Aminwäsche

Die Aminwäsche ist ein häufig benutzter chemischer Prozess zur Abtrennung von Kohlenstoffdioxid, Schwefelwasserstoff und anderen sauren Gasen aus Gasgemischen. Die Aminwäsche basiert auf dem Prinzip der Chemisorption und erreicht so schon bei relativ niedrigen Drücken in der Absorptionskolonne hohe Reinheiten. Die Selektivität ist ebenfalls meist höher als bei der Physisorption[1].

Stark vereinfachtes Flussdiagramm des Aminwäscheprozesses

Verfahren

Bei der Aminwäsche werden in einem geschlossenen Prozess leicht alkalische wässrige Lösungen von Aminen (zumeist Ethanolamin-Derivate) eingesetzt, die saure Gaskomponenten reversibel chemisch absorbieren. In den Absorber wird bei niedriger Temperatur (ca. 40 °C)[2] und leicht erhöhtem Druck (ca. 8 bar)[2] frische Aminlösung vom Kopf zugeführt. Von unten wird das zu reinigende Gas in die Trennkolonne geleitet. Durch die chemische Reaktion des absorbiertem CO₂ mit der Aminlösung wird Energie in Form von Wärme freigesetzt[1]. Das gereinigte Gas verlässt die Kolonne am Kopf und das beladene Waschmittel (Aminlösung) wird am Sumpf der Kolonne in den Desorber gepumpt.

Im Desorber wird bei hoher Temperatur (Einsatz von thermischer Energie) und niedrigem Druck die Reaktion das chemische Gleichgewicht umgekehrt und somit das gebundene saure Gas dem Waschmittel entzogen. Am Kopf des Desorbers kann somit das reine Gas (mit feuchten Bestandteilen) abgezogen werden. Durch einen Kondensator werden die Anteile an Waschmittel und Wasser vom Gasstrom abgetrennt und der Kolonne wieder zugeführt.

Durch die nachgeschaltete Regeneration des Waschmittels kann das gebundene Gas hoch konzentriert gewonnen werden. Dies macht eine spätere stoffliche Nutzung von z. B. CO₂ [3] oder H₂S (Claus-Prozess) möglich. Dies ist mit anderen Methoden wie der Druckwasserwäsche nicht möglich.

Verwendet werden zumeist Diethanolamin und Monoethanolamin, daneben sind aber auch Methyldiethanolamin, Diisopropylamin, Diisopropanolamin und Diglycolamin gebräuchlich:[1]

Monoethanolamin (MEA) absorbiert nur CO₂,[4] mit einer Reaktionsenthalpie von ca. 85 kJ/mol[1]
Diethanolamin (DEA)
Methyldiethanolamin (MDEA) absorbiert H₂S und CO₂[4] mit einer Reaktionsenthalpie von ca. 62 kJ/mol[1]
Diglycolamin (DGA)

Oftmals werden auch Mischungen dieser genannten Amine verwendet, um Synergieeffekte, wie eine katalytische Wirkung für die Reaktionen des Waschmittels zu nutzen.

Ein wichtiges Bewertungskriterium der verschiedenen Mischungen ist die Wärmeleistung, die im Verdampfer eingesetzt wird, um saures Gas aus dem Waschmittel zu regenerieren. Dies kann über die Wärmemenge des absorbiertem CO₂ ausgedrückt werden.

Reaktionen

Hier sind die Nettoreaktionen von H₂S und von CO₂ dargestellt.

\mathrm {R{-}NH_{2}\ +\ H_{2}S\ \rightleftharpoons \ R{-}NH_{3}^{+}\ +\ HS^{-}}

\mathrm {R{-}NH_{2}\ +\ CO_{2}\ \rightleftharpoons \ R{-}NHCOO^{-}\ +\ H^{+}}

Reaktionsnetzwerk

Ionisierung des Wassers:

${\ce {H2O <=> H+ + OH-}}$

Ionisierung des gelöstem H₂S

${\ce {H2S <=> H+ + HS-}}$

Hydrolyse und Ionisierung des gelösten CO₂

${\ce {CO2 + H2O <=> HCO3- + H+}}$

Protonisierung des Amins

${\ce {RNH2 + H+ <=> RNH3+}}$

Bildung der Carbamate

${\ce {RNH2 + CO2 <=> RNHCOO- + H+}}$

Diese Reaktionen beschreiben mögliche Pfade der Bindung von CO₂ bzw. von H₂S. Die sich einstellenden Gleichgewichtskonzentrationen hängen nach dem Gesetz von Henry von den Partialdrücken der Gase ab. Die gebildeten Carbamate stellen eine Gruppe von stabilen Reaktionsprodukten dar, die erst im Desorber wieder aufgelöst werden[1].

Bei der Absorption von CO₂ im Amin/Wasser-Gemisch löst sich zunächst das CO₂ im Wasser und bildet Kohlensäure. Die entstandene Kohlensäure zerfällt zunächst zu H+ und HCO3- -Ionen. Diese reagieren mit dem Amin. Somit wird das absorbierte CO₂ chemisch reversibel gebunden. Das chemische Gleichgewicht wird also erst bei einer deutlich höheren Beladung des Waschmittels erreicht. Über diesen Mechanismus kann ebenfalls die Selektivität eines Amins für eine Gaskomponente erklärt werden.

Verwendung

Verwendet wird dieses Verfahren u. a. in Raffinerien, petrochemischen Anlagen, im Direct-air-capture-Verfahren, in Stahlwerksprozessen,[3] in der Erdgas- und Biogasaufbereitung, in der Rauchgasentschwefelung und zur Atemluftaufbereitung in U-Booten.

Eine Möglichkeit der Emissionsreduktion ist es, das Kohlenstoffdioxid aus Rauchgasen in Kohle- und Gaskraftwerken per Aminwäsche abzutrennen und es dann zu lagern (CCS). Auch eine Nutzung als Ausgangsstoff für verschiedene chemische Synthesen ist möglich[3] (Power-to-Chemicals). Zurzeit ist dieser Verfahrenspfad nicht wirtschaftlich darzustellen.[3]

Beispielhafte Erklärung

Durch das Gedankenspiel mit kohlensäurehaltigem Mineralwasser lässt sich das Prinzip der Absorption greifbarer machen:

Ist eine Mineralwasserflasche kalt und ungeöffnet (hoher Druck im inneren) ist viel CO₂ in Form von Kohlensäure im Wasser gebunden. Dies stellt im Fall der Aminwäsche den Absorber dar. Wird die Flasche nun geöffnet (niedrigerer Druck) und ungekühlt gelagert (höhere Temperatur) löst sich das CO₂ aus der Bindung und wird an die Umgebung abgegeben. Dies stellt bei der Aminwäsche den Desorber dar. Der größte Unterschied ist, dass es sich bei der Aminwäsche um Mischungen aus Wasser und Aminen handelt, die deutlich mehr CO₂ chemisch binden können und bei der Regeneration im Desorber weniger Wärme hinzugefügt werden muss.

Siehe auch

Gaswäscher
Carbon Capture and Storage (CCS)

Einzelnachweise

Arthur L. Kohl, Richard B. Nielsen: Gas Purification. 5. Auflage. Gulf Publishing Company, 1977, ISBN 0-88415-220-0, S. 50 ff.
Klinski, Stefan.: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz : Studie ; diese Arbeit wurde im Rahmen des Projektes: "Evaluierung der Möglichkeiten zur Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz" (FKZ 22021103) erstellt. 2. Auflage. Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow 2006, ISBN 3-00-018346-9.
Bernd Overmaat: Carbon2Chem. In: ThyssenKrupp. ThyssenKrupp, abgerufen am 13. September 2019.
Stefan Klinski: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz. Hrsg.: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. 2. Auflage. Leipzig 2006, ISBN 3-00-018346-9, FKZ 22021103, S. 38–39.

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[:0-1] Arthur L. Kohl, Richard B. Nielsen: Gas Purification. 5. Auflage. Gulf Publishing Company, 1977, ISBN 0-88415-220-0, S. 50 ff.

[:2-2] Klinski, Stefan.: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz : Studie ; diese Arbeit wurde im Rahmen des Projektes: "Evaluierung der Möglichkeiten zur Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz" (FKZ 22021103) erstellt. 2. Auflage. Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe, Gülzow 2006, ISBN 3-00-018346-9.

[:1-3] Bernd Overmaat: Carbon2Chem. In: ThyssenKrupp. ThyssenKrupp, abgerufen am 13. September 2019.

[:3-4] Stefan Klinski: Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz. Hrsg.: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. 2. Auflage. Leipzig 2006, ISBN 3-00-018346-9, FKZ 22021103, S. 38–39.