Simulation of an HPC-process in Aspen HYSYS

Abstract

With climate change being one of the greatest challenges of our time, interest in carbon dioxide removal and mitigation has increased, as a way of minimizing emissions. As a result, carbon capture has become a key focus in the industry. One of the most common chemical absorption techniques is carbon capture using hot potassium carbonate (HPC). This process operates at an elevated absorber pressure, where CO2 from a flue gas stream is absorbed into a potassium carbonate enriched solvent. The pressure is then reduced in a stripper, which promotes the CO2 release from the solvent.

This master's thesis investigates the design and performance of an HPC process model in Aspen HYSYS. A base case model was developed for a representative flue gas stream, with each process step described and motivated. The model's performance and robustness was then evaluated using two additional flue gas streams with varying CO2 concentrations. Lastly, a sensitivity analysis was also conducted to assess the impact of solvent flow rate and absorber operational pressure.

The model successfully converged for all three gas streams. The base case design was deemed effective, as it exhibited lower reboiler duty compared to cases found in the literature. The feasibility of heat integration with district heating water between compression stages was explored, but the results indicated that further research is needed due to the large heat exchanger areas required. Validation using the two alternative gas streams showed that a streams with high CO2 concentrations improve energy efficiency. The results from the sensitivity analysis demonstrated that increasing the solvent flow rate reduced reboiler duty, while increasing absorber pressure also reduced the reboiler duty, at the expense of raised electrical power consumption. This highlights the adaptability of the HPC process based on site specific energy availability.

Further studies of the model configurations is encouraged, to further optimize the performance. Areas for future investigation include optimizing absorber and stripper heights and packing materials, implementing a rich flash, and assessing economic feasibility of increased solvent flow rate.

Popular Abstract (Swedish)

Klimatförändringar är antagligen en av de största utmaningarna i modern tid, där förhöjda halter av växthusgaser i atmosfären har förödande konsekvenser på jordens livsuppehållande system. Koldioxid är ansedd som den mest utsläppta växthusgasen, vilket har lett till ett ökat intresse för koldioxidinfångning. Ett sätt för att minska de förhöjda halterna av koldioxid i atmosfären är genom koldioxidinlagring av rökgasströmmar från biomassa. Om den infångade koldioxiden sedan långtidsförvaras skulle detta resultera i negativa utsläpp. Denna studie undersöker en sådan kemisk koldioxidinfångningsprocess där man utnyttjar kaliumkarbonat som absorbent. Processen kallas Hot Potassium Carbonate (HPC) och studien simulerar en typisk sådan process i datorprogrammet Aspen HYSYS.

En HPC-process opererar med ett absorbtionstorn och en stripperkolonn. Innan rökgasen kan förädlas måste den komprimeras till ett högre tryck, vilket förbättrar infångningen. I absorbtionen reagerar koldioxiden med lösningsmedlet, som resulterar i att gasen löses i vätskefasen. Efter att trycket har sänkts till atmosfärstryck transporteras vätskan till stripperkolonnen, där koldioxiden lämnar vätskefasen som ren gas. Syftet med examensarbetet är att utveckla en sådan HPC-modell i Aspen HYSYS. Modellen ska sedan kunna användas som ett hjälpmedel vid design av HPC-processer. Data från redan existerande modeller och processer användes som ett sätt för att validera modellen. För att få en så korrekt modell som möjligt har processen studerats och beskrivits grundligt. Modellen validerades även med två extra rökgasströmmar, med olika koldioxidkoncentration, för att undersöka hur modellen påverkades samt för att få en förståelse för hur HPC processen anpassar sig till olika förhållande. Det utfördes även en känslighetsanalys, där tryck och flödeshastighet av lösningsmedlet varierades. Slutligen utvärderades modellen för att se eventuella förbättringsmöjligheter.

Resultaten stämde överens med resultat som återfanns i litteraturen och därför ansågs modellens design vara bra. Designen utforskade även möjligheterna för värmeintegrering med fjärrvärmevatten vid kylning av rökgasen efter kompression samt vid kylning av lösningsmedlet. Resultaten från denna simulering resulterade dock i orimligt stora värmeväxlare, vilket innebär att mer utveckling krävs för att kunna säkerställa om det går att värmeintegrera på detta sätt. Resultaten visade även att det är mer energieffektivt att utnyttja koldioxidinfångning för gaser med hög koncentration av koldioxid. Känslighetsanalysen påvisade att ökning av lösningsmedlets flödeshastighet resulterade i minskad energiförbrukning i återkokaren för samtliga rökgasströmmar. En ökning i tryck i absorbtionstornet resulterade i högre elektricitetsförbrukning, men en minskning i energiförbrukning hos återkokaren. Detta visar hur anpassningsbar en HPC-process är, beroende på energitillgångar.

Modellen har en del förbättringsmöjligheter. Bland annat utforskar studien huruvida ett högre absorbtionstorn och stripperkolonn skulle resultera i minskad energiåtgång. Examensarbetet har inte heller tagit hänsyn till några driftskostnader, vilket hade varit av stort intresse i framtida studier.

• author: Dalentoft, Joel
• supervisor: Helena Svensson; Basel Al-Rudainy
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20242
• year: 2025
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: CCS, BECCS, HPC, Hot Potassium Carbonate, Aspen HYSYS, chemical engineering, environmental engineering
• language: English
• id: 9187290
• date added to LUP: 2025-05-06 10:47:00
• date last changed: 2025-05-06 10:47:00