based post combustion CO2 capture processes

Abstract

A generalized framework for the optimal design of post-combustion CO2 capture processes is proposed. Structural blocks including the column section, heat transfer blocks as well as stream splitters and mixers enable the generation and evaluation of alternative flowsheet configurations within a non-linear optimization program. The proposed design framework is used for the optimal design of a number of alternative flowsheets for the separation of CO2 from an industrial flue gas stream using a variety of amine solvents. These flowsheets illustrate the various connection patterns between the process units and indicate suitable distribution of process driving forces through which the overall efficiency can be drastically enhanced. Interactions between the alternative solvents and process flowsheets are revealed during process operation and the performance of each candidate solvent/flowsheet pair is assessed using qualitative and quantitative considerations. Heat integration between the different processes within the CO2 capture plant as well as between the capture plant and the adjacent CO2 emitting plant are considered. Further, an integrated design and operability framework is also proposed. Within this framework the simultaneous assessment, rank ordering, and screening of various solvent, flowsheet configuration and control structure combinations is realized. The investigation of the steady state and dynamic effects that the process parameters and exogenous disturbances impose on the system for a given control structure is performed using steady state disturbance rejection analysis. Quantification of each system’s capabilities is performed with the aid of a controllability index. The diverse inherent system properties such as the structure of the selected flowsheet configuration of the nature of the employed solvent constitute additional design features that diversify the process response. The performed sensitivity analysis generates useful insights regarding the control structure selection and the range of parameter variations within which the candidate processes demonstrate optimum performance. Furthermore, it allows the adaptive modification of the process design characteristics in order to enhance process operability. Additionally, the evaluation of the system’s dynamic controllability results in a mapping of its open loop dynamic characteristics including the identification of operating regions of instability, oscillatory behavior or slow response.

Στην παρούσα διατριβή προτείνεται ένα γενικευμένο πλαίσιο για το βέλτιστο σχεδιασμό διεργασιών δέσμευσης CO2 καύσης που βασίζεται σε ένα ευέλικτο μοντέλο ισορροπίας σε συνδυασμό με την τεχνική της ορθογώνιας ταξιθεσίας σε πεπερασμένα στοιχεία. Δομικές μονάδες όπως το τμήμα της στήλης διαχωρισμού, μονάδες μεταφοράς θερμότητας καθώς και διαχωριστές και αναμίκτες ρευμάτων επιτρέπουν τη δημιουργία και αξιολόγηση εναλλακτικών διαγραμμάτων ροής μέσα σε ένα μη-γραμμικό πρόγραμμα βελτιστοποίησης. Το προτεινόμενο πλαίσιο σχεδιασμού χρησιμοποιήθηκε για το βέλτιστο σχεδιασμό ενός αριθμού εναλλακτικών διαγραμμάτων ροής για τον διαχωρισμό του CO2 από ένα ρεύμα απαερίων. Αυτά τα διαγράμματα ροής απεικονίζουν τις διάφορες μορφές σύνδεσης μεταξύ των μονάδων επεξεργασίας και υποδεικνύουν κατάλληλη κατανομή των κινητήριων δυνάμεων με στόχο την ενίσχυση της απόδοσης της διεργασίας. Προσδιορίστηκαν οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των εναλλακτικών διαλυτών και διαγραμμάτων ροής και η απόδοση του κάθε υποψηφίου ζεύγους διαλύτη / διαγράμματος ροής αξιολογήθηκε με χρήση ποιοτικών και ποσοτικών δεικτών. Θεωρήθηκε ακόμα η ενεργειακή ολοκλήρωση μεταξύ των διαφόρων διεργασιών μέσα στη μονάδα δέσμευσης CO2, καθώς και μεταξύ της μονάδας δέσμευσης και της παρακείμενης μονάδας παραγωγής CO2. Επιπλέον, προτείνεται ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο βέλτιστου σχεδιασμού και λειτουργικότητας. Μέσα σε αυτό πραγματοποιήθηκε η ταυτόχρονη αξιολόγηση και ιεράρχηση διάφορων συνδυασμών διαλυτών, διαγραμμάτων ροής και δομών ελέγχου. Η εξερεύνηση των χαρακτηριστικών σε μόνιμη κατάσταση και των δυναμικών αποκρίσεων σε εξωγενείς διαταραχές για μια δεδομένη δομή ελέγχου έγινε με τη χρήση μεθόδου αντιστάθμισης διαταραχών. Οι διαφορετικές εγγενείς ιδιότητες των συστημάτων, όπως η δομή του επιλεγμένης διαγράμματος ροής και η φύση του διαλύτη αποτελούν πρόσθετα χαρακτηριστικά σχεδιασμού που διαφοροποιούν την απόκριση της διεργασίας. Η ανάλυση ευαισθησίας παράγει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με την επιλογή της δομής ελέγχου και το εύρος των διακυμάνσεων των παραμέτρων εντός των οποίων οι υποψήφιες διεργασίες επιδεικνύουν τη βέλτιστη απόδοση. Επιπλέον, επιτρέπει την τροποποίηση των σχεδιαστικών χαρακτηριστικών της διεργασίας, προκειμένου να ενισχυθεί η λειτουργικότητα της. Ακόμα, καθίσταται δυνατή η αξιολόγηση της δυναμικής συμπεριφοράς των συστημάτων μέσω της χαρτογράφησης των δυναμικών χαρακτηριστικών ανοικτού βρόχου και του προσδιορισμού των περιοχών που σχετίζονται με αστάθεια, ταλαντωτική συμπεριφορά ή αργή απόκριση.