CN117597184A - 在旋转填充床中基于mbza/peg乙醚的液体溶剂co2捕获 - Google Patents
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Abstract
本公开内容提供了一种用于从气体流中移除酸性气体组分的设备以及相关的系统和方法。本公开内容提供了一种基于旋转填充床(RPB)的吸收器，该吸收器具有容纳在其中用于处理气体流的非水性液体溶剂，其中非水性液体溶剂从气体流中捕获酸性组分。使用本文描述的设备、系统和方法，可以实现例如关于空间因素和相关费用的各种优点。
Description
本公开内容的领域
本发明涉及用于移除气体流的特定组分的系统，以及使用这样的系统的方法。更具体地，本发明可以提供酸性气体的移除，所述酸性气体诸如CO2、SO2、COS、CS2和NOx。
背景
化石燃料诸如煤、石油和天然气的燃烧预计在未来数年仍是主要的全球能量来源。目前，全球65％的温室气体排放源自于化石燃料发电厂(fossil fuel-fired powerplant)，由于包括中国和印度在内的新兴市场的大幅增长，预计到2040年，化石燃料发电厂的使用量将增加高达28％。人为的二氧化碳(CO2)排放的环境影响促使全世界都在努力减少CO2的大气释放。碳捕获和封存(carbon capture and sequestration)(CCS)技术在过去十年中已经取得了进步，成为减少CO2(和其他酸性气体)排放的最有前景的解决方案之一。
迄今为止最先进的碳捕获和封存技术是基于胺的溶剂洗涤法(amine-basedsolvent scrubbing)。基于溶剂的CO2捕获系统具有高CO2容量、与CO2的可逆反应性、对于吸收和再生的低的热需求，并且可以由水性组分或非水性组分组成。单乙醇胺(MEA)溶剂工艺已经是经过最严格研究的CCS系统，并且已成为加拿大Saskatchewan的SaskPower’sBoundary Dam发电厂的首个商业规模的示范CCS工艺，捕获高达130万吨的CO2/年。
这种类型的处理系统通常与高资本和运营费用相关联，这限制了它们的广泛实施，并且在过去十年中，大多数研究都集中在降低对于CO2移除使用的捕获溶剂的再生的能量需求以改善这些不足。随着关于CO2排放的法规的不断增加以及期望经由CCS技术降低CO2移除的成本，将有利的是提供用于处理含CO2气体的替代系统以减少CO2的大气释放。
简要概述
本公开内容提供了用于从气体流中移除酸性气体诸如CO2的设备和相关系统以及使用这样的设备或系统移除酸性气体的方法。
在本公开内容的一个方面中，提供了用于从气体流中移除一种或更多种酸性气体组分的设备，所述设备包括布置在可旋转轴上的旋转填充床(rotating packed bed)(RPB)，该RPB包括：气体入口，流入物气体能够通过该气体入口进入用于气-液接触；气体出口，流出物气体能够在气-液接触之后通过该气体出口离开；液体入口，液体能够通过该液体入口进入用于气-液接触；液体出口，液体能够在气-液接触之后通过该液体出口离开；在液体入口和液体出口之间的导管，该导管包括容纳在其中的用于气-液接触的非水性液体溶剂，其中非水性液体溶剂包含按重量计约18％或更少的水。
非水性液体溶剂的特征可以变化。在一种实施方案中，非水性液体溶剂是用于从烟道气体流中移除酸性气体的溶剂。在一种实施方案中，非水性液体溶剂具有小于约25g水/100g非水性液体溶剂(例如，约1g水/100g非水性液体溶剂至约25g水/100g非水性液体溶剂，或约2g水/100g非水性液体溶剂至约25g水/100g非水性液体溶剂)的与水的溶解度。在另外的实施方案中，非水性液体溶剂包含按重量计约15％或更少的水、按重量计12％或更少的水、按重量计10％或更少的水或按重量计小于10％的水。在一些实施方案中，非水性液体溶剂具有约4或更大或约4.5或更大(例如，包括但不限于约4至约8、约4.5至约8、约4至约7或约4.5至约7)的kGa值，例如对于高于0.45kg/kg的L/G比率(例如，对于0.45kg/kg至10kg/kg或约0.45kg/kg至8kg/kg的L/G比率)。在一种实施方案中，对于0.45kg/kg至10kg/kg的L/G比率，非水性液体溶剂具有约4至约8的kGa值。
在一种实施方案中，非水性液体溶剂包括物理吸收剂和/或化学吸收剂。例如，在某些实施方案中，非水性液体溶剂包括一种或更多种疏水伯胺和/或一种或更多种疏水仲胺。在某些实施方案中，非水性液体溶剂包括一种或更多种稀释剂，所述稀释剂选自由以下项组成的组：任选地被取代的醇类、任选地被取代的酚类、任选地被取代的氮杂环类、任选地被取代的脂族烃类、任选地被取代的酮类、任选地被取代的脂族醚类、任选地被取代的环醚类、任选地被取代的氧杂环类、任选地被取代的氮杂环类、任选地被取代的酯类、任选地被取代的酰胺类及其混合物。在一种实施方案中，非水性液体溶剂包括疏水伯胺或疏水仲胺和稀释剂，所述稀释剂包括任选地被取代的脂族醚。在另外的实施方案中，非水性液体溶剂包括离子液体。
RPB的特征可以变化。各种RPB配置是已知的，并且可以根据本公开内容的各种实施方案采用各种RPB配置。在一些实施方案中，可以控制RPB内的温度和/或压力。在一种实施方案中，RPB配备有冷却机构(例如，RPB的中间冷却或在各阶段之间)和/或加热机构。在一些实施方案中，第二RPB与RPB流体连通，例如，使得冷却机构在RPB和第二RPB之间。
本公开内容还提供了用于从气体流中移除一种或更多种酸性气体组分的系统，所述系统包括如本文提供的设备。在一种实施方案中，系统还包括与液体出口流体连通的再生器。在一些实施方案中，再生器可以包括第二RPB。
在本公开内容的另一个方面中，提供了一种用于处理气体流以从其中移除一种或更多种酸性气体组分的方法，所述方法包括将气体流传入如本文描述的设备或系统的气体入口。气体流的来源和组成可以变化。在一种实施方案中，气体流为烟道气体流。在一些实施方案中，酸性气体组分包括二氧化碳(CO2)、羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)和硫氧化物(SOx，例如，SO2)中的一种或更多种。在一些实施方案中，酸性气体组分特别地包括CO2。在一些实施方案中，方法还包括将非水性液体溶剂再生以从其中移除酸性气体组分。
本公开内容还提供了一种降低与被设计用于从气体流中捕获酸性气体组分的系统相关的资本和运营费用的方法，所述方法包括在系统内采用如本文描述的设备来代替常规的填充塔床吸收设备(packed column bed absorber apparatus)。
本公开内容包括但不限于以下实施方案。
实施方案1：一种用于从气体流中移除一种或更多种酸性气体组分的设备，包括布置在可旋转轴上的旋转填充床(RPB)，所述RPB包括：气体入口，流入物气体能够通过该气体入口进入用于气-液接触；气体出口，流出物气体能够在气-液接触之后通过该气体出口离开；液体入口，液体能够通过该液体入口进入用于气-液接触；液体出口，液体能够在气-液接触之后通过该液体出口离开；以及在液体入口和液体出口之间的导管，所述导管包括容纳在其中的用于气-液接触的非水性液体溶剂，其中非水性液体溶剂包含按重量计约18％或更少的水。
实施方案2：根据实施方案1所述的设备，其中非水性液体溶剂是用于从烟道气体流中移除酸性气体的溶剂。
实施方案3：根据实施方案1-2中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂具有小于约25g水/100g非水性液体溶剂的与水的溶解度。
实施方案4：根据实施方案1-3中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包含按重量计小于15％的水或按重量计小于10％的水。
实施方案5：根据实施方案1-4中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包含按重量计约2％至约10％的水。
实施方案6：根据实施方案1-5中任一项所述的设备，其中对于高于0.45kg/kg的L/G比率，非水性液体溶剂具有约4或更大的kGa值。
实施方案7：根据实施方案6所述的设备，其中对于0.45kg/kg至10kg/kg的L/G比率，非水性液体溶剂具有约4至约8的kGa值。
实施方案8：根据实施方案1-7中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包括物理吸收剂、化学吸收剂、或物理吸收剂和化学吸收剂两者。
实施方案9：根据实施方案1-8中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包括一种或更多种疏水伯胺和/或一种或更多种疏水仲胺。
实施方案10：根据实施方案1-9中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包含按重量计约40％至约80％的一种或更多种疏水伯胺和/或一种或更多种疏水仲胺。
实施方案11：根据实施方案1-10中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包括一种或更多种稀释剂，所述稀释剂选自由以下项组成的组：任选地被取代的醇类、任选地被取代的酚类、任选地被取代的氮杂环类、任选地被取代的脂族烃类、任选地被取代的酮类、任选地被取代的脂族醚类、任选地被取代的环醚类、任选地被取代的氧杂环类、任选地被取代的酯类、任选地被取代的酰胺类及其混合物。
实施方案12：根据实施方案1-11中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包括疏水伯胺或疏水仲胺以及包括任选地被取代的脂族醚的稀释剂。
实施方案13：根据实施方案1-12中任一项所述的设备，其中非水性液体溶剂包括离子液体。
实施方案14：根据实施方案1-13中任一项所述的设备，其中RPB配备有冷却机构。
实施方案15：根据实施方案1-14中任一项所述的设备，还包括第二RPB。
实施方案16：一种用于从气体流中移除一种或更多种酸性气体组分的系统，包括根据实施方案1-15中任一项所述的设备。
实施方案17：根据实施方案16所述的系统，还包括与液体出口流体连通的再生器。
实施方案18：根据实施方案16或17所述的系统，其中再生器包括第二RPB。
实施方案19：根据实施方案16-18中任一项所述的系统，包括一个或更多个(例如，一个、两个、三个、四个或更多个)另外的RPB。
实施方案20：一种用于处理气体流以从其中移除一种或更多种酸性气体组分的方法，包括将气体流传入根据实施方案1-15中任一项所述的设备或根据实施方案16-19中任一项所述的系统的气体入口。
实施方案21：根据实施方案20所述的方法，其中气体流为烟道气体流。
实施方案22：根据实施方案20或21所述的方法，其中一种或更多种酸性气体组分包括CO2。
实施方案23：根据实施方案20-22中任一项所述的方法，还包括将非水性液体溶剂再生以从其中移除酸性气体组分。
实施方案24：一种降低与被设计用于从气体流中捕获酸性气体组分的系统相关的资本和运营费用的方法，包括在系统内采用根据实施方案1-15中任一项所述的设备来代替常规的填充塔床吸收设备。
通过阅读以下的详细描述以及下文简要描述的附图，本公开内容的这些和其他特征、方面和优点将是明显的。本发明包括两种、三种、四种或更多种上述实施方案的任何组合，以及本公开内容中阐述的任何两个、三个、四个或更多个特征或要素的组合，而不论这样的特征或要素是否在本文的特定实施方案描述中明确组合。除非上下文另外明确地规定，否则本公开内容意图整体地阅读，使得所公开的发明的任何可分离的特征或要素在其各个方面和实施方案中的任何一个中应该被视为意图可组合。本发明的其他方面和优点将从以下内容变得明显。
附图简述
已经以前述常用术语如此描述了本公开内容，现在将参考附图，附图不一定是按比例绘制的，并且其中：
图1是根据本公开内容的某些实施方案的基于再沸器的系统的示意图，所述系统用于使用液体溶剂从混合气体流中捕获酸性组分并再生液体溶剂；
图2是根据本公开内容的某些实施方案的用于气-液接触的旋转填充床(RPB)设备的示意性透视图；
图3是针对可以在本公开内容的某些实施方案中使用的三种不同的CO2捕获溶剂的观察的准一级反应(pseudo-first-order reaction)速率常数的图；
图4是根据本公开内容的一种实施方案的在旋转填充床(RPB)设备的实例中测试的各种溶剂的CO2回收率的图；以及
图5是根据本公开内容的一种实施方案的在旋转填充床(RPB)设备的实例中测试的各种溶剂的气-液平衡行为的图。
详细描述
本公开内容现在将在下文中关于其示例性实施方式更全面地描述。描述这些示例性实施方式使得本公开内容将是全面和完整的，并且将向本领域技术人员完全传达本公开内容的范围。事实上，本公开内容可以以许多不同的形式体现，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开内容将满足适用的法律要求。如说明书和所附权利要求中使用的，除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一(a)”、“一(an)”、“该(the)”等包括复数指示物。
如下文描述的，本公开内容涉及用于从各种气体流(典型地，混合气体流)中移除酸性气体的装置、系统和方法。术语“酸性气体(acid gas)”、“酸性气体组分(acid gascomponents)”、“酸性气体(acidic gas)”和“酸性气体组分(acidic gas components)”意图包括当与水混合时可以导致形成酸的气体组分。所公开的装置、系统和方法适用的酸性气体的非限制性实例包括二氧化碳(CO2)、羰基硫(COS)、二硫化碳(CS2)，硫氧化物(SOx，例如，SO2)或其任何组合。
特别地，本公开内容提供了用于通过与非水性液体溶剂的气-液传质从气体流中移除酸性气体的、采用旋转填充床(RPB)的装置、系统和方法。通过在基于RPB的系统内采用非水性液体溶剂进行气-液接触，与基于含水性溶剂的RPB的系统相比，在酸性气体移除的情况下，可以获得气-液吸收的改善，导致显著降低的运营成本，如下文概述的。
如本文提供的，用于移除酸性气体的基于溶剂的系统和工艺通常包括使待处理的气体流传递通过液体溶剂；酸性气体组分(例如，CO2和上文提及的其他酸性气体)与液体溶剂相互作用，并且酸性气体组分由此与气体流的剩余部分分离。液体溶剂和酸性气体组分之间的这种相互作用可以分类为物理吸附(利用压力使酸性组分溶解在液体溶剂中)和/或化学吸收(在酸性组分和液体溶剂之间形成化学键)。
液体溶剂变得富含酸性气体组分，并且酸性气体组分通常被移除，以允许液体溶剂被回收用于气体流的另外的处理。对于经由物理吸收移除酸性组分的液体溶剂，从富液体溶剂(rich liquid solvent)中移除气体组分通常涉及降低液体溶剂的压力。对于经由化学吸收来移除酸性组分的液体溶剂，从富液体溶剂中移除气体组分通常涉及能量(例如热量)来逆转反应/破坏在液体溶剂和酸性组分之间形成的化学键。
在图1中图示出了示例性的气体处理系统，其中系统10包括吸收器12(配置为具有接收待处理的气体流的气体入口、接收贫溶剂流入物的溶剂入口、以及分别从吸收器中移除经处理的气体和富溶剂流出物的气体出口和液体出口)和任选的再生器/解吸器14。该图本质上意图是示例性的，并且本文提供的系统可以以可选择的方式布置并且可以包括任何数量的另外的(未图示的)部件。
根据本公开内容，吸收器12包括例如如图2中示意性图示的旋转填充床(RPB)。与常规的基于填充塔的系统相比，RPB允许吸收器的尺寸和成本的显著降低。RPB采用逆流气-液洗涤，但使用离心力以增加气-液界面面积。
虽然系统10被图示为包括单个RPB(12)，但应注意，这种描述并不意图是限制性的。在一些实施方案中，两个(或更多个)RPB可以包含在系统内，例如串联。例如，在一些实施方案中，溶剂在吸收阶段之间被有利地冷却，并且气体和液体逆流通过两个或更多个RPB的系列。在一种示例性实施方案中，气体穿过RPB 1，然后穿过RPB 2，依此类推；并且液体在另一个方向上行进(例如，在包括两个RPB的实例中从2到1)，在之间进行热交换。这样的系统可以包括两个(或更多个)完全分离的RPB，或者可以包括在分离阶段中连接在同一轴上的RPB。
RPB及其特征通常是已知的，如例如在以下项中描述的：Ramshaw等人的美国专利第4,400,275号；Wolf等人的美国专利第8,679,232号；和Kotagiri等人的美国专利第9,987,589号；Dutra等人的美国专利申请公布第2016/0243495号和Mobley等人的美国专利申请公布第2020/0261846号；Wang等人,Ind.Eng.Chem.Res.2008,47,8840-8846；CortesGarcia等人,J.Chem.Tech.Biotech.2017,92(6),1136-1156；Chamchan等人,J.TaiwanInst.Chem.Eng.2017,73,20-26；以及Li等人,Chinese J.Chem.Eng.2009,17(3)，它们通过引用以其整体并入本文。根据本公开内容采用的RPB的确切类型和配置没有被特别限制。例如，液体和待处理的气体相对于彼此的流动方向可以变化。在一些实施方案中，RPB可以是横流RPB；在一些实施方案中，RPB可以是逆流RPB。其他配置诸如折流式旋转床(rotatingzigzag bed)(RZB)也是已知的，并且可以在本公开内容的上下文中作为RPB使用。转子设计可以广泛地变化，例如，包括不同数量的移动盘和/或静止盘。先前已经报道的特定的RPB设计的非限制性实例包括例如多级喷雾旋转填充床、具有波形盘填料的RPB(RPB with wave-form disk packing)、螺旋旋转吸收器、具有分层填料的RPB(RPB with split packing)、折流式旋转床(RZB)、两级逆流旋转填充床、叶片填料旋转填充床、逆流同心环旋转床和横流同心挡板旋转床，如在Cortes Garcia等人,J.Chem.Tech.Biotech 2017,92(6),1136-1156中概述的，该文献通过引用以其整体并入本文。在一些实施方案中，RPB可以包括一个或更多个中间冷却器(例如，应用于RPB阶段之间的溶剂)或一个或更多个加热/冷却系统，它们可以是固定的和/或旋转的并且具有不同的设计。在特定的实施方案中，可以采用具有如在Mobley等人的美国专利申请公布第2020/0261846号中描述的此类加热/冷却系统的RPB，该文献通过引用以其整体并入本文。
如本文描述的，在RPB内使用非水性液体溶剂导致先前没有认识到的特别有利的结果。根据本公开内容，提供了一种RPB，其中通过RPB的液体入口引入非水性液体溶剂(参见图2)；待处理的气体流通过所示的RPB的气体入口进入，并且待处理的气体流内的酸性气体组分可以与RPB内的非水性液体溶剂相互作用。非水性液体溶剂与酸性气体组分反应，从气体流的剩余组分中捕获它们。捕获可以基于化学吸收和/或物理吸收。非水性液体溶剂在基于RPB的系统内有利地提供独特的益处，例如，因为非水性液体溶剂的膜厚度限制了本体溶剂中的传质速率。在优选的实施方案中，非水性液体溶剂是可再生的，即捕获的酸性组分可以从溶剂中释放出来，并且然后溶剂可以被再使用以从另外的气体流中分离另外的酸性组分。
在根据本公开内容的RPB内采用的溶剂可以变化，然而为了本公开内容的目的，溶剂包括非水性液体溶剂(或基本上由非水性液体溶剂组成)。非水性液体溶剂被理解为除水之外的液体，并且通常是可与少量水(0至约20重量/重量％，0至约10重量/重量％，以及优选地小于约10重量/重量％的水)混溶的有机溶剂系统。非水性液体溶剂包括质子溶剂和非质子溶剂两者及其组合。在用于从废气或其他充满水的气体流中移除CO2的碳捕获单元和非水性液体溶剂系统的操作期间，通常期望积累一定量的水(例如，约2％-8％的水)，而不会对系统的操作有任何干扰，并且系统的能量和捕获效率的性能变化很小。
在一些实施方案中，溶剂包含按重量计约18％或更少的水、按重量计约15％或更少的水、按重量计约12％或更少的水、按重量计约10％或更少的水或按重量计小于10％的水(例如，约0％的水至约18％的水、约0％的水至约12％的水、或约0％的水至约8％的水、约0％的水至约9％的水、约0％的水至约10％的水)。在用于气体处理的工艺的实际条件下，溶剂中的水含量不能为0，因为在入口气体流中有水进入系统并且在经处理的气体的情况下，水不能全部被移除，直到在溶剂中积累足够的水以能够平衡进入和流出吸收器的水。经处理的气体不会被水饱和，并且经处理的气体的相对湿度随着溶剂中水的浓度而变化。因此，在气体的温度和相对湿度与溶剂中的水处于平衡时，溶剂中必须存在最少量的水，才能在经处理的气体中留下足够高量的水。因此，对于不同的气体流和工艺条件(例如，约2％的水至约18％的水、约2％的水至约15％的水、或约2％的水至约12％的水、约2％的水至约10％的水、约2％的水至约9％的水、或约2％的水至约8％的水)，溶剂中的水可以在不同的范围内操作。
各种类型的合适的非水性液体溶剂，例如用于从气体流中移除酸性气体的非水性液体溶剂，例如在以下文献中描述：Lail等人的国际专利申请公布第WO2012/031274号；Lail等人的国际专利申请公布第WO2012/031281号；Lail等人的国际专利申请公布第WO2013/130997号；Coleman等人的国际专利申请公布第WO2015/123490号；Heldebrant等人的美国专利申请公布第2009/0136402号和第2009/0220397号；Rayer Rabindran等人的美国专利申请公布第US2020/0398216号；2020年12月9日提交的国际PCT专利申请第PCT/US2020/063892号；Lail等人,Energy Procedia 2014,63,580-594；Mobley等人,Ind.Eng.Chem.Res.2017,56(41),11958-11966；Rayer等人,Chem.Eng.J.2018,348,514-525；Zhou等人,RTI International and SINTEF:Trondheim,Norway,2017(在https://www.sintef.no/globalassets/project/tccs-9/presentasjoner/a3/11---tccs-9---2017-06-12-nas-pr esentation-zhou.pdf可获得)；以及Heldebrant等人,Chem.Rev.2017,117(114),9594-9624，这些文献全部通过引用以其整体并入本文。
在某些实施方案中，非水性液体溶剂包括化学吸收剂和物理吸收剂(例如稀释剂)的混合物，尽管不限于此(并且因此，在一些实施方案中，可以仅包括一种或更多种物理吸收剂或仅包括一种或更多种化学吸收剂)。因此，在一些实施方案中，非水性液体溶剂包括相对于非水性液体溶剂的总重量的从约1％至100％(纯)的化学吸收组分。在提供化学吸收组分和物理吸收组分的混合物的情况下，在一些实施方案中，这些组分可以按重量百分比计以大致相等的比例存在。
在一些实施方案中，非水性液体溶剂包含相对于非水性液体溶剂的总重量的高达约70重量％、约75重量％、约80重量％或约90重量％(例如，约5重量％至约90重量％、约5重量％至约80重量％、约5重量％至约70重量％、约5重量％至约60重量％、约5重量％至约50重量％、约5重量％至约40重量％、约5重量％至约30重量％、约5重量％至约20重量％、约5重量％至约10重量％、约10重量％至约90重量％、约10重量％至约80重量％、约10重量％至约70重量％、约10重量％至约60重量％、约10重量％至约50重量％、约10重量％至约40重量％、约10重量％至约30重量％、约10重量％至约20重量％、约20重量％至约90重量％、约20重量％至约80重量％、约20重量％至约70重量％、约20重量％至约60重量％、约20重量％至约50重量％、约20重量％至约40重量％、约30重量％至约90重量％、约30重量％至约80重量％、约30重量％至约70重量％、约30重量％至约50重量％、约30重量％至约40重量％、约40重量％至约90重量％、约40重量％至约80重量％、约40重量％至约70重量％、约40重量％至约60重量％、约40重量％至约50重量％、约50重量％至约90重量％、约50重量％至约80重量％、约50重量％至约70重量％或约50重量％至约60重量％)的化学吸收组分。在某些实施方案中，非水性液体溶剂包含少于70重量％的化学吸收组分。在一些实施方案中，非水性液体溶剂包含约30％至约70％的化学吸收组分。在一些这样的实施方案中，非水性液体溶剂的剩余部分可以包括例如物理吸收组分，并且在一些实施方案中，相对于非水性液体溶剂的总重量，非水性液体溶剂的剩余部分可以包括少量的水(例如，按重量计约10％或更少，按重量计约8％或更少，或按重量计约6％或更少)。下文概述了可以用作如本文提供的非水性液体溶剂的组分的物理吸收剂和化学吸收剂的类型的实例。
非水性液体溶剂可以包括化学吸收剂，该化学吸收剂包含一种或更多种含氮碱。在一些实施方案中，含氮碱可以具有约8至约15、约8至约14、约8至约13、约8至约12、约8至约11或约8至约10的pKa。在某些实施方案中，含氮碱组分具有小于约11的pKa。
在特定的实施方案中，非水性液体溶剂包括化学吸收剂，该化学吸收剂包括一种或更多种胺，例如伯胺和/或仲胺。伯胺被理解为式NH2R的化合物，其中R可以是含碳基团，包括但不限于C1-C20烷基。仲胺被理解为式NHR1R2的化合物，其中R1和R2独立地是含碳基团，包括但不限于C1-C20烷基。R、R1和R2上的一个或更多个氢可以任选地被一个或更多个取代基取代。例如，R、R1或R2上的一个或更多个氢可以被以下项取代：任选地被取代的C1-C6烷基；任选地被取代的C1-C6烷氧基；任选地被取代的C2-C10烯基；任选地被取代的C2-C10炔基；任选地被取代的烷基芳基；任选地被取代的芳基烷基；任选地被取代的芳氧基；任选地被取代的杂芳基；任选地被取代的杂环；卤素(例如，Cl、F、Br和I)；羟基；卤代烷基(例如，CF3、2-Br-乙基、CH2F、CH2CF3和CF2CF3)；卤代芳基；卤代烷基芳基；卤代苄基；任选地被取代的氨基；任选地被取代的烷基氨基；任选地被取代的芳基氨基；任选地被取代的酰基；CN；NO2；N3；CH2OH；CONH2；C1-C3烷硫基；硫酸盐/酯；磺酸；磺酸酯(例如甲磺酰基)；膦酸；磷酸盐/酯；膦酸盐/酯；单磷酸酯、二磷酸酯或三磷酸酯；三苯甲基或单甲氧基三苯甲基；CF3S；CF3SO2；或甲硅烷基(例如，三甲基甲硅烷基、二甲基叔丁基甲硅烷基和二苯基甲基甲硅烷基)。胺可以是亲核的或非亲核的。
在某些实施方案中，伯胺或仲胺可以选自用含氟烷基芳族基团官能化的胺。在具体的实施方案中，胺可以选自由以下项组成的组：2-氟苯乙胺、3-氟苯乙胺、4-氟苯乙胺、2-氟-N-甲基苄胺，3-氟-N-甲基苄胺和4-氟-N-甲基苄胺、2-氟苄胺、3-氟苄胺、4-氟苄胺、4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,11,11-十七氟十一烷基胺、2,3-二氟苄胺、2,4-二氟苄胺、2,6-二氟苄胺、3,4-二氟苄胺、3,5-二氟苄胺、2-三氟甲基苄胺、3-三氟甲基苄胺、4-三氟甲基苄胺、D-4-氟-α-甲基苄胺和L-4-氟-α-甲基苄胺。在一些实施方案中，未氟化的伯胺或仲胺被用作化学吸收剂，例如，包括但不限于N-甲基苄胺(MBZA)、N-甲基萘胺、N-甲基-1-萘甲基胺、1-(1-萘基)乙胺及其组合。
在一些实施方案中，伯胺或仲胺可以包括环胺、二胺、伯醇胺和/或仲醇胺。环胺是其中氮原子形成环结构的一部分的胺，并且可以包括但不限于氮杂环丙烷、氮杂环丁烷、吡咯烷、哌啶、哌嗪、吡啶和嘧啶。环胺可以包括一个或更多个环，并且可以任选地被如上文列出的一个或更多个取代基取代。在一些实施方案中，胺可以是二胺。在一些实施方案中，胺可以是伯醇胺或仲醇胺。醇胺也称为氨基醇，并且含有醇基团和胺基团两者。醇胺的胺基团可以是如本文公开的任何类型的胺。在某些实施方案中，一些胺(例如环胺)用含氟基团官能化。
某些胺包括但不限于1,4-二氮杂双环-十一烷-7-烯(“DBU”)；1,4-二氮杂双环-2,2,2-辛烷；哌嗪(“PZ”)；三乙胺(“TEA”)；1,1,3,3-四甲基胍(“TMG”)；1,8-二氮杂双环十一烷-7-烯；单乙醇胺(“MEA”)；二乙胺(“DEA”)；乙二胺(“EDA”)；1,3-二氨基丙烷；1,4-二氨基丁烷；六亚甲基二胺；1,7-二氨基庚烷；二乙醇胺；二异丙胺(“DIPA”)；4-氨基吡啶；戊胺；己胺；庚胺；辛胺；壬胺；癸胺；叔辛胺；二辛胺；二己胺；2-乙基-1-己胺；2-氟苯乙胺；3-氟苯乙胺；3,5-二氟苄胺；3-氟-N-甲基苄胺；4-氟-N-甲基苄胺；咪唑；苯并咪唑；N-甲基咪唑；1-三氟乙酰基咪唑；1,2,3-三唑；1,2,4-三唑；及其混合物。
在特定的实施方案中，非水性液体溶剂包括化学吸收剂，该化学吸收剂包括一种或更多种脒、胍或叔胺(tertiary amine)，其中每一种可以任选地被取代(例如，氟化)。
胍被理解为具有结构RNC(NR1R2)2的化合物，其中R、R1和R2独立地为H或含碳基团，包括但不限于C1-C20烷基。R、R1和/或R2上的一个或更多个氢原子可以任选地被一个或更多个取代基取代。例如，R、R1、R2和R3上的一个或更多个氢可以被以下项取代：任选地被取代的C1-C6烷基；任选地被取代的C1-C6烷氧基；任选地被取代的C2-C10烯基；任选地被取代的C2-C10炔基；任选地被取代的烷基芳基；任选地被取代的芳基烷基；任选地被取代的芳氧基；任选地被取代的杂芳基；任选地被取代的杂环；卤素(例如，Cl、F、Br和I)；羟基；卤代烷基(例如，CF3、2-Br-乙基、CH2F、CH2CF3和CF2CF3)；卤代芳基；卤代烷基芳基；卤代苄基；任选地被取代的氨基；任选地被取代的烷基氨基；任选地被取代的芳基氨基；任选地被取代的酰基；CN；NO2；N3；CH2OH；CONH2；C1-C3烷硫基；硫酸盐/酯；磺酸；磺酸酯(例如甲磺酰基)；膦酸；磷酸盐/酯；膦酸盐/酯；单磷酸酯、二磷酸酯或三磷酸酯；三苯甲基或单甲氧基三苯甲基；CF3S；CF3SO2；或甲硅烷基(例如，三甲基甲硅烷基、二甲基叔丁基甲硅烷基和二苯基甲基甲硅烷基)。
脒包括但不限于甲脒(carboxamidine)/甲脒(carboximidamide)，其被理解为具有结构RC(＝NH)NR1R2的化合物，其中R、R1和R2独立地为H或含碳基团，包括但不限于C1-C20烷基。R、R1和/或R2上的一个或更多个氢原子可以任选地被一个或更多个取代基取代。例如，R、R1、R2和R3上的一个或更多个氢可以被以下项取代：任选地被取代的C1-C6烷基；任选地被取代的C1-C6烷氧基；任选地被取代的C2-C10烯基；任选地被取代的C2-C10炔基；任选地被取代的烷基芳基；任选地被取代的芳基烷基；任选地被取代的芳氧基；任选地被取代的杂芳基；任选地被取代的杂环；卤素(例如，Cl、F、Br和I)；羟基；卤代烷基(例如，CF3、2-Br-乙基、CH2F、CH2CF3和CF2CF3)；卤代芳基；卤代烷基芳基；卤代苄基；任选地被取代的氨基；任选地被取代的烷基氨基；任选地被取代的芳基氨基；任选地被取代的酰基；CN；NO2；N3；CH2OH；CONH2；C1-C3烷硫基；硫酸盐/酯；磺酸；磺酸酯(例如甲磺酰基)；膦酸；磷酸盐/酯；膦酸盐/酯；单磷酸酯、二磷酸酯或三磷酸酯；三苯甲基或单甲氧基三苯甲基；CF3S；CF3SO2；或甲硅烷基(例如，三甲基甲硅烷基、二甲基叔丁基甲硅烷基和二苯基甲基甲硅烷基)。
示例性的胍和脒包括但不限于1,1,3,3-四甲基胍(“TMG”)；N-叔丁基-1,1,3,3-四甲基胍、二苯基胍、二甲苯基胍、1,8-二氮杂双环(5.4.0)十一烷-7-烯、1,1,3-三甲基-3-(2,2,3,3-四氟丙基)胍；1,1,3-三甲基-3-(2,2,3,3,3-五氟丙基)胍；1,3-二甲基-1,3-双(2,2,2-三氟乙基)胍；1,3-双(2,2,3,3-四氟丙基)胍；1,3-双(4-氟苯基)胍；1,3-双(3-氟苯基)胍；1,3-双(2-氟苯基)胍；2-(2,2,2-三氟乙基)-1,4,5,6,-四氢嘧啶；2-(2,2,3,3-四氟丙基)-1,4,5,6,-四氢嘧啶；3,3,4,4-四氟-N,N-二甲基丁脒；3,3,3-三氟-N,N-二甲基丙脒；及其混合物。
叔胺被理解为具有式NR1R2R3的化合物，其中R1、R2和R3独立地为含碳基团，包括但不限于C1-C20烷基。R、R1、R2和R3上的一个或更多个氢可以任选地被一个或更多个取代基取代。例如，R、R1、R2和R3上的一个或更多个氢可以被以下项取代：任选地被取代的C1-C6烷基；任选地被取代的C1-C6烷氧基；任选地被取代的C2-C10烯基；任选地被取代的C2-C10炔基；任选地被取代的烷基芳基；任选地被取代的芳基烷基；任选地被取代的芳氧基；任选地被取代的杂芳基；任选地被取代的杂环；卤素(例如，Cl、F、Br和I)；羟基；卤代烷基(例如，CF3、2-Br-乙基、CH2F、CH2CF3和CF2CF3)；卤代芳基；卤代烷基芳基；卤代苄基；任选地被取代的氨基；任选地被取代的烷基氨基；任选地被取代的芳基氨基；任选地被取代的酰基；CN；NO2；N3；CH2OH；CONH2；C1-C3烷硫基；硫酸盐/酯；磺酸；磺酸酯(例如甲磺酰基)；膦酸；磷酸盐/酯；膦酸盐/酯；单磷酸酯、二磷酸酯或三磷酸酯；三苯甲基或单甲氧基三苯甲基；CF3S；CF3SO2；或甲硅烷基(例如，三甲基甲硅烷基、二甲基叔丁基甲硅烷基和二苯基甲基甲硅烷基)。
在一些实施方案中，非水性液体溶剂包括物理吸收剂，该物理吸收剂包括非水性稀释剂。稀释剂通常不参与与从气体流中移除的酸性气体(例如CO2)的反应。在某些实施方案中，选择稀释剂使得其与水具有低混溶性。一些非水性稀释剂可以是相对酸性的(具有大于水的酸度的酸度，优选地基本上大于水的酸度，例如具有小于约15、小于约14、小于约13、小于约12、小于约11或小于约10，诸如约6至约15、约7至约15、约8至约15、约9至约15、约6至约14、约7至约14、约8至约13、约9至约13、约6至约12、约7至约12、约8至约12、约9至约12、约6至约11、约7至约11、约8至约11、约9至约11、约6至约10、约7至约10或约8至约10的pKa)。一些非水性稀释剂不是相对酸性的组分，并且不具有落入上文提及的范围内的pKa。例如，在某些实施方案中，非水性稀释剂可以具有大于约15的pKa。
根据本公开内容可以使用的相对酸性的稀释剂的示例性类别包括但不限于以下项：氟化醇类；任选地被取代的酚类；以及氮杂环类。根据本发明的有用的氟化醇类可以包括任何具有式R-OH的化合物，其中R为烷基基团(例如，C1-C10烷基、C1-C8烷基、C1-C6烷基、C2-C10烷基、C2-C8烷基、C2-C6烷基、C3-C10烷基、C3-C8烷基或C3-C6烷基)，并且其中烷基基团的一个或更多个氢原子被氟取代。在一些实施方案中，被氟取代的氢原子的数量可以是如可能被认为是有用的两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或甚至更多个。在另外的实施方案中，烷基基团的一个或更多个氢原子可以任选地被一个或更多个其他取代基取代，包括但不限于C1-C6烷基、C1-C6烷氧基和卤素取代基。在本公开内容的上下文中有用的任选地被取代的酚类被理解为其中在苯环上的一个或更多个氢原子可以被取代基取代的酚类。苯环上一个或更多个氢原子的非限制性、示例性取代基团包括C1-C6烷基、C1-C6烷氧基和卤素。氮杂环类被理解为任何环状化合物，该环状化合物在环结构中包含至少一个氮原子(包括但不限于咪唑、吡唑和三唑)，并且任选地被取代，使得环结构上的一个或更多个氢原子可以被取代基取代。环上一个或更多个氢原子的非限制性、示例性取代基团包括C1-C6烷基、C1-C6烷氧基和卤素取代基。
在一些具体的实施方案中，稀释剂(例如，相对酸性的稀释剂)可以选自由以下项组成的组：2,2,3,3,4,4,5,5-八氟戊醇(“OFP”)；2,2,3,3-四氟丙醇(“TFP”)；2,2,3,3,3-五氟丙醇(“PFP”)；2,2,3,3,4,4-六氟丁醇(“HFB”)；2,2,2-三氟乙醇(“TFE”)；九氟-1-己醇；4,4,5,5,6,6,7,7,7-九氟庚醇；1,1,3,3-六氟-2-苯基-2-丙醇、4-甲氧基苯酚(“4-MeOPh”)；4-乙氧基苯酚(“4-EtOPh”)；2-乙氧基苯酚；4-丙氧基苯酚；咪唑；苯并咪唑；N-甲基咪唑；1-三氟乙酰基咪唑；1,2,3-三唑；1,2,4-三唑；2-三氟甲基吡唑；3,5-双三氟甲基吡唑；3-三氟甲基吡唑；及其混合物。
在某些实施方案中，稀释剂通常可以选自由以下项组成的组：醇、酮、脂族烃、芳族烃、氮杂环、氧杂环、脂族醚、环醚、酯和酰胺及其混合物(所有这些均可以被任选地取代)。在一些实施方案中，稀释剂可以选自由以下项组成的组：氟化醇、氟化酮、氟化脂族烃、氟化芳族烃、氟化氮杂环、氟化氧杂环、氟化脂族醚、氟化环醚、氟化酯和氟化酰胺及其混合物。在具体实施方案中，稀释剂可以选自由以下项组成的组：甲苯、对二甲苯、1-甲基萘、2,4,6-二甲基氨基苯酚、苯甲醇、2,6-二甲基环己酮、3,5-二甲基砒啶、环己酮、苯胺、吡啶、2-氟乙酰苯(2-fluoroacetylphenone)、1-氟癸烷、2,4-二氟二苯甲酮、2-氟-3-三氟甲基苯胺、2-氟苯胺、4-氟苯胺、3-三氟甲基苯乙酮、2-三氟甲基苯乙酮、双(2,2,2-三氟乙基)甲基膦酸酯、4-氟-3-(三氟甲基)苯甲醛及其混合物。
在一些实施方案中，非水性液体溶剂可以呈离子液体的形式，其可以物理吸附或化学吸收酸性气体组分，例如，二氧化碳。特别地，在本公开内容的某些实施方案中，对于在流动的常规柱状填料中使用为太粘的疏水粘性离子液体可以用作非水性液体溶剂。
在一种特定的实施方案中，用于在所公开的设备、系统和方法中使用的非水性液体溶剂包括胺(例如疏水胺)和被取代的或未被取代的烷基醚的混合物。例如，非水性液体溶剂可以包括仲胺(例如疏水仲胺)和被取代的或未被取代的烷基醚的混合物，所述被取代的或未被取代的烷基醚诸如聚二醇二丁基醚(例如二乙二醇二丁基醚、三乙二醇二丁基醚、四乙二醇二丁基醚或其任何组合)。在一些实施方案中，非水性液体溶剂可以采用伯胺和/或仲胺(例如疏水伯胺和/或疏水仲胺)和氟化醇(例如OFP、TFP、PFP或HFB)的混合物。在一些实施方案中，非水性液体溶剂可以采用伯胺和/或仲胺(例如，疏水伯胺和/或疏水仲胺)和脂族烃的混合物。在一些实施方案中，非水性液体溶剂可以采用任选地被取代的脒或胍和被取代的或未被取代的烷基醚的混合物。在各种实施方案中，本文也意图包括未具体组合提及的上文概述的组分的其他组合。
在一些实施方案中，本文描述的非水性液体溶剂基本上不与水混溶，在25℃具有以下溶解度：小于或等于约25g溶剂/100mL水、小于约20g溶剂/100mL水、小于或等于约10g溶剂/100mL水、小于或等于约9g溶剂/100mL水、小于或等于约8g溶剂/100mL水、小于或等于约7g溶剂/100mL水、小于或等于约6g溶剂/100mL水、小于或等于约5g溶剂/100mL水、小于或等于约4g溶剂/100mL水、小于或等于约3g溶剂/100mL水、小于或等于约2g溶剂/100mL水、小于或等于约1g溶剂/100mL水、小于或等于约0.5g溶剂/100mL水、小于或等于约0.1g溶剂/100mL水或者小于或等于约0.01g溶剂/100mL水。在一些实施方案中，溶剂系统与水完全不混溶。在一些实施方案中，具有低的水混溶性的溶剂系统可以显示以下属性中的一种或更多种：它们可能需要较少的能量用于再生；可能具有高CO2负载容量；可能能够耐受气体流中的水；和/或可能能够与水分离而没有大的能量损失。应注意，尽管与水具有低混溶性的溶剂系统组分是优选的，但是本公开内容还包括其中溶剂系统的一种或更多种组分与水至少部分混溶的溶剂系统。
在一些实施方案中，本文描述的非水性液体溶剂中的任一种均耐受水的存在。在某些实施方案中，溶剂系统耐受按体积计高达或等于约30％的水。例如，在一些实施方案中，溶剂系统耐受按体积计高达或等于约25％的水、按体积计高达或等于约20％的水、按体积计高达或等于约15％的水、按体积计高达或等于约10％的水、按体积计高达或等于约5％的水、按体积计高达或等于约2％的水、或按体积计高达或等于约1％的水。在一些实施方案中，耐受水的存在意味着溶剂性能在高达所指示的水的体积时存在很少退化到没有退化。在一些实施方案中，非水性液体溶剂在高达所指示的水的体积时保持用于CO2负载的初始容量或接近用于CO2负载的初始容量。在一些实施方案中，非水性液体溶剂具有小于3.5焦耳/克℃的比热容。
在一些实施方案中，非水性液体溶剂还可以包括一种或更多种另外的组分。可以添加另外的组分，例如，以增加捕获的CO2产物在溶剂系统中的溶解度，并且从而避免沉淀物的形成。然而，在其他实施方案中，固体形成可能是期望的，并且这样的形成可以通过改变一种或更多种溶剂系统组分的浓度来增强。
根据所公开的设备、系统和方法处理的气体流可以变化，但通常是在进一步使用和/或释放到大气之前期望对其进行处理的废气。通过所公开的设备、系统和/或方法处理的气体流的来源没有特别限制，并且通常可以是期望进行处理以从其中移除一种或更多种组分的任何气体流(例如，用溶剂处理以“洗涤”气体流中的一种或更多种不期望的组分)。在一种实施方案中，废气是燃烧后的气体流(本文中也被称为“烟道气体”流)，例如源自化石燃料诸如煤、石油或天然气的燃烧的燃烧后的气体流。烟道气体来源可以是例如来自发电机组或工业场所，包括煤、天然气、沼气和生物质燃烧、水泥、铁、钢和垃圾焚烧发电厂操作。通常已知的是，这样的气体流包含酸性气体组分，诸如二氧化碳(CO2)并且由于环境影响和对这样的酸性气体的排放的日益增加的规定，通常对这种燃烧后的气体流进行处理以降低其酸性气体含量。应理解，本文提供的设备、系统和方法可以相应地适于移除适用于气体流的特定来源的任何一种或更多种污染物，只要采用本文概述的一般原理(例如，气体流与RPB内的非水性液体溶剂接触，用于从其中移除一种或更多种组分)。
还可以控制RPB内的温度和压力。RPB可以在适用于所公开的设备、系统和方法的温度和压力的范围内操作。例如，在一种实施方案中，吸收器的温度可以保持在约20℃至约70℃，例如约30℃至约60℃或约40℃至约50℃，并且RPB可以在使用期间保持在单一温度或者可以变化。因此，在一些实施方案中，RPB配备有加热和/或冷却系统，如上文提及的，使得操作温度可以根据需要进行调节。RPB通常在大气压操作，但是在一些实施方案中，RPB可以在大于大气压的压力操作。此外，操作RPB的转速可以变化，并且可以被修改以从气体流中获得合适的气体组分移除。在一些实施方案中，液体流量和气体流量可以变化。液体与气体的质量比率可以是约0.5kg/kg至约10kg/kg或约0.5kg/kg至约8kg/kg。液体与气体的质量比率的具体实例包括但不限于约0.83、约1.67、约2.5、约3.33、约0.49、约0.98、约1.46和约1.95的比率，以及它们之间的所有范围。
在CO2捕获的工艺中的任何阶段，非水性液体溶剂可以再生。随着在RPB内处理的气体流的量增加，单元内溶剂的组成可以变化。特别地，当非水性液体溶剂与气体流中的酸性气体组分反应时，形成反应产物。此外，烟道气体通常含有一些水含量；因此，在一些实施方案中，水可以积聚在RPB内。此外，在一些实施方案中，气体的其他组分与溶剂系统之间的反应可以导致产生额外的物质。
气体处理系统包括任选的再生系统14以经由单独的CO2气体流释放捕获的CO2，并且由此使溶剂系统再生。再生系统被配置为从RPB接收“富”溶剂的进料，并且一旦CO2从“富”溶剂中分离出来后，将再生的溶剂返回至RPB。再生系统可以简单地包括具有加热单元的室以及释放阀，所述加热单元将溶剂系统加热到足以释放气体的温度，所述释放阀允许CO2从再生系统中移除。在一些实施方案中，它可以是蒸馏塔；在另外的实施方案中，再生系统可以包括另外的RPB。在其中再生系统包括RPB的实施方案中，系统通常配备有在溶剂被引入到再生RPB之前施加于溶剂的加热器，或者系统设置有再沸器配置(例如，其中蒸气在再沸器中产生并且是再生RPB的气体入口)。如本领域技术人员将认识到的，用于再生的RPB的操作温度通常明显高于上文关于吸收器RPB所提及的温度。
再生器可以任选地连接到一个或更多个部件。例如，再生器优选地被配置为具有用于将溶剂输送到单元的设备(means)，其中水可以被倾析、离心或以其他方式从系统中移除。释放的CO2可以从系统中分离/取出，并输出以储存或用于其他预定的用途。再生的溶剂系统再次准备好从气体流中吸收CO2并且可以被引导回至RPB。将理解，与旋转填充床设备或多个这样的设备的组件相关联的液体流和/或气体流中的任一种可以在热交换器中用来自任何合适来源的加热流体或冷却流体来加热或冷却。
在一些实施方案中，RPB内溶剂的性能可以通过其总体积气相传质系数(KGa)来描述，KGa是RPB中溶剂性能的代表性度量。关于KGa的实验测定和计算的另外的细节在下文的实施例中提供。在一些实施方案中，如本文提供的RPB内的非水性液体溶剂的性能，基于相应的KGa值，明显大于先前在RPB中研究的其他溶剂的性能。例如，在一些实施方案中，所公开的系统的KGa为约4或更大、约4.2或更大、约4.25或更大、约4.3或更大、约4.4或更大、约4.5或更大或者约5或更大(例如，在约4至约7、约4.2至约7、约4.25至约7、约4.5至约7或者约5至约7的范围内)，例如对于高于0.45kg/kg的L/G比率，诸如对于0.45kg/kg至10kg/kg的L/G比率。
本公开内容包括RPB设备(例如，如图2中示意性图示的)、包括这样的RPB设备的气体处理系统(例如，如图1中示意性图示的)以及相关的使用方法。因此，本公开内容包括一种处理气体流以从其中移除酸性气体组分的方法，其中该方法的各种参数和特征可以修改为与上文提供的系统公开内容一致。
本文概述的装置、方法和系统提供了相比于已知的装置、方法和系统的各种优点。与用于酸性气体移除的已知的水性溶剂(例如，在相当条件下的单乙醇胺(MEA)的水性溶液)相比，本文描述的非水性液体溶剂在RPB中的用途独特且出人意料地提供了显著改善的酸性气体组分移除。特别地，如下文的实验部分中展示的，RPB中非水性液体溶剂的吸收动力学高于可比较的水性单乙醇胺(MEA)溶液的吸收动力学。这一发现是出乎意料的并且表明非水性液体溶剂特别适合用于RPB。在Rayer等人,Chem.Eng.J.2018,348,514-525(该文献通过引用以其整体并入本文)中，表明非水性液体溶剂具有比水性MEA低约一个数量级的动力学速率(参见Rayer等人的图11)。
本申请的图3示出了与以MBZA作为胺组分的两种溶剂相比，对于水性MEA所观察到的准一级反应速率常数。一种溶剂为水性(MBZA/H2O)，并且另一种为非水性液体溶剂，其中主要稀释剂为三乙二醇二丁醚和少量的水(<10wt％)。示出了非水性液体溶剂具有观察到的远低于MEA的准一级反应速率常数，但相同胺在水性溶剂中具有水性MEA约三倍快的反应速率常数。由于更高的比热和更高的水蒸气压会增加能量损失，因此需要水作为稀释剂来获得快速动力学，从而降低非水性液体溶剂的益处。据信，非水性液体溶剂的低电导率和膜厚度限制了本体溶剂中的传质速率。与常规的填充吸收器一样，RPB允许逆流气-液洗涤，但它们使用离心力来显著增加与薄膜的气-液界面面积，并且可以将过程从传质受限转变为动力学受限。下文的实验部分证明了非水性液体溶剂可以在RPB中以比水性MEA快得多的动力学速率反应，而无需水性稀释剂，这被认为是由RPB中的薄膜引起的。本公开内容的某些实施方案能够执行类似于(或优于)水性MEA溶液的高水平的CO2移除，并且也能够提供显著的成本效益，如在下文进一步详细描述的。
例如，通过在气体处理系统中采用基于非水性液体溶剂的RPB作为吸收器，与现有技术相比(例如，与包括常规的填充塔吸收器的系统相比)，吸收器的尺寸可以减小。在一些实施方案中，可以使用如本文提供的基于RPB吸收器的系统获得与常规的基于填充塔吸收器的系统相当(或更好)的酸性气体移除，其中RPB比常规填充塔小至少约5倍，比常规填充塔小至少约8倍，比常规填充塔小至少约10倍，比常规填充塔小至少约15倍或比常规填充塔小至少约20倍。通过减小吸收器的尺寸，可以获得酸性气体组分捕获系统的总空间占用面积(footprint)的相关减小。这样的优点对于在具有有限空间的物理限制的场所中的应用特别有利。
通过在气体处理系统中采用基于非水性液体溶剂的RPB作为吸收器，与现有技术相比，还可以降低各种成本。与常规的基于填充塔的吸收器相比的RPB的较小尺寸可以提供与常规的基于填充塔的吸收器的资本/设备成本(CAPEX)相比的资本/设备成本(CAPEX)的降低。例如，与常规的基于填充塔的吸收器相比，使用如本文提供的基于非水性液体溶剂的RPB可以提供吸收器CAPEX的超过90％的降低。基于非水性液体溶剂的RPB还可以提供降低的用于酸性气体移除的运营成本。基于吸收器CAPEX的超过90％的降低，与常规设备相比，在以275t-CO2/天规模使用非水性液体溶剂的情况下，系统的酸性气体捕获的总成本可以降低约25％。此外，基于模型估计，在含RPB的系统中使用非水性液体溶剂可以提供比与MEA相关的更低的再沸器负荷(例如，包括但不限于在处理水泥烟道气体的情况下)。
在某些实施方案中，使用本文提供的装置、方法和系统的类型可以带来下游优势。例如，如本文提供的与酸性气体捕获相关的降低的成本可以导致捕获的酸性气体适用于商业应用。因此，在一些实施方案中，所公开的方法还可以包括在如本文描述的处理之后分离捕获的酸性组分用于例如在提高油田开采、生产化学品以及采用酸性组分诸如CO2的各种其他工艺中使用。
对于本发明所属领域的技术人员而言，将会想到本发明的许多修改和其他实施方案，具有前述描述中给出的教导的益处。因此，应理解，本发明不限于所公开的具体实施方案，并且意图将修改和其他实施方案包括在所附权利要求的范围内。尽管本文中采用了特定术语，但它们仅用于一般的和描述性的意义，而非用于限制的目的。
实验
本公开内容的方面由以下的实施例更充分地说明，所述实施例是为了说明本发明的某些方面而阐述的，并且不被解释为对本发明进行限制。
提供了含有约50％-55％胺(MBZA)的非水性溶液(在本文中被称为“溶剂A”)，其余部分为聚乙二醇烷基醚稀释剂和水。溶剂A含有少于10重量％的水，并且不包括活化剂。使用包含旋转填充床的系统评估作为RPB内的溶剂的溶剂A，其中旋转填充床安装在垂直轴上(转子放置在有机玻璃管内，允许目视观察)。转子填料由电动机驱动，并且旋转干燥除雾器安装在运转的转子上方的同一轴上，以防止液滴跟随气体排出。在转子填料之前和之后安装两个CO2分析仪，以确定CO2回收率，并且傅立叶变换红外(FTIR)检测器被安装在出口，以便能够分析从系统到大气的排放。
将溶剂(溶剂A)在贫罐(lean tank)中预热至期望的温度(例如，40℃)，并且然后通过旋转轴进料。当待处理的气体轴向向上移动时，溶剂径向流动，并且溶剂最终被输送到接收罐。空气由电加热器加热，并由风扇供应到旋转填充床；CO2被直接引入到入口，与空气混合以产生“人造烟道气体”，其具有约1mol％的CO2浓度。
针对测试设置以下参数：
-液体流量(L)＝5kg/min、10kg/min、15kg/min和20kg/min
-气体流量(G)＝6kg/min和10kg/min
-初始CO2负载量(α)＝0.115mol-CO2/mol-胺
-转速ω＝820rpm；
-气体温度(T气体)＝40℃
-液体温度(T液体)＝40℃
-入口气体中的CO2≈1mol％
基于先前用煤烟道气体进行的CO2捕获测试，在RPB系统内测试溶剂A以评估CO2回收率，其中发现典型的贫负载量为约0.115mol/mol(其可以与MEA水性溶液的典型贫负载量相比(约0.2mol/mol))。在另一种横流RPB中的类似测试条件(入口气体中的CO2为1mol％且转速为900rpm，使用三种不同的溶剂)被报道于Lin和Chen,Chemical EngineeringResearch and Design 89(2011)1722-1729，该文献通过引用以其整体并入本文。为了比较溶剂A与文献中其他溶剂的实验性能，实验总体积气相传质系数(KGa)是RPB中溶剂性能的代表性度量。KGa在Lin和Chen中被定义为：
其中QG为气体的体积流量，ZB为横流RPB的轴向长度，并且Ri和Ro分别为横流RPB的内半径和外半径。Ci和Co为在入口气体流和出口气体流中CO2的浓度。图4中示出了使用这些不同溶剂的KGa随液体与气体的流量比率变化的比较(空心标记来自Lin和Chen，实心符号为溶剂A测试，空心圆圈为MEA，空心菱形为NaOH并且空心正方形为AMP)。还参见Lin和Chen,Chem.Eng.Res.Des.,89(9),2011年9月,第1722-1729页，该文献通过引用以其整体并入本文。从图4可以看出，溶剂A(0.115mol/mol)的实验KGa随L/G的增加呈对数增加，这与其他溶剂的趋势一致。溶剂A的KGa的趋势线为1.658ln(L/G)+5.905，其中R2为0.95。
在相似的操作条件下，发现溶剂A(0.115mol/mol)的KGa高于其他溶剂。当考虑到这些测试是在1vol％CO2进行时，该结果具有更高的显著性，这近似溶剂A在1kPa的分压的平衡富负载量(图5)，然而MEA的平衡富负载量为～0.45mol/mol。然而，在这样的情况下，溶剂A的应用仅需要移动的CO2负载量工作范围。约0.12mol CO2/mol胺的富负载量在1vol％时需要接近0mol CO2/mol胺的贫负载量，这在120℃再生的情况下是可能的。相比之下，0.115mol CO2/mol胺的起始CO2负载量所示出的高吸收速率表明溶剂A在接近气-液平衡时保持非常快的动力学，如图5所示。Lin和Chen不包括所测试的溶剂的CO2负载量，但可能它们是含有0mol/mol CO2负载量的新鲜溶剂。例如，在L/G比率为～2.5kg/kg的条件，溶剂A的KGa的平均增长比1mol/L MEA水性溶液高约500％(6.98相比于1.16 1/s——代表非常显著的增长)，如下文表1所示。非常高的KGa表明RPB中的非水性液体溶剂具有非常快的动力学，并且可以比水性MEA在小得多的RPB中有效地从气体流中移除酸性气体组分，从而显著降低设备的资本成本。
表1：在不同的液体和气体流量，溶剂A的实验总体积气相传质系数。
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Claims (23)
1.一种用于从气体流中移除一种或更多种酸性气体组分的设备，包括布置在可旋转轴上的旋转填充床(RPB)，所述RPB包括：
气体入口，流入物气体能够通过所述气体入口进入用于气-液接触；
气体出口，流出物气体能够在所述气-液接触之后通过所述气体出口离开；
液体入口，液体能够通过所述液体入口进入用于所述气-液接触；
液体出口，所述液体能够在所述气-液接触之后通过所述液体出口离开；以及
在所述液体入口和所述液体出口之间的导管，所述导管包括容纳在其中的用于所述气-液接触的非水性液体溶剂，
其中所述非水性液体溶剂包含按重量计约18％或更少的水。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂为用于从烟道气体流中移除酸性气体的溶剂。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂具有小于约25g水/100g所述非水性液体溶剂的与水的溶解度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包含按重量计约10％或更少的水。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包含按重量计约2％至约10％的水。
6.根据权利要求1所述的设备，其中对于高于0.45kg/kg的L/G比率，所述非水性液体溶剂具有约4或更大的kGa值。
7.根据权利要求1所述的设备，其中对于0.45kg/kg至8kg/kg的L/G比率，所述非水性液体溶剂具有约4至约8的kGa值。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包括物理吸收剂、化学吸收剂、或物理吸收剂和化学吸收剂两者。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包括一种或更多种疏水伯胺和/或一种或更多种疏水仲胺。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包含约40％至约80％的所述一种或更多种疏水伯胺和/或所述一种或更多种疏水仲胺。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包括一种或更多种稀释剂，所述稀释剂选自由以下项组成的组：任选地被取代的醇类、任选地被取代的酚类、任选地被取代的氮杂环类、任选地被取代的脂族烃类、任选地被取代的酮类、任选地被取代的脂族醚类、任选地被取代的环醚类、任选地被取代的氧杂环类、任选地被取代的酯类、任选地被取代的酰胺类及其混合物。
12.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包括疏水伯胺或疏水仲胺以及稀释剂，所述稀释剂包括任选地被取代的脂族醚。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述非水性液体溶剂包括离子液体。
14.根据权利要求1所述的设备，其中所述RPB配备有冷却机构。
15.根据权利要求1所述的设备，还包括第二RPB。
16.一种用于从气体流中移除一种或更多种酸性气体组分的系统，包括根据权利要求1-15中任一项所述的设备。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括与所述液体出口流体连通的再生器。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述再生器包括第二RPB。
19.一种用于处理气体流以从其中移除一种或更多种酸性气体组分的方法，包括将所述气体流传入根据权利要求1-15中任一项所述的设备或根据权利要求16-18中任一项所述的系统的所述气体入口。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述气体流为烟道气体流。
21.根据权利要求19或20所述的方法，其中所述一种或更多种酸性气体组分包括CO2。
22.根据权利要求19-21中任一项所述的方法，还包括将所述非水性液体溶剂再生以从其中移除所述酸性气体组分。
23.一种降低与被设计用于从气体流中捕获酸性气体组分的系统相关的资本和运营费用的方法，包括在所述系统内采用根据权利要求1-15中任一项所述的设备来代替常规的填充塔床吸收设备。
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