وثيقة

Comprehensive assessment of an environmentally friendly biogas upgrading process using deep eutectic solvents.

المصدر
Master's thesis
عناوين أخرى
تقييم شامل لعملية ترقية الغاز الحيوي الصديق للبيئة باستخدام المذيب العميق سهل الانصهار.
الدولة
Oman
مكان النشر
Muscat
الناشر
Sultan Qaboos University.
ميلادي
2024
اللغة
الأنجليزية
نوع الرسالة الجامعية
Master's thesis
الملخص الإنجليزي
Energy demand increases annually, with fossil fuels being the primary source, leading to significant environmental concerns. Thus, clean energy from renewable resources like biogas, containing methane and carbon dioxide, must be utilized either exclusively or in conjunction with fossil fuels to reduce the environmental impacts of energy production systems. Biogas should be upgraded to biomethane by removing acid gases to fulfill the world's energy demand. In this study, a deep eutectic solvent (DES) was used as an absorbent in the biogas upgrading process, replacing conventional amine-solvent due to its features that overcome drawbacks of amine solvents of high energy consumption, high capital cost, high vapor pressure, and toxicity. 2 A deep eutectic solvent (DES) comprised of imidazole and monoethanolamide (Im-MEA) of molar ratio (1:4), was investigated for removing CO2, and N2 from raw biogas. The solubility of CH4, CO2, and N2 was studied in the DES within the pressure range of 4 to 18 bar with intervals of 4 bar and a temperature range of 35 to 55 ºC. The highest gas loadings obtained in Im:MEA (1:4) Im:MEA was 0.672 (mole CO2/mole DES), 0.154 (mole CH4/mole DES), and 0.134 (mole N /mole DES) at 18 bar and 35 ºC. From the solubility data obtained for all biogas constituents (CH4, CO2, and N2), it was observed that the solubility is directly proportional to pressure and inversely proportional to temperature. The solubility of CO2, CH4, and N2 was verified by calculating the Henry’s law constant. The calculated value of Henry’s law constant for CO2 at 35 ºC was 6.58 MPa Im:MEA, which is less than the reported value of 11.6 MPa for ChCl/Urea system at the same temperature. The findings vii revealed that the Im:MEA (1:4) system has better absorption capacity for all biogas constituents compared to most examined DES ChCl/Urea. In addition, three thermodynamic properties of dissolution enthalpy, dissolution Gibbs free energy, and dissolution entropy at standard conditions were also investigated. The findings showed that the heat of absorption of CO2-Im:MEA (1:4) was much less than that of conventional amine solvent, and the interactions of absorbent and constituent of biogas were highly ordered. The Biogas upgrading process was simulated in Aspen Plus. Aqueous amine solvent of 30% MEA based configuration was considered the base case for performance comparison with the proposed configuration using Im:MEA (1:4) DES. Process evaluation revealed that using Im:MEA (1:4) DES reduced the amount of solvent requirement by 32% compared to the amine-based process for the same objectives of high purity and recovery of biomethane. In addition, the proposed case showed an improvement in energy efficiency. While the process efficiency in terms of environmental reliability is in favor of the Im:MEA (1:4) DES case, where it achieved a higher capture rate (99%) and lower emissions (1.41 kg CO2/kmol). The economic evaluation indicated that the Im:MEA (1:4) based case resulted in total capital, operational, and total annualized cost savings of 33.24%, 17.72%, and 50.38%, respectively, compared to the MEA-based process. Utilizing the proposed DES as an absorbent can lower the total cost of the biomethane value chain and potentially effectively replace conventional solvents.
الملخص العربي
يتزايد الطلب على الطاقة سنوياً؛ وأعلى مصدر للطاقة هو الوقود الأحفوري الذي يرتبط بمخاوف بيئية عالية. وبالتالي، يجب استخدام الطاقة النظيفة من الموارد المتجددة مثل الغاز الحيوي؛ الذي يحتوي على الميثان وثاني أكسيد الكربون؛ إما بشكل حصري أو الوقود بالاشتراك مع الأحفوري لتقليل الآثار البيئية لأنظمة إنتاج الطاقة. ترقية الغاز الحيوي إلى الميثان الحيوي طريق عن إزالة الغازات الحمضية (N2, CO2) لتلبية الطلب العالمي على الطاقة. في هذه الدراسة؛ تم استخدام المذيب العميق سهل الانصهار (DES) كمذيب لعملية ترقية الغاز الحيوي بدلاً من المذيب الأميني التقليدي بسبب ميزاته التي تتغلب على عيوب المذيبات الأمينية المتمثلة في استهلاك الطاقة العالي والتكلفة الرأسمالية العالية؛ وارتفاع ضغط البخار والسمية.
تم دراسة المذيب العميق سهل الانصهار (DES) المشتمل على إيميدازول-أحادي إيثانولاميد (MEA-Im) بنسبة مولية (1:4) في إزالة الغازات الحمضية (CO2, N2) من الغاز الحيوي الخام. تم التحقق من قابلية ذوبان (CH4, N2, CO2) في المذيب MEA-Im (1:4) تحت ضغط يتراوح من 4 إلى 18 بار بفواصل 4 درجة مئوية، ومدى درجة حرارة 35 - 55 درجة مئوية. أعلى كمية ذوبانية للغازات الحيوية في المذيب تم الحصول عليها لغازات (CH4, N2) في MEA-Im (1:4) هو 0.672 مول/لتر عند ضغط 18 بار ودرجة حرارة 35 درجة مئوية؛ على التوالي. من بيانات الذوبان التي تم الحصول عليها لجميع الغازات الحيوية (CO2, N2, CH4) لوحظ أن الذوبانية تتناسب طردياً مع الضغط وتتناسب عكسياً مع درجة الحرارة.
تم التحقق من قابلية ذوبان CO2, CH4, N2 عن طريق حساب ثابت هنري. كانت القيمة المحسوبة لثابت قانون هنري لثاني أكسيد الكربون عند 35 درجة مئوية هي 6.58 ميجا باسكال لـ (MEA-Im 1:4)؛ وهي أقل من القيمة المنشورة 11.6 ميجا باسكال لنظام Urea/ChCl عند نفس درجة الحرارة. أظهرت النتائج أن نظام MEA-Im (1:4) يتمتع بقدرة امتصاص أفضل لجميع الغازات الحيوية مقارنة بنظام Urea/ChCl DES الذي تم فحصه. بالإضافة إلى ذلك؛ تم أيضًا دراسة ثلاث خواص ديناميكية حرارية وهي إنثالبي الذوبان وطاقة جيبس الحرة الذائبة، وإنتروبيا الذوبان عند الظروف القياسية. أظهرت النتائج أن حرارة امتصاص CO2 كانت أقل بكثير من حرارة امتصاص المذيب الأميني التقليدي؛ وكانت تفاعلات المادة الماصة والغازات الحيوية مرتبة للغاية.
تم محاكاة عملية ترقية الغاز الحيوي في Aspen Plus اعتبار محلول المذيب ذو التكوين المعتمد على MEA بنسبة 30% بمثابة المرجع الأساسي من أجل مقارنة الأداء مع العملية المقترحة باستخدام DES (1:4) MEA
تم محاكاة عملية ترقية الغاز الحيوي باستخدام برنامج Aspen Plus حيث تم اعتبار محلول المذيب ذو التكوين المعتمد على MEA بنسبة 30% كمحلول مرجعي لمقارنة الأداء مع العملية المقترحة باستخدام DES (1:4) MEA
أظهرت نتائج تقييم العملية أن استخدام DES (1:4) MEA
قلل من متطلبات المذيبات بنسبة 96% مقارنة بالعملية المعتمدة على الأمين مع تحقيق نفس الأهداف في الحصول على نقاء عالٍ واستعادة الميثان الحيوي كما أظهرت الحالة المقترحة تحسنًا في كفاءة استخدام الطاقة بالإضافة إلى كفاءة بيئية أفضل مع معدل تقاط كربوني أعلى (1699) وانبعاثات أقل (1.41) كجم ثاني أكسيد الكربون لكل مول وأشار التقييم الاقتصادي إلى أن الحالة المستندة إلى MEA
(1:4) أدت إلى توفير إجمالي في التكاليف السنوية بنسبة 96% مقارنة بالعملية المستندة إلى Urea/ChCl في الختام يخلص البحث إلى أن الاستخدام المقترح لـ DES يمكن أن يقلل من التكلفة الإجمالية للميثان الحيوي ويعد بديلاً فعالاً للمذيبات التقليدية بقدرة وكفاءة أعلى.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية