Process Simulation of Recycling Processes using Aspen Plus

No Thumbnail Available

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-12-15

Department

Major/Subject

Kemian tekniikka ja prosessit

Mcode

CHEM3050

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

33

Series

Abstract

Electrification increases the demand of critical metals such as Co, Cu, Li and Ni, which are essential for producing lithium-ion batteries, solar cells, and other clean energy technologies. This trend poses challenges in terms of raw material sufficiency and waste management, highlighting the importance of recycling processes. Current recycling methods primarily focus on the recovery of high-value components, resulting in significant waste streams. Recycling is further hindered by the lack of infrastructure for collection, low recycling rates, and heterogeneous material streams, where interactions between materials are difficult to determine precisely. These issues can be addressed through process simulation, which enables the processing of large amounts of data while reducing the need for laboratory experiments and resources. This thesis examines the simulation of recycling processes for lithium-ion batteries and solar cells using Aspen Plus, focusing on process design, optimisation, techno-economic aspects, and life-cycle assessment. Aspen Plus was chosen due to its widespread use in various fields of chemical engineering. However, its applications in recycling processes have mostly been limited to fluids or individual components, rather than complex technologies, such as entire solar cells. This study was conducted as a literature review. Furthermore, the findings indicate that Aspen Plus is a viable tool for simulating the recycling processes of the selected applications. Its strengths include extensive databases of equipment, components and their physical properties, as well as the ability to handle several types of components, such as metals, plastics and exhaust fumes, within the same process flow sheet. Nevertheless, the inherent complexity of recycling processes, in terms of compounds and reaction systems, poses challenges for simulation. This complexity requires precise input parameters, which may sometimes necessitate simplifying assumptions. Although the databases of Aspen Plus are extensive, the continuous and rapid development of new materials, such as cathode compounds, can lead to gaps in the data for the newest structures. As process simulation becomes more widely implemented, the quality and comprehensiveness of available data are expected to improve, making it an increasingly effective tool for developing recycling processes.

Yhteiskunnan sähköistyminen lisää useiden kriittisten metallien, kuten koboltin, kuparin, litiumin ja nikkelin, kysyntää. Näitä metalleja tarvitaan erityisesti litiumioniakkujen, aurinkokennojen ja muiden puhtaan energian teknologioiden valmistuksessa. Tämä kehitys aiheuttaa haasteita raaka-aineiden riittävyyden ja jätehuollon kannalta korostaen kierrätysprosessien merkitystä. Kierrätysprosessien kehittäminen ja sekundääristen raaka-aineiden käytön lisääminen ovat keskeisiä sähköistymisen mahdollistajia. Litiumioniakkujen ja aurinkokennojen nykyiset kierrätysmenetelmät perustuvat usein yhdistelmään mekaanisia, hydro- ja pyrometallurgisia prosessivaiheita, joilla kaikilla on omat hyöty- ja haittapuolensa. Monet näistä kierrätysprosesseista keskittyvät arvokkaimpien komponenttien talteenottoon muodostaen merkittävän määrän jätevirtoja. Kierrätyksen toteuttamista vaikeuttavat myös puutteellinen infrastruktuuri keräystä varten, alhainen kierrätysaste sekä heterogeeniset ainevirrat, joissa eri komponenttien välisiä vuorovaikutuksia on vaikea määrittää tarkasti. Näille ongelmille voidaan etsiä ratkaisuja prosessisimulaation avulla. Prosessien mallintaminen mahdollistaa suurten datamäärien, monimutkaisten prosessien tai reaktiosysteemien laskennan samalla vähentäen laboratoriokokeiden ja resurssien tarvetta. Tässä kandidaatintyössä tutkitaan litiumioniakkujen ja aurinkokennojen kierrätysprosessien mallintamista Aspen Plus -ohjelmistolla. Työssä perehdytään näiden prosessien suunnitteluun, optimointiin sekä teknistaloudellisiin ja elinkaarinäkökulmiin esimerkkien avulla. Aspen Plus valittiin, koska se on laajasti tunnettu eri kemian tekniikan aloilla. Toisaalta sen soveltuvuutta kierrätysprosessien mallintamiseen on tutkittu pääasiassa kaasu- ja nestemäisille prosesseille tai ainoastaan yksittäisille komponenteille, esimerkiksi kokonaisen aurinkokennon sijaan. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena. Tulokset osoittavat, että Aspen Plus on potentiaalinen työkalu valittujen teknologioiden kierrätysprosessien mallintamiseen. Sen vahvuuksia ovat kyky käsitellä laajoja monimutkaisia prosesseja, joissa on monenlaisia komponentteja, kuten metalleja, muoveja ja poistokaasuja samassa prosessikaaviossa. Tämä on mahdollista ohjelman laajojen tietokantojen ansiosta, jotka sisältävät useita eri yhdisteitä ja niiden fysikaalisia ominaisuuksia. Lisäksi ohjelmaan on integroitu työkaluja, jotka mahdollistavat taloudellisten ja ympäristönäkökulmien tarkastelun sekä räätälöityjen laitteistojen suunnittelun. Kirjallisuuskatsauksen perusteella simulaatioista on saatu tuloksia, jotka vastaavat kokeellisista tutkimuksista saatuja havaintoja. Kierrätyksen simuloinnin haasteena on kuitenkin prosessien monimutkainen luonne, mikä edellyttää tarkkoja lähtötietoja prosessin parametreistä ja voi vaatia pelkistävien oletusten tekemistä. Vaikka ohjelman tietokannat ovat kattavat, esimerkiksi litiumioniakkujen katodimateriaalien jatkuva kehitys johtaa siihen, että tietokannoista voi puuttua uusimpia rakenteita. Prosessisimulaation yleistyessä saatavilla olevan datan laatu ja kattavuus paranevat, mikä tekee siitä tehokkaamman työkalun kierrätysprosessien kehittämisessä.

Description

Supervisor

Aromaa, Jari

Thesis advisor

Gomez, Luis

Keywords

Aspen Plus, process simulation, recycling, lithium-ion battery, photovoltaic cell

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202501282049

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM