آنالیز حساسیت و بهینه سازی فرآیند بهبود یافته ی تراکم و خالص سازی CO2 با استفاده از روش سطح پاسخ

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، واحد ایرانشهر، دانشگاه آزاد اسلامی، ایرانشهر، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان، ایران

چکیده

امروزه انتشار کربن دی اکسید ناشی از احتراق سوخت­ های فسیلی به عنوان یکی از دلایل اصلی گرمایش کره­ی زمین و مشکلات ناشی از آن شناخته می­ شود. احتراق با اکسیژن به­ نسبت خالص (OFC) روشی موثر برای جداسازی CO2 از گاز احتراق است. واحد تراکم و خالص ­سازی کربن دی اکسید (CO2CPU) یکی از واحدهای صنعتی به نسبت جدید برای جداسازی CO2 از گاز احتراق حاصل از فرآیند OFC است. با این حال انرژی بالای مورد نیاز جهت انجام فرآیند تراکم و تبرید یکی از چالش ­های این واحد است. از این­ رو شناسایی و آنالیز حساسیت پارامترهای موثر بر فرآیند مورد نیاز است تا سرانجام بتوان این پارامترها را به نحو مناسبی بهینه­ سازی و کنترل نمود. تحقیق حاضر ضمن معرفی این واحد، به آنالیز حساسیت، بهینه ­سازی و بهبود ساختار این فرآیند اختصاص داده شده است. فرآیند در محیط نرم افزار Aspen Plus شبیه­ سازی شد. مدل ترمودینامیکی Peng-Robinson برای تخمین خصوصیات ترمودینامیکی به کار گرفته شد و به منظور افزایش دقت ضرایب ترمودینامیکی با استفاده از مقادیر موجود در مقالات بهبود یافت. با توجه به اینکه برهمکنش پارامترهای عملیاتی بر نتایج بهینه­ سازی موثر است، روش سطح پاسخ (RSM) به منظور بهینه ­سازی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج حاصل از این تحقیق نشان می­دهد با بهبود شرایط عملیاتی فرآیند در فشار bar 25 قابل انجام است. در حالی که پیشتر فشار عملیاتی این فرآیند bar 30 گزارش شده بود. بدیهی است که کاهش فشار عملیاتی نه تنها سبب کاهش هزینه عملیاتی می ­شود بلکه سبب کاهش هزینه سرمایه­ گذاری و در نتیجه کاهش هزینه­ های کل خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[2] Stewart C., Hessami M., A Study of Methods of Carbon Dioxide Capture and Sequestration-the Sustainability of a Photosynthetic Bioreactor Approach. Energy Conversion and management, 46(3): 403-420 (2005.(
[3] Raftery A.E., Zimmer A., Frierson D.M.W., Startz R., Liu P., Less Than 2 °C Warming by 2100 Unlikely. Nature climate change, 7(9): 637-641 (2017).
[4] Shavalieva G., Kazepidis P., Papadopoulos A.I., Seferlis P., Papadokonstantakis S.,  Environmental, Health and Safety Assessment of Post-Combustion CO2 Capture Processes with Phase-Change Solvents. Sustainable Production and Consumption, 25: 60-76 (2021).
[5] Al‐Ghussain L., Global Warming: Review on Driving Forces and Mitigation. Environmental Progress & Sustainable Energy, 38(1): 13-21 (2019).
[6] O’Ryan R., Nasirov S., Álvarez-Espinosa A., Renewable Energy Expansion in the Chilean Power Market: A Dynamic General Equilibrium Modeling Approach to Determine CO2 Emission Baselines. Journal of Cleaner Production, 247: 119645 (2020).
[7] Wilson I.G., Staffell I., Rapid Fuel Switching from Coal to Natural Gas Through Effective Carbon Pricing. Nature Energy, 3(5): 365-372 (2018).
[9] Baena-Moreno F.M., Rodríguez-Galán M., Vega F., Alonso-Fariñas B., Luis F., Arenas V., Navarrete B., Carbon Capture and Utilization Technologies: A Literature Review and Recent Advances. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 41(12): 1403-1433 (2019).
[10] Gopan A., Kumfer B. M., Phillips J., Thimsen D., Smith R., Axelbaum R.L., Process Design and Performance Analysis of a Staged, Pressurized Oxy-Combustion (SPOC) Power Plant for Carbon Capture. Applied energy, 125: 179-188 (2014).
[11] Guan G., Clean Coal Technologies in Japan: A Review. Chinese journal of chemical engineering, 25(6): 689-697 (2017).
[12] Alkadhem A.M., Elgzoly M.A., Onaizi S.A., Novel Amine-Functionalized Magnesium Oxide Adsorbents for CO2 Capture at Ambient Conditions. Journal of Environmental Chemical Engineering, 8(4): 103968 (2020).
[13] Metz B., Davidson O., Coninck H., Loos M., Meyer L., Carbon Dioxide Capture and Storage. IPCC Special Report on Carbon Dioxide Capture and Storage, (2005).
[14] Rolfe A., Huang Y., Haaf M., Pita A., Rezvani S., Dave A., Hewitt N.J., Technical and Environmental Study of Calcium Carbonate Looping Versus Oxy-Fuel Options For Low CO2 Emission Cement Plants. International Journal of Greenhouse Gas Control, 75: 85-97 (2018).
[15] Middleton R.S., Yaw S.P., Hoover B.A., Ellett K.M., SimCCS: An Open-Source Tool for Optimizing CO2 Capture, Transport, and Storage Infrastructure. Environmental Modelling & Software, 124: 104560 (2020).
]16[ اسماعیل کوهستانیان، جعفر صادقی، داود محبی کلهری، عبدالرضا صمیمی و فرهاد شهرکی، بهینه سازی و کنترل فرآیند CO2CPU، پروژه دکتری، گروه مهندسی شیمی دانشگاه سیستان و بلوچستان، تابستان (1397).
]17[ اسماعیل کوهستانیان، جعفر صادقی و داود محبی کلهری، شبیه ­سازی و طراحی فرآیندهای نفت، گاز و شیمیایی با Aspen Plus، انتشارات جهاد دانشگاهی، چاپ اول، (1396).
[18] Song C., Liu Q., Deng S., Li H., Kitamura Y., Cryogenic-Based CO2 Capture Technologies: State-of-the-Art Developments and Current Challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 101: 265-278 (2019).
[20] Mofarahi M., Khojasteh Y., Khaledi H., Farahnak A., Design of CO2 Absorption Plant for Recovery of CO2 from Flue Gases of Gas Turbine. Energy, 33(8): 1311-1319 (2008).
[21] Koohestanian E., Sadeghi, J., Mohebbi-Kalhori D., Shahraki F., Samimi A., A Novel Process for CO2 Capture from the Flue Gases to Produce Urea and Ammonia. Energy, 144: 279-285 (2018).
[22] Wall T., Stanger R., Liu Y., Gas Cleaning Challenges for Coal-Fired Oxy-Fuel Technology with Carbon Capture and Storage. Fuel, 108: 85-90 (2013).
[23] Osman M., Khan M.N., Zaabout A., Cloete S., Amini S.,  Review of Pressurized Chemical Looping Processes for Power Generation and Chemical Production with Integrated CO2 Capture. Fuel Processing Technology, 214: 106684 (2021).
[24] Koohestanian E., Shahraki F., Review on Principles, Recent Progress, and Future Challenges for Oxy-Fuel Combustion CO2 Capture Using Compression and Purification Unit. Journal of Environmental Chemical Engineering, 9(4): 105777 (2021).
[25] Wang,, M., Lawal A., Stephenson P., Sidders J., Ramshaw C., Post-Combustion CO2 Capture with Chemical Absorption: A State-of-the-Art Review. Chemical Engineering Research and Design, 89(9): 1609-1624 (2011).
[26] Fu C., Gundersen T., Techno-Economic Analysis of CO2 Conditioning Processes in a Coal Based Oxy-Combustion Power Plant. International journal of greenhouse gas control, 9: 419-427 (2012).
[27] Koohestanian E., Samimi A., Mohebbi-Kalhori D., Sadeghi J., Sensitivity Analysis and Multi-Objective Optimization of CO2CPU Process Using Response Surface Methodology. Energy, 122: 570-578 (2017).
[28] Chansomwong A., Zanganeh K.E., Shafeen A., Douglas P.L., Croiset E., Ricardez-Sandoval L.A.,  Dynamic Modelling of a CO2 Capture and Purification Unit for an Oxy-Coal-Fired Power Plant. International Journal of Greenhouse Gas Control, 22: 111-122 (2014).
[31] API, R., 521. Recommended Practice, 521 (1997).
[32] Xu M.-X., Wu H.B., Wu Y.C., Wang H.X., Ouyang H.D., Lu Q., Design and Evaluation of a Novel System for the Flue Gas Compression and Purification from the Oxy-Fuel Combustion Process. Applied energy, 285: 116388 (2021).
[33] Tumsa T.Z., Lee S.H., Normann F., Andersson K., Ajdari S., Yang W., Concomitant Removal of NOx and SOx from a Pressurized Oxy-Fuel Combustion Process Using a Direct Contact Column. Chemical Engineering Research and Design, 131: 626-634 (2018).
[34] Kolster C., Mechleri E., Krevor S., Dowell N.M., The Role of CO2 Purification and Transport Networks in Carbon Capture and Storage Cost Reduction. International Journal of Greenhouse Gas Control, 58: 127-141 (2017).
[35] Rochelle, G.T., Amine Scrubbing for CO2 Capture. Science, 325(5948): 1652-1654 (2009).
[36] Jung J., Jeong Y.S., Lee U., Lim Y., Han C., New Configuration of the CO2 Capture Process Using Aqueous Monoethanolamine for Coal-Fired Power Plants. Industrial & Engineering Chemistry Research, 54(15): 3865-3878 (2015).
[37] Veawab A., Tontiwachwuthikul P., Chakma A., Corrosion Behavior of Carbon Steel in the CO2 Absorption Process Using Aqueous Amine Solutions. Industrial & engineering chemistry research, 38(10): 3917-3924 (1999).
[38] Gomes J., Santos S., Bordado J., Choosing Amine-Based Absorbents for CO2 Capture. Environmental technology, 36: 19-25 (2015).
[39] Aspen Plus, Aspen Plus Documentation Version V7. 3. Aspen Tech, Cambridge, MA, USA, (2011).
[40] Koohestanian E., Sadeghi J., Mohebbi Kalhori D., Shahraki F., Samimi A., New Process Flowsheet for CO2 Compression and Purification Unit; Dynamic Investigation and Control. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering (IJCCE), 40(2): 593-604 (2021).
[41] ASME Code, ASME Section VIII, Division 1. Rules for Construction of Pressure Vessels, The American Society of Mechanical Engineers, (2013.(
[42] Aresta M., Dibenedetto A., Angelini A., The Changing Paradigm in CO2 Utilization. Journal of CO2 Utilization, 3: 65-73 (2013).
[43] Zare V., Mahmoudi S.M.S., Yari M., Amidpour M., Thermoeconomic Analysis and Optimization of an Ammonia-Water Power/Cooling Cogeneration Cycle. Energy, 47(1): 271-283 (2012).
[44] Omidvar M., Koohestanian E., Ramezani Azghandi O., Synthesis and Statistical Analysis of Changing Size of Nano-structured PbO2 during Mechanical Milling Using Taguchi Methodology. Journal of Particle Science & Technology, 2(1): 49-54 (2016).
[45] Azad F.N., Ghaedi M., Asfarama A., Jamshidi A., Hassanid G., Goudarzie A., Azqhandif M.H.A., Ghaedig A., Optimization of the Process Parameters for the Adsorption of Ternary Dyes by Ni Doped FeO (OH)-NWs-AC Using Response Surface Methodology and an Artificial Neural Network. RSC Advances, 6(24): 19768-19779 (2016).
[46] Mamourian M., Shirvan K.M., Mirzakhanlari S., Rahimi A.B., Vortex Generators Position Effect on Heat Transfer and Nanofluid Homogeneity: A Numerical Investigation and Sensitivity Analysis. Applied Thermal Engineering, 107: 1233-1247 (2016).
[47] Shirvan K.M., Mirzakhanlari S., Chamkha A.J., Mamourian M., Numerical Simulation and Sensitivity Analysis of Effective Parameters on Natural Convection and Entropy Generation in a Wavy Surface Cavity Filled with a Nanofluid Using RSM. Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 1-21 (2016).
[48] Sun Y., Wei J., Zhang J.P., Yang G., Optimization Using Response Surface Methodology and Kinetic Study of Fischer-Tropsch Synthesis Using SiO2 Supported Bimetallic Co-Ni Catalyst. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 28: 173-183 (2016).
[49] Myers R.H., Montgomery D.C., Anderson-Cook C.M., Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, John Wiley & Sons (2016)
[50] Morgan E., Chemometrics: Experimental Design. 41: John Wiley & Son Ltd (1995).
[51] Montgomery D.C., Design and Analysis of Experiments, John Wiley & Sons (2008).
[52] De Visser E., Hendriks C., Barrio M., Mølnvik M.J.,Koeijer G., Liljemark S., Gallo Y.L., Dynamis CO2 Quality Recommendations. International Journal of Greenhouse Gas Control, 2(4): 478-484 (2008).
[53] Pipitone G., Bolland O., Power Generation with CO2 Capture: Technology for CO2 Purification. International Journal of Greenhouse Gas Control,. 3(5): 528-534 (2009).