Tilbake til søkeresultatene

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering

Superlyophobic surfaces for efficient separation and droplet condensation of CO2

Alternativ tittel: Superlyofobe overflater for effektiv separasjon og dråpekondensering av CO2

Tildelt: kr 9,2 mill.

Prosjektnummer:

254813

Søknadstype:

Prosjektperiode:

2016 - 2021

Samarbeidsland:

Realiseringen av fullskala implementasjon av karbonfangst, transport og lagring (CCS) i nær framtid er i høyeste grad viktig for å redusere global oppvarming. For å realisere CCS i stor skala, trenger vi innovative løsninger som vil gi betydelige kostnadskutt. NanoDrop-prosjektet har hatt som mål å svare på denne utfordringen ved å forbedre prosessutstyr for kondensering og separasjon av CO2. Dette er utstyr som ofte er brukt i fangst- og transport-teknologier. Gjennom å bruke nanoteknologi for overflatestrukturering ville vi oppnå mer effektiv CO2-kondensasjon. Nanostrukturerte overflater vil kunne øke varmeovergangen og derfor øke effektiviteten i flytendegjøringsprosessen, som igjen fører til reduserte prosesskostnader. Resultatene er også anvendbare for en rekke andre prosesser som inkluderer flytendegjøring. For pre-combustion CO2-fangst har SINTEF ER i løpet av det siste tiåret utviklet en lavtemperatur separasjonsprosess. Ved bruk av eksisterende utstyr vil prosessen redusere kostnadene for CCS med 30% sammenlignet med dagens kommersielle oppsamlingssystemer i tilfeller der transport av CO2 utføres i flytende tilstand med skip. Mer effektive varmevekslere og separatorer vil ytterligere redusere kostnadene. Gjennom multiskala-modellering og eksperimentell aktivitet har NanoDrop-prosjektet kvalitativt og kvantitativt undersøkt fordelene ved å inkorporere nanoteknologi i CCS-prosessutstyr. Dette for å realisere utrulling av storskala CCS i Norge og i verden. Et eksperimentelt apparat for testing av varmeovergangen i CO2-kondensasjon på forskjellige flater ble konstruert. Produksjon av lovende mikro- og nanostrukturerte flater ble gjennomført på NTNU Nanolab og ulike overflater har blitt karakterisert og testet. Nøkkelfunksjoner i testanlegget inkluderer et trykkammer som kan fylles med CO2 med høy renhet (opptil 20 bar), en kjøleblokk inne i kammeret for å kontrollere den overflatetemperaturen ned til -55°C, og et vindu slik at vi kan visualisere kondensasjonsfenomenene med et høyhastighetskamera. Kameraet og trykkammeret er plassert i en fryser og hele laboratorieområdet er innelukket i et fuktstyrt rom for å forhindre kondens og ising, med alle prosesskontrollene (programmert i LabView) utenfor tørrommet. I løpet av prosjektet har flate overflater av kobber, aluminium, rustfritt stål, samt mikro- og nanostrukturerte kobberoverflater blitt testet i anlegget. En journalartikkel som beskriver metoden og anlegget, samt resultater fra forsøkene på flate overflater er under fagfellevurdering i "Experimental Thermal and Fluid Science". En journalartikkel med resultater fra målingene på mikro- og nanostrukturerte overflater er under fagfellevurdering i "International Journal of Heat and Mass Transfer". Her fant vi at varmeovergangen økte med over 60% på en kobberoverflate med både mikro- og nanostrukturer på samme overflate. Avansert molekylærdynamikk (MD) teori for å forstå og forutsi kondensmekanismer er viktig. I 2018 ble en journalpublikasjon på MD-resultater akseptert. Ved å bruke MD-simuleringer har vi bestemt kontaktvinkelen og kondensatferden til CO2-dråper på en jevn, solid overflate. I tillegg ble artikkelen "CO2 Wetting on Pillar-Nanostructured Substrates" publisert i 2020. Her ble storskala MD brukt for å undersøke kontaktvinkelen og fuktningsatferden til CO2-dråper på søylestrukturerte kobberlignende overflater. Funnene vil kunne bli brukt for å i fremtiden designe overflater for dråpekondensering av CO2, som vil effektivisere kondenseringsprosessen ytterligere, sammenliknet med filmkondensering. En poster fra prosjektet ble presentert på TCCS-10 I juni 2019, og en posterpresentasjon er planlagt på GHGT-15 i mars 2021. I januar 2021 ble PhD-avhandlingen: "Mechanisms and enhancements of CO2 condensation heat transfer", innsendt. Avhandlingen oppsummerer de viktigste eksperimentelle resultatene i dette prosjektet.

During the project period, one PhD and one PostDoc have submitted and completed their work. The results of the academic work are published (or under review) in international peer reviewed journals, 3 published and 2 under review. The main outcome of the project has been the development of a surface that enhance the CO2 condensation heat transfer. If implemented in process equipment, the impact will be lower energy demand of CO2 liquefaction during processing for ship transport, or as a part of the capture process. The lower energy demand is reflected in lower process costs.

The ultimate goal of the researcher project is to accelerate the process necessary for reaching full-scale CO2-capture by reducing cost and increasing energy-efficiency. The concept of NanoDrop is to combine knowledge of gas liquefaction, surface properties and nanotechnology to develop the scientific fundament for heat exchangers and separators with increased efficiency. The project aims at fabricating superlyophobic surfaces (i.e. non-wetting) for induction of dropwise condensation of CO2 on the walls of the heat exchangers and in separators, instead of filmwise condensation. The surfaces will be fabricated using methods known from nanotechnology, and will create the necessary interface tension to induce dropwise condensation. Hence, significantly increase the efficiency of the liquefaction process. The results will also be applicable for a number of other applications involving condensation.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

CLIMIT-Forskning, utvikling og demo av CO2-håndtering