Co-adsorption of H2O and CO2 at amine-based sorbents

Abstract

Die Machbarkeit und Effizienz von nachgeschalteter CO2-Abtrennung (Post-combustion CO2 capture) hängen wesentlich vom Energiebedarf während des Abscheideprozesses ab. Anlagen, die entsprechend dem Stand der Technik gebaut werden, verwenden derzeit wässrige Aminlösungen, um CO2 in Absorberkolonnen abzuscheiden. Ein neuer Ansatz verwendet zur Abscheidung feste Aminsorbentien in einem kontinuierlich arbeitenden TSA-Prozess. Der Nachteil von Absorbern ist der hohe Energiebedarf für die Regeneration des Lösungsmittels und die durch die wässrigen Lösungen hervorgerufene Korrosion der Anlagenteile. Im Rahmen dieser Arbeit wird Lewatit VP OC 1065 als Adsorbens für die Adsorption von H2O und CO2 verwendet. Gleichgewichtskurven werden für H2O, CO2 und für Mischungen beider Gase bestimmt. Die Untersuchung der CO2-Adsorption unter dem Einfluss von Wasser ist eines der Hauptziele dieser Arbeit. Diese Gleichgewichtsmessungen wurden mit einem Macro-Scale TGA-Reaktor mit einer Probenmasse von 100 g durchgeführt. Das Adsorptionsgleichgewicht von CO2 wird mit dem bekannten Modell von Langmuir und dem Modell von Toth, einer Weiterentwicklung des Langmuir-Modells, beschrieben. Die Verarbeitung der Daten hat eine Adsorptionsenthalpie von 88900 J/mol für das Toth-Modell und 56140 J/mol für das Langmuir-Modell ergeben. Beide Modelle liefern eine gute Approximation der gemessenen Daten und stimmen mit Werten aus der Literatur überein. Lewatit VP OC 1065 hat eine große Kapazität für die Adsorption von H2O. Die Gleichgewichtsbeladung bei einer relativen Feuchte von 88% beträgt 12,8 mol_H2O/kg_Adsorbens. Dies ist der höchste Wert, welcher in den Versuchen erzielt wurde. Zwei mathematische Modelle (eine Potenzfunktion und eine Exponentialfunktion) werden aufgestellt, um den mathematischen Zusammenhang zwischen der relativen Feuchte und der Beladung zu beschreiben. Bei Experimenten mit beiden Komponenten zeigt sich eine Verbesserung der CO2-Adsorption mit Wasser. Es stellte sich heraus, dass der Zusammenhang zwischen der CO2-Aufnahme und der relativen Feuchte des Gasstroms einem linearen Verlauf folgt. Der Aufbau des Macro-Scale TGA-Reaktors verursachte Probleme bei der Gewichtsmessung wegen einer mechanischen Kopplung zwischen dem Messsystem und der Verrohrung dieser Versuchsanlage. Um die Messgenauigkeit und -geschwindigkeit zu erhöhen, wurde ein Wirbelschicht-TGA-Reaktor geplant und gebaut. Bei der Planung dieses Reaktors wurden mechanische Koppelungen auf ein Minimum reduziert. Im Anschluss an den Bau des Reaktors wurde ein Kaltmodell-Versuch durchgeführt, um die Druckverteilung im Reaktor zu bestimmen. Ein Trocknungsexperiment mit feuchtem Quarzsand wurde durchgeführt, um das Messprinzip dieser Anlage zu verifizieren.

The efficiency and feasibility of post-combustion CO2 capture mainly depend on the energy demand of the capturing process. While state-of-the-art post-combustion CO2 capture facilities use aqueous amine solutions in absorber columns, a new approach uses supported amine sorbents in a continuously operating temperature swing adsorption process. This new concept is expected to solve problems of aqueous amine solutions, such as high energy demand for solvent regeneration and corrosion. In this work, Lewatit VP OC 1065 is used as an adsorbent for the adsorption of H2O and CO2. Equlibrium curves are measured for H2O, CO2 and for compositions of both gases. The main research goal is the investigation of the promotion of CO2 adsorption by H2O. Equilibrium measurements were carried out with macro-scale thermogravimetric analyzer (TGA) with a sample mass of approximately 100 g. The adsorption equilibrium of CO2 is described using the well-known Langmuir model and the Toth model, which is a more complex further development of the Langmuir model. The data analysis yields an adsorption enthalpy of 88900 J/mol with the Toth model and 56140 J/mol with the Langmuir model. Both models are in good agreement with the obtained experimental data and with data from the literature. Lewatit VP OC 1065 also has a high capacity for the adsorption of H2O. The equilibrium sorbent loading is 12.8 mol_H2O/kg_Sorbent at a relative humidity of 88 %, which is the highest value obtained in the experiments. Two mathematical models (a power function and an exponential function) are used to describe the mathematical relation between the relative humidity and the sorbent loading. Combined experiments with both components show a promotion of CO2 adsorption during the presence of H2O. The functional relationship between the CO2 uptake of the sorbent and the relative humidity of the gas stream turns out to be linear. The macro-scale TGA reactor design caused problems because of mechanical couplings between the measuring system and the piping of this experimental plant. In order to increase measuring accuracy and the speed of measurements, a fluidized bed TGA-reactor was designed and constructed in the frame of this work. In the designing process the potential for mechanical couplings between the reactor and the surrounding apparatus was reduced to a minimum. Following the construction of the fluidized bed reactor, a cold-flow experiment was carried out to measure the pressure distribution inside the reactor. A drying experiment using moist silica sand was done to prove the measuring principle of the new reactor design.