Construction and Formulation of Calculation Models for Thermal Swing Adsorption Reactor Modelling: Application in Post-Combustion Carbon Capture
Viljanen, Jesse-Eemeli (2023)
2023
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-09-21
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202309068007
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202309068007
Tiivistelmä
Carbon dioxide capture from combustion-based energy production emissions is one potential method for climate change mitigation and adsorption-based post-combustion carbon capture is currently under research as a potential technology. The main objective of this thesis was to construct and formulate suitable calculation models for the purpose of modelling a thermal swing adsorption reactor in post-combustion carbon capture from flue gas. In the process, the adsorption step would be conducted at a low temperature of 283 K, while the desorption step would include a high temperature carbon dioxide rich purge gas as the desorption medium. The models to be built were chosen to be a one-dimensional Python-based model and a two-dimensional computational fluid dynamics model using Ansys Fluent software with user-defined functions being utilized.
As an initial step, a vast literature review was conducted in order to gain knowledge on the basics of adsorption and adsorption processes, the most important adsorption process parameters and indicators, as well as thermal swing adsorption in the context of post-combustion carbon capture. Literature review also preceded the model construction process, as the heat and mass transfer models for the one-dimensional calculation model and the adsorption isotherm models and parameters for both calculation models were gathered from previous studies in the field.
Following the literature review, the construction process of the calculation models began, which included a significant amount of trial-and-error. First, the one-dimensional model was built, followed by the two-dimensional model. After both models were deemed to represent the behavior of a thermal swing adsorption reactor, the calculations were conducted with relevant data gathered from the calculations.
After the calculations, the data from both models were compared and analyzed. The adsorption step results were considered to be comparable, as the results from the both models were very similar. In the desorption step, however, variation in the results was apparent. The initial carbon dioxide adsorbent loading levels were higher in the two-dimensional model. This was accounted to be due to numerical inaccuracy of the computational fluid dynamics model, which was also further analyzed. The effect of desorption temperature was a key consideration in the modelling work. Desorption temperature level had a significant role on the adsorbent loading levels in the process cycle and the temperature level should be chosen to fit the process needs as a whole.
Thermal swing adsorption -based post-combustion carbon capture possesses many challenges, but it can potentially be utilized to capture at least a part of the carbon dioxide from flue gases. As a conclusion, the objective of constructing the calculation models can be thought to be met, when considering the results as a whole. For future research, the models should be improved and further developed to better represent actual reactor conditions. A two-dimensional Python-based model could provide a highly modifiable modelling tool with computational cost control. Hiilidioksidin talteenotto polttoon perustuvan energiantuotannon päästöistä on yksi potentiaalinen tapa hillitä ilmastonmuutosta ja adsorptioon perustuvia poltonjälkeisiä hiilidioksidin talteenottomenetelmiä tutkitaan potentiaalisena teknologiana tälle. Tämän diplomityön pääasiallinen tavoite oli rakentaa ja muotoilla sopivat laskentamallit lämpövaihteluadsorptioon pohjautuvan poltonjälkeisen hiilidioksidin talteenoton reaktorimallintamista varten. Prosessissa adsorptiovaihe toteutettaisiin matalassa 283 K:n lämpötilassa ja desorptiovaiheessa korkeassa lämpötilassa oleva korkean hiilidioksidipitoisuuden omaava tuotekaasu toimisi huuhtelukaasuna. Rakennattaviksi malleiksi valittiin yksiulotteinen, Python-koodikieleen perustuva malli sekä kaksiulotteinen, laskennallisen virtausdynamiikan malli Ansys Fluent -ohjelmistolla käyttäjän määrittelemiä funktioita (user-defined function) hyödyntäen.
Työn alkuvaiheessa suoritettiin laaja kirjallisuuskatsaus yleistiedon keräämiseksi adsorptiosta, adsorptioprosesseista, niiden tärkeimmistä parametreista ja indikaattoreista sekä lämpövaihteluadsorptiosta poltonjälkeisen hiilidioksidin talteenoton kontekstissa. Kirjallisuuskatsaus edelsi myös laskentamallien rakentamista, sillä lämmön- ja aineensiirtomallit yksiulotteiseen laskentamalliin ja adsorptioisotermimallit ja -parametrit molempiin laskentamalleihin valittiin aikaisemmista alan tutkimuksista.
Kirjallisuuskatsauksen jälkeen laskentamallit rakennettiin. Mallienrakennusprosessiin sisältyi paljon yritystä ja erehdystä. Yksiulotteinen malli rakennettiin ensin ja sitä seurasi kaksiulotteisen mallin rakentaminen. Kun molempien mallien oltiin todettu edustavan lämpövaihteluadsorptioreaktorin toimintaa, laskennat suoritettiin ja olennainen data laskennoista kerättiin.
Laskentojen jälkeen molempien mallien dataa vertailtiin ja analysoitiin. Adsorptiovaiheen tuloksien todettiin olevan vertailukelpoisia, sillä molemmat mallit tuottivat samankaltaisia tuloksia. Desorptiovaiheen tuloksissa oli kuitenkin huomattavia eroavaisuuksia. Kaksiulotteisessa mallissa alkuvaiheen adsorbenttikuormitus hiilidioksidin osalta oli suurempi. Tämän katsottiin johtuvan numeerisesta epätarkkuudesta, jota analysoitiin tarkemmin. Desorptiolämpötilan vaikutus oli tärkeä näkökulma mallinnuksessa. Tällä lämpötilalla oli suuri vaikutus adsorbentin kuormitustasoihin prosessissa ja lämpötilan valinta tulisikin olla sopiva koko prosessia ajatellen.
Lämpövaihteluadsorptioon perustuvaan poltonjälkeiseen hiilidioksidin talteenottoon liittyy useita haasteita, mutta sitä voidaan potentiaalisesti hyödyntää talteenottamaan vähintään osa savukaasujen hiilidioksidista. Yhteenvetona voidaan todeta, että laskentamallien rakentamisen ja muotoilun tavoite saavutettiin työn aikana, kun laskentatuloksia tarkastellaan kokonaisuutena. Tulevaisuuden tutkimustyötä varten malleja pitää kuitenkin parantaa ja jatkokehittää, jotta ne vastaisivat paremmin oikeita reaktoriolosuhteita. Kaksiulotteinen Pythoniin perustuva malli voisi tarjota monipuolisesti muokattavissa olevan ja laskentakustannuksiltaan hallitun mallinnustyökalun.
As an initial step, a vast literature review was conducted in order to gain knowledge on the basics of adsorption and adsorption processes, the most important adsorption process parameters and indicators, as well as thermal swing adsorption in the context of post-combustion carbon capture. Literature review also preceded the model construction process, as the heat and mass transfer models for the one-dimensional calculation model and the adsorption isotherm models and parameters for both calculation models were gathered from previous studies in the field.
Following the literature review, the construction process of the calculation models began, which included a significant amount of trial-and-error. First, the one-dimensional model was built, followed by the two-dimensional model. After both models were deemed to represent the behavior of a thermal swing adsorption reactor, the calculations were conducted with relevant data gathered from the calculations.
After the calculations, the data from both models were compared and analyzed. The adsorption step results were considered to be comparable, as the results from the both models were very similar. In the desorption step, however, variation in the results was apparent. The initial carbon dioxide adsorbent loading levels were higher in the two-dimensional model. This was accounted to be due to numerical inaccuracy of the computational fluid dynamics model, which was also further analyzed. The effect of desorption temperature was a key consideration in the modelling work. Desorption temperature level had a significant role on the adsorbent loading levels in the process cycle and the temperature level should be chosen to fit the process needs as a whole.
Thermal swing adsorption -based post-combustion carbon capture possesses many challenges, but it can potentially be utilized to capture at least a part of the carbon dioxide from flue gases. As a conclusion, the objective of constructing the calculation models can be thought to be met, when considering the results as a whole. For future research, the models should be improved and further developed to better represent actual reactor conditions. A two-dimensional Python-based model could provide a highly modifiable modelling tool with computational cost control.
Työn alkuvaiheessa suoritettiin laaja kirjallisuuskatsaus yleistiedon keräämiseksi adsorptiosta, adsorptioprosesseista, niiden tärkeimmistä parametreista ja indikaattoreista sekä lämpövaihteluadsorptiosta poltonjälkeisen hiilidioksidin talteenoton kontekstissa. Kirjallisuuskatsaus edelsi myös laskentamallien rakentamista, sillä lämmön- ja aineensiirtomallit yksiulotteiseen laskentamalliin ja adsorptioisotermimallit ja -parametrit molempiin laskentamalleihin valittiin aikaisemmista alan tutkimuksista.
Kirjallisuuskatsauksen jälkeen laskentamallit rakennettiin. Mallienrakennusprosessiin sisältyi paljon yritystä ja erehdystä. Yksiulotteinen malli rakennettiin ensin ja sitä seurasi kaksiulotteisen mallin rakentaminen. Kun molempien mallien oltiin todettu edustavan lämpövaihteluadsorptioreaktorin toimintaa, laskennat suoritettiin ja olennainen data laskennoista kerättiin.
Laskentojen jälkeen molempien mallien dataa vertailtiin ja analysoitiin. Adsorptiovaiheen tuloksien todettiin olevan vertailukelpoisia, sillä molemmat mallit tuottivat samankaltaisia tuloksia. Desorptiovaiheen tuloksissa oli kuitenkin huomattavia eroavaisuuksia. Kaksiulotteisessa mallissa alkuvaiheen adsorbenttikuormitus hiilidioksidin osalta oli suurempi. Tämän katsottiin johtuvan numeerisesta epätarkkuudesta, jota analysoitiin tarkemmin. Desorptiolämpötilan vaikutus oli tärkeä näkökulma mallinnuksessa. Tällä lämpötilalla oli suuri vaikutus adsorbentin kuormitustasoihin prosessissa ja lämpötilan valinta tulisikin olla sopiva koko prosessia ajatellen.
Lämpövaihteluadsorptioon perustuvaan poltonjälkeiseen hiilidioksidin talteenottoon liittyy useita haasteita, mutta sitä voidaan potentiaalisesti hyödyntää talteenottamaan vähintään osa savukaasujen hiilidioksidista. Yhteenvetona voidaan todeta, että laskentamallien rakentamisen ja muotoilun tavoite saavutettiin työn aikana, kun laskentatuloksia tarkastellaan kokonaisuutena. Tulevaisuuden tutkimustyötä varten malleja pitää kuitenkin parantaa ja jatkokehittää, jotta ne vastaisivat paremmin oikeita reaktoriolosuhteita. Kaksiulotteinen Pythoniin perustuva malli voisi tarjota monipuolisesti muokattavissa olevan ja laskentakustannuksiltaan hallitun mallinnustyökalun.