Author(s):
Santos, Andreia Estrela dos
Date: 2012
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.21/2545
Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico de Lisboa
Subject(s): Absorção de CO2; Alcanolaminas; Carbonato de bário; Dimetilsulfóxido (DMSO); Dietanolamina (DEA); Etilenodiamina (EDA); 1.6-Hexanodiamina (HDA); Instalação-piloto; Monoetanolamina (MEA); N-metildietanolamina (MDEA); Piperazina anidra (PZ); Regeneração do solvente; Solubilidade do CO2; CO2 absorption; Alkanolamines; Barium Carbonate; Dimethylsulfoxide (DMSO); Diethanolamine (DEA); Ethylenediamine (EDA); 1.6-Hexanediamine (HDA); Pilot plant; Monoethanolamine (MEA); N-methyldiethanolamine (MDEA); Anhydrous Piperazine (PZ); Solvent regeneration; CO2.solubility
Description
Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química
A absorção química de dióxido de carbono (CO2) através de soluções aquosas de aminas tem sido estudada nos últimos anos devido à preocupação ambiental face ao aquecimento global. Nestes estudos, foram tidos como principais objectivos a realização de ensaios preliminares de absorção e desabsorção de CO2 em soluções aquosas de aminas bem como a construção de uma instalação piloto para a mesma finalidade. Inicialmente, a nível laboratorial, procedeu-se à absorção de CO2 através de soluções aquosas de aminas. As aminas utilizadas nestes estudos foram a monoetanolamina (MEA), etilenodiamina (EDA), 1,6- hexanodiamina (HDA) e piperazina anidra (PZ). A absorção de CO2 através destas aminas foi realizada experimentalmente às condições normais de pressão e temperatura. A concentração das soluções aquosas foi de 20% em massa de cada amina. Foram também realizados estudos de regeneração das soluções aquosas de aminas saturadas de CO2 em banho de glicerina, para determinar as condições de regeneração. Para além disso, observou-se o estado físico das aminas no estado puro até saturação com CO2 para garantir a não ocorrência de danos a nível de entupimento numa posterior utilização na instalação piloto. Por fim, voltaram-se a repetir todos estes ensaios experimentais utilizando-se, em vez da água destilada, um solvente polar aprótico, dimetilsulfóxido (DMSO). Numa segunda fase destes estudos, a absorção de CO2 através de soluções aquosas de aminas foi investigada experimentalmente numa instalação piloto. O objectivo era utilizar nesta fase do estudo as mesmas aminas utilizadas nos ensaios preliminares mas uma vez que não se dispunha das quantidades necessárias de aminas e para a sua aquisição teria que se despender bastante tempo e dinheiro, utilizaram-se duas soluções aquosas de alcanolaminas. As alcanolaminas utilizadas no presente estudo foram a amina secundária dietanolamina (DEA) e a amina terciária N-metildietanolamina (MDEA), duas aminas amplamente utilizadas nas indústrias químicas e petroquímicas para a purificação dos gases de combustão. A absorção de CO2 através destas duas alcanolaminas foi realizada experimentalmente às condições normais de pressão e temperatura. As concentrações das soluções aquosas foram de (10, 20 e 30) % em massa de MDEA e de DEA. O processo de adição de cloreto de bário (BaCl2.2H2O) às alcanolaminas ajuda à formação de carbonato de bário, quando o CO2 passa através da solução de alcanolamina. A quantidade de carbonato de bário formado foi utilizado para determinar a solubilidade do CO2 (mol CO2/mol alcanolamina). O principal desafio na captura de CO2 dos gases de combustão é o de reduzir o consumo de energia necessária para a regeneração do solvente. Deste modo, foram também realizados estudos de regeneração das soluções de alcanolaminas saturadas, para determinar as condições de regeneração. Os resultados obtidos, a nível laboratorial, revelaram que uma amina secundária (PZ) e uma amina primária de cadeia longa (HDA) são mais favoráveis ao processo de absorção e regeneração de CO2. No entanto, e devido a essa mesma estrutura molecular, necessitam de maiores valores de temperaturas para desabsorver o CO2. Garantiu-se poder trabalhar com as quatro aminas no estado puro em estudos futuros, na instalação piloto, garantindo que não ocorrerão danos a nível de entupimento. Relativamente ao solvente utilizado concluiu-se que um solvente polar aprótico não é um solvente favorável para estes estudos. Os resultados obtidos, na instalação piloto, revelaram que a amina terciária, MDEA, consegue absorver maiores quantidades de CO2 do que a amina secundária, EDA, bem como é a mais fácil de regenerar com menor perda de capacidade de absorção do que a EDA.
The chemical absorption of carbon dioxide (CO2) using aqueous solutions of amines has been studied in recent years due to environmental concerns over the global warming. In these studies we considered, as the main targets, preliminary tests on the absorption and desorption of CO2 in aqueous solutions of amines, as well as, the construction of a pilot plant for the same purpose. Initially, at laboratory scale, we proceeded to CO2 absorption by aqueous solutions of amines. The amines used in these studies were monoethanolamine (MEA), ethylenediamine (EDA), 1,6 - hexanediamine (HDA) and anhydrous piperazine (PZ). The absorption of CO2 by these amine solutions was performed experimentally assuming standard conditions for pressure and temperature. The concentration of the aqueous solutions was 20% by weight of each amine. Studies were also performed for regeneration of saturated aqueous solutions of amines and CO2 in glycerin bath, to determine the regeneration conditions. In addition, we looked into the physical state of the amines in the pure state until saturation with CO2 to ensure that no damage would occur, regarding blockage in the subsequent use in the pilot plant. Finally, these experimental trials were repeated using, instead of distilled water, an aprotic polar solvent, dimethylsulfoxide (DMSO). In a second stage of studies, the absorption of CO2 from aqueous solutions of amines was experimentally tested in a pilot plant. The purpose of these studies was to use the same amines used in the preliminary tests but since not had the required amounts of amines and their acquisition would have to spend significant time and money, it was used two aqueous solutions of alkanolamines. The alkanolamines used in this study were secondary amine diethanolamine (DEA) and the tertiary amine N-methyldiethanolamine (MDEA), two amine widely used in the chemical and petrochemical industries for the purification of flue gases. The CO2 absorption by these two alkanolamines was performed experimentally assuming standard conditions for pressure and temperature. The concentrations of the aqueous solutions were (10, 20 and 30) % by weight of MDEA and DEA. The process of adding barium chloride (BaCl2.2H2O) to the alkanolamines helps the formation of barium carbonate, when the CO2 passes through the alkanolamine solution. The amount of barium carbonate formed was used to determine the solubility of CO2 (mol CO2/mol alkanolamine). The main challenge in capturing CO2 from flue gas is to reduce the energy consumption needed to regenerate the solvent. Therefore, studies were also performed on the regeneration of saturated solutions of alkanolamines, to determine the regeneration conditions. The results obtained at laboratory scale revealed that a secondary amine (PZ) and a long chain primary amine (HDA) are more favorable to the process of absorption and regeneration of CO2. However, because of the same molecular structure, they require higher temperatures to desorb CO2. We worked with all four amines in pure state in further studies, in the pilot installation, ensuring that no damage will occur in terms of clogging. Regarding the solvent used, it was concluded that an aprotic polar solvent is not a favorable solvent for these studies. The obtained results, in the pilot plant, have shown that the tertiary amine, MDEA, can absorb greater amounts of CO2 than the secondary amine, EDA, and it is easier to regenerate at a lower loss of absorption capacity than the EDA.
