Design, process integration and optimization of CO2 purification units for CO2 capture and storage applications

Carbon capture and storage (CCS) technologies are a promising way to reduce the CO2 emission of industrial processes. However, the stream of captured CO2 obtained by these technologies typically contains O2, N2 and Ar at concentrations that are not suitable for storage or transport. Therefore, a CO2 purification unit (CPU) is required to reduce the presence of these impurities and increase the purity of the captured CO2 stream. Furthermore, by using a CPU to purify the captured CO2, the CCS process can be operated at a low purity and high recovery point which can lead to reduction in emission costs. This PhD research focuses on the selection, design, modelling, process integration, and technoeconomic optimization of cryogenic CPUs designed for CCS applications. Two main categories of CPUs have been studied in this research: flash separation-based CPUs and stripping/distillation-based CPUs. Out of these two categories, six promising CPUs have been selected and modelled on Aspen Plus. A crucial step in simulating and modelling of a CPU involves selecting an accurate equation of state (EoS) to model the vapor-liquid equilibrium (VLE) behaviour of the CO2 capture system. This research compares the performance of various EoS models against experimental data for CO2-N2 and CO2-O2 mixtures to select the most suitable EoS. The technoeconomic optimization of the selected CPUs have been conducted using a novel derivative-free, surrogate-based global optimization algorithm called SCR, which has been developed during the PhD. SCR is a derivative-free, surrogate-based global optimization algorithm designed for complex black-box problems with general nonlinear constraints. It employs a combination of techniques, including Kriging surrogate models, the CMA-ES evolutionary algorithm, and the RQLIF local search algorithm, to achieve efficient optimization. The optimization of the selected CPUs considered the following factors: CO2 purity, CO2 recovery, Energy consumption, Capital cost and Operating cost. Furthermore, the optimization has been carried out considering three types of feed gas streams: oxy-combustion, post-combustion capture with membrane, and post-combustion capture with VPSA. After finishing the optimization activity, the optimized CPUs have been compared with each other based on key performance indicators (KPIs). The optimization results reveal that flash-based CPUs offer the lowest cost but fail to meet CO2 purity requirements due to high oxygen content. Distillation-based CPUs achieve high purity but incur the highest cost and exhibit lower CO2 recovery compared to other designs. The most promising option lies in the combined flash-distillation based CPUs. These CPUs achieve high CO2 purity with low oxygen content and demonstrate superior recovery compared to other CPUs.

Le tecnologie di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) rappresentano un modo promettente per ridurre le emissioni di CO2 dei processi industriali. Tuttavia, il flusso di CO2 catturato ottenuto da queste tecnologie contiene tipicamente O2, N2 e Ar in concentrazioni non adatte allo stoccaggio o al trasporto. Pertanto, è necessaria un'unità di purificazione della CO2 (CPU) per ridurre la presenza di queste impurità e aumentare la purezza del flusso di CO2 catturato. Inoltre, utilizzando una CPU per purificare la CO2 catturata, il processo CCS può essere gestito con un livello di purezza basso e un punto di recupero elevato, il che può portare a una riduzione dei costi di emissione. Questa ricerca di dottorato si concentra sulla selezione, progettazione, modellazione, integrazione dei processi e ottimizzazione tecnicoeconomica di CPU criogeniche progettate per applicazioni CCS. In questa ricerca sono state studiate due categorie principali di CPU: CPU basate sulla separazione flash e CPU basate sullo stripping/distillazione. Di queste due categorie, sei promettenti CPU sono state selezionate e modellate su Aspen Plus. Un passaggio cruciale nella simulazione e nella modellazione di una CPU prevede la selezione di un'equazione di stato (EoS) accurata per modellare il comportamento dell'equilibrio vapore-liquido (VLE) del sistema di cattura della CO2. Questa ricerca confronta le prestazioni di vari modelli EoS con i dati sperimentali per miscele CO2-N2 e CO2-O2 per selezionare l'EoS più adatto. L'ottimizzazione tecnicoeconomica delle CPU selezionate è stata condotta utilizzando un nuovo algoritmo di ottimizzazione globale basato su surrogati e privo di derivati chiamato SCR, che è stato sviluppato durante il dottorato. SCR è un algoritmo di ottimizzazione globale senza derivati, basato su surrogati, progettato per complessi problemi di scatola nera con vincoli non lineari generali. Impiega una combinazione di tecniche, inclusi i modelli surrogati Kriging, l'algoritmo evolutivo CMA-ES e l'algoritmo di ricerca locale RQLIF, per ottenere un'ottimizzazione efficiente. L'ottimizzazione delle CPU selezionate ha considerato i seguenti fattori: purezza della CO2, recupero di CO2, consumo energetico, costo di capitale e costo operativo. Inoltre, l'ottimizzazione è stata effettuata considerando tre tipologie di flussi di gas di alimentazione: ossicombustione, cattura post-combustione con membrana e cattura post-combustione con VPSA. Dopo aver terminato l'attività di ottimizzazione, le CPU ottimizzate sono state confrontate tra loro in base agli indicatori chiave di prestazione (KPI). I risultati dell’ottimizzazione rivelano che le CPU basate su flash offrono il costo più basso ma non riescono a soddisfare i requisiti di purezza della CO2 a causa dell’elevato contenuto di ossigeno. Le CPU basate sulla distillazione raggiungono un'elevata purezza ma comportano i costi più elevati e presentano un recupero di CO2 inferiore rispetto ad altri progetti. L'opzione più promettente risiede nelle CPU basate sulla distillazione flash combinata. Queste CPU raggiungono un'elevata purezza della CO2 con un basso contenuto di ossigeno e dimostrano un recupero superiore rispetto ad altre CPU.