MXPA00005733A - Recuperacion de dioxido de carbono con mezclas de amina compuesta - Google Patents
Recuperacion de dioxido de carbono con mezclas de amina compuestaInfo
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Abstract
Un método para recuperar dióxido de carbono mediante la absorción de dióxido de carbono de una corriente de gas hacia un solvente de recuperación de compuestos que comprende preferiblemente una concentración menor de una o más aminas de velocidad de reacción rápida y una concentración mayor de una o más aminas de velocidad de reacción len
Description
RECUPERACIÓN DE DIÓXIDO DE CARBONO CON MEZCLAS DE AMINA COMPUESTA
Campo Técnico Esta invención se relaciona generalmente con la recuperación de dióxido de carbono y, más particularmente, con la recuperación de dióxido de carbono a partir de un gas mediante la absorción en un solvente de recuperación basado en amina .
Técnica anterior Un método importante para recuperar dióxido de carbono es la absorción del dióxido de carbono a partir de fuentes de dióxido de carbono escasas, tales como gases de combustión de fuentes de combustión, a partir de la corriente de gas en un solvente de recuperación amina y la separación y recuperación subsecuente del dióxido de carbono a partir del solvente de recuperación. Se conocen dos diferentes sistemas de recuperación de dióxido de carbono y se practican comercialmente para la absorción de dióxido de carbono a partir de suministros escasos a o ligeramente por encima de la presión atmosférica. En uno de estos sistemas se usa una concentración de amina relativamente alta en el solvente de recuperación. Sin embargo, debido a que una alta concentración de amina en el solvente de recuperación causa problemas de corrosión en el procesamiento corriente abajo, el solvente de recuperación debe contener niveles efectivos de inhibidores. Esto aumenta tanto el costo como la complej idad de la recuperación del dióxido de carbono . En otro sistema de recuperación de dióxido de carbono basado en amina, se usa una concentración relativamente baja en el solvente de recuperación. Este sistema evita la necesidad costosa y complicada de usar inhibidores en el solvente de recuperación pero a expensas de equipo más grande y mayores requerimientos de energía. Hay una clara necesidad de un sistema de recuperación de dióxido de carbono basado en amina el cual permita una alta cuota de recuperación de dióxido de carbono con capital y costos de operación más bajos al mismo tiempo que evita la necesidad de emplear inhibidores en el solvente de recuperación. Las mezclas de amina se han usado antes para la absorción de dióxido de carbono a partir de gases que contienen otras especies de gases diferentes. Sin embargo, en estos casos, el gas de suministro típicamente está a una presión mayor de 7 kg/cm2 con una presión parcial del dióxido de carbono mayor de 1.75 kg/cm2. Ejemplos de estos gases incluyen gas natural, gas de horno de coque, gas de refinería y gas de sintesis. Típicamente estas mezclas de aminas emplean una alcanolamina terciaria tal como metildietanola ina en una alta concentración como el componente principal y también emplean una pequeña cantidad de un agente promotor de cuota tal como monoetanolamina, dietanolamina o piperazina. La presente invención se dirige a la recuperación de dióxido de carbono a partir de gases de suministro a una presión de aproximadamente 1.09 a 2.1 kg/cm2 y que tienen presión parcial de dióxido de carbono típicamente dentro del rango de desde 0.021 hasta 0.7 kg/crrr. Las mezclas de aminas útiles para absorción a alta presión no funcionan bien para sistemas de baja presión. De conformidad con lo anterior es un objeto de esta invención proporcionar un sistema de recuperación de dióxido de carbono basado en amina mejorado que permita alta recuperación de dióxido de carbono a partir de un sistema de baja presión.
Compendio de la Invención El anterior y otros objetos, que se harán aparentes a los expertos en la técnica después de una lectura de esta descripción, se logran mediante la presente invención, un aspecto de la cual es : Un método para recuperar dióxido de carbono que comprende : (A) pasar gas de alimentación que comprende dióxido de carbono a una presión parcial de 0.7 kg/cm o menos en contacto de transferencia de masas con solvente de recuperación que comprende agua, de 5 a 35 por ciento en peso de cuando menos una amina de velocidad de reacción rápida, y de 5 a 50 por ciento en peso de cuando menos una amina de velocidad de reacción lenta; (B) pasar dióxido de carbono del gas de suministro al solvente de recuperación para producir gas privado de dióxido de carbono y solvente de recuperación cargado con dióxido de carbono; (C) separar el dióxido de carbono del solvente de recuperación cargado con dióxido de carbono para producir fluido rico en dióxido de carbono; y (D) recuperar el fluido rico en dióxido de carbono como dióxido de carbono producto. Otro aspecto de la invención es : Un método para recuperar dióxido de carbono que comprende : (A) pasar gas de suministro que comprende dióxido de carbono a una presión parcial de 0.7 kg/cm2 o menos en contacto de transferencia de masas con solvente de recuperación que comprende agua y a cuando menos dos diferentes aminas de velocidad de reacción rápida sin amina de velocidad de reacción lenta presente en el solvente de recuperación; (B) pasar dióxido de carbono del gas de suministro al solvente de recuperación para producir dióxido de carbono privado de gas y solvente de recuperación cargado de dióxido de carbono;
(C) separar el dióxido de carbono del solvente de recuperación cargado con dióxido de carbono para producir fluido rico en dióxido de carbono; y (D) recuperar el fluido rico en dióxido de carbono como dióxido de carbono producto . Como se usa en la presente, el término "columna de absorción" significa un dispositivo de transferencia de masas que permite a un solvente conveniente absorber selectivamente el absorbato de una mezcla que contiene uno o más de otros componentes . Como se usa en la presente, el término "columna de separación" significa un dispositivo de transferencia de masas, en donde un componente tal como absorbato se separa del absorbente, generalmente mediante la aplicación de energía. Como se usa en la presente, los términos "porción superior" y "porción inferior" significan las secciones de una columna respectivamente arriba y abajo del punto medio de la columna . Como se usa en la presente, el término "intercambio de calor indirecto" significa poner dos fluidos en relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico ni intermezclar los fluidos entre sí. Como se usa en la presente, el término "inhibidor" significa un producto químico o mezcla de productos químicos que inhibe o reduce la velocidad de una reacción. Por ejemplo, el carbonato de cobre en combinación con uno o más de dihidroxietilglicina, permanganato de metal alcalino, tiocianato de metal alcalino, óxidos de níquel o bismuto con o sin carbonato de metal alcalino inhibe la degradación oxidativa de las aminas . Como se usa en la presente, el término "amina de velocidad de reacción rápida" significa una amina que puede absorber más del 70 por ciento del dióxido de carbono de una corriente de gas a o ligeramente encima de la presión atmosférica y que tiene una concentración de dióxido de carbono dentro del rango de 3 a 25 por ciento molar, en una columna de absorción que tiene menos de 50 etapas. Como se usa en la presente, el término "amina de velocidad de reacción lenta" significa una amina capaz de absorber dióxido de carbono pero que no es una amina de velocidad de reacción rápida.
Breve Descripción del Dibujo La única Figura es una representación esquemática de una modalidad preferida de la invención en donde el solvente de recuperación comprende tanto la amina de velocidad de reacción rápida como la amina de velocidad de reacción lenta.
Descripción Detallada En la práctica de esta invención se emplea un solvente de recuperación de compuestos para absorber el dióxido de carbono de una corriente de gas a baja presión. En un aspecto de la invención el solvente de recuperación del compuesto es una mezcla de dos o más aminas que tienen significativamente diferentes velocidades de reacción con respecto al dióxido de carbono. Los componentes de la mezcla compuesta trabajan sinérgicamente para efectivamente capturar y recuperar dióxido de carbono sin degradación significativa y sin la necesidad de inhibidores en el solvente de recuperación. La amina de reacción rápida, la cual si se usa a altas concentraciones podría potencialmente causar problemas de corrosión sin inhibidores, se usa en una concentración relativamente baja en el solvente de recuperación, pero a una concentración que permite la iniciación de la remoción rápida del dióxido de carbono de la corriente de gas . La amina de reacción más lenta, la cual por sí misma sería relativamente ineficaz para remover el dióxido de carbono de la corriente de gas a baja presión a menos que se permitiera un período de contacto muy largo, está presente en el solvente de recuperación en una concentración suficiente para sostener la remoción de dióxido de carbono de la corriente de gas a una velocidad aceptable en cuanto la remoción de dióxido de carbono rápida inicial comienza debido a la presencia de la amina que reacciona rápido. Juntas las dos aminas diferentes de la mezcla compuesta permite la remoción efectiva de dióxido de carbono de una corriente de gas durante un período de tiempo aceptable sin degradación corriente abajo y sin la necesidad de inhibidores costosos y complicados. Las mezclas de compuestos útiles en la práctica de esta invención permiten el uso de solvente de recuperación con una concentración total de amina alta conduciendo así a capital y costos de operación reducidos. En otro aspecto de la invención el solvente de recuperación comprende dos diferentes aminas de velocidad de reacción rápida sin la presencia de aminas de velocidad de reacción lenta. El uso de dos diferentes aminas con velocidad de reacción rápida permite desempeño aceptable sin corrosión significativa potencial permitiendo que uno prescinda del uso de una amina con velocidad de reacción lenta . La invención se describirá en mayor detalle con referencia al Dibujo. Haciendo referencia ahora la Figura, el gas de suministro 1, que típicamente ha sido enfriado y tratado para la reducción de partículas y otras impurezas tales como óxidos de azufre (SOx) y óxidos de nitrógeno (NOx) , se pasa al compresor o soplador 2 en donde se comprime a una presión generalmente dentro del rango de 1.029 a 2.1 kg/cm2. El gas de suministro 1 generalmente contiene de 2 a 30 por ciento molar y, más típicamente de 3 a 20 por ciento molar, de dióxido de carbono y a una presión parcial menor de 0.7 kg/cm2. El gas de suministro 1 también puede contener oxígeno en una concentración generalmente dentro del rango de desde 1 a 18 por ciento molar. Otras especies que pueden estar presentes en el gas de alimentación 1 incluyen nitrógeno, traza de hidrocarburos, monóxido de carbono, vapor de agua, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas. El gas de suministro escaso comprimido 3 pasa del soplador 2 hacia la porción inferior de la columna de absorción 4 la cual está operando a una temperatura generalmente dentro del rango de desde 40 a 45°C en la parte superior de la columna y a una temperatura generalmente dentro del rango de desde 50 hasta 60°C en la parte inferior de la columna. El solvente de recuperación 6 se pasa hacia la porción superior de la columna de absorción 4. El solvente de recuperación 6 comprende del 5 al 35 por ciento en peso de una o más aminas de velocidad de reacción rápida y del 5 al 50 por ciento en peso de una o más aminas de velocidad de reacción lenta. Ejemplos de aminas de velocidad de reacción rápida que se pueden usar en la práctica de esta invención incluyen monoetanolamina, dietanolamina, piperazina y diisopropanolamina. Las aminas preferidas de velocidad de reacción rápida para usarse en el solvente de recuperación en la práctica de esta invención son monoetanolamina, preferiblemente en una concentración de desde 10 al 20 por ciento en peso, más preferiblemente en una concentración de desde 12 a 15 por ciento en peso, y dietanolamina, preferiblemente en una concentración de desde 15 a 35 por ciento en peso, más preferiblemente en una concentración de desde 20 a 30 por ciento en peso. Ejemplos de aminas de velocidad de reacción lenta que se pueden usar en el solvente de recuperación en la práctica de esta invención incluyen metildietanolamina, trietanolamina y aminas esféricamente impedidas tales como 2 -amino, 2-metil, 1-propanol . La amina de velocidad de reacción lenta preferida para su uso en el solvente de recuperación en la práctica de esta invención es metildietanolamina . Un solvente de recuperación preferido para su uso en la práctica de esta invención comprende del 10 al 20 por ciento en peso de monoetanolamina, preferiblemente del 12 al 15 por ciento en peso de monoetanolamina, y del 20 al 40 por ciento en peso de metildietanolamina, preferiblemente del 25 al 35 por ciento en peso de metildietanolamina. Otro solvente de recuperación preferido para su uso en la práctica de esta invención comprende del 15 al 35 por ciento en peso, preferiblemente del 20 al 30 por ciento en peso de dietanolamina y del 15 al 40 por ciento en peso, preferiblemente del 20 al 35 por ciento en peso de metildietanolamina. La concentración de amina total en el solvente de recuperación en la práctica de esta invención, ya sea que esté o no presente una amina de velocidad de reacción lenta, está generalmente dentro del rango del 20 al 80 por ciento en peso, preferiblemente dentro del rango del 30 al 50 por ciento en peso. Además de agua, el solvente de recuperación también puede contener otras especies tales como diaminas y triaminas . Dentro de la columna de absorción 4 el gas de suministro se eleva en flujo contracorriente contra el solvente de recuperación de flujo hacia abajo. La columna de absorción 4 contiene internos de columna o elementos de transferencia de masa tales como charolas o empaques aleatorios o estructurados . Conforme se eleva el gas de suministro, el dióxido de carbono dentro del gas de suministro es absorbido en el solvente de recuperación que fluye hacia abajo dando como resultado vapor superior privado de dióxido de carbono en la parte superior de la columna 4, y en el solvente de recuperación cargado de dióxido de carbono en el fondo de la columna 4. El vapor se retira de la porción superior de la columna 4 en la corriente de gas 5 y el solvente de recuperación cargado de dióxido de carbono se retira de la porción más inferior de la columna 4 en la corriente 7, pasada a la bomba de líquido 8 y de allí hacia y a través del intercambiador de calor 10 en donde se calienta por intercambio de calor indirecto a una temperatura generalmente dentro del rango de 90 a 120°C, preferiblemente de 100 a 110°C. Si el gas de suministro 1 contiene niveles significativos de oxígeno que serían absorbidos en el solvente de recuperación como una consecuencia de contacto de transferencia de masas a contracorriente dentro de la columna de absorción 4, se prefiere que el solvente de recuperación se desoxigene antes de la separación de dióxido de carbono del solvente de recuperación. El oxígeno en el solvente de recuperación podría también surgir a través de otras fuentes tales como fugas en el equipo u oxígeno disuelto en amina o agua de repuesto. En este caso también se prefiere que el solvente de recuperación se desoxigene antes de la separación de dióxido de carbono del solvente de recuperación. La desoxigenación puede ocurrir antes de o subsecuente al calentamiento en el intercambiador de calor 10. En una práctica particularmente preferida el calentamiento que ocurre en el intercambiador de calor 10 se divide en dos pasos con la desoxigenación llevada a cabo entre estos dos pasos de calentamiento. Cualquier práctica de desoxigenación efectiva se puede usar junto con esta invención. Un método de desoxigenación preferido involucra la despresurización del solvente de recuperación para la liberación y remoción del oxígeno disuelto. Otro método de desoxigenación preferido involucra el paso del solvente de recuperación a través de una columna de separación contra gas depurador de oxígeno que fluye hacia arriba. Una fuente preferida de gas depurador de oxígeno es una pequeña corriente de división de la corriente de producto 16. Haciendo referencia de nuevo a la Figura, el solvente de recuperación cargado de dióxido de carbono se pasa del intercambiador de calor 10 en la corriente 11 hasta la porción superior de la columna de separación 12 la cual está operando a una temperatura típicamente dentro del rango de desde 100 hasta 110°C en la parte superior de la columna y a una temperatura típicamente dentro del rango de 119 a 125 °C en la parte inferior de la columna. Conforme el solvente de recuperación fluye hacia abajo a través de la columna de separación 12 sobre los elementos de transferencia de masa que pueden ser charolas o empaques aleatorios o estructurados, el dióxido de carbono dentro del solvente de recuperación se separa de la solución amina del solvente de recuperación en vapor que fluye hacia arriba, el cual generalmente es vapor, para producir vapor superior rico en dióxido de carbono y solvente de recuperación de amina restante. El fluido rico en dióxido de carbono se retira de la porción superior de la columna de separación 12 en la corriente de vapor superior 13 y pasa a través del condensador de reflujo 47 en donde se condensa parcialmente. La corriente de dos fases resultante 14 se pasa al tambor de reflujo o separador de fases 15 en donde se separa en gas dióxido de carbono y en condensado. El gas dióxido de carbono se remueve del separador de fases 15 en la corriente 16 y se recupera como fluido producto de dióxido de carbono que tiene una concentración de dióxido de carbono generalmente dentro del rango de 95 al 99.9 por ciento molar. Por "recuperado" como se usa en la presente se entiende recuperado como producto final o separado por cualquier razón tal como desecho, otro uso, procesamiento adicional o separación. El condensado, el cual comprende principalmente agua y aminas, se retira del separador de fases 15 en la corriente 17, pasa a través de la bomba de líquido 18 y como la corriente 19 hacia la porción superior de la columna de separación 12. El solvente de recuperación de amina restante el cual también contiene agua se retira de la porción inferior de la columna de separación 12 en la corriente 20 y pasa al rehervidor 21 en donde es calentado mediante intercambio de calor indirecto hasta una temperatura típicamente dentro del rango de 119 a 125 °C. En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura, el rehervidor 21 es conducido por la corriente de gas saturada 48 a una presión de 1.96 kg/cm2 o mayor, el cual se retira del rehervidor 21 en la corriente 49. El calentamiento del solvente de recuperación de amina en el reliervidor 21 conduce hacia afuera el agua la cual pasa como vapor en la corriente 22 desde el rehervidor 21 hacia la porción inferior de la columna de separación 12 en donde sirve como el vapor de flujo hacia arriba antes mencionado. El solvente de recuperación de amina resultante se retira del rehervidor 21 en la corriente líquida 23. Una porción 24 de la corriente 23 se alimenta al regenerador 25 donde este líquido se vaporiza. La adición de ceniza de sosa o sosa cáustica al regenerador facilita la precipitación de cualquier producto secundario de degradación y calienta las sales amina estables al calor. La corriente 27 representa el desecho de los productos secundarios de degradación y las sales aminas estables al calor. La solución amina vaporizada 26 puede reintroducirse en el separador como se muestra en la Figura 1. También se puede enfriar y mezclar directamente con la corriente 6 que entra a la parte superior del absorbedor 4. También, en vez del regenerador 25 mostrado en la Figura 1, se podrían emplear otros métodos tales como el intercambio de iones o electrodiálisis. La porción restante 54 del absorbente del solvente de recuperación de amina calentado 23 pasa a la bomba de solvente 35 y de allí en la corriente 29 hasta y a través del intercambiador de calor 10 en donde sirve para llevar a cabo el calentamiento adicional mencionado anteriormente del solvente de recuperación cargado de dióxido de carbono, y desde el cual emerge como solvente de recuperación de amina enfriado 34. La corriente 34 se enfría pasándola a través del enfriador 37 a una temperatura de aproximadamente 40°C para formar el solvente de recuperación enfriado 38. Una porción 40 de la corriente 38 pasa a través del filtro mecánico 41, de allí como corriente 42 a través del filtro de lecho de carbón 43, y de allí como corriente 44 a través del filtro mecánico 45 para la remoción de impurezas, sólidos, productos secundarios de degradación y sales de amina estables en calor. La corriente purificada resultante 46 se recombina con la corriente 39 la cual es el resto de la corriente 38 para formar la corriente 55. El tanque de almacenamiento 30 contiene amina con velocidad de reacción rápida adicional de repuesto. La amina con velocidad de reacción rápida se retira del tanque de almacenamiento 30 en la corriente 31 y se bombea por la bomba de líquidos 32 como la corriente 33 hacia la corriente 55. El tanque de almacenamiento 50 contiene agua de repuesto. El agua se retira del tanque de almacenamiento 50 en la corriente 51 y se bombea por la bomba de líquidos 52 como la corriente 53 hacia la corriente 55. El tanque de almacenamiento 60 contiene amina de velocidad de reacción lenta de repuesto. La amina de velocidad de reacción lenta se retira del tanque de almacenamiento 60 en la corriente 61 y se bombea por la bomba de líquidos 62 como la corriente 63 en la corriente 55. Las corrientes 33, 53 y 63 se combinan con la corriente 55 para formar la corriente de solvente de recuperación 6 para el pasaje hacia la porción superior de la columna de absorbedor 4 como se describió previamente. Aunque la invención se ha descrito en detalle con referencia a ciertas modalidades particularmente preferidas, los expertos en la técnica reconocerán que hay otras modalidades de la invención dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones .
Claims (10)
1. Un método para recuperar dióxido de carbono que comprende : (A) pasar gas de suministro que comprende dióxido de carbono a una presión parcial de 0.7 kg/cm2 o menos en contacto de transferencia de masas con solvente de recuperación que comprende agua, de 5 a 35 por ciento en peso de cuando menos una amina de velocidad de reacción rápida, y de 5 a 50 por ciento en peso de cuando menos una amina de velocidad de reacción lenta; (B) pasar dióxido de carbono del gas de suministro al solvente de recuperación para producir gas privado de dióxido de carbono y solvente de recuperación cargado con dióxido de carbono; (C) separar el dióxido de carbono del solvente de recuperación cargado con dióxido de carbono para producir fluido rico en dióxido de carbono; y (D) recuperar el fluido rico en dióxido de carbono como dióxido de carbono producto.
2. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación está sustancialmente libre de inhibidores .
3. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación cargado con dióxido de carbono adicional ¡mente contiene oxígeno disuelto, además comprende desoxigenar el solvente de recuperación cargado de dióxido de carbono antes de la separación del paso (C) .
4. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación comprende del 10 al 20 por ciento en peso de monoetanolamina .
5. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación comprende del 15 al 35 por ciento en peso de dietanolamina.
6. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación comprende del 10 al 20 por ciento en peso de monoetanolamina y del 20 al 40 por ciento en peso de metildietanolamina .
7. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación comprende del 12 al 15 por ciento en peso de monoetanolamina y del 25 al 35 por ciento en peso de metildietanolamina.
8. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación comprende del 15 al 35 por ciento en peso de dietanolamina y del 15 al 40 por ciento en peso de metildietanolamina.
9. El método de la reivindicación 1 en donde el solvente de recuperación comprende del 20 al 30 por ciento en peso de dietanolamina y del 20 al 35 por ciento en peso de metildietanolamina.
10. Un método para recuperar dióxido de carbono que comprende : (A) pasar gas de suministro que comprende dióxido de carbono a una presión parcial de 0.7 kg/c o menos en contacto de transferencia de masas con solvente de recuperación que comprende agua y cuando menos dos diferentes aminas de velocidad de reacción rápida sin amina de velocidad de reacción lenta presente en el solvente de recuperación; (B) pasar dióxido de carbono del gas de suministro al solvente de recuperación para producir dióxido de carbono privado de gas y solvente de recuperación cargado de dióxido de carbono ; (C) separar el dióxido de carbono del solvente de recuperación cargado con dióxido de carbono para producir fluido rico en dióxido de carbono; y (D) recuperar el fluido rico en dióxido de carbono como dióxido de carbono producto. Un método para recuperar dióxido de carbono mediante la absorción de dióxido de carbono de una corriente de gas hacia un solvente de recuperación de compuestos que comprende preferiblemente una concentración menor de una o más aminas de velocidad de reacción rápida y una concentración mayor de una o más aminas de velocidad de reacción lenta.
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