Advanced

New technique for energy efficient CO2-separation through absorption with a sterically hindered amine

Johansson, Anton LU (2016) KET920 20161
Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
Abstract
The degree project described in this report also acts as a deliverable for a research project. The research project focuses on a new technique for the upgrading of biogas. This new technology uses a sterically hindered amine to absorb carbon dioxide from the biogas to raise its energy value. The amine used for this method is 2-amino-2-methyl-1-propanol or AMP. When absorb-ing carbon dioxide with this amine and with an organic solvent, the chemically formed com-plex forms precipitate. The precipitate can then be separated from the solvent to enable regen-eration of the precipitate only and not all of the solvent as the methods used today. This will lower the heating demand. This separation and regeneration is what separates this method from... (More)
The degree project described in this report also acts as a deliverable for a research project. The research project focuses on a new technique for the upgrading of biogas. This new technology uses a sterically hindered amine to absorb carbon dioxide from the biogas to raise its energy value. The amine used for this method is 2-amino-2-methyl-1-propanol or AMP. When absorb-ing carbon dioxide with this amine and with an organic solvent, the chemically formed com-plex forms precipitate. The precipitate can then be separated from the solvent to enable regen-eration of the precipitate only and not all of the solvent as the methods used today. This will lower the heating demand. This separation and regeneration is what separates this method from the commercially available. The steric hindrance of the AMP weakens the bond with the carbon dioxide. This weaker bond is what makes it a promising candidate, since there is a pos-sibility that the AMP carbamate can be regenerated using low grade heat at 70-90°C, which makes it possible to use warm water instead of steam.
The deliverable for the research project is to give a proof-of-concept. To do this, an experi-mental setup has been built.
The setup was run with live conditions with a 25 % CO2 gas inlet, to mimic raw biogas. The solvent consisted of 10 Vol% AMP and the rest 1-Methyl-2-Pyrrolidinone or NMP at a liquid flow of 20.2 l/hr. CO2 was absorbed and regeneration was possible at temperatures at and be-low 90°C. These results proved the concept.
More work is needed with the setup for future tests. The setup should be adapted with gauges for temperature measurements as well as flowmeters for the gas outlets. The rubber tubing needs to be replaced with more resistant tubing. Another separation unit needs to be found for better separation. More optimization of the conditions needs to be done for the setup to be run fully continuous. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
Ny, energieffektiv metod för uppgradering av biogas

Arbetet som beskrivs i denna artikel handlar om en ny, lovande metod för koldioxidavskiljning från rå biogas för att tillverka ren biogas som kan användas som bland annat fordonsbränsle. Den rena biogasen är ett miljövänligt alternativ som kan ersätta de nuvarande fossila bränslen som har en negativ påverkan på vår miljö. Den nya metoden testades i en experimentell uppställning med framgångsrika resultat.
De senaste decennierna har miljöfrågan lyfts och forskare börjar komma överens om att människan har en negativ inverkan på vår planet. Utsläppen av växthusgaser på grund av användandet av fossila bränslen har ökat avsevärt sedan industrialiseringen hade sin början. För att ändra på... (More)
Ny, energieffektiv metod för uppgradering av biogas

Arbetet som beskrivs i denna artikel handlar om en ny, lovande metod för koldioxidavskiljning från rå biogas för att tillverka ren biogas som kan användas som bland annat fordonsbränsle. Den rena biogasen är ett miljövänligt alternativ som kan ersätta de nuvarande fossila bränslen som har en negativ påverkan på vår miljö. Den nya metoden testades i en experimentell uppställning med framgångsrika resultat.
De senaste decennierna har miljöfrågan lyfts och forskare börjar komma överens om att människan har en negativ inverkan på vår planet. Utsläppen av växthusgaser på grund av användandet av fossila bränslen har ökat avsevärt sedan industrialiseringen hade sin början. För att ändra på den nu negativa trenden behövs det alternativ för att ersätta de fossila bränslena. Ett populärt alternativ är att ersätta dessa med ”gröna alternativ”, såsom biogas. Biogas tillverkas genom att organiskt material, som t.ex. matrester, slaktavfall eller jordbruksavfall, bryts ner av mikroorganismer. Resultatet av denna nedbrytning blir en gasblandning innehållande kolväten, oftast metan, samt koldioxid. Metan är den energirika komponenten i den råa biogasen, då den är brännbar. För att kunna tävla med fossila bränslen behövs det sätt att få bort koldioxiden ur den råa biogasen för att framställa ren biogas, som innehåller mer energi än den råa biogasen. Detta kallas uppgradering av biogas.
Metoden som beskrivs i denna artikel är en ny metod för just uppgradering av biogas, som använder sig av en amin som kan binda in koldioxid kemiskt och på så sätt separera denna från resterande biogas. Detta brukar kallas för kemiskt absorption och är en av de vanligaste kommersiella metoderna för uppgradering av biogas.
Det som skiljer den nya metoden från de nuvarande är själva aminen och dess egenskaper. Vid absorptionen bildas det kristaller, ungefär som salt, som fälls ut i vätskan. Denna utfällning av de fasta partiklarna gör det möjligt att separera dessa från lösningen. För att sedan få tillbaka aminen går det att värma kristallerna. Reaktionen som skedde tidigare går då tillbaka, vilket gör att aminen och koldioxiden separeras igen. Aminen kan återföras till systemet för att binda in mer koldioxid och koldioxiden kan hanteras på valfritt sätt. En annan egenskap som skiljer denna metod från den nuvarande är att själva värmningen kan ske vid lägre temperatur, 70-90°C jämför med 120-130°C. Detta gör metoden billigare, då det skulle vara möjligt att använda varmt vatten istället för ånga.
För att undersöka möjligheterna med denna nya metod har det i detta projekt byggts en experimentell uppställning på labbskala. Syftet med denna uppställning var att ge ett så kallat ”Proof-of-concept”, vilket i princip betyder att huruvida metoden fungerar eller inte ska undersökas. Uppställningen bestod av en absorptionskolonn för absorption av koldioxid, en separator för separation av kristallerna, en regenerator för värmning av kristallerna, pumpar för transport av aminen och lösningsmedlet, samt utrustning för tillflöde av gas.
När systemet provkördes med gas med en koldioxidhalt som motsvarar rå biogas, sågs tydliga tecken på att absorptionen var lyckad. Kristaller bildades i vätskan när koldioxiden absorberades och reagerade med aminen. Den tänkta separationen, som gick ut på att kristallerna som är tyngre än vätskan skulle falla till botten, gick inte som planerat. Kristallerna föll inte tillräckligt snabbt för att effektiv separation skulle ske. Å andra sidan fungerade värmningen som den skulle. Varmvatten med en temperatur på 85-90°C användes för att värma på lösningen innehållande kristallerna. Tydliga tecken på omvändande av reaktionen kunde ses, då bubblor bildades. Dessa bubblor var tecken på att koldioxid lämnade aminen. Med dessa resultat hade det bevisats att metoden skulle kunna användas som ett nytt, energieffektivt alternativ för uppgradering av biogas. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Johansson, Anton LU
supervisor
organization
course
KET920 20161
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Experimental Setup, AMP carbamate, NMP, AMP, Absorption, Sterically hindered amine, proof-of-concept, chemical engineering, kemiteknik
language
English
id
8883405
date added to LUP
2016-06-28 10:49:07
date last changed
2016-06-28 10:49:07
@misc{8883405,
  abstract     = {The degree project described in this report also acts as a deliverable for a research project. The research project focuses on a new technique for the upgrading of biogas. This new technology uses a sterically hindered amine to absorb carbon dioxide from the biogas to raise its energy value. The amine used for this method is 2-amino-2-methyl-1-propanol or AMP. When absorb-ing carbon dioxide with this amine and with an organic solvent, the chemically formed com-plex forms precipitate. The precipitate can then be separated from the solvent to enable regen-eration of the precipitate only and not all of the solvent as the methods used today. This will lower the heating demand. This separation and regeneration is what separates this method from the commercially available. The steric hindrance of the AMP weakens the bond with the carbon dioxide. This weaker bond is what makes it a promising candidate, since there is a pos-sibility that the AMP carbamate can be regenerated using low grade heat at 70-90°C, which makes it possible to use warm water instead of steam.
The deliverable for the research project is to give a proof-of-concept. To do this, an experi-mental setup has been built.
The setup was run with live conditions with a 25 % CO2 gas inlet, to mimic raw biogas. The solvent consisted of 10 Vol% AMP and the rest 1-Methyl-2-Pyrrolidinone or NMP at a liquid flow of 20.2 l/hr. CO2 was absorbed and regeneration was possible at temperatures at and be-low 90°C. These results proved the concept. 
More work is needed with the setup for future tests. The setup should be adapted with gauges for temperature measurements as well as flowmeters for the gas outlets. The rubber tubing needs to be replaced with more resistant tubing. Another separation unit needs to be found for better separation. More optimization of the conditions needs to be done for the setup to be run fully continuous.},
  author       = {Johansson, Anton},
  keyword      = {Experimental Setup,AMP carbamate,NMP,AMP,Absorption,Sterically hindered amine,proof-of-concept,chemical engineering,kemiteknik},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {New technique for energy efficient CO2-separation through absorption with a sterically hindered amine},
  year         = {2016},
}