DE60114637T2 - System und verfahren zur kohlendioxidabsorption - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren und System zum Absorbieren von Kohlendioxid (CO2) aus einer bewohnbaren Umgebung. Genauer verwendet diese Erfindung ein CO2-Sorptionsmittel, das in einer Umgebung hoher oder niedriger Feuchtigkeit eine gleichermaßen gute Leistung erbringt.
  • Technischer Hintergrund
  • Es ist bekannt, dass es bei Menschen und anderen Säugetieren gesundheitliche Probleme verursacht, wenn sie für ausgedehntere Zeiträume Kohlendioxid-Partialdrücken ausgesetzt werden, die etwa 7,6 mm Hg (Millimeter Quecksilber, Partialdruck von etwa 1%) übersteigen. Als ein Ergebnis werden in geschlossenen Umgebungen wie denjenigen, die in Unterseebooten, Raumfahrzeugen oder Raumanzügen vorliegen, die Kohlendioxid-Partialdrücke typischerweise durch die Verwendung fester Kohlendioxid-Sorptionsmittel wie Natronkalk, Zeolith- und Kohlenstoff-Molekularsieben, festen Oxiden, Alkalimetall-carbonaten, Alkalimetall-hydroxiden, Aminen und Kombinationen der vorgenannten Sorptionsmittel, unterhalb etwa 1% gehalten.
  • Die vorgenannten CO2-Sorptionsmittel-Methoden sind empfindlich für die relative Feuchtigkeit der Umgebungen, in denen sie verwendet werden, und arbeiten im Allgemeinen bei höherer relativer Feuchtigkeit mit höherer Effizienz und bei niedrigerer relativer Feuchtigkeit mit niedrigerer Effizienz. Konventionelle CO2-Sorptionsmittel erfordern einen Atmosphären-Taupunkt, der etwa 2°C überschreitet. Es wäre höchst wünschenswert, ein CO2-Sorptionsmittel und ein Verfahren zum Absorbieren von CO2 aus Umgebungen, bei dem das Sorptionsmittel nicht für die relative Feuchte der Umgebungen, die desorbiert werden, empfindlich ist, bereitzustellen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft ein Kohlendioxid-Sorptionssystem und -Sorptionsverfahren, das die regenerierbare CO2-Sorptionskapazität des Sorptionsmittels um mehr als das Zweifache derjenigen der oben angegebenen CO2-Sorptionsmittel des Stands der Technik erhöht. Das in dem System und dem Verfahren dieser Erfindung verwendete regenerierbare CO2-Sorptionsmittel ist auch nicht empfindlich für die relative Feuchtigkeit in der Atmosphäre der geschlossenen Umgebung. Das Sorptionsmittel ist ein regenerierbares Amin-Sorptionsmittel hoher Kapazität, das kontinuierlich CO2 aus der Atmosphäre in geschlossenen Umgebungen entfernt. Das Sorptionsmittel besteht aus einem molekularen Gebilde, das vorwiegend sekundäre Amine und eine oder mehrere funktionelle Nitril-Gruppen enthält. Ein bevorzugtes Sorptionsmittel ist ein Reaktionsprodukt von Tetraethylenpentamin (TEPA) und Acrylnitril (AN). AN hat die folgende molekulare Struktur: H2C=CHC=N. Die Reaktion von TEPA mit AN wandelt die primären Amine von TEPA im Wesentlichen in sekundäre Amine um. Diese Umwandlung erhöht die regenerierbaren zyklischen CO2-Sorptionskapazitäten um das mehr als 2,5-fache und verringert die Amin-Flüchtigkeit signifikant auf ein im Wesentlichen unmessbares Niveau. Ein Reaktionsprodukt von TEPA und AN, das wir hierin als TEPAN bezeichnen, ist ein Reaktionsprodukt, das sich aus der Vereinigung von 1,0 mol TEPA und 3 mol AN ergibt, wobei eine verzweigte azyklische Form von TEPAN gebildet wird, die unten gezeigt ist.
  • Figure 00030001
  • Ein anderes Reaktionsprodukt von TEPA und AN ist eine Verbindung, die sich aus der Vereinigung von 1,0 mol TEPA und 2 mol AN ergibt, wobei eine unverzweigte azyklische Form (unten gezeigt) gebildet wird.
  • Figure 00030002
  • Die Reaktion von TEPA mit 1 bis näherungsweise 3 mol und AN, die entweder verzweigtkettige oder geradkettige zyklische und nicht-zyklische Reaktionsprodukte ergibt, die im Allgemeinen als TEPAN bezeichnet werden. Es wird festgestellt, dass TEPA mehrere azyklische und zyklische Amin-Bestandteile enthält, wobei es insgesamt näherungsweise 40% primäre, 45% sekundäre und 15% tertiäre Amine gibt. Die azyklischen und zyklischen Amingruppen in TEPA sind gehaltsmäßig näherungsweise gleich. Es wurde festgestellt, dass, wenn ein mol TEPA und 2,3 mol AN zur Reaktion gebracht werden, das AN-Reagens bevorzugt mit den primären Aminen in TEPA reagiert, um das Verhältnis von sekundären Aminen zu primären Aminen von einem Verhältnis von näherungsweise 1/1 auf ein Verhältnis von näherungsweise 10/1 wesentlich zu erhöhen. So enthält die sich ergebende Verbindung von TEPAN-Molekülen näherungsweise 8% primäre Amingruppen, 78% sekundäre Amingruppen und 14% tertiäre Amingruppen. Daher besteht das aus 1 mol TEPA und 2,3 mol AN gebildete TEPAN vorwiegend aus funktionellen sekundären Amingruppen und funktionellen Nitril-Gruppen in einem Verhältnis von etwa 1,5/2,0 (Amin/Nitril).
  • Das TEPAN-Sorptionsmittel wird auf eine polymere Trägerstruktur aufgebracht. Die polymeren Trägerstrukturen, die Acrylester enthalten, sind besonders wünschenswert. Die Stabilität des vorgenannten Amin-Sorptionsmittels ermöglicht seine Langzeit-Verwendung bei der Entfernung von CO2 aus geschlossenen Umgebungen. Wir haben gezeigt, dass die TEPAN-Sorptionsmittel dieser Erfindung in der Lage sind, CO2 für Perioden, die sich in der Dauer einem Jahr nähern, ohne signifikante Verschlechterung und Leistungsverlust zu entfernen. Sorptionsmittelbetten, die gemäß dieser Erfindung verwendet werden, zeigen während des Gebrauchs im Wesentlichen keine Freisetzung von Aminen oder ihrer Abbauprodukte. Die Fähigkeit des Sorptionsmittelbetts, sowohl unter Bedingungen hoher als auch niedriger Feuchtigkeit gleichermaßen effizient zu arbeiten, ist einzigartig.
  • Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein Kohlendioxid (CO2)-Sorptionsmittelsystem und -verfahren bereitzustellen, das hochgradig stabil ist und eine lange Betriebslebensdauer hat.
  • Es ist eine zusätzliche Aufgabe dieser Erfindung, ein System und ein Verfahren der beschriebenen Art bereitzustellen, das beim Absorbieren von CO2 in einer Umgebung von entweder hoher Feuchtigkeit oder niedriger Feuchtigkeit gleichermaßen effizient ist.
  • Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein System und ein Verfahren der beschriebenen Art bereitzustellen, bei dem das Sorptionsmittel in situ regeneriert werden kann.
  • Es ist noch eine Aufgabe dieser Erfindung, ein System und ein Verfahren der beschriebenen Art bereitzustellen, bei dem das Sorptionsmittel ein molekulares Gebilde ist, das aus vorwiegend sekundären Aminen mit einer oder mehreren funktionellen Nitril-Gruppen besteht.
  • Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden aus ihrer folgenden genauen Beschreibung, wenn sie mit der begleitenden Zeichnung in Verbindung gebracht wird, deutlicher werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Kohlendioxid-Sorptionsmittelbett-Systems, das gemäß dieser Erfindung verwendet wird;
  • 2 ist eine fragmentarische perspektivische Ansicht eines Sorptionsmittelbetts, das gemäß dieser Erfindung verwendet wird.
  • Beste Art zur Ausführung der Erfindung
  • Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen. 1 ist eine schematische Ansicht eines CO2-Sorptionsmittelsystems, allgemein durch die Ziffer 10 bezeichnet, das ein Sorptionsmittel des oben beschriebenen Typs mit funktionellen Gruppen von sekundären Aminen/Nitrilen aufweist. Das System 10 weist ein Paar von CO2-Sorptionsbetten 12 und 18 auf, von denen jedes ein Sorptionsmittel 14, 14' enthält, das in einer offenzelligen Metallschwamm-Matrix 16 bzw. 16' enthalten ist. Einlassleitungen 20 erstrecken sich von der Atmosphäre in der Umgebung, die von CO2 gereinigt wird, zu jedem der Sorptionsbetten 12 und 18. Ein Ventil 22 steuert selektiv, welche der Einlassleitungen 20 Luft aus der Umgebung, die gereinigt wird, erhält, so dass zu einer Zeit jeweils nur eines der Betten 12 und 18 verwendet wird, um CO2 aus dem Luftstrom zu entfernen. Auslassleitungen 34 führen die Luft aus den Betten 12 und 18 zurück in die Umgebung, die behandelt wird. Die Ventile 24 und 26 wirken dahingehend, selektiv eine der Leitungen 34 für den Durchgang des gereinigten Luftstroms zu öffnen. Eine vorprogrammierte Prozessor-Steuereinrichtung 32 ist bevorzugt in dem System 10 enthalten, um den Betrieb der Ventile 22, 24 und 26 zu steuern.
  • Aus der obigen Beschreibung des Systems 10 wird klar sein, dass zu einer Zeit jeweils nur eines der Betten 12 oder 18 zur Entfernung von CO2 aus dem Luftstrom wirksam ist, und dass, wenn ein Bett CO2 aus dem Luftstrom sorbiert, das andere Bett regeneriert wird. Wie oben angegeben, bestimmt die Steuereinrichtung 32, welches Bett 12 oder 18 als ein Sorptionsbett verwendet wird und welches Bett regeneriert wird.
  • Die Desorption von CO2 aus dem Bett 12 oder 18 findet in der folgenden Weise statt. In dem Sorptionsbett 12 oder 18 während des Sorptionsprozesses durch Reaktion von CO2 mit entweder dem Sorptionsmittel 14 oder 14' erzeugte Wärme wird zu dem anderen Bett 12 oder 18, das desorbiert wird, transportiert, um den endothermen Desorptionsprozess in dem anderen Bett 12 oder 18 anzutreiben, oder alternativ wird das Bett 12 oder 18 desorbiert, indem es mittels eines Vakuums, das mittels eines Ventils 28, das eine der Leitungen 20 zu dem Bett 12 oder 18 über die Leitungen 21 bzw. 21' mit einer Vakuumquelle verbindet, an dem Bett, das desorbiert wird, angelegt wird, einem verringerten Druck ausgesetzt wird. Das Ventil 28 wird auch durch die Steuereinrichtung 32 selektiv betätigt. Es wird festgestellt, dass in der in 1 gezeigten Ausführungsform sowohl Wärme als auch Vakuum verwendet werden, um die Betten 12 und 18 zu desorbieren. 1 zeigt das Bett 18 in einem Desorptionszyklus, bei dem das Ventil 28 das Bett 18 über die Leitung 21' mit der Vakuumquelle verbindet, und das Ventil 26 geschlossen ist, um freigesetztes CO2 daran zu hindern, durch das Auslassende des Systems 10 zu strömen.
  • 2 zeigt eine Art, TEPAN-Absorptionsmittel-Pellets 14 in eine offenzellige Matrix 16 in einem der Sorptionsbetten 12 zu packen.
  • Durch Erhöhung des Prozentsatzes an sekundären Amingruppen in dem Amin-nitril-Sorptionsmittel ist das Ergebnis ein hochgradig regenerierbares Sorptionsmittel, das nicht für die relative Feuchtigkeit der Atmosphäre, die behandelt wird, empfindlich ist. Von den oben beschriebenen, vorwiegend sekundären Amin-Verbindungen wurde gezeigt, dass sie bei so niedrigen Taupunkten wie –40°C wirksam sind. Es gibt drei chemische Reaktionen, die bei der Absorption von CO2 aus der Atmosphäre in der bewohnbaren geschlossenen Umgebung auftreten können. Zwei der Reaktionen erfordern die Anwesenheit von Wasser und können daher nur in einer feuchten Umgebung auftreten. Die Reaktionen sind: CO2 + 2R2NH2 + → R2NH2 + + R2NCOO– R2NCOO– + 2H2O + CO2 → R2NH2 + + 2HCO3 – CO2 + R2NH + H2O → R2NH2 + + HCO3 –
  • In Abwesenheit von Wasser ist die erste Reaktion die primäre CO2-Absorptionsreaktion. In Anwesenheit von Wasser treten alle drei Reaktionen auf, aber die erste Reaktion bleibt die Primärreaktion.
  • Die Verwendung eines Sorptionsmittels mit vorwiegend sekundärem Amin/Nitril zur Absorption von CO2 aus einer atembaren Atmosphäre erhöht stark die Wirksamkeit des Sorptionsmittels und eines das Sorptionsmittel verwendenden Sorptions-Systems aufgrund der Tatsache, dass das Sorptionsmittel durch die relative Feuchtigkeit der behandelten Atmosphäre nicht ungünstig beeinflusst wird. Diese Tatsache verlängert auch die Gebrauchslebensdauer des Sorptionsmittels und eines das Sorptionsmittel verwendenden Systems. Die Umschaltung zwischen Sorptions- und Desorptions-Zyklen kann in die System-Kontrolleinrichtung vorab einprogrammiert werden, um auf einer Zeitbasis zu basieren, oder kann mittels eines CO2-Sensors, der den Ausgangs-Gasstrom aus dem System analysiert, betätigt werden.
  • Da viele Veränderungen und Abwandlungen der offenbarten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt werden können, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung in anderer Weise zu beschränken als durch die angefügten Ansprüche erforderlich.

Claims (7)

  1. System zum Entfernen von Kohlendioxid (CO2) aus einem atembaren Luftstrom, wobei das System aufweist: a) ein CO2-Sorptionsmittelbett, das ein kombiniertes Amin/Nitril-CO2-Sorptionsmittel enthält, wobei ein Hauptanteil des Amin-Bestandteils des Sorptionsmittels von sekundären Amingruppen gebildet wird, und wobei es mindestens eine funktionelle Nitril-Gruppe in dem Sorptionsmittel gibt; b) Mittel zum Einführen des atembaren Luftstroms in das Sorptionsmittelbett; und c) Mittel zum Entfernen des atembaren Luftstroms aus dem Sorptionsmittelbett.
  2. System nach Anspruch 1, bei dem das Sorptionsmittel ein Reaktionsprodukt von Tetraethylenpentamin und eines Acrylnitrils ist.
  3. System nach Anspruch 1, bei dem das Sorptionsmittel einen Amin-Bestandteil enthält, der aus mindestens 60% sekundären Amin-Gruppen, nicht mehr als 10% primären Amin-Gruppen und nicht mehr als 20% tertiären Amin-Gruppen besteht.
  4. System nach Anspruch 1, bei dem es eine Mehrzahl funktioneller Nitril-Gruppen in dem Sorptionsmittel gibt.
  5. Verfahren zum Entfernen von Kohlendioxid (CO2) aus einem atembaren Luftstrom, um einen niedrigeren CO2-Gehalt in dem Luftstrom zu erzeugen, wobei das Verfahren aufweist: a) Bereitstellen eines Amin/Nitril-CO2-Absorptionsbetts, das vorwiegend funktionelle sekundäre Amin-Gruppen und mindestens eine funktionelle Nitril-Gruppe enthält; und b) Hindurchführen des Luftstroms durch das Absorptionsbett.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Absorptionsbett ein Reaktionsprodukt (TEPAN) von Tetraethylenpentamin (TEPA) und Acrylnitril (AN) enthält.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein mol TEPA und 2,3 mol AN zur Reaktion gebracht werden, um TEPAN zu bilden, das vorwiegend aus funktionellen sekundären Amin-Gruppen und funktionellen Nitril-Gruppen in einem Verhältnis von etwa 1,5 Amin/2,0 Nitril besteht.
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