Electrolyte-Based Simulations of a Laboratory Scale Carbon Dioxide Capture Process

Abstract

The aim of this thesis is to design and simulate a laboratory-scale CO2 capture system on Aspen Plus. The studied CO2 capture process is a post-combustion CO2 capture process. The commonly employed monoethanolamine (MEA) sorbent is compared with the piperazine (PZ) sorbent in terms of reaction kinetics and energy consumption throughout the study. Three main simulation studies were performed in order to compare MEA and PZ sorbents. First, an absorption column, then an open loop (single pass) process and finally a closed loop (recycle) process were designed and simulated on Aspen Plus. The simulations were carried out at various inlet gas pressures. After designing an absorber column, CO2 loading, temperature, pressure, mole flow, packing details, column height and diameter constraints were determined. As a result of open loop and closed loop processes, the column operations in absorber and stripper columns regarding CO2 reactions and energy consumption were investigated. The results showed that PZ absorbs and releases more CO2, has a faster kinetics, and is more energy efficient compared to MEA in CO2 capture processes.

Bu tezin amacı Aspen Plus üzerinde laboratuvar ölçekli bir CO2 yakalama sistemi tasarlamak ve simüle etmektir. Çalışılan CO2 yakalama süreci, bir yanma sonrası CO2 yakalama işlemidir. Yaygın olarak kullanılan monoetanolamin (MEA) sorbenti, çalışma boyunca reaksiyon kinetiği ve enerji tüketimi açısından piperazin (PZ) sorbenti ile karşılaştırılmaktadır. MEA ve PZ sorbentlerini karşılaştırmak için üç ana simülasyon çalışması yapılmıştır. İlk olarak, bir absorpsiyon kolonu, daha sonra bir açık döngü (tek geçiş) süreci ve son olarak bir kapalı döngü (geri dönüşüm) süreci Aspen Plus üzerinde tasarlanmıştır ve simüle edilmiştir. Simülasyonlar çeşitli giriş gazı basınçlarında gerçekleştirilmiştir. Bir absorplayıcı kolon tasarlandıktan sonra, CO2 yükleme, sıcaklık, basınç, mol akışı, dolgu detayları, kolon yüksekliği ve çap kısıtlamaları belirlenmiştir. Açık döngü ve kapalı döngü süreçleri sonucunda, absorplayıcı ve sıyırıcı kolonlardaki CO2 reaksiyonları ve enerji tüketimi ile ilgili kolon işlemleri incelenmiştir. Sonuçlar, PZ'nin daha fazla CO2 absorpladığını ve serbest bıraktığını, daha hızlı kinetiğe sahip olduğunu ve CO2 yakalama işlemlerinde MEA'ya göre enerji verimliliğinin daha fazla olduğunu göstermiştir.