Sebastian Hoch

• Reactive absorption with amines is the most important technique for the removal of CO2 from gas streams, e.g. from flue gas, natural gas or off-gas from the cement industry. In this work a rigorous simulation model for the absorption and desorption of CO2 with an amine-containing solvent is validated using data from pilot plants of various sizes. This model was then coupled with a detailed simulation of a coal-fired power plant. The power generation efficiency drop with CO2 capture was determined and process parameters in the power plant and separation process were optimized. It was shown that the high energy demand of CO2 separation significantly reduces power generation efficiencies, which underlines the need for improvements. This can be achieved by better solvents or by advanced process designs. In this work such improved CO2 separation processes are described and evaluated by detailed simulation studies. In order to develop detailed rigorous simulation models for reactive absorption with novel solvent systems, a precise knowledge of the liquid phase reaction kinetics is necessary. There are well established techniques for measuring species distributions in equilibirated aqueous amine solutions by NMR spectrosopy. However, the existing NMR techniques cannot be used for monitoring fast reactions in these solutions. Therefore, in this work a novel temperature-controlled micro-reactor NMR probe head was developed which enables studying reaction kinetics with time constants in the range of seconds. On this basis, modern solvent systems for CO2 absorption can be characterized and the scale-up of separation process for future plants can be accompanied using rigorous process simulation.
• Die reaktive Absorption mit wässrigen Aminlösungen ist die wichtigste Technik zur Entfernung von CO2 aus Gasströmen, z. B. aus Rauchgas, Erdgas oder Abgasen aus der Zementindustrie. In dieser Arbeit wird ein rigoroses Simulationsmodell für die Absorption und Desorption von CO2 mit einem aminhaltigen Lösungsmittel anhand von Daten aus Pilotanlagen unterschiedlicher Größe validiert. Dieses Modell wurde dann mit einer detaillierten Simulation eines kohlebefeuerten Kraftwerks gekoppelt. Der Rückgang des Wirkungsgrads der Stromerzeugung durch Abscheidung von CO2 wurde ermittelt und die Prozessparameter im Kraftwerk und Abtrennungsprozess wurden optimiert. Es zeigte sich, dass der hohe Energiebedarf der CO2-Abtrennung den Wirkungsgrad der Stromerzeugung deutlich verringert, was die Notwendigkeit von Verbesserungen unterstreicht. Dies kann durch verbesserte Lösungsmittel oder durch ein optimiertes Prozessdesign erreicht werden. In dieser Arbeit werden optimierte Verfahren zur CO2-Abtrennung beschrieben und durch detaillierte Simulationsstudien bewertet. Um detaillierte, rigorose Simulationsmodelle für die reaktive Absorption mit neuartigen Lösungsmittelsystemen zu entwickeln, ist eine genaue Kenntnis der Reaktionskinetik in der Flüssigphase erforderlich. Es existieren gut etablierte Techniken zur Messung von Speziesverteilungen im Gleichgewicht von wässrigen Aminlösungen mittels NMRSpektroskopie. Die vorhandenen NMR-Techniken können jedoch nicht zur Verfolgung schneller Reaktionen in diesen Lösungen eingesetzt werden. Daher wurde in dieser Arbeit ein neuartiger temperierter NMR Probenkopf mit Mikroreaktor entwickelt, der die Untersuchung der Reaktionskinetik mit Zeitkonstanten im Sekundenbereich ermöglicht. Auf dieser Grundlage können moderne Lösungsmittelsysteme für die CO2-Absorption charakterisiert und das Scale-up des Abtrennungsprozesses für künftige Anlagen durch rigorose Prozesssimulation begleitet werden.