MEA CO2 abszorpciós kapacitása
absztrakt
az oldószerek abszorpciós kapacitásának meghatározására egységes eljárásként leírjuk egy olyan gázbuborékoló berendezés használatát, amelyben a gázfázist rögzített mennyiségű abszorbensre buborékolják standard körülmények között. A módszert szisztematikusan alkalmazták a MEA () CO2-abszorpciós kapacitásának meghatározására több vizes MEA (6) és gázfázisú CO2-koncentrációban. megközelítette a névleges CO2 elnyelő kapacitása MEA (720 g CO2 / kg MEA)nagyon alacsony szinten, növekvő a g CO2 / kg MEA, mivel 60-ról 2-re csökkent.5% (m/m). nem függött a belépő gázáram CO2-koncentrációjától mindaddig, amíg a gázáram nem tartalmazott más aminérzékeny komponenseket. A buborékoltatási vizsgálatok során a kimeneti CO2 koncentrációprofilok szigmoid alakzatot mutattak, amelyet egy hatékonysági tényezővel () és formai tényezővel () jellemzett exponenciális egyenlet jellemezhet. A korrelációs elemzésen alapuló statisztikai elemzés azt mutatta, hogy a kísérleti adatok minden esetben jól illeszkednek az egyenlethez, amikor a volt . Ezeknek a kísérleteknek az eredményei felhasználhatók a súroló tervezésének optimalizálására a fosszilis tüzelőanyagokból származó füstgázokból történő CO2-megkötéshez.
1. Bevezetés
számos olyan ipari alkalmazás létezik, ahol folyékony fázisú anyagot (oldószert) használnak egy vagy több komponens (szennyező anyag) szelektív felszívására egy abszorbeáló oszlopon (súrolón) áthaladó gázáramból. A növekvő érdeklődés egyik alkalmazása a CO2-abszorpció fosszilis tüzelőanyagokból származó füstgázokból hőerőművekben. A CO2 a legszélesebb körben előállított üvegházhatású gáz (ÜHG) a fosszilis tüzelőanyagok elégetésének eredményeként, hogy kielégítse a világ energiaigényét . A globális felmelegedés mérséklésére irányuló erőfeszítések közé tartozik a füstgázokból történő CO2-megkötés a tengerben vagy az üres olajkutakban történő tároláshoz, vagy a mesterséges fotoszintézis révén CO-vá és O2-vé történő átalakításhoz . Bár ezek a technológiák még mindig a fejlődés korai szakaszában vannak, az amin-súrolás a CO2-megkötés előnyös módszereként jelent meg . Míg a savas gáz eltávolítása a folyamatáramokból aminok felhasználásával kiforrott technológia, a füstgáztisztítás számos új kihívást jelent, amelyek még mindig nem teljesülnek megfelelően az üvegházhatást okozó gázok csökkentéséhez szükséges skálán . A nedves súrolási technikáknak fejleszteniük kell a nagy mennyiségű füstgáz feldolgozását elfogadható hőhatékonyság és minimális költségek mellett .
kiterjedt munkát végeztek az optimális csomagolóanyag-geometria meghatározására a hidrodinamikai keverés javítása és a tömegátadás maximalizálása érdekében, hogy minimalizálják a súroló méretét és nyomásesését . Az abszorpciós vagy eltávolítási hatásfok (az (1) bekezdésben meghatározottak szerint, ahol és ahol a szennyezőanyag-Koncentráció moláris frakcióban van kifejezve a be-és kilépésnél, ill.) a súroló teljesítményének kifejezésére szolgáló eszköz. Számos szerző tévesen oldószer tulajdonságnak nevezte, annak ellenére, hogy két, ugyanazt az oldószert használó mosógépnek eltérő abszorpciós hatékonysága lehet. Tekintsük
Amin Abszorbens Kapacitást. Az aminok olyan ammóniaszármazékok, amelyekben egy vagy több hidrogénatomot szerves gyök helyettesít . A monoetanol-amin (MEA), a dietanol-amin (DEA) és a metil-dietanol-amin (MDEA) a leggyakrabban használt aminok a súrolási alkalmazásokban. Az aminok CO2-abszorbeáló képessége könnyen lebomlik SO2, NO2, HCl, HF vagy O jelenlétével2 a gázáramban. Ezek az összetevők visszafordíthatatlan melléktermékeket képeznek, amelyek csökkentik a reakciósebességet az abszorpciós folyamat során, és növelik az oldószer visszanyerési folyamatának összetettségét.
az abszorpciós kapacitás egy oldószer tulajdonság, amelyet úgy határozunk meg, mint az oldószer mólonként elnyelt szennyező anyag maximális moláris mennyiségét. Ezt a tulajdonságot használják a megfelelő terhelés (szennyezőanyag/oldószer mólarány ) meghatározására a súrolószerkezetekben. Az alacsony terhelések alacsony abszorpciós hatékonyságú oszlopokat eredményeznek, míg a magas terhelések túlzott oldószerigényt és magas működési költségeket eredményeznek. Az aminok CO2-elnyelő képessége függ az oldószer koncentrációjától, a gázáram összetételétől és az üzemi hőmérséklettől .
az aminok kémiai és fizikai CO2 felszívódásra képesek. A fizikai abszorpciót a CO2 molekulák közötti termodinamikai egyensúly szabályozza a gáz-és vizes fázisokban, és Henry törvénye írja le: hol van a komponens egyensúlyi parciális nyomása a gázfázisban, a teljes nyomás , a komponens Henry-törvény állandója, a komponens egyensúlyi koncentrációja a gázfázisban (moláris frakcióként kifejezve), és a komponens egyensúlyi koncentrációja a folyadékfázisban (moláris frakcióként is kifejezve).
A Henry – törvény állandóját hőmérséklet – és nyomásvezérelt zárt kamrában határozzuk meg, spektrofotometriás vagy kromatográfiás analízissel mérve a komponens egyensúlyi koncentrációját a gáz-és folyadékfázisokban . Ez a módszer alkalmas tiszta fizikai abszorpción áteső rendszerekre, például CO2 abszorpcióra H2O-ban. azonban nem megfelelő, ha az oldószer kémiai abszorpciót mutat, mivel a módszer nem biztosítja az oldószer teljes telítettségét. A kutatók több éve alkalmazzák ezt a módszert, eredményeiket a gázfázisú komponens egyensúlyi parciális nyomásában fejezik ki, és ezekre az értékekre hivatkoznak, mint a szennyező anyag oldhatóságára az oldószerben. Tong et al. kombinált kísérleti munka kiterjedt szakirodalmi áttekintéssel a CO2 oldhatóságának leírására a MEA 30% – os (m/m) vizes oldataiban a hőmérséklet és a terhelés függvényében . Az olvasó kényelme érdekében az 1. ábra reprodukálja a közzétett eredményeket. Ezek az eredmények nem használhatók az oldószer abszorpciós kapacitásának leírására, mivel az adatok összegyűjtésének egyensúlyi körülményei nem biztosítják az oldószer telítettségét. Ezenkívül ezek az eredmények nem használhatók Henry törvényállandójának meghatározására a MEA-H2O-CO2 rendszer mivel nem számszerűsítik a CO2 molekuláris formában marad a folyadékfázisban, és mivel, mint korábban említettük, a rendszer kémiai abszorpciót mutat.
a kémiai abszorpció a CO2 és az amin közötti reakciókon alapul. Beszámoltak arról, hogy a kémiai abszorpció nem növekszik jelentősen a nyomással . Az aminok (R-NH2) CO2-vel való reakciójának két alapvető mechanizmusa van :A közös primer és szekunder aminok, mint a MEA és a DEA, reakció (3) érvényesül, hogy egy stabil karbamát (), igénylő 2 mol amin per MOL CO2, és így korlátozza az abszorpciós kapacitás az amin 0,5 MOL CO2 per MOL amin, azaz 360 g CO2/Kg MEA. Az instabil karbamátok azonban hidrolizálhatnak hidrogén-karbonátot () képezve, amint azt a (4) reakció leírja. Ebben az állapotban a névleges MEA CO2 elnyelő kapacitás egy mól CO2/mól MEA, azaz 720 g CO2 / Kg MEA. A tercier aminok, például az MDEA csak a (4) reakciót követik .
a fizikai és kémiai mea abszorpciós kapacitást befolyásolja a hőmérséklet, a nyomás, a további gázok jelenléte és a vizes MEA koncentráció.
Yeh és Bai mérték a MEA CO2 abszorpciós kapacitását egy 60 mm-es, 200 mL oldószert tartalmazó üvegpalackból álló félfolyamatos reaktorban. Az abszorpciós kapacitások 360-380 g CO2/kg MEA között mozogtak, 7-35% (M/M) MEA koncentrációt és 2-10 SLPM, 8-16% tiszta levegővel hígított CO2-t alkalmazva. A reakció hőmérséklete változott 10 nak nek 40 C. nemrég, Rinprasertmeechai et al. kevert 100 mL-es reaktort használt, amely 50 mL 30% (m/m) vizes MEA-koncentrációt tartalmazott 25 Ca-n és légköri nyomáson, hogy 0,45 CO2 MOL/MOL amin (324 g CO2/kg MEA) abszorpciós kapacitást kapjon egy szimulált füstgázhoz, amely 15% CO2-t, 5% O2-t és 80% N2-t tartalmaz, és 0,05 SLPM-en áramlik. Ez a két cikk sem a kimeneti gázáramról, sem az O2-ről nem számolt be a gázáramban, ami a MEA CO2-abszorpciós kapacitásának alábecsüléséhez vezet. Nemrég Kim et al. 0,565 CO2 MOL/MOL amin (407 g CO2/kg MEA) abszorpciós kapacitást jelentett, 30 térfogatszázalék N2-ben hígított CO2-t és 1 SLPM rögzített áramlási sebességet alkalmazva, amelyet tömegáram-szabályozóval és gázkromatográfiával ellenőriztek a CO2 koncentrációjának meghatározására a reaktor kimenetén.
a korábbi eredményekben meglévő nézeteltérések a vizsgálati módszerek, az aminhígítás, az oldószer hőmérséklete és nyomása, valamint a belépő gáz összetétele eltéréseinek tudhatók be, és rávilágítanak arra, hogy szükség van egy szabványos módszerre az oldószerek abszorpciós kapacitásának meghatározására. Az így kapott kísérleti adatokra van szükség a súroló tervezésének optimalizálásához a fosszilis tüzelőanyagokból származó füstgázokból történő CO2-megkötéshez. Az abszorpciós kapacitások meghatározására standard módszert javasolunk, amely olyan gázbuborékoló berendezésből áll, amelyben a gázfázisú anyagot standard körülmények között rögzített mennyiségű abszorbensre bugyborékolják. Szisztematikusan alkalmaztuk ezt a módszert a MEA CO2-abszorpciós kapacitásának meghatározására a MEA-koncentráció és a CO2-koncentráció függvényében a gázáramban. Az abszorpciós tesztek során kapott telítési görbék szigmoid alakzatot mutattak, amelyet egy exponenciális függvénnyel lehet leírni, amelyet két paraméter jellemez: az alak és a hatékonysági tényezők. Ezeknek a tényezőknek a megfelelő használata kompaktabb és hatékonyabb súrolószerkezetekhez vezethet.
2. Anyagok és módszerek
a 2. ábra szemlélteti az oldószerek kémiai és fizikai abszorpciós képességének meghatározására javasolt módszert. A berendezés gázbuborék-elrendezésből áll, amelyben a gázáramot szabványos körülmények között rögzített mennyiségű abszorbensen keresztül buborékolják. A tesztelés előtt a rendszert szivárgás szempontjából tesztelik, és inert gázzal öblítik. A kísérleteket standard nyomás-és hőmérsékleti körülmények között végezzük (101 kPa, 25 Kb). Az állandó hőmérséklet biztosítása exoterm vagy endoterm reakciók jelenlétében a rendszert termosztátos vízfürdőbe helyezzük. A reaktort folyamatosan keverjük, hogy megakadályozzuk rétegződés vagy inhomogenitások a reaktorban. A be-és kilépő gáz összetételét és áramlását jól elfogadott módszerekkel mérik. Fontos, hogy a kimeneti gázáram mérése előtt vízgőzcsapdát használjunk, hogy megakadályozzuk a mérési torzulásokat, amelyek a buborékolási folyamat után a gázáramban lévő víz jelenléte miatt következnek be. A buborékoltatón átáramló teljes gázáramnak a lehető legalacsonyabbnak kell lennie (<1 SLPM), hogy biztosítsa a gáz és az oldószer teljes kölcsönhatását. Az abszorbeáló anyag hőmérsékletét, nyomását és koncentrációját is ellenőrzik. Az oldat térfogatát a buborékolóban 0,5 l-en tartjuk.
az 1. táblázat ismerteti a mérendő változókat és a független változók ajánlott értékeit, valamint az érzékelőkre vonatkozó követelményeket a felbontás, a tartomány és a mérési módszer tekintetében. Számos vizsgálatot kell végezni az eredmények reprodukálhatóságának ellenőrzésére.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ND: nincs meghatározva; FS: teljes skála. |
a módszert a MEA CO2-abszorpciós kapacitásának meghatározására alkalmazták több vizes MEA-koncentrációban és gáznemű CO2-koncentrációban.
3. Eredmények
a 3.ábra a gázfázisú áram CO2 moláris koncentrációját mutatja a buborékoltató be-és kimeneti nyílásánál. Ez azt mutatja, hogy 30% CO2 bemeneti koncentrációnál az 50% (m/m) alatti MEA-koncentrációk nem voltak képesek elnyelni a GÁZÁRAMBAN jelen lévő CO2 100% – át. Ez az alacsony abszorpciós hatásfok nem a MEA oldószer tulajdonsága, hanem inkább a vizsgálóberendezés jellemzője, és azt jelzi, hogy a gázáram tartózkodási ideje a buborékoltatóban alacsony MEA-koncentrációk esetén túl alacsony ahhoz, hogy pontos méréseket lehessen végezni.
3.1. CO2 abszorpciós kapacitás MEA
a buborékolási vizsgálat során az idő függvényében kapott , , , és a 3.ábrán látható értékek alapján az oldószer abszorpciós kapacitását a következőképpen határozzuk meg: hol van az abszorbeált komponens molekulatömege, az univerzális gázállandó, a standard abszolút hőmérséklet, a standard nyomás, az idő, és a telítettségi folyamat kezdetét és végét jelző indexek, a buborékolón belüli oldószer tömege, a standard körülmények között kifejezett gáz térfogatáram, és a bemeneti vagy kimeneti értékeket jelző indexek.
a 4. ábra a kapott értékek, a korábbi munkákban közölt adatok és a MEA névleges CO2-elnyelő kapacitásának összehasonlítása.
több mint 100 teljes kísérletkészletet végeztek több együttműködő. Megállapítást nyert, hogy a MEA CO2-abszorpciós kapacitása koncentrációfüggő, g CO2/kg MEA-ra növekszik, amikor 30-ról 2,5% – ra (w/w) csökkent, és logaritmikusan megközelíti a 720 g CO2/Kg mea névleges abszorpciós kapacitást nagyon alacsony koncentrációban. A 2. táblázat az átlagértékeket és a megfigyelt kísérleti hibát sorolja fel.
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
95% – os megbízhatósággal. |
az oldószeres hígítással járó CO2-elnyelő képesség változásait a Yeh és a Bai is megfigyelte az NH3 / H2O / CO2 rendszer esetében. A MEA CO2 abszorpciós kapacitásának koncentrációval történő változása azzal magyarázható, hogy a vízfelesleg kedvez a (4) reakciónak, és hogy ez a reakció kétszerese a (3) reakcióval kapott névleges abszorpciós kapacitásnak. Ezért a MEA alacsony koncentrációja maximális CO2 abszorpciót eredményez a CO2 és a MEA molekulák közötti kölcsönhatás csökkentésének rovására, és alacsonyabb a valószínűsége annak, hogy ésszerű időn belül elérjük a teljes amin telítettséget. Az MEA CO2 abszorpciós képességének változása oldószeres hígítással szintén a szolvatációs hatások következménye lehet.
ezek az eredmények határozzák meg a technológiai kihívást a súroló optimális működési feltételeinek megteremtésében. A magas MEA-koncentrációk biztosítják a 100% – os eltávolítási hatékonyságot, de alacsony CO2-abszorpciós kapacitást biztosítanak, és növelik a folyamat során szükséges MEA mennyiségét. Másrészt az alacsony koncentrációk magas CO2-elnyelő képességet, de alacsony eltávolítási hatékonyságot biztosítanak. Lehetséges, hogy egy egymást követő kétlépcsős folyamat lehet a legköltséghatékonyabb eszköz ezen ellentétes célok elérésére.
a 4.ábra összehasonlítja a MEA CO2-elnyelő képességét is, amelyet ezekben a kísérletekben mértek a korábbi munkákban leírtakkal. Bár az eredmények nem teljesen összehasonlíthatók, mivel különböző körülmények között készültek, a 4.ábra azt mutatja, hogy az értékek hasonlóak. A legfontosabb különbség Yeh és Bai és Rinprasertmeechai et al. volt a jelenléte O2 a gázáramban és Huertas et al. H2S jelenléte volt a gázáramban. A CO2 mellett a MEA képes elnyelni a H-T2S, SO2ÉS HCl . Az MEA-T O2, NO2, SO2, HCl és HF jelenléte bontja le . Ezért a MEA CO2-elnyelő képességének meghatározásakor fontos kiküszöbölni ezen fajok interferenciáját.
a 4. ábra azt is mutatja, hogy az abszorpciós kapacitás független volt a gázfázisú CO2 koncentrációjától. Megállapítást nyert, hogy ez a következtetés mindaddig igaz, amíg a gázáram nem tartalmaz MEA-érzékeny komponenseket, például O2-t és H2S-t.
vitatható, hogy a MEA-elnyelő kapacitás növekedése alacsony koncentrációban a víz CO2-elnyelő képességének hozzájárulásából ered. Ezért kísérleteket végeztünk a tiszta víz CO2-abszorpciós képességének meghatározására. A jelen módszertan alkalmazásával megállapítottuk, hogy a víz 0,3 g CO2/kg H2O-t nyelt el, ami elhanyagolható mennyiség a CO2 abszorpciós kapacitásának vizes MEA-oldatokban megfigyelt változásaihoz képest. Mivel a víz csak fizikai CO2-abszorpcióra képes, ezt a mérést összehasonlítottuk a Henry-féle törvényállandóból kapott értékkel. A kísérlet elvégzésének körülményei között Henry állandója 144 MPa, a víz CO2-abszorpciós kapacitása normál körülmények között 0.375 g CO2 / kg H2O. ez a megállapodás bizonyítja, hogy a javasolt módszer képes mind a kémiai, mind a fizikai abszorpció mérésére.
3.2. A telítettségi folyamat jellemzése
a 3.ábra azt mutatja, hogy a buborékolási vizsgálatok során a kilépő CO2 koncentrációprofilok szigmoid alakúak voltak, és a következő egyenlethez illeszthetők: hol van a hatékonysági tényező, a formatényező, az idő, és a telítettségi folyamat kezdetét és végét jelző indexek. lineáris görbe illesztéssel is előállítható, ha a (6) értéket a következőképpen fejezzük ki:A görbe illeszkedéséből kapott korrelációs együtthatók minden esetben közel voltak az egységhez (), jelezve, hogy a kísérleti adatok jól illeszkednek a (6) – hoz. Ez azt mutatja, hogy a telítési folyamatot jól reprezentálta, és ez a két paraméter egyedileg jellemzi az oldószerelnyelő képességet.
az 5. ábra Az and eredmények ábráit tartalmazza . Megfigyelhető, hogy a faktorforma és a hatékonysági tényező nem volt koncentrációfüggő ( és.
(a)
(b)
a)
b)
ezek a tényezők felhasználhatók a MEA CO2 abszorpciós kapacitásának becslésére bármely vizes koncentrációban, a különböző oldószerek összehasonlítására és a buborékolási vizsgálat során a telítettségi idő meghatározására.
3.3. Érzékenységi elemzés
az (5) szerint a nyomás, a hőmérséklet, a gázfázisú CO2 koncentráció, a térfogatáram és a telítettségi idő függvénye. A hibaösszetétel egyenletét alkalmazva ((8), ahol a részleges derivált abszolút értéke az egyes független változókhoz viszonyítva) (5) – ig, és figyelembe véve az 1.táblázatban meghatározott műszerek pontosságát () és az egyes változókkal jellemzően mért értékek tartományát (az 1. táblázatban is meghatározottak), a () – ra kapott értékek bizonytalansága kisebb, mint a jelentett értékek 1% – a. A CO2-koncentráció és a térfogatáram volt a legnagyobb hatással az abszorpciós kapacitás meghatározására, és különös figyelmet kell fordítani az e két változó ellenőrzésére használt műszerek pontosságára és pontosságára. Az 1. táblázat tartalmazza az egyes változók hozzávetőleges százalékos hozzájárulását a buborékolási teszt alkalmazásával kapott értékek teljes bizonytalanságához. Tekintsük
4. Következtetések
a gázfázisú komponensek folyadékfázisú abszorberek általi fizikai és kémiai abszorpciós kapacitásának meghatározására szabványos vizsgálatot írnak le. Gázbuborékoló berendezésből áll, amelyben a gázáramot normál körülmények között rögzített mennyiségű abszorbensre buborékolják. Az érzékenységi elemzés azt mutatta, hogy a gázösszetétel és a térfogatáram azok a változók, amelyek a legnagyobb hatást gyakorolják az abszorpciós kapacitás meghatározására, és különös figyelmet kell fordítani az ezek ellenőrzésére használt műszerek pontosságára és pontosságára.
ezt a módszert alkalmazták a MEA () CO2-elnyelő képességének meghatározására több vizes MEA-koncentrációs szinten () és gáznemű CO2-koncentrációban. Azt találtuk, hogy megközelíti a névleges CO2 elnyelő kapacitás (720 g CO2/kg MEA) nagyon alacsony , növekvő g CO2/kg MEA amikor csökkent 30-2, 5% (w/w). Ezek az eredmények megegyeznek a korábbi tanulmányokban jelentett értékekkel. Ahogy az várható volt, a MEA CO2-abszorpciós kapacitása nem függött a beömlő gázáram CO2-koncentrációjától mindaddig, amíg a gázáram nem tartalmazott más olyan komponenseket, amelyek reakcióba tudtak lépni az aminnal, például H2S vagy O2.
a buborékolási vizsgálatok során a kilépő CO2 koncentrációprofilok szigmoid alakzatot mutattak, amelyet egy hatékonysági tényezőt () és egy formai tényezőt () tartalmazó exponenciális egyenlettel lehet leírni. A korrelációs elemzésen alapuló statisztikai elemzések azt mutatták, hogy a kísérleti adatok minden esetben jól illeszkednek ehhez az egyenlethez, amikor 6,1 0,35 volt, és ezért ez a két paraméter jellemzi a MEA CO2-elnyelő képességét standard körülmények között.
szimbólumok
hatékonysági tényező | |
a MEA CO2-abszorpciós kapacitása (MEA) | |
Henry komponens állandója (kPa) | |
a MEA tömege a buborékoltatóban (kg) | |
az abszorbeált komponens molekulatömege (kg / kmol) | |
forma tényező | |
normál nyomás (kPa) | |
a komponens egyensúlyi parciális nyomása gas phase (kPa) | |
Gas volumetric flow expressed at standard conditions (m3/s) | |
: | Universal gas constant (kJ/kmol K) |
SLPM: | normál liter / perc |
idő (s) | |
Standard abszolút hőmérséklet (K) | |
a komponens egyensúlyi koncentrációja a folyadékfázisban moláris frakcióban kifejezve | |
a komponens egyensúlyi koncentrációja gázfázisban, moláris frakcióban kifejezve | |
terhelés (MOL CO2 / MOL amin) | |
vizes MEA koncentráció (kg amin / kg víz) | |
eltávolítási hatékonyság (%) | |
a bemeneti és kimeneti Index | |
Index a telítettségi folyamat kezdetének, illetve végének jelzésére. |
összeférhetetlenség
a szerzők kijelentik, hogy e cikk közzétételét illetően nincs összeférhetetlenség.
Köszönetnyilvánítás
ezt a projektet részben a Mexikói tudományos és technológiai nemzeti és ingatlanügyi Tanács (CONACYT és COMECYT), az M ++ Xixico MOPESA vállalata, a Mexikói Tecnol GmbH fenntarthatósági globális Intézete, valamint a kolumbiai Ean Egyetem finanszírozta. A szerzők hálájukat fejezik ki Maryin Rache és Johana Diez, a kolumbiai nemzeti Egyetem mérnökeinek munkájáért is.