ES2301460T3 - Recuperacion de dioxido de carbono a partir de una mezcla que contiene oxigeno. - Google Patents

Recuperacion de dioxido de carbono a partir de una mezcla que contiene oxigeno. Download PDF

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Abstract

Un método para recuperar absorbato que comprende: (A) paso de una mezcla de alimentación (1) que comprende oxígeno y absorbato en contacto de transferencia de materia en contracorriente con un absorbente (6) que comprende al menos una alcanolamina, y paso de oxígeno y absorbato desde la mezcla de alimentación al absorbente para obtener absorbente cargado de absorbato (7) que contiene oxígeno disuelto; (B) separación de oxígeno del absorbente cargado de absorbato para obtener absorbente cargado de absorbato agotado en oxígeno (153); mediante el paso del absorbente cargado de absorbato (7) que comprende oxígeno disuelto en contacto de transferencia de materia en contracorriente con gas con capacidad de secuestro de oxígeno (152); (C) calentamiento del absorbente cargado de absorbato agotado en oxígeno (153) para obtener absorbente cargado de absorbato calentado (11); y (D) separación de absorbato del absorbente para obtener un fluido rico en absorbato (13).

Description

Recuperación de dióxido de carbono a partir de una mezcla que contiene oxígeno.
Campo técnico
Esta invención se refiere en general a la recuperación de dióxido de carbono y, más particularmente, a la recuperación de dióxido de carbono a partir de una mezcla de alimentación que también contiene oxígeno.
Antecedentes de la técnica
El dióxido de carbono tiene un gran número de aplicaciones. Por ejemplo, el dióxido de carbono se emplea en bebidas carbonatadas, para refrigerar, congelar y envasar marisco, carne, carne de ave, artículos horneados, frutas y verduras, y para alargar el tiempo que pueden permanecer expuestos para su venta los productos lácteos. Es un importante componente ambiental en residuos industriales y en el tratamiento de agua de proceso como sustituto del ácido sulfúrico para controlar los niveles de pH. Otras aplicaciones incluyen el tratamiento de agua potable, un pesticida no perjudicial para el medio ambiente y un aditivo de atmósfera en invernaderos para mejorar el crecimiento de verduras.
Generalmente el dióxido de carbono se produce mediante la depuración de una corriente residual, la cual es un producto secundario de un proceso químico orgánico o inorgánico. La corriente residual, que comprende una elevada concentración de dióxido de carbono, se condensa y se depura en múltiples etapas y luego se destila para producir el dióxido de carbono de calidad de producto.
Como la demanda de dióxido de carbono sigue aumentando, se están empleando fuentes alternativas de dióxido de carbono para suministrar la alimentación cruda de dióxido de carbono al sistema de depuración. Tales alimentaciones alternativas tienen una concentración mucho más baja de dióxido de carbono y por lo tanto se necesita mejorar su calidad, es decir, la concentración del dióxido de carbono se debe aumentar, antes de que el dióxido de carbono de calidad de producto se pueda producir eficazmente. Estas alimentaciones alternativas con concentraciones de dióxido de carbono mucho más bajas se llaman alimentaciones pobres. Un ejemplo de tal alimentación pobre es gas de conducto de humos a partir de, por ejemplo, una fuente de combustión tal como una caldera, un motor de combustión interna, una turbina de gas o un horno de cal.
La mejora de calidad de la concentración de dióxido de carbono en una alimentación se puede llevar a cabo de varias maneras. Un método particularmente preferido es la absorción química de dióxido de carbono a partir de la alimentación cruda de dióxido de carbono en un absorbente basado en alcanolamina. El absorbente resultante cargado de dióxido de carbono experimenta luego una separación en un producto de dióxido de carbono para recuperación y en un absorbente que contiene alcanolamina, el cual se puede recircular para reutilizarlo dentro del sistema de recuperación.
La alimentación cruda de dióxido de carbono a menudo contiene significativos niveles de oxígeno, lo que puede causar degradación de las alcanolaminas reduciendo su utilidad en el sistema de recuperación y también causando problemas de corrosión en el sistema. Los especialistas en la técnica han abordado este problema de una de dos posibles maneras. En un método, se añaden inhibidores químicos al fluido absorbente para protegerlo contra la degradación mediante la inhibición de la oxidación de las alcanolaminas. Tal método se da a conocer en el documento GB-A-2 156 327, el cual propone un proceso para sacar el dióxido de carbono de un gas que contiene CO_{2} y O_{2}, en donde el gas se pone en contacto con una solución acuosa que contiene un absorbente-reactante de alcanolamina, una solución de Cu^{2+} y un inhibidor adicional seleccionado a partir del grupo de dihidroxietilglicina, un carbonato de metal álcali, un permanganato de metal álcali, permanganato de amonio, óxido de níquel, un óxido de bismuto, un tiocianato de metal álcali y tiocianato de amonio.
Además, el documento EP-A-0 776 687 da a conocer un proceso para la transferencia de dióxido de carbono desde gases, cuyo método comprende una etapa de absorción de dióxido de carbono de puesta en contacto gas líquido de un gas, que tiene una presión parcial de dióxido de carbono en el margen de 0,3 a 50 atmósferas, con un fluido absorbente que comprende una solución acuosa que contiene un compuesto de amina especificado, a fin de producir un gas de tratamiento que tiene un contenido reducido en dióxido de carbono y un fluido absorbente rico en dióxido de carbono, y que además comprende una etapa de regeneración de liberación de dióxido de carbono desde el fluido absorbente rico en dióxido de carbono mediante proceso flash a presión aproximadamente atmosférica y/o destilado de vapores, de modo que el fluido absorbente pobre en dióxido de carbono se regenera y se recircula para utilizarlo en la etapa de absorción de dióxido de carbono.
En otro método, se añade un combustible a la alimentación cruda de dióxido de carbono para la combustión con el oxígeno en una reacción de combustión catalítica. Aunque ambos métodos son eficaces, los dos se caracterizan por elevados costes de capital y, por otra parte, son complicados de operar.
En consecuencia, es un objeto de esta invención proporcionar un sistema que pueda recuperar más eficazmente dióxido de carbono u otro absorbato de una alimentación que contiene oxígeno utilizando un absorbente basado en alcanolamina para mejorar la calidad de la alimentación.
Compendio de la invención
El objeto de arriba y otros, los cuales se hará evidentes para los especialistas en la técnica en una lectura de esta descripción, se logran mediante la presente invención, la cual es: un método para recuperar absorbato como se define en la reivindicación 1, un método para recuperar dióxido de carbono como se define en la reivindicación 2 y un aparato para recuperar absorbato a partir de una mezcla de alimentación que contiene oxígeno como se define en la reivindicación 7.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "columna de absorción" significa un dispositivo de transferencia de materia que permite a un disolvente adecuado, es decir absorbente, absorber selectivamente al absorbato a partir de un fluido que contiene uno o más componentes distintos.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "columna de extracción" significa un dispositivo de transferencia de materia en donde un componente tal como un absorbato se separa de un absorbente, generalmente a través de la aplicación de energía.
Como se utiliza en la presente memoria, el término "inhibidor" significa una sustancia química o una mezcla de sustancias químicas que inhibe o reduce la velocidad de una reacción. Por ejemplo, el carbonato de cobre en combinación con uno o más de dihidroxietilglicina, permanganato de metal álcali, tiocianato de metal álcali, óxidos de níquel o de bismuto con o sin carbonato de metal álcali inhibe la degradación oxidante de una alcanolamina.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "gas con capacidad de secuestro de oxígeno" significa un gas que tiene una concentración de oxígeno menor que 2 por ciento en moles, preferiblemente menor que 0,5 por ciento en moles, y el cual se puede utilizar para extraer oxígeno disuelto de un líquido.
Como se utilizan en la presente memoria, las expresiones "parte superior" y "parte inferior" significan aquellas secciones de una columna respectivamente por encima y por debajo del punto medio de la columna.
Como se utiliza en la presente memoria, la expresión "intercambio de calor indirecto" significa poner dos fluidos en relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico ni intermezcladura de un fluido con otro.
Breve descripción de los dibujos
La única Figura es una representación esquemática de una realización particularmente preferida de la invención, en donde el separador de oxígeno comprende una columna de extracción de oxígeno.
Descripción detallada
La invención se describirá con mayor detalle con relación al Dibujo. En lo que se refiere ahora a la Figura, la mezcla de gas de alimentación 1, la cual típicamente se ha enfriado y tratado para la reducción de partículas en suspensión y otras impurezas tales como óxidos de azufre (SOx) y óxidos de nitrógeno (NOx), se pasa al compresor o a la soplante 2, en donde se comprime hasta una presión generalmente dentro del margen de 1,0 a 2,1 bar (14,7 a 30 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia)). La mezcla de gas de alimentación 1 generalmente contiene de 2 a 50 por ciento en moles de dióxido de carbono como absorbato, y típicamente tiene una concentración de dióxido de carbono dentro del margen de 3 a 25 por ciento en moles. La mezcla de gas de alimentación 1 también contiene oxígeno en una concentración generalmente dentro del margen de menos que 1 a aproximadamente 18 por ciento en moles. La mezcla de gas de alimentación 1 también puede contener uno o más componentes distintos tales como trazas de hidrocarburos, nitrógeno, monóxido de carbono, vapor de agua, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas en suspensión.
La mezcla de gas de alimentación comprimida 3 se pasa desde la soplante 2 a la parte inferior de la columna de absorción 4, la cual opera a una temperatura generalmente dentro del margen de 40 a 45ºC a la cabeza de la columna y a una temperatura generalmente dentro del margen de 50 a 60ºC en el fondo de la columna. El absorbente 6 se pasa a la parte superior de la columna de absorción 4. El absorbente 6 comprende al menos una especie de alcanolamina. Monoetanolamina, dietanolamina, diisopropanolamina, metildietanolamina y trietanolamina son ejemplos de alcanolaminas que se pueden emplear en el fluido absorbente 6 en la práctica de esta invención. Las alcanolaminas generalmente se emplean como una solución acuosa. La concentración de la(s) alcanolamina(s) en el absorbente 6 estará dentro del margen de 5 a 80 por ciento en peso, y preferiblemente de 10 a 50 por ciento en peso. Una alcanolamina primaria preferida para utilizarse en el fluido absorbente en la práctica de esta invención es monoetanolamina, preferiblemente en una concentración dentro del margen de 5 a 25 por ciento en peso, más preferiblemente en una concentración dentro del margen de 10 a 15 por ciento en peso. Alcanolaminas secundarias preferidas para utilizarse en el fluido absorbente en la práctica de esta invención son dietanolamina y diisopropanolamina.
Dentro de la columna de absorción 4 la mezcla de gas de alimentación sube en flujo contracorriente contra el absorbente de circulación descendente. La columna de absorción 4 contiene elementos internos de columna o elementos de transferencia de materia tales como platos o relleno aleatorio o estructurado. Cuando el gas de alimentación sube, la mayor parte del dióxido de carbono dentro del gas de alimentación, del oxígeno y de pequeñas cantidades de otras especies tal como nitrógeno se absorben en el líquido absorbente de circulación descendente, lo cual da por resultado vapor de cabeza agotado en dióxido de carbono a la cabeza de la columna 4, y absorbente cargado de dióxido de carbono que contiene oxígeno disuelto en el fondo de la columna 4. El vapor de cabeza se saca de la parte superior de la columna 4 en la corriente 5 y el absorbente cargado de dióxido de carbono se saca de la parte inferior de la columna 4 en la corriente 7.
El oxígeno disuelto causa con el tiempo degradación de las alcanolaminas con lo cual conduce a corrosión y otros problemas de operación. El nivel del oxígeno disuelto en el absorbente cargado de dióxido de carbono se reduce tal cual mediante la puesta en contacto del absorbente con gas con capacidad de secuestro de oxígeno en un dispositivo de transferencia de materia tal como la columna de extracción de oxígeno ilustrada en la Figura.
El absorbente cargado de dióxido de carbono que contiene oxígeno disuelto en la corriente 7 se pasa desde la parte inferior de la columna de absorción 4 a la parte superior de la columna de extracción adicional 151. Un importante aspecto de esta invención es que el fluido que comprende la corriente 7 no experimente ningún calentamiento desde su separación de la columna de absorción 4 hasta su paso a la columna de extracción de oxígeno 151. El gas con capacidad de secuestro de oxígeno se pasa a la parte inferior de la columna de extracción 151 en la corriente 152. Una fuente de gas con capacidad de secuestro de oxígeno es una corriente de dióxido de carbono libre de oxígeno. Ejemplos de tal corriente incluyen la corriente de vapor rica en dióxido de carbono 16, mostrada en la Figura como corriente 71, dióxido de carbono de un tanque de almacenamiento, o dióxido de carbono de un proceso adicional aguas abajo. También se pueden utilizar otros gases libres de oxígeno tal como nitrógeno.
Dentro de la columna de extracción 151 el gas con capacidad de secuestro de oxígeno sube en flujo contracorriente contra el absorbente cargado de dióxido de carbono de circulación descendente. La columna de extracción 151 contiene elementos internos de columna o elementos de transferencia de materia tales como platos o relleno aleatorio o estructurado. Cuando el gas con capacidad de secuestro de oxígeno sube, el oxígeno dentro del absorbente se extrae desde el absorbente de circulación descendente hacia el gas con capacidad de secuestro de circulación ascendente, lo cual da por resultado gas con capacidad de secuestro que contiene oxígeno a la cabeza de la columna de extracción 151, y absorbente cargado de dióxido de carbono agotado en oxígeno en el fondo de la columna de extracción 151. El gas con capacidad de secuestro que contiene oxígeno se saca de la parte superior de la columna 151 en la corriente 150. La corriente 150 contendrá típicamente algo de dióxido de carbono además de oxígeno y otras especies. Esta corriente puede descargarse a la atmósfera, utilizarse como está, o mezclarse con el dióxido de carbono de producto final en la corriente 16, como se muestra en la Figura como corriente 72. El absorbente cargado de dióxido de carbono agotado en oxígeno, que típicamente contiene menos que 2 ppm de oxígeno y preferiblemente menos que 0,5 ppm se saca de la parte inferior de la columna 151 en la corriente 153, se pasa a una bomba de líquido 8 y desde allí en la corriente 9 hasta y a través de un cambiador de calor 10, en donde se calienta mediante intercambio de calor indirecto hasta una temperatura generalmente dentro del margen de 90 a 120ºC, preferiblemente de 100 a 110ºC.
El absorbente cargado de dióxido de carbono calentado se pasa desde el cambiador de calor 10 en la corriente 11 a la parte superior de la segunda columna de extracción o columna de extracción principal 12, la cual opera a una temperatura típicamente dentro del margen de 100 a 110ºC a la cabeza de la columna y a una temperatura típicamente dentro del margen de 119 a 125ºC en el fondo de la columna. Cuando el absorbente cargado de dióxido de carbono calentado fluye hacia abajo a través de la columna de extracción 12 sobre elementos de transferencia de materia, los cuales pueden ser platos o relleno aleatorio o estructurado, el dióxido de carbono dentro del absorbente se extrae desde el absorbente hacia el vapor de circulación ascendente, el cual generalmente es vapor de agua, para producir vapor de cabeza rico en dióxido de carbono y absorbente restante. El fluido rico en dióxido de carbono se saca de la parte superior de la columna de extracción 12 en la corriente de vapor de cabeza 13 y se pasa a través de un condensador de reflujo 47 en donde se condensa parcialmente. La corriente de dos fases resultante 14 se pasa a un cilindro de reflujo o separador de fases 15, en donde se separa en gas rico en dióxido de carbono y condensado. El gas rico en dióxido de carbono se saca del separador de fases 15 en la corriente 16 y se recupera como fluido de producto de dióxido de carbono que tiene una concentración de dióxido de carbono generalmente dentro del margen de 95 a 99,9 por ciento en moles en base seca. Por "recuperado" como se emplea en la presente memoria se entiende recuperado como producto final o separado por cualquier razón tal como eliminación, uso adicional, procesado adicional o apartamiento. El condensado, el cual comprende principalmente agua y alcanolaminas, se saca del separador de fases 15 en la corriente 17, se pasa a través de la bomba de líquido 18 y como corriente 19 se pasa a la parte superior de la columna de extracción 12.
El absorbente restante que contiene alcanolamina, el cual también contiene agua, se saca de la parte inferior de la columna de extracción 12 en la corriente 20 y se pasa a una caldera 21, en donde se calienta mediante intercambio de calor indirecto hasta una temperatura típicamente dentro del margen de 119 a 125ºC. En la realización de la invención ilustrada en la Figura, la caldera 21 se hace funcionar mediante vapor saturado 48 a una presión de 2,94 bar (28 libras por pulgada cuadrada manométrica (psig)) o mayor, el cual se saca de la caldera 21 en la corriente 49. El calentamiento del absorbente que contiene alcanolamina en la caldera 21 hace que se vaya algo de agua que se pasa como vapor de agua en la corriente 22 desde la caldera 21 a la parte inferior de la columna de extracción 12 en donde sirve de vapor de circulación ascendente, arriba mencionado. El absorbente que contiene alcanolamina resultante se saca de la caldera 21 en la corriente líquida 23. Una parte 24 de la corriente 23 se alimenta al recuperador 25 donde se vaporiza este líquido. La adición de sosa calcinada o sosa cáustica al recuperador facilita la precipitación de los productos secundarios de degradación y sales de amina estables frente al calor. La corriente 27 representa la eliminación de los productos secundarios de degradación y sales de amina estables frente al calor. La solución de amina vaporizada 26 se puede reintroducir en la columna de extracción 12 como se muestra en la Figura. También se puede enfriar y mezclar directamente con la corriente 6 que entra a la cabeza de la columna de absorción 4. También, en lugar del recuperador 25 mostrado en la Figura, se pueden emplear otros métodos de depuración tal como intercambio iónico o electrodiálisis.
La parte restante 148 del absorbente que contiene alcanolamina calentado 23 se pasa a la bomba de disolvente 35 y desde allí en la corriente 29 hasta y a través del cambiador de calor 10 en donde sirve para llevar a cabo el calentamiento arriba mencionado del absorbente cargado de dióxido de carbono y a partir del cual sale como absorbente que contiene alcanolamina enfriado 34.
La corriente 34 se enfría mediante el paso a través del enfriador 37 hasta una temperatura de aproximadamente 40ºC para formar el absorbente enfriado 38. Una parte 40 de la corriente 38 se pasa a través del filtro mecánico 41, desde allí, como corriente 42, a través del filtro de lecho de carbón 43, y desde allí, como corriente 44, a través del filtro mecánico 45 para la eliminación de impurezas, sólidos, productos secundarios de degradación y sales de amina estables frente al calor. La corriente depurada resultante 46 se vuelve a mezclar con la corriente 39, la cual es el resto de la corriente 38, para formar la corriente 55. El tanque de almacenamiento 30 contiene alcanolamina adicional para compensar las pérdidas. El absorbente de alcanolamina se saca del tanque de almacenamiento 30 en la corriente 31 y se bombea mediante la bomba de líquido 32 como corriente 33 hacia la corriente 55. El tanque de almacenamiento 50 contiene agua de compensación. El agua se saca del tanque de almacenamiento 50 en la corriente 51 y se bombea mediante la bomba de líquido 52 como corriente 53 hacia la corriente 55. Las corrientes 33 y 53 junto con la corriente 55 forman la corriente de absorbente combinada 6 para el paso a la parte superior de la columna de absorción 4 como se describió previamente.
Aunque la invención se ha descrito en detalle con relación a cierta realización particularmente preferida, los especialistas en la técnica reconocerán que hay otras realizaciones de la invención dentro de las reivindicaciones. Por ejemplo, la invención se puede utilizar para separar otros compuestos aparte de o además de dióxido de carbono, tal como sulfuro de hidrógeno. Una definición rigurosa de tal proceso de recuperación generalizado es:
Un método para recuperar absorbato que comprende:
(A) paso de una mezcla de alimentación que comprende oxígeno y absorbato en contacto de transferencia de materia en contracorriente con un absorbente que comprende al menos una alcanolamina, y paso de oxígeno y absorbato desde la mezcla de alimentación al absorbente para obtener absorbente cargado de absorbato que contiene oxígeno disuelto;
(B) separación de oxígeno del absorbente cargado de absorbato para obtener absorbente cargado de absorbato agotado en oxígeno;
(C) calentamiento del absorbente cargado de absorbato agotado en oxígeno para obtener fluido absorbente cargado de absorbato calentado; y
(D) separación de absorbato del fluido absorbente para obtener un fluido rico en absorbato.

Claims (9)

1. Un método para recuperar absorbato que comprende:
(A) paso de una mezcla de alimentación (1) que comprende oxígeno y absorbato en contacto de transferencia de materia en contracorriente con un absorbente (6) que comprende al menos una alcanolamina, y paso de oxígeno y absorbato desde la mezcla de alimentación al absorbente para obtener absorbente cargado de absorbato (7) que contiene oxígeno disuelto;
(B) separación de oxígeno del absorbente cargado de absorbato para obtener absorbente cargado de absorbato agotado en oxígeno (153); mediante el paso del absorbente cargado de absorbato (7) que comprende oxígeno disuelto en contacto de transferencia de materia en contracorriente con gas con capacidad de secuestro de oxígeno (152);
(C) calentamiento del absorbente cargado de absorbato agotado en oxígeno (153) para obtener absorbente cargado de absorbato calentado (11); y
(D) separación de absorbato del absorbente para obtener un fluido rico en absorbato (13).
2. El método de la reivindicación 1, en donde dicho absorbato es dióxido de carbono, y dicho método además comprende:
(E) recuperación de fluido rico en dióxido de carbono (16).
3. El método de la reivindicación 2, en donde la separación de dióxido de carbono del absorbente se lleva a cabo mediante el paso de absorbente cargado de dióxido de carbono (11) en contacto de transferencia de materia en contracorriente con vapor (22) y la extracción de dióxido de carbono desde el absorbente al vapor para obtener el fluido rico en dióxido de carbono (13).
4. El método de la reivindicación 2, en donde el absorbente (23) que queda después de la separación del dióxido de carbono (13) del absorbente se utiliza para llevar a cabo el calentamiento del absorbente cargado de dióxido de carbono agotado en oxígeno (153).
5. El método de la reivindicación 2, en donde el gas con capacidad de secuestro de oxígeno comprende un fluido rico en dióxido de carbono (71) obtenido a partir de la separación de dióxido de carbono del absorbente.
6. El método de la reivindicación 2 que además comprende el paso de al menos algo del gas con capacidad de secuestro de oxígeno (72) al fluido rico en dióxido de carbono.
7. Un aparato para recuperar absorbato a partir de una mezcla de alimentación que contiene oxígeno que comprende:
(A) una columna de absorción (4), medios para pasar una mezcla de alimentación que comprende oxígeno y absorbato a la parte inferior de la columna de absorción, y medios para pasar un absorbente (6) que comprende al menos una alcanolamina a la parte superior de la columna de absorción;
(B) un separador de oxígeno (151) para pasar el absorbente cargado de absorbato que comprende oxígeno disuelto en contacto de transferencia de materia en contracorriente con gas con capacidad de secuestro de oxígeno, y medios para pasar un fluido desde la parte inferior de la columna de absorción al separador de oxígeno;
(C) un cambiador de calor (10) y medios para pasar un fluido desde el separador de oxígeno al cambiador de calor;
(D) una columna de extracción (12) y medios para pasar un fluido desde el cambiador de calor a la parte superior de la columna de extracción; y
(E) medios para recuperar absorbato desde la parte superior de la columna de extracción.
8. El aparato de la reivindicación 7, en donde el separador de oxígeno comprende una columna de extracción de oxígeno (151).
9. El aparato de la reivindicación 7 que además comprende una caldera (21), medios para pasar un fluido desde la parte inferior de la columna de extracción (12) a la caldera, medios para pasar un fluido desde la caldera al cambiador de calor (10), y medios para pasar un fluido desde el cambiador de calor a la parte superior de la columna de
absorción (4).
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