CO2 Absorpční Kapacity MEA

Abstrakt

popíšeme použití plynu bubbler zařízení, ve kterých plynné fázi je bublal do pevnou částku absorpční za standardních podmínek jako jednotný postup při stanovení absorpční kapacity rozpouštědla. Metoda byla systematicky aplikována ke stanovení absorpční kapacity CO2 mea () při několika vodných MEA (β) a koncentracích CO2 v plynné fázi. přiblížil se nominální absorpční kapacitě CO2 mea (720 g CO2 / kg MEA) při velmi nízkých hladinách β, zvýšení z na g CO2/kg MEA, protože β bylo sníženo z 30 na 2.5% (w/w). nezávisí na koncentraci CO2 ve vstupním proudu plynu, pokud proud plynu neobsahuje jiné složky citlivé na Amin. Během probublávání testy výstupní koncentrace CO2 profily vystavoval sigmoidální charakter, který by mohl být popsán exponenciální rovnice vyznačuje faktor účinnosti () a tvarový faktor (). Statistická analýza založená na korelační analýze ukázala, že ve všech případech experimentální data dobře zapadají do rovnice, když byl a byl . Výsledky těchto experimentů mohou být použity k optimalizaci konstrukce pračky pro sekvestraci CO2 z spalin odvozených z fosilních paliv.

1. Úvod

Existuje několik průmyslových aplikací, v nichž kapalné fáze látky (rozpouštědla) se používá selektivně absorbovat jedné nebo několika komponent (znečišťujících látek) z proudu plynu procházejícího absorbující sloupec (pračka). Jednou z aplikací rostoucího zájmu je absorpce CO2 ze spalin pocházejících z fosilních paliv v tepelných elektrárnách. CO2 je nejrozšířenějším skleníkovým plynem (GHG) v důsledku spalování fosilních paliv, aby uspokojil světovou energetickou poptávku . Snahy o zmírnění globálního oteplování zahrnují sekvestraci CO2 ze spalin pro skladování v moři nebo prázdné ropné vrty nebo přeměnu na CO a O2 pomocí umělé fotosyntézy . Ačkoli tyto technologie jsou stále v rané fázi vývoje, aminové drhnutí se ukázalo jako preferovaná metoda sekvestrace CO2 . Zatímco odstraňování kyselých plynů z procesních toků pomocí aminů je vyspělou technologií, čištění spalin představuje mnoho nových výzev, které stále nejsou dostatečně splněny v rozsahu nezbytném pro snižování skleníkových plynů . Techniky mokrého praní se musí zlepšit, aby bylo možné zpracovat velké objemy spalin při přijatelné tepelné účinnosti a minimálních nákladech .

Rozsáhlé práce byly prováděny k identifikaci optimální obalový materiál geometrie zlepšit hydrodynamické míchání a maximalizovat přenos hmoty, aby se minimalizovalo velikosti a pokles tlaku přes pračka . Účinnost absorpce nebo odstraňování (definovaná v bodě 1), Kde a jsou koncentrace znečišťujících látek vyjádřená jako molární frakce na vstupu a výstupu, resp.) je prostředek k vyjádření výkonu pračky. Několik autorů chybně označovalo jako vlastnost rozpouštědla, i když dvě pračky používající stejné rozpouštědlo by mohly mít různou absorpční účinnost. Zvažte

Schopnost Absorbovat Amin. Aminy jsou deriváty amoniaku, ve kterých je jeden nebo více atomů vodíku nahrazeno organickým radikálem . Monoethanolamin (MEA), diethanolamin (DEA) a methyldiethanolamin (MDEA) jsou nejčastěji používané aminy v pracích aplikacích. Absorpční kapacita aminů CO2 je snadno degradována přítomností SO2, NO2, HCl, HF nebo O2 v proudu plynu. Tyto složky tvoří nevratné vedlejší produkty, které snižují reakční rychlost během absorpčního procesu a zvyšují složitost procesu regenerace rozpouštědla.

absorpční kapacita je vlastnost rozpouštědla definovaná jako maximální molární množství znečišťující látky absorbované na mol rozpouštědla. Tato vlastnost se používá k definování vhodného zatížení (molární poměr znečišťující látky/rozpouštědla) v konstrukcích pračky. Nízké zatížení má za následek kolony s nízkou absorpční účinností, zatímco vysoké zatížení vede k nadměrným požadavkům na rozpouštědla a vysokým provozním nákladům. Kapacita aminů absorbující CO2 závisí na koncentraci rozpouštědla, složení proudu plynu a provozní teplotě .

aminy jsou schopné chemické a fyzikální absorpce CO2. Fyzikální absorpce je řízena termodynamické rovnováhy mezi CO2 molekul v plynu a vodné fáze a je popsána Henryho zákon :, kde je rovnovážný parciální tlak složky v plynné fázi, celkový tlak, Henryho konstanta pro složku , rovnovážné koncentrace složky v plynné fázi (vyjádřena jako molární zlomek), a rovnovážné koncentrace složky v kapalné fázi (vyjádřeno také jako molární zlomek).

Henryho konstanta je určena do teploty a tlaku kontrolované uzavřené komoře měřením rovnovážné koncentrace složky v plynné a kapalné fáze pomocí spektrofotometrické nebo chromatografické analýzy . Tato metoda je vhodná pro systémy prochází čistě fyzikální absorpce, například, CO2 absorpce v H2O. Nicméně, to je nevhodné, když se rozpouštědlo exponáty chemické absorpce, protože tato metoda nezaručuje, že rozpouštědlo se stává plně nasycen. Vyšetřovatelé používají tuto metodu již několik let, vyjadřují své výsledky z hlediska rovnovážného parciálního tlaku složky plynné fáze a odkazují na tyto hodnoty jako na rozpustnost znečišťující látky v rozpouštědle. Tong et al. kombinované experimentální práce s rozsáhlou literatury popsat rozpustnost CO2 ve 30% (w/w) vodných roztoků MEA jako funkce teploty a zatížení . Pro pohodlí čtenáře obrázek 1 reprodukuje zveřejněné výsledky. Tyto výsledky nelze použít k popisu absorpční kapacity rozpouštědla, protože rovnovážné podmínky, za kterých byly údaje shromážděny, nezajišťují saturaci rozpouštědla. Navíc, tyto výsledky nemohou být použity k určení Henryho konstanta pro MEA-H2O-CO2 systému, protože nemají kvantifikovat CO2 zůstávají v molekulární formě v kapalné fázi, a proto, jak již bylo zmíněno, systém vykazuje chemické absorpce.

Obrázek 1

Rozpustnost CO2 ve 30% (w/w) vodného MEA řešení na 313 K jako funkce zatížení (mol CO2 / mol MEA ), z Tong et al. .

chemická absorpce je založena na reakcích mezi CO2 a Aminem. Bylo hlášeno, že chemická absorpce se s tlakem významně nezvyšuje . Existují dva základní mechanismy reakce aminů (R-NH2) s CO2 :Pro běžné primární a sekundární aminy jako je MEA a DEA, reakce (3) převládá stabilní formu karbamátu (), vyžadující 2 mol aminu na mol CO2, a tedy omezení absorpční kapacity amine 0,5 mol CO2 na mol aminu, který je, 360 g CO2/Kg MEA. Nestabilní karbamáty však mohou hydrolyzovat za vzniku hydrogenuhličitanu (), jak je popsáno reakcí (4). Za této podmínky je jmenovitá absorpční kapacita MEA CO2 jeden mol CO2 na mol MEA, tj. Terciární aminy, jako je MDEA, sledují pouze reakci (4).

fyzikální a chemické absorpční kapacity MEA jsou ovlivněny teplotou,tlakem, přítomností dalších plynů a koncentrací vodného MEA.

Yeh a Bai měřili absorpční kapacitu CO2 mea v polokontinuálním reaktoru sestávajícím ze 60 mm skleněné láhve obsahující 200 mL rozpouštědla. Absorpční kapacity se pohybovaly od 360 do 380 g CO2 / kg MEA za použití koncentrací mea 7-35% (w/w) a průtoků plynu 2-10 SLPM 8-16% CO2 zředěného čistým vzduchem. Reakční teplota se pohybovala od 10 do 40°C. nedávno Rinprasertmeechai et al. používá se míchá se 100 mL reaktor obsahující 50 mL 30% (w/w) vodného MEA koncentrace při 25°C a atmosférickém tlaku získat absorpční kapacita 0,45 CO2 mol/mol aminu (324 g CO2/kg MEA) pro simulovanou spalin obsahující 15% CO2, 5% O2 a 80% N2 a tekoucí 0.05 SLPM. Tyto dva dokumenty neuváděly výstupní průtok plynu ani neodstranily O2 v proudu plynu, což vedlo k podcenění absorpční kapacity MEA CO2. Nedávno Kim et al. hlásil, absorpční kapacita 0,565 CO2 mol/mol aminu (407 g CO2/kg MEA) pomocí 30 objemových% CO2 zředěný v N2 a fixní rychlost průtoku 1 SLPM sledována hmotnostní regulátor průtoku a plynové chromatografie k určení koncentrace CO2 na výstupu z reaktoru.

neshody přítomné v předchozích výsledcích jsou způsobeny změnami zkušebních metod, ředěním Aminu, teplotou a tlakem rozpouštědla a složením vstupního plynu a zdůrazňují potřebu standardní metody pro stanovení absorpční kapacity rozpouštědel. Výsledná experimentální data jsou nutná k optimalizaci návrhů praček pro sekvestraci CO2 z spalin odvozených z fosilních paliv. Navrhujeme standardní metoda pro stanovení absorpční kapacity skládající se z plynu bubbler zařízení, ve kterých plynné fázi látky, je bublal do pevnou částku absorpční za standardních podmínek. Tuto metodu jsme systematicky aplikovali ke stanovení absorpční kapacity CO2 mea jako funkce koncentrace mea a koncentrace CO2 v proudu plynu. Saturační křivky získané během absorpce testy vystavoval sigmoidální charakter, který by mohl být popsán exponenciální funkcí charakterizována dvěma parametry: tvar a faktory účinnosti. Správné použití těchto faktorů by mohlo vést k kompaktnějším a účinnějším konstrukcím pračky.

2. Materiály a metody

Obrázek 2 ilustruje metodiku navrženou pro stanovení chemické a fyzikální absorpční kapacity rozpouštědel. Zařízení sestává z nastavení plynového bubbleru, ve kterém je proud plynu probubláván pevným množstvím absorbentu za standardních podmínek. Před testováním je systém testován na těsnost a propláchnut pomocí inertního plynu. Experimenty se provádějí za standardních podmínek tlaku a teploty (101 kPa, 25°C). Pro zajištění konstantní teploty v přítomnosti exotermické nebo endotermické reakce, systém je umístěna uvnitř temperované vodní lázni. Reaktor se kontinuálně míchá, aby se zabránilo stratifikaci nebo nehomogenitám uvnitř reaktoru. Vstupní a výstupní složení plynu a průtok se měří pomocí dobře přijatých metod. Před měřením průtoku výstupního plynu je důležité použít lapač vodní páry, aby se zabránilo deformacím měření v důsledku přítomnosti vody v proudu plynu po probublávání. Celkový průtok plynu přes bubbler by měl být co nejnižší (<1 SLPM), aby byla zajištěna úplná interakce plynu s rozpouštědlem. Rovněž se sleduje teplota, tlak a koncentrace absorbující látky. Objem roztoku v bublině se udržuje na 0,5 L.

Obrázek 2

Navrhované zařízení pro stanovení absorpční kapacita plynné fáze složek kapalné fáze tlumiče.

Tabulka 1 popisuje proměnné, které mají být měřeny a doporučených hodnot pro nezávislé proměnné, stejně jako požadavky na senzory, pokud jde o rozlišení, rozsah a metody měření. K ověření reprodukovatelnosti výsledků by mělo být provedeno několik studií.

metoda byla použita pro stanovení kapacity mea absorbující CO2 při několika vodných koncentracích MEA a plynných koncentracích CO2.

3. Výsledky

obrázek 3 znázorňuje molární koncentraci CO2 proudu plynné fáze na vstupu a výstupu bubbleru. Ukazuje, že při vstupní koncentraci 30% CO2 nebyly koncentrace MEA nižší než 50% (w / w) schopny absorbovat 100% CO2 přítomného v proudu plynu. Tato nízká absorpční účinnost není vlastnost MEA rozpouštědlo, ale spíše charakteristika zkušebního zařízení a udává, že doba proudu plynu v bubbler pro nízké MEA koncentrace je příliš nízká, jak získat přesné měření.

Obrázek 3

Evolution CO2 molární koncentrace na vstupu a výstupu z bubbler jako funkci vodné MEA koncentrace.

3.1. CO2 Absorpční Kapacity MEA

Pomocí hodnot , , , a získaná jako funkce času během probublávání test (viz Obrázek 3), schopnost absorbovat rozpouštědla je určen bywhere je molekulová hmotnost složky se vstřebává, je univerzální plynová konstanta, je standardní absolutní teplota, standardní tlak, je čas, a jsou indexy označující začátek a konec nasycení proces, je hmotnost rozpouštědla v bubbler, je plynu objemový průtok vyjádřený v běžných podmínkách, a jsou theindices označující vstupní nebo výstupní hodnoty.

obrázek 4 je porovnání získaných hodnot, údajů hlášených v předchozích pracích A Jmenovité kapacity mea absorbující CO2.

Obrázek 4

CO2 absorpční kapacity MEA pro několik úrovní vodné MEA koncentrace (), získané pomocí probublávání metoda. Yeh a Bai použili reaktor s 200 mL rozpouštědla a průtokem plynu 2-10 SLPM 8-16% CO2 zředěného čistým vzduchem. Teplota se pohybovala od 10 do 40°C. Rinprasertmeechai et al. používá míchaném reaktoru obsahující 50 mL 30% (w/w) vodného MEA koncentrace při 25°C a u simulované spalin obsahující 15% CO2, 5% O2 a 80% N2 a tekoucí 0.05 SLPM. Kim a spol. používá míchaném reaktoru s 1 L 30% (w/w) vodného MEA při 25°C s 30 obj.% CO2 zředěný v N2 a průtoku 1 SLPM. Všechny práce byly prováděny za atmosférického tlaku.

více než 100 kompletních sad experimentů bylo provedeno několika spolupracovníky. Bylo zjištěno, že CO2 absorbuje kapacita MEA je závislá na koncentraci, zvyšuje z g CO2/kg MEA, kdy byla snížena z 30 na 2,5% (w/w) a logaritmicky se blíží nominální absorpční kapacita 720 g CO2/Kg MEA ve velmi nízkých koncentracích. Tabulka 2 uvádí průměrné hodnoty a pozorovanou experimentální chybu.

změny v absorpční kapacitě CO2 s ředěním rozpouštědla byly také pozorovány Yeh a Bai pro systém NH3/H2O/CO2. Změny v CO2 absorpční kapacity MEA s koncentrací lze vysvětlit tím, že vzhledem k tomu, že přebytečná voda laskavosti reakce (4) a že tato reakce vede k nominální schopnost absorbovat dvakrát, že získané prostřednictvím reakce (3). Proto nízká koncentrace MEA výsledek v maximální absorpce CO2 na úkor snížení interakce mezi CO2 a MEA molekuly a nižší pravděpodobnost dosažení plné amine nasycení v přiměřené lhůtě. Změny v absorpční kapacitě CO2 mea s ředěním rozpouštědlem mohou být také způsobeny solvatačními účinky.

tyto výsledky definují technologickou výzvu při stanovení optimálních provozních podmínek pračky. Vysoké koncentrace MEA zajišťují 100% účinnost odstraňování, ale poskytují nízké absorpční kapacity CO2 a zvyšují množství MEA potřebné v procesu. Na druhé straně nízké koncentrace poskytují vysokou absorpční kapacitu CO2, ale nízkou účinnost odstraňování. Je možné, že sekvenční dvoustupňový proces by mohl být nákladově nejefektivnějším prostředkem k dosažení těchto protichůdných cílů.

obrázek 4 také porovnává absorpční kapacity CO2 mea měřené v těchto experimentech s kapacitami uvedenými v předchozích pracích. Ačkoli výsledky nejsou plně srovnatelné, protože byly získány za různých podmínek, obrázek 4 ukazuje, že hodnoty jsou podobné. Nejdůležitější rozdíl s Yeh a Bai a Rinprasertmeechai et al. byla přítomnost O2 v proudu plynu a Huertas et al. byla přítomnost H2S v proudu plynu. Kromě CO2 může MEA absorbovat H2S, SO2 a HCl . MEA je degradována přítomností O2, NO2, SO2, HCl a HF . Proto je při stanovení absorpční kapacity CO2 mea důležité eliminovat interferenci těchto druhů.

obrázek 4 také ukazuje, že absorpční kapacita byla nezávislá na koncentraci CO2 v plynné fázi. Bylo zjištěno, že tento závěr platí tak dlouho, dokud proud plynu nezahrnuje MEA citlivé komponenty jako je O2 a H2S.

To by mohlo být argumentoval tím, že zvýšení MEA absorpční kapacity při nízkých koncentracích je způsobeno příspěvek CO2 schopnost absorbovat vodu. Proto byla provedena sada experimentů ke stanovení kapacity absorbující CO2 čisté vody. Využití současné metodiky, bylo zjištěno, že voda se vstřebává 0,3 g CO2/kg H2O, zanedbatelné množství ve srovnání s rozdíly v absorpční kapacitu CO2 pozorovány ve vodném MEA řešení. Protože voda je schopna pouze fyzikální absorpce CO2, bylo toto měření porovnáno s hodnotou získanou z Henryho zákonné konstanty. Za podmínek, za kterých byl experiment prováděn, je Henryho konstanta 144 MPa a schopnost CO2 absorbovat vodu za standardních podmínek je 0.375 g CO2 / kg H2O. tato dohoda demonstruje schopnost navrhované metody měřit jak chemickou, tak fyzikální absorpci.

3.2. Charakteristika Nasycení Proces

Obrázek 3 ukazuje, že výstupní koncentrace CO2 profily během bublající testy vystavoval sigmoidální charakter a mohla být vybavena následující rovnice:, kde je faktor efektivity, je form factor, je čas, a i jsou indexy označující začátek a konec nasycení proces. a mohou být získány tvarováním lineární křivky, pokud je (6) vyjádřeno následovně:Korelační koeficienty získané z křivky fits pro všechny případy byly blízko unity (), což naznačuje, že experimentální data dobře zapadají (6). To ukazuje, že saturační proces byl dobře reprezentován a a tyto dva parametry jednoznačně charakterizují schopnost absorbovat rozpouštědla.

obrázek 5 obsahuje grafy výsledků pro a . Lze pozorovat, že forma faktoru a faktor účinnosti nebyly závislé na koncentraci (a .

()

(b)

(a)
(b)

Obrázek 5

Výsledky křivky CO2 koncentrace (6). Faktor účinnosti () je vynesen vlevo a tvarový faktor () je vynesen vpravo jako funkce koncentrace vodného MEA. Modrá vodorovná čára označuje odpovídající průměrnou hodnotu.

Tyto faktory lze použít k odhadu absorpční kapacitu CO2 MEA v každém vodný koncentrace, k porovnání různých rozpouštědlech a určení saturace čas během probublávání test.

3.3. Analýza citlivosti

podle (5) je funkcí tlaku, teploty, koncentrace CO2 v plynné fázi, objemového průtoku a doby nasycení. Použití rovnice chybová složení ((8), kde je absolutní hodnota parciální derivace s ohledem na jednotlivé nezávislé proměnné ) na (5) a s ohledem na přesnost přístrojů uvedených v Tabulce 1 () a rozsah hodnot, obvykle měří tím, že každá proměnná (také uvedeno v Tabulce 1), nejistota získané hodnoty pro () je méně než 1% z vykázaných hodnot. Koncentrace CO2 a objemový průtok měly největší vliv na stanovení absorpční kapacity a zvláštní pozornost by měla být věnována přesnosti a přesnosti přístrojů používaných ke sledování těchto dvou proměnných. Tabulka 1 obsahuje přibližný procentní příspěvek každé proměnné k celkové nejistotě hodnot získaných pro použití bublající zkoušky. Zvažte

4. Závěry

je popsána standardní zkouška pro stanovení fyzikální a chemické absorpční kapacity složek plynné fáze absorbéry kapalné fáze. Skládá se z plynového bublacího zařízení, ve kterém je proud plynu Bublan do pevného množství absorbentu za standardních podmínek. Citlivostní analýza ukázala, že složení plynu a objemový průtok jsou proměnné s největší efekt na absorpční kapacitu odhodlání a zvláštní pozornost by měla být věnována správnosti a přesnosti použitých nástrojů k jejich monitorování.

tato metoda byla použita ke stanovení kapacity absorbující CO2 mea () při několika vodných koncentracích MEA () a plynných koncentracích CO2. Bylo zjištěno, že přístupy nominální CO2 absorpční kapacity (720 g CO2/kg MEA) na velmi nízké , rostoucí z g CO2/kg MEA, kdy byla snížena z 30 na 2,5% (w/w). Tyto výsledky souhlasí s hodnotami uvedenými v předchozích studiích. Jak se dalo očekávat, CO2 absorpční kapacity MEA nebyla závislá na koncentraci CO2 ve vstupním proudu plynu, tak dlouho, jak plynové stream neobsahuje další komponenty, které by mohly reagovat s aminy, jako jsou H2S nebo O2.

Během bublající testy výstupní koncentrace CO2 profily vystavoval sigmoidální charakter, který by mohl být popsán exponenciální rovnice obsahující faktor účinnosti () a tvarový faktor (). Statistické analýzy na základě korelační analýzy vyplynulo, že ve všech případech experimentálních dat dobře zapadá do rovnice, když byl 6,1 ± 0,35 a, a proto tyto dva parametry charakterizují CO2 absorpční kapacity MEA za standardních podmínek.

Symboly

Střet Zájmů

autoři prohlašují, že neexistuje žádný střet zájmů v souvislosti se zveřejněním tohoto dokumentu.

Poděkování

Tento projekt byl částečně financován Národní a Nemovitosti Mexické Rady pro Vědu a Technologie (CONACYT a COMECYT), MOPESA Společností united kingdom, Globální Institut pro Udržitelnost Tecnológico de Monterrey, v Mexiku, a EAN University of Colombia. Autoři také vyjadřují vděčnost za příspěvky k této práci od inženýrů Maryin Rache a Johany Diezové z Kolumbijské Národní univerzity.