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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÁI HỒNG MƠ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HĨA QUY TRÌNH HẤP THỤ SỬ DỤNG DUNG MƠI LÀ HỖN HỢP ION LỎNG (IONIC LIQUIDS) VÀ AMINE MEA ĐỂ TÁCH CO2 RA KHỎI DỊNG KHÍ THẢI Chun ngành : Kỹ thuật Hóa Dầu Lọc Dầu Mã số : 8520305 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: …… Nguyễn Thái Hoàng………………… MSHV:…….1870480… Ngày, tháng, năm sinh: …………15/11/1991……………… Nơi sinh: ……Hà Nội… Chuyên ngành: ……Kỹ Thuật Hóa Dầu Lọc Dầu Mã số : … 8520305… I TÊN ĐỀ TÀI: …….Mơ tối ưu hóa quy trình hấp thụ sử dụng dung mơi hỗn hợp Ion lỏng (Ionic Liquids) amine MEA để tách CO2 khỏi dịng khí thải… II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Mơ tối ưu hóa quy trình hấp thụ CO2 sử dụng hỗn hợp dung mơi MEA+IL - Tối ưu hóa lượng đánh giá hiệu kinh tế so sánh với quy trình truyền thống - Xây dựng mơ hình tốn học xác định chi phí hàng năm theo đặc tính dịng khí thải II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ……………14/02/2022 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:…………… 20/07/2022 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): ……TS Nguyễn Bùi Hữu Tuấn, TS Nguyễn Thành Duy Quang Tp HCM, ngày tháng năm 2022 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Bùi Hữu Tuấn CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TS Nguyễn Thành Duy Quang TS Phạm Hồ Mỹ Phương TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) PGS TS Nguyễn Quang Long Cơng trình hồn thành : Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG-HCM Cán hướng dẫn khoa học 1: ……TS Nguyễn Thành Duy Quang.………… Chữ ký:………………………………………………… Cán hướng dẫn khoa học 1: ……TS Nguyễn Bùi Hữu Tuấn.………… Chữ ký:………………………………………………… Cán chấm nhận xét 1: ……………TS Lưu Xuân Cường…………………………………… Chữ ký:………………………………………………… Cán chấm nhận xét 2: ……………PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh…………………………… Chữ ký:………………………………………………… Luận văn thạc sỹ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày…29….tháng…7…năm…2022… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1…GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc – Chủ tịch………………………… 2…TS Hồ Quang Như – Thư Ký……………………………… 3…TS Lưu Xuân Cường – Phản Biện 1…………………………… 4…PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh – Phản Biện ……………………… 5…TS Nguyễn Quốc Thiết - Ủy Viên…………………………… Xác nhận Chủ Tịch Hội Đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC PGS TS Nguyễn Quang Long LỜI CÁM ƠN Luận văn Thạc sĩ thực học kỳ năm học 2021-2022 Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Bộ Mơn Cơng Nghệ Chế Biến Dầu Khí, Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TPHCM Em vô biết ơn thầy hướng dẫn , TS Nguyễn Bùi Hữu Tuấn TS Nguyễn Thành Duy Quang tận tình hướng dẫn bảo suốt trình thực luận văn Em chân thành cảm ơn thầy cô chấm nhận xét thầy cô Hội Đồng Bảo Vệ dành thời gian cho ý kiến để sửa đổi hoàn thiện luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô môn , giảng dạy cho em trình học tập chương trình thạc sĩ ngành Kỹ Thuật Hóa Dầu Lọc Dầu Đại Học Bách Khoa TP.HCM Những kiến thức kinh nghiệm em tích lũy q trình học tập làm luận văn hành trang quý báu cho đường phát triển tương lai em Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến gia đình người bạn động viên, hỗ trợ nhiều suốt q trình học tập, làm việc hồn thành luận văn TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng năm 2022 Học viên thực Nguyễn Thái Hoàng i TÓM TẮT LUẬN VĂN Nhu cầu tiêu thụ lượng phát triển công nghiệp tăng nhanh dẫn đến gia tăng phát thải CO2, góp phần tạo nên vấn đề biến đổi khí hậu ngày trở nên nghiêm trọng năm gần Để giảm thiểu phát thải CO2, công nghệ thu giữ lưu trữ carbon (Carbon capture, utilisation and storage - Công nghệ thu giữ lưu trữ CO2), với trình hấp thụ CO2 dung môi amin sử dụng thông dụng công nghiệp Tuy nhiên trình tiêu tốn nhiều lượng Để tối ưu hóa chi phí giảm tiêu thụ lượng, phương án sử dụng dung môi hỗn hợp amin với ion lỏng nghiên cứu để cải thiện trình hấp thụ CO2 Luận văn khảo sát q trình hấp thụ CO2 sử dụng dung mơi hỗn hợp MEA ion lỏng [Bpy][BY4] từ nguồn phát thải có lưu lượng nồng độ CO2 khác Bộ phần mềm AspenOne sử dụng để mô phỏng, tối ưu hóa thơng số hoạt động mạng nhiệt, tính tốn kinh tế Kết so sánh với quy trình tiêu chuẩn sử dụng MEA Ngồi ra, mơ hình tốn học thể mối quan hệ chi phí hàng năm cho dịng khí thải khác xây dựng, làm sở cho việc thiết kế tính tốn cho hệ thống thu hồi CO2 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 số liệu kết nghiên cứu luận văn tốt nghiệp cơng trình em nghiên cứu thực hiện, hướng dẫn thầy hướng dẫn TS Nguyễn Bùi Hữu Tuấn TS Nguyễn Thành Duy Quang, trung thực chép hay xuất nghiên cứu Các tài liệu sử dụng đảm bảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nghiên cứu TP Hồ Chí Minh, ngày 21 tháng năm 2022 Học viên thực Nguyễn Thái Hoàng iv MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT LUẬN VĂN ii ABSTRACT iii LỜI CAM ĐOAN iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG .viii DANH MỤC HÌNH xi I GIỚI THIỆU 1.1 Biến đổi khí hậu 1.2 Phát thải CO2 1.3 Công nghệ CCUS 1.4 Công nghệ thu giữ CO2 15 1.5 Đặt vấn đề 19 1.6 Mục tiêu nghiên cứu 21 1.7 Ý nghĩa đề tài 21 II TỔNG QUAN 23 2.1 Đặc tính nguồn phát thải CO2 23 2.2 Các phương pháp thu giữ CO2 27 2.3 Thu giữ CO2 hấp thụ 34 2.4 Hấp thụ CO2 amines 40 2.5 Hấp thụ CO2 Ionic Liquid (ILs) 43 v III PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 49 3.1 Mơ tả quy trình 49 3.2 Mơ hình tính tốn mơ 57 3.3 Tối ưu hóa q trình 69 3.4 Mơ hình tích hợp mạng trao đổi nhiệt 74 3.5 Tính kinh tế cho dự án chi tiết 76 3.6 Xây dựng mơ hình tốn học input-output 80 3.7 Lưu đồ bước thực 80 IV KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 85 4.1 Kết mô tối ưu hóa q trình 85 4.2 Kết tích hợp mạng trao đổi nhiệt 88 4.3 Kết tính kinh tế cho dự án chi tiết 90 4.4 Xây dựng mơ hình tốn học mối quan hệ Input - Output 107 V KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 109 5.1 Kết Luận 109 5.2 Một số đề nghị 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 PHỤ LỤC 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) IL Ionic Liquid Chất lỏng Ion CCUS Carbon capture, utilisation and Công nghệ thu giữ, tận dụng storage lưu trữ CO2 Intergovernmental Panel on Ủy ban Liên phủ Climate Change Biến đổi khí hậu United Nations Environment Chương trình Mơi trường Liên Programme hợp quốc IPCC UNEP IEA International Energy Agency Cơ quan Năng lượng Quốc tế EOR Enhanced Oil Recovery Tăng cường thu hồi khai thác dầu SCR Selective Catalytic Reduction Khử xúc tác chọn lọc ESP Electrostatic Precipitation Kết tủa tĩnh điện FGD Flue gas Delsulfurization Khử lưu huỳnh khí thải 10 IGCC Integrated gasification combined Chu trình khí hóa tích hợp cycle 11 MOF Metal–organic framework Khung kim loại – hữu 12 CMS Carbon Moleculary Sieve Sàng phân tử carbon 13 AARD Average absolute relative Giá trị tuyệt đối 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 Hình A3 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 0.5 kmol/s, 20% CO2 Hình A4 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 0.5 kmol/s, 30% CO2 143 Hình A5 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 0.5 kmol/s, 40% CO2 Hình A6 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 0.5 kmol/s, 50% CO2 144 Hình A7 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 0.5 kmol/s, 60% CO2 Hình A8 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 5% CO2 145 Hình A9 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 10% CO2 146 Hình A10 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 20% CO2 Hình A11 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 30% CO2 147 Hình A12 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 40% CO2 Hình A13 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 50% CO2 148 Hình A14 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 60% CO2 Hình A15 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 5% CO2 149 Hình A16 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 10% CO2 Hình A17 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 20% CO2 150 Hình A18 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 30% CO2 Hình A19 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 40% CO2 151 Hình A20 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 50% CO2 Hình A21 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng kmol/s, 60% CO2 152 Hình A22 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 10 kmol/s, 5% CO2 Hình A23 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 10 kmol/s, 10% CO2 153 Hình A24 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 10 kmol/s, 20% CO2 Hình A25 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 10 kmol/s, 30% CO2 154 Hình A26 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 10 kmol/s, 40% CO2 Hình A27 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 10 kmol/s, 50% CO2 155 Hình A28 Mạng nhiệt tích hợp cho trường hợp lưu lượng 10 kmol/s, 60% CO2 156 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Nguyễn Thái Hoàng Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: 15/11/1991 Hà Nội Địa liên lạc: 935/10/1A Bình Giã, P.10, TP Vũng Tàu, BRVT QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 2009 – 2014 : Cử nhân Cơng Nghệ Hóa Học, Đại Học Bách Khoa TPHCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2014 – 2022 : Esquel Group – Esquel VietNam – Fabric Division 157