Modelling, simulation and optimisation of gas separation processes using Pressure/Vacuum Swing Adsorption (P/VSA) for efficient post-combustion carbon dioxide capture

Abstract

This thesis presents a mathematical modelling framework for the simulation and optimisation of P/VSA (Pressure/Vacuum Swing Adsorption) process for post-combustion CO2 capture from dry flue gas. The proposed modelling framework has been implemented in the gPROMS™ modelling environment. The model has been used to evaluate three available potential adsorbents for CO2 capture, namely, zeolite 13X, activated carbon and metal organic framework (MOF), Mg-MOF-74. The results from systematic comparative simulations demonstrate that zeolite 13X has the best process performance among the three adsorbents, in terms of CO2 purity and CO2 recovery. On the other hand, Mg-MOF-74 appears to be a promising adsorbent for CO2 capture, as it has considerably higher CO2 productivity compared to the other two adsorbents. Furthermore, process optimisation studies using zeolite 13X and Mg-MOF-74, have been performed to minimize energy consumption for specified minimum requirements in CO2 purity and CO2 recovery at nearly atmospheric feed pressures. The optimisation results indicate that the minimum target of 90% in CO2 purity and 90% in CO2 recovery is met for the single-stage VSA process for both adsorbents under different adsorption and desorption pressures thus resulting in different energy requirements. As a next step, an integrated two-stage P/VSA process for post-combustion CO2 capture from dry flue gas has been simulated and optimized. All possible combinations of two different types of adsorbents (zeolite 13X and Mg-MOF-74) have been employed, to study the effect of adsorbent type on key process performance indicators. The results from systematic comparative simulations demonstrate that the combination of adsorbents zeolite 13X − Mg-MOF-74 illustrates the best process performance, in terms of CO2 purity and CO2 recovery, followed by the use of zeolite 13X at both stages of the process. Furthermore, process optimisation studies employing the above combinations of adsorbents have been performed to minimize energy consumption for specified minimum requirements in CO2 purity and CO2 recovery. The optimisation results indicate that the minimum target of 95% in CO2 purity and 90% in CO2 recovery is met for the integrated two-stage P/VSA process, for both combinations of adsorbents under different adsorption and desorption pressures thus resulting in different energy requirements and CO2 productivities. Furthermore, a single-stage P/VSA process for CO2 capture from dry flue gas has been considered using new zeolite 13X-based adsorbents resulting from perturbation on the 13X zeolite isotherm. The modelling framework has been used to study and evaluate new zeolite 13X-based adsorbents for more efficient CO2 capture. The results from systematic comparative simulation studies demonstrate that a modified zeolite 13X-based adsorbent leads to a better process performance compared with the original zeolite 13X. Accordingly, process optimisation studies employing the above potential adsorbents are performed to minimize energy consumption for specified minimum requirements in CO2 purity and CO2 recovery. The optimisation results indicate that the minimum target of 95% in CO2 purity and 90% in CO2 recovery is easily met for the single-stage P/VSA process for both potential adsorbents under different adsorption and desorption pressures thus resulting in different energy requirements and CO2 productivities.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή γίνεται ανάπτυξη και εφαρμογή του μαθηματικού πλαισίου προσομοίωσης και βελτιστοποίησης με χρήση του περιβάλλοντος gPROMS™ για τη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) από απαέρια καύσης χρησιμοποιώντας διεργασία προσρόφησης με βαθμιδωτή μεταβολή πίεσης/κενού P/VSA (Pressure/Vacuum Swing Adsorption). Το προτεινόμενο μαθηματικό πλαίσιο αξιολογείται με σύγκριση με πειραματικά και θεωρητικά δεδομένα από την διεθνή βιβλιογραφία και παρουσιάζει καλή συμφωνία σε όρους διαφόρων δεικτών απόδοσης της διεργασίας. Γίνεται συστηματική εξέταση διαφόρων τύπων προσροφητικών υλικών (ζεόλιθος 13X, ενεργός άνθρακας, οργανομεταλλικές πορώδεις δομές MOFs) σε διεργασία P/VSA ενός σταδίου, καθώς επίσης και συνδυασμών προσροφητικών υλικών (ζεόλιθος 13Χ, οργανομεταλλικές πορώδεις δομές MOFs) σε διεργασία P/VSA δύο σταδίων με σκοπό τη σύγκριση της συμπεριφοράς τους σε σχέση με την ποιότητα διαχωρισμού για ένα εύρος λειτουργικών συνθηκών. Επιπλέον γίνεται συστηματική εξέταση νέων προσροφητικών υλικών που προκύπτουν από μεταβολή της ισοθέρμου ισορροπίας του 13Χ ζεολίθου σε διεργασία P/VSA ενός σταδίου και μελετάται η επίδραση του βέλτιστου σχεδιασμού του προσροφητικού υλικού των κλινών στην απόδοση λειτουργίας της διεργασίας και εξετάζονται πιθανά συνδυαστικά οφέλη μεταξύ προσροφητικού υλικού και διεργασίας P/VSA. Επίσης διεξάγονται μελέτες δυναμικής βελτιστοποίησης τόσο της διεργασίας P/VSA ενός σταδίου όσο και της διεργασίας P/VSA δύο σταδίων, κάτω από ρεαλιστικούς σχεδιαστικούς και λειτουργικούς περιορισμούς της διεργασίας με σκοπό την ελαχιστοποίηση της καταναλισκόμενης ενέργειας για προκαθορισμένες ελάχιστες απαιτήσεις στην καθαρότητα του CO2 και στην ανάκτηση του CO2. Από τις μελέτες δυναμικής βελτιστοποίησης προκύπτει ότι υπάρχει μια πολύπλοκη συσχέτιση μεταξύ των βέλτιστων δεικτών απόδοσης της διεργασίας P/VSA και των συνθηκών λειτουργίας που ποικίλει μεταξύ των διαφόρων προσροφητικών υλικών και δεν μπορεί να ποσοτικοποιηθεί με απλή σύγκριση των ισόθερμων προσρόφησης CO2/N2 και των διαφόρων φυσικοχημικών δεδομένων όπως π.χ. της εκλεκτικότητας ισορροπίας και της δυναμικότητας προσρόφησης-εκρόφησης ισορροπίας. Έχει έτσι δειχθεί ότι οι στρατηγικές μοντελοποίησης, προσομοίωσης και βελτιστοποίησης της διεργασίας P/VSA, παρέχουν τον πιο αξιόπιστο τρόπο για να αξιολογηθούν τόσο ποιοτικά, όσο και ποσοτικά διάφορα προσροφητικά υλικά καθώς επίσης και συνδιασμοί προσροφητικών υλικών για τη μέγιστη δέσμευση του CO2. Η διατριβή αυτή δείχνει ότι η διεργασία P/VSA δύο σταδίων είναι μια αποδοτική και υποσχόμενη βιομηχανική τεχνολογία δέσμευσης του CO2 εξαιτίας της σχετικά χαμηλότερης κατανάλωσης ενέργειας σε σχέση με την ανταγωνιστική διεργασία χημικής απορρόφησης του CO2 με χρήση μονοαιθανολαμίνης. Συμπερασματικά, για να γίνει πιο ανταγωνιστική η δέσμευση και η αποθήκευση του CO2 σε μια μελλοντική βιώσιμη αγορά ενέργειας, νέες καινοτόμες διεργασίες δέσμευσης CO2 απαιτούνται να αναπτυχθούν, οι οποίες να μπορούν να μειώσουν τόσο το κόστος δέσμευσης CO2, όσο και το συνολικό κόστος της πάγιας επένδυσης της εγκατάστασης. Η παρούσα διδακτορική διατριβή κινήθηκε επιτυχώς προς αυτήν την κατεύθυνση, με την συστηματική μελέτη μιας νέας γενιάς καινοτόμων προσροφητικών υλικών των οργανομεταλλικών πορώδων δομών (MOFs) και των νέων προσροφητικών υλικών που προκύπτουν από τη διαταραχή της ισοθέρμου ισορροπίας του 13Χ ζεολίθου και την αξιολόγηση της επίδρασης του βέλτιστου σχεδιασμού του προσροφητικού υλικού των κλινών στην απόδοση λειτουργίας της διεργασίας P/VSA.