Thermodynamical modeling of phase change solvent system

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorKuitunen, Susanna
dc.contributor.advisorNyman, Timo
dc.contributor.authorHonkanen, Elina
dc.contributor.schoolKemian tekniikan korkeakoulufi
dc.contributor.supervisorAlopaeus, Ville
dc.date.accessioned2016-05-26T07:22:23Z
dc.date.available2016-05-26T07:22:23Z
dc.date.issued2016-05-17
dc.description.abstractCarbon dioxide (CO2) is considered as the most significant greenhouse gas (GHG). This makes the CO2 capture an important industrial process. The most studied and mature CO2 capture process available is absorbing the CO2 with amine solutions and their mixtures. However, the regeneration of these amine solvents is very energy intensive. Phase change solvents are very promising new technology in CO2 capture as they form two liquid phases when mixed with CO2. The formed phases are CO2-lean and CO2-rich phase and only the CO2-rich phase is regenerated resulting in significant energy savings. A phase change solvent system of 2-(diethylamine)ethanol (DEEA) and 3-(methylamino)propylamine (MAPA) was chosen as the studied system. In process industry, simulations are conducted to assess feasibility of different alternatives. In simulating electrolyte systems different activity and fugacity coefficient models are used. In the literature part several of such models are presented. The extended-UNIQUAC activity coefficient model was used in this study because the parameters needed were available for DEEA+MAPA system. The model implemented into in-house simulator, Flowbat, was first tested. Then the model was used to simulate different systems. In several references it has been stated that the 5M DEEA + 2M MAPA solution, further 5D2M, lowers the energy consumption in the regenerator significantly when compared to industrially conventional ethanolamine (MEA) solution. The amount of water in the regenerated solution raises the reboiler energy consumption as water has high specific heat capacity. When the behavior of 5D2M solution was studied with different CO2 loadings it was found that as the CO2 amount rises the amount of water in the solution to be regenerated was lower. Also increasing the amount of DEEA and MAPA decreases the water amount. When the energy consumption between the 5D2M and the MEA solutions was compared is was found that with 5D2M the energy consumption is significantly lower and also the amine regeneration is more efficient. However, it was found that the more CO2 is removed from the amine solution the higher the energy consumption is. In the future studies the most profitable ratio between the amount of removed CO2 and the energy consumption needs to be investigated. In addition, the viscosity and density modeling for mixed amine systems need to be developed. For better usability, the extended-UNIQUAC model should be implemented into Aspen Plus simulator.en
dc.description.abstractHiilidioksidi (CO2) on merkittävin ilmastonmuutosta aiheuttavista kasvihuonekaasuista. Tästä syystä hiilidioksidin talteenotto on tärkeä teollinen prosessi. Kaikkein tutkituin ja kehittynein hiilidioksidin talteenottoprosessi on hiilidioksidin absorbointi amiiniliuoksilla sekä niiden seoksilla. Näiden amiiniliuosten regenerointi on erittäin energiaintensiivinen prosessi. Kaksifaasiamiinisysteemit ovat todella lupaava uusi teknologia hiilidioksidin talteenottoon, sillä ne muodostavat kaksi nestefaasia amiinien reagoidessa hiilidioksidin kanssa. Näistä toinen faasi (CO2-rikas) sisältää enemmän hiilidioksidia ja se regeneroidaan. Tällä menettelyllä säästetään huomattavat määrät energiaa. Tässä työssä tutkittavaksi amiinisysteemiksi valittiin 2-(dietyyliamino)-etanolin (DEEA) ja 3-(metyyliamino)-propylamiinin (MAPA) seos. Prosessiteollisuudessa simulointeja käytetään eri prosessivaihtoehtojen arviointiin. Elektrolyyttiliuosten simuloinneissa käytetään erilaisia aktiivisuus- ja fugasiteettikerroinmalleja ja niitä on esitelty tämän työn kirjallisuustutkimuksessa. Laajennettu UNIQUAC aktiivisuuskerroinmalli valittiin mallinnusta varten, sillä tarvittavat parametrit DEEA + MAPA seokselle olivat saatavilla. Mallit oli implementoitu sisäiseen simulointiohjelmaan, Flowbatiin, ja tässä työssä mallien toiminta testattiin. Testauksen jälkeen mallilla simuloitiin eri systeemejä. Useassa lähteessä todettiin, että 5M DEEA + 2M MAPA, 5D2M, liuos laskee regeneroinnin energiankulutusta huomattavasti verrattuna teollisuudessa yleisesti käytettyyn 2-aminoetanoliliuokseen (MEA). Veden määrä regeneroitavassa liuoksessa nostaa regenerointienergiaa, sillä vedellä on todella korkea ominaislämpökapasiteetti. Kun 5D2M liuoksen käyttäytymistä tutkittiin eri hiilidioksidimäärillä, huomattiin, että hiilidioksidin määrän noustessa veden osuus regeneroitavassa faasissa laski. Myös nostamalla DEEA:n ja MAPA:n määrää veden määrä regeneroitavassa faasissa laski. 5D2M ja MEA -liuosten energiankulutusta verrattaessa huomattiin, että 5D2M liuosta käytettäessä energiankulutus on huomattavasti alhaisempi. Tämän lisäksi itse regenerointi oli tehokkaampi. Mitä enemmän hiilidioksidia saadaan poistettua amiiniliuoksesta, sitä korkeampi kiehuttimen energiankulutus on. Jatkotutkimuksissa kaikkein suotuisin suhde poistetun hiilidioksidin ja kiehuttimen energiankulutuksen välillä on selvitettävä. Jatkotutkimuksissa ehdotetaan tämän lisäksi amiiniseosten tiheyksien sekä viskositeetin mallintamisen selvitystä sekä valmiin mallin implementointia Aspen Plus simulaattoriin paremman käytettävyyden saavuttamiseksi.fi
dc.format.extent102+42
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/20520
dc.identifier.urnURN:NBN:fi:aalto-201605262226
dc.language.isoenen
dc.locationPKfi
dc.programmeKEM - Kemian tekniikan koulutusohjelmafi
dc.programme.majorProsessit ja tuotteetfi
dc.programme.mcodeKE3003fi
dc.rights.accesslevelclosedAccess
dc.subject.keywordDEEAen
dc.subject.keywordMAPAen
dc.subject.keywordextended-UNIQUACen
dc.subject.keywordcarbon dioxideen
dc.subject.keywordregenerationen
dc.subject.keywordcaptureen
dc.titleThermodynamical modeling of phase change solvent systemen
dc.titleKaksifaasiliuotinsysteemin termodynaaminen mallinnusfi
dc.typeG2 Pro gradu, diplomityöfi
dc.type.okmG2 Pro gradu, diplomityö
dc.type.ontasotMaster's thesisen
dc.type.ontasotDiplomityöfi
dc.type.publicationmasterThesis
local.aalto.idinssi53644
local.aalto.openaccessno
Files