MEAのCO2吸収能力

概要

溶媒の吸収能力を決定するための均一な手順として、標準条件下で気相を一定量の吸収剤にバブリングするガスバブ この方法は、体系的にいくつかの水性MEA（β）および気相CO2濃度でMEA（）のCO2吸収能力を決定するために適用されました。 非常に低いβレベルでのmeaの公称CO2吸収能力（720g CO2/kg MEA）に近づき、βが30から2に減少したため、g CO2/kg MEAに増加した。5％（w/w）。 ガス流に他のアミン感受性成分が含まれていない限り、入口ガス流中のCO2濃度に依存しなかった。 バブリング試験中に出口CO2濃度プロファイルは、効率係数（）とフォームファクタ（）によって特徴付けられる指数式によって記述することができるシグモイ 相関解析に基づく統計解析は，すべての場合において，実験データがａがあったときとあったときの方程式によく適合することを示した。 これらの実験の結果は、化石燃料由来の煙道ガスからのCO2隔離のためのスクラバー設計を最適化するために使用することができます。

1. はじめに

液体相物質（溶媒）を使用して、吸収カラム（スクラバー）を通過するガス流から一つまたは複数の成分（汚染物質）を選択的に吸収するいくつかの 関心の高まりの一つのアプリケーションは、火力発電所における化石燃料由来の煙道ガスからのCO2吸収です。 CO2は、世界のエネルギー需要を満たすために化石燃料の燃焼の結果として最も広く生産されている温室効果ガス（GHG）です。 地球温暖化を緩和するための努力には、海や空の油井に貯蔵するための排ガスからのCO2隔離、人工光合成によるCOとO2への再変換が含まれます。 これらの技術はまだ開発の初期段階にありますが、アミンスクラビングはCO2隔離のための好ましい方法として浮上しています。 アミンを使用したプロセスストリームからの酸性ガス除去は成熟した技術ですが、排ガススクラブは、GHG削減に必要な規模ではまだ十分に満たされていない多くの新たな課題を提示しています。 ぬれたごしごし洗う技術は受諾可能な熱効率および最低の費用で大量のガス送管を処理するために改良しなければならない。

スクラバー全体のサイズと圧力降下を最小限に抑えるために、流体力学的混合を改善し、物質移動を最大化するための最適な梱包材の形状を特定す 吸収または除去効率（、（1）で定義され、ここで、およびは、入口および出口におけるモル分率として表される汚染物質濃度であり、resp.）はスクラバーの性能を表現する手段である。 いくつかの著者は、同じ溶媒を使用する二つのスクラバーが異なる吸収効率を有する可能性があるにもかかわらず、誤って溶媒特性と呼ばれている。

アミンは、一つ以上の水素原子が有機ラジカルによって置換されているアンモニア誘導体である。 モノエタノールアミン（MEA）、ジエタノールアミン（DEA）およびメチルジエタノールアミン（MDEA）はごしごし洗う適用の最も一般的なアミンです。 アミンのCO2吸収能力は、ガス流中のSO2、NO2、HCl、HF、またはO2の存在によって容易に分解される。 これらの成分は、吸収プロセス中の反応速度を低下させ、溶媒回収プロセスの複雑さを増加させる不可逆的な副生成物を形成する。

吸収能力は、溶媒のモル当たりに吸収される汚染物質の最大モル量として定義される溶媒特性である。 このプロパティは、スクラバー設計における適切な負荷（汚染物質/溶媒モル比）を定義するために使用されます。 低いloadingsは低い引きつけられる効率のコラムで高いloadingsが余分な支払能力がある条件および高い運用コストをもたらす間、起因する。 アミンのCO2吸収能力は、溶媒濃度、ガス流の組成、および動作温度に依存する。

アミンは化学的および物理的なCO2吸収が可能です。 物理的吸収は、気相と水相のCO2分子間の熱力学的平衡によって制御され、ヘンリーの法則によって記述される：ここでは、気相における成分の平衡分圧、全圧、成分のヘンリーの法則定数、気相における成分の平衡濃度（モル分率として表される）、および液相における成分の平衡濃度（モル分率としても表される）である。

ヘンリーの法則定数は、温度および圧力制御された密閉チャンバにおいて、分光光度分析またはクロマトグラフ分析を用いて気相および液相中の成分の平衡濃度を測定することによって決定される。 この方法は、純粋な物理的吸収を受けるシステム、例えばH2O中のCO2吸収に適していますが、溶媒が完全に飽和することを保証しないため、溶媒が化学的吸収を示す場合には不適切です。 研究者は、この方法を数年間採用し、その結果を気相成分の平衡分圧で表現し、これらの値を溶媒中の汚染物質の溶解度として参照しています。 Tongら。 温度と負荷の関数としてのMEAの30％（w/w）水溶液中のCO2の溶解度を記述するために広範な文献レビューと実験作業を組み合わせました。 読者の便宜のために、図1は公開された結果を再現しています。 これらの結果は、データが収集された平衡条件が溶媒の飽和を保証しないため、溶媒の吸収能力を記述するために使用することはできない。 さらに、これらの結果は、液相内に分子形態で残っているCO2を定量化せず、前述のように、システムが化学吸収を示すため、Mea-H2O-CO2システムのHenry’s law constantを決定するために使用することはできません。

フィギュア1

Ｔｏｎｇらの、３ １ ３Ｋでの３ ０％（ｗ／ｗ）ｍｅａ水溶液中のＣＯ２の溶解度（ｍｅａのモル当たりのＣＯ２モル）の負荷の関数としての、３ １ ３ＫでのＣＯ２の溶解度（ｍｅａのモル当たりのＣＯ２モル）。 .

化学吸収は、CO2とアミンとの反応に基づいています。 化学吸収は圧力とともに有意に増加しないことが報告されている。 アミン（R-NH2）とCO2との反応には二つの基本的なメカニズムがあります :MEAやDEAなどの一般的な一次アミンおよび二次アミンについては、反応（3）が安定したカルバメート（）を形成するために優勢であり、CO2モル当たり2モルのアミンを必要とし、アミンの吸収能力を0.5モルのCO2モル、すなわち360g CO2/Kg MEAに制限する。 しかし、不安定なカルバメートは、反応（4）によって記載されるように、加水分解して重炭酸塩（）を形成することができる。 この条件下では、公称ＭＥＡ ＣＯ２吸収能力は、ｍｅａのモル当たり１モルのＣＯ２、すなわち、７ ２ ０ｇ ＣＯ２／Ｋｇ ＭＥＡである。 MDEAのような第三級アミンは反応にのみ従う(4)。

物理的および化学的なMEA吸収能力は、温度、圧力、追加のガスの存在、および水性MEA濃度によって影響されます。

YehとBaiは、200mLの溶媒を含む60mmのガラス瓶からなる半連続反応器におけるMEAのCO2吸収能力を測定した。 吸収容量は360から380g CO2/kg MEAの範囲であり、7-35％（w/w）のMEA濃度と2-10SLPMのガス流量を使用して8-16％のCO2をきれいな空気で希釈しました。 最近では、Ｒｉｎｐｒａｓｅｒｔｍｅｅｃｈａｉ ｅ ｔ ａ ｌ． 15％CO2、5％O2、および80％N2を含有し、0.05SLPMで流れる模擬煙道ガスに対して、50mLの30％（w/w）水性MEA濃度を25℃および大気圧で含有する撹拌100mL反応器を使 これら二つの論文は、出口ガスの流れを報告したり、ガス流中のO2を除去したりしなかったため、MEAのCO2吸収能力が過小評価されました。 最近ではキムら。 0,565CO2モル/モルアミン（407g CO2/kg MEA）の吸収容量を30vol％CO2N2で希釈し、マスフローコントローラとガスクロマトグラフィーによって監視された1SLPMの固定流量を用いて報告し、反応器の出口でCO2濃度を決定した。

以前の結果での不一致は、試験方法、アミン希釈、溶媒の温度と圧力、入口ガス組成の変化によるものであり、溶媒の吸収能力を決定するための標準的な方法の必要性を強調している。 得られた実験データは、化石燃料由来の煙道ガスからのCO2隔離のためのスクラバー設計を最適化するために必要とされる。 標準的な条件下で気相物質を一定量の吸収剤にバブリングするガスバブラー装置からなる吸収能力を決定するための標準的な方法を提案した。 我々は体系的にMEA濃度とガス流中のCO2濃度の関数としてMEAのCO2吸収能力を決定するために、この方法を適用しました。 吸収試験中に得られた飽和曲線は，形状と効率係数の二つのパラメータによって特徴付けられる指数関数によって記述できるシグモイド形状を示した。 これらの要因を適切に使用すると、よりコンパクトで効率的なスクラバー設計につながる可能性があります。

2. 材料および方法

図2は、溶媒の化学的および物理的吸収能力を決定するために提案された方法論を示しています。 装置はガスの流れが標準的な条件の下の吸収剤の一定量によって泡立つガスのバブラーの組み立てから成っている。 テストの前に、システムは漏出のためにテストされ、不活性ガスを使用して清浄になる。 実験は圧力および温度（101kPa、25°C）の標準的な条件の下で行なわれます。 発熱反応または吸熱反応の存在下で一定の温度を確保するために、システムは恒温水浴の中に置かれる。 反応器は、反応器内の成層又は不均一性を防止するために連続的に攪拌される。 入口および出口のガスの構成および流れはよく受け入れられた方法を使用して測定される。 バブリング処理後のガス流中の水の存在による測定歪みを防ぐために、出口ガス流を測定する前に水蒸気トラップを使用することが重要です。 ガスと溶媒との完全な相互作用を確実にするために、バブラー全体の総ガス流量は可能な限り低くする必要があります（<1SLPM）。 吸収物質の温度、圧力、および濃度も監視されます。 バブラー中の溶液の体積は0.5Lに維持される。

フィギュア2

液相吸収体による気相成分の吸収能力を決定する装置を提案した。

表1に、測定する変数と独立変数の推奨値、および分解能、範囲、測定方法の観点からのセンサの要件を示します。 結果の再現性を検証するために、いくつかの試験を実施する必要があります。

この方法は、いくつかの水性MEA濃度およびガス状CO2濃度におけるMEAのCO2吸収能力の決定に適用された。

3. 結果

図3は、バブラーの入口と出口における気相流のCO2モル濃度を示しています。 これは、３ ０％ＣＯ２の入口濃度で、５ ０％（ｗ／ｗ）より低いＭＥＡ濃度が、ガス流中に存在するＣＯ２の１ ０ ０％を吸収することができなかったことを示している。 この低い吸収効率はＭＥＡ溶媒の特性ではなく，試験装置の特性であり，低ＭＥＡ濃度に対するバブラー内のガス流の滞留時間が低すぎて正確な測定を得ることができないことを示している。

フィギュア3

水性MEA濃度の関数としてのバブラーの入口と出口におけるCO2モル濃度の進化。

3.1. MEAのCO2吸収容量

バブリング試験中の時間の関数として得られた、、、の値を用いて（図3に示す）、溶媒の吸収容量は、吸収される成分の分子量、普遍的なガ値。

図4は、得られた値、これまでの研究で報告されたデータ、およびmeaの公称CO2吸収能力の比較です。

フィギュア4

いくつかのレベルの水性MEA濃度（）に対するMEAのCO2吸収能力は、バブリング法を用いて得られた。 YehとBaiは、200mLの溶媒と2-10SLPMのガス流量8-16％のCO2をきれいな空気中で希釈した反応器を使用しました。 温度は10から40℃まで変化した。Rinprasertmeechai et al. ５ ０ｍＬの３ ０％（ｗ／ｗ）水性ＭＥＡ濃度を２ ５℃で含有し、１ ５％ＣＯ２、５％Ｏ２、および８ ０％Ｎ２を含有し、０． Kim et al. １Ｌの３ ０％（ｗ／ｗ）ｍｅａ水溶液を２ ５℃で、３ ０体積％ＣＯ２をＮ２で希釈し、１ＳＬＰＭの流量で撹拌反応器を使用した。 すべての作業は大気圧で行われた。

実験の100以上の完全なセットは、いくつかの共同研究者によって行われました。 これは、MEAのCO2吸収能力は、濃度に依存していることがわかったg CO2/kg MEAに30から2.5％（w/w）に減少し、対数的に非常に低い濃度で720g CO2/Kg MEAの公称吸 表2は、観測された平均値と実験誤差を示しています。

溶媒希釈によるCO2吸収能力の変化は、NH3/H2O/CO2システムのYehおよびBaiによっても観察された。 濃度によるMEAのCO2吸収能力の変化は、過剰な水が反応（4）を支持し、この反応が反応（3）によって得られる公称吸収能力を二倍にすることを考慮するこ したがって、MEAの低濃度は、CO2とMEA分子との間の相互作用を減少させ、合理的な時間内に完全なアミン飽和に達する確率を低下させることを犠牲にして、最大のCO2吸収をもたらす。 溶媒希釈によるMEAのCO2吸収能力の変化も溶媒和効果によるものである可能性があります。

これらの結果は、最適なスクラバーの動作条件を確立する上での技術的課題を定義しています。 高いMEAの集中は100%の取り外しの効率を保障するが、低い二酸化炭素の吸収容量を提供し、プロセスで必要なMEAの量を増加する。 反対側では、低い集中は高い二酸化炭素の吸収容量低い取り外しの効率を提供します。 これらの相反する目的を達成するためには、逐次的な2段階のプロセスが最も費用対効果の高い手段である可能性があります。

図4はまた、これらの実験で測定されたMEAのCO2吸収能力を以前の研究で報告されたものと比較しています。 結果は異なる条件下で得られたため、完全には比較できませんが、図4は値が類似していることを示しています。 YehとBaiとRinprasertmeechaiらとの最も関連性の高い違い。 ガス流中のO2の存在であり、Huertas et al. ガス流中のH2Sの存在であった。 二酸化炭素のほかに、MEAはH2S、SO2およびHClを吸収できます。 ＭＥＡは、Ｏ２、ＮＯ２、ＳＯ２、ＨｃｌおよびＨ Ｆの存在によって分解される。 したがって、MEAのCO2吸収能力の決定において、これらの種の干渉を排除することが重要である。

図4はまた、吸収能力が気相CO2濃度とは無関係であったことを示しています。 この結論は、ガス流にO2やH2SなどのMEA感受性成分が含まれていない限り真実であることが判明しました。

低濃度でのMEA吸収能力の増加は、水のCO2吸収能の寄与によるものであると主張することができます。 したがって、純水のCO2吸収能力を決定するために一連の実験を行った。 本方法論を使用して、水は0.3g CO2/kg H2O、水性MEA溶液で観察されたCO2吸収能力の変化に比べて無視できる量を吸収することが判明した。 水は物理的なCO2吸収しかできないので、この測定はヘンリーの法則定数から得られた値と比較した。 実験が行われた条件では、ヘンリー定数は144MPaであり、標準条件での水のCO2吸収能力は0である。375g CO2/kg H2O.この合意は、化学的および物理的吸収の両方を測定するために提案された方法の能力を実証しています。

3.2. 飽和プロセスの特性評価

図3は、バブリング試験中の出口CO2濃度プロファイルがシグモイド形状を示し、次の式に適合することを示しています。 そして、(6)が次のように表されるときに線形曲線近似によって得られてもよい:すべての場合の曲線近似から得られた相関係数は、実験データが（6）とよく適合することを示す、ユニティ（）に近いものであった。 これは，飽和過程がよく表され，これら二つのパラメータが溶媒吸収能力を一意的に特徴付けることを示している。

図5には、andの結果のプロットが含まれています。 因子形態および効率因子は濃度依存性ではなかったことが観察され得る（および。

(a)
(a)
(a))

(b))

((a)
(a)
(b)
(a)
(b))

フィギュア5

CO2濃度のカーブフィッティングの結果（6）。 効率係数（）は左側にプロットされ、フォームファクタ（）は水性MEA濃度の関数として右側にプロットされています。 青い水平線は、対応する平均値を示します。

これらの因子は、任意の水性濃度でのＭＥＡのＣＯ２吸収能力を推定し、異なる溶媒を比較し、バブリング試験中の飽和時間を決定するために使用され得る。

3.3. 感度分析

(5)によれば、圧力、温度、気相CO2濃度、体積流量、および飽和時間の関数である。 誤差組成式((8)、ここでは各独立変数に対する偏微分の絶対値)を(5)に適用し、表1()に指定された機器の精度と各変数によって一般的に測定される値の範囲(表1にも指定されている)を考慮すると、()で得られた値の不確実性は報告された値の1%未満である。 CO2濃度と体積流量は吸収能力の決定に最大の影響を与え、これら二つの変数を監視するために使用される機器の精度と精度に特別な注意を払う 表1には、バブリング検定を使用して得られた値の全不確実性に対する各変数のおおよその寄与率が含まれています。

4を考えてみましょう。 結論

液相吸収剤による気相成分の物理的および化学的吸収能力の決定のための標準試験が記載されています。 それはガスの流れが標準的な条件の下の吸収剤の一定量に泡立つガスのバブラーの器具から成っています。 感度分析により，ガス組成と体積流量は吸収能力の決定に最大の影響を及ぼす変数であり，それらを監視するために使用される機器の精度と精度に特別な注意を払うべきであることが示された。

この方法を適用して、いくつかの水性MEA濃度レベル()およびガス状CO2濃度におけるMEA()のCO2吸収能力を決定しました。 これは、公称CO2吸収能力（720g CO2/kg MEA）に近づくことがわかった非常に低いで、g CO2/kg MEAに増加したときに30から2.5％（w/w）に減少した。 これらの結果は以前の研究で報告された値と一致した。 予想されるように、MEAのCO2吸収能力は、ガス流がH2SまたはO2などのアミンと反応する可能性のある他の成分を含まない限り、入口ガス流中のCO2

バブリング試験中、出口CO2濃度プロファイルは、効率係数（）とフォームファクタ（）を含む指数方程式によって記述できるシグモイド形状を示した。 相関分析に基づく統計分析は、すべての場合において、実験データは6.1±0.35であり、したがって、これら二つのパラメータは、標準条件下でMEAのCO2吸収能を特徴付けるときにその式によく適合することを明らかにした。

利益相反

著者らは、この論文の出版に関して利益相反はないと宣言している。

謝辞

このプロジェクトは、メキシコ国立-エステート科学技術評議会（CONACYTおよびCOMECYT）、Mopesa Company of México、メキシコのTecnológico de Monterreyのグローバル持続可能性研究所、およびコロンビア 著者らはまた、コロンビア国立大学のエンジニアMaryin RacheとJohana Diezからのこの仕事への貢献に感謝の意を表明しています。