SlideShare a Scribd company logo
1 of 34
KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
POLITECHNIKA GDAŃSKA
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
Robert Aranowski
Czyste technologie węglowe i CCS – wychwytywanie i magazynowanie dwutlenku węgla
– zagrożenie czy szansa dla gmin i przedsiębiorstw w regionie łódzkim?
Łódź 26.11.2010
„SEPARACJA DWUTLENKU WĘGLA”
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Plan prezentacjiPlan prezentacji
• Wstęp
• Charakterystyka gazów zawierających CO2
• Metody wychwytu CO2
– Podział metod
– Wady i zalety
• Metody separacji CO2
– Podział metod
– Wady i zalety
• Metody membranowe
– Podział metod
– Wady i zalety
• Badania własne separacji CO2 z zastosowaniem SILM
• Podsumowanie
2
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Stężenie COStężenie CO22 w różnych rodzajach gazów spalinowychw różnych rodzajach gazów spalinowych
Rodzaj spalin Stężenie CO2 [% v/v]
Gazy spalinowe z elektrowni
- kotły węglowe 14
- kotły gazowe <8
- gaz ziemny w cyklu kombinowanym 4
- spalanie węglowo-tlenowe >80
Spaliny z pieców hutniczych
- przed spaleniem 20
- po spaleniu 27
Pozostałe
- gazy z wypalania cementu 4-23
- petrochemia i rafinerie 8
3
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Skład biogazu
Składnik I II II
Metan 60-65 % 45-50 % 45 – 80%
Dwutlenek węgla 34-38 % 35-45 % 35 – 55 %
Azot 0 % 4-16 % 0 %
Tlen 0 % 1-4 % 0 %
Para wodna 1-1,4 % 1-1,4 % 1-1,4 %
Związki siarki 200 mg/m3
150 mg/m3
20-200 mg/m3
Związki chloru 100 mg/m3
50 mg/m3
-
Związki fluoru 20 mg/m3
25 mg/m3
-
4
I - gaz wysypiskowy przy naturalnym wypływie gazu ze złoża
II - gaz wysypiskowy przy odsysaniu i dobrym uszczelnieniu hałdy
III - gaz pochodzący z metagenezy odpadów organicznych
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wychwytywanie COWychwytywanie CO22
5
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wychwyt COWychwyt CO22 ze spalinze spalin
6
SPALANIE
SEPARACJIA CO2
PALIWO
POWIETRZE
CO2
GAZY SPALINOWE
N2, O2, H2O
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
• Niskie stężenie CO2 w spalinach 5-16%
• Niskie ciśnienie spalin
• Spaliny zanieczyszczenie NOx, SOx, pyłami
• Obniżenie sprawności energetycznej
układu o 5,5-11%
Instalacja absorpcji CO2 dla kotła 500 MWe
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wychwyt COWychwyt CO22 przed procesem spalaniaprzed procesem spalania
7
ZGAZOWANIE
KONWERSJA CO
PALIWO
POWIETRZE
CO2
GAZY
H2
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
SPALANIE
POWIETRZE
H2O, N2
H2O
Obniżenie sprawności energetycznej układu
o 6-8% dla CO2 ciekłego i 4-5% dla CO2
gazowego
W przypadku konwersi CO z gazu
oczyszczonego sprawności energetycznej
układu obniża się o 7-10% dla CO2 ciekłego i
4-7% dla CO2 gazowego
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Technologia OxyfuelTechnologia Oxyfuel
8
SEPARACJA
SPALANIE
POWIETRZE
CO2
O2
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
SEPARACJA
N2
PALIWO
N2
• Wysokie stężenie CO2 w
spalinach do 80
• Znaczne zmniejszenie ilości
spalin do 40%
• Zmniejszenie komory
spalania i układu
oczyszczania gazów
• Podwyższenie temperatury
spalanie
• Zmniejszenie ilości
powstających NOx
• Wzrost sprawności kotła
• Obniżenie sprawności
energetycznej układu o 3,5-
9%
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Proces HydrocarbProces Hydrocarb
9
HYDROZGAZOWANIE
ROZKŁAD
/KONWERSJA CH4
GAZY
SYNTEZA METANOLU
PALIWO
KAMIEŃ WAPIENNY
WĘGIEL
H2
H2O POPIOŁY
CO, H2
• W przypadku
hydrozgazowania węgla
konieczne są duże ilości
wodoru
• Możliwość pozyskania
paliw płynnych
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Ogniwa paliwoweOgniwa paliwowe
10
REFORMING/
ZGAZOWANIE
SPALANIE
(OGNIWO PALIWOWE)
PALIWO
CO2
H2, CO
OSUSZANIE, SPRĘŻANIE,
TRANSPORT I
SKŁADOWANIE CO2
SEPARACJA
O2, (CO2)
CO,H2
O2, (CO2)
• Wysokotemperaturowe
• Tlenkowe SOFC
• Na stopionych węglanach MCFC
• Niskotemperaturowe
• Kwasowe PAFC
• Membranowe/polimerowe
PEMFC/PEFC
• Alkaiczne AFC
Obniżenie sprawności energetycznej układu
o 1,5-14,3% w przypadku spalanie węgla i o
1,0-2,4% w przypadku spalania gazu
ziemnego
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Technologie separacji COTechnologie separacji CO22
11
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody absorpcyjne, absorpcja chemiczna i fizycznaMetody absorpcyjne, absorpcja chemiczna i fizyczna
• Wodne roztwory amin
– Monoetanoloamina MEA
– Dietanoloamina DEA
– Diglikoloamina DGA
– Metyldietanoloamina MDEA
– Aminy z zawadą przestrzenną
• Węglan potasu lub sodu
• Wodny roztwór amoniaku
• Wodorotlenek sodu
12
ZALETY
•MEA uważana jest za najlepszą ciecz absorpcyjną
względem CO2 (98-99%),
• ma zdolność do absorbowania CO2 w warunkach
niskiego ciśnienia i zdolności do regeneracji
WADY
•MEA ulega procesom degradacji na drodze
redukcji z SOx , NOx i tlenem
•korozja w absorberach i regeneratorach
Absorpcja fizyczna
W metodzie tej wykorzystywane są organiczne i
nieorganiczne ciekłe sorbentu typu: metanol ( Rectisol),
glikol (Selexol), węglan propylenowy (Fluor), Sulfolan
(Sulfinol),
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody adsorpcyjneMetody adsorpcyjne
• Proces adsorpcji składa się z dwóch
cykli: adsorpcji i odzyskiwania CO2
(regeneracja adsorbentu )
– PSA, Pressure Swing Adsorption
– TSA, Temperature Swing Adsorption
– VPSA, Vacuum Pressure Swing Adsorption
– URPSA, Ultra-rapid Pressure Swing Adsorption
– ESA, Electric Swing Adsorption
• Adsorbenty stosowane w procesie
separacji CO2 to:
– Węgiel aktywny
– Zeolity naturalne i syntetyczne
– Żel krzemionkowy i glinowy
– Tlenek glinu aktywowany
13
ZALETY
•najbardziej korzystną techniką adsorpcyjną jest PSA, w
której w porównaniu do innych technik istnieje mniejsze
zapotrzebowanie na adsorbent uzyskuje się wysoką czystość
gazu przy niskim zapotrzebowaniu na energię
WADY
•istotny wpływ składników spalin (szczególnie H2O) w
prowadzeniu procesu
• mogą przeszkadzać ziarna pyłu zawarte w spalinach,
mogące dezaktywować miejsca adsorpcyjne
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Połączenie procesu adsorpcji i absorpcji chemicznejPołączenie procesu adsorpcji i absorpcji chemicznej
Połączeniem procesu adsorpcji i absorpcji chemicznej jest proces, w którym
CO2 jest chemicznie absorbowany przez węglan potasu, sodu osadzony na
węglu aktywnym, materiałach zeolitowych, w wyniku czego powstaje
wodorowęglan potasu, sodu
14
K2CO3 + CO2 + H2O → 2KHCO3
Na2CO3 + CO2 + H2O → 2 NaHCO3
Proces egzotermiczny
ΔH = -141,2 kJ/mol K2CO3
2KHCO3 → K2CO3 + CO2 + H2O
2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O
T> 150°C
Proces endotermiczny
ΔH = 141,2 kJ/mol K2CO3
proces można prowadzić
cyklicznie dzięki temu , iż węglan potasu,
sodu osadzony jest na porowatym nośniku
– węglu aktywnym, zeolicie
- uzyskuje się wysoką czystość CO2 >99%
- skuteczność odzysku CO2 -95%
Karbonizacja Regeneracja
SPALINY
GAZY
OCZYSZCZONE
CO2, H2O
GAZ INERTNY
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody kriogeniczneMetody kriogeniczne
Kriogeniczna separacja CO2ze strumieni
spalin kotłowych obejmuje wielofazowe
sprężanie i chłodzenie sprężanego gazu
do odpowiedniej temp. a następnie
wydzielanie CO2 w postaci ciekłe
Metodę zaleca się stosować, gdy stężenie
CO2 w spalinach kotłowych przekracza
20% obj.
15
Związek Tw [°C]
Dwutlenek węgla - 78 (sublimacja)
Metan -162
Tlen -183
Azot -196
Argon -186
ROZDZIELANIE
POWIETRZA
POWIETRZE
SPALANIE
SKRAPLANIE/
ROZDZILANIE CO2
CO2 do zagospodarowaniaN2
O2 SPALINY
GAZ OCZYSZCZONYGAZ ZAWRACANY
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody membranoweMetody membranowe
16
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metody membranoweMetody membranowe
17
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Zimmobilizowane membrany ciekłeZimmobilizowane membrany ciekłe
(Supported Ionic Liquids Membrane-SILM)(Supported Ionic Liquids Membrane-SILM)
18
SILM składają się z porowatego, polimerowego nośnika
wysycanego cieczą jonową stanowiącą tzw. fazę membranową.
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Rozkład wielkości porów nośnika
Polieterosulfon (PES)
Poliamid (nylon)
Polifluorek winylidenu (PVDF) Polipropylen (PP)
Średnia wielkość porów
0,2
Nośnik polimerowy Skrót Gęstość [kg/m3
]*
Grubość membrany
[µm]*
Polieterosulfon PES 1790 123
Poliamid Nylon 1130 110
Polipropylen PP 900 92
Polifluorek winylidenu PVDF 1370-1510 148
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Ciecze jonoweCiecze jonowe
Ciecz jonowa to związek chemiczny, organiczny składający się z kationu i
anionu. Sól ta charakteryzuje się temperaturą topnienia poniżej temperatury
wrzenia wody.
Możliwa liczba kombinacji kation–anion
1018
20
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Cechy cieczy jonowychCechy cieczy jonowych
• Ciekłe w temperaturze umiarkowanych (< 100°C)
• Rozpuszczają związki nieorganiczne i organiczne
• Stabilne termicznie – wysoka temperatura wrzenia
• Niska prężność par w temp. pok. (są niepalne)
• Mogą być hydrofobowe jak i hydrofilowe
• Zachowują aktywność enzymów i rozpuszczają je
• Zwilżają powierzchnię metali, polimerów i minerałów
• Wykazują działanie katalityczne
• Ekstrahują związki siarki z oleju napędowego
• Wykazują działanie smarujące
• Rozpuszczają celulozę i jej pochodne
• Przewodzą prąd
• Wykazują właściwości antyelektrostatyczne
• Wykazują aktywność wobec bakterii i grzybów
• Balsamują tkanki (zamiennik formaliny)
• Konserwują drewno i papier
21
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Temperatura topnienia soli imidazoliowychTemperatura topnienia soli imidazoliowych
[C2mim] [PF6];
[C2mim] [BF4];
[C2mim] [TfO];
[C2mim] [Tf2N]
22
Anion Temperatura topnienia [°C]
Cl 87
PF6 58–60
NO2 55
CH3CO2 45
NO3
38
CF3
CF2
CF2
CF2
SO3
28
CF3
CO2
14
CF3
SO3
9
BF4
6
(CF3
SO2
)2
N 4
N
N
CH3
C2H5+
A-
[C2mim] [A]
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Zalety cieczy jonowej jako absorbentaZalety cieczy jonowej jako absorbenta
• Temperaturę topnienia nie
przekracza 100°C
• Stosunkowo dobra stabilność
termiczna
• Posiadają dużą selektywność
(absorbują CO2 przy jednoczesnej
niewielkiej koabsorpcji innych
gazów)
• Praktycznie niemierzalna prężność
par (nie powodują wtórnego
zanieczyszczenia strumienia
oczyszczanego gazu)
23
Rozpuszczalnik Prężność par [hPa]*
Aceton 233
Metanol 128
Trichloroetylen 77
Heptan 48
Woda 23
Ciecze jonowe <0,1
* Merck KGaA. Germany.
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wady cieczy jonowej jako absorbentaWady cieczy jonowej jako absorbenta
• Ciecze jonowe są potencjalnym zagrożeniem dla środowiska
wodnego (kation imidazoliowy działa podobnie jak toluen i
dichlorometan)
• Spalanie cieczy jonowych generuje toksyczne gazy (F2 czy HF)
• Problem z otrzymaniem chemicznie czystej cieczy jonowej
(obecność soli, kolor, zapach)
• Problem z utylizacją zużytych cieczy jonowych
• Nieznana lub słabo znana toksyczność cieczy jonowych
• Wysoka lepkość, szczególnie dla podstawionych
długołańcuchowymi podstawnikami alitatycznymi
24
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Prężność cząstkowa COPrężność cząstkowa CO22, C, C22HH44, C, C22HH66, CH, CH44 i Oi O22 w zależności odw zależności od
stężenia w roztworze [BMIM][PFstężenia w roztworze [BMIM][PF66] w temperaturze 25°C*] w temperaturze 25°C*
25
0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25
0,0
3,0x10
5
6,0x10
5
9,0x10
5
1,2x10
6
1,5x10
6
Ciśnienie(Pa)
Ułamek molowy CO2
CO2
C2
H4
C2
H6
CH4
Ar
O2
* Brennecke, J.F., Maginn, E.J., 2002, Purification of gas with liquid ionic compounds, US, 10/113,400, 1-16,
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Właściwości fizykochemiczne cieczy jonowychWłaściwości fizykochemiczne cieczy jonowych
stosowanych w eksperymentachstosowanych w eksperymentach
26
Ciecz
jonowa
Wzór chemiczny
Gęstość
[g/cm3
]
Lepkość
[mPa·s]
Rozpuszczalność
[mol/(dm3
·atm)]
Temperatura
topnienia [o
C]
[EMIM]
[Tf2
N]
[C6
N2
H11
]+
[(CF3
SO2
)2
N]-
1,52 2,6 0,090 -3
[EMIM]
[TfO]
[C6
N2
H11
]+
[CF3
SO3
]-
1,39 55,6 0,074 -9
Stosowano imidazoliowe ciecze jonowe posiadające w strukturze kation
1-etylo-3-metyloimidazoliowy [EMIM] i aniony fluoroalkilowe
bis((trifluorometylo)sulfonylo)imidu [Tf2N] oraz trifluorometylosulfonian [TfO] , które
selektywnie separują ditlenek węgla.
[EMIM][Tf2N] [EMIM][TfO]
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
OddziaływanieOddziaływanie cieczy jonowej z nośnikiem polimerowymcieczy jonowej z nośnikiem polimerowym
27
Nośnik Ciecz jonowa
Masa
Nośnika
[g]
Masa
SILM
[g]
Przyrost masy
[%]
Przyrost
grubości
membrany [%]
PVDF [EMIM][Tf2
N] 0,110 0,444 75,2
27,6
PVDF [EMIM][TfO] 0,114 0,410 72,0
Nylon [EMIM][Tf2
N] 0,057 0,241 76,1
0
Nylon [EMIM][TfO] 0,057 0,239 76,0
PES [EMIM][Tf2
N] 0,053 0,300 82,2
1,3
PES [EMIM][TfO] 0,051 0,270 80,5
PP [EMIM][Tf2
N] 0,030 0,229 87,1
0
PP [EMIM][TfO] 0,029 0,191 84,6
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
OddziaływanieOddziaływanie cieczy jonowej z nośnikiem polimerowymcieczy jonowej z nośnikiem polimerowym
• Największy przyrost masy miał miejsce w przypadku
immobilizacji cieczy jonowej [EMIM][Tf2N] w porach
nośnika wykonanego z PP
• Nośnik PVDF charakteryzował się najmniejszym
przyrostem masy po immobilizacji, ale największym
przyrostem grubości (pęcznienie membrany -
zmniejszenie porów)
• Ze względu na niższą lepkość ciecz jonowa [EMIM]
[Tf2N] posiadała większą zdolność do immobilizacji w
porach wszystkich badanych nośników, w
porównaniu z cieczą [EMIM][TfO]
28
Nośnik przed immobilizacją
Nośnik po immobilizacją
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Metodyka wyznaczania współczynników dyfuzji
29
1 termostat, 2 – zasobnik ciśnieniowy CO‑ 2, 3 – zasobnik
ciśnieniowy CH4, 4 – zasobnik ciśnieniowy N2, 5, 6, 7 – zawory
redukcyjne, 8 zawór iglicowy, 9 – rotametr, 10 – elektroniczny‑
przekaźnik ciśnień, 11- elektroniczny czujnik temperatury, 12,13,14
– miejsca poboru gazów do analizy, A część komory z gazem‑
obojętnym, B – część komory z biogazem.
Metodyka wyznaczania:
• wypełnienie przestrzeni permeatu gazem
obojętnym – N2
• wypełnienie przestrzeni nadawy mieszaniną
dwutlenku węgla (IV) i azotu o określonym
stężeniu (30, 50 100% CO2)
• rejestracja wzrostu ciśnienia w permeacie i
spadek ciśnienia w nadawie
• Obliczenia strumienia przenikającego gazu
CO CH N
1
2
3 4
5
6
7
8
9
10
11
12
1314
B A
42 2
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Wyniki dyfuzji COWyniki dyfuzji CO22 przez SILMprzez SILM
30
Zależność dyfuzji od prężności cząstkowej CO2 dla nośników PVDF, PP, Nylon, PES
wysyconych:
[EMIM][Tf2N][EMIM][TfO]
0,0 2,0x10
4
4,0x10
4
6,0x10
4
8,0x10
4
1,0x10
5
5,0x10
-5
1,0x10
-4
1,5x10
-4
2,0x10
-4
2,5x10
-4
Strumieńmolowy(mol/m
2
s)
Prężność cząstkowa CO2
(Pa)
PVDF
PP
Nylon
PES
0,0 2,0x10
4
4,0x10
4
6,0x10
4
8,0x10
4
1,0x10
5
0,0
5,0x10
-5
1,0x10
-4
1,5x10
-4
2,0x10
-4
2,5x10
-4
3,0x10
-4
Strumieńmolowy(mol/m
2
s)
Prężność cząstkowa CO2
(Pa)
PVDF
PP
nylon
PES
Strumień molowy tlenku węgla (IV) w SILM
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
Parametry przenikania dwutlenku węglaParametry przenikania dwutlenku węgla
Nośnik
polimerowy
Ciecz jonowa
Współczynnik
dyfuzji (1010
m2
/s)
Permeacja
(barrer)
PES [EMIM] [Tf2
N] 6,08 913,35
PES [EMIM] [TfO] 4,79 883,32
Nylon [EMIM] [Tf2
N] 4,04 598,98
Nylon [EMIM] [TfO] 3,2 632,89
PP [EMIM] [Tf2
N] 4,57 554,81
PP [EMIM] [TfO] 3,9 483,21
PVDF [EMIM] [Tf2
N] 3,4 419,45
PVDF [EMIM] [TfO] 2,86 421,38
31
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
PodsumowaniePodsumowanie
• Dyfuzja CO2 przebiegała najszybciej dla membran, w której nośnikiem był
PES, a fazę membranową stanowiła ciecz [EMIM][Tf2N]
• Głównym parametrem warunkującym przenikanie gazu przez SILM jest
lepkość cieczy, dlatego też współczynniki dyfuzji i przepuszczalności
większe są w membranach z cieczą [EMIM][Tf2N] niż [EMIM][TfO]
• Z pośród badanych nośników lity PES charakteryzuje się największą
przepuszczalnością ditlenku węgla (2,6 barrera) *
• Na najniższy współczynnik dyfuzji dla membran, w których nośnikiem był
PVDF mogło mieć wpływ zmniejszanie się porów membrany na etapie
wysycenia IL’s (pęcznienie membrany)
32
*) A. Bos, I.G.M. PuÈnt, M. Wessling*, H. Strathmann, CO2-induced plasticization phenomena in glassy polymers, J.Membr.Sci., 1999. 155: p. 67-78
**) P. Scovazzo,J. Kieft, D.A. Finan, C. Koval, D. DuBois, R. Noble, Gas separations using non-hexafluorophosphate [PF6]−anion supported ionic liquid
membranes. J. Membr. Sci., 2004. 238: p. 57-63.
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
PodsumowaniePodsumowanie
Zastosowanie technologii unieruchomionych ciekłych membran
umożliwi:
– drastyczne ograniczenie stosowanych absorbentów,
– obniżenie zużycia energii,
– ciągłą pracę modułu separacyjnego (w odróżnieniu od
tradycyjnych rozwiązań - układ absorber - desorber),
– aplikację nowatorskich cieczy absorbujących,
– zastosowanie, jako fazy membranowej, związków działających
selektywnie i nie ulegających wymywaniu/odparowaniu z porów
membrany w trakcie procesu, co doprowadzi do znacznego
poprawienia stabilności ciekłej membrany,
– zastosowanie absorbentów selektywnie pochłaniających CO2 o
wysokich współczynnikach dyfuzji umożliwi zwiększenie szybkości
separacji CO2.
33
KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska
ul. G. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
tel.: 058 347 20 65
faks: 058 347 20 65
e-mail: ktch@pg.gda.pl
www.technologia.gda.pl
PodsumowaniePodsumowanie
• Wybór metody usuwania CO2zależy od wielu czynników, do
głównych można zaliczyć:
– Warunki procesowe
– Skład paliwa i oczyszczanego gazu
– Ciśnienia gazów spalinowych
– Stężenia CO2
– Natężenia przepływu oczyszczanego gazu.
34

More Related Content

Viewers also liked

Viewers also liked (6)

Od czego zależy sprawność kotła kondensacyjnego
Od czego zależy sprawność kotła kondensacyjnegoOd czego zależy sprawność kotła kondensacyjnego
Od czego zależy sprawność kotła kondensacyjnego
 
System ADONIS - prezentacja
System ADONIS - prezentacjaSystem ADONIS - prezentacja
System ADONIS - prezentacja
 
Tester.pl - Numer 4
Tester.pl - Numer 4Tester.pl - Numer 4
Tester.pl - Numer 4
 
Teoria wychowania w zarysie (2)
Teoria wychowania w zarysie (2)Teoria wychowania w zarysie (2)
Teoria wychowania w zarysie (2)
 
M. Łobocki - ABC wychowania
M. Łobocki - ABC wychowaniaM. Łobocki - ABC wychowania
M. Łobocki - ABC wychowania
 
Metodologia badań
Metodologia badańMetodologia badań
Metodologia badań
 

More from ProAkademia

Cross-border management of natural resources
Cross-border management of natural resourcesCross-border management of natural resources
Cross-border management of natural resources
ProAkademia
 
Przetwarzanie biomasy szymon szufa
Przetwarzanie biomasy   szymon szufaPrzetwarzanie biomasy   szymon szufa
Przetwarzanie biomasy szymon szufa
ProAkademia
 
Energia z odpadów część 1
Energia z odpadów część 1Energia z odpadów część 1
Energia z odpadów część 1
ProAkademia
 
Iii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronę
Iii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronęIii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronę
Iii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronę
ProAkademia
 
Ii. oze porównanie miast-na stronę
Ii. oze   porównanie miast-na stronęIi. oze   porównanie miast-na stronę
Ii. oze porównanie miast-na stronę
ProAkademia
 
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronę
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronęI. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronę
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronę
ProAkademia
 
Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2
Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2
Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2
ProAkademia
 
K.1.3. elementy efektywności energetycznej perspektywy producenta
K.1.3. elementy efektywności energetycznej  perspektywy producentaK.1.3. elementy efektywności energetycznej  perspektywy producenta
K.1.3. elementy efektywności energetycznej perspektywy producenta
ProAkademia
 
Technologie biogazowe cz 2
Technologie biogazowe cz 2Technologie biogazowe cz 2
Technologie biogazowe cz 2
ProAkademia
 
Biogazownie cz 1
Biogazownie cz 1Biogazownie cz 1
Biogazownie cz 1
ProAkademia
 
Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3
Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3
Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3
ProAkademia
 
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecieI. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie
ProAkademia
 
110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik
ProAkademia
 
110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik
ProAkademia
 
Możliwości współpracy między członkami
Możliwości współpracy między członkamiMożliwości współpracy między członkami
Możliwości współpracy między członkami
ProAkademia
 
T ueworkshoplite.01
T ueworkshoplite.01T ueworkshoplite.01
T ueworkshoplite.01
ProAkademia
 
Konf 29.06.12 prawo ok
Konf 29.06.12 prawo okKonf 29.06.12 prawo ok
Konf 29.06.12 prawo ok
ProAkademia
 
Inteligentne tekstylia sylwia walczak
Inteligentne tekstylia   sylwia walczakInteligentne tekstylia   sylwia walczak
Inteligentne tekstylia sylwia walczak
ProAkademia
 
Innowacje społeczne
Innowacje społeczneInnowacje społeczne
Innowacje społeczne
ProAkademia
 

More from ProAkademia (20)

Cross-border management of natural resources
Cross-border management of natural resourcesCross-border management of natural resources
Cross-border management of natural resources
 
Przetwarzanie biomasy szymon szufa
Przetwarzanie biomasy   szymon szufaPrzetwarzanie biomasy   szymon szufa
Przetwarzanie biomasy szymon szufa
 
Energia z odpadów część 1
Energia z odpadów część 1Energia z odpadów część 1
Energia z odpadów część 1
 
Iii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronę
Iii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronęIii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronę
Iii. energetyka odnawialna w województwie łódzkim na stronę
 
Ii. oze porównanie miast-na stronę
Ii. oze   porównanie miast-na stronęIi. oze   porównanie miast-na stronę
Ii. oze porównanie miast-na stronę
 
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronę
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronęI. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronę
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie na stronę
 
Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2
Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2
Iv. lotnictwo w walce o obniżenie emisji co2
 
K.1.3. elementy efektywności energetycznej perspektywy producenta
K.1.3. elementy efektywności energetycznej  perspektywy producentaK.1.3. elementy efektywności energetycznej  perspektywy producenta
K.1.3. elementy efektywności energetycznej perspektywy producenta
 
Technologie biogazowe cz 2
Technologie biogazowe cz 2Technologie biogazowe cz 2
Technologie biogazowe cz 2
 
Biogazownie cz 1
Biogazownie cz 1Biogazownie cz 1
Biogazownie cz 1
 
Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3
Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3
Mix energetyczny-przedstawiciel-oze-v3
 
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecieI. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie
I. klimat i perspektywy rozwoju oze na świecie
 
110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik
 
110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik110912 deutsche klima- und energiepolitik
110912 deutsche klima- und energiepolitik
 
Możliwości współpracy między członkami
Możliwości współpracy między członkamiMożliwości współpracy między członkami
Możliwości współpracy między członkami
 
T ueworkshoplite.01
T ueworkshoplite.01T ueworkshoplite.01
T ueworkshoplite.01
 
Dom 2020
Dom 2020Dom 2020
Dom 2020
 
Konf 29.06.12 prawo ok
Konf 29.06.12 prawo okKonf 29.06.12 prawo ok
Konf 29.06.12 prawo ok
 
Inteligentne tekstylia sylwia walczak
Inteligentne tekstylia   sylwia walczakInteligentne tekstylia   sylwia walczak
Inteligentne tekstylia sylwia walczak
 
Innowacje społeczne
Innowacje społeczneInnowacje społeczne
Innowacje społeczne
 

Politechnika gdańska ccs-r aranowski

  • 1. KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ POLITECHNIKA GDAŃSKA ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk Robert Aranowski Czyste technologie węglowe i CCS – wychwytywanie i magazynowanie dwutlenku węgla – zagrożenie czy szansa dla gmin i przedsiębiorstw w regionie łódzkim? Łódź 26.11.2010 „SEPARACJA DWUTLENKU WĘGLA”
  • 2. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Plan prezentacjiPlan prezentacji • Wstęp • Charakterystyka gazów zawierających CO2 • Metody wychwytu CO2 – Podział metod – Wady i zalety • Metody separacji CO2 – Podział metod – Wady i zalety • Metody membranowe – Podział metod – Wady i zalety • Badania własne separacji CO2 z zastosowaniem SILM • Podsumowanie 2
  • 3. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Stężenie COStężenie CO22 w różnych rodzajach gazów spalinowychw różnych rodzajach gazów spalinowych Rodzaj spalin Stężenie CO2 [% v/v] Gazy spalinowe z elektrowni - kotły węglowe 14 - kotły gazowe <8 - gaz ziemny w cyklu kombinowanym 4 - spalanie węglowo-tlenowe >80 Spaliny z pieców hutniczych - przed spaleniem 20 - po spaleniu 27 Pozostałe - gazy z wypalania cementu 4-23 - petrochemia i rafinerie 8 3
  • 4. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Skład biogazu Składnik I II II Metan 60-65 % 45-50 % 45 – 80% Dwutlenek węgla 34-38 % 35-45 % 35 – 55 % Azot 0 % 4-16 % 0 % Tlen 0 % 1-4 % 0 % Para wodna 1-1,4 % 1-1,4 % 1-1,4 % Związki siarki 200 mg/m3 150 mg/m3 20-200 mg/m3 Związki chloru 100 mg/m3 50 mg/m3 - Związki fluoru 20 mg/m3 25 mg/m3 - 4 I - gaz wysypiskowy przy naturalnym wypływie gazu ze złoża II - gaz wysypiskowy przy odsysaniu i dobrym uszczelnieniu hałdy III - gaz pochodzący z metagenezy odpadów organicznych
  • 5. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Wychwytywanie COWychwytywanie CO22 5
  • 6. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Wychwyt COWychwyt CO22 ze spalinze spalin 6 SPALANIE SEPARACJIA CO2 PALIWO POWIETRZE CO2 GAZY SPALINOWE N2, O2, H2O OSUSZANIE, SPRĘŻANIE, TRANSPORT I SKŁADOWANIE CO2 • Niskie stężenie CO2 w spalinach 5-16% • Niskie ciśnienie spalin • Spaliny zanieczyszczenie NOx, SOx, pyłami • Obniżenie sprawności energetycznej układu o 5,5-11% Instalacja absorpcji CO2 dla kotła 500 MWe
  • 7. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Wychwyt COWychwyt CO22 przed procesem spalaniaprzed procesem spalania 7 ZGAZOWANIE KONWERSJA CO PALIWO POWIETRZE CO2 GAZY H2 OSUSZANIE, SPRĘŻANIE, TRANSPORT I SKŁADOWANIE CO2 SPALANIE POWIETRZE H2O, N2 H2O Obniżenie sprawności energetycznej układu o 6-8% dla CO2 ciekłego i 4-5% dla CO2 gazowego W przypadku konwersi CO z gazu oczyszczonego sprawności energetycznej układu obniża się o 7-10% dla CO2 ciekłego i 4-7% dla CO2 gazowego
  • 8. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Technologia OxyfuelTechnologia Oxyfuel 8 SEPARACJA SPALANIE POWIETRZE CO2 O2 OSUSZANIE, SPRĘŻANIE, TRANSPORT I SKŁADOWANIE CO2 SEPARACJA N2 PALIWO N2 • Wysokie stężenie CO2 w spalinach do 80 • Znaczne zmniejszenie ilości spalin do 40% • Zmniejszenie komory spalania i układu oczyszczania gazów • Podwyższenie temperatury spalanie • Zmniejszenie ilości powstających NOx • Wzrost sprawności kotła • Obniżenie sprawności energetycznej układu o 3,5- 9%
  • 9. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Proces HydrocarbProces Hydrocarb 9 HYDROZGAZOWANIE ROZKŁAD /KONWERSJA CH4 GAZY SYNTEZA METANOLU PALIWO KAMIEŃ WAPIENNY WĘGIEL H2 H2O POPIOŁY CO, H2 • W przypadku hydrozgazowania węgla konieczne są duże ilości wodoru • Możliwość pozyskania paliw płynnych
  • 10. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Ogniwa paliwoweOgniwa paliwowe 10 REFORMING/ ZGAZOWANIE SPALANIE (OGNIWO PALIWOWE) PALIWO CO2 H2, CO OSUSZANIE, SPRĘŻANIE, TRANSPORT I SKŁADOWANIE CO2 SEPARACJA O2, (CO2) CO,H2 O2, (CO2) • Wysokotemperaturowe • Tlenkowe SOFC • Na stopionych węglanach MCFC • Niskotemperaturowe • Kwasowe PAFC • Membranowe/polimerowe PEMFC/PEFC • Alkaiczne AFC Obniżenie sprawności energetycznej układu o 1,5-14,3% w przypadku spalanie węgla i o 1,0-2,4% w przypadku spalania gazu ziemnego
  • 11. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Technologie separacji COTechnologie separacji CO22 11
  • 12. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Metody absorpcyjne, absorpcja chemiczna i fizycznaMetody absorpcyjne, absorpcja chemiczna i fizyczna • Wodne roztwory amin – Monoetanoloamina MEA – Dietanoloamina DEA – Diglikoloamina DGA – Metyldietanoloamina MDEA – Aminy z zawadą przestrzenną • Węglan potasu lub sodu • Wodny roztwór amoniaku • Wodorotlenek sodu 12 ZALETY •MEA uważana jest za najlepszą ciecz absorpcyjną względem CO2 (98-99%), • ma zdolność do absorbowania CO2 w warunkach niskiego ciśnienia i zdolności do regeneracji WADY •MEA ulega procesom degradacji na drodze redukcji z SOx , NOx i tlenem •korozja w absorberach i regeneratorach Absorpcja fizyczna W metodzie tej wykorzystywane są organiczne i nieorganiczne ciekłe sorbentu typu: metanol ( Rectisol), glikol (Selexol), węglan propylenowy (Fluor), Sulfolan (Sulfinol),
  • 13. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Metody adsorpcyjneMetody adsorpcyjne • Proces adsorpcji składa się z dwóch cykli: adsorpcji i odzyskiwania CO2 (regeneracja adsorbentu ) – PSA, Pressure Swing Adsorption – TSA, Temperature Swing Adsorption – VPSA, Vacuum Pressure Swing Adsorption – URPSA, Ultra-rapid Pressure Swing Adsorption – ESA, Electric Swing Adsorption • Adsorbenty stosowane w procesie separacji CO2 to: – Węgiel aktywny – Zeolity naturalne i syntetyczne – Żel krzemionkowy i glinowy – Tlenek glinu aktywowany 13 ZALETY •najbardziej korzystną techniką adsorpcyjną jest PSA, w której w porównaniu do innych technik istnieje mniejsze zapotrzebowanie na adsorbent uzyskuje się wysoką czystość gazu przy niskim zapotrzebowaniu na energię WADY •istotny wpływ składników spalin (szczególnie H2O) w prowadzeniu procesu • mogą przeszkadzać ziarna pyłu zawarte w spalinach, mogące dezaktywować miejsca adsorpcyjne
  • 14. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Połączenie procesu adsorpcji i absorpcji chemicznejPołączenie procesu adsorpcji i absorpcji chemicznej Połączeniem procesu adsorpcji i absorpcji chemicznej jest proces, w którym CO2 jest chemicznie absorbowany przez węglan potasu, sodu osadzony na węglu aktywnym, materiałach zeolitowych, w wyniku czego powstaje wodorowęglan potasu, sodu 14 K2CO3 + CO2 + H2O → 2KHCO3 Na2CO3 + CO2 + H2O → 2 NaHCO3 Proces egzotermiczny ΔH = -141,2 kJ/mol K2CO3 2KHCO3 → K2CO3 + CO2 + H2O 2 NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O T> 150°C Proces endotermiczny ΔH = 141,2 kJ/mol K2CO3 proces można prowadzić cyklicznie dzięki temu , iż węglan potasu, sodu osadzony jest na porowatym nośniku – węglu aktywnym, zeolicie - uzyskuje się wysoką czystość CO2 >99% - skuteczność odzysku CO2 -95% Karbonizacja Regeneracja SPALINY GAZY OCZYSZCZONE CO2, H2O GAZ INERTNY
  • 15. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Metody kriogeniczneMetody kriogeniczne Kriogeniczna separacja CO2ze strumieni spalin kotłowych obejmuje wielofazowe sprężanie i chłodzenie sprężanego gazu do odpowiedniej temp. a następnie wydzielanie CO2 w postaci ciekłe Metodę zaleca się stosować, gdy stężenie CO2 w spalinach kotłowych przekracza 20% obj. 15 Związek Tw [°C] Dwutlenek węgla - 78 (sublimacja) Metan -162 Tlen -183 Azot -196 Argon -186 ROZDZIELANIE POWIETRZA POWIETRZE SPALANIE SKRAPLANIE/ ROZDZILANIE CO2 CO2 do zagospodarowaniaN2 O2 SPALINY GAZ OCZYSZCZONYGAZ ZAWRACANY
  • 16. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Metody membranoweMetody membranowe 16
  • 17. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Metody membranoweMetody membranowe 17
  • 18. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Zimmobilizowane membrany ciekłeZimmobilizowane membrany ciekłe (Supported Ionic Liquids Membrane-SILM)(Supported Ionic Liquids Membrane-SILM) 18 SILM składają się z porowatego, polimerowego nośnika wysycanego cieczą jonową stanowiącą tzw. fazę membranową.
  • 19. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Rozkład wielkości porów nośnika Polieterosulfon (PES) Poliamid (nylon) Polifluorek winylidenu (PVDF) Polipropylen (PP) Średnia wielkość porów 0,2 Nośnik polimerowy Skrót Gęstość [kg/m3 ]* Grubość membrany [µm]* Polieterosulfon PES 1790 123 Poliamid Nylon 1130 110 Polipropylen PP 900 92 Polifluorek winylidenu PVDF 1370-1510 148
  • 20. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Ciecze jonoweCiecze jonowe Ciecz jonowa to związek chemiczny, organiczny składający się z kationu i anionu. Sól ta charakteryzuje się temperaturą topnienia poniżej temperatury wrzenia wody. Możliwa liczba kombinacji kation–anion 1018 20
  • 21. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Cechy cieczy jonowychCechy cieczy jonowych • Ciekłe w temperaturze umiarkowanych (< 100°C) • Rozpuszczają związki nieorganiczne i organiczne • Stabilne termicznie – wysoka temperatura wrzenia • Niska prężność par w temp. pok. (są niepalne) • Mogą być hydrofobowe jak i hydrofilowe • Zachowują aktywność enzymów i rozpuszczają je • Zwilżają powierzchnię metali, polimerów i minerałów • Wykazują działanie katalityczne • Ekstrahują związki siarki z oleju napędowego • Wykazują działanie smarujące • Rozpuszczają celulozę i jej pochodne • Przewodzą prąd • Wykazują właściwości antyelektrostatyczne • Wykazują aktywność wobec bakterii i grzybów • Balsamują tkanki (zamiennik formaliny) • Konserwują drewno i papier 21
  • 22. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Temperatura topnienia soli imidazoliowychTemperatura topnienia soli imidazoliowych [C2mim] [PF6]; [C2mim] [BF4]; [C2mim] [TfO]; [C2mim] [Tf2N] 22 Anion Temperatura topnienia [°C] Cl 87 PF6 58–60 NO2 55 CH3CO2 45 NO3 38 CF3 CF2 CF2 CF2 SO3 28 CF3 CO2 14 CF3 SO3 9 BF4 6 (CF3 SO2 )2 N 4 N N CH3 C2H5+ A- [C2mim] [A]
  • 23. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Zalety cieczy jonowej jako absorbentaZalety cieczy jonowej jako absorbenta • Temperaturę topnienia nie przekracza 100°C • Stosunkowo dobra stabilność termiczna • Posiadają dużą selektywność (absorbują CO2 przy jednoczesnej niewielkiej koabsorpcji innych gazów) • Praktycznie niemierzalna prężność par (nie powodują wtórnego zanieczyszczenia strumienia oczyszczanego gazu) 23 Rozpuszczalnik Prężność par [hPa]* Aceton 233 Metanol 128 Trichloroetylen 77 Heptan 48 Woda 23 Ciecze jonowe <0,1 * Merck KGaA. Germany.
  • 24. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Wady cieczy jonowej jako absorbentaWady cieczy jonowej jako absorbenta • Ciecze jonowe są potencjalnym zagrożeniem dla środowiska wodnego (kation imidazoliowy działa podobnie jak toluen i dichlorometan) • Spalanie cieczy jonowych generuje toksyczne gazy (F2 czy HF) • Problem z otrzymaniem chemicznie czystej cieczy jonowej (obecność soli, kolor, zapach) • Problem z utylizacją zużytych cieczy jonowych • Nieznana lub słabo znana toksyczność cieczy jonowych • Wysoka lepkość, szczególnie dla podstawionych długołańcuchowymi podstawnikami alitatycznymi 24
  • 25. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Prężność cząstkowa COPrężność cząstkowa CO22, C, C22HH44, C, C22HH66, CH, CH44 i Oi O22 w zależności odw zależności od stężenia w roztworze [BMIM][PFstężenia w roztworze [BMIM][PF66] w temperaturze 25°C*] w temperaturze 25°C* 25 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,0 3,0x10 5 6,0x10 5 9,0x10 5 1,2x10 6 1,5x10 6 Ciśnienie(Pa) Ułamek molowy CO2 CO2 C2 H4 C2 H6 CH4 Ar O2 * Brennecke, J.F., Maginn, E.J., 2002, Purification of gas with liquid ionic compounds, US, 10/113,400, 1-16,
  • 26. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Właściwości fizykochemiczne cieczy jonowychWłaściwości fizykochemiczne cieczy jonowych stosowanych w eksperymentachstosowanych w eksperymentach 26 Ciecz jonowa Wzór chemiczny Gęstość [g/cm3 ] Lepkość [mPa·s] Rozpuszczalność [mol/(dm3 ·atm)] Temperatura topnienia [o C] [EMIM] [Tf2 N] [C6 N2 H11 ]+ [(CF3 SO2 )2 N]- 1,52 2,6 0,090 -3 [EMIM] [TfO] [C6 N2 H11 ]+ [CF3 SO3 ]- 1,39 55,6 0,074 -9 Stosowano imidazoliowe ciecze jonowe posiadające w strukturze kation 1-etylo-3-metyloimidazoliowy [EMIM] i aniony fluoroalkilowe bis((trifluorometylo)sulfonylo)imidu [Tf2N] oraz trifluorometylosulfonian [TfO] , które selektywnie separują ditlenek węgla. [EMIM][Tf2N] [EMIM][TfO]
  • 27. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl OddziaływanieOddziaływanie cieczy jonowej z nośnikiem polimerowymcieczy jonowej z nośnikiem polimerowym 27 Nośnik Ciecz jonowa Masa Nośnika [g] Masa SILM [g] Przyrost masy [%] Przyrost grubości membrany [%] PVDF [EMIM][Tf2 N] 0,110 0,444 75,2 27,6 PVDF [EMIM][TfO] 0,114 0,410 72,0 Nylon [EMIM][Tf2 N] 0,057 0,241 76,1 0 Nylon [EMIM][TfO] 0,057 0,239 76,0 PES [EMIM][Tf2 N] 0,053 0,300 82,2 1,3 PES [EMIM][TfO] 0,051 0,270 80,5 PP [EMIM][Tf2 N] 0,030 0,229 87,1 0 PP [EMIM][TfO] 0,029 0,191 84,6
  • 28. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl OddziaływanieOddziaływanie cieczy jonowej z nośnikiem polimerowymcieczy jonowej z nośnikiem polimerowym • Największy przyrost masy miał miejsce w przypadku immobilizacji cieczy jonowej [EMIM][Tf2N] w porach nośnika wykonanego z PP • Nośnik PVDF charakteryzował się najmniejszym przyrostem masy po immobilizacji, ale największym przyrostem grubości (pęcznienie membrany - zmniejszenie porów) • Ze względu na niższą lepkość ciecz jonowa [EMIM] [Tf2N] posiadała większą zdolność do immobilizacji w porach wszystkich badanych nośników, w porównaniu z cieczą [EMIM][TfO] 28 Nośnik przed immobilizacją Nośnik po immobilizacją
  • 29. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Metodyka wyznaczania współczynników dyfuzji 29 1 termostat, 2 – zasobnik ciśnieniowy CO‑ 2, 3 – zasobnik ciśnieniowy CH4, 4 – zasobnik ciśnieniowy N2, 5, 6, 7 – zawory redukcyjne, 8 zawór iglicowy, 9 – rotametr, 10 – elektroniczny‑ przekaźnik ciśnień, 11- elektroniczny czujnik temperatury, 12,13,14 – miejsca poboru gazów do analizy, A część komory z gazem‑ obojętnym, B – część komory z biogazem. Metodyka wyznaczania: • wypełnienie przestrzeni permeatu gazem obojętnym – N2 • wypełnienie przestrzeni nadawy mieszaniną dwutlenku węgla (IV) i azotu o określonym stężeniu (30, 50 100% CO2) • rejestracja wzrostu ciśnienia w permeacie i spadek ciśnienia w nadawie • Obliczenia strumienia przenikającego gazu CO CH N 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1314 B A 42 2
  • 30. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Wyniki dyfuzji COWyniki dyfuzji CO22 przez SILMprzez SILM 30 Zależność dyfuzji od prężności cząstkowej CO2 dla nośników PVDF, PP, Nylon, PES wysyconych: [EMIM][Tf2N][EMIM][TfO] 0,0 2,0x10 4 4,0x10 4 6,0x10 4 8,0x10 4 1,0x10 5 5,0x10 -5 1,0x10 -4 1,5x10 -4 2,0x10 -4 2,5x10 -4 Strumieńmolowy(mol/m 2 s) Prężność cząstkowa CO2 (Pa) PVDF PP Nylon PES 0,0 2,0x10 4 4,0x10 4 6,0x10 4 8,0x10 4 1,0x10 5 0,0 5,0x10 -5 1,0x10 -4 1,5x10 -4 2,0x10 -4 2,5x10 -4 3,0x10 -4 Strumieńmolowy(mol/m 2 s) Prężność cząstkowa CO2 (Pa) PVDF PP nylon PES Strumień molowy tlenku węgla (IV) w SILM
  • 31. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl Parametry przenikania dwutlenku węglaParametry przenikania dwutlenku węgla Nośnik polimerowy Ciecz jonowa Współczynnik dyfuzji (1010 m2 /s) Permeacja (barrer) PES [EMIM] [Tf2 N] 6,08 913,35 PES [EMIM] [TfO] 4,79 883,32 Nylon [EMIM] [Tf2 N] 4,04 598,98 Nylon [EMIM] [TfO] 3,2 632,89 PP [EMIM] [Tf2 N] 4,57 554,81 PP [EMIM] [TfO] 3,9 483,21 PVDF [EMIM] [Tf2 N] 3,4 419,45 PVDF [EMIM] [TfO] 2,86 421,38 31
  • 32. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl PodsumowaniePodsumowanie • Dyfuzja CO2 przebiegała najszybciej dla membran, w której nośnikiem był PES, a fazę membranową stanowiła ciecz [EMIM][Tf2N] • Głównym parametrem warunkującym przenikanie gazu przez SILM jest lepkość cieczy, dlatego też współczynniki dyfuzji i przepuszczalności większe są w membranach z cieczą [EMIM][Tf2N] niż [EMIM][TfO] • Z pośród badanych nośników lity PES charakteryzuje się największą przepuszczalnością ditlenku węgla (2,6 barrera) * • Na najniższy współczynnik dyfuzji dla membran, w których nośnikiem był PVDF mogło mieć wpływ zmniejszanie się porów membrany na etapie wysycenia IL’s (pęcznienie membrany) 32 *) A. Bos, I.G.M. PuÈnt, M. Wessling*, H. Strathmann, CO2-induced plasticization phenomena in glassy polymers, J.Membr.Sci., 1999. 155: p. 67-78 **) P. Scovazzo,J. Kieft, D.A. Finan, C. Koval, D. DuBois, R. Noble, Gas separations using non-hexafluorophosphate [PF6]−anion supported ionic liquid membranes. J. Membr. Sci., 2004. 238: p. 57-63.
  • 33. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl PodsumowaniePodsumowanie Zastosowanie technologii unieruchomionych ciekłych membran umożliwi: – drastyczne ograniczenie stosowanych absorbentów, – obniżenie zużycia energii, – ciągłą pracę modułu separacyjnego (w odróżnieniu od tradycyjnych rozwiązań - układ absorber - desorber), – aplikację nowatorskich cieczy absorbujących, – zastosowanie, jako fazy membranowej, związków działających selektywnie i nie ulegających wymywaniu/odparowaniu z porów membrany w trakcie procesu, co doprowadzi do znacznego poprawienia stabilności ciekłej membrany, – zastosowanie absorbentów selektywnie pochłaniających CO2 o wysokich współczynnikach dyfuzji umożliwi zwiększenie szybkości separacji CO2. 33
  • 34. KTChKTCh Katedra Technologii Chemicznej, Politechnika Gdańska ul. G. Narutowicza 11/12 80-233 Gdańsk tel.: 058 347 20 65 faks: 058 347 20 65 e-mail: ktch@pg.gda.pl www.technologia.gda.pl PodsumowaniePodsumowanie • Wybór metody usuwania CO2zależy od wielu czynników, do głównych można zaliczyć: – Warunki procesowe – Skład paliwa i oczyszczanego gazu – Ciśnienia gazów spalinowych – Stężenia CO2 – Natężenia przepływu oczyszczanego gazu. 34

Editor's Notes

  1. barrery [1010 cm3 ·cm/STP/·(cm-2·s-1 cm·cmHg-1] The best results of CO2 separation were obtained for PES and [EMIM][Tf2N] as a carrier głównym parametrem warunkującym przenikanie gazu przez SILM jest lepkość cieczy, dlatego też współczynniki dyfuzji i przepuszczalności większe są w membranach z cieczą [EMIM][Tf2N] niż [EMIM][TfO] The lowest difusion coefisient was obtained for SLM with PVDF as support. mogło mieć wpływ zmniejszanie się porów membrany na etapie wysycenia IL’s