Carbon dioxide removal processes by alkanolamines in aqueous organic solvents Hamborg, Espen Steinseth

Transcriptie

1 University of Groningen Carbon dioxide removal processes by alkanolamines in aqueous organic solvents Hamborg, Espen Steinseth IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below. Document Version Publisher's PDF, also known as Version of record Publication date: 2011 Link to publication in University of Groningen/UMCG research database Citation for published version (APA): Hamborg, E. S. (2011). Carbon dioxide removal processes by alkanolamines in aqueous organic solvents s.n. Copyright Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons). Take-down policy If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim. Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum. Download date:

2 Samenvatting Het verwijderen van zure gassen, zoals koolstofdioxide (CO 2 ), waterstofsulfide (H 2 S), zwaveldioxide (SO 2 ), carbonylsulfide (COS), koolstofdisulfide (CS 2 ) en mercaptanen uit aardgas, waterstofgas en andere gasstromen, wordt sinds 1930 via absorptie toegepast. [1, 2] De basis van dit proces, waarbij het zure gas in een waterige oplossing met een (alkanol)amine wordt geabsorbeerd, is in 1930 gepatenteerd door Bottoms [3]. De fundamentele beginsels van dit proces zijn vergelijkbaar met het huidige proces gebruikt voor de verwijdering van zure gassen; het onbehandelde gas wordt in de bodem van de absorptiekolom ingevoerd, waar het bij omgevingstemperatuur in contact wordt gebracht met de absorptievloeistof. In de absorptiekolom stroomt de vloeistof van de top naar beneden waar het de opstijgende CO 2 absorbeert via een chemische reactie. Hierna verlaat de verzadigde vloeistof de kolom via de bodem. Het behandelde gas, dat de top van de kolom verlaat, kan voor verschillende doeleinden worden gebruikt of geëmitteerd worden naar de omgeving. De verzadigde vloeistof wordt in een warmtewisselaar verwarmd, voordat de vloeistof naar de top van de regeneratiekolom wordt geleid. De (alkanol)amine wordt in de regeneratiekolom verder verwarmd met stoom tot 100 a 120 C waar het zure gas uit de vloeistof wordt gestript en samen met gevormd waterdamp de kolom in de top verlaat. Aanwezig waterdamp wordt in de condensor boven de kolom gecondenseerd, zodat een zuiver zuur gas wordt geproduceerd voor geologische sequestratie of andere toepassingen. De geregenereerde absorptievloeistof wordt naar de top van de absorptiekolom gestuurd via de warmtewisselaar en een koeler om omgevingstemperatuur te bereiken. Het bovengenoemde proces wordt sinds 1930 gebruikt voor de verwijdering van zure gassen uit middel hoge druk tot hoge druk gasstromen om een gewenste (markt) gassamenstelling van de behandelde stroom te verkrijgen. De behandelde gasstroom kan in een ander proces worden gebruikt of kan, in het geval van aardgas, worden toegepast voor de productie van energie. Het verwijderde zure gas wordt gebruikt voor andere (commerciële) doeleinden, geëmitteerd, of opgeslagen als vast afval. Een voorbeeld van commercieel gebruik van een verwijderd zuur gas is het gebruik van CO 2, verwijderd uit aardgas, voor verbeterde olie-extractie. CO 2 wordt in dit scenario gebruikt om de druk in het oliereservoir te behouden voor langdurige ruwe olie-extractie. [1] Door het verhoogde bewustzijn rond de gevolgen van CO 2 emissies naar de atmosfeer, heeft het verwijderen van CO 2 uit lage druk gasstromen de laatste jaren meer aandacht gekregen. [4] Het concept van het verwijderen van CO 2 uit lage druk gasstromen, d.w.z. rookgassen, werd voor het eerst rond 1990 geëvalueerd. [5,6] Dit geldt specifiek voor het verwijderen van CO 2 uit rookgassen van energiecentrales waar fossiele brandstoffen worden verbrand. Triethanolamine (TEA) was de eerste commercieel beschikbare alkanolamine en werd als absorptievloeistof in de eerste zure gas behandelingsinstallaties gebruikt. Vanwege de lage capaciteit, reactiviteit en slechte stabiliteit is TEA grotendeels vervangen xi

3 door monoethanolamine (MEA), diethanolamine (DEA), methyldiethanolamine (MDEA), diisopropanolamine (DIPA), en piperazine (PZ), mede als gevolg van commerciële belangen. Industriële processen zijn in het verleden met succes ontwikkeld waarbij de absorptievloeistof gebaseerd is op (mengsels van) bovengenoemde (alkanol)amines. [1] In het huidige werk zijn experimenten uitgevoerd om fundamentele kennis te ontwikkelen en te begrijpen betreffende; (1) een CO 2 verwijderingsproces dat gebaseerd is op alkanolamines opgelost in waterige organische vloeistoffen, en (2) gas-vloeistof desorptieprocessen. De zuurconstanten van geprotoneerd 2-amino-2-ethyl-1,3-propaandiol (AEPD), 2-amino-2- methyl-1-propanol (AMP), diethylmonoethanolamine (DEMEA), DIPA, dimethylmonoethanolamine (DMMEA), MDEA, MEA, 1-amino-2-propanol (MIPA), methylmonoethanolamine (MMEA), TEA, de eerste en tweede zuurconstant van PZ en hydroxyethylpiperazine (HEPZ), de tweede zuurconstante van β-alanine, taurine, sarcosine, 6-aminohexaanzuur, DL-methionine, glycine, L-phenylalanine, L-proline en de derde zuurconstante van L-glutaminezuur en L- asparaginezuur zijn bepaald door elektromotorische kracht metingen van 293 tot 353 K. De zuurconstanten van geprotoneerd triethylamine (TREA) zijn met dezelfde techniek van 293 tot 333 K bepaald. De zuurconstanten van geprotoneerd MEA en MDEA zijn bovendien in methanol-water, ethanol-water en t-butanol-water mengsels met dezelfde techniek bepaald. Alcohol molfracties variëren tussen 0.2 en 0.95 en temperaturen variëren van 283 tot 323 K, 283 tot 333 K en K betreffende de verschillende oplosmiddelen. De experimenteel bepaalde resultaten, tezamen met thermodynamische eigenschappen onder standaardomstandigheden, zijn gerapporteerd en vergeleken met beschikbare waarden uit de literatuur. De bovengenoemde zuurconstanten en thermodynamische eigenschappen geven informatie over het gebruik van deze componenten en absorptievloeistoffen voor het verwijderen van zure gassen. Stofoverdrachtscoëfficiënten in de vloeistoffase zijn experimenteel bepaald in een gecontroleerde omgeving in een geroerde batch reactor bij verschillende procescondities voor absorptie- en desorptieprocessen. Bij dezelfde procescondities zijn de stofoverdrachtscoëfficiënten voor absorptie- en desorptieprocessen gelijk binnen de gerapporteerde experimentele onzekerheid. De stofoverdrachtscoëfficiënten voor desorptieprocessen zijn, net zoals stofoverdrachtscoëfficiënten voor absorptieprocessen, afhankelijk van de fysisch-chemische en dynamische eigenschappen van het systeem, en zijn aldus via de Sherwood, Reynolds en Schmidt kentallen gerelateerd. Stofoverdrachtscoëfficiënten voor desorptieprocessen kunnen verder, op dezelfde manier als stofoverdrachtscoëfficiënten voor absorptieprocessen, met de welbekende film theorie, penetratie theorie, surface renewal theorie, enzovoorts worden beschreven. Chemische versnellingsfactoren zijn experimenteel bepaald in een gecontroleerde omgeving in een geroerde batch reactor voor absorptie- en desorptieprocessen in waterige 2.0 M MDEA oplossingen bij temperaturen van , , en K en CO 2 beladingsgraden van 0 tot 0.8. Bij dezelfde operationele omstandigheden zijn de chemische versnellingsfactoren voor absorptie- en desorptieprocessen gelijk binnen de gerapporteerde experimentele onzekerheid. Reactiesnelheidsconstanten zijn experimenteel bepaald voor CO 2 absorptie- en desorptieprocessen in waterige 2.0 M MDEA oplossingen bij temperaturen van , , en K en CO 2 beladingsgraden van 0 tot 0.8. De bepaalde reactiesnelheidsconstanten zijn gebaseerd op resultaten van experimenteel werk in een gecontroleerde omgeving in een geroerde batch reactor. Binnen toegepaste experimentele condities wordt aangetoond dat; (1) de waarden van de reactiesnelheidsconstanten voor absorptie- en desorptieprocessen, berekend door een analytische vergelijking die op de Higbie penetratie theorie gebaseerd is, binnen 25 % nauwkeurigheid liggen van de waarden numeriek berekend via een systeem van partiële differentiaalvergelijkingen die op de Higbie penetratie theorie gebaseerd is. De analytische vergelijkingen zijn gebaseerd op reversibele eindige reacties in oplossingen met verschillende CO 2 beladingsgraden en diffusiviteiten, en (2) de orde van de absorptiereactie in oplossingen met verschillende CO 2 beladingsgraden is bijna een, en in overeenstemming met het voorgestelde

4 reactiemechanisme. Arrhenius vergelijkingen, ontwikkeld voor reactiesnelheidsconstanten voor absorptieprocessen, zijn gemodificeerd om de reactiesnelheidsconstanten voor desorptieprocessen voldoende te kunnen beschrijven. Deze types van vergelijkingen vormden zo een instrument voor de correlatie en de voorspelling van reactiesnelheidsconstanten voor engineering doeleinden. De experimenteel bepaalde reactiesnelheidsconstanten voor absorptie- en desorptieprocessen houden verband met temperatuurafhankelijke chemische evenwichtsconstanten. Op basis van bovengenoemde resultaten zijn procesconcepten, gebaseerd op alkanolamines opgelost in waterige organische vloeistoffen, in de Procede Process Simulator geëvalueerd. MDEA, methanol en ethanol zijn uitgekozen als respectievelijk de alkanolamine en organische vloeistoffen, en enkele additionele experimentele waarden van CO 2 gas-vloeistof evenwichten in 3kmol m 3 MDEA in methanol-water en ethanol-water mengsels zijn bepaald. De beschikbare experimentele waarden zijn in de Procede Process Simulator geïmplementeerd, welke gebruikt is voor simulaties van CO 2 verwijderingsprocessen gebaseerd op 90 % CO 2 verwijdering uit rookgassen van een 827 MWe kolencentrale. 3 kmol m 3 MDEA in waterige methanol mengsels is als absorptievloeistof beschouwd voor een conceptstudie. De simulatieresultaten tonen een maximale vermindering aan in het energieverbruik van de reboiler van ongeveer 7.5 % bij methanolfracties van ongeveer 0.06 vergeleken met alkanolamines in zuiver water, en afnemende temperaturen in de regenerator bij toenemende methanolfracties. Extra experimentele resultaten zijn echter nog benodigd om CO 2 verwijderingsprocessen, gebaseerd op alkanolamines opgelost in waterige organische vloeistoffen, nauwkeuriger te simuleren.

5