BR112012033680B1

BR112012033680B1 - solução aquosa capaz de absorver e coletar dióxido de carbono em gás de exaustão com eficiência alta e recuperação de dióxido de carbono

Info

Publication number: BR112012033680B1
Application number: BR112012033680A
Authority: BR
Inventors: Alam Chowdhury Firoz; Okabe Hiromichi; Goto Kazuya; Onoda Masami; Matsuzaki Yoichi
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2019-12-10
Also published as: EP2589424A1; CN103002971B; EP2589424A4; BR112012033680A2; JP2012011309A; JP5449059B2; EP2589424B1; KR20130032377A; AU2011271893A1; WO2012002394A1; KR101432951B1; US20130101493A1; AU2011271893B2; CN103002971A

Abstract

solução aquosa capaz de absorver e coletar dióxido de carbono em gás de exaustão com eficiência alta. divulgada é uma solução aquosa para absorver e recuperar dióxido de carbono de um gás contendo dióxido de carbono, a solução aquosa contendo 50 a 70% em peso de um composto de amina secundária representado pela fórmula (1) em que r representa um grupo alquila de cadeia reta ou ramificada tendo 3 a 5 átomos de carbono; e um tensoativo. também divulgado é um método para absorver e recuperar dióxido de carbono usando a soução aquosa.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SOLUÇÃO AQUOSA CAPAZ DE ABSORVER E COLETAR DIÓXIDO DE CARBONO EM GÁS DE EXAUSTÃO COM EFICIÊNCIA ALTA E MÉTODO DE ABSORÇÃO E RECUPERAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO".

Campo Técnico A presente invenção refere-se a uma solução aquosa para absorver e recuperar dióxido de carbono (CO2) contido em um gás. A presente invenção refere-se ainda a um método para absorver e recuperar dióxido de carbono usando a solução aquosa. Técnica Anterior Nos anos recentes, desastres e mudanças climáticas frequentes que são presumidos serem causados por aquecimento global tiveram uma séria influência sobre a produção agrícola, condições de vida, consumo de energia, etc. Este aquecimento global é considerado ser causado por um aumento em gases do efeito estufa atmosféricos, tais como dióxido de carbono, metano, óxido nitroso, e CFCs, em associação com um aumento na atividade humana. O principal gás entre os gases do efeito estufa é dióxido de carbono atmosférico, e existe assim uma necessidade urgente para uma medida para reduzir emissões de dióxido de carbono.

Exemplos de fontes de dióxido de carbono incluem usinas termelétricas, caldeiras industriais, e fornos de cimento usando carvão, petróleo pesado, gás natural, etc., como um combustível; altos-fornos de siderúrgicas onde óxido de ferro é reduzido usando coque; automóveis, embarcações, aeronaves, e equipamento de transporte semelhante usando gasolina, petróleo pesado, petróleo leve, etc., como um combustível; e semelhantes. Exceto para o equipamento de transporte, as fontes mencionadas acima de dióxido de carbono são instalações fixas, que espera-se que sejam facilmente adaptadas para implementar medidas de redução da emissão de CO2. Vários métodos já são conhecidos para recuperar o dióxido de carbono do gás de exaustão, e uma variedade ampla de métodos estão correntemente sob pesquisa.

Por exemplo, um método compreendendo levar um gás contendo dióxido de carbono em contato com uma solução de alcanolamina aquosa em uma torre de absorção para absorver dióxido de carbono na solução é bem conhecido. Exemplos de alcanolaminas conhecidas incluem monoeta-nolamina (em seguida algumas vezes referida como MEA), dietanolamina (DEA), trietanolamina (TEA), metildietanolamina (MDEA), diisopropanolami-na (DIPA), diglicolamina (DGA), e semelhantes. MEA é geralmente usada.

Entretanto, o uso de uma tal solução de alcanolamina aquosa como uma solução de absorção requer o uso de aço resistente à corrosão caro como o material de equipamento ou uma redução na concentração de amina na solução de absorção, porque uma tal solução é altamente corrosiva para o material de equipamento. Além disso, é difícil separar o dióxido de carbono absorvido, e a solução portanto deve ser aquecida a uma temperatura tão alta quanto 120°C para separar e recuperar o dióxido de carbono. Isto é porque o calor da reação entre dióxido de carbono e amina, por exemplo, MEA, é tão alto quanto 80 kJ/mol-CO2, e uma grande quantidade de e-nergia é portanto necessária para separar o dióxido de carbono. Por exemplo, para recuperar o dióxido de carbono em uma usina termoelétrica por este método, a energia extra que corresponde a 20% da energia elétrica gerada é necessária. Em uma época quando a redução de emissões de dióxido de carbono, economia de energia, e economia de recurso são desejadas, este consumo de energia alto é um principal impedimento para a realização de um sistema de absorção e recuperação de dióxido de carbono, e uma técnica para recuperar o dióxido de carbono com consumo de energia baixo foi muito procurada.

Por exemplo, a Literatura de Patente (PTL) 1 descreve um método de remover o dióxido de carbono do gás de exaustão de combustão, o método compreendendo levar o gás de exaustão de combustão na pressão atmosférica em contato com uma solução aquosa de uma assim chamada "amina impedida" para absorver o dióxido de carbono na solução aquosa. A "amina impedida" tem um impedimento estérico em torno do grupo amino, tal como um grupo alquila. A Literatura de Patente 1 divulga usando 2-metilaminoetanol (em seguida algumas vezes referido como MAE) ou 2-etilaminoetanol (em seguida algumas vezes referido como EAE) como uma amina impedida nas Exemplos. Nos Exemplos da Literatura de Patente 1, uma solução aquosa contendo 30% em peso de MAE ou EAE foi usada. Embora não usadas nos Exemplos, outras aminas tais como 2-isopropilaminoetanol (em seguida algumas vezes referido como "IPAE") são também mencionadas como exemplos de amina impedidas. A Literatura de Patente 2 divulga uma solução de absorção consistindo apenas em 2-isopropilaminoetanol (IPAE), que também é uma amina impedida. A Literatura de Patente 2 menciona o excelente desempenho da absorção e separação como uma característica desta solução de absorção. Entretanto, como mostrado nos Exemplos Comparativos 1 e 2, a Literatura de Patente 2 divulga que quando a concentração é aumentada para 60% em peso para obter recuperação mais eficiente de dióxido de carbono, a taxa de absorção de CO2 e a quantidade de CO2 separado são muito reduzidas, resultando na deterioração no desempenho da solução de absorção, e as propriedades da amina impedida não são portanto completamente utilizadas.

Um componente de amina, que é um ingrediente ativo de uma solução de absorção de dióxido de carbono, é geralmente usado em uma concentração molar de 3 a 5 mol/L e em uma concentração em peso de 35 a 50%, como mostrado em muitos Exemplos. É conhecido que o uso deste em uma concentração alta deteriora todas as propriedades. Isto é presumivelmente porque um aumento na concentração de amina em uma solução de absorção aumenta a viscosidade da solução de absorção, que causa, por exemplo, uma redução, em particular, na taxa de absorção de CO2, assim como uma redução no desempenho de transferência de calor.

Por outro lado, um aumento na concentração de amina em uma solução de absorção aumenta a quantidade de dióxido de carbono recuperado por ciclo das etapas de absorção e liberação. Se, portanto, o uso de uma concentração alta de amina torna-se possível, seria vantajoso em obter um efeito, isto é, reduzir o consumo de energia necessário para a recuperação de CO2 por peso unitário. A Literatura de Patente 3 divulga que quando dióxido de carbono é formado em microbolhas para ser recuperado e armazenado sob o fundo do mar ou no solo, a adição de um tensoativo pode impedir que microli-guem-se entre si, e a vida útil das microbolhas deste modo pode ser prolongada. Entretanto, o propósito de usar um tensoativo e o efeito obtido deste modo são diferentes do propósito empregado e do efeito obtido em relação à solução de alcanolamina aquosa da presente invenção.

Lista de Citação Literatura de Patente PTL 1: Patente Japonesa Ns 2871334 PTL 2: Publicação de Patente Japonesa Não Examinada N2 2009-6275 PTL 3: Publicação de Patente Japonesa Não Examinada Ne 2004-50167 Sumário da Invenção Problema Técnico Devido aos problemas descritos acima da técnica anterior, um objetivo da presente invenção é fornecer uma solução aquosa capaz de recuperar o dióxido de carbono de pureza alta com consumo de energia baixo, a solução aquosa sendo capaz de não apenas absorver o dióxido de carbono de um gás com eficiência alta, mas também separar 0 dióxido de carbono da solução aquosa com eficiência alta. Mais especificamente, um objetivo da presente invenção é fornecer uma solução aquosa contendo amina impedida em uma concentração alta, como uma solução de absorção com propriedades excelentes comparadas àquelas de soluções de amina convencionais. Porque a solução aquosa obtém uma grande quantidade de CO2 absorvido e uma grande quantidade de CO2 separado por quantidade unitária, com consumo de energia baixo para separação de CO2, a solução aquosa pode recuperar 0 dióxido de carbono de pureza alta absorvendo-se e separando-se eficientemente o dióxido de carbono.

Solução para o Problema De modo a melhorar a eficiência no momento da absorção de CO2, os presentes inventores conduziram pesquisa extensa sobre uma solução de absorção para recuperar o dióxido de carbono. Mais especificamente, os inventores realizaram uma etapa de absorção de CO2 usando soluções de absorção contendo várias alcanolaminas (tipo de amina impedida) em uma concentração alta, seguido por separação de CO2 de cada solução de absorção.

Depois foi descoberto que quando uma solução de absorção contendo uma quantidade pequena de um tensoativo e 50 a 70% em peso de N-alquil alcanolamina, isto é, uma amina impedida, é usada para coletar dióxido de carbono de um gás contendo dióxido de carbono de exaustão, e quando uma etapa de separação é realizada subsequente a uma etapa de absorção, é possível obter uma grande quantidade de absorção de CO2 e uma taxa de absorção de CO2 aumentada, assim como uma quantidade muito melhorada de CO2 recuperado por ciclo de absorção e separação por quantidade unitária de solução de absorção. Como um resultado, os inventores descobriram que a energia necessária para separar e recuperar o dióxido de carbono pode ser reduzida. A presente invenção foi realizada deste modo.

Em geral, a maioria das aminas impedidas têm uma estrutura tal que o grupo amino é substituído com um grupo alquila em massa, e assim têm hidrofilicidade baixa. Por esta razão, é considerado que quando eles são usados em uma concentração alta, a viscosidade aumentaria, causando problemas tal como uma redução na quantidade de absorção de CO2 e uma redução na taxa de absorção de CO2.

Entretanto, como um resultado de um estudo extenso sobre a associação entre várias propriedades físicas e desempenho de absorção em termos de uma solução aquosa de concentração alta, foi descoberto que a tensão superficial da solução de absorção é associada com o desempenho da solução de absorção. Foi descoberto ainda que quando a solução de absorção contém um tensoativo, a tensão superficial diminui devido à presença do tensoativo, deste modo impedindo uma redução na taxa de absorção mesmo quando a solução de absorção tem uma concentração alta. Como um resultado de um estudo sobre a associação entre a adição de vários tensoativos e o desempenho de absorção, foi descoberto que de modo a impedir uma redução na taxa de absorção quando a concentração é mais alta do que aquela convencionalmente empregada, a tensão superficial da solução de absorção em uma temperatura habitual (25°C) deve ser ajustada para 30 mN/m ou menos.

Devido ao acima, problemas convencionais foram resolvidos, permitindo o fornecimento de uma solução aquosa que obtém uma quantidade aumentada de absorção de CO2, que exibe desempenho de absorção em obter uma grande quantidade de carga (a diferença entre a quantidade de CO2 absorvido e a quantidade de CO2 separado por ciclo), e que pode recuperar o dióxido de carbono de pureza alta com consumo de energia mais baixo do que aquele convencionalmente necessário para absorver e separar o dióxido de carbono.

Mais especificamente, a presente invenção compreende as características constituintes do Item 1 ao Item 7 seguintes.

Item 1. Um solução aquosa para absorver e recuperar o dióxido de carbono de um gás contendo dióxido de carbono, a solução aquosa compreendendo: 50 a 70% em peso de um composto de amina secundária representado pela Fórmula (1): em que R representa um grupo alquila de cadeia reta ou ramificada tendo 3 a 5 átomos de carbono; e um tensoativo.

Item 2. A solução aquosa de acordo com o Item 1, em que o tensoativo é incluído em uma concentração de 10 a 1.500 ppm em peso.

Item 3. A solução aquosa de acordo com o Item 1 ou 2, em que R é um grupo isopropila ou um grupo n-butila, e o tensoativo é um composto tendo um grupo perfluoroalquila não iônico.

Item 4. A solução aquosa de acordo com o Item 1 ou 2, em que R é um grupo isopropila ou um grupo n-butila, e o tensoativo é um composto tendo um grupo perfluoroalquila anfolítico.

Item 5. A solução aquosa de acordo com o Item 1 ou 2, em que R é um grupo isopropila ou um grupo n-butila, e o tensoativo é um composto de éter alquílico de polioxietileno não iônico.

Item 6. A solução aquosa de acordo com qualquer um dos Itens 1 a 5, em que a solução aquosa tem uma tensão superficial de 30 mN/m ou menos a 25°C.

Item 7. Um método para absorver e recuperar dióxido de carbono, o método compreendendo: (1) levar um gás contendo dióxido de carbono em contato com a solução aquosa de qualquer um dos Itens 1 a 6 para absorver o dióxido de carbono do gás; e (2) aquecer a solução aquosa com o dióxido de carbono absorvido obtido em (1) acima para separar e recuperar o dióxido de carbono.

Efeitos Vantajosos da Invenção A solução de alcanolamina aquosa de concentração alta contendo um tensoativo da presente invenção obtém um efeito, isto é, obtém uma quantidade aumentada de dióxido de carbono recuperado por ciclo de absorção e separação. Além disso, o uso da solução de absorção de concentração alta obtém um efeito, isto é, obtém uma redução no calor de absorção por mol de dióxido de carbono, comparado a um caso onde uma solução de absorção de concentração baixa é usada; e o consumo de energia necessário para a recuperação de dióxido de carbono por peso unitário é assim reduzido. Consequentemente, a solução aquosa da presente invenção pode absorver eficientemente o dióxido de carbono de um gás e separar o dióxido de carbono absorvido para recuperar o dióxido de carbono de pureza alta, com consumo de energia baixo. Além disso, um aumento na eficiência em absorção e separação de dióxido de carbono causa uma redução na quantidade de um fluxo de circulação em um ciclo de absorção e separação, fazendo a redução de torres de absorção, torres de separação, e equipamento associado com tais torres possíveis. Como um resultado, um efeito em termos de reduzir a quantidade de investimento e o custo de operação pode ser produzido.

Além disso, a monoetanolamina usada para absorver dióxido de carbono é geralmente altamente corrosiva para materiais metálicos, tal como aço-carbono. É considerado que a corrosividade deste aumenta, em particular, em uma concentração alta. Entretanto, as soluções aquosas de N-alquilaminas usadas na presente invenção têm uma corrosividade baixa, e um aumento na corrosividade não é observado mesmo em uma concentração alta. Isto é vantajoso porque um aço resistente à corrosão de grau alto caro não é necessário na construção da usina.

Descrição das Formas de realização Em seguida, a presente invenção é descrita em detalhe.

Solução aquosa para absorver e recuperar dióxido de carbono A solução aquosa da presente invenção usada para absorver e recuperar o dióxido de carbono de um gás contendo dióxido de carbono tem uma característica em que ela compreende 50 a 70% em peso de um composto de amina secundária representado pela Fórmula (1): 1 em que R representa um grupo alquila de cadeia reta ou ramificada tendo 3 a 5 átomos de carbono; e um tensoativo.

Exemplos específicos de R incluem n-propila, isopropila, n-butila, isobutila, sec-butila, n-pentila, isopentila, e semelhantes. Destes, isopropila, n-butila, e isobutila são preferíveis, com isopropila e n-butila sendo mais preferíveis. O composto (1) pode ser usado isoladamente ou em uma combinação na solução aquosa da presente invenção. A solução aquosa da presente invenção contém um composto de amina secundária representado pela Fórmula (1) em uma concentração de geralmente 50 a 70% em peso, preferivelmente 52 a 70% em peso, e mais preferivelmente 54 a 66% em peso. Quando a concentração é 71% em peso ou maior, o efeito de redução da tensão superficial seria insuficiente, e um efeito satisfatório em termos de melhorar a taxa de absorção não pode ser facilmente obtido.

Em geral, aminas impedidas são aminas excelentes tendo um calor de absorção baixo e desempenho de separação alto, diferente das monoetanolaminas. A razão para isto é atribuível à diferença em uma reação com dióxido de carbono. De acordo com a medição de 13C-RMN, a reação de monoetanol com dióxido de carbono é acompanhada principalmente pela formação de ligações de carbamato. É conhecido, entretanto, que quando uma amina impedida da Fórmula (1), em que o número dos átomos de carbono de R não é limitado, é usado, tanto ligações de carbamato quanto ligações de bicarbonato são formadas. Por exemplo, quando etilaminoetano-lamina, em que R é um grupo etila, é usada, a formação das ligações de carbamato considera tão alto quanto cerca de 30%. Entretanto, quando o Composto (1) da presente invenção, em que R é um grupo alquila de cadeia reta ou ramificada tendo 3 a 5 átomos de carbono, é usado, o modo de ligação entre dióxido de carbono e o composto de amina é tal que um número mínimo de ligações de carbamato é formado; a reação deste com dióxido de carbono principalmente resultou na formação de ligações de bicarbonato que têm um calor de absorção baixo. Isto contribui para a expressão de desempenho excelente para resolver o problema, isto é, para obter uma redução no consumo de energia para a recuperação.

Como descrito acima, a solução aquosa da presente invenção também tem uma característica em que ela tem um calor de absorção baixo no momento da absorção de dióxido de carbono, comparado a uma solução aquosa de concentração baixa. Por exemplo, o calor de absorção por mol do ponto inicial da reação de absorção ao ponto onde dióxido de carbono é absorvido a uma razão molar de 0,6 em relação à amina é 76,6 kJ/mol-CO2 quando a concentração de IPAE é 30% em peso, e é tão baixa quanto 70,2 kJ/mol-CO2 quando a concentração de IPAE é tão alta quanto 60% em peso.

Isto é devido às razões seguintes: na estrutura de amina impedida da presente invenção, a reação entre dióxido de carbono e amina é principalmente acompanhada pela formação de ligações de bicarbonato, como descrito a-cima, e o calor de absorção é atribuído à formação de pares de íon entre í-ons bicarbonato e aminas protonadas, assim como a solvatação com água usada como um solvente. Como tal, é presumido que porque a concentração da solução aquosa é feita mais alta, a estrutura estável de cada íon na solução aquosa e a solvatação sofrem uma mudança, causando uma redução do calor de absorção. O calor de absorção da absorção de dióxido de carbono corresponde ao calor necessário para a separação de dióxido de carbono. Portanto, uma redução no calor de absorção pode obter uma redução no consumo de energia necessária para separar o dióxido de carbono, deste modo produzindo um efeito que contribui para uma redução no consumo de energia necessária para a recuperação de dióxido de carbono. O seguinte descreve os efeitos e tipos de um tensoativo que é um elemento constituinte da presente invenção.

Como descrito acima, quando uma solução de amina aquosa tem uma concentração alta, a quantidade de CO2 recuperado por ciclo de absorção e liberação por peso unitário de solução de absorção aumenta, produzindo um efeito em termos de melhorar a eficiência da recuperação de CO2 e reduzindo o consumo de energia necessária para a recuperação de CO2; entretanto, a taxa de absorção é reduzida, e uma quantidade de absorção de dióxido de carbono predeterminada portanto não pode ser obtida. Isto é provavelmente porque o uso de uma solução de amina aquosa de concentração alta reduz a eficiência de contato do dióxido de carbono com a solução de absorção.

Os presentes inventores conduziram um estudo detalhado sobre a relação entre várias propriedades da solução de absorção de concentração alta e a taxa de absorção de CO2. Como um resultado, os inventores descobriram que a tensão superficial, em particular, entre as propriedades da solução de absorção serve como um fator de controle chave. Em uma reação de absorção de dióxido de carbono com o uso de uma solução de amina aquosa, isto é, uma reação de contato de gás-líquido, a eficiência na interface de contato entre um gás e um líquido desempenha um papel importante, e é presumido que em uma solução de absorção de concentração alta, uma redução na tensão superficial é associada com uma melhora na eficiência de contato.

Na amina impedida da presente invenção, o grupo amino é substituído com um grupo alquila. É considerado que quando o grupo alquila está com uma cadeia de carbono mais longa e um grau mais alto de ramificação, a hidrofilicidade é reduzida ainda mais, diminuindo a solubilidade em água. Por exemplo, a Literatura de Patente 2 divulga que quando IPAE, em que o grupo R é isopropila, é usado em uma solução de absorção em uma concentração tão alta quanto 60% em peso, a taxa de absorção seria reduzida.

Quando IPAE, que é um dos compostos da presente invenção, é usado em um teste de absorção predeterminado, a taxa de absorção da solução aquosa em uma concentração de 30% em peso foi 5,0 g/L/min, e a taxa de absorção da solução aquosa em uma concentração de 60% em peso foi reduzida para 2,9 g/L/min. Para tratar uma tal redução na taxa de absorção da solução de absorção de concentração alta, concentração em peso de 100 ppm de um tensoativo não iônico foi adicionada a cada uma das soluções de absorção anteriormente mencionadas. Consequentemente, a taxa de absorção da solução aquosa a 30% em peso foi 5,2 g/L/min, e a adição do tensoativo assim não afetou muito sua taxa de absorção. Ao contrário, a taxa de absorção da solução de absorção a 60% em peso aumentou para 4,7 g/L/min, e a adição do tensoativo assim aumentou efetivamente sua taxa de absorção. A taxa de absorção usada aqui refere-se à quantidade de dióxido de carbono absorvido por minuto no ponto que 1/2 da quantidade de absorção de saturação de dióxido de carbono é absorvida enquanto dióxido de carbono é absorvido em uma solução de absorção ao ponto de saturação a 40°C. Se a taxa de absorção é 4,5 g/L/min ou mais, a taxa é considerada ser industrialmente empregável. O efeito descrito acima do tensoativo sobre a solução de amina aquosa de concentração alta é presumivelmente atingido pelas razões seguintes: quando o tensoativos mencionado acima é adicionado à solução aquosa a 30 ou 60% em peso contendo IPAE, a tensão superficial da solução aquosa a 30% em peso em uma temperatura habitual é 45 mN/m (a tensão superficial é 78 mN/m quando IPAE não está contido), enquanto a tensão superficial da solução aquosa a 60% em peso é muito reduzida para 24 mN/m. Uma tal redução na tensão superficial resulta em uma melhora na taxa de absorção. É presumido que uma melhora na molhabilidade, que facilita a eficiência de contato entre dióxido de carbono e a solução de absorção na superfície da solução de absorção na reação de gás-líquido, causa uma melhora na taxa de absorção.

Tensoativos são geralmente classificados em tensoativos aniô-nicos, catiônicos, anfolíticos e não iônicos, dependendo da porção da estrutura do composto que induz a atividade superficial. Na presente invenção, qualquer um destes tensoativos pode ser usado. Exemplos de tensoativos aniônicos utilizáveis incluem ácido alquilbenzeno sulfônico, ácido monoalquil fosfórico, e semelhantes. Exemplos de tensoativos catiônicos utilizáveis incluem sal de alquil trimetilamônio, e semelhantes. Exemplos de tensoativos anfolíticos utilizáveis, que têm tanto uma porção aniônica quanto uma porção catiônica na mesma molécula, incluem óxido de alquildimetilamina e semelhantes. Exemplos de tensoativos não iônicos utilizáveis incluem éter alquí-lico de polioxietileno (em seguida algumas vezes referido como "PEG") e semelhantes. Tensoativos tendo um átomo de flúor em seu composto também podem ser usados na presente invenção. Tais tensoativos também são classificados em quatro tipos, dependendo das propriedades da porção que induz atividade superficial. Qualquer tipo destes tensoativos também pode ser usado. Exemplos de compostos de tensoativos fluoroquímico incluem vários tensoativos comercialmente disponíveis contendo álcool perfluoroal-quílico, ácido perfluoroalquil sulfônico, e semelhantes, como um componente. O tensoativo usado na presente invenção é determinado de a-cordo com, por exemplo, o tipo e concentração de amina na solução aquosa, assim como a temperatura durante o uso. Preferidos são compostos contendo flúor e compostos com base em éter alquílico de polioxietileno. Como compostos contendo flúor, um composto tendo um grupo perfluoroalquila não iônico ou anfolítico é particularmente preferível. Exemplos de compostos tendo um grupo perfluoroalquila não iônico incluem Surflon S-141 (produzido pela AGC Seimi Chemical Co., Ltd.). Exemplos de compostos tendo um grupo perfluoroalquila anfolítico incluem Surflon S-131 (produzido pela AGC Seimi Chemical Co., Ltd.). O teor do tensoativo na solução aquosa da presente invenção é idealmente determinado de acordo com, por exemplo, os tipos de amina e tensoativo a serem usados. É geralmente suficiente usar um tensoativo em uma quantidade pequena. O tensoativo é usado em uma quantidade de preferivelmente 10 a 1.500 ppm, mais preferivelmente 20 a 1.000 ppm, ainda mais preferivelmente 20 a 800 ppm, e particular e preferivelmente 30 a 700 ppm, em uma base em peso, com base na solução aquosa. A quantidade ideal do tensoativo pode ser determinada conduzindo-se um teste em que várias quantidades de tensoativo são adicionadas às soluções de absorção contendo diferentes tipos de aminas em diferentes concentrações. A adição de tensoativo em uma quantidade excessiva causa problemas, tais como espumação da solução. O tensoativo pode ser adicionado como é, ou pode estar na forma de um solvente que não afeta a absorção e separação, por exemplo, uma solução, tal como álcool.

Os compostos de amina secundária representados pela Fórmula (1) e os tensoativos descritos acima estão comercialmente disponíveis ou podem ser produzidos por um método conhecido. A tensão superficial da solução aquosa da presente invenção é preferivelmente 30 mN/m ou menos, mais preferivelmente 28 mN/m ou menos, e ainda mais preferivelmente 20 a 27 mN/m, a 25°C. Quando a tensão superficial está na faixa mencionada acima, a taxa de absorção de CO2 pode ser melhorada na solução aquosa da presente invenção contendo uma ami- na em uma concentração alta. A tensão superficial usada na presente invenção refere-se a um valor medido por um método da gota suspensa (método da gota pendente) usando um Drop Master 300 (Kyowa Interface Sci-ence Co., Ltd.) a 25°C.

Exemplos de um gás contendo dióxido de carbono incluem gás de exaustão das seguintes instalações: usinas termoelétricas, caldeiras industriais, ou fornos de cimento usando petróleo pesado, gás natural, ou semelhantes como um combustível; altos-fornos de siderúrgicas, onde óxido de ferro é reduzido com coque; conversores de siderúrgicas, onde carbono em ferro fundido é queimado para fabricar aço; e semelhantes. O gás contém dióxido de carbono em uma concentração de geralmente cerca de 5 a 30% em volume, e particularmente cerca de 6 a 25% em volume. Quando a concentração de dióxido de carbono está na faixa mencionada acima, o e-feito operacional da presente invenção é vantajosamente fornecido. O gás contendo dióxido de carbono também pode conter um gás tal como vapor d’água, CO, H2S, COS, SO2, e hidrogênio, além do dióxido de carbono. Método para absorver e recuperar dióxido de carbono O método para absorver e recuperar dióxido de carbono da presente invenção tem uma característica em que ele compreende as etapas seguintes: (1) levar um gás contendo dióxido de carbono em contato com a solução aquosa descrita acima para absorver dióxido de carbono do gás; e (2) aquecer a solução aquosa com 0 dióxido de carbono absorvido obtido em (1) acima para separar e recuperar o dióxido de carbono.

Etapa de absorção de dióxido de carbono O método da presente invenção compreende a etapa de levar um gás contendo dióxido de carbono em contato com a solução aquosa descrita acima para permitir que a solução absorva dióxido de carbono do gás. O método para levar um gás contendo dióxido de carbono em contato com a solução aquosa contendo N-alquil aminoetanol, que é uma amina impedida, representada pela Fórmula (1) não é particularmente limitado. E-xemplos do método incluem um método compreendendo borbulhar um gás contendo dióxido de carbono na solução aquosa para permitir que a solução absorva dióxido de carbono; um método compreendendo pulverizar por névoa a solução aquosa em uma corrente gasosa contendo dióxido de carbono (método de nebulização ou pulverização); um método compreendendo levar um gás contendo dióxido de carbono em contato em contracorrente com a solução aquosa em uma torre de absorção contendo um enchedor de porcelana ou malha metálica; e semelhantes. O gás contendo dióxido de carbono é absorvido na solução a-quosa em uma temperatura geralmente de 60°C ou menos, preferivelmente 50°C ou menos, e mais preferivelmente cerca de 20 a 45°C. Quanto mais baixa a temperatura, maior a quantidade de CO2 absorvido. Até que ponto a temperatura deve ser reduzida é determinado de acordo com a temperatura de gás do gás de exaustão, alvo de recuperação térmica, e outros fatores. A absorção de dióxido de carbono é geralmente realizada aproximadamente na pressão atmosférica. Para realçar o desempenho de absorção, a pressão pode ser aumentada a níveis mais altos. Para reduzir o consumo de energia necessária para compressão, a absorção é preferivelmente realizada na pressão atmosférica. O gás contendo dióxido de carbono é o mesmo como aqueles descritos acima.

Etapa de separação de dióxido de carbono O método da presente invenção compreende a etapa de aquecer a solução aquosa obtida na etapa de absorção de dióxido de carbono para separar e recuperar o dióxido de carbono.

Exemplos do método de separar dióxido de carbono da solução aquosa com 0 dióxido de carbono absorvido para recuperar dióxido de carbono de pureza alta ou concentração alta incluem um método de separação compreendendo aquecer e borbulhar a solução aquosa usando um vaso como na destilação; um método compreendendo aquecer a solução aquosa em uma torre de placa, uma torre de pulverização, ou uma torre de separação contendo um enchedor de porcelana ou malha metálica para aumentar a interface de contato do líquido; e semelhantes. Dióxido de carbono é deste modo solto e liberado do íon bicarbonato.

Dióxido de carbono é separado em uma temperatura de solução de geralmente 70°C ou mais, preferivelmente 80°C ou mais, e mais preferivelmente cerca de 90 a 120°C. Quanto mais alta a temperatura, maior a quantidade de CO2 absorvido. Entretanto, um aumento na temperatura requer um aumento na energia para aquecer a solução de absorção. Portanto, a temperatura é determinada de acordo com a temperatura de gás durante o processo, alvo de recuperação térmica, e outros fatores. A solução de amina aquosa da qual dióxido de carbono foi separado é transferida de volta para a etapa de absorção de dióxido de carbono para uso cíclico (a ser reciclado). O calor aplicado na etapa de separação de dióxido de carbono é efetivamente usado no processo cíclico para aumentar a temperatura de uma solução aquosa a ser transferida para a etapa de separação de dióxido de carbono, por meio de troca de calor com esta solução aquosa. Desta maneira, uma redução no consumo de energia no processo de recuperação inteiro pode ser obtida. O dióxido de carbono assim recuperado geralmente tem uma pureza de 98 a 99% em volume, e tem uma pureza muito alta de 99,0 a 99,9% em volume quando o processo é mais adequadamente e estavel-mente conduzido. O dióxido de carbono recuperado pode ser usado como, por exemplo, produtos químicos, materiais de partida para a síntese de substâncias poliméricas, e como refrigerantes para produtos alimentícios congelados. Também é possível isolar e armazenar o dióxido de carbono recuperado em instalações subterrâneas, etc., a tecnologia para as quais está correntemente em desenvolvimento.

Exemplos A presente invenção é descrita abaixo em detalhe com referência aos Exemplos. A presente invenção não é limitada a estes Exemplos.

Exemplo 1 Um frasco de depuração de gás de vidro foi imerso em um banho de água de temperatura constante cuja temperatura do líquido foi ajustada para 40°C. Este frasco foi enchido com 50 mL de uma solução aquosa (solução de absorção) contendo 55% em peso de IPAE (reagente, produzido pela Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.) e, como um tensoativo, concentração em peso de 100 ppm de Surflon S-141 (produzido pela AGC Seimi Chemical Co., Ltd.), que é um composto de perfluoro não iônico. A solução de absorção antes de realizar a absorção teve uma tensão superficial de 25 mN/m a 25°C, como um resultado da medição usando um Drop Master 300 produzido pela Kyowa Interface Science Co., Ltd. Uma mistura gasosa de 20% em volume de dióxido de carbono e 80% em volume de nitrogênio foi dispersa como bolhas nesta solução em uma taxa de 0,7 L/min através de um filtro de vidro com um tamanho de poro de 100 pm e um diâmetro de 13 mm na pressão atmosférica para efetuar a absorção por 60 minutos. A concentração de CO2 no gás foi continuamente medida na entrada e saída da solução de absorção usando um medidor de dióxido de carbono no infravermelho (Horiba Gas Analyzer VA-3000). A quantidade de CO2 absorvido foi determinada da diferença entre a taxa de fluxo de CO2 na entrada e a taxa de fluxo de CO2 na saída. Quando necessário, a quantidade de carbono inorgânico na solução de absorção foi medida usando um anali-sador de carbono orgânico total para cromatografia gasosa (Shimadzu TOC-VCSH), e comparado com o valor obtido usando o medidor de dióxido de carbono no infravermelho. A quantidade de absorção de saturação é definida como a quantidade de CO2 absorvido até que a concentração de CO2 na saída da solução de absorção tornou-se igual àquela na entrada. Porque a taxa de absorção muda de acordo com a quantidade de CO2 absorvido, a taxa de absorção foi medida com base na taxa de absorção no ponto que 1/2 da quantidade de absorção de saturação foi absorvida, e usada para comparação.

Subsequentemente, a temperatura de solução foi aumentada para 70°C durante vários minutos na mesma corrente gasosa, e a quantidade de CO2 separado foi medida durante 60 minutos sob as mesmas condições. A quantidade de absorção de saturação de CO2 a 40°C foi 145,5 g/L, e a taxa de absorção de CO2 no ponto que 1/2 da quantidade de absorção de saturação foi absorvida foi 4,8 g/L/min. A quantidade de CO2 separado a 70°C foi 78,5 g/L. O dióxido de carbono recuperado teve uma pureza de 99,8%. O calor de absorção foi medido a 40°C em dois absorvedores da mesma forma, cada um equipado com um agitador, usando um calorímetro térmico diferencial (DRC Evolution produzido pela Setaram, Inc.) introduzindo-se uma quantidade predeterminada de CO2 em apenas um dos reatores, e medindo-se a diferença no calor de absorção nos dois reatores durante este processo.

Exemplos 2 e 3 As quantidades de absorção de saturação de CO2, taxas de absorção de CO2, calor de absorção de CO2, e as quantidades de CO2 separado foram medidos como descrito no Exemplo 1, exceto que uma solução aquosa contendo 60 ou 70% em peso de IPAE e, como um tensoativo, concentração em peso de 100 ou 150 ppm de Surflon S-141 foi usada, respectivamente, no lugar da solução aquosa contendo 55% em peso de IPAE e 100 ppm de S-141. As tensões superficiais destas soluções de absorção contendo um tensoativo foram 24 mN/m e 23 mN/m, respectivamente. As quantidades de absorção de saturação de CO2 a 40°C foram 158,5 g/L e 162,7 g/L, as taxas de absorção foram 4,7 g/L/min e 4,4 g/L/min, e as quantidades de CO2 separado a 70°C foram 87,5 g/L e 89,5 g/L, respectivamente.

Exemplos 4 a 6 As quantidades de absorção de saturação de CO2, taxas de absorção de CO2, calor de absorção de CO2, e quantidades de CO2 separado foram medidos como descrito no Exemplo 2, exceto que o tipo do grupo alquila no álcool de alquilamino foi mudado do grupo isopropila para um grupo n-butila (n-BAE), um grupo isobutila (IBAE), ou um grupo n-pentila (n-PEAE). No Exemplo 5, em que IBAE foi usado, concentração em peso de 200 ppm de Triton X, que é éter alquílico de polioxietileno não iônico, foi usada como um tensoativo. As tensões superficiais destas soluções de absorção foram 22, 25, e 23 mN/m, respectivamente.

Exemplos 7 e 8 As quantidades de absorção de saturação de CO2, taxas de ab sorção de CO2, calor de absorção de CO2, e quantidades de CO2 separado foram medidos como descrito no Exemplo 2, exceto que concentração em peso de 150 ppm de Surflon S-131, que é anfolítico, foi usada no Exemplo 7, e concentração em peso de 250 ppm de éter alquílico de polioxietileno não iônico foi usada no Exemplo 8, como um tensoativo, no lugar de 100 ppm de S-141. As tensões superficiais destas soluções foram 26 e 24 mN/m, respectivamente.

Exemplo 9 A quantidade de absorção de saturação de CO2, taxa de absorção de CO2, calor de absorção de CO2, e quantidade de CO2 separado foram medidos como descrito no Exemplo 2, exceto que a quantidade do tensoativo foi mudada da concentração em peso de 100 ppm para 1.500 ppm. A tensão superficial desta solução foi 22 mN/m.

Exemplo 10 A quantidade de absorção de saturação de CO2, taxa de absorção de CO2, calor de absorção de CO2, e quantidade de CO2 separado foram medidos como descrito no Exemplo 2, exceto que a quantidade do tensoativo foi mudada da concentração em peso de 100 ppm para 20 ppm. A tensão superficial desta solução foi 30 mN/m.

Exemplos Comparativos 1 a 3 As quantidades de absorção de saturação de CO2, taxas de absorção de CO2, calor de absorção de CO2, e quantidades de CO2 separado foram medidos como descrito no Exemplo 1, exceto que uma solução aquosa contendo apenas 30, 55, ou 60% em peso de IPAE foi usada, no lugar da solução aquosa contendo 55% em peso de IPAE e 100 ppm de S-141. As tensões superficiais destas soluções foram 55, 48, e 40 mN/m, respectivamente.

Exemplos Comparativos 4 a 6 Nos Exemplos Comparativos 4 a 6, as quantidades de absorção de saturação de CO2, taxas de absorção de CO2, calor de absorção de CO2, e quantidades de CO2 separado foram medidos como descrito nos Exemplos 4 a 6, respectivamente, exceto que uma solução aquosa não contendo ne nhum tensoativo foi usada. As tensões superficiais destas soluções aquosas foram 45, 49, e 43 mN/m, respectivamente.

Exemplo Comparativo 7 A quantidade de absorção de saturação de CO2, taxa de absorção de CO2, calor de absorção de CO2, e quantidade de CO2 separado foram medidos como descrito no Exemplo 1, exceto que uma solução aquosa obtida adicionando-se 3% em peso de piperazina a uma solução aquosa contendo 52% em peso de IPAE de modo que 0 peso total das aminas foi 55% em peso foi usada, no lugar da solução aquosa contendo 55% em peso de IPAE e 100 ppm de S-141. Piperazina é conhecida como um ativador de reação na absorção de dióxido de carbono usando uma solução de alcano-lamina aquosa, e tem um efeito em termos de melhorar a quantidade de absorção de saturação de CO2 e taxa de absorção de CO2.

As tabelas 1 e 2 mostram os resultados obtidos nos Exemplos 1 a 10 e Exemplos Comparativos 1 a 7. Nas tabelas,"%" indica "% em peso." V π φ Ω £ OL _ra d) -Q CO I— Exemplo 1 Como mostrado nos resultados acima, no Exemplo 1, que usou uma solução aquosa de concentração alta, a quantidade de absorção de saturação de CO2 e a quantidade de CO2 separado por quantidade unitária de solução de absorção foram mais altas do que os resultados do Exemplo Comparativo 1 onde 30% em peso de IPAE foram usados. Devido à adição de um tensoativo, a taxa de absorção foi 4,8 g/L, que é mais alta do que os 3,2 g/L do Exemplo Comparativo 2, que empregou a mesma concentração de IPAE. Isto confirma o efeito obtido pela adição de um tensoativo. Além disso, o calor de absorção por mol de dióxido de carbono foi mais baixo do que o resultado do Exemplo Comparativo 1, que confirma o efeito obtido empregando-se uma concentração alta.

Exemplos 2 e 3 De acordo com os resultados acima, no Exemplo 3, que usou 70% em peso de IPAE, a taxa de absorção de CO2 resultou em um valor levemente reduzido; entretanto, a quantidade de absorção de saturação de CO2 e a quantidade de CO2 separado foram mais altas do que os resultados do Exemplo 2. Portanto, o efeito obtido empregando-se uma concentração alta foi confirmado, isto é, uma melhora no desempenho foi observada.

Nos Exemplos 2 e 3, em que soluções de absorção de concentração alta foram usadas, as quantidades de CO2 separado foram mais altas do que aquela do Exemplo Comparativo 3, em que as mesmas condições de separação foram empregadas, isto é, a 70°C. A recuperação de dióxido de carbono por ciclo de absorção e separação também foi mais alta do que a-quela do Exemplo Comparativo 3. Portanto, as soluções dos Exemplos 2 e 3 exercem um efeito que contribui para uma redução no consumo de energia para a recuperação.

Exemplos 4 a 6 Quando o comprimento da cadeia de carbono do grupo alquila foi ajustado para 4 ou 5, a quantidade de absorção de saturação de CO2 por unidade de solução de absorção foi reduzida devido à influência do peso molecular; entretanto, em termos de IPAE, n-BAE, IBAE, e n-PEAE, as ra zões molares das quantidades de absorção de CO2 em relação à amina, cujo peso molecular foi corrigido, resultaram em quase os mesmos valores de 0,62, 0,63, 0,62, e 0,64, respectivamente. Portanto foi confirmado que um efeito equivalente àquele obtido quando um grupo isopropila foi usado pode ser obtido. Além disso, foi confirmado que desempenho mais alto foi obtido em termos da taxa de absorção de CO2 e da quantidade de CO2 separado, comparado aos resultados dos Exemplos Comparativos 4 a 6 correspondentes.

Exemplos 7 e 8 Comparado aos resultados do Exemplo 2 (Surflon S-141), embora as quantidades de absorção de saturação de CO2 foram levemente menores, as taxas de absorção de CO2 e quantidades de separação de CO2 foram quase iguais. Portanto, um efeito igual àquele obtido quando S-141 foi usado, foi observado nos Exemplos 7 e 8. Além disso, o calor de absorção também estava no mesmo nível como aquele observado no Exemplo 2; um valor aumentado deste não foi particularmente observado.

Exemplo 9 Embora a quantidade de absorção de saturação de CO2 e taxa de absorção de CO2 foram levemente mais baixas do que os resultados do Exemplo 2, o desempenho foi mais alto do que os resultados do Exemplo Comparativo 3, em que nenhum tensoativo foi usado. Portanto, o efeito foi confirmado. Entretanto, com esta quantidade da adição de tensoativo, es-pumação foi observada conforme a absorção de CO2 procedeu. Isto indica que um outro aumento na quantidade da adição de tensoativo seria difícil em consideração de operabilidade.

Exemplo 10 Embora a quantidade de absorção de saturação de CO2 e taxa de absorção de CO2 foram levemente mais baixas do que os resultados do Exemplo 2, o desempenho foi mais alto comparado aos resultados do E-xemplo Comparativo 3, em que nenhum tensoativo foi usado. Portanto, o e-feito foi confirmado.

Exemplos Comparativos 1 a 3 A taxa de absorção de CO2 foi alta quando a concentração foi tão baixa quanto 30% em peso. Entretanto, a taxa de absorção de CO2 foi muito reduzida quando a concentração foi 60% em peso, que resultou em valores insuficientes tanto da quantidade de absorção de saturação de CO2 quanto da quantidade de CO2 separado. Isto indica que melhorar o desempenho da solução de absorção simplesmente empregando-se uma concentração alta é difícil.

Exemplos Comparativos 4 a 6 As soluções de absorção dos Exemplos Comparativos 4 a 6 correspondem às soluções de absorção dos Exemplos 4 a 6, respectivamente; entretanto, elas não contêm nenhum tensoativo. Os resultados das quantidades de absorção de saturação de CO2, das taxas de absorção de CO2, e das quantidades de CO2 separado obtidas nos Exemplos Comparativos 4 a 6 foram inferiores àqueles obtidos nos Exemplos correspondentes. Isto confirma o efeito obtido pela adição de tensoativo, mesmo quando uma amina impedida, exceto IPAE, foi usada.

Exemplo Comparativo 7 De acordo com os resultados acima, a adição do ativador de reação melhorou a quantidade de absorção de saturação de CO2 e a taxa de absorção de CO2, comparado aos resultados obtidos no Exemplo Comparativo 2 onde uma solução aquosa contendo apenas IPAE foi usada. Porque a tensão superficial a 25°C foi 45 mN/m, o efeito obtido pela adição do ativador de reação não é considerado ser obtido como um resultado de uma redução na tensão superficial. Por outro lado, o uso de uma solução de absorção contendo um ativador de reação tal como piperazina resultou em um calor de absorção alto, e portanto não contribui para uma redução no consumo de energia para recuperar o dióxido de carbono. Deste modo é confirmado que o método descrito acima empregado nos Exemplos é vantajoso em toda quantidade de absorção de saturação de CO2, taxa de reação, calor de absorção, e a quantidade de CO2 separado.

REIVINDICAÇÕES

Claims

1. Solução aquosa para absorver e recuperar dióxido de carbono de um gás contendo dióxido de carbono, caracterizada pelo fato de que compreende: 50 a 70% em peso de um composto de amina secundária representado pela Fórmula (1): J em que R representa um grupo alquila de cadeia reta ou ramificada tendo 3 a 5 átomos de carbono; e um tensoativo em que o tensoativo é pelo menos um membro selecionado do grupo consistindo em compostos que possuem um grupo perfluoroalquila não iônico, compostos que possuem um grupo perfluoroalquila anfolítico, e compostos de éter alquílico de polioxietileno não iônico.

2. Solução aquosa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o tensoativo é incluído em uma concentração de 10 a 1.500 ppm em peso.

3. Solução aquosa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que R é um grupo isopropila ou um grupo n-butila, e o tensoativo é um composto tendo um grupo perfluoroalquila não iônico.

4. Solução aquosa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que R é um grupo isopropila ou um grupo n-butila, e o tensoativo é um composto tendo um grupo perfluoroalquila anfolítico.

5. Solução aquosa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que R é um grupo isopropila ou um grupo n-butila, e o tensoativo é um composto de éter alquílico de polioxietileno não iônico.

6. Solução aquosa de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a solução aquosa tem uma tensão superficial de 30 mN/m ou menos a 25°C.

7. Método para absorver e recuperar dióxido de carbono, caracterizado pelo fato de que compreende: (1) levar um gás contendo dióxido de carbono em contato com a solução aquosa como definida na reivindicação 1 para absorver dióxido de carbono do gás; e(2) aquecer a solução aquosa com o dióxido de carbono absorvido obtido em (1) acima para separar e recuperar o dióxido de carbono.