DESIGN AND ENGINEERING OF A CARBON CAPTURE AND UTILIZATION PLANT: FEASIBILITY STUDY, DESIGN OPTIMIZATION, ENERGY PERFORMANCE ANALYSYS AND PROCESS AUTOMATION

This thesis project focuses on the development and engineering design of some elements of a Carbon Capture & Utilization - CCU plant, aimed at capturing and recovering CO₂ emissions from an existing industrial facility. The system is designed to prevent the release of polluting gases into the atmosphere and at the same time add value to the recovered carbon by using it in the production of new materials and products. The project is set within a particularly stringent European regulatory context, which requires a detailed preliminary assessment of the current legislation, necessary to ensure both regulatory compliance and the technical and design feasibility of the plant. The next phase of the work consists of an analysis aimed at identifying products that are suitable from both a chemical-physical and mechanical standpoint, and that, at the same time, are capable of ensuring part of the future economic sustainability of the system. This is followed by the design of some main sections of the plant, accompanied by the implementation of functional changes compared to previous versions, with the aim of optimizing processes and also improve their energy performance. Dedicated calculation tools have been developed to support the design process, assess process energy performance, identify optimal configurations for integrating various operational stages, and guide the system toward efficiency and energy neutrality, a crucial requirement for ensuring the plant's overall environmental sustainability. Finally, the work lays the foundation for the future implementation of automatic control systems in the most critical and delicate processes, designed to integrate with the classic automation architectures already widespread in industry and aiming to create a future overall plant with nearly autonomous operation. In summary, the project provides a concrete contribution to improving the efficiency of one of the most polluting industrial plants and represents a significant step forward in technological innovation for decarbonization, innovatively supporting the achievement of greenhouse gas emission reduction goals.

Questo progetto di tesi è dedicato allo sviluppo e la progettazione di un impianto di Carbon Capture & Utilization - CCU, finalizzato alla cattura e al recupero delle emissioni di CO₂ da un impianto industriale esistente. Il sistema è progettato per prevenire il rilascio di gas inquinanti in atmosfera e, allo stesso tempo, valorizzare il carbonio recuperato utilizzandolo per la produzione di nuovi prodotti. Il progetto si inserisce in un contesto normativo europeo particolarmente stringente, che richiede una dettagliata valutazione preliminare della normativa vigente, necessaria per garantire sia la conformità rispetto alla normativa che la fattibilità tecnica e progettuale dell'impianto. La fase successiva del lavoro consiste in un'analisi volta a individuare prodotti idonei dal punto di vista chimico fisico e meccanico, e che al contempo, siano in grado di garantire parte della futura sostenibilità economica dell’impianto. Segue la progettazione di alcune sezioni principali, accompagnata dall'implementazione di modifiche funzionali rispetto alle versioni precedenti con l'obiettivo di ottimizzare i processi e migliorarne le prestazioni energetiche. Vengono sviluppati strumenti di calcolo dedicati per supportare il processo di progettazione, che consentono inoltre di valutare le prestazioni energetiche del processo, individuare le configurazioni ottimali per l'integrazione delle diverse fasi operative, e orientare il sistema verso la neutralità energetica, requisito fondamentale per garantire la sostenibilità ambientale complessiva dell'impianto. Infine, il lavoro pone le basi per la futura implementazione di sistemi di controllo automatici nei processi più critici e delicati, progettandoli per integrarsi con le classiche architetture di automazione diffuse in ambito industriale e con l'obiettivo di realizzare un futuro impianto con funzionamento autonomo. In sintesi, il progetto fornisce un contributo concreto all’efficientamento di uno tra gli impianti industriali più inquinanti, e rappresenta un significativo passo avanti nell'innovazione tecnologica volta alla decarbonizzazione, supportando in modo innovativo il raggiungimento degli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra.