CO2 Absorberende Kapasitet AV MEA

Abstrakt

vi beskriver bruken av et gassbobler apparat der gassfasen bobles inn i en fast mengde absorberende under standardbetingelser som en ensartet prosedyre for å bestemme absorpsjonskapasiteten til løsningsmidler. Metoden ble systematisk anvendt for å bestemme CO2-absorberende kapasitet AV MEA () ved flere vandige MEA (β) og gassfase CO2 konsentrasjoner. tilnærmet den nominelle CO2-absorberende kapasiteten TIL MEA (720 G CO2 / kg MEA) ved svært lave β, økende FRA til G CO2 / kg MEA som β ble redusert fra 30 til 2.5% (w / w). VAR ikke avhengig AV CO2-konsentrasjonen i innløpsgasstrømmen så lenge gasstrømmen ikke inkluderte andre aminfølsomme komponenter. Under boblende tester utløp CO2 konsentrasjon profiler utstilt en sigmoidal form som kan beskrives ved en eksponentiell ligning karakterisert ved en effektivitetsfaktor () og en formfaktor (). Statistisk analyse basert på korrelasjonsanalyse indikerte at eksperimentelle data i alle tilfeller passer til ligningen godt når a var og var . Resultatene av disse forsøkene kan brukes til å optimalisere skrubberdesign FOR CO2-sekvestrering fra fossile brenselavledede røykgasser.

1. Innledning

det er flere industrielle anvendelser der et flytende fasestoff (løsemiddel) brukes til selektivt å absorbere en eller flere komponenter (forurensende stoffer) fra en gasstrøm som passerer gjennom en absorberende kolonne (skrubber). EN anvendelse av økende interesse ER co2 absorpsjon fra fossilt brensel avledede røykgasser i termiske kraftverk. CO2 ER den mest produserte klimagassen (GHG) som følge av forbrenning av fossilt brensel for å tilfredsstille verdens energibehov . Arbeidet med å redusere global oppvarming inkluderer co2-sekvestrering fra røykgasser for enten lagring i sjøen eller tomme oljebrønner eller ombygging TIL CO og O2 gjennom kunstig fotosyntese . Selv om disse teknologiene fortsatt er i et tidlig utviklingsstadium, har aminskrubbing oppstått som den foretrukne metoden FOR co2-sekvestrering . Mens syregassfjerning fra prosessstrømmer ved hjelp av aminer er en moden teknologi , presenterer røykgassskrubbing mange nye utfordringer som fortsatt ikke er tilstrekkelig oppfylt på skalaen som er nødvendig for GHG-reduksjon . Våtvasketeknikker må forbedres for å behandle store mengder røykgass med akseptabel termisk effektivitet og minimale kostnader .

Det Er Utført Omfattende arbeid for å identifisere den optimale pakkegeometri for å forbedre hydrodynamisk blanding og maksimere masseoverføring for å minimere størrelsen og trykkfallet over skrubben . Absorpsjons – eller fjerningseffektiviteten (definert i (1), hvor og er forurensningskonsentrasjonen uttrykt som molar fraksjon ved innløp og utløp, resp.) er et middel til å uttrykke skrubberens ytelse . Flere forfattere har feilaktig referert til som en løsningsmiddelegenskap, selv om to skrubber som bruker det samme løsningsmidlet, kan ha forskjellige absorpsjonseffektiviteter. Vurder

Aminabsorberende Kapasitet. Aminer er ammoniakkderivater hvor ett eller flere hydrogenatomer erstattes av et organisk radikal . Monoetanolamin (MEA), dietanolamin (DEA) og metyldietanolamin (MDEA) er de mest brukte aminer i skrubbing applikasjoner. Den CO2-absorberende kapasiteten til aminer blir lett degradert av TILSTEDEVÆRELSEN AV SO2, NO2, HCl, HF eller O2 i gasstrømmen. Disse komponentene danner irreversible biprodukter som reduserer reaksjonshastigheten under absorpsjonsprosessen og øker kompleksiteten i løsningsmiddelgjenvinningsprosessen.

absorberende kapasitet er en løsningsmiddelegenskap definert som den maksimale molare mengden forurensende stoff absorbert per mol løsemiddel. Denne egenskapen brukes til å definere riktig lasting (forurensende/løsemiddelmolarforhold ) i skrubberdesign. Lave belastninger resulterer i kolonner med lav absorberende effektivitet, mens høye belastninger fører til høye krav til løsemidler og høye driftskostnader. Co2-absorberende kapasitet av aminer er avhengig av løsningsmiddelkonsentrasjonen, sammensetningen av gasstrømmen og driftstemperaturen .

Aminer er i stand til kjemisk OG fysisk co2 absorpsjon. Fysisk absorpsjon styres av den termodynamiske likevekten MELLOM CO2-molekyler i gass-og vandige faser og er beskrevet Av Henrys lov :hvor er likevektspartialtrykket av komponent i gassfase, det totale trykket, Henrys lovkonstant av komponent ,likevektskonsentrasjonen av komponent i gassfase (uttrykt som molar fraksjon) og likevektskonsentrasjonen av komponent i væskefase (uttrykt også som molar fraksjon).

Henry ‘ s law-konstanten bestemmes i et temperatur-og trykkstyrt forseglet kammer ved å måle likevektskonsentrasjonen av komponenten i gass-og væskefasene ved hjelp av spektrofotometrisk eller kromatografisk analyse . Denne metoden er egnet for systemer som gjennomgår ren fysisk absorpsjon, for EKSEMPEL co2 absorpsjon I H2O. det er imidlertid upassende når løsningsmidlet utviser kjemisk absorpsjon siden metoden ikke sikrer at løsningsmidlet blir fullstendig mettet. Undersøkere har brukt denne metoden i flere år, og uttrykker sine resultater når det gjelder likevektspartialtrykk av gassfasekomponenten og refererer til disse verdiene som oppløseligheten av forurensningen i løsningsmidlet. Tong et al. kombinert eksperimentelt arbeid med en omfattende litteraturgjennomgang for å beskrive oppløseligheten AV CO2 i 30% (w/w) vandige løsninger AV MEA som en funksjon av temperatur og lasting . For leserens bekvemmelighet gjengir Figur 1 resultatene som er publisert. Disse resultatene kan ikke brukes til å beskrive absorpsjonskapasiteten til løsningsmidlet, siden likevektsforholdene som dataene ble samlet inn under, ikke sikrer metning av løsningsmidlet. Videre kan disse resultatene ikke brukes til å bestemme Henrys lovkonstant for MEA-H2O-CO2-systemet siden de ikke kvantifiserer CO2 som er igjen i molekylær form i væskefasen, og fordi systemet, som nevnt tidligere, utviser kjemisk absorpsjon.

Figur 1

Løselighet AV CO2 i 30% (w/w) vandige mea-løsninger ved 313 K som en funksjon av lasting (mol CO2 per mol MEA), Fra Tong et al. .

Kjemisk absorpsjon er basert på reaksjoner MELLOM CO2 og amin. Det har blitt rapportert at kjemisk absorpsjon ikke øker betydelig med trykk . Det er to grunnleggende mekanismer for reaksjonen av aminer (R-NH2) MED CO2 :For vanlige primære og sekundære aminer som MEA og DEA, har reaksjon (3) forrang for å danne et stabilt karbamat (), som krever 2 mol amin per mol CO2 og dermed begrenser amins absorberende kapasitet til 0,5 mol CO2 PER mol amin, det vil si 360 G CO2 / Kg MEA. Men ustabile karbamater kan hydrolysere for å danne bikarbonat (), som beskrevet ved reaksjon (4). Under denne tilstanden er den nominelle MEA CO2 absorberende kapasiteten en mol CO2 per mol MEA, det vil si 720 g CO2 / Kg MEA. Tertiære aminer som MDEA følger bare reaksjonen (4) .

den fysiske og kjemiske mea absorpsjonskapasiteten påvirkes av temperatur, trykk, tilstedeværelse av ekstra gasser og den vandige mea-konsentrasjonen.

Yeh og Bai målte co2-absorpsjonskapasiteten TIL MEA i en halvkontinuerlig reaktor bestående av en 60 mm glassflaske inneholdende 200 mL løsningsmiddel. Absorpsjonskapasiteten varierte fra 360 til 380 g CO2 / kg MEA ved BRUK av mea-konsentrasjoner på 7-35% (w / w) og gassstrømningshastigheter på 2-10 SLPM på 8-16% CO2 fortynnet i ren luft. Reaksjonstemperaturen varierte fra 10 til 40°C. Nylig, Rinprasertmeechai et al. brukt en omrørt 100 mL reaktor som inneholder 50 mL 30% (w/w) vandig mea-konsentrasjon ved 25°c og atmosfærisk trykk for å oppnå en absorpsjonskapasitet på 0,45 CO2 mol/mol amin (324 G CO2 / kg mea) for en simulert røykgass som inneholder 15% CO2, 5% O2 og 80% N2 og strømmer ved 0,05 SLPM. Disse to papirene rapporterte verken utløpsgasstrømmen eller fjernet O2 i gasstrømmen, noe som førte til en undervurdering AV CO2-absorberende kapasitet AV MEA. Nylig Kim et al. rapportert en absorberende kapasitet på 0,565 CO2 mol / mol amin (407 G CO2/kg MEA) ved hjelp av 30 vol% CO2 fortynnet I N2 og en fast strømningshastighet på 1 SLPM overvåket av en massestrømningsregulator og gasskromatografi for å bestemme CO2-konsentrasjon ved utløpet av reaktoren.

uenighetene som er tilstede i tidligere resultater skyldes variasjoner i testmetoder, aminfortynning, løsningsmiddeltemperatur og trykk og innløpsgassammensetning og fremhever behovet for en standardmetode for å bestemme løsningsmiddelets absorberende kapasitet. De resulterende eksperimentelle dataene kreves for å optimalisere skrubberdesign FOR CO2-sekvestrering fra fossile brenselavledede røykgasser. Vi foreslår en standardmetode for bestemmelse av absorberende kapasiteter som består av et gassbobler apparat der gassfasestoffet bobles inn i en fast mengde absorberende under standardbetingelser. Vi brukte systematisk denne metoden for å bestemme CO2-absorberende kapasitet AV MEA som en funksjon AV mea-konsentrasjon og CO2-konsentrasjon i gasstrømmen. Metningskurvene oppnådd under absorpsjonstestene viste en sigmoidal form som kunne beskrives ved en eksponentiell funksjon preget av to parametere: form-og effektivitetsfaktorene. Riktig bruk av disse faktorene kan føre til mer kompakt og effektiv scrubber design.

2. Materialer Og Metoder

Figur 2 illustrerer metodikken foreslått for å bestemme kjemisk og fysisk absorberende kapasitet av løsemidler. Apparatet består av et gassbobleroppsett hvor gasstrømmen bobles gjennom en fast mengde absorberende under standardbetingelser. Før testing testes systemet for lekkasjer og renses ved hjelp av en inert gass. Eksperimenter utføres under standardbetingelser for trykk Og temperatur (101 kPa, 25°C). For å sikre konstant temperatur i nærvær av eksoterme eller endoterme reaksjoner, plasseres systemet i et termostatert vannbad. Reaktoren omrøres kontinuerlig for å forhindre stratifisering eller inhomogeniteter i reaktoren. Innløp og utløp gass sammensetning og strømning måles ved hjelp av godt aksepterte metoder. Det er viktig å bruke en vanndampfelle før måling av utløpsgasstrømmen for å forhindre måleforvrengninger på grunn av tilstedeværelsen av vann i gasstrømmen etter boblingsprosessen. Den totale gasstrømmen over bobleren skal være så lav som mulig (< 1 SLPM) for å sikre full interaksjon mellom gassen og løsningsmidlet. Temperaturen, trykket og konsentrasjonen av det absorberende stoffet overvåkes også. Volumet av oppløsning i bobleren opprettholdes ved 0,5 L.

Figur 2

Foreslått apparat for å bestemme absorberende kapasitet av gassfasekomponenter av væskefaseabsorbenter.

Tabell 1 beskriver variablene som skal måles og de anbefalte verdiene for de uavhengige variablene, samt kravene til sensorene når det gjelder oppløsning, rekkevidde og målemetode. Flere forsøk bør gjennomføres for å verifisere reproduserbarheten av resultatene.

metoden ble anvendt for bestemmelse AV CO2-absorberende kapasitet AV MEA ved flere vandige mea-konsentrasjoner og gassformige CO2-konsentrasjoner.

3. Resultater

Figur 3 viser CO2 molar konsentrasjon av gassfasestrømmen ved innløpet og utløpet av bobleren. Det viser at VED en innløpskonsentrasjon på 30% CO2, VAR MEA-konsentrasjoner lavere enn 50% (w/w) ikke i stand til å absorbere 100% AV CO2 som er tilstede i gasstrømmen. Denne lave absorberende effektiviteten er ikke en egenskap AV mea-løsningsmidlet, men snarere en egenskap for testapparatet og indikerer at oppholdstiden til gasstrømmen i bobleren for lave mea-konsentrasjoner er for lav til å oppnå nøyaktige målinger.

Figur 3

Utvikling AV CO2 molar konsentrasjon ved innløp og utløp av bubbler som funksjon av vandig mea konsentrasjon.

3.1. CO2 Absorberende Kapasitet av MEA

ved hjelp av verdiene av , , , og oppnådd som funksjon av tid under boblende test (vist i Figur 3), er absorberende kapasitet av løsningsmidlet bestemt bywhere er molekylvekten av komponenten blir absorbert, er den universelle gasskonstanten, er standard absolutt temperatur, er standard trykk, er tiden, og er indekser for å indikere start og slutt av metning prosessen, er massen av løsningsmiddel i bubbler, er gass volumetrisk strøm uttrykt ved standardbetingelser, og og er denindikasjoner som indikerer innløp eller OUTLET VERDIER.

Figur 4 er en sammenligning av verdiene som er oppnådd, dataene som er rapportert i tidligere arbeider, og den nominelle CO2-absorberende kapasiteten TIL MEA.

Figur 4

CO2 absorberende kapasitet AV MEA for flere nivåer av vandig mea konsentrasjon (), oppnådd ved hjelp av boblende metoden. Yeh og Bai brukte en reaktor med 200 mL løsningsmiddel og en gassstrøm på 2-10 SLPM på 8-16% CO2 fortynnet i ren luft. Temperaturen varierte fra 10 til 40°C. Rinprasertmeechai et al. brukt en omrørt reaktor som inneholder 50 mL 30% (w/w) vandig mea-konsentrasjon ved 25°c og med en simulert røykgass som inneholder 15% CO2, 5% O2 og 80% N2 og strømmer ved 0,05 SLPM. Kim et al. brukt en omrørt reaktor med 1 L av 30% (w/w) vandig MEA ved 25°C med 30 vol% CO2 fortynnet I N2 og en strømningshastighet på 1 SLPM. Alle arbeider ble utført ved atmosfærisk trykk.

Mer enn 100 komplette sett med eksperimenter ble utført av flere samarbeidspartnere. DET ble funnet AT CO2-absorberende kapasiteten TIL MEA er konsentrasjonsavhengig, og øker FRA til G CO2 / kg MEA når den ble redusert fra 30 til 2,5% (w/w) og logaritmisk nærmer seg den nominelle absorberende kapasiteten til 720 g CO2 / Kg MEA ved svært lave konsentrasjoner. Tabell 2 viser gjennomsnittsverdiene og den observerte eksperimentelle feilen.

Endringer I CO2-absorberende kapasitet med fortynning av oppløsningsvæske ble også observert Av Yeh og Bai FOR NH3 / H2O / CO2-systemet. Endringer I CO2-absorpsjonskapasiteten TIL MEA med konsentrasjon kan forklares ved å vurdere at overskytende vann favoriserer reaksjon (4) og at denne reaksjonen fører til en nominell absorberende kapasitet to ganger det som oppnås gjennom reaksjon (3). Derfor resulterer lave konsentrasjoner AV MEA i maksimal co2-absorpsjon på bekostning av å redusere samspillet MELLOM CO2-og MEA-molekylene og lavere sannsynlighet for å nå full aminmetning i rimelig tid. Endringer I CO2-absorpsjonskapasiteten TIL MEA med fortynning av løsemiddel kan også skyldes solvasjonseffekter.

disse resultatene definerer den teknologiske utfordringen ved å etablere optimale driftsforhold for skrubber. Høye mea-konsentrasjoner sikrer 100% fjerningseffektivitet, men gir lav CO2-absorberende kapasitet og øker mengden MEA som kreves i prosessen. På den andre siden gir lave konsentrasjoner høy CO2-absorberende kapasitet, men lav fjerningseffektivitet. Det er mulig at en sekvensiell to-trinns prosess kan være den mest kostnadseffektive måten å oppnå disse motstridende målene på.

Figur 4 sammenligner OGSÅ CO2-absorberende kapasiteter av MEA målt i disse forsøkene med de som er rapportert i tidligere arbeider. Selv om resultatene ikke er fullt sammenlignbare siden de ble oppnådd under forskjellige forhold, Viser Figur 4 at verdiene er like. Den mest relevante forskjellen Med Yeh Og Bai og Rinprasertmeechai et al. Var tilstedeværelsen Av O2 i gasstrømmen Og Med Huertas et al. VAR tilstedeværelsen AV H2S i gasstrømmen. I TILLEGG TIL CO2 kan MEA absorbere H2S, SO2 Og HCl . MEA degraderes av tilstedeværelsen Av O2, NO2, SO2, HCl og HF . Derfor, ved bestemmelse AV CO2-absorberende kapasitet AV MEA er det viktig å eliminere forstyrrelsen av disse artene.

Figur 4 viser også at absorpsjonskapasiteten var uavhengig av gassfasens CO2-konsentrasjon. Det ble funnet at denne konklusjonen er sant så lenge gasstrømmen ikke inkluderer mea sensitive komponenter Som O2 OG H2S.

det kan hevdes at økningen I MEA absorberende kapasitet ved lave konsentrasjoner skyldes bidraget AV CO2 absorberende kapasitet av vann. Derfor ble det utført et sett med eksperimenter for å bestemme CO2-absorberende kapasitet for rent vann. Ved hjelp av denne metoden ble det funnet at vann absorberte 0,3 G CO2 / kg H2O, en ubetydelig mengde sammenlignet med variasjonene I co2 absorpsjonskapasitet observert i vandige mea-løsninger. Siden vann kun er i stand til fysisk co2-absorpsjon, ble denne måling sammenlignet med verdien oppnådd fra Henrys lovkonstant. For forholdene under hvilke forsøket ble utført, Er Henrys konstant 144 MPa og CO2-absorberende kapasitet av vann ved standardbetingelser er 0.375 G CO2 / kg H2O. denne avtalen demonstrerer evnen til den foreslåtte metoden for å måle både kjemisk og fysisk absorpsjon.

3.2. Karakterisering Av Metningsprosessen

Figur 3 indikerer at utløps CO2-konsentrasjonsprofilene under de boblende testene viste en sigmoidal form og kunne monteres på følgende ligning: hvor er effektivitetsfaktoren, er formfaktoren, er tiden, og og er indekser for å indikere starten og slutten av metningsprosessen. og kan oppnås ved lineær kurvetilpasning når (6) uttrykkes som følger:Korrelasjonskoeffisientene oppnådd fra kurvefits for alle tilfeller var nær enhet (), noe som indikerer at eksperimentelle data passer godt med (6). Dette viser at metningsprosessen var godt representert av og og disse to parametrene unikt karakteriserer løsningsmiddelabsorberende kapasitet.

Figur 5 inneholder plott av resultatene for and . Det kan observeres at faktorformen og effektivitetsfaktoren ikke var konsentrasjonsavhengig ( og .

(a)

(b)

(a)
(b)

Figur 5

Resultater av kurvetilpasning AV CO2-konsentrasjon til (6). Effektivitetsfaktoren () er plottet til venstre og formfaktoren () er plottet til høyre som funksjon av den vandige mea-konsentrasjonen. Den blå horisontale linjen indikerer tilsvarende gjennomsnittsverdi.

disse faktorene kan brukes til å estimere co2-absorpsjonskapasiteten TIL MEA ved enhver vandig konsentrasjon, for å sammenligne forskjellige løsningsmidler og for å bestemme metningstiden under boblingstesten.

3.3. Sensitivitetsanalyse

I Henhold til (5), er en funksjon av trykk, temperatur, gassfase CO2-konsentrasjon, volumetrisk strømningshastighet og metningstid. Ved å anvende feilsammensetningsligningen ((8), hvor er absoluttverdien av det partielle derivatet av med hensyn til hver uavhengig variabel) til (5) og vurderer presisjonen til instrumentene spesifisert i Tabell 1 () og rekkevidden av verdiene som vanligvis måles av hver variabel (også spesifisert i Tabell 1), er usikkerheten til verdiene oppnådd for () mindre enn 1% av de rapporterte verdiene. CO2-konsentrasjonen og volumstrømmen hadde størst effekt på absorberende kapasitetsbestemmelse, og spesiell oppmerksomhet bør gis til nøyaktigheten og presisjonen av instrumenter som brukes til å overvåke disse to variablene. Tabell 1 inneholder omtrentlig prosentbidrag av hver variabel til den totale usikkerheten om verdiene som er oppnådd for bruk av boblingstesten. Tenk

4. Konklusjoner

en standardtest er beskrevet for bestemmelse av den fysiske og kjemiske absorberende kapasiteten til gassfasekomponenter med væskefaseabsorbenter. Den består av et gassboblerapparat hvor gasstrømmen bobles inn i en fast mengde absorberende under standardbetingelser. Sensitivitetsanalyse indikerte at gassammensetning og volumstrøm er variablene med størst effekt på absorberende kapasitetsbestemmelse, og spesiell oppmerksomhet bør gis til nøyaktigheten og presisjonen til instrumentene som brukes til å overvåke dem.

denne metoden ble anvendt for å bestemme CO2-absorberende kapasitet AV MEA () ved flere vandige mea-konsentrasjonsnivåer () og gassformige CO2-konsentrasjoner. Det ble funnet at nærmer seg den nominelle co2-absorberende kapasiteten (720 g CO2/kg MEA) ved svært lav, økende FRA til G CO2 / kg MEA når den ble redusert fra 30 til 2,5% (w/w). Disse resultatene stemmer overens med verdier rapportert for i tidligere studier. SOM forventet var DEN CO2-absorberende kapasiteten TIL MEA ikke avhengig AV CO2-konsentrasjonen i innløpsgasstrømmen så lenge gasstrømmen ikke inkluderte andre komponenter som kunne reagere med amin, FOR EKSEMPEL H2S eller O2.

i løpet av de boblende tester utløp CO2 konsentrasjon profiler utstilt en sigmoidal form som kan beskrives ved en eksponentiell ligning som inneholder en effektivitetsfaktor () og en formfaktor (). Statistiske analyser basert på korrelasjonsanalyse viste at i alle tilfeller de eksperimentelle data passer godt til at ligningen når var 6,1 ± 0,35 og var og derfor disse to parametrene karakteriserer CO2 absorberende kapasitet AV MEA under standardbetingelser.

Symboler

Interessekonflikt

forfatterne erklærer at det ikke er noen interessekonflikt angående publisering av dette papiret.

Anerkjennelser

dette prosjektet ble delvis finansiert av Det Nasjonale Og Eiendoms Meksikanske Rådet For Vitenskap OG Teknologi (CONACYT OG COMECYT), Mopesa-Selskapet Til M@xico, Det Globale Instituttet For Bærekraft I Tecnológico De Monterrey I Mexico og Ean-Universitetet I Colombia. Forfatterne uttrykker også sin takknemlighet for bidrag til dette arbeidet Fra Ingeniører Maryin Rache og Johana Diez fra National University Of Colombia.