BR112014005676B1 - Método de condensação de dióxido de carbono e sistema de condensação de dióxido de carbono - Google Patents

Método de condensação de dióxido de carbono e sistema de condensação de dióxido de carbono Download PDF

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Abstract

método de condensação de dióxido de carbono e sistema de condensação de dióxido de carbono a presente revelação refere-se a métodos e sistemas para condensação de dióxido de carbono (co2) com o uso de resfriamento magnetocalórico. mais particularmente, a presente revelação se refere a métodos e sistemas para condensação de co2 em um trem de bombeamento e compressão com resfriamento intermediário com o uso de resfriamento magnetocalórico. o método (10) de condensação de dióxido de carbono (co2) a partir de um fluxo de co2 (101), compreende as etapas de (i) comprimir e resfriar (11) um fluxo de co2 (101) para formar um fluxo de co2 parcialmente resfriado, em que o fluxo de co2 parcialmente resfriado (201) é resfriado até uma primeira temperatura; (ii) resfriar (12) o fluxo de co2 parcialmente resfriado (201) até uma segunda temperatura através do resfriamento magnetocalórico para formar um fluxo de co2 resfriado (301); e (iii) condensar (13) pelo menos uma porção de co2 no fluxo de co2 resfriado (301) para formar um fluxo de co2 resfriado (302).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO
[001] A presente revelação refere-se a métodos e sistemas para condensação de dióxido de carbono (CO2) com o uso de resfriamento magnetocalórico. Mais particularmente, a presente revelação se refere a métodos e sistemas para condensação de CO2 em um trem de bombeamento e compressão com resfriamento intermediário com o uso de resfriamento magnetocalórico.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] Processos de geração de potência que são baseados em combustão de combustível que contêm carbono tipicamente produzem CO2 como um subproduto. Pode ser desejável capturar ou, de outra forma, separar o CO2 da mistura de gás para impedir a liberação de CO2 para o meio ambiente e/ou utilizar CO2 no processo de geração de potência ou em outros processos. Pode ainda ser desejável liquefazer/condensar o CO2 separado para facilitar o transporte e armazenagem do CO2 separado. Trens de compressão, liquefação e bombeamento de CO2 podem ser usados para liquefazer o CO2 para aplicações de uso final desejadas. Entretanto, métodos para condensação/liquefação de CO2 podem ser de uso intensivo de energia.
[003] Então, há uma necessidade de métodos e sistemas eficientes para condensação de CO2. Ademais, há uma necessidade de métodos e sistemas eficientes para condensação de CO2 em trens de bombeamento e compressão com resfriamento intermediário.DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[004] De acordo com um aspecto da presente invenção, um método de condensação de dióxido de carbono (CO2) de um fluxo de CO2 é fornecido. O método inclui (i) comprimir e resfriar o fluxo de CO2 para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado, em que o fluxo de CO2 parcialmente resfriado é resfriado até uma primeira temperatura. O método inclui (ii) resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado até uma segunda temperatura através do resfriamento magnetocalórico para formar um fluxo de CO2 resfriado. O método inclui ainda (iii) condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado na segunda temperatura para formar um fluxo de CO2 condensado.
[005] De acordo com outro aspecto da presente invenção, um método de condensação de dióxido de carbono (CO2) de um fluxo de CO2 é fornecido. O método inclui (i) resfriar o fluxo de CO2 em uma primeira estação de resfriamento que compreende um primeiro trocador de calor para formar um primeiro fluxo de CO2 parcialmente resfriado. O método inclui ainda (ii) comprimir o primeiro fluxo de CO2 parcialmente resfriado para formar um primeiro fluxo comprimido de CO2. O método inclui ainda (iii) resfriar o primeiro fluxo comprimido de CO2 em uma segunda estação de resfriamento que compreende um segundo trocador de calor para formar um segundo fluxo de CO2 parcialmente resfriado. O método inclui ainda (iv) comprimir o segundo fluxo de CO2 parcialmente resfriado para formar um segundo fluxo comprimido de CO2. O método inclui ainda (v) resfriar o segundo fluxo comprimido de CO2 até uma primeira temperatura em uma terceira estação de resfriamento que compreende um terceiro trocador de calor para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado. O método inclui ainda (vi) resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado até uma segunda temperatura através do resfriamento magnetocalórico para formar um fluxo de CO2 resfriado. O método inclui ainda (vii) condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado na segunda temperatura para formar um fluxo de CO2 condensado.
[006] De acordo com ainda outro aspecto da presente invenção, um sistema para condensação de dióxido de carbono (CO2) de um fluxo de CO2 é fornecido. O sistema inclui (i) uma ou mais estações de compressão configuradas para receber o fluxo de CO2. O sistema inclui ainda (ii) uma ou mais estações de resfriamento em comunicação fluida com a uma ou mais estações de compressão, em que uma combinação da uma ou mais estações de compressão e a uma ou mais estações de resfriamento é configurada para comprimir e resfriar o fluxo de CO2 até uma primeira temperatura para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado. O sistema inclui ainda (iii) uma estação de resfriamento magnetocalórico configurada para receber o fluxo de CO2 parcialmente resfriado e resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado até uma segunda temperatura para formar um fluxo de CO2 resfriado. O sistema inclui ainda (iv) uma estação de condensação configurada para condensar uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado na segunda temperatura, que assim condensa CO2 a partir do fluxo resfriado comprimido de CO2 para formar um fluxo de CO2 condensado.
[007] Outras realizações, aspectos, características, e vantagens da invenção se tornarão aparentes aos técnicos no assunto a partir da seguinte descrição detalhada, dos desenhos anexos e das reivindicações anexas.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[008] Essas e outras características, aspectos e vantagens da presente invenção se tornarão melhor entendido quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos anexos em que caracteres similares representam partes similares ao longo dos desenhos, em que:A Figura 1 é um fluxograma para um método de condensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com uma realização da invenção;A Figura 2 é um fluxograma para um método de condensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com uma realização da invenção;A Figura 3 é um diagrama de blocos de um sistema para condensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com uma realização da invenção; A Figura 4 é um diagrama de blocos de um sistema para condensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com umarealização da invenção;A Figura 5 é um diagrama de blocos de um sistema paracondensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com umarealização da invenção;A Figura 6 é um diagrama de blocos de um sistema paracondensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com umarealização da invenção;A Figura 7 é um diagrama de blocos de um sistema paracondensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com umarealização da invenção;A Figura 8 é um diagrama de blocos de um sistema paracondensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com umarealização da invenção;A Figura 9 é um diagrama de blocos de um sistema paracondensação de CO2 a partir de um fluxo de CO2, de acordo com umarealização da invenção;A Figura 10 é um diagrama de pressão versus temperatura para CO2.
DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO
[009] Como discutido em detalhes abaixo, realizações da presente invenção incluem métodos e sistemas adequados para condensação de CO2. Como observado anteriormente, liquefação e bombeamento de CO2 podem requerer entrada de energia alta. Por exemplo, uma pressão de cerca de 6 MPa (60 bar) pode ser requerida para liquefazer CO2 a 20 °C. Em algumas realizações, uma etapa intermediária de resfriamento magnético vantajosamente diminui a temperatura de CO2 para menos que 0 °C, significantemente reduzindo o trabalho requerido do sistema geral. Em algumas realizações, dependendo do coeficiente de desempenho do resfriamento magnetocalórico sistema, uma melhora geral de eficiência de cerca de 10 por cento a cerca de 15 por cento pode ser possível com o uso de métodos e sistemas descritos no presente documento.
[010] A linguagem de aproximação, como usada no presente documento ao longo do relatório descritivo e reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que pode permissivelmente variar sem resultar em uma mudança na função básica à qual ela se refere. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, como "aproximadamente", não é limitado ao valor preciso especificado. Em algumas instâncias, a linguagem de aproximação pode corresponder à precisão de um instrumento para mensuração do valor.
[011] Na seguinte descrição detalhada e reivindicações, as formas singulares "um", "uma", "o" e "a" incluem referentes plurais a menos que o contexto claramente dite o contrário.
[012] Em uma realização, como mostrado nas Figuras 1 e 3, um método 10 para condensar dióxido de carbono de um fluxo de CO2 é fornecido. O termo “fluxo de CO2” como usado no presente documento refere-se a um fluxo de mistura de gás CO2 emitido como resultado de um processamento de combustíveis, como gás natural, biomassa, gasolina, diesel combustível, carvão, xisto betuminoso, óleo combustível, areias betuminosas e combinações disso. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 inclui um fluxo de CO2 emitido a partir de uma turbina de gás. Em realizações particulares, o fluxo de CO2 inclui uma mistura de gás CO2 emitida a partir de uma usina elétrica alimentada por gás natural ou carvão.
[013] Em algumas realizações, o fluxo de CO2 inclui ainda um ou mais de nitrogênio, dióxido de nitrogênio, oxigênio, ou vapor de água. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 inclui ainda impurezas ou poluentes, exemplos dos quais incluem, mas não se limitam a nitrogênio, óxidos de nitrogênio, óxidos de enxofre, monóxido de carbono, sulfeto de hidrogênio, hidrocarbonetos não queimados, material particulado, e combinações disso. Em realizações particulares, o fluxo de CO2 é substancialmente livre de impurezas ou poluentes. Em realizações particulares, o fluxo de CO2 essencialmente inclui dióxido de carbono.
[014] Em algumas realizações, a quantidade de impurezas ou poluentes no fluxo de CO2 é menos que aproximadamente 50 por cento em mol. Em algumas realizações, a quantidade de impurezas ou poluentes no fluxo de CO2 é menos que aproximadamente 20 por cento em mol. Em algumas realizações, a quantidade de impurezas ou poluentes no fluxo de CO2 é uma faixa de cerca de 10 por cento em mol a cerca de 20 por cento em mol. Em algumas realizações, a quantidade de impurezas ou poluentes no fluxo de CO2 é menos que aproximadamente 5 por cento em mol.
[015] Em uma realização, o método inclui receber um fluxo de CO2 101, como indicado na Figura 3, a partir de um processamento de hidrocarboneto, combustão, gaseificação ou uma usina elétrica similar (não mostrada). Como mostrado nas Figuras 1 e 3, na etapa 11, o método 10 inclui comprimir e resfriar o fluxo de CO2 101 para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 101 pode ser comprimido com o uso de uma ou mais estações de compressão 120. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 101 pode ser comprimido com o uso de uma ou mais estações de compressão 110.
[016] Em algumas realizações, o fluxo de CO2 101 pode ser comprimido até uma pressão desejada pelo uso de uma ou mais estações de compressão, como indicado por 120 em Figura 3. Como indicado na Figura 3, a estação de compressão 120 pode incluir ainda um ou mais compressores, tal como, 121 e 122, em algumas realizações. Deve ser observado que na Figura 3, os dois compressores 121 e 122 são mostrados como uma realização exemplificativa somente e a quantidade efetiva de compressores e a configuração individual desses podem variar dependendo do resultado desejado. Em uma realização, o fluxo de CO2 101 pode ser comprimido até uma pressão e temperatura desejadas para as etapas de resfriamento magnético e condensação 12 e 13, respectivamente. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 101 pode ser comprimido até uma pressão em uma faixa de cerca de 1 MPa (10 bar) a cerca de 6 MPa (60 bar) antes da etapa de resfriamento magnético 12. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 101 pode ser comprimido até uma pressão em uma faixa de cerca de 2 MPa (20 bar) a cerca de 4 MPa (40 bar) antes da etapa de resfriamento magnético 12.
[017] Em algumas realizações, o fluxo de CO2 101 pode ser resfriado até uma temperatura desejada pelo uso de uma ou mais estações de resfriamento, como indicado por 120 em Figura 3. Como indicado na Figura 3, a estação de resfriamento 110 pode incluir ainda um ou mais trocadores de calor, tal como, 111, 112 e 113, em algumas realizações. Deve ser observado que na Figura 3, os três trocadores de calor 111, 112 e 113 são mostrados como uma realização exemplificativa somente e a quantidade efetiva de trocadores de calor e a configuração individual desses pode variar dependendo do resultado desejado. Em algumas realizações, um ou mais dos trocadores de calor podem ser resfriados com o uso de um meio de resfriamento. Em algumas realizações, um ou mais dos trocadores de calor podem ser resfriados com o uso de ar de resfriamento, água de resfriamento, ou ambos, como indicado por 115 em Figura 3. Em algumas realizações, a estação de resfriamento pode incluir ainda um ou mais refrigeradores intermediários para resfriar o fluxo de gás de gás de exaustão 101 sem afetar a pressão.
[018] Deve ser ainda observado que na Figura 3, a configuração da estação de resfriamento 110 e da estação de compressão 120 é mostrada como uma realização exemplificativa somente e a configuração efetiva pode variar dependendo do resultado desejado. Por exemplo, em algumas outras realizações, o método pode incluir resfriar o fluxo de CO2 em um trocador de calor 111 antes de comprimir o fluxo de CO2 em um compressor 121 (não mostrado).
[019] Em algumas realizações, o método inclui ainda resfriar o fluxo de CO2 101 até uma primeira temperatura através da expansão do fluxo de CO2 em um ou mais expansores 123, como indicado na Figura 8. Em algumas realizações o método inclui uma etapa de expansão que diminui a pressão do fluxo de CO2 101 de níveis de pressão absoluta maiores que aproximadamente 2 MPa (20 bar) a níveis de pressão de cerca de 2 MPa (20 bar), que por isso diminuir a temperatura do fluxo de CO2 101 a valores menores do que os que podem ser alcançados por resfriamento de ar ou água. Sem se prender a nenhuma teoria, é acreditado que ao empregar a etapa de expansão, o encargo geral da etapa de resfriamento magnetocalórico 12 pode ser reduzido, já que a temperatura de entrada do fluxo de CO2 parcialmente resfriado para a etapa magnetocalórica pode ser menor do que aquela sem uma etapa de expansão. Em algumas realizações, o trabalho extraído na etapa de expansão pode ser adicionalmente usado para a etapa de resfriamento magnetocalórico 12.
[020] Em uma realização, o fluxo de CO2 101 pode ser resfriado até uma temperatura e pressão desejadas para as etapas de resfriamento magnético e condensação 12 e 13. Em uma realização, o método inclui comprimir e resfriar o fluxo de CO2 101 para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201, como indicado na Figura 3. Em uma realização, o método inclui ainda resfriar o fluxo de CO2 101 até uma primeira temperatura ao expandir o fluxo de CO2 em um ou mais expansores 123 para formar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201, como indicado na Figura 8.
[021] Em uma realização, o método inclui resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 até uma primeira temperatura. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 pode ser resfriado a uma temperatura em uma faixa de cerca de 5 graus Celsius a cerca de 35 graus Celsius, antes da etapa de resfriamento magnético 12. Em algumas realizações, o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 pode ser resfriado a uma temperatura em uma faixa de cerca de 10 graus Celsius a cerca de 25 graus Celsius, antes da etapa de resfriamento magnético 12.
[022] Como observado anteriormente, na ausência de uma etapa adicional de resfriamento magnético, CO2 o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 é tipicamente liquefeito a uma temperatura em uma faixa de cerca de 20 graus Celsius a cerca de 25 graus Celsius. A temperatura de condensação é determinada pela temperatura do meio de resfriamento, que pode ser de água de resfriamento ou ar. Como mostrado na Figura 10, a uma temperatura de condensação em uma faixa de cerca de 20 graus Celsius a cerca de 25 graus Celsius, uma pressão absoluta de cerca de 6 MPa (60 bar) é requerida para liquefazer CO2. Em contraste, ao resfriar o fluxo de CO2 a uma temperatura em uma faixa de cerca de -25 graus Celsius a cerca de 0 grau Celsius, uma pressão mais baixa pode ser vantajosamente usada para condensar CO2 do fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201.
[023] Em uma realização, o método inclui ainda, na etapa 12, resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 até uma segunda temperatura através do resfriamento magnetocalórico para formar um fluxo de CO2 resfriado 301, como indicado nas Figuras 1 e 3. Em uma realização, o método inclui resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 com o uso de uma estação de resfriamento magnetocalórico 200, como indicado na Figura 3.
[024] Em algumas realizações, uma estação de resfriamento magnetocalórico 200 inclui um trocador de calor 212 e um dispositivo de resfriamento magnetocalórico externo 211. Em algumas realizações, o dispositivo de resfriamento magnetocalórico 211 é configurado para fornecer resfriamento para o trocador de calor 212, como mostrado na Figura 3.
[025] Em uma realização, o dispositivo de resfriamento magnetocalórico 211 inclui um trocador de calor quente e um frio, um conjunto permanente de ímã ou um conjunto de bobina magnética de indução, um regenerador de material magnetocalórico, ciclo de fluido de transferência de calor. Em uma realização, o fluido de transferência de calor é bombeado através do regenerador e do trocador de calor por uma bomba de fluido (não mostrada).
[026] Em uma realização, os dispositivos de resfriamento magnetocalórico funcionam em um ciclo de regeneração magnética ativa (AMR) e fornecem potência de resfriamento a um fluido de transferência de calor através de magnetização e desmagnetização sequencial e do regenerador magnetocalórico com vazão de transferência de calor reversa de vazão. Em algumas realizações, a magnetização e desmagnetização sequencial do regenerador magnetocalórico pode ser fornecida por uma composição rotatória na qual o regenerador passa através de furo do sistema de ímã. Em algumas outras realizações, a magnetização e desmagnetização sequencial do regenerador magnetocalórico pode ser fornecida por um dispositivo linear oscilante. Um conjunto de ímã exemplificativo e um dispositivo de resfriamento magnetocalórico são descritos na Publicação de Patente n° US 12/392.115, depositada em 25 de fevereiro de 2009, e incorporada ao presente documento a título de referência em sua totalidade para quaisquer e todos os propósitos, enquanto não dor diretamente contraditória aos ensinamentos no presente documento.
[027] Em algumas realizações, o calor no trocador de calor quente pode ser entregue ao ambiente ao seu redor. Em algumas outras realizações, o calor no trocador de calor quente pode ser entregue à vazão de retorno do condensador e CO2 liquefeito depois do bombeamento do CO2 líquido, como descrito no presente documento mais tarde.
[028] Como observado anteriormente, a estação de resfriamento magnetocalórico inclui ainda um trocador de calor 212, em que o dispositivo de resfriamento magnetocalórico 211 é configurado para fornecer resfriamento para o trocador de calor 212. Em uma realização, o trocador de calor 212 é em comunicação fluida com o um ou mais estações de resfriamento 110 e o uma ou mais estações de compressão 120. Em uma realização, o trocador de calor 212 é em comunicação fluida com o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 gerado após a etapa de compressão e resfriamento 11.
[029] Em algumas realizações, o dispositivo de resfriamento magnetocalórico 211 é configurado para fornecer resfriamento para o trocador de calor 212 de forma que o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 é resfriado até uma segunda temperatura. Em uma realização, a segunda temperatura é em uma faixa de cerca de 0 grau Celsius a cerca de -25 graus Celsius. Em uma realização, a segunda temperatura é em uma faixa de cerca de 5 graus Celsius a cerca de -25 graus Celsius. Como observado anteriormente, a etapa 13 de resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado na estação de resfriamento magnetocalórico resulta em um fluxo de CO2 resfriado.
[030] Em algumas realizações, o dispositivo de resfriamento magnetocalórico 211 é configurado para fornecer resfriamento para o trocador de calor 212 de tal forma que o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 é resfriado até uma segunda temperatura, de tal forma que CO2 condensa do fluxo de CO2 resfriado. Como observado anteriormente, o método inclui comprimir o fluxo de CO2 101 até uma pressão em uma faixa de cerca de 2 MPa (20 bar) a cerca de 4 MPa (40 bar), em algumas realizações. Como indicado na Figura 10, em um nível de pressão de 4 MPa (40 bar), o CO2 condensa a uma temperatura de 5 °C. Ademais, como indicado na Figura 10, em um nível de pressão de 2 MPa (20 bar), o CO2 condensa a uma temperatura de -20 °C.
[031] Em uma realização, o método inclui ainda, na etapa 13, condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado na segunda temperatura, que assim condensa CO2 do fluxo de CO2 resfriado para formar um fluxo de CO2 condensado 302. Em uma realização, o método inclui condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado a uma pressão em uma faixa de cerca de 2 MPa (20 bar) a cerca de 6 MPa (60 bar). Em uma realização, o método inclui condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado a uma pressão em uma faixa de cerca de 2 MPa (20 bar) a cerca de 4 MPa (40 bar). Consequentemente, o método da presente invenção vantajosamente permite condensação de CO2 a uma pressão mais baixa, em algumas realizações.
[032] Em algumas realizações, o método inclui executar asetapas de resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado para formar um fluxo de CO2 resfriado 12 e condensar CO2 o fluxo de CO2 resfriado 13simultaneamente. Em algumas realizações, o método inclui executar as etapas de resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado para formar um fluxo de CO2 resfriado 12 e condensar CO2 o fluxo de CO2 resfriado 13 sequencialmente.
[033] Como indicado na Figura 3, em algumas realizações, um fluxo de CO2 resfriado pode ser gerado a partir do fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 no trocador de calor 212. Em tais realizações, uma porção de CO2 do fluxo de CO2 resfriado condensa no próprio gerador de calor, o que forma um fluxo de CO2 condensado 302, como indicado na Figura 3.
[034] Em algumas outras realizações, como indicado na Figura 4, um fluxo de CO2 resfriado 301 é gerado a partir do fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 no trocador de calor 212. O método inclui ainda transferir o fluxo de CO2 resfriado 301 para um condensador 213, como indicado na Figura 4. Em tais realizações, uma porção de CO2 do fluxo de CO2 resfriado 301 condensa no próprio condensador 213, o que forma um fluxo de CO2 condensado 302, como indicado na Figura 4.
[035] Em algumas realizações, o método inclui condensar pelo menos aproximadamente 95 por cento em peso de CO2 no fluxo de CO2 101 para formar o fluxo de CO2 condensado 302. Em algumas realizações, o método inclui condensar pelo menos aproximadamente 90 por cento em peso de CO2 no fluxo de CO2 101 para formar o fluxo de CO2 condensado 302. Em algumas realizações, o método inclui condensar 50 por cento em peso a aproximadamente 90 por cento em peso de CO2 no fluxo de CO2 101 para formar o fluxo de CO2 condensado 302. Em algumas realizações, o método inclui condensar pelo menos aproximadamente 99 por cento em peso de CO2 no fluxo de CO2 101 para formar o fluxo de CO2 condensado 302.
[036] Em algumas realizações, como observado acima, o fluxo de CO2 101 inclui ainda um ou mais componentes em adição ao dióxido de carbono. Em algumas realizações, o método adicionalmente opcionalmente inclui gerar um fluxo enxuto (indicado por seta pontilhada 202) após as etapas de resfriamento magnetocalórico (etapa 12) e condensação de CO2 (etapa 13). O termo “fluxo enxuto” 202 refere-se a um fluxo em que o conteúdo CO2 é mais baixo que aquele do conteúdo CO2 no fluxo de CO2 101. Em algumasrealizações, como observado acima, quase todo o CO2 no fluxo de CO2 é condensado na etapa 13. Em tais realizações, o fluxo enxuto de CO2 ésubstancialmente livre de CO2. Em algumas outras realizações, comoobservado acima, uma porção do fluxo de CO2 pode não condensar na etapa13 e o fluxo enxuto pode incluir mistura de gás de CO2 não condensado.
[037] Em algumas realizações, o fluxo enxuto 202 pode incluir um ou mais componentes não condensáveis, que podem não condensar na etapa 13. Em algumas realizações, o fluxo enxuto 202 pode incluir um ou mais componentes líquidos. Em tais realizações, o fluxo enxuto pode ser adicionalmente configurado para estar em comunicação fluida com um separador de líquido/gás. Em algumas realizações, o fluxo enxuto 202 pode incluir um ou mais de nitrogênio, oxigênio ou dióxido de enxofre.
[038] Em algumas realizações, o método pode incluir ainda desumidificação do fluxo de CO2 101 antes da etapa 11. Em algumasrealizações, o método pode incluir ainda desumidificar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 após a etapa 11 e antes da etapa 12. Em algumas realizações, o sistema 100 pode incluir ainda um desumidificador configurado para estar em comunicação fluida (não mostrada) com o fluxo de CO2 101. Em algumas realizações, o sistema 100 pode incluir ainda um desumidificador configurado para estar em comunicação fluida (não mostrada) com o fluxo de CO2 101.
[039] Em algumas realizações, o método inclui ainda circular o fluxo de CO2 condensado 302 para uma ou mais estações de resfriamento usando para resfriar o fluxo de CO2. Como indicado na Figura 5, o método inclui ainda circular o fluxo de CO2 condensado para um trocador de calor 113 através de ciclo de circulação 303. Em tais realizações, o método inclui ainda uma etapa de recuperação na qual o fluxo de CO2 condensado é circulado de volta para adicionalmente resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 antes da etapa de resfriamento magnetocalórico 12. Em algumas realizações, a etapa de recuperação pode aumentar a eficiência da etapa magnetocalórica.
[040] Em algumas realizações, a recuperação do fluxo de CO2 condensado para o trocador de calor 113 pode resultar em resfriamento do fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 abaixo da temperatura requerida para condensação de CO2. Em algumas realizações, o método pode incluir ainda condensar o CO2 no fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 para formar um fluxo condensado recuperado de CO2 501, como indicado na Figura 5.
[041] Em algumas realizações, o método inclui ainda aumentar uma pressão do fluxo de CO2 condensado 302 com o uso de uma bomba 300, como indicado na Figura 3. Em realizações que incluem uma etapa de recuperação, o método pode incluir ainda aumentar uma pressão do fluxo condensado recuperado de CO2 501 com o uso de uma bomba 300, como indicado na Figura 5. Em algumas realizações, o método inclui aumentar uma pressão do fluxo de CO2 condensado 302 ou o fluxo condensado recuperado de CO2 502 até uma pressão desejada para sequestro de ou aplicação final de CO2. Em algumas realizações, o método inclui aumentar uma pressão do fluxo de CO2 condensado 302 ou o fluxo condensado recuperado de CO2 502 até uma pressão em uma faixa de cerca de 15 MPa (150 bar) a cerca de 18 MPa (180 bar).
[042] Em algumas realizações, o método inclui ainda gerar um fluxo pressurizado de CO2 401 após a etapa de bombeamento. Em algumas realizações, o método inclui ainda gerar um fluxo supercrítico de CO2 401 após a etapa de bombeamento. Em algumas realizações, como observado acima, o fluxo pressurizado de CO2 401 pode ser usado para potencializar arecuperação de óleo, a armazenagem de CO2, ou sequestro de CO2.
[043] Em algumas realizações, um sistema 100 para condensar dióxido de carbono (CO2) de um fluxo de CO2 101 é fornecido, como ilustrado nas Figuras 3 a 9. Em uma realização, o sistema 100 inclui uma ou mais estações de compressão 120 configuradas para receber o fluxo de CO2 101. O sistema 100 inclui ainda uma ou mais estações de resfriamento 110 em comunicação fluida com o uma ou mais estações de compressão 120. Em uma realização, uma combinação da uma ou mais estações de compressão 120 e a uma ou mais estações de resfriamento 110 é configurada para comprimir e resfriar o fluxo de CO2 101 até uma primeira temperatura para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201.
[044] Em uma realização, o sistema 100 inclui ainda uma estação de resfriamento magnetocalórico 200 configurada para receber o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 e resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 até uma segunda temperatura para formar um fluxo de CO2 resfriado 301. Como observado anteriormente, a estação de resfriamento magnetocalórico 200 inclui ainda um trocador de calor 212, em que o dispositivo de resfriamento magnetocalórico 211 é configurado para fornecer resfriamento para o trocador de calor 212. Em uma realização, o trocador de calor 212 é em comunicação fluida com a uma ou mais estações de resfriamento 110 e a uma ou mais estações de compressão 120.
[045] Como observado anteriormente, em algumas realizações, o trocador de calor 212 é configurado para condensar uma porção de CO2 no fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 para formar o fluxo de CO2 condensado 302. Em algumas outras realizações, o sistema 100 inclui ainda uma estação de condensação 213 configurada para condensar uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado 301 na segunda temperatura, o que assim condensa CO2 do fluxo de CO2 resfriado 301 para formar um fluxo de CO2 condensado 302.
[046] Em algumas realizações, o sistema 100 inclui ainda uma bomba 300 configurada para receber o fluxo de CO2 condensado 302 e aumenta a pressão do fluxo de CO2 condensado 302. Em algumas realizações, o sistema inclui ainda um ciclo de circulação 303 configurado para circular uma porção do fluxo de CO2 condensado 302 para a uma ou mais estações de resfriamento 110.
[047] Com o disposto acima em mente, sistemas e métodos para condensar CO2 de um fluxo de CO2, de acordo com algumas realizações exemplificativas da invenção, são adicionalmente descritas no presente documento. Voltando-se agora para as Figuras 2 e 3, em uma realização, um método 20 para condensar dióxido de carbono de um fluxo de CO2 101 é fornecido. Em uma realização, o método inclui, na etapa 21, resfriar o fluxo de CO2 101 em uma primeira estação de resfriamento que inclui um primeiro trocador de calor 111 para formar um primeiro fluxo de CO2 parcialmente resfriado 102. Em uma realização, o método inclui, na etapa 22, comprimir o primeiro fluxo de CO2 parcialmente resfriado 102 em um primeiro compressor 121 para formar um primeiro fluxo comprimido de CO2 103. Em uma realização, o método inclui, na etapa 23, resfriar o primeiro fluxo de CO2 comprimido 103 em uma segunda estação de resfriamento que inclui um segundo trocador de calor 112 para formar um segundo fluxo de CO2 parcialmente resfriado 104. Em uma realização, o método inclui, na etapa 24, comprimir o segundo fluxo de CO2 parcialmente resfriado 104 em um segundo compressor 122 para formar um segundo fluxo comprimido de CO2 105. Em uma realização, o método inclui, na etapa 25, resfriar o segundo fluxo comprimido de CO2 105 até uma primeira temperatura em uma terceira estação de resfriamento que compreende um terceiro trocador de calor 113 para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201.
[048] Em uma realização, o método 20 inclui, na etapa 26, resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 até uma segunda temperatura através do resfriamento magnetocalórico com o uso de uma estação de resfriamento magnetocalórico 200 para formar um fluxo de CO2 resfriado (não mostrado). Em algumas realizações, uma estação de resfriamento magnetocalórico 200 inclui um trocador de calor 212 e um dispositivo de resfriamento magnetocalórico externo 211. Em algumas realizações, o dispositivo de resfriamento magnetocalórico 211 é configurado para fornecer resfriamento para o trocador de calor 212, como mostrado na Figura 3.
[049] Em uma realização, o método inclui, na etapa 27, condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado na segunda temperatura, que assim condensa CO2 do fluxo de CO2 resfriado para formar um fluxo de CO2 condensado 302. Como observado acima, em algumas realizações, um fluxo de CO2 resfriado é gerado a partir do fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201 no trocador de calor 212. Em tais realizações, uma porção de CO2 do fluxo de CO2 resfriado condensa no próprio gerador de calor, o que forma um fluxo de CO2 condensado 302, como indicado na Figura 3.
[050] Em algumas realizações, o método inclui ainda aumentar uma pressão do fluxo de CO2 condensado 302 com o uso de uma bomba 300, como indicado na Figura 3. Em algumas realizações, o método inclui ainda gerar um fluxo pressurizado de CO2 401 após a etapa de bombeamento. Em algumas realizações, como observado acima, o fluxo pressurizado de CO2 401 pode ser usado para potencializar a recuperação de óleo, a armazenagem de CO2, ou sequestro de CO2.
[051] Voltando-se agora para a Figura 4, em uma realização, um método e um sistema para condensar CO2 de um fluxo de CO2 101 são fornecidos. O método e sistema são similares ao método e sistema ilustrados na Figura 3, com a adição de que o método inclui ainda transferir o fluxo de CO2 resfriado 301 para um condensador 213, como indicado na Figura 4. Em tais realizações, uma porção de CO2 do fluxo de CO2 resfriado301 condensa no próprio condensador 213, o que forma um fluxo de CO2 condensado 302, como indicado na Figura 4.
[052] Voltando-se agora para a Figura 5, em uma realização, um método e um sistema para condensar CO2 de um fluxo de CO2 101 são fornecidos. O método e sistema são similares ao método e sistema ilustrados na Figura 3, com a adição de que o método inclui ainda circular uma porção do fluxo de CO2 condensado 302 para o terceiro trocador de calor 113 através de ciclo de circulação 303. Como observado acima, em algumas realizações, a recuperação do fluxo de CO2 condensado para o trocador de calor 113 pode resultar em resfriamento do segundo fluxo comprimido de CO2 105 abaixo da temperatura requerida para condensação de CO2. Em algumas realizações, o método pode incluir ainda condensar o CO2 no fluxo comprimido de CO2 105 para formar um fluxo condensado recuperado de CO2 501, como indicado na Figura 5.
[053] Voltando-se agora para a Figura 6, em uma realização, um método e um sistema para condensar CO2 de um fluxo de CO2 101 são fornecidos. O método e sistema são similares ao método e sistema ilustrados na Figura 4, com a adição de que o método inclui ainda circular uma porção do fluxo de CO2 condensado para o terceiro trocador de calor 113 através de ciclo de circulação 303. Como observado acima, em algumas realizações, a recuperação do fluxo de CO2 condensado para o trocador de calor 113 pode resultar em resfriamento do segundo fluxo comprimido de CO2 105 abaixo da temperatura requerida para condensação de CO2. Em algumas realizações, o método pode incluir ainda condensar o CO2 no fluxo comprimido de CO2 105 para formar um fluxo condensado recuperado de CO2 501, como indicado na Figura 6.
[054] Voltando-se agora para a Figura 7, em uma realização, um método e um sistema para condensar CO2 de um fluxo de CO2 101 são fornecidos. O método e sistema são similares ao método e sistema ilustrados na Figura 3, com a adição de que o método inclui ainda circular uma porção do fluxo de CO2 condensado 401 para o terceiro trocador de calor 113 através de ciclo de circulação 403. Como observado acima, em algumas realizações, a recuperação do fluxo pressurizado de CO2 401 para o terceiro trocador de calor 113 pode resultar em resfriamento do segundo fluxo pressurizado de CO2 105 abaixo da temperatura requerida para condensação de CO2. Em algumas realizações, o método pode incluir ainda condensar o CO2 no fluxo comprimido de CO2 105 para formar um fluxo condensado recuperado de CO2 501, como indicado na Figura 7.
[055] Voltando-se agora para a Figura 8, em uma realização, um método e um sistema para condensar CO2 de um fluxo de CO2 101 são ilustrados. O método e sistema são similares ao método e sistema ilustrados na Figura 3, com a adição de que o método inclui ainda formar um terceiro fluxo de CO2 parcialmente resfriado 106 no terceiro trocador de calor 113. O método inclui ainda resfriar o terceiro fluxo de CO2 parcialmente resfriado 106 até uma primeira temperatura ao expandir o terceiro fluxo de CO2 parcialmente resfriado 106 em um ou mais expansores 123, antes da etapa de resfriamento magnetocalórico, para formar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado 201, como indicado na Figura 8.
[056] Voltando-se agora para a Figura 9, em uma realização, um método e um sistema para condensar CO2 de um fluxo de CO2 101 são ilustrados. O método e sistema são similares ao método e sistema ilustrados na Figura 8, com a adição de que a terceira estação de resfriamento adicionalmente compreende um quarto trocador de calor 114, e o método inclui ainda circular uma porção do fluxo pressurizado de CO2 401 para o quarto trocador de calor 114 através de ciclo de circulação 403. O método inclui ainda formar um quarto fluxo de CO2 parcialmente resfriado 107 após a etapa de expansão e transferir o quarto fluxo de CO2 parcialmente resfriado 107 para o quarto trocador de calor 114. Como observado acima, em algumas realizações, a recuperação do fluxo pressurizado de CO2 401 para o quarto trocador de calor 114 pode resultar em resfriamento do quarto fluxo pressurizado de CO2 107 abaixo da temperatura requerida para condensação de CO2. Em algumas realizações, o método pode incluir ainda condensar o CO2 no quarto fluxo de CO2 parcialmente resfriado 107 para formar um fluxo condensado recuperado de CO2 501, como indicado na Figura 9.
[057] Como observado anteriormente, algumas realizações da invenção vantajosamente permitem o resfriamento do CO2 supercrítico a temperaturas mais baixas e a subsequente condensação a pressões mais baixas do que aquelas disponíveis através de métodos convencionais de resfriamento, tal como, compressão de vapor. Sem se prender a nenhuma teoria, é acreditado que a compressão de CO2 supercrítico pode ser menos eficiente que o bombeamento de CO2 líquido. Então, em algumas realizações, o método reduz a penalidade da etapa de compressão de CO2 menos eficiente. Em algumas realizações, o método pode reduzir a penalidade geral de liquefação e bombeamento de CO2 ao aumentar a eficiência do sistema de compressão e bombeamento. Em algumas realizações, a estação de resfriamento magnetocalórico pode reduzir a penalidade em mais que 10%. Em algumas realizações, a estação de resfriamento magnetocalórico pode reduzir a penalidade em mais que 20%. Em algumas realizações, a eficiência de usina em geral pode ser melhorada pelo uso de um ou mais das realizações de método, descritas no presente documento.
[058] Ademais, algumas realizações da invençãovantajosamente permitem uma faixa de operacionalidade melhorada de compressão de sistemas de liquefação e compressão de CO2. Em sistemas de liquefação e compressão de CO2 convencionais, a temperatura ambiente do ar de resfriamento ou água de resfriamento pode limitar a faixa de operacionalidade. CO2 supercrítico pode não liquefazer a temperaturas maiores que aproximadamente 32 °C, a temperatura crítica de CO2. Então, quando temperaturas ambientes estão acima de 30 °C, a liquefação de CO2 pode ser difícil sem resfriamento externo adicional. Em algumas realizações, a etapa de resfriamento magnético pode vantajosamente permitir resfriamento de CO2 à faixa subcrítica, assim permitindo a operabilidade dos sistemas de compressão e liquefação sob quaisquer condições ambiente.
[059] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar a invenção, que incluem o melhor modo, e para permitir que um técnico no assunto coloque a invenção em prática, o que inclui produzir e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e executar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da invenção é definido pelas reivindicações, e pode incluir outros exemplos que ocorram aos técnicos no assunto. Tais outros exemplos se destinam a estar dentro do escopo das reivindicações caso tenham elementos estruturais que não difiram da linguagem literal das reivindicações, ou caso incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações.

Claims (13)

1. MÉTODO (10) DE CONDENSAÇÃO DE DIÓXIDO DECARBONO CO2, a partir de um fluxo de CO2 (101), que compreende:(i) comprimir e resfriar (11) um fluxo de CO2 (101) para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201), em que o fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201) é resfriado até uma primeira temperatura;(ii) resfriar (12) o fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201) até uma segunda temperatura através de resfriamento magnetocalórico para formar um fluxo de CO2 resfriado (301);caracterizado por compreender:(iii) condensar (13) pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado (301) para formar um fluxo de CO2 condensado (302); e(iv) circular uma porção do fluxo de CO2 condensado (302) para uma ou mais estações de resfriamento (110) usadas para o resfriamento do fluxo de CO2(101).
2. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pela etapa (iii) compreender condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado (301) a uma pressão em uma faixa de 2 MPa a 6 MPa.
3. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pela etapa (iii) compreender condensar pelo menos uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado (301) a uma pressão em uma faixa de 2 MPa a 4 MPa.
4. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pela primeira temperatura ficar em uma faixa de 5 graus Celsius a 35 graus Celsius.
5. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pela segunda temperatura ficar em uma faixa de 0 grau Celsius a -25 graus Celsius.
6. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pela etapa (i) compreender resfriar o fluxo de CO2 (101) com o uso de uma ou mais estações de resfriamento (110) que compreendem um ou mais trocadores de calor (111, 112, 113).
7. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pela etapa (i) compreender resfriar o fluxo de CO2 (101) para a primeira temperatura através da expansão do fluxo de CO2 (101) em um ou mais expansores (123).
8. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pela etapa (ii) compreender resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201) com o uso de um dispositivo giratório de resfriamento magnetocalórico (211).
9. MÉTODO (10), de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por compreender, ainda, aumentar uma pressão do fluxo de CO2 condensado (302) com o uso de uma bomba (300) para formar um fluxo de CO2 pressurizado (401).
10. MÉTODO (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por compreender:resfriar (23) um fluxo de CO2 comprimido em uma segunda estação de resfriamento (110) que compreende um segundo trocador de calor (112) para formar um segundo fluxo de CO2 parcialmente resfriado (104);comprimir (24) o segundo fluxo de CO2 parcialmente resfriado (104) para formar um segundo fluxo de CO2 comprimido (105);resfriar (25) o segundo fluxo de CO2 comprimido (105) até uma primeira temperatura em uma terceira estação de resfriamento (110) que compreende um terceiro trocador de calor (113) para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201).
11. SISTEMA DE CONDENSAÇÃO (100) DE DIÓXIDO DE CARBONO CO2, a partir de um fluxo de CO2 (101), que compreende:(i) uma ou mais estações de compressão (120) configuradas para receber o fluxo de CO2 (101);(ii) uma ou mais estações de resfriamento (110) em comunicação fluida com a uma ou mais estações de compressão (120),em que uma combinação da uma ou mais estações de compressão (120) e da uma ou mais estações de resfriamento (110) é configurada para comprimir e resfriar o fluxo de CO2 (101) até uma primeira temperatura para formar um fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201);(iii) uma estação de resfriamento magnetocalórico (200) configurada para receber o fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201) e resfriar o fluxo de CO2 parcialmente resfriado (201) até uma segunda temperatura para formar um fluxo de CO2 resfriado (301); ecaracterizado por compreender:(iv) uma estação de condensação (212) configurada para condensar uma porção de CO2 no fluxo de CO2 resfriado (301) na segunda temperatura, condensando assim o CO2 do fluxo de CO2 resfriado (301) para formar um fluxo de CO2 condensado (302); euma bomba (300) configurada para receber o fluxo de CO2 condensado (302) e aumentar a pressão do fluxo de CO2 condensado (302) e circular uma porção do fluxo de CO2 condensado (302) para a uma ou mais estações de resfriamento (110) usadas para o resfriamento do fluxo de CO2 (101).
12. SISTEMA (100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pela estação de resfriamento magnetocalórico (200) compreender um dispositivo de resfriamento magnetocalórico (211) e um trocador de calor (111, 112, 113), em que o trocador de calor (111, 112, 113) fica em comunicação fluida com a uma ou mais estações de resfriamento (110) e a uma ou mais estações de compressão (120).
13. SISTEMA (100), de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pela uma ou mais estações de resfriamento (110) compreender, ainda, um expansor (123).
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