Entwicklung eines Messverfahrens zur Quantifizierung der CO2-Absorption in Alkanolaminen
Zur Abtrennung von CO2 aus der Abluft von industriellen Produktionsanlagen ist oft die chemische Absorption mit wässrigen Lösungen von Aminen geeignet. Um die Effizienz der CO2-Abscheidung zu optimieren, stehen verschiedene Maßnahmen der Prozessführung der Gaswäsche wie die Variation der Waschmittelumlaufmenge oder der Dampfmenge zur Regeneration zur Verfügung.
Dabei können Veränderung der Zusammensetzung der reaktiven Waschmittellösung an relevanten Positionen im Waschmittelkreislauf zur Prozesskontrolle und -führung genutzt werden kann. Hierfür wird jedoch eine Inline-Analytik des Waschmittels benötigt, um die unmittelbaren Auswirkungen veränderlicher Betriebszustände des Gaswäschers auf das Waschmittel zu beobachten.
Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Nachweismethode zur quantitativen Bestimmung der Waschmittelzusammensetzung im kontinuierlichen Betrieb eines Gaswäschers mittels Raman-Spektroskopie.
Die Entwicklungsarbeiten werden beispielhaft für das ternäre Waschmittelsystem Monoethanolamin (MEA) in Wasser bei der CO2-Absorption (MEA-H2O-CO2) durchgeführt und umfassen die Modellierung des thermodynamischen Gleichgewichtszustands, die Durchführung von Raman-Messungen an Laborapparaturen zur Charakterisierung des Stoffsystems sowie zur Erfassung quantitativer Zusammenhänge, die Entwicklung von Kalibriermodellen mit multivariaten Methoden sowie deren Anwendung beim Betrieb in einem Gaswäscher.
Für einen Transfer von Kalibriermodellen vom Labor in die technische Anwendung müssen bei abweichenden Fluideigenschaften unter anderem geeignete Methoden zur Vorverarbeitung der Raman-Spektren gefunden werden.
Die Fluideigenschaften können sich durch abweichende Temperaturen sowie Degradationsprozesse im Gaswäscher gegenüber den Bedingungen bei der Entwicklung der Kalibriermodelle ändern. Insbesondere der Brechungsindex des untersuchten Fluids hat einen Einfluss auf die Intensität von Raman-Banden. Daher werden die Raman-Spektren mit Daten zur Brechzahl korreliert und daraus die Anwendungsgrenzen der im Labor entwickelten Kalibriermodelle ermittelt. Ferner wird geprüft, ob in den Raman-Spektren Informationen enthalten sind, die mit der Brechzahl korrelieren und damit unmittelbar zur Intensitätskorrektur nutzbar sind.
Chemical absorption with aqueous solutions of amines is often suitable for separating CO2 from the exhaust air of industrial production plants. To optimize the efficiency of CO2 capture, various measures are available, such as varying the amount of scrubbing agent circulating or the amount of steam for regeneration.
Changes in the composition of the reactive solution at relevant positions in the detergent cycle can be used for process management. However, this requires inline analysis of the scrubbing agent to observe the effects of changing operating conditions of the gas scrubber on the detergent.
The aim of the work is to develop a detection method for the quantitative determination of the detergent composition in the continuous operation of a gas scrubber using Raman spectroscopy.
The work is carried out exemplarily for the ternary detergent system Monoethanolamin (MEA) in water during CO2 absorption (MEA-H2O-CO2) and includes the modelling of the thermodynamic equilibrium state, the performance of Raman measurements on laboratory equipment to characterize the material system and to record quantitative correlations, the development of calibration models with multivariate methods and their application during operation in a gas scrubber.
In order to transfer calibration models from the laboratory to technical applications, suitable methods for pre-processing the Raman spectra must be found in the event of deviating fluid properties.
The fluid properties can change due to deviating temperatures and degradation processes in the gas scrubber compared to the conditions during the development of the calibration models. In particular, the refractive index of the analyzed fluid has an influence on the intensity of Raman bands. Therefore, the Raman spectra are correlated with data on the refractive index and the application limits of the calibration models developed in the laboratory are determined. Furthermore, it is checked whether the Raman spectra contain information that correlates with the refractive index and can therefore be used for intensity correction.