Design constructal de sistemas de captura de CO2 pós-combustão por mineralização

Abstract

Resumo: A Captura, Utilização e Armazenamento de Carbono (do inglês, Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) é considerada estratégia crucial para atingir metas de mitigação de Gases de Efeito Estufa (GEEs) e das mudanças climáticas, mas sua implementação não está ocorrendo tão rapidamente quanto necessário. Processos de Carbonatação Mineral (CM) estão entre as alternativas mais seguras e promissoras para captura e armazenamento de carbono, devido à estabilidade dos produtos, porém desafios técnicos precisam ser superados para ampliar a escala da tecnologia, como reduzir penalidades energéticas e acelerar a cinética. O método de Design Constructal oferece um caminho para atingir esses objetivos. Esta tese estuda pela primeira vez o Design Constructal de um reator de leito poroso para captura de CO2 pós-combustão por CM, por meio de modelos analíticos e numéricos, empregados para estudar parâmetros de design. O reator é visto pela ótica Constructal como um sistema de fluxo com liberdade para transformações de sua configuração em suas escalas temporais e geométricas. O problema a ser tratado é como projetar o reator de modo a facilitar o acesso das correntes que o percorrem: o fluxo de CO2 da entrada ao material reagente e o fluxo de outros gases da entrada à saída do reator. Esta corrente é estudada primeiro, em um reator de leito fixo genérico. Modelos analíticos simples permitem obter parâmetros otimizados para o volume elementar (menores unidades onde ocorre a reação). Estas são empacotadas em estruturas de fluxo hierárquicas (Constructais), levando a baixas quedas de pressão. Soluções numéricas para o reator apresentam boa concordância com as relações propostas. Então, o reator de carbonatação mineral é explorado em seus padrões temporais e espaciais, visando a minimizar resistências de transporte. O compromisso entre quedas de pressão e taxa da reação é explorado por meio da razão com que o primeiro Constructo é preenchido com material reagente. Uma metodologia de dimensionamento para reatores de CM é proposta. O desempenho energético e de captura do reator é avaliado usando métricas como requerimentos e penalidades energéticas e eficiência de Segunda Lei. Resultados para o design multiescala fornecem um caminho evolucionário de possibilidades de configurações e mostram ser possível associar geometrias com quedas de pressão e gasto energético para os reatores de CM. Resultados demonstram que, com o Design Constructal, é possível melhorar o acesso do dióxido de carbono ao material capturante mantendo altas eficiências teóricas de Segunda Lei (até 58,2%) e requerimentos energéticos mais baixos do que sistemas encontrados na literatura (valor mínimo 279 kJ/kgCO2 capturado) com eficiência inicial de remoção de 99%. Melhores performances de reatores são obtidas quando se considera que eles têm liberdade para mudar suas configurações, por meio do Design Constructal.

Abstract: Carbon capture, Utilization and Storage (CCUS) has been recognized as a crucial path on mitigating the effects of greenhouse gases emissions and achieving climate change mitigation goals, but its deployment is not occurring as fast as required. Mineral carbonation (MC) processes are among the safest and most promising alternatives for carbon capture and storage due to product stability, but technical challenges need to be overcome in order to scale-up the technology, such as energy penalties and sufficiently fast kinetics. The Constructal Design method can provide a path to achieve those goals altogether. This thesis first addresses the Constructal Design of a MC porous bed reactor for post-combustion CO2 capture, by developing analytical and numerical models used to study design parameters. The reactor is seen from the Constructal Design View as a flow system that has freedom to morph its configuration in what concerns its temporal and geometric scales. The problem to be adressed is how to design the reactor in order to ease the access of the currents flowing through it: the flow of CO2 from the inlet to the reacting material, and the flow of other gases from the inlet to the outlet of the reactor. The latter current is addressed first, in a generic fixed bed reactor. Simple analytical models allowed to obtain optimized parameters for the elemental volume (smallest unit), which are then packed in hierarchical (constructal) flow structures, in a way that leads to low pressure losses. Numerical solutions with a full-scale model show good agrément with the proposed relations. Then the mineral carbonation reactor is explored in its temporal and spatial patterns, aiming to minimize transport resistances. The trade-of fbetween pressure losses and rate of reaction is then explored by the ratio in which the first construct is filled with reacting material. A dimensioning methodology for mineral carbonation reactors is proposed considering these relations. The capturing and energy performances of the designed systems are evaluated using parameters such as energy requirements, energy penalty and Second Law efficiency. Results for the multi-scale design provide an evolutionary path of configurations and show that it is possible to associate geometric configurations with pressure drops and energy expenditure for the CC devices. Evaluation results show that with Constructal Design it is possible to improve access of carbon dioxide to the reacting material while keeping high theoretical Second Law efficiencies (up to 58,2%) and lower energy requirements than systems fround in literature (as low as 279 kJ/kgCO2 captured) with initial abatement of 99%. Better performance of reactors are achieved when acknowledging that they have freedom to morph its configurations, by the use of Constructal Design.