Phase separation during CO2 absorption by monoethanolamine and diethanolamine in glycol ethers

Durch den Anstieg der Treibhausgase auf Grund der Industrialisierung, insbesondere von Kohlenstoffdioxid (CO2), ist das Entgegenwirken der globalen Erwärmung zu einer wichtigen gesellschaftliche Herausforderung geworden. Fossile Kraftwerke sind einer der größten CO2 Emitter, daher hat ein intelligenter Umbau der Energieversorgung zu möglichst CO2 neutralen Verfahren einen großen Einfluss auf die CO2 Konzentation in der Atmosphäre. Um nicht vollständig auf die fossilen Brennstoff verzichten zu müssen, kann bei der Energiegewinnung durch eine zusätzlichen Verfahrensschritt das im Kraftwerk durch Verbrennung entstehende CO2 entfernt, transportiert und gespeichert werden. Diese Technologie ist als „Carbon Capture and Storage“ bekannt. Eine weitere vielversprechende Möglichkeit ist aus nachwachsenden Rohstoffen Energie zu gewinnen. In der Biogasherstellung wird Biomasse zu Methan vergärt. Die CO2 Bilanz ist neutral, da das bei der Verbrennung entstehende CO2 vorher im Lebenszyklus der Pflanze aufgenommen wurde. Durch die Entfernung von CO2 aus dem entstandenen Biogases wird der Brennwert erhöht. In dieser Arbeit wurde mit einem System aus Diethylenglykolmonobutylether (DEGMBE) und Monoethanolamin (MEA) bzw. Diethanolamin (DEA) eine Phasenseparation während der CO2-Absorption erzielt. Dabei bilden die Carbamate eine eigenständige Phase aus. Das MEA-Carbamat liegt flüssig und das DEA-Carbamat kristallin vor. Es muss nicht, wie bei dem konventionellen Verfahren, das gesamte Absorbersystem zur Regeneration erwärmt werden. Daher bringt die Phasenseparation energetische Vorteile mit sich und verringert den Wirkungsgradverlust des Kraftwerks. Bei einer Temperatur von 50 °C kann 90 % des eingesetzten MEA zu seinem Carbamat umgesetzt werden. Selbst bei einer Temperatur von 100 °C wird noch ein Umsatz von 73 % erzielt. Mit dem Phasendiagramm des ternären Systems aus MEA-Carbamat, MEA und DEGMBE kann der Verlauf der Absorption charakterisiert werden und gibt direkte Angaben zu der Phasenzusammensetzung des Systems. Bei einem Massenanteil von 30 % MEA beträgt der Anteil der schwereren Carbamatphase nach 90 % Umsatz 36,6 m% mit einem CO2-Anteil von 26,5 m%. Nur 4,5 m% des MEA-Carbamats sind in der oberen Phase gelöst und stehen dem Desorptionsschritt nicht zur Verfügung. Die Robustheit der Phasenseparation gegenüber Wasser ist sehr groß. Erst ab Wasseranteilen über 70 m% trennt sich das System nicht mehr und bleibt homogen. Die Affinität des Wassers ist zum Carbamat größer als zur oberen Phase, so dass das Wasser im Desorptionsschritt zum Großteil wieder entfernt werden kann.With an increase in greenhouse gases caused by industrialization, in particular through carbon dioxide (CO2), counteracting global warming became an important social challenge. Fossil power plants are one of the biggest emitter of CO2. Hence, an intelligent conversion of the energy supply to an if possible CO2 neutral method has a significant influence on the concentration of CO2 in the atmosphere. To avoid a complete abandonment of fossil fuels, it is possible to add a process step to the energy generation. Thus the CO2, which is a result of the burning process in the power plant, can be removed, transported and stored. This technology is known as “Carbon Capture and Storage”. Another highly promising possibility is energy generation through renewable resources. The bio mass ferments into methane during the biogas production. The CO2 balance is neutral, since the resulting CO2 during the burning process has been previously absorbed by the plant during its life cycle. The calorific value is increased by the removal of CO2 from the produced bio gases. In this thesis, a phase separation during CO2 absorption was achieved with a system of diethylene glycol monobutyl ether (DEGMBE) and monoethanolamine (MEA) respectively diethanolamine (DEA). In the process, the carbamates form an independent phase. The MEA carbamate is liquid and the DEA-carbamate is crystalline. It is not necessary to heat up the entire absorber system for regeneration, like in the conventional processes. Hence, the phase separation yields energy benefits and decreases the efficiency loss of the power plant. 90 % of the used MEA can be converted to his carbamate at a temperature of 50 °C. Even at a temperature of 100 °C, a conversion of 73 % can be achieved. The process of the absorption can be characterized with the help of a phase diagram of a ternary system of MEA-carbamate, MEA and DEGMBE and delivers direct information on the phase composition of the system. With a mass fraction of 30 % MEA, the proportion of the heavier carbamate phase after 90 % conversion is 36.6 m% with a CO2 concentration of 26.5 m%. Only 4.5 m% of MEA-carbamates are dissolved in the upper phase separation and are not available for the desorption process. The robustness of the phase separation against water is very high. It is not until a water proportion of 70 m% that the system will not separate anymore and remains homogeneous. The affinity of water is higher for carbamate than for the upper phase, with the result that water in the desorption process can be eliminated to a large extent