capacitatea de absorbție a CO2 a MEA

rezumat

descriem utilizarea unui aparat cu bule de gaz în care faza gazoasă este barbotată într-o cantitate fixă de absorbant în condiții standard ca o procedură uniformă pentru determinarea capacității de absorbție a solvenților. Metoda a fost aplicată în mod sistematic pentru a determina capacitatea de absorbție a CO2 a MEA () la mai multe concentrații apoase de Mea (XV) și de CO2 în fază gazoasă. s-a apropiat de capacitatea nominală de absorbție a CO2 a MEA (720 g CO2/kg MEA) la niveluri foarte scăzute de la SEC.5% (g / g). nu a depins de concentrația de CO2 din fluxul de gaz de intrare, atâta timp cât fluxul de gaz nu a inclus alte componente sensibile la amină. În timpul testelor de barbotare, profilurile de concentrație de CO2 de ieșire au prezentat o formă sigmoidală care ar putea fi descrisă printr-o ecuație exponențială caracterizată printr-un factor de eficiență () și un factor de formă (). Analiza statistică bazată pe analiza corelației a indicat că, în toate cazurile, datele experimentale se potrivesc bine ecuației atunci când a fost și a fost . Rezultatele acestor experimente pot fi utilizate pentru a optimiza proiectele de epurare pentru sechestrarea CO2 din gazele de ardere derivate din combustibili fosili.

1. Introducere

există mai multe aplicații industriale în care o substanță în fază lichidă (solvent) este utilizată pentru a absorbi selectiv unul sau mai multe componente (poluanți) dintr-un flux de gaz care trece printr-o coloană absorbantă (scruber). O aplicație de interes din ce în ce mai mare este absorbția CO2 din gazele de ardere derivate din combustibili fosili în centralele termice. CO2 este cel mai produs gaz cu efect de seră (GES) ca urmare a arderii combustibililor fosili pentru a satisface cererea mondială de energie . Eforturile de atenuare a încălzirii globale includ sechestrarea CO2 din gazele de ardere fie pentru depozitarea în mare, fie pentru puțurile goale de petrol, fie pentru reconversia în CO și O2 prin fotosinteză artificială . Deși aceste tehnologii sunt încă într-un stadiu incipient de dezvoltare, spălarea aminelor a apărut ca metodă preferată pentru sechestrarea CO2 . În timp ce eliminarea gazelor acide din fluxurile de proces folosind Amine este o tehnologie matură , spălarea gazelor de ardere prezintă multe provocări noi care încă nu sunt îndeplinite în mod adecvat pe scara necesară pentru reducerea GES . Tehnicile de spălare umedă trebuie să se îmbunătățească pentru a procesa volume mari de gaze arse la eficiență termică acceptabilă și costuri minime .

s-au întreprins lucrări ample pentru a identifica geometria optimă a materialului de ambalare pentru a îmbunătăți amestecarea hidrodinamică și pentru a maximiza transferul de masă pentru a minimiza dimensiunea și căderea de presiune pe epurator . Eficiența absorbției sau eliminării (definită la punctul 1), unde și sunt concentrația de poluant exprimată ca fracție molară la intrare și ieșire, resp.) este un mijloc de exprimare a performanței scruberului. Mai mulți autori au denumit în mod eronat o proprietate a solventului, chiar dacă două scrubere care utilizează același solvent ar putea avea eficiențe de absorbție diferite. Luați În Considerare

Capacitatea De Absorbție A Aminei. Aminele sunt derivați de amoniac în care unul sau mai mulți atomi de hidrogen sunt înlocuiți cu un radical organic . Monoetanolamina (MEA), dietanolamina (DEA) și metildietanolamina (MDEA) sunt cele mai frecvent utilizate Amine în aplicațiile de spălare. Capacitatea de absorbție a CO2 a aminelor este ușor degradată de prezența SO2, NO2, HCl, HF sau O2 în fluxul de gaz. Aceste componente formează produse secundare ireversibile care reduc viteza de reacție în timpul procesului de absorbție și cresc complexitatea procesului de recuperare a solventului.

capacitatea de absorbție este o proprietate a solventului definită ca fiind cantitatea molară maximă de poluant absorbită pe mol de solvent. Această proprietate este utilizată pentru a defini încărcarea corespunzătoare (raportul molar poluant/solvent ) în proiectele de epurare. Încărcările reduse au ca rezultat coloane cu eficiență scăzută de absorbție, în timp ce încărcările ridicate duc la cerințe excesive de solvent și costuri operaționale ridicate. Capacitatea de absorbție a CO2 a aminelor depinde de concentrația solventului, de compoziția fluxului de gaz și de temperatura de funcționare .

aminele sunt capabile de absorbție chimică și fizică a CO2. Absorbția fizică este controlată de echilibrul termodinamic dintre moleculele de CO2 din fazele gazoase și apoase și este descris de legea lui Henry :unde este presiunea parțială de echilibru a componentei în faza gazoasă, presiunea totală, Constanta legii lui Henry a componentei , concentrația de echilibru a componentei în faza gazoasă (exprimată ca fracție molară) și concentrația de echilibru a componentei în faza lichidă (exprimată și ca fracție molară).

Constanta Legii lui Henry este determinată într-o cameră sigilată controlată de temperatură și presiune prin măsurarea concentrației de echilibru a componentei în fazele gazoase și lichide folosind analiza spectrofotometrică sau cromatografică . Această metodă este adecvată pentru sistemele supuse unei absorbții fizice pure, de exemplu, absorbția CO2 în H2O. Cu toate acestea, este inadecvată atunci când solventul prezintă absorbție chimică, deoarece metoda nu asigură saturarea completă a solventului. Anchetatorii au folosit această metodă de mai mulți ani, exprimându-și rezultatele în ceea ce privește presiunea parțială de echilibru a componentei de fază gazoasă și referindu-se la aceste valori ca solubilitate a poluantului în solvent. Tong și colab. lucrări experimentale combinate cu o revizuire extinsă a literaturii pentru a descrie solubilitatea CO2 în soluții apoase 30% (g/g) de MEA în funcție de temperatură și încărcare . Pentru comoditatea cititorului, Figura 1 reproduce rezultatele publicate. Aceste rezultate nu pot fi utilizate pentru a descrie capacitatea de absorbție a solventului, deoarece condițiile de echilibru în care au fost colectate datele nu asigură saturarea solventului. Mai mult, aceste rezultate nu pot fi utilizate pentru a determina Constanta legii lui Henry pentru sistemul MEA-H2O-CO2, deoarece nu cuantifică CO2 rămas în formă moleculară în faza lichidă și deoarece, așa cum am menționat mai devreme, sistemul prezintă absorbție chimică.

Figura 1

solubilitatea CO2 în 30% (g/g) soluții apoase MEA la 313 K în funcție de încărcare (moli de CO2 pe mol de MEA, ), de la Tong și colab. .

absorbția chimică se bazează pe reacțiile dintre CO2 și amină. S-a raportat că absorbția chimică nu crește semnificativ odată cu presiunea . Există două mecanisme fundamentale pentru reacția aminelor (R-NH2) cu CO2 :Pentru aminele primare și secundare comune, cum ar fi Mea și DEA, reacția (3) predomină pentru a forma un carbamat stabil (), necesitând 2 moli de amină pe mol de CO2 și limitând astfel capacitatea de absorbție a aminei la 0,5 moli de CO2 pe mol de amină, adică 360 g CO2/Kg MEA. Cu toate acestea, carbamații instabili se pot hidroliza pentru a forma bicarbonat (), așa cum este descris prin reacție (4). În aceste condiții, capacitatea nominală de absorbție a CO2 MEA este de un mol de CO2 pe mol de MEA , adică 720 g CO2/Kg MEA. Aminele terțiare, cum ar fi MDEA, urmează doar reacția (4) .

capacitățile fizice și chimice de absorbție a MEA sunt afectate de temperatură, presiune, prezența gazelor suplimentare și concentrația apoasă a MEA.

Yeh și Bai au măsurat capacitatea de absorbție a CO2 a MEA într-un reactor semicontinuu format dintr-un flacon de sticlă de 60 mm conținând 200 mL solvent. Capacitățile de absorbție au variat între 360 și 380 g CO2/kg MEA utilizând concentrații de MEA de 7-35% (G/G) și debite de gaz de 2-10 SLPM de 8-16% CO2 diluat în aer curat. Temperatura de reacție a variat de la 10 la 40 la sută C. recent, Rinprasertmeechai și colab. s-a utilizat un reactor agitat de 100 mL care conține 50 mL concentrație apoasă de MEA de 30% (g/g) la 25 C și presiune atmosferică pentru a obține o capacitate de absorbție de 0,45 CO2 moli/mol amină (324 g CO2/kg MEA) pentru un gaz de ardere simulat care conține 15% CO2, 5% O2 și 80% N2 și curge la 0,05 SLPM. Aceste două lucrări nu au raportat fluxul de gaz de ieșire și nici nu au eliminat O2 în fluxul de gaz, ceea ce a dus la o subestimare a capacității de absorbție a CO2 a MEA. Recent Kim și colab. a raportat o capacitate de absorbție de 0,565 CO2 moli / mol amină (407 g CO2/kg MEA) utilizând 30% vol CO2 diluat în N2 și un debit fix de 1 SLPM monitorizat de un regulator de debit masic și cromatografie de gaz pentru a determina concentrația de CO2 la ieșirea din reactor.

dezacordurile prezente în rezultatele anterioare se datorează variațiilor metodelor de testare, diluției aminei, temperaturii și presiunii solventului și compoziției gazului de intrare și evidențiază necesitatea unei metode standard pentru a determina capacitatea de absorbție a solvenților. Datele experimentale rezultate sunt necesare pentru a optimiza proiectele de epuratoare pentru sechestrarea CO2 din gazele de ardere derivate din combustibili fosili. Propunem o metodă standard pentru determinarea capacităților de absorbție constând dintr-un aparat cu bule de gaz în care substanța în fază gazoasă este barbotată într-o cantitate fixă de absorbant în condiții standard. Am aplicat sistematic această metodă pentru a determina capacitatea de absorbție a CO2 a MEA în funcție de concentrația MEA și concentrația de CO2 în fluxul de gaz. Curbele de saturație obținute în timpul testelor de absorbție au prezentat o formă sigmoidală care ar putea fi descrisă printr-o funcție exponențială caracterizată prin doi parametri: forma și factorii de eficiență. Utilizarea corectă a acestor factori ar putea duce la modele mai compacte și mai eficiente de epurare.

2. Materiale și metode

Figura 2 ilustrează metodologia propusă pentru determinarea capacității de absorbție chimică și fizică a solvenților. Aparatul constă dintr-o configurație cu bule de gaz în care fluxul de gaz este barbotat printr-o cantitate fixă de absorbant în condiții standard. Înainte de testare, Sistemul este testat pentru scurgeri și purjat folosind un gaz inert. Experimentele se desfășoară în condiții standard de presiune și temperatură (101 kPa, 25 c). Pentru a asigura o temperatură constantă în prezența reacțiilor exoterme sau endoterme, sistemul este plasat în interiorul unei băi de apă termostatate. Reactorul este agitat continuu pentru a preveni stratificarea sau neomogenitățile din reactor. Compoziția și debitul gazului de intrare și ieșire sunt măsurate folosind metode bine acceptate. Este important să utilizați o capcană de vapori de apă înainte de a măsura debitul de gaz de ieșire pentru a preveni distorsiunile de măsurare datorate prezenței apei în fluxul de gaz după procesul de barbotare. Debitul total de gaz pe barbotor trebuie să fie cât mai scăzut posibil (<1 SLPM) pentru a asigura o interacțiune completă a gazului cu solventul. Temperatura, presiunea și concentrația substanței absorbante sunt, de asemenea, monitorizate. Volumul soluției din barbotor este menținut la 0,5 L.

Figura 2

Aparate propuse pentru a determina capacitatea de absorbție a componentelor în fază gazoasă prin absorbanți de fază lichidă.

Tabelul 1 descrie variabilele care trebuie măsurate și valorile recomandate pentru variabilele independente, precum și cerințele pentru senzori în ceea ce privește rezoluția, intervalul și metoda de măsurare. Ar trebui efectuate mai multe studii pentru a verifica reproductibilitatea rezultatelor.

metoda a fost aplicată la determinarea capacității de absorbție a CO2 a MEA la mai multe concentrații apoase de MEA și concentrații gazoase de CO2.

3. Rezultate

Figura 3 prezintă concentrația molară de CO2 a fluxului de fază gazoasă la intrarea și ieșirea barbotorului. Aceasta arată că, la o concentrație de admisie de 30% CO2, concentrațiile MEA mai mici de 50% (g/g) nu au fost capabile să absoarbă 100% din CO2 prezent în fluxul de gaz. Această eficiență scăzută de absorbție nu este o proprietate a solventului MEA, ci mai degrabă o caracteristică a aparatului de testare și indică faptul că timpul de rezidență al fluxului de gaz din barbotor pentru concentrații scăzute de MEA este prea mic pentru a obține măsurători precise.

Figura 3

evoluția concentrației molare de CO2 la intrarea și ieșirea barbotorului în funcție de concentrația mea apoasă.

3.1. Capacitatea de absorbție a CO2 a MEA

folosind valorile , , , și obținute în funcție de timp în timpul testului de barbotare (prezentat în Figura 3), Capacitatea de absorbție a solventului este determinată deunde este greutatea moleculară a componentei absorbite, este Constanta universală a gazului, este temperatura absolută standard, este presiunea standard, este timpul și sunt indici care indică începutul și sfârșitul procesului de saturație, este masa solventului din barbotor, este debitul volumetric al gazului exprimat în condiții standard și și sunt indicii care indică intrarea sau ieșirea valori.

Figura 4 este o comparație a valorilor obținute, a datelor raportate în lucrările anterioare și a capacității nominale de absorbție a CO2 a MEA.

Figura 4

capacitatea de absorbție a CO2 a MEA pentru mai multe niveluri de concentrație apoasă de MEA (), obținută prin metoda barbotării. Yeh și Bai au folosit un reactor cu 200 mL de solvent și un debit de gaz de 2-10 SLPM de 8-16% CO2 diluat în aer curat. Temperatura a variat de la 10 la 40 la sută C. Rinprasertmeechai și colab. s-a folosit un reactor agitat care conține 50 mL de concentrație apoasă de MEA de 30% (g/g) la 25 C și cu un gaz de ardere simulat care conține 15% CO2, 5% O2 și 80% N2 și curge la 0,05 SLPM. Kim și colab. s-a folosit un reactor agitat cu 1 L de MEA apoasă de 30% (g/g) la 25 C cu 30 vol% CO2 diluat în N2 și un debit de 1 SLPM. Toate lucrările au fost efectuate la presiune atmosferică.

mai mult de 100 de seturi complete de experimente au fost efectuate de mai mulți colaboratori. S-a constatat că capacitatea de absorbție a CO2 a MEA este dependentă de concentrație, crescând de la g CO2/kg MEA când a fost redusă de la 30 la 2,5% (g/g) și apropiindu-se logaritmic de capacitatea nominală de absorbție de 720 g CO2/Kg MEA la concentrații foarte scăzute. Tabelul 2 enumeră valorile medii și eroarea experimentală observată.

modificările capacității de absorbție a CO2 cu diluare cu solvent au fost, de asemenea, observate de Yeh și Bai pentru sistemul NH3/H2O/CO2. Modificările capacității de absorbție a CO2 a MEA cu concentrație pot fi explicate prin considerarea faptului că excesul de apă favorizează reacția (4) și că această reacție duce la o capacitate nominală de absorbție de două ori mai mare decât cea obținută prin reacție (3). Prin urmare, concentrațiile scăzute de MEA au ca rezultat absorbția maximă a CO2 în detrimentul reducerii interacțiunii dintre moleculele de CO2 și MEA și probabilitatea mai mică de a atinge saturația completă a aminei într-un timp rezonabil. Modificările capacității de absorbție a CO2 a MEA cu diluarea solventului ar putea fi, de asemenea, datorate efectelor de solvatare.

aceste rezultate definesc provocarea tehnologică în stabilirea condițiilor optime de funcționare a epuratorului. Concentrațiile mari de MEA asigură o eficiență de îndepărtare de 100%, dar oferă capacități reduse de absorbție a CO2 și măresc cantitatea de MEA necesară în proces. Pe de altă parte, concentrațiile scăzute asigură o capacitate ridicată de absorbție a CO2, dar o eficiență scăzută de îndepărtare. Este posibil ca un proces secvențial în două etape să fie cel mai rentabil mijloc de realizare a acestor obiective opuse.

Figura 4 compară, de asemenea, capacitățile de absorbție a CO2 ale MEA măsurate în aceste experimente cu cele raportate în lucrările anterioare. Deși rezultatele nu sunt pe deplin comparabile, deoarece au fost obținute în condiții diferite, Figura 4 arată că valorile sunt similare. Diferența cea mai relevantă cu Yeh și Bai și Rinprasertmeechai și colab. a fost prezența O2 în fluxul de gaz și cu Huertas și colab. a fost prezența H2S în fluxul de gaz. Pe lângă CO2, MEA poate absorbi H2S, SO2 și HCl . MEA este degradată de prezența O2, NO2, SO2, HCl și HF . Prin urmare, în determinarea capacității de absorbție a CO2 a MEA este important să se elimine interferența acestor specii.

Figura 4 arată, de asemenea, că capacitatea de absorbție a fost independentă de concentrația de CO2 în fază gazoasă. S-a constatat că această concluzie este adevărată atâta timp cât fluxul de gaz nu include componente sensibile la MEA, cum ar fi O2 și H2S.

s-ar putea argumenta că creșterea capacității de absorbție a MEA la concentrații scăzute se datorează contribuției capacității de absorbție a CO2 a apei. Prin urmare, a fost efectuat un set de experimente pentru a determina capacitatea de absorbție a CO2 a apei pure. Folosind metodologia actuală, s-a constatat că apa a absorbit 0,3 g CO2/kg H2O, o cantitate neglijabilă în comparație cu variațiile capacității de absorbție a CO2 observate în soluțiile apoase de MEA. Deoarece apa este capabilă doar de absorbția fizică a CO2, această măsurare a fost comparată cu valoarea obținută din Constanta legii lui Henry. Pentru condițiile în care a fost efectuat experimentul, constanta lui Henry este de 144 MPa, iar capacitatea de absorbție a CO2 a apei în condiții standard este 0.375 g CO2 / kg H2O. acest Acord demonstrează capacitatea metodei propuse de a măsura atât absorbția chimică, cât și cea fizică.

3.2. Caracterizarea procesului de saturație

Figura 3 indică faptul că profilurile de concentrație de CO2 de ieșire în timpul testelor de barbotare au prezentat o formă sigmoidală și ar putea fi montate la următoarea ecuație: unde este factorul de eficiență, este factorul de formă, este timpul și și sunt indicii care indică începutul și sfârșitul procesului de saturație. și poate fi obținut prin montarea curbei liniare atunci când (6) se exprimă după cum urmează:Coeficienții de corelație obținuți din potrivirile curbelor pentru toate cazurile au fost aproape unity (), indicând faptul că datele experimentale se potrivesc bine cu (6). Acest lucru demonstrează că procesul de saturație a fost bine reprezentat de și și acești doi parametri caracterizează în mod unic capacitatea de absorbție a solventului.

Figura 5 conține parcele ale rezultatelor pentru și . Se poate observa că forma factorului și factorul de eficiență nu au fost dependente de concentrare ( și .

(a)

(b)

(a)
(b)

Figura 5

rezultatele ajustării curbei concentrației de CO2 la (6). Factorul de eficiență () este reprezentat grafic în stânga și factorul de formă () este reprezentat grafic în dreapta în funcție de concentrația mea apoasă. Linia orizontală albastră indică valoarea medie corespunzătoare.

acești factori pot fi utilizați pentru a estima capacitatea de absorbție a CO2 a MEA la orice concentrație apoasă, pentru a compara diferiți solvenți și pentru a determina timpul de saturație în timpul testului de barbotare.

3.3. Analiza sensibilității

conform (5), este o funcție a presiunii, temperaturii, concentrației de CO2 în fază gazoasă, debitului volumetric și timpului de saturație. Aplicând ecuația compoziției erorilor [(8), unde este valoarea absolută a derivatei parțiale a cu privire la fiecare variabilă independentă] la (5) și luând în considerare precizia instrumentelor specificate în tabelul 1 () și intervalul valorilor măsurate în mod tipic de fiecare variabilă (specificat și în tabelul 1), incertitudinea valorilor obținute pentru () este mai mică de 1% din valorile raportate. Concentrația de CO2 și debitul volumetric au avut cel mai mare efect asupra determinării capacității de absorbție și ar trebui acordată o atenție deosebită acurateței și preciziei instrumentelor utilizate pentru monitorizarea acestor două variabile. Tabelul 1 include contribuția procentuală aproximativă a fiecărei variabile la incertitudinea totală a valorilor obținute pentru utilizarea testului de barbotare. Luați în considerare

4. Concluzii

se descrie o încercare standard pentru determinarea capacității de absorbție fizică și chimică a componentelor în fază gazoasă prin absorbanți de fază lichidă. Se compune dintr-un aparat cu bule de gaz în care fluxul de gaz este barbotat într-o cantitate fixă de absorbant în condiții standard. Analiza sensibilității a indicat că compoziția gazului și debitul volumetric sunt variabilele cu cel mai mare efect asupra determinării capacității de absorbție și ar trebui acordată o atenție deosebită acurateței și preciziei instrumentelor utilizate pentru monitorizarea acestora.

această metodă a fost aplicată pentru a determina capacitatea de absorbție a CO2 a MEA () la mai multe niveluri apoase de concentrație a MEA () și concentrații gazoase de CO2. S-a constatat că se apropie de capacitatea nominală de absorbție a CO2 (720 g CO2/kg MEA) la foarte scăzut , crescând de la g CO2/kg MEA când a fost redus de la 30 la 2,5% (g/g). Aceste rezultate sunt de acord cu valorile raportate în studiile anterioare. Așa cum era de așteptat, capacitatea de absorbție a CO2 a MEA nu a depins de concentrația de CO2 din fluxul de gaz de intrare, atâta timp cât fluxul de gaz nu a inclus alte componente care ar putea reacționa cu Amina, cum ar fi H2S sau O2.

în timpul testelor de barbotare, profilurile de concentrație de CO2 de ieșire au prezentat o formă sigmoidală care ar putea fi descrisă printr-o ecuație exponențială care conține un factor de eficiență () și un factor de formă (). Analizele statistice bazate pe analiza corelației au relevat că în toate cazurile datele experimentale se potrivesc bine cu acea ecuație atunci când a fost 6.1 0.35 și a fost și, prin urmare, acești doi parametri caracterizează capacitatea de absorbție a CO2 a MEA în condiții standard.

simboluri

Conflict de interese

autorii declară că nu există conflict de interese în ceea ce privește publicarea acestei lucrări.

mulțumiri

acest proiect a fost finanțat parțial de Consiliul Național și Imobiliar Mexican de știință și Tehnologie (CONACYT și COMECYT), compania Mopesa A M. Autorii își exprimă, de asemenea, recunoștința pentru contribuțiile la această lucrare ale inginerilor Maryin Rache și Johana Diez de la Universitatea Națională din Columbia.