BR112013005146B1 - SOLVENT SYSTEM COMPRISING A NON-REVERSIBLE IONIC LIQUID, AND ITS USE FOR REMOVAL OF ACID GAS FROM A GAS STREAM - Google Patents
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Abstract
SISTEMA SOLVENTE LÍQUIDO IÔNICO REGENERÁVEL PARA SEPARAÇÃO DE ÁCIDO-GÁS E PROCESSO PARA REMOÇÃO DE GÁS ÁCIDO DE UMA CORRENTE DE GÁS. A presente invenção refere-se a um sistema soIvente compreendendo um líquido iônico formado de um componente relativamente ácido e uma base nitrogenada para remoção de gases ácidos de correntes de gás misturadas. É também provido um processo para remoção de gases ácidos das correntes de gás misturadas usando o sistema solvente revelado. O sistema solvente pode ser utilizado dentro de um sistema de processamento de gás.Regenerable ionic liquid solvent system for acid-gas separation and process for removing acidic gases from a gas stream. The present invention relates to a solvent system comprising an ionic liquid formed from a relatively acidic component and a nitrogenous base for removing acidic gases from mixed gas streams. Also provided is a process for removing acidic gases from mixed gas streams using the disclosed solvent system. The solvent system can be used within a gas processing system.
Description
[001] A presente invenção se refere a sistemas solventes para remoção de componentes específicos de correntes de gás, bem como dispositivos e métodos usando tais sistemas. Mais especificamente, a invenção pode prover remoção de gases ácidos, tais como CO2, SO2, COS, CS2 e NOX. A invenção pode prover ainda operação contínua de desportivos e métodos usando o sistema. Ainda, os processos da invenção podem utilizar meios de absorção/dessorção múltiplos, incluindo absorção/dessorção de gás ou absorção/dessorção de fase realçada.[001] The present invention relates to solvent systems for removing specific components from gas streams, as well as devices and methods using such systems. More specifically, the invention may provide for removal of acid gases, such as CO2, SO2, COS, CS2 and NOX. The invention may further provide for continuous operation of sports and methods using the system. Further, the processes of the invention may utilize multiple absorption/desorption means, including gas absorption/desorption or enhanced phase absorption/desorption.
[002] Várias estratégias estão sendo buscadas para minimizar a produção e/ou liberação de emissões indesejáveis a partir de processos de combustão. Uma estratégia deste tipo é o desenvolvimento de tecnologias para a remoção específica de gases ácidos de misturas de gás, tais como as descargas de processos de combustão de carbono. A separação de gases ácidos, tal como CO2, de misturas de gás tem sido realizada industrialmente por mais de cem anos, embora quaisquer processos conhecidos tenham sido usados em uma grande escala tal como aquele requerido por usinas industriais, grandes. Dos vários processos usados para separação de CO2, tecnologia atual foca principalmente no uso de vários solventes, tais como carbonatos alcalinos no BENFIELD® Process (UOP, LLC), alcoolaminas no processo ECONAMINE FG PLUS® (Fluor Corporation) e álcoois, dióis e éteres no processo RECTISOL® (Lurgi, GMBH) e o solvente SELEXOL® (The Dow Chemical Company). Em um processo à base de solvente típico, a mistura de gás a ser tratada é passada por um solvente líquido que interage com compostos ácidos na corrente de gás (por exemplo, CO2 e SO2) e os separa de componentes não ácidos. O líquido se torna rico nos componentes ácido-gás, que são então removidos sob um conjunto diferente de condições de operação de maneira que o solvente pode ser reciclado para remoção de ácido-gás adicional.[002] Several strategies are being pursued to minimize the production and/or release of undesirable emissions from combustion processes. One such strategy is the development of technologies for the specific removal of acid gases from gas mixtures, such as the exhausts of carbon combustion processes. The separation of acid gases, such as CO2, from gas mixtures has been carried out industrially for over a hundred years, although any known processes have been used on a large scale such as that required by large industrial plants. Of the various processes used for CO2 separation, current technology focuses primarily on the use of various solvents, such as alkali carbonates in the BENFIELD® Process (UOP, LLC), alcoholamines in the ECONAMINE FG PLUS® process (Fluor Corporation), and alcohols, diols, and ethers in the RECTISOL® process (Lurgi, GMBH) and the SELEXOL® solvent (The Dow Chemical Company). In a typical solvent-based process, the gas mixture to be treated is passed through a liquid solvent that interacts with acidic compounds in the gas stream (e.g., CO2 and SO2) and separates them from non-acidic components. The liquid becomes rich in the acid-gas components, which are then removed under a different set of operating conditions so that the solvent can be recycled for further acid-gas removal.
[003] Métodos para remoção dos componentes ácido-gás de solventes ricos envolvem mudança de pressão e temperatura. Dependendo a temperatura da mistura de gás e da pressão parcial do ácido-gás na mistura, certos solventes são preferidos para aplicações específicas. Quando um solvente opera através de absorção química, uma reação química exotérmica com o ácido-gás ocorre. A reversão desta reação requer pelo menos que a quantidade de energia seja adicionada de volta ao solvente rico que foi produzido pela reação avançada, sem mencionar a energia necessária para trazer o solvente rico para a temperatura onde reversão é apreciável e manter condições para completar a reação reversa para um grau apreciável. A energia requerida para obter ácido-gás purificado a partir de solvente rico contribui para o custo do produto purificado. Em particular, o custo do ácido-gás purificado se tornou um obstáculo significante para a aplicação de tecnologias de solvente a usinas abastecidas com combustível fóssil para a remoção de gases ácidos de gás de combustão.[003] Methods for removing acid-gas components from rich solvents involve pressure and temperature changes. Depending on the temperature of the gas mixture and the partial pressure of the acid-gas in the mixture, certain solvents are preferred for specific applications. When a solvent operates by chemical absorption, an exothermic chemical reaction with the acid-gas occurs. Reversal of this reaction requires at least as much energy to be added back to the rich solvent as was produced by the forward reaction, not to mention the energy required to bring the rich solvent to the temperature where reversal is appreciable and to maintain conditions for completion of the reverse reaction to an appreciable degree. The energy required to obtain purified acid-gas from rich solvent contributes to the cost of the purified product. In particular, the cost of purified acid-gas has become a significant obstacle to the application of solvent technologies to fossil fuel-fired power plants for the removal of acid gases from flue gas.
[004] Solventes não aquosos têm sido usados para remover CO2 de correntes de gás natural e requerem menos energia para regeneração. Solventes de fisissorção alcoólica de componente único tais como RECTISOL® e SELEXOL® estão comercialmente disponíveis para separação de CO2, mas têm desempenho pobre nas condições de pressão próximas da ambiente, úmidas, associadas com gás de combustão. Alcoolaminas e aminas foram combinadas com álcoois, dióis e carbonatos cíclicos por vários pesquisadores para formar “solventes híbridos” cujos mecanismos e cinética de reação foram estudados na literatura. Vide Alvarez-Fuster e outros, Chem. Eng. Sci. 1981, 36, 1513; Ali e outros, Separation and Purification Technology 2000, 18, 163; Usubharatana e outros, Energy Procedia 2009, 1, 95; e Park e outros, Sep. Sci. Technol. 2005, 40, 1885. Ainda, um processo conhecido como o “método de absorção transicional de fase” foi revelado em relação a métodos para desacidização de misturas gasosas, que geralmente consistem na absorção de gases ácidos em uma “fase de absorção” de menos densidade do que água consistindo em uma base nitrogenada e um álcool, seguido por transferência do gás ácido absorvido para uma “fase carreadora” aquosa. A fase carreadora aquosa pode ser regenerada em um regenerador. O processo reivindica economizar energia através da absorção de um gás ácido em uma taxa mais rápida do que em uma fase de absorção sozinha, e evitando a energia requerida para bombear uma fase de absorção rica para um regenerador separado utilizando gravidade para transferir o gás ácido entre as fases em uma coluna única para absorção e regeneração.[004] Nonaqueous solvents have been used to remove CO2 from natural gas streams and require less energy for regeneration. Single-component alcohol physisorption solvents such as RECTISOL® and SELEXOL® are commercially available for CO2 separation, but they perform poorly in the humid, near-ambient pressure conditions associated with flue gas. Alcoholamines and amines have been combined with alcohols, diols, and cyclic carbonates by several investigators to form “hybrid solvents” whose reaction mechanisms and kinetics have been studied in the literature. See Alvarez-Fuster et al., Chem. Eng. Sci. 1981, 36, 1513; Ali et al., Separation and Purification Technology 2000, 18, 163; Usubharatana et al., Energy Procedia 2009, 1, 95; and Park et al., Sep. Sci. Technol. 2005, 40, 1885. Furthermore, a process known as the “phase transitional absorption method” has been disclosed in relation to methods for deacidification of gas mixtures, which generally consist of the absorption of acid gases in an “absorption phase” of lower density than water consisting of a nitrogenous base and an alcohol, followed by transfer of the absorbed acid gas to an aqueous “carrier phase.” The aqueous carrier phase can be regenerated in a regenerator. The process claims to save energy by absorbing an acid gas at a faster rate than in an absorption phase alone, and by avoiding the energy required to pump a rich absorption phase to a separate regenerator by using gravity to transfer the acid gas between the phases in a single column for absorption and regeneration.
[005] Líquidos iônicos são outro solvente não aquoso atualmente sendo desenvolvido. Essas soluções consistem completamente em pares de íon que estão no estado líquido próximo da temperatura ambiente. Apresentam poucas necessidades de regeneração, mas não ultrapassaram solventes de amina aquosos em desempenho devido a fatores incluindo capacidade de carga de CO2, viscosidade, custo e, importante, degradação pela água. Uso de um solvente líquido não aquoso para separar CO2 de misturas de gás contendo vapor de água pode levar ao acúmulo de H2O na solução líquida como uma solução de fase única ou bifásica, dependendo das condições de processo (por exemplo, pressão, temperatura, concentração de H2O) e da afinidade do solvente não aquoso com H2O. Acúmulo de H2O é prejudicial para o processo de separação e purificação de CO2, uma vez que mais energia será requerida para regeneração de solvente devido à necessidade de remover continuamente água do solvente.[005] Ionic liquids are another non-aqueous solvent currently under development. These solutions consist entirely of ion pairs that are in a liquid state at near room temperature. They have few regeneration requirements, but have not surpassed aqueous amine solvents in performance due to factors including CO2 loading capacity, viscosity, cost, and, importantly, degradation by water. Use of a non-aqueous liquid solvent to separate CO2 from gas mixtures containing water vapor can lead to the accumulation of H2O in the liquid solution as a single-phase or two-phase solution, depending on the process conditions (e.g., pressure, temperature, H2O concentration) and the affinity of the non-aqueous solvent for H2O. Accumulation of H2O is detrimental to the CO2 separation and purification process, since more energy will be required for solvent regeneration due to the need to continually remove water from the solvent.
[006] Outro grupo de líquidos não aquosos que poderiam ser desenvolvidos para se endereçar a muitos dos problemas que afetam solventes de CO2 são os líquidos iônicos que podem ser trocados em temperatura ambiente. Essas misturas equimolares de bases de nitrogênio amidina ou guanidina e álcoois são líquidas em temperatura ambiente não iônicos que reagem com CO2 para formar líquidos iônicos em temperatura ambiente. Tipicamente, a condutividade de misturas equimolares aumenta em uma ou duas ordens de magnitude quando CO2 é adicionado. Importante, esses solventes têm cargas de CO2 maiores do que algumas aminas aquosas, e são regeneráveis sob condições suaves. Embora esses solventes sejam uma tecnologia alternativa promissora, aqueles que foram anteriormente revelados são pobremente adequados para aplicações de gás de combustão devido às suas químicas com relação à água, que é tipicamente um componente principal de gás de combustão. CO2 é capturado através da formação de sais de alquil carbonato de amidina e guanidina derivados das bases conjugadas dos componentes álcoois desprotonados. No entanto, se a base conjugada do álcool for um ácido mais fraco, um equilíbrio ácido-base é estabelecido entre o álcool-base conjugada e água, o que favorece desprotonação de água e reforma do álcool protonado. A base conjugada de água, o íon de hidróxido, reage favoravelmente com CO2 para formar um ânion de bicarbonato, o que requer mais energia para reverter do que ânions de alquil carbonato.[006] Another group of nonaqueous liquids that could be developed to address many of the problems affecting CO2 solvents are the room temperature exchangeable ionic liquids. These equimolar mixtures of amidine or guanidine nitrogen bases and alcohols are room temperature nonionic liquids that react with CO2 to form room temperature ionic liquids. Typically, the conductivity of equimolar mixtures increases by one to two orders of magnitude when CO2 is added. Importantly, these solvents have higher CO2 loadings than some aqueous amines, and are regenerable under mild conditions. Although these solvents are a promising alternative technology, those that have been previously disclosed are poorly suited for flue gas applications due to their chemistries with respect to water, which is typically a major component of flue gas. CO2 is captured through the formation of amidine and guanidine alkyl carbonate salts derived from the conjugate bases of the deprotonated alcohol components. However, if the conjugate base of the alcohol is a weaker acid, an acid–base equilibrium is established between the alcohol conjugate base and water, which favors deprotonation of water and reformation of the protonated alcohol. The conjugate base of water, the hydroxide ion, reacts favorably with CO2 to form a bicarbonate anion, which requires more energy to reverse than alkyl carbonate anions.
[007] Desta maneira, seria benéfico formular um novo sistema solvente capaz de efetivamente remover gases ácidos de correntes de gás (particularmente correntes de gás contendo água) e que pudesse ser regenerado em temperatura e carga de energia menores do que os solventes atualmente utilizados para tais propósitos.[007] Thus, it would be beneficial to formulate a new solvent system capable of effectively removing acidic gases from gas streams (particularly gas streams containing water) and that could be regenerated at lower temperatures and energy loads than solvents currently used for such purposes.
[008] Em um aspecto, a presente invenção se refere a um sistema solvente para remoção de gases ácidos, tal como CO2, de uma corrente de gás. Em algumas modalidades, um sistema solvente de acordo com a invenção compreende uma base nitrogenada e um componente ácido. Especificamente, o componente ácido pode ter um pKa inferior a cerca de 15.[008] In one aspect, the present invention relates to a solvent system for removing acidic gases, such as CO2, from a gas stream. In some embodiments, a solvent system according to the invention comprises a nitrogenous base and an acidic component. Specifically, the acidic component may have a pKa of less than about 15.
[009] Em algumas modalidades, a invenção provê um sistema solvente para remoção de componentes gasosos ácidos (por exemplo, CO2, SO2 e NO2) de uma corrente de gás, sendo que o sistema solvente pode ser descrito como um líquido iônico não reversível compreendendo uma base nitrogenada e um componente ácido apresentando um pKa inferior a cerca de 15, que reage com os ditos componentes gasosos ácidos para formar um éster de carbonato ou análogo de heteroátomo de um éster de carbonato, e ainda sendo que os ditos componentes gasosos ácidos se ligam reversivelmente ao solvente líquido iônico para formar um produto líquido iônico.[009] In some embodiments, the invention provides a solvent system for removing acidic gaseous components (e.g., CO2, SO2, and NO2) from a gas stream, wherein the solvent system can be described as a non-reversible ionic liquid comprising a nitrogenous base and an acidic component having a pKa of less than about 15, which reacts with said acidic gaseous components to form a carbonate ester or heteroatom analog of a carbonate ester, and wherein said acidic gaseous components reversibly bind to the ionic liquid solvent to form an ionic liquid product.
[0010] Em algumas modalidades, a invenção provê um sistema solvente compreendendo um líquido iônico formado de: a base conjugada de um componente ácido, sendo que o componente ácido apresenta um pKa inferior a cerca de 15; e o ácido conjugado de uma base nitrogenada selecionada do grupo consistindo em amidinas, guanidinas e combinações das mesmas; sendo que a base conjugada do componente ácido apresenta uma estrutura de maneira que pode reagir com um gás ácido de maneira a formar um éster de carbonato ou um análogo de heteroátomo de um éster de carbonato. Os componentes do líquido iônico podem variar.[0010] In some embodiments, the invention provides a solvent system comprising an ionic liquid comprised of: the conjugate base of an acidic component, the acidic component having a pKa of less than about 15; and the conjugate acid of a nitrogenous base selected from the group consisting of amidines, guanidines, and combinations thereof; the conjugate base of the acidic component having a structure such that it can react with an acidic gas to form a carbonate ester or a heteroatom analog of a carbonate ester. The components of the ionic liquid may vary.
[0011] Por exemplo, em certas modalidades, o componente ácido é selecionado do grupo consistindo em álcoois fluorados, fenóis opcionalmente substituídos, heterociclos de nitrogênio e misturas dos mesmos. Em modalidades específicas, o componente ácido inclui, mas não está limitado a, 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorpentanol (“OFP”); 2,2,3,3-tetrafluorpropanol (“TFP”); 2,2,3,3,3-pentafluorpropanol (“PFP”); 2,2,3,3,4,4-hexafluorbutanol (“HFB”); 2,2,2,-trifluoretanol (“TFE”); nonafluor-1-hexanol; 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoreptanol; 1,1,3,3-hexafluor-2-fenil-2-propanol; 4-metoxifenol (“4-MeOPh”); 4- etoxifenol (“4-EtOPh”); 2-etoxifenol; 3-fluorfenol; 3-trifluormetilfenol; e misturas dos mesmos.[0011] For example, in certain embodiments, the acidic component is selected from the group consisting of fluorinated alcohols, optionally substituted phenols, nitrogen heterocycles, and mixtures thereof. In specific embodiments, the acidic component includes, but is not limited to, 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoropentanol (“OFP”); 2,2,3,3-tetrafluoropropanol (“TFP”); 2,2,3,3,3-pentafluoropropanol (“PFP”); 2,2,3,3,4,4-hexafluorobutanol (“HFB”); 2,2,2,-trifluoroethanol (“TFE”); nonafluoro-1-hexanol; 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptanol; 1,1,3,3-hexafluoro-2-phenyl-2-propanol; 4-methoxyphenol (“4-MeOPh”); 4-ethoxyphenol (“4-EtOPh”); 2-ethoxyphenol; 3-fluorophenol; 3-trifluoromethylphenol; and mixtures thereof.
[0012] Em certas modalidades, a amidina, guanidina ou combinações das mesmas têm um pKa de cerca de 12 a cerca de 15. Certas amidinas ou guanidinas que podem ser particularmente úteis de acordo com a presente invenção incluem amidinas e guanidinas onde um ou mais átomos de hidrogênio são substituídos com átomos de flúor. Em modalidades específicas, as amidinas e guanidinas são selecionadas do grupo incluindo, mas não limitado a, 1,1,3,3- tetrametilguanidina (“TMG”), N-terc-butil-1,1,3,3-tetrametilguanidina, difenilguanidina, ditolilguanidina e 1,8-diazabiciclo(5.4.0)undec-7-eno.[0012] In certain embodiments, the amidine, guanidine, or combinations thereof have a pKa of about 12 to about 15. Certain amidines or guanidines that may be particularly useful in accordance with the present invention include amidines and guanidines where one or more hydrogen atoms are replaced with fluorine atoms. In specific embodiments, the amidines and guanidines are selected from the group including, but not limited to, 1,1,3,3-tetramethylguanidine (“TMG”), N-tert-butyl-1,1,3,3-tetramethylguanidine, diphenylguanidine, Ditolylguanidine, and 1,8-diazabicyclo(5.4.0)undec-7-ene.
[0013] Em certas modalidades, o sistema solvente pode ser caracterizado em termos de sua condutividade. Por exemplo, o sistema solvente pode ser descrito como apresentando uma condutividade superior a cerca de 100 microsiemens/cm2, superior a cerca de 200 microsiemens/cm2, superior a cerca de 250 microsiemens/cm2, superior a cerca de 300 microsiemens/cm2, superior a cerca de 350 microsiemens/cm2 ou superior a cerca de 400 microsiemens/cm2. O sistema solvente pode, em certas modalidades, ser caracterizado como não miscível em água. Por exemplo, em algumas modalidades, o sistema solvente apresenta uma solubilidade em água inferior a cerca de 10 g de solvente por 100 mL de água.[0013] In certain embodiments, the solvent system can be characterized in terms of its conductivity. For example, the solvent system can be described as having a conductivity of greater than about 100 microsiemens/cm2, greater than about 200 microsiemens/cm2, greater than about 250 microsiemens/cm2, greater than about 300 microsiemens/cm2, greater than about 350 microsiemens/cm2, or greater than about 400 microsiemens/cm2. The solvent system can, in certain embodiments, be characterized as immiscible in water. For example, in some embodiments, the solvent system has a solubility in water of less than about 10 g of solvent per 100 mL of water.
[0014] Em outro aspecto da invenção é provido um método para a remoção de componentes gás ácido usando os sistemas solventes descritos aqui. Por exemplo, em algumas modalidades, a presente invenção pode se relacionar a um processo para a remoção de componentes gás ácido de uma corrente de gás ao trazer a corrente de gás em contato com um sistema solvente compreendendo um líquido iônico formado de: a base conjugada de um componente ácido, onde o componente ácido apresenta um pKa inferior a cerca de 15; e o ácido conjugado de uma base nitrogenada selecionada do grupo consistindo em amidinas, guanidinas e combinações das mesmas; onde a base conjugada do componente ácido apresenta uma estrutura de maneira que pode reagir com os componentes gasosos ácidos de maneira a formar um éster carbonato ou um análogo de heteroátomo de um éster de carbonato. Em modalidades específicas, a corrente de gás pode conter água. Preferivelmente, o gás ácido absorvido não reage com água para um grau apreciável para formar um composto derivado de água (por exemplo, um ânion de bicarbonato na modalidade onde CO2 é removido).[0014] In another aspect of the invention there is provided a method for removing acidic gas components using the solvent systems described herein. For example, in some embodiments, the present invention may relate to a process for removing acidic gas components from a gas stream by contacting the gas stream with a solvent system comprising an ionic liquid formed from: the conjugate base of an acidic component, wherein the acidic component has a pKa of less than about 15; and the conjugate acid of a nitrogenous base selected from the group consisting of amidines, guanidines, and combinations thereof; wherein the conjugate base of the acidic component has a structure such that it can react with the acidic gas components to form a carbonate ester or a heteroatom analog of a carbonate ester. In specific embodiments, the gas stream may contain water. Preferably, the absorbed acid gas does not react with water to an appreciable degree to form a water-derived compound (e.g., a bicarbonate anion in the embodiment where CO2 is removed).
[0015] Em modalidades específicas, contato da corrente de gás com um sistema solvente de acordo com a invenção pode causar formação de um solvente tendo uma densidade superior a água. Especificamente, tal solvente de densidade maior pode formar uma mistura bifase na presença de água (por exemplo, onde a fase inferior é uma fase orgânica). Em outras modalidades, água presente no sistema particularmente não acumula na coluna absorvedora. Em modalidades adicionais, os processos da invenção podem incluir captura do gás ácido. Além disso, um solvente rico em ácido-gás formado após contato com o gás ácido pode ser enviado para um regenerador para remoção dos componentes ácido-gás.[0015] In specific embodiments, contact of the gas stream with a solvent system according to the invention may cause formation of a solvent having a density greater than water. Specifically, such a higher density solvent may form a biphasic mixture in the presence of water (e.g., where the lower phase is an organic phase). In other embodiments, water present in the system does not particularly accumulate in the absorber column. In additional embodiments, the processes of the invention may include capture of the acid gas. In addition, an acid-gas rich solvent formed upon contact with the acid gas may be sent to a regenerator for removal of the acid-gas components.
[0016] Em certas modalidades, o gás ácido é capturado em uma fase não aquosa sob condições onde água acumula como uma fase de densidade menor, separada. Esta fase pode se enviada para o regenerador com a fase não aquosa, rica, para ser regenerada em uma temperatura inferior à fase aquosa rica correspondente sozinha. Isto pode ser seguido por separação de fase do solvente regenerado, magro, antes de ser enviado de volta para o absorvedor.[0016] In certain embodiments, the acid gas is captured in a non-aqueous phase under conditions where water accumulates as a separate, lower density phase. This phase may be sent to the regenerator with the rich, non-aqueous phase to be regenerated at a lower temperature than the corresponding rich aqueous phase alone. This may be followed by phase separation of the lean, regenerated solvent before being sent back to the absorber.
[0017] A Figura 1 é um esquema mostrando um curso de reação empregado para captura de CO2 usando misturas de solvente compreendendo um líquido iônico formado de um componente ácido e uma base nitrogenada;[0017] Figure 1 is a schematic showing a reaction course employed for CO2 capture using solvent mixtures comprising an ionic liquid formed from an acidic component and a nitrogenous base;
[0018] A Figura 2 é um diagrama de um sistema à base de refervura concretizado pela presente invenção para a captura e regeneração de gases ácidos de uma corrente de gás misturada;[0018] Figure 2 is a diagram of a reboiler-based system embodied by the present invention for capturing and regenerating acid gases from a mixed gas stream;
[0019] A Figura 3 é um diagrama de um sistema livre de refervura concretizado pela presente invenção para a captura de gases ácidos de uma corrente de gás misturada;[0019] Figure 3 is a diagram of a reboiler-free system embodied by the present invention for capturing acid gases from a mixed gas stream;
[0020] A Figura 4 é um diagrama de um sistema auxiliado por refervura concretizado pela presente invenção para a captura de gases ácidos de uma corrente de gás misturada;[0020] Figure 4 is a diagram of a reboiler-assisted system embodied by the present invention for capturing acid gases from a mixed gas stream;
[0021] A Figura 5 é um diagrama de um sistema de refervura de calor secundário concretizado pela presente invenção para a captura de gases ácidos de uma corrente de gás mista;[0021] Figure 5 is a diagram of a secondary heat reboiler system embodied by the present invention for capturing acid gases from a mixed gas stream;
[0022] A Figura 6 é um diagrama de um sistema de utilização de calor secundário concretizado pela presente invenção para a captura de gases ácidos a partir de uma corrente de gás misturada;[0022] Figure 6 is a diagram of a secondary heat utilization system embodied by the present invention for capturing acid gases from a mixed gas stream;
[0023] A Figura 7 é uma curva de carga de CO2 para uma solução equimolar de 1,1,3,3-tetrametilguanidina com 2,2,2-trifluoretanol;[0023] Figure 7 is a CO2 loading curve for an equimolar solution of 1,1,3,3-tetramethylguanidine with 2,2,2-trifluoroethanol;
[0024] A Figura 8 é espectro de RMN de flúor mostrando 1,1,3,3- tetrametilguanidina com 2,2,2-trifluoretanol antes (parte superior) e depois (parte inferior) de reação com CO2, mostrando que uma nova ressonância de flúor aparece para o produto de éster de carbonato contendo CO2;[0024] Figure 8 is a fluorine NMR spectrum showing 1,1,3,3-tetramethylguanidine with 2,2,2-trifluoroethanol before (top) and after (bottom) reaction with CO2, showing that a new fluorine resonance appears for the CO2-containing carbonate ester product;
[0025] A Figura 9 é um gráfico de medições de condutividade em uma solução equimolar de 1,1,3,3-tetrametilguanidina e 2,2,3,3- tetrafluorpropanol durante a absorção de CO2, onde dióxido de carbono é introduzido na mistura em aproximadamente um minuto após o início da avaliação;[0025] Figure 9 is a graph of conductivity measurements in an equimolar solution of 1,1,3,3-tetramethylguanidine and 2,2,3,3-tetrafluoropropanol during CO2 absorption, where carbon dioxide is introduced into the mixture approximately one minute after the start of the evaluation;
[0026] A Figura 10 é um gráfico de medições de condutividade em uma solução equimolar de 1,1,3,3-tetrametilguanidina e 2,2,3,3,4,4- hexafluorbutanol com absorção de CO2, onde o dióxido de carbono é introduzido na mistura em aproximadamente um minuto após o início da avaliação;[0026] Figure 10 is a graph of conductivity measurements in an equimolar solution of 1,1,3,3-tetramethylguanidine and 2,2,3,3,4,4-hexafluorobutanol with CO2 absorption, where carbon dioxide is introduced into the mixture approximately one minute after the start of the evaluation;
[0027] A Figura 11 é um gráfico de medições de condutividade em uma solução equimolar de N-terc-butil-1,1,3,3-tetrametilguanidina e 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorpentanol com absorção de CO2, onde o dióxido de carbono é introduzido na mistura em aproximadamente um minuto após o início da avaliação; e[0027] Figure 11 is a graph of conductivity measurements in an equimolar solution of N-tert-butyl-1,1,3,3-tetramethylguanidine and 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoropentanol with CO2 absorption, where carbon dioxide is introduced into the mixture at approximately one minute after the start of the evaluation; and
[0028] A Figura 12 é uma curva de carga de CO2 de um solvente composto de 1,8-diaza-biciclo-undec-7-eno e 2,2,3,3-tetrafluorpropanol equimolares.[0028] Figure 12 is a CO2 loading curve of a solvent composed of equimolar 1,8-diaza-bicyclo-undec-7-ene and 2,2,3,3-tetrafluoropropanol.
[0029] A presente invenção será descrita mais integralmente daqui em diante com referência aos desenhos acompanhantes, onde algumas, mas não todas as, modalidades da invenção são mostradas. Na verdade, a presente invenção pode ser concretizada em muitas formas diferentes e não deve ser considerada como limitada às modalidades mostradas aqui; ao contrário, essas modalidades são providas de maneira que a presente invenção vai satisfazer necessidades legais aplicáveis. Números similares referem-se a elementos similares. Conforme usado no relatório e reivindicações, as formas singulares “um”, “uma” e “o”, “a” incluem referentes no plural a menos que o contexto dite claramente de outro modo.[0029] The present invention will be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, wherein some, but not all, embodiments of the invention are shown. Indeed, the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments shown herein; rather, such embodiments are provided so that the present invention will satisfy applicable legal requirements. Like numerals refer to like elements. As used in the specification and claims, the singular forms “a,” “an,” and “the,” “the” include plural referents unless the context clearly dictates otherwise.
[0030] Em um aspecto da presente invenção é provido um sistema solvente líquido. O sistema solvente pode ser usado para a separação de gases ácidos de misturas de gás. O termo “gás ácido” pretende se referir a qualquer componente gás que pode resultar em formação de um ácido quando misturado com água. Exemplos não limitantes de gases ácidos compreendidos pela presente invenção incluem CO2, SO2, CS2 e COS. Por questão de simplicidade, a invenção é descrita abaixo com relação especificamente a CO2. É compreendido, no entanto, que a presente invenção compreende métodos e sistemas para remoção de qualquer componente gás ácido de uma corrente de gás.[0030] In one aspect of the present invention there is provided a liquid solvent system. The solvent system can be used for the separation of acidic gases from gas mixtures. The term “acidic gas” is intended to refer to any gas component that can result in the formation of an acid when mixed with water. Non-limiting examples of acidic gases encompassed by the present invention include CO2, SO2, CS2, and COS. For simplicity, the invention is described below with specific respect to CO2. It is understood, however, that the present invention encompasses methods and systems for removing any acidic gas component from a gas stream.
[0031] Em certas modalidades, o sistema solvente é regenerável pelo fato que os gases ácidos podem ser liberados do solvente e o solvente pode ser reusado para separar gases ácidos adicionais de misturas de gás adicionais. Em modalidades particulares, o sistema solvente é regenerável em temperaturas menores do que aquelas tipicamente requeridas para solventes usados para tais propósitos.[0031] In certain embodiments, the solvent system is regenerable in that acid gases can be released from the solvent and the solvent can be reused to separate additional acid gases from additional gas mixtures. In particular embodiments, the solvent system is regenerable at temperatures lower than those typically required for solvents used for such purposes.
[0032] Em algumas modalidades, o sistema solvente da presente invenção compreende uma mistura de um componente de base nitrogenada com um componente relativamente ácido. O termo “componente relativamente ácido” conforme aqui usado é intercomutável com o termo “componente ácido” e é compreendido significar um material apresentando uma acidez que é superior à acidez de água, preferivelmente substancialmente superior à acidez da água. Por exemplo, em algumas modalidades, o componente ácido pode ter um pKa inferior a cerca de 15, inferior a cerca de 14, inferior a cerca de 13, inferior a cerca de 12, inferior a cerca de 11 ou inferior a cerca de 10. Em algumas modalidades, o componente relativamente ácido pode ter um pKa de cerca de 9 a cerca de 15, cerca de 10 a cerca de 15, cerca de 11 a cerca de 15, cerca de 12 a cerca de 15, cerca de 13 a cerca de 15, cerca de 9 a cerca de 14, cerca de 9 a cerca de 13, cerca de 9 a cerca de 12 ou cerca de 9 a cerca de 11, cerca de 10 a cerca de 12, cerca de 10 a cerca de 13, cerca de 10 a cerca de 14, cerca de 11 a cerca de 13 ou cerca de 11 a cerca de 14.[0032] In some embodiments, the solvent system of the present invention comprises a mixture of a nitrogen-based component with a relatively acidic component. The term “relatively acidic component” as used herein is interchangeable with the term “acidic component” and is understood to mean a material having an acidity that is greater than the acidity of water, preferably substantially greater than the acidity of water. For example, in some embodiments, the acidic component can have a pKa of less than about 15, less than about 14, less than about 13, less than about 12, less than about 11, or less than about 10. In some embodiments, the relatively acidic component can have a pKa of about 9 to about 15, about 10 to about 15, about 11 to about 15, about 12 to about 15, about 13 to about 15, about 9 to about 14, about 9 to about 13, about 9 to about 12, or about 9 to about 11, about 10 to about 12, about 10 to about 13, about 10 to about 14, about 11 to about 13, or about 11 to about 14.
[0033] Classes exemplares de componentes relativamente ácidos que podem ser usados de acordo com a invenção incluem, mas não estão limitadas ao que segue: álcoois fluorados; fenóis opcionalmente substituídos; e heterociclos de nitrogênio. Particularmente preferidos são componentes relativamente ácidos selecionados de álcoois fluorados e fenóis opcionalmente substituídos. Álcoois fluorados úteis de acordo com a invenção podem compreender qualquer composto tendo a fórmula R-OH, onde R é um grupo alquila (por exemplo, C1-C10 alquila, C1-C8 alquila, C1-C6 alquila, C2-C10 alquila, C2-C8 alquila, C2-C6 alquila, C3-C10 alquila, C3-C8 alquila ou C3-C6 alquila) e onde um ou mais átomos de hidrogênio do grupo alquila são substituídos com flúor. Em algumas modalidades, o número de átomos de hidrogênio substituídos com flúor pode ser dois, três, quatro, cinco, seis, sete, oito, nove ou até mais conforme considerado útil. Em modalidades adicionais, um ou mais dos átomos de hidrogênio do grupo alquila podem ser opcionalmente substituídos com um ou mais outros substituintes, incluindo, mas não limitado a, substituintes C1-C6 alquila, C1-C6 alcóxi e halo. Fenóis opcionalmente substituídos úteis na invenção são compreendidos significar fenóis onde um ou mais dos átomos de hidrogênio no anel fenila podem ser substituídos com um substituinte. Grupos de substituição exemplares, não limitantes, para um ou mais dos átomos de hidrogênio no anel fenila incluem C1-C6 alquila, C1-C6 alcóxi e halo. Heterociclos de nitrogênio são compreendidos significar qualquer composto cíclico incluindo pelo menos um átomo de nitrogênio na estrutura de anel (incluindo, mas não limitado a imidazóis, pirazóis e triazóis) e sendo opcionalmente substituídos de maneira que um ou mais dos átomos de hidrogênio na estrutura de anel podem ser substituídos com um substituinte. Em certas modalidades, pelo menos um átomo de nitrogênio na estrutura de anel apresenta um átomo de hidrogênio ácido com um pKa inferior a cerca de 15 (por exemplo, entre cerca de 8 e cerca de 15). Grupos de substituição exemplares, não limitantes, para um ou mais dos átomos de hidrogênio no anel incluem C1-C6 alquila, C1-C6 alcóxi e halo.[0033] Exemplary classes of relatively acidic components that may be used in accordance with the invention include, but are not limited to, the following: fluorinated alcohols; optionally substituted phenols; and nitrogen heterocycles. Particularly preferred are relatively acidic components selected from fluorinated alcohols and optionally substituted phenols. Fluorinated alcohols useful in accordance with the invention may comprise any compound having the formula R-OH, where R is an alkyl group (e.g., C1-C10 alkyl, C1-C8 alkyl, C1-C6 alkyl, C2-C10 alkyl, C2-C8 alkyl, C2-C6 alkyl, C3-C10 alkyl, C3-C8 alkyl or C3-C6 alkyl) and where one or more hydrogen atoms of the alkyl group are replaced with fluorine. In some embodiments, the number of hydrogen atoms replaced with fluorine can be two, three, four, five, six, seven, eight, nine, or even more as deemed useful. In additional embodiments, one or more of the hydrogen atoms of the alkyl group can be optionally substituted with one or more other substituents, including, but not limited to, C1-C6 alkyl, C1-C6 alkoxy, and halo substituents. Optionally substituted phenols useful in the invention are understood to mean phenols where one or more of the hydrogen atoms on the phenyl ring can be replaced with a substituent. Exemplary, non-limiting substitution groups for one or more of the hydrogen atoms on the phenyl ring include C1-C6 alkyl, C1-C6 alkoxy, and halo. Nitrogen heterocycles are understood to mean any cyclic compound including at least one nitrogen atom in the ring structure (including, but not limited to, imidazoles, pyrazoles, and triazoles) and being optionally substituted such that one or more of the hydrogen atoms in the ring structure can be replaced with a substituent. In certain embodiments, at least one nitrogen atom in the ring structure has an acidic hydrogen atom with a pKa of less than about 15 (e.g., between about 8 and about 15). Exemplary, non-limiting substitution groups for one or more of the hydrogen atoms in the ring include C1-C6 alkyl, C1-C6 alkoxy, and halo.
[0034] Em algumas modalidades específicas, o componente relativamente ácido pode ser selecionado do grupo consistindo em: 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorpentanol (“OFP”); 2,2,3,3-tetrafluorpropanol (“TFP”); 2,2,3,3,3-pentafluorpropanol (“PFP”); 2,2,3,3,4,4- hexafluorbutanol (“HFB”); 2,2,2-trifluoretanol (“TFE”); nonafluor-1- hexanol; 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoreptanol; 1,1,3,3-hexafluor-2-fenil-2- propanol; 4-metoxifenol (“4-MeOPh”); 4-etoxifenol (“4-EtOPh”); 4- propoxifenol; imidazol; benzimidazol; N-metil imidazol; 1- trifluoracetilimidazol; 1,2,3-triazol; 1,2,4-triazol; 2-trifluormetilpirazol; 3,5-bistrifluormetilpirazol; 3-trifluormetilpirazol, 2-fluorfenol, 3-fluorfenol, 4-fluorfenol, 2-trifluormetilfenol, 3-trifluormetilfenol, 4-trifluormetilfenol e misturas dos mesmos.[0034] In some specific embodiments, the relatively acidic component can be selected from the group consisting of: 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoropentanol (“OFP”); 2,2,3,3-tetrafluoropropanol (“TFP”); 2,2,3,3,3-pentafluoropropanol (“PFP”); 2,2,3,3,4,4-hexafluorobutanol (“HFB”); 2,2,2-trifluoroethanol (“TFE”); nonafluoro-1-hexanol; 4,4,5,5,6,6,7,7,7-nonafluoroheptanol; 1,1,3,3-hexafluoro-2-phenyl-2-propanol; 4-methoxyphenol (“4-MeOPh”); 4-ethoxyphenol (“4-EtOPh”); 4-propoxyphenol; imidazole; benzimidazole; N-methyl imidazole; 1- trifluoroacetylimidazole; 1,2,3-triazole; 1,2,4-triazole; 2-trifluoromethylpyrazole; 3,5-bistrifluoromethylpyrazole; 3-trifluoromethylpyrazole, 2-fluorophenol, 3-fluorophenol, 4-fluorophenol, 2-trifluoromethylphenol, 3-trifluoromethylphenol, 4-trifluoromethylphenol and mixtures thereof.
[0035] O componente base nitrogenada é tipicamente selecionado de bases relativamente fortes, tais como amidinas e guanidinas. Em certas modalidades, a base nitrogenada é uma guanidina, a qual é compreendida ser um composto da estrutura RNC(NR1R2)2, onde R, R1 e R2 são independentemente H ou grupos contendo carbono, incluindo, mas não limitado a, C1-C20 alquila. Um ou mais dos átomos de hidrogênio em R, R1 e/ou R2 podem ser opcionalmente substituídos com um ou mais substituintes. Por exemplo, um ou mais dos hidrogênios em R, R1, R2 e R3 podem ser substituídos com C1-C6 alquila opcionalmente substituída, C1-C6 alcóxi opcionalmente substituído, C2-C10 alquenila opcionalmente substituída; C2-C10 alquinila opcionalmente substituída; alcarila opcionalmente substituída; arilalquila opcionalmente substituída; arilóxi opcionalmente substituído; heteroarila opcionalmente substituída; heterociclo opcionalmente substituído; halo (por exemplo, Cl, F, Br e I); hidroxila; alquila halogenada (por exemplo, CF3, 2-Br-etila, CH2F, CH2CF3 e CF2CF3); amino opcionalmente substituído; alquilamino opcionalmente substituído; arilamino opcionalmente substituído; acila opcionalmente substituída; CN; NO2; N3; CH2OH; CONH2; C1-C3 alquiltio; sulfato; ácido sulfônico; ésteres de sulfonato (por exemplo, metanossulfonila); ácido fosfônico; fosfato; fosfonato; ésteres de mono-, di- ou trifosfato; tritila ou monometoxitritila; CF3S; CF3SO2; ou silila (por exemplo, trimetilsilila, dimetil-t-butilsilila e difenilmetilsilila).[0035] The nitrogenous base component is typically selected from relatively strong bases, such as amidines and guanidines. In certain embodiments, the nitrogenous base is a guanidine, which is understood to be a compound of the structure RNC(NR1R2)2, where R, R1, and R2 are independently H or carbon-containing groups, including, but not limited to, C1-C20 alkyl. One or more of the hydrogen atoms in R, R1, and/or R2 may be optionally substituted with one or more substituents. For example, one or more of the hydrogens in R, R1, R2, and R3 may be substituted with optionally substituted C1-C6 alkyl, optionally substituted C1-C6 alkoxy, optionally substituted C2-C10 alkenyl; optionally substituted C2-C10 alkynyl; optionally substituted alkaryl; optionally substituted arylalkyl; optionally substituted aryloxy; optionally substituted heteroaryl; optionally substituted heterocycle; halo (e.g., Cl, F, Br, and I); hydroxyl; halogenated alkyl (e.g., CF3, 2-Br-ethyl, CH2F, CH2CF3, and CF2CF3); optionally substituted amino; optionally substituted alkylamino; optionally substituted arylamino; optionally substituted acyl; CN; NO2; N3; CH2OH; CONH2; C1-C3 alkylthio; sulfate; sulfonic acid; sulfonate esters (e.g., methanesulfonyl); phosphonic acid; phosphate; phosphonate; mono-, di-, or triphosphate esters; trityl or monomethoxytrityl; CF3S; CF3SO2; or silyl (e.g., trimethylsilyl, dimethyl-t-butylsilyl, and diphenylmethylsilyl).
[0036] Em certas modalidades, a base nitrogenada é uma amidina, incluindo, mas não limitado a, uma carboxamidina/carboximidamida, que é compreendida ser um composto da estrutura RC(=NH)NR1R2, onde R, R1 e R2 são independentemente H ou grupos contendo carbono, incluindo, mas não limitado a, C1-C20 alquila. Um ou mais dos átomos de hidrogênio em R, R1 e/ou R2 podem ser opcionalmente substituídos com um ou mais substituintes. Por exemplo, um ou mais dos hidrogênios em R, R1, R2 e R3 podem ser substituídos com C1-C6 alquila opcionalmente substituída, C1-C6 alcóxi opcionalmente substituído, C2-C10 alquenila opcionalmente substituída; C2-C10 alquinila opcionalmente substituída; alcarila opcionalmente substituída; arilalquila opcionalmente substituída; arilóxi opcionalmente substituído; heteroarila opcionalmente substituída; heterociclo opcionalmente substituído; halo (por exemplo, Cl, F, Br e I); hidroxila; alquila halogenada (por exemplo, CF3, 2-Br-etila, CH2F, CH2CF3 e CF2CF3); amino opcionalmente substituído; alquilamino opcionalmente substituído; arilamino opcionalmente substituído; acila opcionalmente substituída; CN; NO2; N3; CH2OH; CONH2; C1-C3 alquiltio; sulfato; ácido sulfônico; ésteres de sulfonato (por exemplo, metanossulfonila); ácido fosfônico; fosfato; fosfonato; ésteres de mono-, di- ou trifosfato; tritila ou monometoxitritila; CF3S; CF3SO2; ou silila (por exemplo, trimetilsilila, dimetil-t-butilsilila e difenilmetilsilila).[0036] In certain embodiments, the nitrogenous base is an amidine, including, but not limited to, a carboxamidine/carboximidamide, which is understood to be a compound of the structure RC(=NH)NR1R2, where R, R1, and R2 are independently H or carbon-containing groups, including, but not limited to, C1-C20 alkyl. One or more of the hydrogen atoms in R, R1, and/or R2 may be optionally substituted with one or more substituents. For example, one or more of the hydrogens in R, R1, R2, and R3 may be substituted with optionally substituted C1-C6 alkyl, optionally substituted C1-C6 alkoxy, optionally substituted C2-C10 alkenyl; optionally substituted C2-C10 alkynyl; optionally substituted alkaryl; optionally substituted arylalkyl; optionally substituted aryloxy; optionally substituted heteroaryl; optionally substituted heterocycle; halo (e.g., Cl, F, Br, and I); hydroxyl; halogenated alkyl (e.g., CF3, 2-Br-ethyl, CH2F, CH2CF3, and CF2CF3); optionally substituted amino; optionally substituted alkylamino; optionally substituted arylamino; optionally substituted acyl; CN; NO2; N3; CH2OH; CONH2; C1-C3 alkylthio; sulfate; sulfonic acid; sulfonate esters (e.g., methanesulfonyl); phosphonic acid; phosphate; phosphonate; mono-, di-, or triphosphate esters; trityl or monomethoxytrityl; CF3S; CF3SO2; or silyl (e.g., trimethylsilyl, dimethyl-t-butylsilyl, and diphenylmethylsilyl).
[0037] Em modalidades mais específicas, a base nitrogenada pode ser selecionada do grupo consistindo em 1,1,3,3- tetrametilguanidina (“TMG”), N-terc-butil-1,1,3,3-tetrametilguanidina, difenilguanidina, ditolilguanidina ou 1,8-diazabiciclo(5.4.0)undec-7-eno. Outras guanidinas exemplares que podem ser úteis em certas modalidades de acordo com a presente invenção incluem, mas não estão limitadas a, 1,1,3-trimetil-3-(2,2,3,3-tetrafluorpropil)guanidina; 1,1,3-trimetil-3-(2,2,3,3,3-pentafluorpropil)guanidina; 1,3-dimetil-1,3- bis(2,2,2-trifluoretil)-guanidina; 1,3-bis(2,2,3,3- tetrafluorpropil)guanidina; 1,3-bis(4-fluorfenil)guanidina; 1,3-bis(3- fluorfenil)guanidina; e 1,3-bis(2-fluorfenil)guanidina. Outras amidinas que podem ser úteis em certas modalidades de acordo com a invenção são 2-(2,2,2-trifluoretil)-1,4,5,6-tetraidropirimidina; 2-(2,2,3,3- tetrafluorpropil)-1,4,5,6-tetraidropirimidina; 3,3,4,4-tetrafluor-N,N- dimetilbutanimidamida; e 3,3,3-trifluor-N,N-dimetilpropanimidamida. Ainda outras bases nitrogenadas que podem ser usadas de acordo com a presente invenção incluem, por exemplo, aquelas reveladas na Publicação do Pedido de Patente U.S. No. 2008/0058549 para Jessop e outros, cuja revelação é aqui incorporada a título de referência. Em certas modalidades, a base nitrogenada pode ter um pKa de cerca de 12 a cerca de 15, cerca de 12 a cerca de 14 ou cerca de 13 a cerca de 15. Por exemplo, em algumas modalidades, a base nitrogenada pode ter um pKa de cerca de 12, cerca de 13, cerca de 14 ou cerca de 15.[0037] In more specific embodiments, the nitrogenous base can be selected from the group consisting of 1,1,3,3-tetramethylguanidine (“TMG”), N-tert-butyl-1,1,3,3-tetramethylguanidine, diphenylguanidine, Ditolylguanidine, or 1,8-diazabicyclo(5.4.0)undec-7-ene. Other exemplary guanidines that may be useful in certain embodiments according to the present invention include, but are not limited to, 1,1,3-trimethyl-3-(2,2,3,3-tetrafluoropropyl)guanidine; 1,1,3-trimethyl-3-(2,2,3,3,3-pentafluoropropyl)guanidine; 1,3-dimethyl-1,3-bis(2,2,2-trifluoroethyl)-guanidine; 1,3-bis(2,2,3,3-tetrafluoropropyl)guanidine; 1,3-bis(4-fluorophenyl)guanidine; 1,3-bis(3-fluorophenyl)guanidine; and 1,3-bis(2-fluorophenyl)guanidine. Other amidines that may be useful in certain embodiments according to the invention are 2-(2,2,2-trifluoroethyl)-1,4,5,6-tetrahydropyrimidine; 2-(2,2,3,3-tetrafluoropropyl)-1,4,5,6-tetrahydropyrimidine; 3,3,4,4-tetrafluoro-N,N-dimethylbutanimidamide; and 3,3,3-trifluoro-N,N-dimethylpropanimidamide. Still other nitrogenous bases that may be used in accordance with the present invention include, for example, those disclosed in U.S. Patent Application Publication No. 2008/0058549 to Jessop et al., the disclosure of which is incorporated herein by reference. In certain embodiments, the nitrogenous base may have a pKa of about 12 to about 15, about 12 to about 14, or about 13 to about 15. For example, in some embodiments, the nitrogenous base may have a pKa of about 12, about 13, about 14, or about 15.
[0038] Em algumas modalidades, o sistema solvente pode incluir uma mistura compreendendo uma base nitrogenada e um álcool relativamente ácido, componentes que podem estar presentes em proporções mais ou menos iguais em molaridade (isto é, estão presentes em quantidades equimolares). Em algumas modalidades, a solução pode ser diluída, tal como com água ou usando um excesso de um componente relativamente ácido. Por exemplo, a razão molar de base nitrogenada para componente relativamente ácido pode ser 1,1 a cerca de 10, 1,1 a cerca de 15, 1,1 a cerca de 10, 1,1 a cerca de 5, 1,1 a cerca de 3, cerca de 2 a cerca de 20, cerca de 2 a cerca de 15, 2 a cerca de 10, 2 a cerca de 5, cerca de 3 a cerca de 20, cerca de 3 a cerca de 15, cerca de 3 a cerca de 10, cerca de 4 a cerca de 20, cerca de 4 a cerca de 15, cerca de 4 a cerca de 10, cerca de 5 a cerca de 20, cerca de 5 a cerca de 15 ou cerca de 5 a cerca de 10. Embora não desejando ser limitado pela teoria, é acreditado que o uso do diluente pode ser útil para reduzir ou prevenir precipitação de sólidos no sistema solvente. Em algumas modalidades, o sistema solvente pode compreender ainda um ou mais componentes adicionais. Os componentes adicionais podem ser adicionados, por exemplo, para aumentar a solubilidade do produto de CO2 capturado no sistema solvente, e então evita a formação de precipitados. Em outras modalidades, no entanto, formação de sólidos pode ser desejável, e tal formação pode ser aumentada através da alteração da concentração de um ou mais componentes solventes.[0038] In some embodiments, the solvent system may include a mixture comprising a nitrogenous base and a relatively acidic alcohol, which components may be present in proportions roughly equal in molarity (i.e., are present in equimolar amounts). In some embodiments, the solution may be diluted, such as with water or using an excess of a relatively acidic component. For example, the molar ratio of nitrogenous base to relatively acidic component may be 1.1 to about 10, 1.1 to about 15, 1.1 to about 10, 1.1 to about 5, 1.1 to about 3, about 2 to about 20, about 2 to about 15, 2 to about 10, 2 to about 5, about 3 to about 20, about 3 to about 15, about 3 to about 10, about 4 to about 20, about 4 to about 15, about 4 to about 10, about 5 to about 20, about 5 to about 15, or about 5 to about 10. While not wishing to be limited by theory, it is believed that the use of the diluent may be useful in reducing or preventing precipitation of solids in the solvent system. In some embodiments, the solvent system may further comprise one or more additional components. The additional components may be added, for example, to increase the solubility of the captured CO2 product in the solvent system, and thus prevent the formation of precipitates. In other embodiments, however, formation of solids may be desirable, and such formation may be increased by altering the concentration of one or more solvent components.
[0039] Em algumas modalidades, o sistema solvente da presente invenção é particularmente útil para captura de CO2 de uma corrente de gás. A corrente de gás pode ser uma corrente de gás misturada, tendo um ou mais outros componentes em adição a CO2. Quando uma solução compreendendo um sistema solvente da presente invenção é purgada com uma mistura de gás contendo CO2, os componentes do sistema solvente sofrem uma reação química com CO2, ligando o CO2 na solução. Em algumas modalidades, os sistemas solventes da presente invenção têm cargas de CO2 altas. Por exemplo, os sistemas solventes podem ser úteis para captura ou remoção de mais do que cerca de 0,05 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,1 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,2 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,3 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,4 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,5 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,6 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,7 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,8 mol de CO2 por mol de base nitrogenada, mais do que cerca de 0,9 mol de CO2 por mol de base nitrogenada ou mais do que cerca de 1 mol de CO2 por mol de base nitrogenada.[0039] In some embodiments, the solvent system of the present invention is particularly useful for capturing CO2 from a gas stream. The gas stream may be a mixed gas stream, having one or more other components in addition to CO2. When a solution comprising a solvent system of the present invention is purged with a gas mixture containing CO2, the components of the solvent system undergo a chemical reaction with CO2, binding the CO2 in the solution. In some embodiments, the solvent systems of the present invention have high CO2 loadings. For example, the solvent systems may be useful for capturing or removing more than about 0.05 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.1 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.2 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.3 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.4 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.5 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.6 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.7 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.8 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, more than about 0.9 mole of CO2 per mole of nitrogenous base, or more than about 1 mole of CO2 per mole of nitrogenous base. mole of CO2 per mole of nitrogenous base.
[0040] A Figura 1 ilustra cursos de reação para captura de CO2 usando líquidos iônicos compreendendo um álcool relativamente ácido e uma base nitrogenada. A captura reversível de CO2 de acordo com o presente processo envolve reação com um líquido iônico formado da base conjugada do álcool e do ácido conjugado da base nitrogenada. Na Figura 1, a base nitrogenada é mostrada reagir com um nucleófilo ácido (álcool) para desprotonar o álcool e formar o líquido iônico. O sistema solvente pode ser classificado como um líquido iônico através de qualquer meio conhecido na técnica. Por exemplo, o sistema solvente pode ser determinado ter uma condutividade superior a cerca de 100 microsiemens/cm2. Por exemplo, em modalidades preferidas, o sistema solvente apresenta uma condutividade superior a cerca de 400 microsiemens/cm2. O líquido iônico é capaz de capturar CO2 como um éster de carbonato. É notado que, ao variar o gás ácido sendo removido do sistema, a estrutura do produto capturado vai precisar variar também. Desta maneira, em certas modalidades, o gás ácido será capturado como um análogo de heteroátomo de um éster de carbonato.[0040] Figure 1 illustrates reaction pathways for CO2 capture using ionic liquids comprising a relatively acidic alcohol and a nitrogenous base. Reversible CO2 capture according to the present process involves reaction with an ionic liquid formed from the conjugate base of the alcohol and the conjugate acid of the nitrogenous base. In Figure 1, the nitrogenous base is shown reacting with an acidic nucleophile (alcohol) to deprotonate the alcohol and form the ionic liquid. The solvent system can be classified as an ionic liquid by any means known in the art. For example, the solvent system can be determined to have a conductivity greater than about 100 microsiemens/cm2. For example, in preferred embodiments, the solvent system exhibits a conductivity greater than about 400 microsiemens/cm2. The ionic liquid is capable of capturing CO2 as a carbonate ester. It is appreciated that by varying the acidic gas being removed from the system, the structure of the captured product will need to vary as well. In this manner, in certain embodiments, the acid gas will be captured as a heteroatom analogue of a carbonate ester.
[0041] O sistema solvente da presente invenção é projetado de maneira que o componente relativamente ácido (por exemplo, um álcool na modalidade acima) é mais ácido do que água, e então sua base conjugada é comparativamente menos suscetível à protonação por água. Desta maneira, a presente invenção melhor o impacto de degradação química pela água que existe para alguns solventes não aquosos. A reação do sistema solvente revelado com CO2 é totalmente reversível sob certas condições. Por exemplo, a reação é reversível sob pressão de CO2 elevada e temperatura elevada (por exemplo, quando aquecida para cerca de 50 °C e acima).[0041] The solvent system of the present invention is designed such that the relatively acidic component (e.g., an alcohol in the above embodiment) is more acidic than water, and thus its conjugate base is comparatively less susceptible to protonation by water. In this manner, the present invention ameliorates the chemical degradation impact by water that exists for some non-aqueous solvents. The reaction of the disclosed solvent system with CO2 is fully reversible under certain conditions. For example, the reaction is reversible under elevated CO2 pressure and elevated temperature (e.g., when heated to about 50°C and above).
[0042] Em certas modalidades, o componente relativamente ácido é selecionado de maneira que apresenta baixa capacidade de mistura com água. Por exemplo, em algumas modalidades, o componente relativamente ácido apresenta uma solubilidade inferior a ou igual a cerca de 10 g/100 mL em água a 25 °C (isto é, 10 g de solvente por 100 mL de água). Em outras modalidades, o componente relativamente ácido apresenta uma solubilidade em água inferior a ou igual a cerca de 0,01 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 0,1 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 0,5 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 1 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 1,5 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 2 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 2,5 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 3 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 4 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 5 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 6 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 7 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 8 g/100 mL, inferior a ou igual a cerca de 9 g/100 mL em água a 25 °C. Em algumas modalidades, o componente relativamente ácido é completamente não miscível em água. Uso de componentes relativamente ácidos com solubilidade em água baixa pode resultar em sistemas solventes que exibem um ou mais dos atributos que seguem: podem requerer menos energia para regeneração; podem ter capacidades de carga de CO2 altas; podem ser capazes de tolerar água na corrente de gás; e/ou podem ser capazes de ser separados de água sem uma penalidade de energia grande.[0042] In certain embodiments, the relatively acidic component is selected such that it exhibits low mixing ability with water. For example, in some embodiments, the relatively acidic component exhibits a solubility of less than or equal to about 10 g/100 mL in water at 25 °C (i.e., 10 g of solvent per 100 mL of water). In other embodiments, the relatively acidic component exhibits a solubility in water of less than or equal to about 0.01 g/100 mL, less than or equal to about 0.1 g/100 mL, less than or equal to about 0.5 g/100 mL, less than or equal to about 1 g/100 mL, less than or equal to about 1.5 g/100 mL, less than or equal to about 2 g/100 mL, less than or equal to about 2.5 g/100 mL, less than or equal to about 3 g/100 mL, less than or equal to about 4 g/100 mL, less than or equal to about 5 g/100 mL, less than or equal to about 6 g/100 mL, less than or equal to about 7 g/100 mL, less than or equal to about 8 g/100 mL, less than or equal to about 9 g/100 mL, or less than or equal to about 10 g/100 mL. g/100 mL in water at 25 °C. In some embodiments, the relatively acidic component is completely immiscible in water. Use of relatively acidic components with low water solubility can result in solvent systems that exhibit one or more of the following attributes: they may require less energy for regeneration; they may have high CO2 loading capacities; they may be able to tolerate water in the gas stream; and/or they may be able to be separated from water without a large energy penalty.
[0043] Em modalidades adicionais, o componente base nitrogenada do sistema solvente é similarmente selecionado de maneira que apresentam uma baixa capacidade de mistura com água. Em modalidades preferidas, a base nitrogenada apresenta capacidade de mistura maior com o componente relativamente ácido do que com água. Em algumas modalidades, a base nitrogenada apresenta alta solubilidade no componente relativamente ácido. Exemplos de tais bases nitrogenadas incluem, mas não estão limitados a, guanidinas ou amidinas, tais como aquelas tendo uma ou mais cadeias de hidrocarbono substituídas ou não substituídas, uma ou mais porções aromáticas substituídas ou não substituídas (por exemplo, porções aromáticas substituídas por flúor) e/ou uma ou mais porções alquilaromáticas substituídas ou não substituídas (por exemplo, porções alquilaromáticas substituídas por flúor).[0043] In additional embodiments, the nitrogenous base component of the solvent system is similarly selected such that it exhibits low mixing capacity with water. In preferred embodiments, the nitrogenous base exhibits greater mixing capacity with the relatively acidic component than with water. In some embodiments, the nitrogenous base exhibits high solubility in the relatively acidic component. Examples of such nitrogenous bases include, but are not limited to, guanidines or amidines, such as those having one or more substituted or unsubstituted hydrocarbon chains, one or more substituted or unsubstituted aromatic moieties (e.g., fluorine-substituted aromatic moieties), and/or one or more substituted or unsubstituted alkylaromatic moieties (e.g., fluorine-substituted alkylaromatic moieties).
[0044] Em algumas modalidades, o sistema solvente é tolerante à presença de água. Em certas modalidades, o sistema solvente tolera água até ou igual a cerca de 30% de água em volume. Por exemplo, em algumas modalidades, o sistema solvente tolera até ou igual a cerca de 25% em volume de água, até ou igual a cerca de 20%, até ou igual a cerca de 15%, até ou igual a cerca de 10%, até ou igual a cerca de 5%, até ou igual a cerca de 2% ou até ou igual a cerca de 1% em volume de água. Em algumas modalidades, tolerância à presença de água significa que há pouca ou nenhuma degradação do desempenho do solvente até o volume de água indicado. Em algumas modalidades, o sistema solvente se mantém na ou próximo de sua capacidade inicial para carregamento de CO2 até o volume de água indicado.[0044] In some embodiments, the solvent system is tolerant to the presence of water. In certain embodiments, the solvent system tolerates water up to or equal to about 30% water by volume. For example, in some embodiments, the solvent system tolerates up to or equal to about 25% water by volume, up to or equal to about 20%, up to or equal to about 15%, up to or equal to about 10%, up to or equal to about 5%, up to or equal to about 2%, or up to or equal to about 1% water by volume. In some embodiments, tolerance to the presence of water means that there is little or no degradation of the solvent's performance up to the indicated volume of water. In some embodiments, the solvent system remains at or near its initial capacity for CO2 loading up to the indicated volume of water.
[0045] Em modalidades preferidas, o CO2 sequestrado usando o sistema solvente da presente invenção pode ser liberado para regenerar o sistema solvente para reuso. É preferido que o sistema solvente seja regenerável usando condições suaves. Em algumas modalidades, a liberação de CO2 e regeneração correspondente do sistema solvente são realizadas através de aquecimento da solução. Quando a solução contendo CO2 ligado é aquecida, a reação química é revertida e o CO2 é liberado, produzindo uma corrente de CO2 concentrado.[0045] In preferred embodiments, the CO2 sequestered using the solvent system of the present invention can be released to regenerate the solvent system for reuse. It is preferred that the solvent system be regenerable using mild conditions. In some embodiments, the release of CO2 and corresponding regeneration of the solvent system is accomplished by heating the solution. When the solution containing bound CO2 is heated, the chemical reaction is reversed and the CO2 is released, producing a stream of concentrated CO2.
[0046] Em algumas modalidades, o presente pedido se refere a um sistema solvente e processo para a remoção de CO2 de uma corrente de gás. A presente invenção se aplica a qualquer corrente de gás contendo CO2. Por exemplo, em modalidades particulares, a invenção se refere a um processo para a remoção de CO2 de gás de combustão de combustível fóssil, uma mistura de gás natural ou uma mistura de gases respiratórios de ambientes fechados contendo CO2. O processo envolve passagem da corrente de gás misturada através de um sistema solvente compreendendo um componente relativamente ácido e um componente base nitrogenada. Em algumas modalidades, a presente invenção se refere ainda à regeneração do sistema solvente, que libera o CO2. Em algumas modalidades, regeneração do sistema solvente envolve aquecimento do sistema solvente em uma temperatura suficiente para liberar o CO2. Em algumas modalidades, o processo envolve aquecimento do sistema solvente em uma temperatura em ou abaixo de cerca de 200 °C, por exemplo, em ou abaixo de cerca de 185 °C, em ou abaixo de cerca de 150 °C ou em ou abaixo de cerca de 125 °C. Em modalidades preferidas, o processo envolve aquecimento do sistema solvente em uma temperatura em ou abaixo de cerca de 100 °C, por exemplo, em uma temperatura em ou abaixo de cerca de 95 °C, em ou abaixo de cerca de 90 °C, em ou abaixo de cerca de 85 °C, em ou abaixo de cerca de 80 °C, em ou abaixo de cerca de 75 °C ou em ou abaixo de cerca de 70 °C. Por exemplo, em algumas modalidades, onde o componente relativamente ácido é um álcool fluorado, o CO2 é capturado como um fluoralquilcarbonato, que pode ser decomposto para liberar CO2 através de aquecimento do sistema solvente em uma temperatura entre cerca de 40 °C e cerca de 85 °C. Em algumas modalidades, o CO2 pode ser liberado em temperatura ambiente.[0046] In some embodiments, the present application relates to a solvent system and process for removing CO2 from a gas stream. The present invention applies to any gas stream containing CO2. For example, in particular embodiments, the invention relates to a process for removing CO2 from fossil fuel combustion gas, a natural gas mixture, or a mixture of indoor respiratory gases containing CO2. The process involves passing the mixed gas stream through a solvent system comprising a relatively acidic component and a nitrogenous base component. In some embodiments, the present invention further relates to regeneration of the solvent system, which releases the CO2. In some embodiments, regeneration of the solvent system involves heating the solvent system to a temperature sufficient to release the CO2. In some embodiments, the process involves heating the solvent system to a temperature at or below about 200 °C, e.g., at or below about 185 °C, at or below about 150 °C, or at or below about 125 °C. In preferred embodiments, the process involves heating the solvent system to a temperature at or below about 100 °C, e.g., at a temperature at or below about 95 °C, at or below about 90 °C, at or below about 85 °C, at or below about 80 °C, at or below about 75 °C, or at or below about 70 °C. For example, in some embodiments, where the relatively acidic component is a fluorinated alcohol, the CO2 is captured as a fluoroalkylcarbonate, which can be decomposed to release CO2 by heating the solvent system to a temperature between about 40 °C and about 85 °C. In some embodiments, CO2 may be released at room temperature.
[0047] Em certas modalidades, em ou cerca de 100% do CO2 são removidos do sistema solvente rico em CO2. No entanto, em outras modalidades, inferior a 100% do CO2 são removidos do sistema solvente rico em CO2. Em modalidades preferidas, cerca de 50 a 100% do CO2 capturado são removidos do sistema solvente rico em CO2, preferivelmente cerca de 75% a 100%, cerca de 80% a 100%, cerca de 90% a 100%, cerca de 95% a cerca de 100% ou cerca de 98% a 100%. Por exemplo, em algumas modalidades, pelo menos cerca de 98%, 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 60% ou 50% do CO2 capturado são removidos do sistema solvente rico em CO2.[0047] In certain embodiments, at or about 100% of the CO2 is removed from the CO2-rich solvent system. However, in other embodiments, less than 100% of the CO2 is removed from the CO2-rich solvent system. In preferred embodiments, about 50 to 100% of the captured CO2 is removed from the CO2-rich solvent system, preferably about 75% to 100%, about 80% to 100%, about 90% to 100%, about 95% to about 100%, or about 98% to 100%. For example, in some embodiments, at least about 98%, 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 60%, or 50% of the captured CO2 is removed from the CO2-rich solvent system.
[0048] Em algumas modalidades, a remoção de CO2 de misturas de gás contendo H2O em adição a CO2 pode levar ao acúmulo de H2O no sistema solvente, ou como uma solução de fase simples ou bifase, dependendo das condições de reação. Conforme acima mencionado, a presença de H2O na mistura de solvente pode ser desvantajosa por causa de uma reação colateral indesejada, e mais energia será requerida para regeneração de solvente devido à necessidade de remoção de água do solvente. Desta maneira, acúmulo de H2O no sistema solvente pode aumentar a demanda de energia de regeneração, diminuindo a eficiência do sistema de regeneração.[0048] In some embodiments, removal of CO2 from gas mixtures containing H2O in addition to CO2 may lead to accumulation of H2O in the solvent system, either as a single-phase or biphase solution, depending on the reaction conditions. As mentioned above, the presence of H2O in the solvent mixture may be disadvantageous because of an undesirable side reaction, and more energy will be required for solvent regeneration due to the need to remove water from the solvent. Thus, accumulation of H2O in the solvent system may increase the energy demand for regeneration, decreasing the efficiency of the regeneration system.
[0049] Em algumas modalidades, o processo da invenção provê um método através do qual os efeitos prejudiciais de acúmulo de H2O no sistema solvente podem ser evitados. Por exemplo, o efeito prejudicial de acúmulo de H2O sobre a demanda de energia de regeneração do sistema solvente pode ser minimizado através da provisão de um processo através do qual o CO2 é sequestrado dentro do sistema solvente em uma temperatura superior à temperatura de saturação de H2O da mistura de gás. Ainda, o efeito prejudicial de acúmulo de H2O sobre a demanda de energia de regeneração do sistema solvente pode ser minimizado através da provisão de um processo através do qual a H2O acumula como uma fase aquosa, separada, dentro do sistema solvente. Este processo envolve o uso de um sistema solvente que exibe pouca ou nenhuma solubilidade em água. Em tal sistema, água que coleta está presente como uma fase separada. A fase aquosa, separada, pode ser decantada ou centrifugada através de processos mecânicos, ao invés de térmicos, minimizando a energia requerida para manter um sistema de remoção de CO2 eficiente. Por exemplo, como a cadeia de hidrocarbono de álcoois alifáticos é aumentada em comprimento, a solubilidade do álcool em água diminui. Isto é também verdadeiro para álcoois fluorados. Por exemplo, 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluorpentanol (“OFP”) é essencialmente não miscível em água. Desta maneira, um sistema solvente compreendendo uma base nitrogênio apropriada e OFP forma uma solução líquida bifásica quando combinado com água. Em tal solvente, água pode ser separada do sistema solvente sem destilação ou o uso de uma membrana através de decantação ou centrifugação da camada aquosa da fase fluorada. Em algumas modalidades, após remoção da H2O, o sistema solvente rico em CO2 pode ser regenerado em temperatura baixa com a adição de diluentes de baixa ebulição para satisfazer as necessidades de pressão parciais. O sistema solvente poderia então evitar a penalidade de energia adicional associada com a destilação de água. Ao prover um sistema solvente de absorção de CO2 não aquoso com baixa solubilidade em água, o sistema solvente apresenta demandas de energia menores e condições de regeneração mais suaves do que aquelas de sistemas solventes de CO2 aquosos ou de afinidade com água alta.[0049] In some embodiments, the process of the invention provides a method by which the detrimental effects of H2O accumulation in the solvent system can be avoided. For example, the detrimental effect of H2O accumulation on the regeneration energy demand of the solvent system can be minimized by providing a process by which CO2 is sequestered within the solvent system at a temperature above the H2O saturation temperature of the gas mixture. Further, the detrimental effect of H2O accumulation on the regeneration energy demand of the solvent system can be minimized by providing a process by which H2O accumulates as a separate, aqueous phase within the solvent system. This process involves the use of a solvent system that exhibits little or no solubility in water. In such a system, water that collects is present as a separate phase. The separated, aqueous phase can be decanted or centrifuged by mechanical, rather than thermal, processes, minimizing the energy required to maintain an efficient CO2 removal system. For example, as the hydrocarbon chain of aliphatic alcohols is increased in length, the solubility of the alcohol in water decreases. This is also true for fluorinated alcohols. For example, 2,2,3,3,4,4,5,5-octafluoropentanol (“OFP”) is essentially immiscible in water. Thus, a solvent system comprising a suitable nitrogen base and OFP forms a two-phase liquid solution when combined with water. In such a solvent, water can be separated from the solvent system without distillation or the use of a membrane by decanting or centrifuging the aqueous layer of the fluorinated phase. In some embodiments, after removal of the H2O, the CO2-rich solvent system can be regenerated at low temperature with the addition of low boiling diluents to meet partial pressure requirements. The solvent system could then avoid the additional energy penalty associated with distilling water. By providing a non-aqueous CO2 absorption solvent system with low water solubility, the solvent system exhibits lower energy demands and milder regeneration conditions than those of aqueous or high water affinity CO2 solvent systems.
[0050] Em algumas modalidades, um sistema para remoção de CO2 de uma corrente de gás é provido. Um esquema de um sistema exemplar da presente invenção é mostrado nas Figuras 2 a 6. O sistema de remoção de CO2 10 inclui um absorvedor 12 configurado com uma entrada para receber uma corrente de gás. A corrente de gás pode vir diretamente de, por exemplo, uma câmara de combustão de um sistema de ebulição em uma usina de geração de energia. A corrente de gás pode ou não ser passada através de outros sistemas de limpeza antes de entrar no sistema de remoção de CO2. O absorvedor pode ser qualquer câmara onde um sistema solvente para a remoção de CO2 está contido, tendo uma entrada e saída de uma corrente de gás, e onde a corrente de gás pode ser trazida em contado com o sistema solvente. Dentro do absorvedor, o CO2 pode ser transferido da fase gasosa para a fase líquida de acordo com os princípios discutidos aqui. O absorvedor pode ser de qualquer tipo; por exemplo, o absorvedor pode compreender um absorvedor de torre de pulverização; absorvedor revestido (incluindo torre de fluxo em contracorrente ou torre de fluxo cruzado), absorvedor de bandeja-torre (tendo vários tipos de bandeja, incluindo bandejas de tampão de bolha (bubble-cap trays), bandejas de peneira (sieve trays), bandejas de impacto (impingement trays) e/ou bandejas de válvula de flutuação (float valve trays), absorvedor de risco ou absorvedor de ejetor. A temperatura e a pressão dentro do absorvedor podem ser controladas. Por exemplo, em uma modalidade, a temperatura do absorvedor pode ser mantida em ou próximo de 50-60 °C e o absorvedor pode ser mantido na ou próximo da pressão atmosférica. Desta maneira, o absorvedor pode ser equipado com um sistema de aquecimento/esfriamento e/ou sistema de pressão/vácuo.[0050] In some embodiments, a system for removing CO2 from a gas stream is provided. A schematic of an exemplary system of the present invention is shown in Figures 2-6. The CO2 removal system 10 includes an absorber 12 configured with an inlet for receiving a gas stream. The gas stream may come directly from, for example, a combustion chamber of a boiling system in a power generation plant. The gas stream may or may not be passed through other cleaning systems before entering the CO2 removal system. The absorber may be any chamber where a solvent system for removing CO2 is contained, having an inlet and outlet for a gas stream, and where the gas stream may be brought into contact with the solvent system. Within the absorber, CO2 may be transferred from the gas phase to the liquid phase in accordance with the principles discussed herein. The absorber may be of any type; for example, the absorber may comprise a spray tower absorber; jacketed absorber (including counter-current flow tower or cross-flow tower), tray-tower absorber (having various types of trays, including bubble-cap trays, sieve trays, impingement trays and/or float valve trays), hazard absorber or ejector absorber. The temperature and pressure within the absorber may be controlled. For example, in one embodiment, the temperature of the absorber may be maintained at or near 50-60 °C and the absorber may be maintained at or near atmospheric pressure. In this manner, the absorber may be equipped with a heating/cooling system and/or pressure/vacuum system.
[0051] Dentro do absorvedor, a corrente de gás é trazida em contato fluido com e passada por um sistema solvente compreendendo um componente relativamente ácido e um componente base nitrogenada. O sistema solvente reage com o CO2 presente na corrente de gás, sequestrando-o dos componentes restantes do gás, e a corrente de gás livre de CO2 resultante é liberada do absorvedor através de uma saída. O sistema solvente continua a reagir com CO2 que entra conforme a corrente de gás misturada é passada por ele, até que se torna “rico” em CO2. O absorvedor é opcionalmente conectado a um ou mais componentes. Por exemplo, o absorvedor é preferivelmente configurado com um meio para encaminhar o solvente para uma unidade onde água pode ser decantada, centrifugada ou então removida do sistema.[0051] Within the absorber, the gas stream is brought into fluid contact with and passed through a solvent system comprising a relatively acidic component and a nitrogenous base component. The solvent system reacts with the CO2 present in the gas stream, sequestering it from the remaining gas components, and the resulting CO2-free gas stream is released from the absorber through an outlet. The solvent system continues to react with incoming CO2 as the mixed gas stream is passed through it, until it becomes “rich” in CO2. The absorber is optionally connected to one or more components. For example, the absorber is preferably configured with a means for routing the solvent to a unit where water can be decanted, centrifuged, or otherwise removed from the system.
[0052] Em qualquer estágio no processo de captura de CO2, o sistema solvente pode ser regenerado. O sistema inclui então um sistema de regeneração opcional 14 para liberar o CO2 capturado através de uma corrente de gás CO2 separada e então regenerar o sistema solvente. O sistema de regeneração é configurado para receber uma alimentação de solvente “rico” do absorvedor e retornar solvente regenerado para o absorvedor uma vez o CO2 tendo sido separado do solvente “rico”. O sistema de regeneração pode compreender apenas uma câmara com uma unidade de aquecimento para aquecer o sistema solvente em uma temperatura suficiente para liberar o gás, junto com uma válvula de liberação para permitir que o CO2 seja removido do sistema de regeneração. Pode ser também uma coluna de destilação e ter essencialmente o mesmo projeto que acima descrito para a coluna de absorção. O regenerador pode ser opcionalmente conectado a um ou mais componentes. Por exemplo, o regenerador é preferivelmente configurado com um meio para encaminhar solvente para uma unidade onde água pode ser decantada, centrifugada ou de outra maneira removida do sistema.[0052] At any stage in the CO2 capture process, the solvent system may be regenerated. The system then includes an optional regeneration system 14 to release the captured CO2 via a separate CO2 gas stream and then regenerate the solvent system. The regeneration system is configured to receive a feed of “rich” solvent from the absorber and return regenerated solvent to the absorber once the CO2 has been separated from the “rich” solvent. The regeneration system may comprise only a chamber with a heating unit to heat the solvent system to a temperature sufficient to release the gas, along with a release valve to allow the CO2 to be removed from the regeneration system. It may also be a distillation column and have essentially the same design as described above for the absorption column. The regenerator may optionally be connected to one or more components. For example, the regenerator is preferably configured with a means to route solvent to a unit where water may be decanted, centrifuged or otherwise removed from the system.
[0053] O CO2 liberado pode ser liberado para armazenamento ou para outros usos predeterminados. O solvente regenerado está novamente pronto para absorver CO2 de uma corrente de gás e pode ser direcionado de volta para o absorvedor.[0053] The released CO2 may be released for storage or other predetermined uses. The regenerated solvent is again ready to absorb CO2 from a gas stream and may be directed back to the absorber.
[0054] Muitas modificações e outras modalidades da invenção reveladas aqui serão compreendidas por um versado na técnica à qual a presente invenção pertence tendo o benefício dos ensinamentos apresentados no relatório acima e nos desenhos associados. Desta maneira, deve ser compreendido que a invenção não é limitada às modalidades específicas reveladas e que modificações e outras modalidades são pretendidas estar incluídas no escopo das reivindicações apensas. Embora termos específicos sejam empregados aqui, eles são usados em um sentido genérico e descritivo apenas e não para propósitos de limitação.[0054] Many modifications and other embodiments of the invention disclosed herein will be understood by one skilled in the art to which the present invention belongs having the benefit of the teachings set forth in the above specification and the associated drawings. Accordingly, it should be understood that the invention is not limited to the specific embodiments disclosed and that modifications and other embodiments are intended to be included within the scope of the appended claims. Although specific terms are employed herein, they are used in a generic and descriptive sense only and not for purposes of limitation.
[0055] Os exemplos que seguem são providos para o propósito de revelação completa e não são vistos como limitantes da invenção.[0055] The following examples are provided for the purpose of complete disclosure and are not to be construed as limiting the invention.
[0056] Uma solução equimolar de 1,1,3,3-tetrametilguanidina (“TMG”) e 2,2,2-trifluoretanol (“TFE”) foi preparada, resultando em um evento exotérmico com geração de calor moderada. A solução foi posta em um aparelho de colisão e purgada com uma mistura de gás binário contendo aproximadamente 13% de CO2 (equilíbrio de nitrogênio). A concentração de CO2 do gás que sai do reator foi monitorada através de um analisador de CO2 NDIR. A curva de carga de CO2 é mostrada na Figura 7. Quando do aquecimento da solução para 80 °C em uma corrente de fluxo de nitrogênio, a absorção foi revertida, resultando na liberação de aproximadamente 0,56 mol de CO2/mol de amina.[0056] An equimolar solution of 1,1,3,3-tetramethylguanidine (“TMG”) and 2,2,2-trifluoroethanol (“TFE”) was prepared, resulting in an exothermic event with moderate heat generation. The solution was placed in a collision apparatus and purged with a binary gas mixture containing approximately 13% CO2 (nitrogen balance). The CO2 concentration of the off-gas was monitored using an NDIR CO2 analyzer. The CO2 loading curve is shown in Figure 7. Upon heating the solution to 80 °C in a flowing nitrogen stream, the absorption was reversed, resulting in the release of approximately 0.56 mol CO2/mol amine.
[0057] A Figura 8 provê um espectro de ressonância magnética nuclear (RMN) do resultado da reação entre o sistema solvente TMG/TFE e CO2 gasoso. Em um tubo de RMN em temperatura ambiente, 1,1,3,3-tetrametilguanidina (0,6 mmol) foi combinada com 2,2,2-trifluoretanol (0,6 mmol) em clorofórmio deuterado (CDCl3, 0,6 grama). Um espectro de 19F RMN da solução de partida foi registrado. Uma ressonância única apareceu na RMN com mudança química de aproximadamente -77 ppm correspondendo ao ambiente de flúor quimicamente equivalente, conforme mostrado na porção superior da Figura 8.[0057] Figure 8 provides a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum of the resultant reaction between the TMG/TFE solvent system and CO2 gas. In an NMR tube at room temperature, 1,1,3,3-tetramethylguanidine (0.6 mmol) was combined with 2,2,2-trifluoroethanol (0.6 mmol) in deuterated chloroform (CDCl3, 0.6 grams). A 19F NMR spectrum of the starting solution was recorded. A single resonance appeared in the NMR with a chemical shift of approximately -77 ppm corresponding to the chemically equivalent fluorine environment, as shown in the upper portion of Figure 8.
[0058] O tubo de RMN foi então purgado por 30 minutos com uma mistura de gás de 13,3% de CO2 e nitrogênio de equilíbrio. Um segundo espectro de 19F RMN foi registrado neste momento, mostrado na porção inferior da Figura 8. Este espectro indica claramente o aparecimento de um novo pico (indicativo de um novo produto contendo flúor), mudado aproximadamente 3 ppm.[0058] The NMR tube was then purged for 30 minutes with a gas mixture of 13.3% CO2 and equilibrium nitrogen. A second 19F NMR spectrum was recorded at this time, shown in the lower portion of Figure 8. This spectrum clearly indicates the appearance of a new peak (indicative of a new fluorine-containing product), shifted by approximately 3 ppm.
[0059] Esse dado provê evidência que um éster de carbonato foi formado sob as condições experimentais. Quando núcleos de flúor estão presentes em reagentes alcoólicos (como eles estão), RMN de flúor é uma maneira conveniente de identificar envolvimento do álcool na captura de CO2 como um éster de carbonato. A formação de um produto novo que envolve o álcool vai resultar em novas ressonâncias de 19F no espectro de RMN. Espectros de flúor mostrados são desacoplados de próton.[0059] This data provides evidence that a carbonate ester was formed under the experimental conditions. When fluorine nuclei are present in alcoholic reactants (as they are), fluorine NMR is a convenient way to identify involvement of the alcohol in CO2 capture as a carbonate ester. Formation of a new product involving the alcohol will result in new 19F resonances in the NMR spectrum. Fluorine spectra shown are proton decoupled.
[0060] 1,1,3,3-Tetrametilguanidina foi combinada com uma quantidade equimolar de 2,2,3,3-tetrafluorpropanol, dando uma reação exotérmica que ocorre resultando em formação de um líquido iônico em temperatura ambiente, com condutividade inicial igual a aproximadamente 440 μS/cm2, conforme mostrado na Figura 9. Esta figura mostra ainda que, quando o líquido iônico foi purgado com uma mistura de gás binário composto de aproximadamente 13,3% de CO2 (nitrogênio de equilíbrio), a condutividade da solução aumentou para um máximo de aproximadamente 1175 μS/cm2. Esse dado (um aumento em condutividade) corresponde à absorção de CO2 pela solução conforme evidenciado pela diminuição observada na concentração do gás passando pela solução conforme acompanhado com um analisador de CO2 utilizando espectroscopia NDIR. A solução absorveu aproximadamente 0,35 mol de CO2/mol de amina. Quando aquecida para aproximadamente 80 °C sob purga com nitrogênio, o solvente era totalmente regenerável, liberando todo o CO2 capturado.[0060] 1,1,3,3-Tetramethylguanidine was combined with an equimolar amount of 2,2,3,3-tetrafluoropropanol, giving an exothermic reaction that occurs resulting in the formation of an ionic liquid at room temperature, with an initial conductivity equal to approximately 440 μS/cm2, as shown in Figure 9. This figure further shows that, when the ionic liquid was purged with a binary gas mixture composed of approximately 13.3% CO2 (equilibrium nitrogen), the conductivity of the solution increased to a maximum of approximately 1175 μS/cm2. This data (an increase in conductivity) corresponds to the absorption of CO2 by the solution as evidenced by the observed decrease in the concentration of the gas passing through the solution as monitored with a CO2 analyzer using NDIR spectroscopy. The solution absorbed approximately 0.35 mol of CO2/mol of amine. When heated to approximately 80 °C under nitrogen purge, the solvent was fully regenerable, releasing all of the captured CO2.
[0061] Uma mistura equimolar de 1,1,3,3-tetrametilguanidina com 2,2,3,3,4,4-hexafluorbutanol formou um líquido iônico em temperatura ambiente, com condutividade inicial igual a aproximadamente 400 μS/cm2 conforme mostrado na Figura 10. Conforme mostrado ainda nesta figura, quando o líquido iônico foi purgado com uma mistura de gás binário composta de aproximadamente 13,3% de CO2 (nitrogênio de equilíbrio) a condutividade da solução aumentou para um máximo de aproximadamente 800 μS/cm-1. Esse dado (um aumento em condutividade) mostra que a solução absorve CO2 conforme evidenciado pela diminuição observada na concentração do gás passando pela solução conforme acompanhado com um analisador de CO2 utilizando espectroscopia NDIR. Isto indica que o solvente magro é um líquido iônico cuja condutividade aumenta com absorção de dióxido de carbono. A solução absorveu um total de aproximadamente 0,25 mol de CO2/mol de amina. Quando aquecido para aproximadamente 80 °C, o solvente foi totalmente regenerado.[0061] An equimolar mixture of 1,1,3,3-tetramethylguanidine with 2,2,3,3,4,4-hexafluorobutanol formed an ionic liquid at room temperature with an initial conductivity of approximately 400 μS/cm2 as shown in Figure 10. As further shown in this figure, when the ionic liquid was purged with a binary gas mixture composed of approximately 13.3% CO2 (equilibrium nitrogen) the conductivity of the solution increased to a maximum of approximately 800 μS/cm-1. This data (an increase in conductivity) shows that the solution absorbs CO2 as evidenced by the observed decrease in the concentration of the gas passing through the solution as monitored with a CO2 analyzer using NDIR spectroscopy. This indicates that the lean solvent is an ionic liquid whose conductivity increases with absorption of carbon dioxide. The solution absorbed a total of approximately 0.25 mol CO2/mol amine. When heated to approximately 80 °C, the solvent was fully regenerated.
[0062] Uma mistura equimolar de N-terc-butil-1,1,3,3- tetrametilguanidina foi combinada com 2,2,3,3,4,4-hexafluorbutanol, dando um líquido iônico em temperatura ambiente com condutividade inicial igual a aproximadamente 150 μS/cm2 conforme mostrado na Figura 10. O líquido iônico foi purgado com uma mistura de gás binário composta de aproximadamente 13,3% de CO2 (nitrogênio de equilíbrio). Conforme demonstrado na Figura 11, a condutividade da solução aumentou para um máximo de aproximadamente 200 μS/cm2. Esse dado demonstra (um aumento em condutividade) que a solução absorve CO2, conforme evidenciado pela diminuição observada na concentração do gás que passa pela solução conforme acompanhado com um analisador de CO2 utilizando espectroscopia infravermelha. Isso indica que o solvente magro é um líquido iônico cuja condutividade aumenta conforme a absorção de dióxido de carbono aumenta. O solvente absorveu um total de aproximadamente 0,67 mol de CO2/mol de amina e era totalmente regenerável quando do aquecimento para 80 °C sob purga de nitrogênio.[0062] An equimolar mixture of N-tert-butyl-1,1,3,3-tetramethylguanidine was combined with 2,2,3,3,4,4-hexafluorobutanol, giving an ionic liquid at room temperature with an initial conductivity of approximately 150 μS/cm2 as shown in Figure 10. The ionic liquid was purged with a binary gas mixture composed of approximately 13.3% CO2 (equilibrium nitrogen). As demonstrated in Figure 11, the conductivity of the solution increased to a maximum of approximately 200 μS/cm2. This data demonstrates (an increase in conductivity) that the solution absorbs CO2, as evidenced by the observed decrease in the concentration of gas passing through the solution as monitored with a CO2 analyzer using infrared spectroscopy. This indicates that the lean solvent is an ionic liquid whose conductivity increases as carbon dioxide absorption increases. The solvent absorbed a total of approximately 0.67 mol CO2/mol amine and was fully regenerable upon heating to 80 °C under nitrogen purge.
[0063] Um líquido iônico foi preparado misturando 1,8-diaza- biciclo-undec-7-eno (“DBU”) e 2,2,3,3-tetrafluorpropanol. A condutividade inicial do sistema foi 135 μS/cm2, indicando que a solução conforme formada era um líquido iônico não reversível. A solução foi posta em um aparelho de colisão e purgada com uma mistura de gás binário contendo aproximadamente 13% de CO2 (nitrogênio de equilíbrio). A concentração de CO2 do gás que sai do reator foi monitorada através de um analisador de CO2 NDIR. A curva de carga de CO2 é mostrada na Figura 12. Conforme mostrado, a solução absorveu aproximadamente 0,56 mol CO2/per mol amina e era reversível quando do aquecimento da solução para 80 °C em uma corrente fluida de nitrogênio.[0063] An ionic liquid was prepared by mixing 1,8-diaza-bicycloundec-7-ene (“DBU”) and 2,2,3,3-tetrafluoropropanol. The initial conductivity of the system was 135 μS/cm2, indicating that the as-formed solution was a non-reversible ionic liquid. The solution was placed in a collision apparatus and purged with a binary gas mixture containing approximately 13% CO2 (equilibrium nitrogen). The CO2 concentration of the off-gas from the reactor was monitored using an NDIR CO2 analyzer. The CO2 loading curve is shown in Figure 12. As shown, the solution absorbed approximately 0.56 mol CO2/per mol amine and was reversible upon heating the solution to 80 °C in a flowing nitrogen stream.
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