Assessment of temperature swing adsorption configurations for CO2 capture on zeolite 13X

In this study, two configurations of Temperature Swing Adsorption (TSA) were assessed with the aim of evaluating their efficacy on CO2 capture on commercial adsorbent zeolite 13X within a post-combustion scenario. A Fixed Bed Laboratory Unit (FBU) with a single column was employed to obtain experimentally breakthrough curves (adsorption) and the subsequent depletion profiles (desorption). Considering a dry desulfurized flue gas stream, breakthrough curves for CO2-N2 (15/75 % v/v) in Helium were performed at 25, 50 and 75 °C. The desorption step was accomplished following two TSA regeneration strategies: a two phase desorption arrangement (configuration 1) consisting of a purging phase and then a heating-purging phase, and a one phase desorption arrangement (configuration 2) involving only the heating-purging phase. Adsorption equilibrium isotherms were also obtained for pure CO2 and N2 on zeolite 13X at the same temperatures of the dynamic tests in the range of 0-10 bar. Finally, a mathematical model formulation, considering isotherm modeling and transport phenomena balances, was performed to predict the whole adsorption-desorption profile. The results obtained on breakthrough curves showed that CO2 separation from N2 on zeolite 13X is accomplished by adsorption under the studied conditions with a meaningful preference on CO2. In regard with the desorption phase, configuration 1 may not be proper for an integration of adsorption-desorption steps once only the purge phase duplicates the time of the adsorption stage. On the other hand, configuration 2 is likely to synchronize the whole adsorption –desorption process since the regeneration time was significantly reduced by this strategy. However, configuration 1 managed to obtain full CO2 recovery with all the temperatures tested during the heating step, whereas configuration 2 reached recovery values around 92 %. Moderate temperatures (e.g. 125-150 °C) are encouraged to be used for configuration 2 regeneration strategy to avoid energy penalties. Simulations were able to reproduce well the experimental breakthrough curves, however for the desorption profiles, some discrepancies were observed.Neste estudo, foram avaliadas duas configurações de Adsorção com Modulação na Temperatura (TSA) com o objetivo de avaliar sua eficácia na captura de CO2 no adsorvente comercial zeólita 13X dentro de um cenário de pós-combustão. Uma unidade de laboratório de leito fixo, com uma única coluna, foi empregada para obter curvas de ruptura experimentais (adsorção) e os perfis de depleção subsequentes (dessorção). Considerando uma corrente seca e dessulfurada de gases de combustão, as curvas de ruptura para CO2-N2 (15/75% v/v) em Hélio foram realizadas a 25, 50 e 75 °C. A etapa de dessorção foi realizada seguindo duas estratégias de regeneração de TSA: a primeira consiste em uma fase de purga seguida de uma fase de purga junto com aquecimento (configuração 1) e, a segunda, envolvendo apenas a fase de purga com aquecimento (configuração 2). Também foram obtidas isotermas de equilíbrio de adsorção para CO2 e N2 puros nas mesmas temperaturas dos testes dinâmicos, na faixa de 0 a 10 bar. Finalmente, uma formulação de modelo matemático considerando a modelagem das isotermas de equilíbrio e os balanços de fenômenos de transporte foi realizada para prever todo o perfil de adsorção-dessorção. Os resultados obtidos nas curvas de ruptura mostraram que a separação de CO2 em N2 na zeólita 13X é atingida pelo processo de adsorção nas condições estudadas com uma preferência significativa para o CO2. No que diz respeito à fase de dessorção, a configuração 1 pode não ser adequada para a integração das etapas de adsorção-dessorção, uma vez que apenas a fase de purga duplica o tempo da etapa de adsorção. Por outro lado, a configuração 2 é susceptível de sincronizar todo o processo de adsorção-dessorção, dado que o tempo de regeneração foi significativamente reduzido por esta estratégia. No entanto, a configuração 1 conseguiu obter uma recuperação total do CO2 previamente adsorvido, com todas as temperaturas testadas durante a etapa de aquecimento, enquanto a configuração 2, atingiu valores de recuperação em torno de 92%. Temperaturas moderadas (por exemplo, 125-150 °C) são sugeridas a serem usadas para a estratégia de regeneração da configuração 2 para assim evitar altos custos de energia na fase de aquecimento. As simulações foram capazes de reproduzir bem as curvas de ruptura experimentais; no entanto, para os perfis de dessorção, observaram-se algumas discrepâncias