BRPI0708758A2 - regeneraÇço de trocadores iânicos que sço usados para a remoÇço de sais de unidades de captura de gases Ácidos - Google Patents
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Abstract
REGENERAÇçO DE TROCADORES IâNICOS QUE SçO USADOS PARA A REMOÇçO DE SAIS DE UNIDADES DE CAPTURA DE GASES ÁCIDOS. A presente invenção refere-se a um método para a remoção de um gás capturável por amina de uma corrente de gás de alimentação, usando um solvente amínico, sendo que o método compreende: (a) colocar a corrente de gás de alimentação em contato com um solvente amínico pobre para formar um solvente amínico rico, em que os sais termicamente estáveis estão presentes no solvente amínico rico; (b) separar o gás capturável por amina do solvente amínico rico para formar o solvente amínico pobre e uma corrente de refluxo de topo; (c) periodicamente colocar pelo menos uma parte de um ou ambos entre o solvente amínico pobre e o solvente amínico rico em contato com uma resina de troca anlônica para formar um primeiro solvente amínico pobre em sais termicamente estáveis; (d) periodicamente regenerar a resina de troca anlônica, em que durante a regeneração da resina de troca aniônica, pelo menos uma parte da corrente de refluxo é usada para lavar o solvente amínico da resina de troca anlônica para produzir um segundo solvente amínico pobre em sais termicamente estáveis; e (e) reciclar a pelo menos uma parte dos primeiro e segundo solventes amínicos pobres em sais termicamente estáveis para uso na captura do gás capturável por amina do gás de alimentação.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REGENERAÇÃODE TROCADORES IÔNICOS QUE SÃO USADOS PARA A REMOÇÃO DESAIS DE UNIDADES DE CAPTURA DE GASES ÁCIDOS".
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se, em um aspecto, esta a um pro-cesso para regenerar um trocador iônico usado para capturar sais de umasolução. De acordo com outro aspecto, esta invenção refere-se à integraçãode um processo de troca iônica com um processo de captura de gases áci-dos. Em uma modalidade particularmente preferida, o gás ácido que é captu-rado compreende um ou mais entre dióxido de enxofre, sulfeto de hidrogênioe dióxido de carbono.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
A separação de gases ácidos tais como dióxido de enxofre, sul-feto de hidrogênio ou dióxido de carbono de correntes de gás tais como gásde combustão ou correntes que contêm hidrocarbonetos por meio de absor-ção em solventes amínicos aquosos é bem-conhecida. Muitos destes pro-cessos, que são referidos como processos tratadores com aminas, estãodecritos em "Gas Purification", 5â Edição, Editores Arthur L. Kohl e RichardB. Nielsen, Gulf Publishing Company, Houston, TX.
Os processos tratadores com aminas usam um solvente amínicoregenerável, pelos quais o gás ácido é capturado no solvente em uma tem-peratura e o gás ácido é dessorvido ou separado do solvente geralmente emuma temperatura mais alta.
O solvente amínico para remover um dado componente gás áci-do de uma corrente de alimentação pode ser escolhido de tal modo que ogás ácido possa ser removido do solvente por separação a vapor d agua.Caso a separação a vapor d agua seja utilizada, então para separar o gásácido do solvente, o gás ácido deve ser volátil enquanto em solução. De pre-ferência, a constante de ionização do ácido do ácido conjugado da amina (apKa) tem um valor de não mais do que cerca de 3 ou 4 unidades mais altasdo que a pKa do gás ácido. Caso esta diferença na pKa seja maior do que 3ou 4 unidades, então o sal formado entre a amina e o ácido é estável demaispara ser praticamente dissociado pela separação a vapor d agua.
Em operações industriais, os processos de captura de gasesácidos experimentam ingresso e/ou geração no processo de ácidos que sãomais fortes do que os ácidos para os quais o processo de remoção é proje-tado. Estes ácidos mais fortes formam sais com o solvente amínico, que nãosão regeneráveis com vapor d agua, e assim sendo, são denominados saisamínicos termicamente estáveis, ou apenas sais termicamente estáveis.
Caso os sais termicamente estáveis sejam deixados acumular,eles eventualmente neutralizarão toda a amina do solvente, tornando-o ina-dequado para reagir com o componente gás ácido e removê-lo como pre-tendido. Conseqüentemente, a disponibilização da remoção de sais estáveisé necessária em sistemas nos quais os ácidos fortes se acumulam no sol-vente amínico.
Vários meios para a remoção de sais termicamente estáveis desoluções para tratamento de gás com amina são conhecidos. Eles incluemdestilação da amina livre removendo-a do sal em pressão atmosférica ousubatmosférica (vide, por exemplo, "Gas Purification", página 255 e páginasseguintes), eletrodiálise (vide, por exemplo, patente n2 US 5.292.407) e trocaiônica (vide, por exemplo, patentes n25 US 4.122.149, 4.113.849, 4.970.244,5.045.291, 5.292.407, 5.368.818, 5.788.864 e 6.245.128).
Um problema com os processos de troca iônica é que o meio detroca iônica ou resina deve ser regenerada de tempos em tempos. Durante oestágio de carregamento do processo de troca iônica, a capacidade de re-moção de ânions está esgotada, pois os sais termicamente estáveis são re-movidos do solvente amínico. Depois da exaustão ou redução da capacida-de de remoção de ânions da resina de troca iônica em uma quantidade es-pecífica, a alimentação do solvente amínico rico em sais termicamente está-veis para a resina de troca iônica é terminada de tal modo que a resina detroca iônica possa ser regenerada. Como o agente de regeneração da resinade troca iônica será tipicamente enviado para o tratamento de águas residu-ais ou descartado de outra forma, o solvente amínico no leito de resina amí-nica pode ser deslocado e lavado com grandes volumes de água antes decomeçar o fluxo de agente de regeneração da resina para a coluna, pararecuperar uma solução diluída do solvente amínico antes de a resina de tro-ca iônica ser regenerada. Caso a solução diluída do solvente amínico sejadevolvida para o processo de captura de gases ácidos, evitando desta formaa perda de solvente amínico, isto introduz água no solvente amínico no pro-cesso de captura de gases ácidos, diluindo desta forma a concentração dosolvente amínico na solução de solvente no processo tratador de amina.
Os processos tratadores de aminas são projetados para funcio-nar em uma concentração fixa ideal de solvente amínico. Portanto, a diluiçãodo solvente amínico é indesejável. Conseqüentemente, a água deve ser re-movida do solvente amínico, caso a solução diluída de amina seja devolvidapara o processo de tratamento de gases ácidos ou a corrente diluída de sol-vente amínico pode ser descartada para o resíduo, resultando em uma per-da de solvente amínico.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
De acordo com uma modalidade da presente invenção, fornece-se um processo aperfeiçoado para regenerar uma resina de troca iônica, eparticularmente, determinou-se que as deficiências de diluição da amina e ogrande volume água de lavagem para recuperar eficientemente a amina de-pois da etapa de carregamento podem ser minimizados integrando a opera-ção do tratador amínico com o processo de troca iônica.
Em operação, o meio de troca iônica (aqui referido genericamen-te como uma resina) pode ficar contido em um leito compactado, que é colo-cado, por exemplo, em uma coluna. Um solvente amínico rico em sais termi-camente estáveis é passado através da coluna. Os sais termicamente está-veis são capturados pela resina de troca iônica durante a passagem do sol-vente amínico através da coluna. Quando se determina que a resina de trocaiônica deve ser regenerada, o fluxo do absorvente amínico através da colunaé terminado e um reagente regenerador é alimentado através da coluna.Prefere-se que todo ou substancialmente todo o solvente amínico seja re-movido da coluna antes da regeneração do meio de troca iônica.
A quantidade de diluição da amina que ocorre pelo retorno dasolução diluída de amina formada pela lavagem da amina para fora da colu-na antes do processo de regeneração da resina de troca iônica pode ser re-duzida usando o refluxo a partir da coluna de regeneração tratadora de ami-na, para deslocar e remover a amina por lavagem da coluna de troca iônicano final da etapa de exaustão. O refluxo usado que contém solvente amínicopode ser então reciclado para o processo tratador com amina. Grandes vo-lumes de refluxo podem ser usados para assegurar um alto grau de recupe-ração de amina da coluna e devolvidos para o processo tratador com amina,pois esta água de lavagem é alimentada a partir do solvente de tratamentoem si e, portanto, não resulta em diluição da amina no processo. De prefe-rência, a água de lavagem do leito de troca iônica, que é obtida a partir dacorrente de refluxo do separador a vapor d'água, que é obtida a partir dacorrente de refluxo do separador a vapor d'água, é reciclada para o proces-so de captura de gases ácidos sem a adição de qualquer água de reposição.
Conseqüentemente, a origem da água de lavagem para removero absorvente amínico do leito de troca iônica pode ser predominante ou es-sencialmente a água que é obtida a partir do processo de captura de gasesácidos. Isto proporciona duas vantagens. Primeiramente, a diluição do sol-vente amínico é reduzida ou essencialmente eliminada. Particularmente, ca-so nenhuma água adicional do processo seja adicionada a partir de fontesexternas ao processo tratador para a corrente de alimentação de água delavagem, então apenas a água usada para lavar a amina do leito de trocaiônica é obtida a partir do processo de captura de gases ácidos (isto é, a cor-rente de refluxo). Conseqüentemente, nenhuma diluição líquida do absor-vente amínico ocorre. Caso alguma água de reposição adicional seja neces-sária devido à disponibilidade limitada de refluxo, então a quantidade de dilu-ição é substancialmente reduzida em comparação ao uso de apenas águade lavagem externa. Uma outra vantagem é que reciclando a água de lava-gem que contém o absorvente amínico para o processo tratador com amina,a criação de uma corrente efluente de água de lavagem, que deve ser des-cartada ou tratada, é evitada ou pelo menos reduzida.
De acordo com outro aspecto da invenção, uma solução ácida,que é obtida de preferência a partir de uma corrente de refluxo, é utilizadapara fornecer água de lavagem a fim de remover o absorvente de gases áci-dos de um trocador iônico antes da regeneração da resina de troca iônica. Aágua de lavagem que é utilizada pode compreender a totalidade ou uma par-te de uma corrente de refluxo que é obtida a partir de uma coluna de sepa-ração a vapor d'água que é utilizada em um processo tratador com amina.Por exemplo, caso o processo tratador com amina seja usado para trataruma corrente de alimentação de gases que contém dióxido de enxofre, en-tão o refluxo conterá ácido sulfuroso, isto é, o hidrato de dióxido de enxofreem solução. Alternativamente, caso o processo tratador com amina seja u-sado para tratar uma corrente de alimentação de gases que contém sulfetode hidrogênio e/ou dióxido de carbono, então a corrente de refluxo conteráácido carbônico e/ou sulfeto de hidrogênio. Tais correntes de refluxo sãoácidas, mas não interferem com o processo de regeneração, desde que aconcentração de gás ácido dissolvido no refluxo seja menor do que 5% empeso, mais preferivelmente menor do que 3% em peso, e mais preferivel-mente, menor do que 2% em peso.
De acordo com outra modalidade da presente invenção, deve-seavaliar que a água de lavagem utilizada para remover o solvente amínico deum leito de troca iônica pode ser obtida a partir de uma fonte alternativa,desde que a concentração de água no solvente amínico tratador possa sercontrolada por outros meios, tal como purgando o refluxo para o pré-separador.
Em um processo tratador com amina, o gás de alimentaçãoquente é tipicamente arrefecido antes de o gás de alimentação entrar emcontato com o solvente amínico aquoso, para impedir a degradação e a de-sidratação do solvente amínico. O processo de arrefecimento usa a evapo-ração da água para resfriar e saturar com água o gás. Este arrefecimento éfreqüentemente realizado, por exemplo, em um pré-separador a spray. Aágua no pré-separador é recirculada por uma bomba para os bicos do spray,com alguma purga de água para controlar o pH, a concentração de sólidosdissolvidos e o nível de sólidos em suspensão. A água de reposição, usual-mente água desmineralizada ou condensado do vapor d'água, é adicionadaao pré-separador para manter constante o estoque de água. De acordo comoutro aspecto desta invenção, as correntes efluentes do processo de trocaiônica são usadas como água de reposição no pré-separador, eliminando oureduzindo muito o volume de efluentes resultantes da regeneração da resinade troca iônica, que de outra forma deveriam ser tratadas para descarte.
Conseqüentemente, de acordo com uma modalidade da inven-ção, fornece-se um método para a remoção de um gás capturável por aminade uma corrente de gás de alimentação, usando um solvente amínico, sendoque o método compreende:
(a) colocar a corrente de gás de alimentação em contato comum solvente amínico pobre para formar um solvente amínico rico, onde ossais termicamente estáveis estão presentes no solvente amínico rico;
(b) separar o gás amínico capturável do solvente amínico ricopara formar o solvente amínico pobre e uma corrente de refluxo de topo;
(c) periodicamente colocar pelo menos uma parte de um ouambos entre o solvente amínico pobre e o solvente amínico rico em contatocom uma resina de troca aniônica para formar um primeiro solvente amínicopobre de sais termicamente estáveis;
(d) periodicamente regenerar a resina de troca aniônica, ondedurante a regeneração da resina de troca aniônica, pelo menos uma parteda corrente de refluxo é usada para lavar o solvente amínico da resina detroca aniônica para produzir um segundo solvente amínico pobre em saistermicamente estáveis; e
(e) reciclar a pelo menos uma parte dos primeiro e segundo sol-ventes amínicos pobres em sais termicamente estáveis para uso na capturado gás capturável por amina do gás de alimentação.
Em uma modalidade, o método compreende ainda selecionar ogás capturável por amina entre um ou mais entre SO2, H2S e CO2.
Em outra modalidade, o método compreende ainda selecionar osolvente amínico pobre como o solvente amínico que é colocado em contatocom a resina de troca aniônica.Em outra modalidade, durante a etapa (d), a resina de troca ani-ônica é tratada para remover o solvente amínico dela antes de regenerar aresina de troca aniônica.
Em outra modalidade, a etapa (d) compreende:(a) a resina de troca aniônica é colocada em contato com água
para remover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniônica;
(b) a resina de troca aniônica é subseqüentemente colocadaem contato com um agente de regeneração para obter resina de troca aniô-nica regenerada e solução do agente de regeneração gasto; e
(c) lavar a resina de troca aniônica com água para remover oagente de regeneração dela, e para obter um efluente de lavagem do agentede regeneração.
Em outra modalidade, o método compreende ainda lavar a resinade troca aniônica regenerada com água para remover o agente de regenera-ção dela antes de usar a resina de troca aniônica regenerada na etapa (c).
Em outra modalidade, o método compreende ainda:
(a) submeter a corrente de gás de alimentação a uma opera-ção de pré-separação;
(b) usar a totalidade ou uma parte de um ou ambos entre a so-lução do agente de regeneração gasto e o efluente de lavagem do agente de
regeneração na operação de pré-separação.
Em outra modalidade, o método compreende ainda drenar o sol-vente amínico da resina de troca aniônica antes de colocar a resina de trocaaniônica em contato com a água para remover por lavagem o solvente amí-nico da resina de troca aniônica.
Em outra modalidade, o método compreende ainda disponibilizarum solvente amínico que tem uma amina com uma pKa na faixa entre 2,5 e6. De preferência, o método compreende ainda selecionar SO2 como o gáscapturável pela amina.
Em outra modalidade, o método compreende ainda disponibilizarum solvente amínico que tem uma amina com uma pKa na faixa entre 7,5 e10. De preferência, o método compreende ainda selecionar o gás capturávelpela amina entre um ou mais entre H2S e CO2.
Em outra modalidade, a amina pobre em sais termicamente es-táveis é reciclada para a etapa (a).
Em outra modalidade, a amina pobre em sais termicamente es-táveis é reciclada para a etapa (b).
Em outra modalidade, o método compreende ainda selecionarSO2 como o gás capturável pela amina.
Em outra modalidade, o refluxo é utilizado sem diluição para re-mover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniônica.
De acordo com outra modalidade da invenção, fornece-se ummétodo para regenerar uma resina de troca iônica, compreendendo:
(a) obter uma solução de solvente que contém sais termicamen-te estáveis a partir de um processo tratador com amina;
(b) colocar a solução de solvente em contato com uma resinade troca aniônica para obter uma solução de solvente pobre em sais termi-camente estáveis;
(c) periodicamente regenerar a resina de troca aniônica, ondeantes da regeneração da resina de troca aniônica, a resina de troca aniônicaé lavada com pelo menos uma parte de uma corrente de refluxo do processotratador com amina, para produzir uma corrente de amina pobre em saistermicamente estáveis; e
(d) reciclar a amina pobre em sais termicamente estáveis para oprocesso tratador com amina.
Em uma modalidade, o processo tratador com amina trata umgás de alimentação para remover um ou mais entre SO2, H2S e CO2.
Em outra modalidade, durante a etapa (c), a resina de troca ani-ônica é tratada para remover o solvente amínico dela antes de regenerar aresina de troca aniônica.
Em outra modalidade, a etapa (c) compreende:
(a) a resina de troca aniônica é colocada em contato com á-gua para remover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniôni-ca;(b) a resina de troca aniônica é subseqüentemente colocadaem contato com um agente de regeneração para obter resina de troca aniô-nica regenerada e solução do agente de regeneração gasto; e
(c) lavar a resina de troca aniônica com água para remover oagente de regeneração dela, e para obter um efluente de lavagem do agentede regeneração.
Em outra modalidade, o método compreende ainda lavar a resinade troca aniônica regenerada com água para remover o agente de regeneraçãodela antes de usar a resina de troca aniônica regenerada na etapa (b).
Em outra modalidade, o método compreende ainda:
(a) submeter a corrente de gás de alimentação alimentada pa-ra o processo tratador com amina a uma operação de pré-separação;
(b) usar a totalidade ou uma parte de um ou ambos entre a so-lução do agente de regeneração gasto e o efluente de lavagem do agente deregeneração na operação de pré-separação.
Em outra modalidade, o método compreende ainda drenar o sol-vente amínico da resina de troca aniônica antes de colocar a resina de trocaaniônica em contato com a água para remover por lavagem o solvente amí-nico da resina de troca aniônica.
Em outra modalidade, a amina pobre em sais termicamente es-táveis é reciclada para o processo tratador com amina.
Em outra modalidade, o refluxo é utilizado sem diluição para re-mover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniônica.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
Estas e outras vantagens da presente invenção serão mais intei-ramente e completamente entendidas de acordo com a descrição das moda-lidades da invenção, que se segue, onde:
a figura 1 é um fluxograma exemplificativo do processo de umum processo tratador com amina, ilustrando correntes que o conectam aoprocesso de troca iônica de acordo com uma modalidade da invenção;
a figura 2 é uma modalidade exemplificativa de um fluxogramado processo de troca iônica que pode ser usado com o processo tratadorcom amina da figura 1, ilustrando correntes que o conectam ao processotratador com amina de acordo com uma modalidade desta invenção; e
a figura 3 é uma seqüência preferida de operações em um ciclode uma operação de coluna de troca iônica, partindo da exaustão da resinaaté uma lavagem final com água depois da regeneração.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Embora em um aspecto a invenção se refira a um processo deregeneração para uma unidade de troca iônica que trata uma solução amíni-ca, a invenção será exemplificada em combinação com um processo trata-dor com amina.
Como ilustrado nas figuras 1 e 2, uma unidade de troca iônica(figura 2) pode ser integrada com um processo tratador com amina (figura 1)para remover sais termicamente estáveis de um solvente amínico. Deve-seavaliar que qualquer projeto específico conhecido nessas técnicas pode serusado para a unidade tratadora de amina e para a unidade de troca iônica, eque as modalidades ilustradas nas figuras 1 e 2 são exemplificativas. Porexemplo, um gás de alimentação pode conter apenas um gás-alvo (por e-xemplo, dióxido de enxofre) ou uma pluralidade de gases-alvo (por exemplo,dióxido de enxofre e dióxido de carbono). Caso uma pluralidade de gasesseja visada para a remoção do gás de alimentação, então a unidade tratado-ra com amina pode ter uma pluralidade de zonas de absorção, cada umadelas utilizando uma corrente de solvente diferente, produzindo desta formauma pluralidade de correntes de solvente que pode ser regenerada individu-almente. Por exemplo, um primeiro circuito de solvente pode ser disponibili-zado para remover dióxido de enxofre de um gás ácido, usando um primeirosolvente, e regenerar o primeiro solvente. Um segundo circuito de solventepode ser disponibilizado para remover dióxido de carbono do gás ácido, u-sando um segundo solvente, e subseqüentemente à remoção do dióxido deenxofre, e regenerar o segundo solvente. Uma primeira unidade de trocaiônica pode ser utilizada para remover os sais termicamente estáveis do pri-meiro absorvente amínico, e uma segunda unidade de troca iônica pode serutilizada para remover os sais termicamente estáveis do segundo absorven-te amínico. Deve-se avaliar que cada unidade de troca iônica pode compre-ender um ou uma pluralidade de reatores ou colunas de troca iônica e podeutilizar tanques de alimentação de tanques de armazenamento como é doconhecimento nessas técnicas, tal como para uso em assegurar uma ali-mentação contínua para uma coluna de troca iônica e reduzir surgênciasdurante o processo inteiro.
Deve-se avaliar que a corrente de gás de alimentação pode con-ter apenas um ou uma pluralidade de gases ácidos, por exemplo, SO2 e/ouH2S e/ou CO2, e que a corrente de gás de alimentação pode ser seqüenci-almente tratada em diferentes estágios para reduzir a concentração de cadagás ácido até abaixo de um nível predeterminado. Conseqüentemente, umacorrente de gás de alimentação pode ser colocada em contato com um pri-meiro solvente amínico para reduzir a concentração de um primeiro gás áci-do, por exemplo, SO2, até abaixo de um nível predeterminado. A corrente degás de alimentação pode ser então colocada em contato com um segundosolvente amínico para capturar seletivamente um segundo gás ácido, porexemplo, CO2 e/ou H2S, da corrente de gás de alimentação. A corrente degás de alimentação pode ser então colocada em contato com um terceirosolvente amínico para capturar seletivamente um terceiro gás, por exemplo,NOx da corrente de gás de alimentação. Alternativamente, dois ou mais ga-ses podem ser removidos em um estágio de tratamento. Conseqüentemen-te, um solvente pode ser usado para capturar dois ou mais gases da corren-te de gás de alimentação. Deve-se avaliar que a corrente de gás de alimen-tação pode conter também NOx, que pode ser capturado por um complexode EDTA com ferro (II). Como o sal de FE EDTA (nitrosila) resultante forma-do pela absorção de NOx do gás de alimentação seria removido pela resinade troca iônica, prefere-se que os sais termicamente estáveis sejam removi-dos de um absorvente de NOx regenerável por outros meios conhecidosnessas técnicas. Conseqüentemente, prefere-se que o processo de trocaiônica aqui enunciado seja usado em associação com a regeneração de umabsorvente usado em um processo de captura de gases capturáveis por a-minas (isto é, capazes de ser separados de um gás de alimentação por umsolvente amínico, por exemplo, SO2, H2S, CO2).
Os sais termicamente estáveis podem se acumular em cada sol-vente. Portanto, pelo menos uma parte de cada solvente pode ser alimenta-da separadamente para uma unidade de troca iônica a fim de remover saistermicamente estáveis do solvente. Assim sendo, o primeiro solvente podeser alimentado para uma primeira coluna de troca iônica e o segundo solven-te pode ser alimentado para uma segunda coluna de troca iônica. Desta ma-neira, cada solvente pode ser circulado em um circuito separado para impe-dir a mistura das diferentes correntes de solventes. Alternativamente, cadasolvente pode ser tratado separadamente em uma única unidade de trocaiônica.
O gás de alimentação fornecido para o processo tratador comamina pode ser qualquer corrente de gás que contém pelo menos um gásácido. De preferência, a corrente de gás de alimentação contém pelo menosum entre SO2, CO2 e H2S, e mais preferivelmente, contém pelo menos SO2 eCO2. O gás de alimentação pode ser uma corrente de gás de processo ouuma corrente de gás residual obtida a partir de várias fontes. Por exemplo, acorrente de gás de alimentação pode ser:
(a) Gás natural corrosivo, compreendendo metano, outros hi-drocarbonetos, sulfeto de hidrogênio, dióxido de carbono e água, usualmen-te em pressão elevada de até 10 MPa (100 bar) e temperatura moderadaperto da temperatura ambiente.
(b) Gás de combustão da combustão de combustível fóssil isen-to de enxofre, compreendendo nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono eágua, em pressão perto da pressão atmosférica e temperatura elevada deaté 200°C ou mesmo mais alta.
(c) Gás de combustão da combustão de combustível fóssil quecontém enxofre, compreendendo nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbonodióxido de enxofre, trióxido de enxofre e água, em pressão substancialmenteigual à pressão atmosférica e temperatura elevada de até 200°C ou mesmomais alta.
(d) Gás residual de unidades de produção de ácido sulfúrico,compreendendo nitrogênio, oxigênio, dióxido de carbono, dióxido de enxofree trióxido de enxofre, em pressão perto da pressão atmosférica e temperatu-ra moderadamente elevada de menos do que 200 0C.
Quando o dióxido de enxofre se dissolve em água e reage comela, ele produz ácido sulfuroso, H2SO3, que é um ácido substancialmentemais forte (pKai = 1,8) do que o ácido carbônico, H2CO3 (pKai = 6,4), produ-zido pela hidratação de dióxido de carbono ou sulfeto de hidrogênio (pKai =7,0). Caso seja desejado capturar dióxido de enxofre a partir de um gás dealimentação, usando um processo tratador com amina regenerável, entãouma amina adequadamente fraca com uma pKa de preferência menor doque 6 é usada preferencialmente. A amina fraca não é capaz de capturarqualquer quantidade significativa de CO2, que permanece no gás tratado.Conseqüentemente, essa amina fraca pode ser usada para capturar seleti-vamente SO2 a partir de um gás de alimentação que contém SO2 e CO2.
Uma névoa de ácido sulfúrico (pKa2 = -3) é tão forte que ela forma sais ter-micamente estáveis com solventes de SO2 regeneráveis.
O solvente alcanol-amina usado para capturar seletivamenteSO2 pode ser qualquer um daqueles descritos na patente n2 US 5.019.361,cujo teor é aqui incorporado como referência. Particularmente, o solventepode ser representado pela fórmula estrutural:
<formula>formula see original document page 14</formula>
onde R1 é alquileno com dois ou três átomos de carbono, R2, R3, R4 e R5podem ser iguais ou diferentes e podem ser hidrogênio, alquila (por exem-plo, alquila inferior com 1 a cerca de 8 átomos de carbono, incluindo cicloal-quilas), hidróxi-alquila (por exemplo, hidróxi-alquila inferior com 2 a cerca de8 átomos de carbono), aralquila (por exemplo, 7 a cerca de 20 átomos decarbono) arila (de preferência, monocíclica ou bicíclica), alcarila (por exem-plo, 7 a cerca de 20 átomos de carbono), e qualquer um entre R2, R3, R4 eR5 pode formar estruturas cíclicas. As diaminas são compostos orgânicosque contêm dois átomos de nitrogênio, e são freqüentemente preferidas de-vido à sua disponibilidade comercial e viscosidade geralmente mais baixa.As aminas, por exemplo, as diaminas, são de preferência diaminas terciá-rias, em virtude da sua estabilidade. Entretanto, outras podem ser emprega-das, desde que existam condições oxidantes ou térmicas brandas para mi-nimizar a reação química do solvente. Freqüentemente, os sais de aminasabsorventes preferidos têm um grupo hidróxi-alquila como um substituinteem um grupo amina. Em alguns casos, acredita-se que o substituinte hidroxi-Ia retarde a oxidação de sulfito ou bissulfito a sulfato.
Para permitir um alto carregamento de dióxido de enxofre recu-perável a ser absorvido no meio absorvente sob condições de pressão at-mosférica, é preferível que a forma livre da amina absorvente tenha um pesomolecular menor do que cerca de 250. Freqüentemente, as diaminas terciá-rias têm a fórmula:
<formula>formula see original document page 15</formula>
onde R1 é um grupo aquileno, de preferência contendo entre 2 e 3 átomosde carbono como uma cadeia linear ou como uma cadeia ramificada, e cadaR2 é igual ou diferente e é um grupo alquila, de preferência metila ou etila,ou um grupo hidróxi-alquila, de preferência 2-hidróxi-etila. Os compostosespecificamente preferidos são N,N',N'-(trimetil)-N-(2-hidróxi-etil)-etilenodia-mina (pKa = 5,7); Ν,Ν,Ν',Ν'-tetrametilenodiamina (pKa = 6,1); Ν,Ν,Ν',Ν'-tetracis-(2-hidróxi-etil)-etilenodiamina (pKa = 4,9); N-(2-hidróxi-etil)-etilenodi-amina (pKa = 6,8); Ν,Ν'-dimetil-piperazina (pKa = 4,8); N,N,N',N'-tetracis-(2-hidróxi-etil)-1,3,-diaminopropano; e N',N'-dimetil-N,N-bis-(2-hidróxi-etil)-etile-nodiamina. Estão incluídos também entre as diaminas úteis os compostosheterocíclicos, tais como piperazina (pKa = 5,8). Os valores de pKa são parao nitrogênio sorvente.Caso seja desejado capturar gases ácidos fracos tais como H2Se/ou CO2, então uma amina mais forte com pKa > 7,5, tais como monoeta-nol-amina, dietanol-amina ou metil-dietanol-amina, são usadas preferivel-mente. Os ácidos substancialmente mais fortes do que H2S ou ácido carbô-nico formarão sais termicamente estáveis. Os exemplos são SO2, ácido fór-mico, ácido acético, ácido clorídrico, ácido sulfúrico e ácido tiociânico.
As aminas solventes de dióxido de carbono podem ser primárias,secundárias ou terciárias com pKa's na faixa entre 6,0 e 10, de preferência 6,5-10, e mais preferivelmente 6,5-9,5. Para impedir a perda da amina com o gástratado, as aminas preferidas têm, de preferência, uma pressão de vapormenor do que 1 mm de Hg a 50°C sobre o solvente. As aminas preferidasincluem ácido 4-(2-hidróxi-etil)-1-piperazinoetano-sulfônico (pKa = 7,5), ácidomorfolinoetano-sulfônico (pKa = 6,1), N-(2-hidróxi-etil)-etilenodiamina (pKa 1= 9,5, ρKa 2 = 6,5), piperazina CpKa 1 = 9,8, pKa 2 = 5,6), N-(2-hidróxi-etil)-piperazina (pKa 1 = 9,0, pKa 2 = 4,5), benzimidazol (pKa = 5,5), e N,N'-bis-(2-hidróxi-etil)-piperazina (pKa 1 = 7,8, pKa 2 = 3,9), e misturas delas.
Caso seja desejado capturar SO2 e também CO2, então, paraevitar que a totalidade do SO2 forme um sal termicamente estável no pro-cesso de captura de CO2, o SO2 é, de preferência, capturado em primeirolugar com um solvente apropriado. O CO2 é então removido em uma segun-da etapa. Como o sulfeto de hidrogênio não é termodinamicamente estávelna presença de SO2 ou oxigênio, então apenas concentrações mínimas sãoencontradas geralmente em correntes que contêm SO2 ou O2.
Na modalidade preferida da figura 1, a corrente de gás de ali-mentação 12, que é tratada na unidade tratadora com amina 10, contém umúnico gás capturável por amina visado, por exemplo, SO2. Como ilustrado nafigura 1, de preferência, a corrente de gás de alimentação 12 é primeiramen-te pré-separado para remover a matéria particulada da corrente de gás dealimentação 12 e para arrefecê-la, de preferência, até pelo menos aproxima-damente sua temperatura de saturação adiabática. Em alguns casos, a tem-peratura do gás de alimentação pode ser reduzida até um temperatura aindamais baixa disponibilizando um trocador de calor para resfriar a água circu-lante. Este pré-tratamento da água pode remover também outros contami-nantes do gás de alimentação, por exemplo, ácido clorídrico e ácido sulfúri-co. Qualquer sistema de pré-separação conhecido nessas técnicas pode serusado. Como ilustrado na figura 1, a corrente de gás de alimentação 12 po-de ser alimentada para o pré-separador 14, onde ela entra em contato deforma contracorrente com uma corrente de fluido de pré-separação 16, depreferência água, que pode ser aspergida para dentro do pré-separador 14por meio de bicos de injeção 18 apropriados. A corrente de fluido de pré-separação 16 é de preferência recirculada. Conseqüentemente, uma corren-te de reciclagem 20 pode ser alimentada para a bomba 22 de onde uma cor-rente de retorno 24 é devolvida para o pré-separador. Uma corrente de pur-ga 26 que vai para o refugo pode ser usada para controlar o nível de sólidosdissolvidos e em suspensão na água recirculante e uma corrente de reposi-ção de água 28 pode ser usada para substituir a água perdida pela evapora-ção para dentro do gás de alimentação e para a purga.
Depois de atravessar o pré-separador opcional 14, a corrente degás de alimentação pré-tratada pode então ser passada através de uma zo-na de absorção 30 na coluna 32, que pode ser uma zona de absorção dedióxido de enxofre. O gás pré-separado 34 pode escoar do pré-separador 14para dentro da coluna de absorção 32 através, por exemplo, um prato dechaminé 36, que permite a passagem de gás para cima, mas impede que olíquido escoe para baixo para dentro do pré-separador 14.
Um solvente amínico pobre (isto é, pobre na impureza de gásácido) é de preferência um solvente regenerado e pode ser introduzido porintermédio da corrente 38 dentro da coluna de absorção 32, onde ele de pre-ferência escoa em contracorrente para a corrente de gás de alimentaçãopré-tratada 34 de modo a produzir uma corrente de solvente amínico rica 40e uma corrente de gás de alimentação tratada 42. De preferência, a correntede solvente amínico pobre 38 escoa para baixo através, por exemplo, decompactação na zona de absorção 32, que promove bom contato gás-líquido com o gás em escoamento ascendente. O solvente pobre capturaseletivamente a impureza do gás ácido, deixando a coluna de absorção co-mo uma corrente de solvente rica.
A corrente de gás de alimentação tratada 42 pode ser então in-troduzida em uma ou mais zonas de absorção (não ilustradas), liberada paraa atmosfera, transportada para equipamentos adicionais para tratamentoadicional ou reciclada dentro de um processo. Por exemplo, uma segundazona de absorção pode ser projetada para remover dióxido de carbono dacorrente de gás de alimentação. Uma terceira zona de absorção pode serprojetada para remover NOx, e opcionalmente algum mercúrio da correntede gás de alimentação. Deve-se avaliar que os gases ácidos podem ser re-movidos seletivamente do gás de alimentação em qualquer ordem desejada.Por exemplo, a zona de absorção de dióxido de carbono pode ser a montan-te ou a jusante das zonas de dióxido de enxofre e NOx. Entretanto, como oSO2 tende a formar sais termicamente estáveis em solventes para gasesácidos mais fracos, é preferível capturar o SO2 antes de outras impurezasgasosas.
O poluente capturado é removido da corrente de solvente amíni-co rica aquecendo a corrente de modo a liberar o poluente capturado. Depreferência, uma coluna separadora a vapor d agua é utilizada, onde o vapord'água fornece pelo menos algum calor necessário para liberar o poluentecapturado do solvente. Como ilustrado na figura 1, a corrente de solventeamínico rica 40 e a corrente de solvente amínico pobre quente 46 podem serpassadas através de um trocador de calor indireto 44 para produzir a corren-te de solvente amínico rica quente 48 que é introduzida dentro da colunaseparadora a vapor d'água 50.
Da mesma forma que na coluna de absorção 32, a coluna sepa-radora a vapor d'água 50 pode ter qualquer projeto conhecido nessas técni-cas e pode ser um projeto recheado ou com pratos. A corrente de solventeamínico rica quente 48 escoa de preferência para baixo através, por exem-plo, do recheio 52, na torre de regeneração ou separação a vapor d agua 50.A corrente de solvente amínico rica quente 48 é introduzida em uma partesuperior da coluna 50 para escoar de forma descendente através da coluna50. Caso desejado, a bomba 64 é usada para circular a corrente 66 da fundoda torre de regeneração 50 para o reaquecedor 54. Deve-se avaliar que oreaquecedor 54 pode ser um reaquecedor com circulação forçada, um rea-quecedor com caldeira ou um reaquecedor com termossifão. Uma bomba deamina pobre quente é de preferência instalada para forçar o solvente atravésdo trocador pobre/rico para dentro de um tanque de surgência de amina po-bre (não ilustrado). O vapor d'água gerado pela ebulição do solvente amíni-co no reaquecedor 54 entra na coluna 50 como vapor d'água 60, para pro-porcionar energia e promoção de transferência de massa para separar o gásácido do solvente amínico.
O reaquecedor é aquecido por qualquer meio conhecido nessastécnicas. De preferência, o reaquecedor 54 é aquecido indiretamente pelacorrente 56 (que pode ser vapor d'água e pode ser obtida a partir de qual-quer fonte) através, por exemplo, de um feixe de tubos de tubos de trans-missão de calor, produzindo uma corrente de condensado de vapor d agua58 que pode ser reciclada para produzir mais vapor d'água ou usada emoutro lugar em uma unidade de produção. A ebulição do solvente no reaque-cedor 54 produz um fluxo de vapor d'água e gás ácido dessorvido 60 dentroda coluna 50. O vapor d'água e o gás ácido dessorvido ascendem para cimaatravés da zona de dessorção (recheio 52) da coluna 50, aquecendo o fluxodescendente da corrente de solvente amínico rica quente 48 e transportandopara cima o poluente gasoso que emana do solvente. O vapor d agua e opoluente (neste caso, dióxido de enxofre) saem da coluna 50 como corrente62. De preferência, o vapor d'água e o gás ácido dessorvido percorrem paracima através de uma seção de retificação de refluxo 68 da torre de regene-ração 50 antes de saírem da torre 50 como corrente 62.
A corrente 62 é resfriada no condensador suspenso 70, quecondensa a maior parte do vapor d'água, criando uma corrente em duas fa-ses 72 que pode ser separada no acumulador de refluxo 74 para dentro dacorrente de refluxo de líquido de topo 76 e uma corrente de gás ácido 78. Ogás ácido pode escoar para descarte ou processamento adicional. A corren-te de refluxo do topo 76 é dividida em corrente 80, que é usada no processode troca iônica, e corrente 82 que é devolvida para a torre de regeneração50 de modo a retornar para o solvente amínico.
O solvente regenerado é coletado no fundo da coluna 50 e é re-movido da coluna 50 como corrente 66, uma parte dela é reciclada comocorrente de solvente amínico pobre quente regenerado 46. A amina pobre dofundo da torre de regeneração escoa como corrente 46 através do trocadorde calor 44 para formar a corrente de amina pobre fria 84.
Os sais termicamente estáveis se acumulam no solvente amíni-co. Conseqüentemente, o solvente amínico é submetido a um processo detroca iônica para remover os sais termicamente estáveis. Por exemplo, pelomenos uma parte do solvente amínico é submetida à troca iônica para remo-ver os sais termicamente estáveis dela e de preferência apenas uma partedela (por exemplo, uma corrente de sangramento). De preferência, a corren-te de sangramento é retirada da corrente de amina pobre fria 84. De acordocom essa modalidade, como ilustrada na figura 1, a corrente 86 envia sol-vente amínico rico em sais termicamente estáveis para a unidade de remo-ção de sais termicamente estáveis por troca iônica 90. A unidade de trocaiônica 90 devolve a primeira corrente de solvente amínico pobre em saistermicamente estáveis 88, que tem um teor mais baixo de sais termicamenteestáveis. A corrente 38 completa o circuito, enviando solvente amínico pobrepara a separação de gás ácido até a torre absorvedora 32.
Como é do conhecimento dos familiarizados com essas técni-cas, os detalhes do processo tratador com amina podem ser mudados ouadicionados sem mudar os princípios genéricos ou sua relevância para apresente invenção. Por exemplo, diferentes tipos de equipamentos para efe-tuar o contato gás/líquido no absorvedor e no regenerador podem ser usa-dos para realizar o mesmo efeito de absorção e separação. Outros fluxo-gramas, tais como aqueles que têm correntes de amina pobres e semipo-bres também podem ser usados na aplicação da presente invenção.
A figura 2 ilustra uma modalidade de uma unidade de troca iôni-ca 90 que pode ser usada de acordo com a presente invenção. Como lá ilus-trado, a unidade de troca iônica 90 inclui o tanque opcional de surgências 92e uma única coluna de troca iônica 94. Como a resina de troca iônica na co-luna de troca iônica 94 deve ser ocasionalmente regenerada, deve-se avaliarque em base periódica (isto é, de tempos em tempos conforme necessário)o fluxo da corrente de solvente amínico pobre rica em sais termicamenteestáveis 96 através da coluna de troca iônica 94 será terminado, permitindoque a resina de troca iônica seja regenerada. Em uma modalidade alternati-va, deve-se avaliar que uma pluralidade de colunas de troca iônica 94 podeser instalada. Conseqüentemente, a corrente de solvente amínico pobre 96,rica em sais termicamente estáveis, pode ser alimentada continuamente a-través de pelo menos uma coluna de troca iônica 94 para remover os saistermicamente estáveis dela enquanto a resina de troca iônica em uma oumais colunas alternadas 94 está sendo regenerada.
Qualquer construção de um reator de troca iônica conhecidanessas técnicas pode ser utilizada. Tipicamente, o meio de troca iônica éuma resina formada como contas. Conseqüentemente, uma coluna de trocaiônica tem tipicamente um suporte para receber as contas de resina de trocaiônica. O meio de troca iônica, portanto, pode ser contas de polímero quetêm grupos funcionais no polímero. Uma resina de troca iônica tem geral-mente funções básicas como sítios de troca. Várias resinas de troca iônicapodem ser usadas no processo desta invenção. As resinas de troca aniônicade bases fortes são distinguidas tipicamente por terem sítios fixos de trocaaniônica de aminas quaternárias, que são positivamente carregados emqualquer pH. As resinas de troca aniônica de bases fracas têm sítios fixos detroca aniônica de aminas primárias ou secundárias. O sítios são positiva-mente carregados, dependendo do pH da solução. Em pH mais alto, os sí-tios são neutros.
As resinas de bases fortes do Tipo I são aquelas que contêmgrupos funcionais tetrametil-amônio. As resinas de bases fortes do Tipo Ilcontêm geralmente grupos funcionais hidróxi-etil-trimetil-amônio. Os exem-plos de resinas de troca aniônica de bases fortes do Tipo I são resinas deestireno/divinil-benzeno com grupos de amônio quaternário anexados aoesqueleto de polímero, tais como Resintech® SBG-1 e Sybron® ASB-1, co-mercializadas pela Resintech Company. As resinas de troca aniônica de ba-ses fortes do Tipo Il incluem resinas de estireno/divinil-benzeo com gruposalcanol-amina quaternários anexados ao esqueleto do polímero, tais comoResintech® SBG-II e Sybron® ASB-II, também disponíveis na ResintechCompany. Outras resinas que podem ser usadas incluem materiais tais co-mo Mobay® M500 da Bayer AG, uma resina de troca aniônica de bases for-tes do Tipo I, que é uma resina de poliestireno com grupos funcionais deamônio quaternário anexados ao esqueleto de polímero; Amberlyst® A-26 daRohm and Haas, uma resina de troca aniônica de bases fortes do Tipo I, queé um copolímero de estireno/divinil-benzeno com grupos amônio quaternárioanexados ao esqueleto do polímero; e Amberlite® IRA-410 da Room andHaas, uma resina de troca aniônica do tipo amina de base forte do Tipo II.Estão incluídas também resinas de troca aniônica de bases fortes, de estire-no/divinil-benzeno da Dow, que têm aminas quaternárias como grupos fun-cionais. Estes materiais estão disponíveis sob a marca comercial DOWEX.
As resinas de géis acrílicos de bases fracas, tais como aquelas fornecidaspela Purolite®, também podem ser usadas. Podem ser usadas resinas emgel ou macroporosas.
As resinas precedentes são meramente ilustrativas de resinasde troca iônica úteis e esta lista não pretende limitar as resinas que podemser usadas ao conduzir o processo da invenção.Para o propósito da presen-te invenção, pretende-se que qualquer resina de troca iônica usada recupe-rar solventes amínicos gastos pode ser regenerada usando o processo aquidescrito. Estas resinas são facilmente identificáveis pelos versados nessastécnicas.
A corrente de solvente amínico pobre, rica em sais termicamenteestáveis, 96 (que pode ser obtida a partir do tanque de surgências 92) ouque pode ser meramente uma extensão da corrente de sangramento 86,caso o tanque de surgências 92 não seja instalado, é deixada escoar atravésda coluna de troca iônica 94 para produzir a primeira corrente de solventeamínico pobre em sais termicamente estáveis 88. Esta é a etapa de carre-gamento de resina ou a etapa de exaustão da resina. Durante esta etapa, aresina na coluna 94 interage com o solvente amínico para remover os saistermicamente estáveis do solvente amínico. Quando a capacidade de a resi-na de troca iônica remover sais termicamente estáveis do solvente amínicoatinge um nível desejado, ou depois de um tempo predeterminado, o fluxodo solvente amínico através da coluna 94 é terminado.
Prefere-se remover os ânions termicamente estáveis do solventeamínico que é pobre em gases absorvíveis por aminas, em vez do solventeamínico rico em gases absorvíveis por aminas, pois a resina de troca iônicatenderá também a reagir com os ânions do gás absorvível por aminas, queestão presentes no solvente amínico. Conseqüentemente, fornecendo o sol-vente amínico pobre para a coluna 94, uma proporção maior da resina detroca iônica interagirá com os sais termicamente estáveis presentes no sol-vente amínico pobre e não com os ânions do gás absorvível por aminas, talcomo sulfito. Portanto, por volume unitário de solvente amínico que atraves-sa a coluna de troca iônica, uma proporção maior de sais termicamente es-táveis será removida da solução de amina.
A interação do solvente amínico com a resina de troca iônicaresulta na conversão do solvente amínico na sua forma de base livre. O sol-vente amínico que tem uma concentração reduzida de sal termicamente es-tável (isto é, a primeira corrente de solvente amínico pobre em sais termica-mente estáveis 88) é então devolvido para a unidade tratadora de amina 10.A primeira corrente de solvente amínico pobre em sais termicamente está-veis 88 pode ser devolvida para qualquer local desejado no processo trata-dor com amina e, de preferência, é introduzida a jusante do trocador de calor44 e a montante da coluna 32, como ilustrado na figura 1.
Alguns processos tratadores com aminas podem operar com umnível significativo de sais termicamente estáveis presentes (vide, por exem-plo, pedido de patente n- US 10/639.678). Nesse caso, deseja-se reduzir osal termicamente estável apenas parcialmente, mas ainda passando sufici-ente solvente amínico que contém sais termicamente estáveis através dacoluna 94 para saturar completamente a resina de troca iônica com ânionstermicamente estáveis, antes da regeneração da resina de troca iônica. Istomaximiza a eficiência do processo de troca iônica com relação à perda deamina e necessidades de regenerante e líquido de enxágüe por quantidadede ânions removidos.
Subseqüentemente à etapa de exaustão, a resina de troca iônicaé de preferência tratada para remover o solvente amínico dela antes de co-meçar a etapa de regeneração. Portanto, de acordo com esta invenção, aresina de troca iônica é de preferência colocada em contato com uma cor-rente de lavagem, que pode ser ácida, para remover o solvente amínico dacoluna 94.
O refluxo, depois de atravessar a coluna 94, produz a segundacorrente de solvente amínico pobre em sais termicamente estáveis 98 devi-do à adição de água na parte da corrente de refluxo 80 fornecida para a co-luna 94. A concentração da amina na corrente 98 é diluída em comparaçãocom a amina circulante na unidade tratadora com amina 10. Entretanto, reci-clando a corrente 98 para a unidade tratadora de amina 10, essencialmentea totalidade da água e da amina desviada para a unidade de troca iônica 90é devolvida para a unidade tratadora de amina 10, desta forma essencial-mente mantendo o equilíbrio de massas da unidade tratadora de amina 10 e,conseqüentemente, impedindo a diluição da amina na unidade tratadora comamina 10, o que ocorreria caso água doce fosse usada para a etapa de Ia-vagem em vez do refluxo 80.
Deve-se avaliar que em uma modalidade alternativa alguma á-gua de reposição pode ser adicionada à corrente de refluxo 80, caso neces-sário. A necessidade de mais água de lavagem poderia gerar em casos nosquais a quantidade de refluxo produzida é baixa, devido a uma baixa neces-sidade de vapor d'água para regeneração, mas nos quais a taxa de acumu-lação de sais termicamente estáveis é alta, requerendo uma alta taxa opera-cional da unidade IX. Até 3 partes de água poderiam ser adicionadas parauma parte de refluxo, mas prefere-se adicionar tão pouco quanto possível.
A corrente 98 pode ser devolvida para o circuito de amina contí-nuo na unidade tratadora de amina 10 a jusante do trocador de calor 44 e amontante da coluna 32 (similarmente à corrente 88). Alternativamente, a cor-rente 98 pode ser devolvida para a parte extratora de vapor d'água do pro-cesso tratador com amina (ela pode ser adicionada a uma ou ambas as ou àcorrentes 82 e também à corrente 48). Esta rota alternativa pode ser utiliza-da caso o gás absorvível por amina seja SO2.
Uma vantagem adicional de utilizar o refluxo para remover a a-mina por lavagem da coluna 94 é que os cátions metálicos que são precipi-tados a partir da amina (por exemplo, Fe3+) ou são depositados na coluna detroca iônica a partir de sólidos em suspensão na amina (por exemplo, carbo-nato de cálcio), tenderão a serem solubilizados novamente. Caso estes cá-tions metálicos não sejam solubilizados novamente, então eles tenderão aimpedir o fluxo de líquido através da coluna de troca iônica ou possivelmenteinterferirão com o transporte de ânions para dentro ou para fora da resina.
De preferência, no final da etapa de lavagem, e antes da etapade regeneração, a resina de troca iônica é lavada com água desmineralizadaou condensado de vapor d agua, que pode ser suprido pela corrente 100.Esta água de lavagem é fornecida para remover o refluxo da coluna 94. Apassagem da água de lavagem 100 através da coluna 94 resulta em umacorrente de efluente de água de lavagem 102 que pode ser alimentada parao tanque de estocagem 104 para reutilização.
Subseqüentemente, a resina de troca iônica é regenerada usan-do um agente de regeneração. Por exemplo, o agente de regeneração podeser uma solução cáustica (por exemplo, uma solução de hidróxido de sódio a4%), que é fornecida por intermédio da corrente 106. O agente de regenera-ção converte a resina de troca iônica de volta para sua forma inicial. Conse-qüentemente, caso a resina de troca iônica seja uma resina de troca aniôni-ca, e o agente de regeneração é uma solução cáustica, então a soda cáusti-ca converte a resina de troca iônica de volta para sua forma de base (porexemplo, uma amina livre no caso de uma resina de base fraca, e uma for-ma de hidróxido no caso de uma resina de base forte). A etapa de regenera-ção resulta na produção de uma solução de agente de regeneração gasto108. A corrente 108 pode ser alimentada para o pré-separador 14 (ela podeconstituir parte ou a totalidade da corrente 28). Conseqüentemente, a águana corrente 108 pode ser utilizada para arrefecer o gás de alimentação. A-lém disso, qualquer soda cáustica não reagida ficará disponível para neutra-lizar ácidos fortes, tais como o ácido sulfúrico, que está presente na correntede água 20 do pré-separador.
Subseqüentemente à etapa de regeneração, a resina de trocaiônica é lavada novamente para remover a soda cáustica dela. Conseqüen-temente, a água doce e/ou a água do tanque 104 pode ser alimentada paraa coluna de troca iônica 94 por intermédio da corrente 110. Deslocando oagente de regeneração cáustico do leito de troca iônica evita a contamina-ção do solvente amínico com soda cáustica ou sais de sódio durante a pró-xima etapa de carregamento. A água de lavagem gasta, que deve conteralguma soda cáustica pode ser direcionada também para o pré-separadorpor intermédio da corrente 28.
De preferência, a lavagem final da resina de troca iônica é reali-zada com água desmineralizada ou condensado de vapor d'água, fornecidopor intermédio da corrente 100, para remover quantidades adicionais de so-da cáustica e sais da resina de troca iônica. Esta água de lavagem pode serdirecionada para o tanque 104 por intermédio da corrente 102 para reutiliza-ção como água de lavagem gasta e tem um teor relativamente baixo de sol-ventes cáusticos dissolvidos. Depois da etapa final de lavagem, uma outraetapa de carregamento de resina pode ser começada.
Descobriu-se que a remoção de sais termicamente estáveis desolventes amínicos fortes e fracos pode ser realizada por um processo es-sencialmente igual, com apenas um ajuste opcional do tipo de resina e dotipo e quantidade do agente de regeneração, e dos volumes de enxágüe queestão sendo necessários para otimizar cada solvente amínico específico e otipo de sais termicamente estáveis.
Deve-se avaliar que várias modificações e variações podem serfeitas e todas estas modificações e variações estão dentro do âmbito dasreivindicações que se seguem. Por exemplo, qualquer solvente de SO2, CO2e H2S conhecido nessas técnicas pode ser usado. Os solventes podem serregenerados e reciclados e, caso isto ocorra, eles podem ser regenerados ereciclados por qualquer meio conhecido nessas técnicas. A unidade de trocaiônica pode usar tanques de surgências e tanques de estocagem para acu-mular as várias correntes que são usadas na unidade de troca iônica ou quesão produzidas pela unidade de troca iônica. Qualquer resina de troca iônicaou séries de resinas conhecidas nessas técnicas podem ser usadas. Deve- se avaliar também que as etapas podem ser combinadas em várias combi-nações e subcombinações.
EXEMPLOS
A operação da invenção está ilustrada pelos exemplos represen-tativos que se seguem. Como fica evidente para os versados nas técnicasde troca iônica, muitos dos detalhes dos exemplos podem ser mudados e aomesmo tempo ainda praticando a invenção aqui descrita.
Exemplo
A operação da invenção foi testada em uma unidade-piloto. Osexperimentos foram realizados para a remoção de sais termicamente está-veis de uma diamina absorvente de SO2 (Cansolv® Asorbent DM) que temuma concentração de 26,9% de amina, 12,5% de sulfato e 1,8% de sulfito. Aconcentração de sal (sulfato) termicamente estável neste solvente amínicoera de 1,36 mol/mol de amina. Uma coluna de troca iônica com um diâmetrode 15,24 cm (6 in) foi enchida com uma altura de 54,10 cm (21,3 in) com aresina de base fraca Purolite® A-830, correspondente a um volume de leitode resina (BV) de 10 litros. A coluna de troca iônica foi alimentada com líqui-dos de tanques aquecidos por bombas centrífugas. Válvulas, manômetros,termômetros e rotâmetros apropriados foram instalados para uma operaçãosegura e conveniente da unidade. Todos os fluidos foram aquecidos até50°C. O refluxo sintético foi preparado borbulhando gás SO2 para dentro daágua até que uma concentração nominal de 1,5% fosse atingida (pH = 1,5).
As análises quanto à amina e ânions foram realizadas com cro-matografia iônica, enquanto que as baixas concentrações de íons sódio fo-ram quantificadas por uma medição da condutividade, usando uma curva decalibração. As baixas concentrações de amina em matrizes aquosas foramquantificadas por cromatografia gasosa. O ciclo operacional do processoconsistiu na seguinte seqüência:1. Carregamento da resina com ânions termicamente estáveis,passando 4 volumes de leito de resina de solvente amínico através da coluna.
2. Deslocamento do solvente amínico e remoção da amina porlavagem da resina com 2,25 volume de leito de resina do refluxo.
3. Deslocamento do refluxo com 0,5 volume de leito de resinade água desmineralizada.
4. Regeneração da resina de volta para a forma de base pas-sando 4 volumes de leito de resina de hidróxido de sódio a 4% através dacoluna.
5. Lavagem final com 1,5 volume de leito de resina de águaeconomizada do final da lavagem final anterior e depois com 4,5 volumes deleito de resina de água desmineralizada.
6. A etapa de carregamento seguinte foi conduzida.
Esta seqüência experimental deu os seguintes resultados namédia de um grande número de ciclos:
1. Foi obtido um carregamento de 100 gramas de S04= por litrode resina.
2. A perda de amina foi de 21 gramas por quilograma de S04=removido da solução de amina, principalmente devido à remoção incompletade amina da coluna pela lavagem com refluxo.
3. Durante um ciclo, a amina, que é devolvida para o processotratador, foi diluída em cerca de 0,4% (por exemplo, de 26,9% para 26,8%de amina) devido à misturação de água na amina na interface entre a lava-gem final do ciclo anterior e a amina do próximo ciclo. Caso a água de Iava-gem da amina fosse de uma fonte externa, a diluição seria de 34% (de26,9% para 17,8%). A concentração final da amina neste caso é calculadacomo a soma de diluição dos 4 volumes de leito de resina do solvente amí-nico misturando a interface (0,2 volume de leito de resina de água) e os 2,25volumes de leito de resina de água de lavagem.
Claims (25)
1. Método para a remoção de um gás capturável por amina deuma corrente de gás de alimentação, usando um solvente amínico, sendoque o método compreende:(a) colocar a corrente de gás de alimentação em contato comum solvente amínico pobre para formar um solvente amínico rico, onde ossais termicamente estáveis estão presentes no solvente amínico rico;(b) separar o gás capturável por amina do solvente amínico ricopara formar o solvente amínico pobre e uma corrente de refluxo de topo;(c) periodicamente colocar pelo menos uma parte de um ouambos entre o solvente amínico pobre e o solvente amínico rico em contatocom uma resina de troca aniônica para formar um primeiro solvente amínicopobre de sais termicamente estáveis;(d) periodicamente regenerar a resina de troca aniônica, ondedurante a regeneração da resina de troca aniônica, pelo menos uma parteda corrente de refluxo é usada para lavar o solvente amínico da resina detroca aniônica para produzir um segundo solvente amínico pobre em saistermicamente estáveis; e(e) reciclar a pelo menos uma parte dos primeiro e segundo sol-ventes amínicos pobres em sais termicamente estáveis para uso na capturado gás capturável por amina do gás de alimentação.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, compreendendo a-inda selecionar o gás capturável por amina entre um ou mais entre SO2, H2Se CO2.
3. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e-2, compreendendo ainda selecionar o solvente amínico pobre como o sol-vente amínico que é colocado em contato com a resina de troca aniônica.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3,em que, durante a etapa (d), a resina de troca aniônica é tratada para removero solvente amínico dela antes de regenerar a resina de troca aniônica.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a-4, em que a etapa (d) compreende:(a) a resina de troca aniônica é colocada em contato com águapara remover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniônica;(b) a resina de troca aniônica é subseqüentemente colocada emcontato com um agente de regeneração para obter resina de troca aniônicaregenerada e solução do agente de regeneração gasto; e(c) lavar a resina de troca aniônica com água para remover oagente de regeneração dela, e para obter um efluente de lavagem do agentede regeneração.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, compreendendo a-inda lavar a resina de troca aniônica regenerada com água para remover oagente de regeneração dela antes de usar a resina de troca aniônica rege-nerada na etapa (c) da reivindicação 1.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 e-6, compreendendo ainda:(a) submeter a corrente de gás de alimentação a uma opera-ção de pré-separação;(b) usar a totalidade ou uma parte de um ou ambos entre a so-lução do agente de regeneração gasto e o efluente de lavagem do agente deregeneração na operação de pré-separação.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 a-7, compreendendo ainda drenar o solvente amínico da resina de troca aniô-nica antes de colocar a resina de troca aniônica em contato com a água pararemover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniônica.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 3a 8, compreendendo ainda disponibilizar um solvente amínico que tem umaamina com uma pKa na faixa entre 2,5 e 6.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, compreendendoainda selecionar SO2 como o gás capturável pela amina.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e-3 a 8, compreendendo ainda disponibilizar um solvente amínico que temuma amina com uma pKa na faixa entre 7,5 e 10.
12. Método de acordo com a reivindicação 11, compreendendoainda selecionar o gás capturável pela amina entre um ou mais entre H2S eCO2.
13. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, em que a amina pobre em sais termicamente estáveis é reciclada para aetapa (a).
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, em que a amina pobre em sais termicamente estáveis é reciclada para aetapa (b).
15. Método de acordo com a reivindicação 14, compreendendoainda selecionar SO2 como o gás capturável pela amina.
16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 15, em que o refluxo é utilizado sem diluição para remover por lavagem osolvente amínico da resina de troca aniônica.
17. Método para regenerar uma resina de troca iônica, compreendendo:(a) obter uma solução de solvente que contém sais termica-mente estáveis a partir de um processo tratador com amina;(b) colocar a solução de solvente em contato com uma resinade troca aniônica para obter uma solução de solvente pobre em sais termi-camente estáveis;(c) periodicamente regenerar a resina de troca aniônica, emque antes da regeneração da resina de troca aniônica, a resina de troca ani-ônica é lavada com pelo menos uma parte de uma corrente de refluxo doprocesso tratador com amina, para produzir uma corrente de amina pobreem sais termicamente estáveis; e(d) reciclar a amina pobre em sais termicamente estáveis parao processo tratador com amina.
18. Método de acordo com a reivindicação 17, em que o proces-so tratador com amina trata um gás de alimentação para remover um oumais entre SO2, H2S e CO2.
19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17 e 18, em que durante a etapa (c), a resina de troca aniônica é tratada para remo-ver o solvente amínico dela antes de regenerar a resina de troca aniônica.
20. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17a 19 em que, a etapa (c) compreende:(a) a resina de troca aniônica é colocada em contato com águapara remover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniônica;(b) a resina de troca aniônica é subseqüentemente colocadaem contato com um agente de regeneração para obter resina de troca aniô-nica regenerada e solução do agente de regeneração gasto; e(c) lavar a resina de troca aniônica com água para remover oagente de regeneração dela, e para obter um efluente de lavagem do agentede regeneração.
21. Método de acordo com a reivindicação 20, compreendendoainda lavar a resina de troca aniônica regenerada com água para remover oagente de regeneração dela antes de usar a resina de troca aniônica rege-nerada na etapa (b) da reivindicação 17.
22. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 20e 21, compreendendo ainda:(a) submeter uma corrente de gás de alimentação alimentadapara o processo tratador com amina a uma operação de pré-separação;(b) usar a totalidade ou uma parte de um ou ambos entre a so-lução do agente de regeneração gasto e o efluente de lavagem do agente deregeneração na operação de pré-separação.
23. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 20a 22, compreendendo ainda drenar o solvente amínico da resina de trocaaniônica antes de colocar a resina de troca aniônica em contato com a águapara remover por lavagem o solvente amínico da resina de troca aniônica.
24. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17a 23, em que a amina pobre em sais termicamente estáveis é reciclada parao processo tratador com amina.
25. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 17a 24, em que o refluxo é utilizado sem diluição para remover por lavagem osolvente amínico da resina de troca aniônica.
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