메아의 이산화탄소 흡수 용량
개요
우리는 가스 단계 용 매의 흡수 용량을 결정 하기 위한 균일 한 절차로 표준 조건 하에서 흡수 제의 고정된 금액으로 버블은 가스 버블러 장치의 사용을 설명 합니다. 이 방법은 여러 수성 측정법(1)및 가스 상 이산화탄소 농도에서 측정법의 이산화탄소 흡수 용량을 결정하기 위해 체계적으로 적용되었습니다. 접근은 명목상의 CO2 흡수하 용량의 MEA(720g CO2/kg MEA)에서 매우 낮은 β 수준에서 증가하 g CO2/kg MEA 로 β 감소에서 30~2.5%(승/승). 가스 스트림에 다른 아민 민감성 성분이 포함되어 있지 않은 한 입구 가스 스트림의 이산화탄소 농도에 의존하지 않았다. 버블 링 테스트 하는 동안 출구 이산화탄소 농도 프로 파일 전시 효율 계수()및 폼 팩터()에 의해 특징 지 수 방정식에 의해 설명 될 수 있는 시그 모이 드 모양. 상관 관계 분석을 기반으로 한 통계 분석은 모든 경우에 실험 데이터가 방정식에 잘 맞았 음을 나타 냈습니다. 이러한 실험의 결과 화석 연료 파생된 연도 가스에서 이산화탄소 격리에 대 한 수 세미 디자인을 최적화 하는 데 사용할 수 있습니다.
1. 소개
흡수 컬럼(스크러버)을 통과하는 가스 스트림으로부터 하나 또는 여러 성분(오염 물질)을 선택적으로 흡수하기 위해 액상 물질(용매)이 사용되는 여러 산업 응용 분야가 있습니다. 관심이 증가하는 한 가지 응용 분야는 화력 발전소의 화석 연료 파생 연도 가스로부터의 이산화탄소 흡수입니다. 이산화탄소는 세계 에너지 수요를 충족시키기 위해 화석 연료 연소의 결과로 가장 널리 생산되는 온실 가스입니다. 지구 온난화를 완화하기위한 노력에는 바다 또는 빈 유정에 저장하거나 인공 광합성을 통해 공동 및 산소로 재 변환하기위한 연도 가스로부터의 이산화탄소 격리가 포함됩니다. 이 기술이 발달의 초기 단계에 아직도 있더라도,아민 제거는 이산화탄소 격리를 위한 선호한 방법으로 나왔습니다. 아민을 사용한 공정 흐름에서 산성 가스를 제거하는 것은 성숙한 기술이지만,연도 가스 스크러빙은 온실가스 감소에 필요한 규모에서 여전히 적절하게 충족되지 않은 많은 새로운 과제를 제시합니다. 젖은 제거 기술은 수락가능한 열 효율성 및 최소 비용에 굴뚝 가스의 큰 양을 가공하기 위하여 향상해야 합니다.
스크러버 전체의 크기와 압력 강하를 최소화하기 위해 유체 역학적 혼합을 개선하고 질량 전달을 극대화하기 위해 최적의 포장 재료 형상을 식별하기 위해 광범위한 작업이 수행되었습니다. 흡수 또는 제거 효율(,(1)에 정의 된,입구 및 출구에서 몰 분획으로 표현 된 오염 물질 농도는 어디에 있습니까?)는 스크러버의 성능을 표현하는 수단입니다. 몇몇 저자는 동일한 용매를 사용하는 두 개의 스크러버가 다른 흡수 효율을 가질 수 있더라도 용매 특성으로 잘못 언급했습니다.
아민 흡수 능력을 고려하십시오. 아민은 하나 이상의 수소 원자가 유기 라디칼로 대체되는 암모니아 유도체입니다. 이 유형의 아민에는 여러 가지 유형이 있으며,이 유형의 아민에는 여러 유형이 있습니다. 아민의 이산화탄소 흡수 능력은 가스 흐름 및 기간에 따라 쉽게 분해됩니다. 이 성분들은 흡수 과정에서 반응 속도를 감소시키고 용매 회수 공정의 복잡성을 증가시키는 돌이킬 수없는 부산물을 형성합니다.
흡수 능력은 용매 1 몰당 흡수되는 오염 물질의 최대 몰량으로 정의되는 용매 특성입니다. 이 속성은 스크러버 설계에서 적절한 적재(오염 물질/용매 몰비)를 정의하는 데 사용됩니다. 낮은 적재량으로 인해 흡수 효율이 낮은 컬럼이 발생하는 반면,높은 적재량으로 인해 과도한 용매 요구 사항과 높은 운영 비용이 발생합니다. 아민의 이산화탄소 흡수하는 수용량은 가스 시내의 용해력이 있는 농도,구성,및 작용 온도에 의지하고 있습니다.
아민은 화학적 및 물리적 이산화탄소 흡수가 가능합니다. 물리적 흡수는 가스와 수성 단계의 이산화탄소 분자 사이의 열역학적 평형에 의해 제어되며 헨리의 법칙에 의해 설명됩니다:가스 단계의 구성 요소의 평형 부분 압력,총 압력,구성 요소의 헨리의 법칙 상수,가스 단계의 구성 요소의 평형 농도(몰 분획으로 표시)및 액상 성분의 평형 농도(몰 분획으로 표시)는 어디에 있습니까?
헨리의 법칙 상수는 분광 광도계 또는 크로마토 그래피 분석을 사용하여 가스 및 액체 상에서 성분의 평형 농도를 측정하여 온도 및 압력 제어 밀봉 챔버에서 결정됩니다. 이 방법은 순수한 물리적 흡수 시스템,예를 들어 물에서의 이산화탄소 흡수 시스템에 적합합니다.그러나 용매가 완전히 포화되는 것을 보장하지 않기 때문에 용매가 화학적 흡수를 나타낼 때는 부적절합니다. 수사관은 가스 단계 성분의 평형 분압의 점에서 그들의 결과를 표현하고 용매에 있는 오염물질의 가용성으로 이 가치를 참조하는 수년 동안 이 방법을 채택했습니다. 통 등. 온도 및 로딩의 함수로 측정의 30%(승/승)수용액에서 이산화탄소의 용해도 설명 하기 위해 광범위 한 문헌 검토와 결합 된 실험 작업. 독자의 편의를 위해 그림 1 은 게시 된 결과를 재현합니다. 이 결과는 데이터가 수집 된 평형 조건이 용매의 포화를 보장하지 않기 때문에 용매의 흡수 능력을 설명하는 데 사용할 수 없습니다. 게다가,이 결과는 액상 내의 분자 모양에서 남아 있는 이산화탄소를 양이 정하지 않기 때문에 그리고,앞에서 언급한 것과 같이,체계가 화학 흡수를 전시하기 때문에 측정-물-이산화탄소 체계를 위한 헨리의 법칙 불변의 것을 결정하기 위하여 이용될 수 없습니다.
화학 흡수는 이산화탄소와 아민 사이 반응에 근거를 둡니다. 화학 흡수는 압력에 따라 크게 증가하지 않는 것으로보고되었습니다. 아민(아르 자형-아르 자형)과 이산화탄소의 반응에 대한 두 가지 기본 메커니즘이 있습니다 :일반적인 1 차 및 2 차 아민의 경우,반응(3)은 안정한 카바 메이트()를 형성하기 위해 우세하며,이산화탄소 몰당 2 몰의 아민을 필요로하며,따라서 아민의 흡수 능력을 아민 몰당 0.5 몰의 이산화탄소,즉 360 그램 이산화탄소/킬로그램 메아. 그러나 불안정한 카르 바 메이트는 반응(4)에 의해 설명 된 바와 같이 가수 분해되어 중탄산염()을 형성 할 수 있습니다. 이 조건 하에서,공칭 측정 이산화탄소 흡수 능력은 측정기의 몰당 1 몰의 이산화탄소,즉 720 그램의 이산화탄소/킬로그램이다. 다음과 같은 3 차 아민은 반응 만 따릅니다(4).
물리적 및 화학적 메아 흡수 능력은 온도,압력,추가 가스의 존재 및 수성 메아 농도에 의해 영향을받습니다.상기 반응기는 용매 200 밀리리터를 함유하는 60 밀리리터의 유리병으로 이루어진 반연속 반응기에서 메아의 이산화탄소 흡수능력을 측정하였다. 흡수 용량은 깨끗한 공기에서 희석 된 이산화탄소의 8-16%의 7-35%및 2-10%의 가스 유량을 사용하여 360 내지 380 그램의 이산화탄소/킬로그램의 범위였다. 반응 온도는 10 에서 40 까지 다양했다. 15%의 이산화탄소,5%의 이산화탄소 및 80%의 유동 배연가스에 대해 0.45 몰/몰 아민(324 그램/밀리그램)의 흡수능력을 얻기 위해 교반된 100 밀리리터 반응기를 사용하였다. 이 두 논문은 배출 가스 흐름을보고하지 않았으며 가스 흐름에서 이산화탄소를 제거하지도 않았으며,이는 메아리의 이산화탄소 흡수 능력을 과소 평가하지 못하게했다. 최근 김 등. 반응기의 배출구에서 이산화탄소 농도를 결정하기 위해 질량 유량 제어기 및 가스 크로마토 그래피에 의해 모니터링되는 고정 유속.
이전 결과에 존재하는 불일치는 실험 방법,아민 희석,용매 온도 및 압력,입구 가스 조성의 변화로 인한 것이며 용매의 흡수 능력을 결정하는 표준 방법의 필요성을 강조합니다. 그 결과 실험 데이터는 화석 연료 파생 연도 가스에서 이산화탄소 격리에 대 한 수 세미 디자인을 최적화 하는 데 필요한. 우리는 가스 단계 물질은 표준 조건 하에서 흡수 제의 고정된 금액으로 버블은 가스 버블러 장치 구성 된 흡수 용량의 결정에 대 한 표준 방법을 제안 한다. 가스 스트림의 이산화탄소 농도와 이산화탄소 농도의 함수로 측정기의 이산화탄소 흡수 용량을 결정 하기 위해이 메서드를 체계적으로 적용. 흡수 테스트 하는 동안 얻은 포화 곡선 두 개의 매개 변수에 의해 특징 지 수 함수에 의해 설명 될 수 있는 시그 모이 드 모양 전시:모양 및 효율성 요인. 이러한 요소의 적절한 사용은보다 컴팩트하고 효율적인 스크러버 설계로 이어질 수 있습니다.
2. 재료 및 방법
그림 2 는 용매의 화학적 및 물리적 흡수 능력을 결정하기 위해 제안 된 방법론을 보여줍니다. 이 장치는 표준 조건 하에서 가스 스트림이 고정 된 양의 흡수제를 통해 버블 링되는 가스 버블 러 설정으로 구성됩니다. 테스트 전에 시스템은 누출에 대해 테스트되고 불활성 가스를 사용하여 제거됩니다. 실험은 압력 및 온도의 표준 조건 하에서 수행된다(101 킬로파이어,25,000 킬로파이어,25,000 킬로파이어,25,000 킬로파이어). 발열 또는 흡열 반응이있는 상태에서 일정한 온도를 보장하기 위해 시스템은 온도 조절 물 욕조 내부에 배치됩니다. 반응기는 반응기 내의 층화 또는 불균일성을 방지하기 위해 연속적으로 교반된다. 입구 및 출구 가스 조성 및 유량은 잘 수용 된 방법을 사용하여 측정됩니다. 물 흐름 물 버블 링 프로세스 후 가스 스트림에 물의 존재로 인해 측정 왜곡을 방지 하기 위해 출구 가스 흐름을 측정 하기 전에 수증기 트랩을 사용 하는 것이 중요 합니다. 버블 러를 가로 지르는 총 가스 흐름은 가능한 한 낮아야합니다(<1)용매와 가스의 완전한 상호 작용을 보장합니다. 흡수 물질의 온도,압력 및 농도도 모니터링됩니다. 버블러 내의 용액의 부피는 0.5 리터로 유지된다.
표 1 은 측정할 변수와 독립 변수에 대한 권장값 및 해상도,범위 및 측정 방법 측면에서 센서에 대한 요구 사항을 설명합니다. 결과의 재현성을 확인하기 위해 여러 가지 시험을 실시해야합니다.
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| 차:정의되지 않음;에프:전체 규모. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
이 방법은 여러 수성 측정 농도 및 기체 이산화탄소 농도에서 측정기의 이산화탄소 흡수 용량을 결정하는 데 적용되었습니다.
3. 결과
그림 3 은 버블 러의 입구 및 출구에서 가스 상 스트림의 이산화탄소 몰 농도를 보여줍니다. 30%의 이산화탄소 유입구 농도에서 50%(중량)보다 낮은 농도는 가스 스트림에 존재하는 이산화탄소의 100%를 흡수 할 수 없다는 것을 보여줍니다. 이러한 낮은 흡수 효율은 측정값 용매의 특성이 아니라 시험 장치의 특성이며,측정값 농도가 낮은 버블러 내의 가스 스트림의 체류 시간이 너무 낮아 정확한 측정을 얻을 수 없음을 나타낸다.
3.1. 버블링 시험(그림 3 참조)동안 시간의 함수로서 얻어진,,,의 값을 사용하여,용매의 흡수 능력은 흡수되는 성분의 분자량,범용 가스 상수,표준 절대 온도,표준 압력,시간 및 포화 과정의 시작과 끝을 나타내는 지표이며,버블 러 내의 용매의 질량이며,표준 조건에서 표현 된 가스 체적 유량이며,흡입구 또는 배출구를 나타내는 지표입니다.값.
도 4 는 얻어진 값,이전 작품에서 보고된 데이터 및 측정기의 공칭 이산화탄소 흡수 능력의 비교이다.
100 개 이상의 완전한 실험 세트가 여러 공동 작업자에 의해 수행되었습니다. 2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 12 월 1 일,2013 년 표 2 는 관찰된 평균값과 실험 오류를 나열합니다.
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| 95%의 신뢰 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
용매 희석을 통한 이산화탄소 흡수 능력의 변화 또한 예치 및 바이에 의해 관찰되었다. 농도 측정기의 이산화탄소 흡수 능력의 변화는 과량의 물 선호 반응(4)이 반응 반응(3)을 통해 얻은 두 배의 공칭 흡수 용량을 유도한다는 것을 고려하여 설명 될 수있다. 따라서,낮은 농도의 측정값 결과 최대 이산화탄소 흡수 이산화탄소와 측정값 분자 사이의 상호 작용을 감소 하 고 합리적인 시간에 전체 아민 포화에 도달의 낮은 확률의 희생. 용매 희석을 통한 메아의 이산화탄소 흡수 능력의 변화는 또한 용매화 효과 때문일 수 있습니다.
이러한 결과는 최적의 스크러버 작동 조건을 설정하는 기술적 과제를 정의합니다. 높은 측정값 농도는 100%제거 효율을 보장하지만 낮은 이산화탄소 흡수 용량을 제공하고 공정에서 필요한 측정값을 증가시킵니다. 상대방에,낮은 농도는 높은 이산화탄소 흡수하는 수용량 그러나 낮은 제거 효율성을 제공합니다. 순차적 인 2 단계 프로세스가 이러한 반대 목표를 달성하는 가장 비용 효율적인 수단이 될 수 있습니다.
그림 4 는 또한 이러한 실험에서 측정된 측정기의 이산화탄소 흡수 용량을 이전 연구에서 보고된 것과 비교한다. 결과가 서로 다른 조건에서 얻어 졌기 때문에 완전히 비교되지는 않지만 그림 4 는 값이 비슷하다는 것을 보여줍니다. 예치 및 바이와 린 프라 세르 트미 차이 등과 가장 관련성이 높은 차이. 가스 스트림 및 에르 타스 등의 알과 산소 2 의 존재였다. 가스 스트림에 수소의 존재였다. 그 결과,화학 물질 및 화학 물질도 흡수 할 수 있습니다. 이 경우,이 경우,상기 제 2 형 및 제 2 형의 제 2 형에 의해 분해된다. 따라서,측정의 이산화탄소 흡수 능력의 결정에서 이들 종의 간섭을 제거하는 것이 중요하다.
그림 4 는 또한 흡수 용량이 가스 상 이산화탄소 농도와 무관하다는 것을 보여줍니다. 저농도에서의 저농도 흡수능력의 증가는 물 흡수능력의 기여에 기인한다고 주장할 수 있다. 따라서,순수한 물 흡수 용량 이산화탄소를 결정 하기 위해 실험의 집합을 수행 했다. 현재 방법론을 사용 하 여,그것은 물 흡수 0.3 그램 이산화탄소/킬로그램 물,수성 측정 용액에서 관찰 된 이산화탄소 흡수 용량의 변화에 비해 무시할 금액을 발견 했다. 물 물리적 이산화탄소 흡수 만 할 수 있기 때문에,이 측정은 헨리의 법칙 상수에서 얻은 값과 비교 하였다. 실험이 수행된 조건에 대해 헨리의 상수는 144 밀리파이고 표준 조건에서의 이산화탄소 물 흡수 능력은 0 이다.이 계약은 화학적 및 물리적 흡수를 측정 할 수있는 제안 된 방법의 능력을 보여줍니다.
3.2. 포화 과정의 특성화
그림 3 은 버블 링 테스트 중 배출구 이산화탄소 농도 프로파일이 시그 모이 드 모양을 나타내고 다음 방정식에 맞을 수 있음을 나타냅니다. 그리고(6)이 다음과 같이 표현 될 때 선형 곡선 피팅에 의해 얻어 질 수있다:모든 경우에 맞는 곡선에서 얻은 상관 계수는 실험 데이터가(6)와 잘 맞는다는 것을 나타내는 단일성()근처에 있었다. 이것은 포화 공정에 의해 잘 표현되었고,이 두 매개 변수는 용매 흡수 용량을 고유하게 특성화한다는 것을 보여줍니다.
그림 5 에는 및 에 대한 결과의 플롯이 포함되어 있습니다. 그것은 요인 형태 및 효율 계수가 농도에 의존하지 않았 음을 관찰 할 수있다(과.
(아)
)
(에이)
(비)
이 인자들은 임의의 수성 농도에서 측정기의 이산화탄소 흡수 능력을 추정하고,다른 용매를 비교하고,버블 링 시험 중 포화 시간을 결정하는 데 사용될 수 있습니다.
3.3. 민감도 분석
(5)에 따르면,압력,온도,가스 단계 이산화탄소 농도,부피 측정 흐름율 및 포화 시간의 기능은 입니다. 오차 조성 방정식((8),여기서 각 독립 변수에 대한 부분 도함수의 절대값)을(5)에 적용하고 표 1()에 지정된 계측기의 정밀도와 각 변수에 의해 일반적으로 측정되는 값의 범위(표 1 에 지정된 값)를 고려하면()에 대해 얻어진 값의 불확실성은 보고 된 값의 1%미만입니다. 이산화탄소 농도 및 부피 측정 교류에는 흡수하는 수용량 결심에 대한 가장 중대한 효력이 있고,특별한 주의는 이 2 개의 가변을 감시하기 위하여 이용된 계기의 정확도 그리고 정밀도에 주어져야 합니다. 표 1 은 버블링 검정을 사용하기 위해 얻어진 값의 전체 불확실성에 대한 각 변수의 대략적인 백분율 기여도를 포함한다.
4 를 고려하십시오. 결론
표준 시험은 액체 단계 흡수기에 의하여 가스 단계 성분의 육체 및 화학 흡수하는 수용량의 결심을 위해 기술됩니다. 그것은 가스 시내가 표준 조건 하에서 흡수제 조정 양으로 포입되는 가스 버플러 기구로 이루어져 있습니다. 민감도 분석에 따르면 가스 조성 및 체적 유량은 흡수 용량 결정에 가장 큰 영향을 미치는 변수이며 이를 모니터링하는 데 사용되는 기기의 정확성과 정밀도에 특별한주의를 기울여야합니다.
이 방법은 여러 수성 측정값 농도 수준()및 기체 이산화탄소 농도에서 측정값의 이산화탄소 흡수 능력을 결정하기 위해 적용되었다. 그것은 매우 낮은 공칭 이산화탄소 흡수 용량(720 그램 이산화탄소/킬로그램 측정)에 접근 발견,30 에서 2.5%(승/승)감소 했다 때 지 이산화탄소/킬로그램 측정에서 증가. 이러한 결과는 이전 연구에서보고 된 값에 동의합니다. 예상대로,메기의 이산화탄소 흡수 능력은 가스 스트림에 아민과 반응할 수 있는 다른 성분(예:수소나 산소 2)을 포함하지 않는 한,유입구 가스 스트림의 이산화탄소 농도에 의존하지 않았다.
버블 링 테스트 하는 동안 출구 이산화탄소 농도 프로 파일 전시 효율 계수()및 폼 팩터()를 포함 하는 지 수 방정식에 의해 설명 될 수 있는 시그 모 이드 모양. 상관 분석을 기반으로 한 통계적 분석은 모든 경우에 실험 데이터가 6.1 0.35 였을 때 그 방정식에 잘 맞는다는 것을 밝혀 냈습니다.이 두 매개 변수는 표준 조건에서 측정기의 이산화탄소 흡수 용량을 특성화합니다.
기호
| 효율성 요인 | |
| 메아(메아)의 이산화탄소 흡수 능력) | |
| 헨리의 구성 요소 상수(조선인민군) | |
| 버블 러 내의 측정 값의 질량(킬로그램) | |
| 흡수되는 성분의 분자량) | |
| 폼 팩터 | |
| 표준 압력(조선민주주의인민공화국) | |
| 구성 요소의 평형 부분 압력 gas phase (kPa) | |
| Gas volumetric flow expressed at standard conditions (m3/s) | |
| : | Universal gas constant (kJ/kmol K) |
| SLPM: | 분 당 표준 리터 |
| 시간) | |
| 표준 절대 온도(케이) | |
| 몰 분획으로 표현되는 액상 성분의 평형 농도 | |
| 몰 분획으로 표현되는 가스상 성분의 평형 농도 | |
| 선적(이산화탄소의 두더지/아민의 두더지) | |
| 수성 측정 농도(물 킬로그램 당 아민 킬로그램) | |
| 제거 효율(%) | |
| 인레트와 출구를 위한 색인,각각 | |
| 색인은 각각 채도 프로세스의 시작과 끝을 나타냅니다. |
이해 상충
저자는 이 논문의 출판과 관련하여 이해 상충이 없다고 선언한다.
감사의 글
이 프로젝트는 멕시코 국립 및 부동산 과학 기술위원회(코나시트와 코메싯),엠씩시코의 모페사 컴퍼니,멕시코의 테크놀 지코 데 몬테레이의 글로벌 지속 가능성 연구소,콜롬비아의 엔대학이 부분적으로 자금을 지원했다. 저자는 또한 콜롬비아 국립 대학의 엔지니어 메리 인 라슈와 조하나 디에즈에서이 작품에 기여에 대한 감사를 표현한다.
