honeywell unisim europe 2012

18
Customising UniSim Design®: membrane separa5on and its applica5on to carbon capture Davide Bocciardo University of Edinburgh , Ins9tute for Materials and Processes, Edinburgh SCCS – Sco@sh Carbon Capture and Storage Centre UniSim Design Challenge 2012 Honeywell users group 2012

Upload: gregorius-rionugroho-harvianto

Post on 20-Oct-2015

104 views

Category:

Documents


3 download

TRANSCRIPT

Customising  UniSim  Design®:    membrane  separa5on  and    its  applica5on    

to  carbon  capture  Davide  Bocciardo  University  of  Edinburgh  ,  Ins9tute  for  Materials  and  Processes,  Edinburgh  SCCS  –  Sco@sh  Carbon  Capture  and  Storage  Centre  

UniSim  Design  Challenge  2012  

Honeywell  users  group  2012  

Outline  

•  CCS,  carbon  capture  and  membranes  •  Problem  defini9on  •  Modelling  •  Complete  integra9on  into  UniSim  Design®    •  Mul9-­‐stage  design    •  From  engineering  to  economic  analysis  •  Conclusions  and  challenges  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   2  

CCS  and  coal  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   3  

CO2  is  one  of  the  main  contributors  to  global  warming:  temperatures  are  expected  to  rise  by  1  to  3°  C  in  the  next  century1  

•  Combus9on  of  fossil  fuels  will  s9ll  play  a  key  role  for  energy  genera9on  in  the  next  decades:  coal-­‐fired  power  plants  are  among  the  biggest  CO2  emiQers  

•  CCS  -­‐  Carbon  Capture  and  Storage  -­‐  is  bound  to  give  a  drama9c  contribu9on  to  the  reduc9on  of  CO2  emissions,  in  addi9on  to  renewable  energies  

•  UK  target2:  reduc9on  of  CO2  emissions  by  34  %  of  1990  levels  by  2020  1.  h:p://www.ipcc.ch  2.                h:p://www.decc.gov.uk/      

Membranes  and  carbon  capture  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   4  

•  Advantages:  modular  process,  no  solvents  and  regenera9on  apparatus  

•  Disadvantages:  low  selec9vi9es  for  commercial  membranes  and  low  CO2  concentra9on  in  the  flue  gas  

Zhao  et  al.,  Journal  of  membrane  Science,  359  (2010)  

Membrane  separa9ons  can  be  applied  to  the  post-­‐  combus9on  capture  of  CO2    as  alterna9ve  to  solvent-­‐based  capture  processes  (ex.  amines),  the  conven9onal  capture  op9on  

Problem  defini5on  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   5  

•  Formula9on  and  numerical  implementa9on  of  a  mathema9cal  steady-­‐state  model  able  to  predict  the  separa9on  through  a  membrane  permeator  

•  Integra9on  of  the  new  model  into  a  simula9on  environment  –  UniSim  Design®    

•  Crea9on  of  a  completely  automated  interface  developed  as  a  common  unit  opera9on  

•  Complete  process  simula9on  to  evaluate  the  feasibility  of  membrane  separa9on  for  carbon  capture  

A  membrane  module  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   6  

•  A  membrane  is  a  system  which  selec9vely  allows  the  flux  of  certain  components  •  The  permeability  is  the  ability  of  a  component  to  permeate  through  the  film  •  The  driving  force  for  the  separa9on  can  be  expressed  as  the  difference  in  par9al  

pressure  between  the  2  sides  of  the  compartment  •  A  membrane  module  is  a  device  where  a  certain  membrane  area  is  assembled  

according  to  a  specific  configura9on  (hollow  fibre,  flat  sheet,  spiral-­‐wound,  etc.).    

Feed  

Permeate  

Retentate  

Modelling  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   7  

•  The  main  aim  is  predic9ng  the  performances  of  industrially  available  permeators  •  Different  models  available  in  the  literature  have  been  analysed  and  compared    •  Counter-­‐current  with  sweep  has  been  iden9fied  as  ideal  for  high-­‐recovery  stages  

Feed  

Permeate  

Retentate  

Sweep  

•  A  2D  cross-­‐flow  model  has  also  been  implemented  to  predict  the  separa9on  through  spiral-­‐wound  permeators:  it  is  ideal  for  high-­‐purity  stages  

Why  sweep?  It  increases  the  par9al  pressure  difference  à  higher  flux  Industrial  applicaQon:  hollow  fibre  modules  

R.  Baker  “Membrane  technology  and  applicaQons”,  Wiley  (2004)  

UniSim  integra5on:  the  interface  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   8  

•  The  implementaQon  has  been  carried  out  with  a  C  compiler  linked  to  open  sources  libraries1  

•  The  numerical  resolu9on  is  based  on  both  finite  differences  and  orthogonal  colloca9ons  on  finite  elements  methods  

 The  key  step  is  the  integra9on  into  the  simula9on  environment:    •  A  C++  code  has  been  built  as  a  shell  for  the  unit  opera9on  •  The  connec9ons  between  the  UniSim  flowsheet  and  the  code  have  

been  enabled  and  tested    •  The  error  messages  have  been  customised  •  The  UniSim  icons  and  the  user  interface  (.edf  file)  have  been  created  

1.              Serban,  R.,  C.  Woodward,  et  al.  (2009).  "h:ps://computaQon.llnl.gov/casc/sundials/main.html."      

Membrane_UoE  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   9  

1)  The  C++  code:  the  customised  subrou9nes  are  added  to  the  standard  C++  files.  The  connec9ons  between  the  source  code  and  the  UniSim  flowsheet  are  defined  

3)  The  unit  opera9on  is  available  from  the  main  menu  and  it  can  be  used  to  run  simula9ons.    No  external  windows  are  open  during  the  simula9on.  

2)  The  project  is  built  as  a  .dll:  it  can  be  registered  into  the  UniSim  environment  

Membrane_UoE  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   10  

•  The  pre-­‐developed  code  has  been  kept  in  the  original  formula9on  and  it  has    been  included  in  the  interface  

•  Membrane_UoE  is  completely  integrated  into  the  simula9on  environment    •  A  user-­‐friendly  interface  helps  the  user  to  run  simula9ons  

•  By  following  the  same  procedure,  any  kind  of  steady-­‐state  external  tool  can  be              designed  •  Only  a  C++  compiler  (ex.  Dev  C++)  and  open-­‐source  libraries  are  required  

Mul5-­‐stage  analysis  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   11  

•  Carbon  capture  goals:  90%  CO2  recovery  and  CO2  purity  above  95%  •  A  hypothe9cal  material  combining  op9mal  proper9es  has  been  

chosen    •  A  single  membrane  stage  is  not  able  to  meet  the  desired  

requirements  for  the  separa9on  •  A  mul9-­‐stage  process  design  has  been  studied  star9ng  from  a  

power  plant  simula9on  (DOE1  case  9  –  subcri9cal  coal-­‐fired  power  plant)  developed  by  our  research  group  

•  A  study  of  the  possible  configura9ons  has  been  carried  out  to  show  the  poten9al  of  the  membrane  separa9on  for  a  large  scale  applica9on    

1.    Cost  and  Performance  Baseline  for  Fossil  Energy  Plants,  US  Department  Of  Energy  (2007)    

Complete  UniSim  flowsheet  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   12  

Power  plant   Capture  scheme  

Compression  

Retrofit  Op5on  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   13  

•  The  flue  gas  (CO2  ~  13%  mol/mol)  is  directly  sent  to  a  countercurrent  (with  sweep)  high-­‐recovery  stage  1  and  then  to  a  cross-­‐flow  high-­‐purity  stage  2  

•  Sweep  and  recycles  play  a  key  role  in  the  overall  process  design  

•  High  purity  (~  85  %  mol/mol)  CO2  from  stage  2  is  compressed  up  to  30  bar  and  a  refrigera9on  stage  is  added  before  compressing  the  CO2  to  150  bar  

Compression  train  

RefrigeraQon  

Boiler  Op5on  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   14  

•  Both  energy  consump9on  and  membrane  area  are  reduced  due  to  the  higher  CO2  content  in  the  flue  gas  (~  18%  mol/mol)  

Merkel  et  al.,  Journal  of  Membrane  Science,  359  (2010)  

•           A  high-­‐recovery  counter-­‐current  stage  1  with  air  as  sweep  is  added:  the  permeate  is  directly  sent  as  feed  to  the  boiler  (CO2  ~  3  %  mol/mol)    

Air  Air  +  CO2  

CO2  +  N2   N2  

CO2  

Compression  train  

RefrigeraQon  

Economic  analysis:  LCOE  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   15  

Levelised  Cost  of  Electricity  (LCOE)  is  the  ra9o  of  the  net  present  value  of  total  capital  and  opera9ng  costs  of  a  par9cular  plant  to  the  net  present  value  of  the  net  electricity  generated  by  that  plant  over  its  opera9ng  life1    

Why  LCOE?    •  Its  rela9ve  increase  is  significant  for  the  overall  evalua9on  of  the  

technology    •  It  is  less  dependent  on  the  market  basis  than  the  capture  costs  

calcula9ons  available  in  the  literature  for  membranes2,3    A  complete  evalua9on  including  a  base-­‐case  and  a  calcula9on  for  both  membrane  and  amine  capture  contribu9on  has  been  carried  out4,5  

1.   Electricity  GeneraQon  Cost  Model  –  2011  Update  revision  1  –  DECC  2.   Merkel  et  al.  Journal  of  Membrane  Science,  359  (2010)  3.   Zhao  et  al.,  Journal  of  Membrane  Science  359  (2010)  4.   The  costs  of  CO2  capture  –  Zero  Emission  Pladorm  (2009)  5.   Cost  and  Performance  of  Carbon  Dioxide  Capture  from  Power  GeneraQon,  IEA  -­‐  InternaQonal  Energy  Agency.  

Economic  analysis:  LCOE  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   16  

•  A  reduc9on  in  LCOE  is  observed  for  the  membrane  cases  compared  to  the  amine-­‐based  conven9onal  capture  (*es9ma9on  based  on  the  DOE  case  10)  

•  Boiler  op9on  is  the  best  solu9on  with  a  poten9al  reduc9on  of  10%  in  LCOE  •  The  possible  contribu9on  of  the  carbon  market  (ETS)  has  been  included  

0.0

0.5

1.0

1.5

Base Case Amines* Retrofit -Membranes

Boiler -Membranes

Dim

ensi

onle

ss L

COE

[-]

ETSStorageFuelO&MCAPEX

Conclusion  and  challenges  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   17  

•  In  the  direc9on  of  reducing  CO2  emissions  from  coal-­‐fired  power  plant,  membrane  separa9on  may  play  a  key  role  

•  The  customisa9on  of  UniSim®  Design  allows  a  complete  es9ma9on  of  the  separa9on  and  the  implementa9on  of  addi9onal  customised  unit  opera9ons  

•  LCOE  is  a  useful  economic  parameter,  par9cularly  for  long-­‐term  predic9ons  such  as  CCS  perspec9ves  

•  More  detailed  models  are  under  inves9ga9on  in  order  to  give  more  realis9c  predic9ons  

•  Future  challenges  will  involve  the  dynamic  implementa9on  and  customisa9on  

UniSim  Design  Challenge  2012  Davide  Bocciardo   18  

Thanks  for  your  aQen5on  

Acknowledgements:  •  ETP  (Energy  Technology  Partnership)  and  ScoDsh  Power  for  funding  this  project  •  PhD  supervisors:  Prof.  Stefano  Brandani  and  Dr.  Maria-­‐Chiara  Ferrari    •  Dr.  Friedrich  for  his  mathema9cal  and  programming  support