Simulation of CO2 absorption using system K2CO3-piperazine

Abstract

Die Entfernung von CO2 aus Gasströmen unter Einsatz verschiedener Lösungsmittel ist eine verbreitete Technik. Allerdings können zur Absorption in kleinerem Maßstab, z.B. bei der Aufbereitung von Biogas, Lösungsmittel wie sie in großen Anlagen Verwendung finden nur schwer eingesetzt werden. Neben der Druckwasserwäsche wird dazu in der Literatur die Absorption in wässriger K2CO3-Lösung und mit Piperazin (PZ) als Aktivator versetzter K2CO3-Lösung vorgeschlagen. Ziel dieser Arbeit ist es, ein Gleichgewichtsmodell zur Berechnung der CO2 Absorption in wässriger PZ/K2CO3-Lösung in der kommerziellen Simulationsoftware Aspen Plus® zu entwickeln. Das Modell berechnet die CO2-Löslichkeit basierend auf dem Henry-schen Gesetz unter Berücksichtigung der im System stattfindenden Elektrolytgleichgewichte. Die Berechnung der Aktivitätskoeffiezienten im System erfolgt über das ENRTL-Modell. Das entwickelte Modell wurde mittels Literaturdaten zur Gaslösigkeit sowie Daten aus eigenen experimentellen Untersuchungen im System K2CO3/CO2 validiert. Zusätzlich wurde für das System PZ/CO2 eine Betrachtung der Dissoziation der involvierten Komponenten vorgenommen. Die CO2-Löslichkeit wurde für die einzelnen Lösungsmittel und die Lösungsmittelkombination studiert. Die maximale Beladung der untersuchten Lösungsmittel bei verschidenen Prozessbedingungen wurde verglichen und der Einfluss der Zugabe von Piperazin auf die Kapazität von wässriger K2CO3-Lösung berechnet. Schließlich wurde ein Vergleich mit der CO2-Löslichkeit in Wasser angestellt. Die durchgeführten Gleichwichtsstudien geben Einsicht in das Verhalten der untersuchten Lösungsmittel bei der Absorption von CO2. Die erzielten Ergebnisse stellen die Basis für Stoffübergangsbetrachtungen in Aspen Plus® zur Auslegung von Absorptions- und Desorptionsprozessen dar.

Removal of CO2 from biogas from various gas streams employing different solvents is a widespread technique. However, for CO2 absorption in smaller scale, e.g. for biogas upgrading solvents applied in large scale facilities like MEA or comparable amines are not suitable. Besides pressurized water scrubbing, in literature aqueous solutions of K2CO3 and K2CO3 enhanced by piperazine (PZ) as an activator are suggested for this purpose. Goal of this work is the development of an equilibrium model for the calculation of CO2 absorption in aqueous K2CO3/PZ solutions in the commercial simulation environment Aspen Plus®. The model calculates CO2 absorption based on Henry-s law and ENRTL property method considering the involved electrolyte system to properly represent the component system CO2-K2CO3-PZ-H2O forming the basis for the simulation of absorption and desorption processes with equilibrium approach. The developed equilibrium model was validated with literature data as well as experimental results on K2CO3 solutions performed to close gaps in the available experimental data sets. Speciation of PZ system was studied to examine in detail the electrolyte system. CO2 solubility in K2CO3 and PZ solutions is studied individually and later on in a combination of both for their performance in CO2 absorption. Solvent comparisons were made to observe the maximum loadings achieved by each solvent as well as contribution provided by PZ addition to K2CO3. Finally the system was compared with CO2 absorption in water as pressurized water scrubbing is a widely used process for CO2 removal from biogas. Performed equilibrium studies give insight in the absorption behavior of CO2 in the combined solvent system PZ/K2CO3. The obtained results can form the basis for rate based absorption studies in Aspen Plus® and thus for a detailed design of the absorption and desorption steps in the biogas upgrading process with aqueous K2CO3-piperazine solutions.