Ottimizzazione e analisi economica di schemi di processo per l'assorbimento di CO2 con un solvente a base di piperazina

The aim of this thesis work is to test the performance of an innovative amine-based aqueous solution in an absorption and regeneration process for CO2 capture. In particular, two process configurations have been simulated in Aspen Plus® by using a 5m and 8m piperazine-based solution. The first considered process layout, named after “base configuration”, is the typical one concerning an absorption-regeneration process. The alternative configuration, named after “advanced configuration”, is more sophisticated from the regeneration section flowsheet’s perspective and it should be less expensive from the energy point of view due to the addition to the base configuration of a couple of bypasses and of another heat recovery unit. Both the process configurations have been optimized by performing sensitivity analyses aimed at reducing the reboiler duty needed for the regeneration and a techno-economic assessment has been carried out to determine the best process scheme. By comparing the obtained results, it came to light that operating with 8m PZ is the most convenient option in terms of total costs for both the configurations, though, the process employing a 5m aqueous solution might be preferred from the practical point of view due to a much larger solid solubility range of the solvent with respect to a 8m PZ solution. Moreover, it also emerged that the more sophisticated configuration favors, in particular for the 5m solution, more than 10% energy saving, though requiring higher investment costs (and related operating costs such as maintenance costs, etc.).

Lo scopo di questa tesi è quello di testare le prestazioni di un’ammina innovativa nell’ottica di un processo di assorbimento con rigenerazione per la cattura della CO2. Nello specifico, due configurazioni di processo sono state simulate in Aspen Plus® impiegando una soluzione 5m e una soluzione 8m a base di piperazina. La prima ed essere stata considerata, etichettata come “configurazione base”, è quella tipica dei processi di assorbimento con rigenerazione. La configurazione alternativa, etichettata come “configurazione avanzata”, è più sofisticata per quanto riguarda la porzione del flowsheet caratteristico della sezione di rigenerazione e dovrebbe essere meno dispendiosa dal punto di vista energetico grazie all’aggiunta di due bypass e di un ulteriore recuperatore termico. Entrambe le configurazioni sono state ottimizzate energeticamente effettuando delle analisi di sensitività al fine di minimizzare il carico termico al ribollitore necessario per la rigenerazione. Infine, è stata condotta un’analisi tecno-economica finalizzata a determinare il migliore schema di processo. Confrontando i risultati ottenuti, si è riscontrato che operare con 8m PZ è la soluzione più conveniente per entrambe le configurazioni dal punto di vista dei costi totali annui. Tuttavia, il processo che impiega una soluzione 5m PZ potrebbe rivelarsi più conveniente dal punto di vista pratico, perchè il solvente presenta un intervallo di solubilità in fase solida molto più ampio rispetto a una soluzione 8m PZ. È anche emerso che la configurazione più sofisticata garantisce, in particolare per quanto riguarda la soluzione 5m, un risparmio nei costi associati al consumo energetico maggiore del 10%, sebbene richieda costi di investimento più elevati (lo stesso vale per i costi operativi dipendenti dai costi di investimento come quelli associati alla manutenzione, ecc.).