ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÁI HOÀNG MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA QUY TRÌNH HẤP THỤ SỬ DỤNG DUNG MÔI LÀ HỖN HỢP ION LỎNG (IONIC LIQUIDS) VÀ AMINE MEA ĐỂ TÁCH CO2 RA KHỎI DÒNG KHÍ THẢI Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa Dầu và Lọc Dầu Mã số : 8520305 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: …….Nguyễn Thái Hoàng…………………. Ngày, tháng, năm sinh: …………15/11/1991……………….
Nơi sinh: ……Hà Nội…. Chuyên ngành: ……Kỹ Thuật Hóa Dầu và Lọc Dầu .Mô phỏng và tối ưu hóa quy trình hấp thụ sử dụng dung môi. là hỗn hợp Ion lỏng (Ionic Liquids) và amine MEA để tách CO2 ra khỏi dòng khí thải…. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:.
- Mô phỏng và tối ưu hóa quy trình hấp thụ CO2 sử dụng hỗn hợp dung môi MEA+IL. - Tối ưu hóa năng lượng và đánh giá hiệu quả kinh tế so sánh với quy trình truyền thống - Xây dựng mô hình toán học xác định chi phí hàng năm theo đặc tính dòng khí thải. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……………14/02/2022. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:…………….CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):.
Nguyễn Bùi Hữu Tuấn, TS. Nguyễn Thành Duy Quang. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TS. Nguyễn Bùi Hữu Tuấn TS.
Nguyễn Thành Duy Quang TS. Phạm Hồ Mỹ Phương TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên và chữ ký) PGS. Nguyễn Quang Long Công trình được hoàn thành tại : Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: ……TS. Nguyễn Thành Duy Quang.
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: ……TS. Nguyễn Bùi Hữu Tuấn. Cán bộ chấm nhận xét 1: ……………TS. Cán bộ chấm nhận xét 2: ……………PGS.
Nguyễn Tuấn Anh……………………………. Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp.tháng…7…năm…2022… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1…GS. Lưu Cẩm Lộc – Chủ tịch………………………… 2…TS. Hồ Quang Như – Thư Ký……………………………… 3…TS.
Lưu Xuân Cường – Phản Biện 1…………………………… 4…PGS. Nguyễn Tuấn Anh – Phản Biện 2 ……………………… 5…TS. Nguyễn Quốc Thiết - Ủy Viên…………………………… Xác nhận của Chủ Tịch Hội Đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC GS. Lưu Cẩm Lộc PGS.
Nguyễn Quang Long LỜI CÁM ƠN Luận văn Thạc sĩ này được thực hiện trong học kỳ 2 năm học 2021-2022 tại Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Bộ Môn Công Nghệ Chế Biến Dầu Khí, Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TPHCM. Em vô cùng biết ơn các thầy hướng dẫn , TS. Nguyễn Bùi Hữu Tuấn và TS. Nguyễn Thành Duy Quang đã tận tình hướng dẫn và chỉ bảo trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Em chân thành cảm ơn các thầy cô chấm nhận xét và các thầy cô trong Hội Đồng Bảo Vệ đã dành thời gian cho ý kiến để sửa đổi và hoàn thiện luận văn. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn , đã giảng dạy cho em trong quá trình học tập chương trình thạc sĩ ngành Kỹ Thuật Hóa Dầu và Lọc Dầu tại Đại Học Bách Khoa TP. Những kiến thức và kinh nghiệm em tích lũy được trong quá trình học tập và làm luận văn là hành trang quý báu cho con đường phát triển tương lai của em. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình và những người bạn đã động viên, hỗ trợ rất nhiều trong suốt quá trình học tập, làm việc và hoàn thành luận văn.
Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 7 năm 2022 Học viên thực hiện Nguyễn Thái Hoàng i TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhu cầu tiêu thụ năng lượng và phát triển công nghiệp tăng nhanh dẫn đến sự gia tăng phát thải CO2, góp phần tạo nên vấn đề biến đổi khí hậu ngày một trở nên nghiêm trọng những năm gần đây. Để giảm thiểu phát thải CO2, công nghệ thu giữ và lưu trữ carbon (Carbon capture, utilisation and storage - Công nghệ thu giữ và lưu trữ CO2), với quá trình hấp thụ CO2 bằng dung môi amin được sử dụng thông dụng trong công nghiệp. Tuy nhiên quá trình này tiêu tốn nhiều năng lượng. Để tối ưu hóa chi phí và giảm tiêu thụ năng lượng, phương án sử dụng dung môi hỗn hợp amin với ion lỏng được nghiên cứu để cải thiện quá trình hấp thụ CO2.
Luận văn này khảo sát quá trình hấp thụ CO2 sử dụng dung môi hỗn hợp MEA và ion lỏng [Bpy][BY4] từ nguồn phát thải có lưu lượng và nồng độ CO2 khác nhau. Bộ phần mềm AspenOne được sử dụng để mô phỏng, tối ưu hóa các thông số hoạt động và mạng nhiệt, và tính toán kinh tế. Kết quả được so sánh với quy trình tiêu chuẩn chỉ sử dụng MEA. Ngoài ra, mô hình toán học thể hiện mối quan hệ giữa chi phí hàng năm cho các dòng khí thải khác nhau được xây dựng, làm cơ sở cho việc thiết kế và tính toán cho hệ thống thu hồi CO2 trong tương lai.
ii ABSTRACT The rapid increase in energy consumption and industrial development leads to an increase in CO2 emissions, contributing to the problem of climate change, which becomes more and more serious in recent years. To reduce CO2 emissions, Carbon capture, utilisation and storage (CCUS) technology, with CO2 absorption by amine solvents, is commonly used in industry. However, this process consumes a lot of energy. In order to optimize costs and reduce energy consumption, the method of using mixed amine solvents with ionic liquid is studied to improve CO2 absorption process.
This thesis studies the CO2 absorption process using mixed solvent of MEA and ionic liquid [Bpy][BY4] from various emission sources with different flue gas flow rate and CO2 concentration. AspenOne software set is used for simulation, optimization of operating parameters and thermal network, and economic calculations. Results were compared with base process using only MEA. In addition, a mathematical model showing the relationship of the annual cost for different emission sources is built, as a basis for the design and calculation of the CO2 capture system in the future.
iii LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp là công trình do em nghiên cứu và thực hiện, dưới sự hướng dẫn của các thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Bùi Hữu Tuấn và TS. Nguyễn Thành Duy Quang, là trung thực và không có bất kỳ sự sao chép hay xuất hiện trong một nghiên cứu nào. Các tài liệu được sử dụng đảm bảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Em xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm về nghiên cứu của chính mình. Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng 7 năm 2022 Học viên thực hiện Nguyễn Thái Hoàng iv MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN .iii LỜI CAM ĐOAN. iv MỤC LỤC. v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC BẢNG .viii DANH MỤC HÌNH.
Biến đổi khí hậu. Phát thải CO2. Công nghệ CCUS. Công nghệ thu giữ CO2.
Mục tiêu nghiên cứu. Đặc tính nguồn phát thải CO2. Các phương pháp thu giữ CO2. Thu giữ CO2 bằng hấp thụ.
Hấp thụ CO2 bằng amines. Hấp thụ CO2 bằng Ionic Liquid (ILs). PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN. Mô tả quy trình.
Mô hình tính toán mô phỏng. Tối ưu hóa quá trình. Mô hình tích hợp mạng trao đổi nhiệt. Tính kinh tế cho dự án chi tiết.
Xây dựng mô hình toán học input-output. Lưu đồ các bước thực hiện. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN. Kết quả mô phỏng và tối ưu hóa quá trình.
Kết quả tích hợp mạng trao đổi nhiệt. Kết quả tính kinh tế cho dự án chi tiết. Xây dựng mô hình toán học mối quan hệ Input - Output. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ.
Một số đề nghị. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 119 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG. 157 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt Tên đầy đủ (Tiếng Anh) Tên đầy đủ (Tiếng Việt) 1 IL Ionic Liquid Chất lỏng Ion 2 CCUS Carbon capture, utilisation and Công nghệ thu giữ, tận dụng storage và lưu trữ CO2 3 IPCC Intergovernmental Panel on Ủy ban Liên chính phủ về Climate Change Biến đổi khí hậu 4 UNEP United Nations Environment Chương trình Môi trường Liên Programme hợp quốc 5 IEA International Energy Agency Cơ quan Năng lượng Quốc tế 6 EOR Enhanced Oil Recovery Tăng cường thu hồi khi khai thác dầu 7 SCR Selective Catalytic Reduction Khử xúc tác chọn lọc 8 ESP Electrostatic Precipitation Kết tủa bằng tĩnh điện 9 FGD Flue gas Delsulfurization Khử lưu huỳnh trong khí thải 10 IGCC Integrated gasification combined Chu trình khí hóa tích hợp cycle 11 MOF Metal–organic framework Khung kim loại – hữu cơ 12 CMS Carbon Moleculary Sieve Sàng phân tử carbon 13 AARD Average absolute relative Giá trị tuyệt đối của sai số deviation tương đối trung bình 14 TAC Total annualized cost Tổng chi phí hàng năm 15 AIC Annualized Investment Cost Chi phí đầu tư hàng năm 16 AOC Annualized Operational Cost Chi phí vận hành hàng năm 17 HEN Heat Exchanger Network Mạng lưới trao đổi nhiệt vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.
Các dự án CCUS thương mại quy mô lớn hoạt động năm 2020 [9]. Đặc tính dòng khí thải chứa CO2 theo nguồn phát thải [13, 14]. Yêu cầu kiểm soát chất lượng dòng CO2 theo DYNAMIS [8]. Tổng quan về các công nghệ loại bỏ tạp chất trong dòng khí thải [15].
So sánh các dung môi hấp thụ để thu giữ CO2 [21]. Ví dụ về một số amines tiêu biểu dung trong hấp thụ CO2 [23]. Nhiệt độ sôi và độ nhớt của amines [24]. So sánh tính chất hóa lý của dung môi amines và dung môi ionic dùng trong quá trình thu giữ CO2 [27].
Các trường hợp dòng khí thải đầu vào được khảo sát trong đề tài. Mô tả chi tiết các thiết bị và dòng trong quy trình công nghệ quá trình hấp thụ CO2 bằng hỗn hợp MEA và IL. Các cấu tử hóa học sử dụng trong quá trình. Các giá trị tham số của [Bpy][BF4] sử dụng trong mô hình [30].
Hệ số Henry thể hiện tương tác hấp thụ vật lý giữa các cấu tử [30]. Hệ số tương tác nhị phân của mô hình nhiệt động ENRTL của CO2, H2O, MEA với [Bpy][BF4] [30]. Các hằng số cân bằng mô tả hệ dung dịch ion từ MEA và nước [53]. Thông số động học phản ứng hóa học trong tháp hấp thụ và giải hấp [55] 67 Bảng 3.
Ước tính các thành phần và thông số tính toán chi phí đầu tư [55]. Giá trị đơn giá chi phí để tính toán chi phí vận hành .
