Σχεδιασμός και συστημική βελτιστοποίηση συστημάτων διεργασιών διαχωρισμού με ενσωμάτωση καινοτόμων δικτύων μεμβρανών. - ΠΡΟΣΩΡΙΝΟΣ ΤΙΤΛΟΣ

Α. ΚΟΚΟΣΗΣ, Κ. ΧΑΡΙΤΙΔΗΣ, Χ. ΣΑΡΙΜΒΕΗΣ

Τα δίκτυα μεμβρανών αποτελούν πρωτότυπα συστήματα διαχωρισμού, τα οποία θα μπορούσαν να ενισχύσουν επικουρικά το δυναμικό των συμβατικών διεργασιών διαχωρισμού, ιδίως εκείνων που σχετίζονται με περιβαλλοντικές εφαρμογές, με τη δέσμευση και αξιοποίηση του διοξειδίου του άνθρακα (CO2), καθώς και την πλειονότητα των βιομηχανικών βιοτεχνολογικών διεργασιών. Παρόλα αυτά, η ανάπτυξη δικτύων μεμβρανών ως διεργασία διαχωρισμού, αφ? ενός δεν είναι απλή διαδικασία και αφ? ετέρου παραμένει δαπανηρή αν δεν ενσωματωθεί σε άλλες διεργασίες διαχωρισμού. Επιπλέον, οι συμβατικές διεργασίες διαχωρισμού περιορίζονται αποκλειστικά σε απλές επιλογές διαμόρφωσης και δε λαμβάνουν υπόψη το πλήθος των επιλογών και των βαθμών ελευθερίας, που προσφέρει για εκμετάλλευση ένα δίκτυο μεμβρανών (π.χ. αριθμός σταδίων, συνθήκες λειτουργίας, διάταξη δικτύου).

Λαμβάνοντας υπόψη τις σύγχρονες περιβαλλοντικές ανησυχίες, καθώς και τις προκλήσεις για τη μείωση των επιπτώσεων των ορυκτών καυσίμων στην υπερθέρμανση του πλανήτη, τα υβριδικά συστήματα διαχωρισμού με μεμβράνες έχουν προσελκύσει το ενδιαφέρον ως η βέλτιστη λύση χαμηλού κόστους και ενέργειας, ειδικά για τη δέσμευση του CO2 από τα καυσαέρια. Η ενσωμάτωση διαφόρων τεχνολογιών διαχωρισμού για τη διαμόρφωση των υβριδικών συστημάτων (π.χ. μεμβράνες + προσροφητικά υλικά) θα μπορούσε να οδηγήσει σε επιλογές με σημαντικά πλεονεκτήματα ως προς την αποτελεσματικότητα και το κόστος των διαχωρισμών. Τα κύρια πλεονεκτήματα των μεμβρανών για τον εξευγενισμό των καυσαερίων είναι η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (χάρη στο μηδενικό κόστος αναγέννησης, το μικρό βάρος και τις ελάχιστες χωροταξικές απαιτήσεις), η ευκολία στην κλιμάκωση, τα οικονομικά υλικά, η απουσία κινούμενων μερών, η ευκολία εγκατάστασης, η ευελιξία, οι χαμηλές απαιτήσεις σε βοηθητικές παροχές, οι χαμηλές περιβαλλοντικές επιπτώσεις, η αξιοπιστία και τέλος η ευκολία αξιοποίησης νέων-εξελιγμένου τύπου μεμβρανών. Παρόλα αυτά, δεν υπάρχει ούτε σαφής συσχέτιση μεταξύ του κεφαλαιακού και του λειτουργικού κόστους, ούτε σαφής ένδειξη για το επίπεδο διαχωρισμού που δύναται να επιτευχθεί από τη χρήση μεμβρανών σε συνδυασμό με άλλες διεργασίες διαχωρισμού (π.χ. προσρόφηση, θερμικός διαχωρισμός, απορρόφηση κ.λπ.).

Η παρούσα διατριβή φιλοδοξεί να αναπτύξει σε συστηματικό πλαίσιο, μια υπερδομή δικτύου μεμβρανών: (α) η οποία συνδυάζει όλες τις διαθέσιμες δομικές και λειτουργικές επιλογές, (β) είναι ευέλικτη ώστε να ενσωματώνεται σε άλλα υποψήφια συστήματα διαχωρισμού. Η υπερδομή περιγράφεται με μαθηματικό τρόπο και παρουσιάζεται ως πρόβλημα βελτιστοποίησης, η επίλυση του οποίου μας δίνει τις προτεινόμενες σχεδιαστικές επιλογές και τους στόχους των επιδόσεων. Ενώ η προσέγγιση είναι γενική, τα αποτελέσματα επαληθεύονται σε μια πραγματική πρωτότυπη υβριδική διεργασία δέσμευσης CO2 με χρήση μεμβρανών σε συνδυασμό με προσρόφηση υπό κενό και θέρμανση (Vacuum Temperature Swing Adsorption, VTSA), συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα των μεμβρανών με αυτά των φυσικών και χημικών προσροφητικών υλικών. Με στόχο τη βελτιστοποίηση της υπόψη σύνθετης υβριδικής διεργασίας (μεμβράνες-VTSA) για τη δέσμευση του CO2, προτείνονται χωρίς εξαντλητική αναζήτηση, εναλλακτικές επιλογές και κάθε μία από αυτές αξιολογείται οικονομικά (κόστος επένδυσης, λειτουργικό κόστος, οικονομικό δυναμικό).