Experimental assessment of properties for a non-aqueous and precipitating alkanolamine absorption system

Abstract

With increasing atmospheric carbon dioxide (CO2) concentrations, energy efficient carbon capture and storage (CCS) technologies could prove important to enable reductions in the global CO2 emissions. The aim was to investigate a novel, non-aqueous, and precipitating chemical absorption system of dimethyl sulfoxide (DMSO) and 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP), which forms solid carbamate salt crystals with CO2. Four properties of mixtures of water, AMP, and DMSO, with or without CO2, were evaluated experimentally. The four properties were the settling velocities, the freezing temperatures, the densities, and the viscosities.
Higher settling velocities being registered at higher temperatures and for mixtures with larger particles. It was shown that the freezing temperatures of mixtures of water, AMP, and DMSO, both with or without CO2, were lower than the freezing temperature of pure DMSO or AMP. Another finding was that when the water content increased, the freezing temperature decreased.
The effect of the temperature, the CO2-loading, and the AMP- and water concentration, on the density and viscosity of the liquid mixtures, were also investigated. The results showed that if the weight percentage of AMP or if the temperature is increased, the density decreased, while the opposite was shown for increasing water content and amounts of absorbed CO2. Furthermore, the experimentally derived densities for CO2-loaded mixtures could be well estimated, although slightly underestimated, from experimental values for unloaded mixtures. The viscosity was increased at higher CO2-loadings, higher water concentration, but also when the AMP concentration increased. Higher temperatures led to lower viscosities of unloaded liquid mixtures. Although less reliable, the results indicate that for the mixtures with high CO2-loadings and high AMP concentration, much higher viscosities can be expected.

Abstract (Swedish)

Med ökande koncentrationer av koldioxid (CO2) i atmosfären kan energieffektiva tekniker för koldioxidinfångning (CCS) bli viktiga för att växthusgasutsläppen ska minska. Rapportens syfte har varit att experimentellt bestämma och utvärdera fyra egenskaper hos lösningar av vatten, dimetylsulfoxid (DMSO) och aminoalkoholen 2-amino-2-metyl-1-propanol (AMP) som ska användas i en pilotanläggning. Vid infångningen av koldioxid reagerar den med AMP och bildar ett fast salt. Sedimenteringshastigheten hos saltpartiklarna studerades, och resultaten visade att större partiklar och högre temperatur ökar sedimenteringshastigheten. Det har även visats genom resultaten att frystemperaturen för blandningar av vatten, AMP, DMSO, och CO2 minskar med högre vattenhalt. Även om bara AMP och DMSO blandas så har blandningen en lägre frystemperatur än de enskilda ämnena, även om koldioxid löst sig i blandningen.
Fyra parametrars påverkan på blandningarnas densitet och viskositet, som är viktiga att veta för beräkningar och för att förutsäga absorptionsegenskaper, studerades. De fyra parametrarna var: mängden absorberad CO2, blandningens andel vatten respektive AMP, och temperaturen. Resultaten visar att när andelen AMP i blandningen eller temperaturen ökar så minskar densiteten. Däremot så ökar densiteten om andelen vatten eller mängden absorberad CO2 ökar. Det togs fram en beräkningssätt att uppskatta densiteten för blandningar med CO2 utifrån de experimentella värdena för blandningar utan CO2. Uppskattningen blir god, men det experimentellt uppmätta värdet överstiger det uppskattade värdet. Viskositeten ökade när mängden absorberad koldioxid, andelen vatten, eller andelen AMP ökade. Den minskade däremot med ökande temperatur. Trots att få säkra resultat erhölls för blandningar med hög andel AMP och mycket absorberad CO2 så kunde det ses att mycket högre viskositeter kunde fås vid denna kombinationen av parametrar.

Popular Abstract (Swedish)

Effekterna av den globala uppvärmningen har skrämmande nog redan börjat bli synliga. Torka och extremväder lär också hända oftare om utsläppen av växthusgaser, främst CO2, inte drastiskt minskar under de kommande åren. Som ett sätt att lösa klimatkrisen finns förslaget att kemiskt fånga in och lagra CO2 från fabriker innan den släpps ut till atmosfären. Olika egenskaper hos en ny teknik, där CO2 vid infångning bildar ett salt, har därför undersökts som ett första steg i att rulla ut en energisnål lösning till den svenska industrin.

Idag är en av de mest beprövade bästa teknikerna för att fånga in CO2 att låta gasen komma i kontakt, och reagera, med en vattenlösning av en aminoalkohol som kallas MEA. Tekniken har funnits sedan 1930-talet men än så länge finns det ingen fullskalig, kommersiell koldioxidinfångningsanläggning i Sverige! Anledningen är att tekniken är väldigt energikrävande. För ett kraftvärmeverk skulle energibehovet uppgå till hela 20 till 30 % av den producerade energin. Ett av de mest energikrävande stegen kommer efter infångningen, där man vill att CO2 ska släppa från vattenlösningen med MEA så att en koncentrerad CO2-gasström bildas. Oftast görs detta genom uppvärmning till 120 °C med ånga. Samtidigt återskapas vattenlösningen med MEA, som kan återanvändas för att fånga in mer CO2. Den koncentrerade CO2-gasen man får ut kan lagras underjordiskt under en lång tid, så att den inte når ut till atmosfären. En ny, liknande teknik har tagits fram i Lund. En annan aminoalkohol, AMP, används istället för MEA och vattnet har bytts ut mot det organiska lösningsmedlet DMSO. Vid infångningen bildar CO2 tillsammans med AMP ett vitt, fast salt, vilket utnyttjas i ett extra steg innan det att CO2 återfås som gas. I det extra steget avskiljs så mycket vätska som möjligt från saltet, vilket gör att mindre volymer behöver uppvärmas i steget då CO2 släpps och koncentreras. I kombination med att CO2 kan återfås vid lägre temperaturer med den nya blandningen, finns det också god potential för att tekniken blir energisnål!
Men för att kunna använda tekniken på faktiska fabriker krävs det mer kunskap om den nya blandningen! Arbetet har visat att avskiljning av stora vätskemängder från saltet kan uppnås genom sedimentering, en process där saltpartiklarna sjunker ner genom vätskan i en behållare, så att de därmed koncentreras i dess botten. Det har visat sig att när temperaturen på blandningen stiger så ökar hastigheten för sedimenteringen. En annan egenskap som studerats är när blandningen fryser. Detta är viktigt att veta för att man ska kunna lagra kemikalierna rätt och för att man ska kunna undvika problem med att vätskan fryser i rören på fabriken. Används DMSO eller AMP var för sig, fryser de redan runt 20 °C. Ett intressant resultat är därför att när de blandas så sjunker frystemperaturen avsevärt. Tillsätts dessutom en liten mängd vatten till blandningen så sjunker frystemperaturen ner tull hela –20 °C! Blandningens densitet är högre än vattens, och den är också mer trögflytande. Resultaten visar att när CO2 fångas in så blir blandningens densitet ännu högre, och den blir även mer trögflytande, vilket också händer om temperaturen på blandningen sänks. Om man ökar andelen AMP i blandningen minskar däremot densiteten, men blandningen blir samtidigt mer trögflytande. En spännande observation har även varit att för blandningar med lika stora mängder AMP och DMSO gick konsistensen från att vara flytande till att bli mer som majonnäs, allt eftersom mer och mer CO2 fångades in.

• author: Robertsson, Erik
• supervisor: Helena Svensson; Hanna Karlsson
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: KETM05 20221
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: AMP, DMSO, CCS, BE-CCS, Viscosity, Density, Freezing Temperature, Chemical Engineering
• language: English
• id: 9092687
• date added to LUP: 2022-06-23 13:32:41
• date last changed: 2022-06-23 13:32:41