ES2401744T3 - Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio - Google Patents

Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio Download PDF

Info

Publication number
ES2401744T3
ES2401744T3 ES08772173T ES08772173T ES2401744T3 ES 2401744 T3 ES2401744 T3 ES 2401744T3 ES 08772173 T ES08772173 T ES 08772173T ES 08772173 T ES08772173 T ES 08772173T ES 2401744 T3 ES2401744 T3 ES 2401744T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
fiber
lumen
medium
sorbent
adsorption
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES08772173T
Other languages
English (en)
Inventor
Ryan Lively
Ronald R. Chance
William J. Koros
Harry W. Deckman
Bruce T. Kelley
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Georgia Tech Research Institute
Georgia Tech Research Corp
ExxonMobil Technology and Engineering Co
Original Assignee
Georgia Tech Research Institute
Georgia Tech Research Corp
ExxonMobil Research and Engineering Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Georgia Tech Research Institute, Georgia Tech Research Corp, ExxonMobil Research and Engineering Co filed Critical Georgia Tech Research Institute
Application granted granted Critical
Publication of ES2401744T3 publication Critical patent/ES2401744T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28014—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their form
    • B01J20/28023—Fibres or filaments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/02—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography
    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/0407—Constructional details of adsorbing systems
    • B01D53/0438—Cooling or heating systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/10—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising silica or silicate
    • B01J20/16—Alumino-silicates
    • B01J20/18—Synthetic zeolitic molecular sieves
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/223—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material containing metals, e.g. organo-metallic compounds, coordination complexes
    • B01J20/226—Coordination polymers, e.g. metal-organic frameworks [MOF], zeolitic imidazolate frameworks [ZIF]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26—Synthetic macromolecular compounds
    • B01J20/261—Synthetic macromolecular compounds obtained by reactions only involving carbon to carbon unsaturated bonds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/22—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising organic material
    • B01J20/26—Synthetic macromolecular compounds
    • B01J20/262—Synthetic macromolecular compounds obtained otherwise than by reactions only involving carbon to carbon unsaturated bonds, e.g. obtained by polycondensation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/32—Impregnating or coating ; Solid sorbent compositions obtained from processes involving impregnating or coating
    • B01J20/3291—Characterised by the shape of the carrier, the coating or the obtained coated product
    • B01J20/3293—Coatings on a core, the core being particle or fiber shaped, e.g. encapsulated particles, coated fibers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3425—Regenerating or reactivating of sorbents or filter aids comprising organic materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00—Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30—Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/34—Regenerating or reactivating
    • B01J20/3483—Regenerating or reactivating by thermal treatment not covered by groups B01J20/3441 - B01J20/3475, e.g. by heating or cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/106—Silica or silicates
    • B01D2253/108—Zeolites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/30—Physical properties of adsorbents
    • B01D2253/34—Specific shapes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/50—Carbon oxides
    • B01D2257/504—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2259/00—Type of treatment
    • B01D2259/40—Further details for adsorption processes and devices
    • B01D2259/40083—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption
    • B01D2259/40088—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating
    • B01D2259/4009—Regeneration of adsorbents in processes other than pressure or temperature swing adsorption by heating using hot gas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2913—Rod, strand, filament or fiber
    • Y10T428/2922—Nonlinear [e.g., crimped, coiled, etc.]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2913—Rod, strand, filament or fiber
    • Y10T428/2933—Coated or with bond, impregnation or core
    • Y10T428/2935—Discontinuous or tubular or cellular core

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)
  • Drying Of Gases (AREA)
  • Industrial Gases (AREA)
  • Artificial Filaments (AREA)

Abstract

Fibra sorbente, que comprende: una fibra hueca que comprende un material sorbente; un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca; y una capa de barrera esencialmente impermeable que recubre el lumen para evitar la comunicaciónhidráulica entre el lumen y el material sorbente.

Description

Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio
Campo técnico
Las diversas realizaciones de la presente descripción se refieren en general a composiciones de fibras sorbentes. Más concretamente, las diversas realizaciones de la presente descripción van dirigidas a fibras sorbentes para procesos de adsorción por variación de temperatura.
Antecedentes de la invención
Las plantas de carbón proporcionan la mayor parte de la energía de los Estados Unidos y son grandes fuentes localizadas de emisión de gases de efecto invernadero, tales como el dióxido de carbono (CO2). Los países en desarrollo están construyendo rápidamente centrales eléctricas de carbón a un ritmo que añadirán considerablemente niveles atmosféricos de CO2. La manera más común de centrales eléctricas de carbón son las centrales de tipo de carbón pulverizado (PC), que típicamente producen alrededor de 500 MW y liberan aproximadamente 9,2 toneladas de CO2 por minuto, o 2,2 lbm CO2/kWh (para 500 MW). El aumento de las concentraciones de CO2 en la atmósfera terrestre agrava el efecto invernadero y da lugar a un cambio climático no deseado, con los consiguientes riesgos de fenómenos meteorológicos extremos, elevación del nivel del mar, y efectos adversos en la agricultura y la biodiversidad. Así, las plantas de carbón proporcionan los principales objetivos para la captura y retención de carbono (CCS). Por consiguiente, existe un gran interés en procedimientos eficaces y rentables para CCS.
La infraestructura de las centrales eléctricas de PC está envejeciendo, y los procedimientos de captura de carbono actuales son prohibitivamente costosos para implementarse tal como son. Aunque las centrales eléctricas de gasificación integrada en ciclo combinado (IGCC) y las centrales de gas natural en ciclo combinado (NGCC) ofrecen una mayor eficiencia y menores emisiones, la infraestructura de las PC también requiere reajustes de la CCS para una mitigación efectiva del cambio climático. Uno de los principales obstáculos para la CCS es el coste de la captura. Para unos controles de emisiones y retención, se cree que el CO2 debe capturarse con una pureza superior a un 75% y comprimirse a una presión en la tubería (por ejemplo, aproximadamente 1500 psia) y posteriormente comprimirse a una presión de inyección (por ejemplo, aproximadamente 2300 psia). El proceso posterior de captura de CO2 de combustión con suministros a baja presión, suministros a baja temperatura, y caudales masivos es uno de los muchos aspectos difíciles del reto de la CCS. Por lo tanto, existe la necesidad de un sistema de CCS de bajo coste que pueda actualizarse sobre plantas de PC existentes, así como nuevas plantas de IGCC y NGCC. Pueden preverse también importantes aplicaciones en el sector petroquímico e industrial.
Los procesos de adsorción se utilizan ampliamente en la industria para la separación de mezclas de fluidos. Esta separación se basa en la sorción preferencial de componentes selectivos en la superficie o en el interior de las cavidades de materiales absorbentes. Para la mayoría de sistemas de separación, el material adsorbente presenta una gran área superficial para proporcionar una capacidad de adsorción razonable. Los adsorbentes utilizados comúnmente, tales como zeolitas de tamiz molecular, carbón activado, alúmina y gel de sílice, tienen áreas superficiales de por lo menos 200 m2/g.
Muchos procesos de adsorción industriales se llevan a cabo en columnas de tipo de lecho fijo. El material adsorbente (por ejemplo, gránulos, partículas) generalmente va empaquetado y e inmovilizado en un recipiente cilíndrico. A medida que la mezcla de fluido designada para la separación atraviesa la columna empaquetada, los componentes adsorbibles de la mezcla son recogidos y retenidos por el adsorbente como adsorbato, y los componentes no adsorbibles atraviesan la columna a través de los espacios vacíos que hay entre los gránulos adsorbentes.
Para el procesamiento continuo de una mezcla de fluido de alimentación se utiliza un sistema de múltiples lechos en el que cada lecho pasa secuencialmente a través del ciclo de adsorción/regeneración. Comercialmente se han utilizado diversos procedimientos de regeneración, incluyendo un proceso de adsorción por cambio de presión (PSA) y un proceso de adsorción por cambio de temperatura (TSA). En el proceso de TSA, el adsorbente saturado se regenera por purga con un gas caliente. Cada ciclo de calentamiento/enfriamiento normalmente requiere unas pocas horas hasta más de un día. En el proceso de PSA, la regeneración de adsorbente se efectúa por purga con una parte del producto de gas purificado a presión reducida. El rendimiento de la PSA generalmente es más elevado que el de la TSA, ya que en general son posibles ciclos temporales más rápidos, normalmente de minutos a horas.
Además de la capacidad de adsorción del adsorbente, la velocidad de adsorción y la caída de presión son dos factores importantes que hay que considerar en el diseño de la columna adsorbente. La caída de presión a través de la columna adsorbente debe minimizarse, ya que una elevada caída de presión del fluido puede producir el movimiento o fluidización de las partículas adsorbentes, lo que tiene como resultado un serio desgaste y pérdida de adsorbente. La tasa de adsorción tiene una importancia significativa en la eficiencia del proceso de adsorción. Esta tasa normalmente se determina por la resistencia a la transferencia de masa para el transporte de adsorbato de la fase fluida masiva a las superficies internas de las partículas adsorbentes. Una baja velocidad de adsorción, debido a una gran resistencia de transferencia de masa se traducirá en una gran zona de transferencia de masa (MTZ) dentro de la cual el adsorbente sólo se encuentra parcialmente saturado con adsorbato. El adsorbente en la zona curso arriba de la MTZ está sustancialmente saturado con adsorbato, mientras que curso abajo de la MTZ está esencialmente libre de adsorbato. A medida que el fluido continúa fluyendo, la MTZ avanza a través de la columna adsorbente en la dirección de la corriente de fluido. La etapa de adsorción debe terminar antes de que la MTZ llegue a la salida de adsorbente con el fin de evitar la ruptura de adsorbato en la corriente efluente. Una gran zona de transferencia de masa, que contiene una gran cantidad de adsorbente utilizado parcialmente, producirá, por lo tanto, una corta etapa de adsorción y un uso ineficaz de la capacidad adsorbente.
Tanto la caída de presión como la resistencia de transferencia de masa están muy influenciadas por el tamaño de las partículas adsorbentes. Cambiar el tamaño de partícula, por desgracia, tiene efectos opuestos sobre estos dos factores importantes. El espacio intersticial entre las partículas de adsorbente en el lecho fijo es proporcional al tamaño de las partículas. Como que la resistencia al flujo de fluido a través del adsorbente es inversamente proporcional al tamaño del poro del lecho compacto, el uso de pequeñas partículas adsorbentes provocará una gran caída de presión. Por esta razón, los tamaños de las partículas de adsorbentes comerciales para la operación de lecho fijo generalmente tienen un diámetro medio mayor de 2 mm.
Además, casi todas las áreas superficiales de los adsorbentes comerciales se encuentran en el interior de la partícula adsorbente. Para que se produzca la adsorción, es necesario que el adsorbato sea transportado desde la fase fluida externa a la superficie interior de la partícula. La velocidad de transporte está influenciada por dos mecanismos de transferencia de masa en serie: (a) transferencia - difusión de masa interfacial a través de la capa límite de fluido que rodea la superficie externa de la partícula adsorbente; y (b) transferencia - difusión de masa entre partículas a través del espacio de poros internos (microporos y macroporos) de la partícula a su superficie interior, donde tiene lugar la adsorción. El tamaño de la partícula tiene efectos significativos sobre las tasas de estos dos procesos de difusión. Las partículas pequeñas ofrecen grandes áreas de contacto de fluido/sólido en el lecho fijo para la transferencia de masa interfacial y reducen la longitud de la trayectoria para la difusión entre partículas. Por lo tanto, pequeñas partículas adsorbentes aumentarán la tasa de adsorción y producirá una zona de transferencia de masa estrecha para una operación de ciclos de adsorción/desorción rápida y eficiente. Así, son deseables pequeñas partículas adsorbentes para procesos de adsorción eficientes, pero el tamaño de partícula mínimo viene limitado por unas condiciones de funcionamiento hidrodinámicas aceptables del adsorbente de lecho fijo. Es decir, se quiere evitar la fluidización y una caída de presión excesiva.
Respecto a la CCS, se ha considerado la adsorción con lecho compacto por cambio de presión para una captura por combustión posterior; sin embargo, los grandes caudales y el coste de la presurización de los gases de combustión a la presión requerida hacen que esta tecnología se limite a nichos de mercado de ultra-purificación. La adsorción por cambio de temperatura en su formato actual de lecho compacto no puede ciclarse con la suficiente frecuencia para evitar el enorme tamaño y coste del sistema. Debido a estas limitaciones, la tecnología de captura más destacada se basa en la absorción de columna líquido-gas en base a la quimisorción del CO2 en alquil alcanolaminas líquidas, tales como metiletanolamina y metildietanolamina. Aparte de unos requisitos de uso intensivo de energía para la regeneración de disolventes, esta tecnología de captura adolece de varios problemas, entre ellos tener que manipular grandes cantidades de residuos peligrosos para el ambiente, corrosión, efecto de arrastre, inundación, y suporación.
EP0434219 describe un elemento de haces de fibras huecas con partículas absorbentes, de manera que las fibras son microporosas para permitir el flujo de un medio a través de las mismas. US5288304 describe membranas de carbono para su uso en procesos de separación de fluidos, de manera que las membranas pueden ser en forma de fibras huecas y sobre las membranas puede recubrirse un material de barrera para ofrecer una cierta resistencia a la permeabilidad, por ejemplo del vapor de agua. W02004/024303 describe una casete de fibras utilizada para diversas aplicaciones, de modo que se prefieren fibras huecas.
Por consiguiente, existe la necesidad de composiciones y procedimientos para adsorber por lo menos un componente de un medio caracterizado por un tamaño de partícula relativamente pequeño y que, sin embargo, pueda funcionar todavía con una caída de presión aceptable. La presente invención va dirigida a las diversas realizaciones de dichas composiciones y procedimientos.
DESCRIPCIÓN
Las diversas realizaciones de la presente invención se refieren a la composición y el uso de composiciones de fibras adsorbentes. Más concretamente, las diversas realizaciones de la presente descripción van dirigidas a materiales adsorbentes y su uso en procesos de adsorción por cambio de temperatura. En líneas generales, un aspecto de la presente invención comprende una fibra sorbente, que comprende: una fibra hueca que comprende por lo menos un material adsorbente; un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca, y una capa de barrera que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y el material sorbente.
Una fibra hueca puede comprender, además, una matriz de polímero. En una realización de la presente invención, la matriz de polímero puede comprender una pluralidad de trayectorias tortuosas. La pluralidad de trayectorias tortuosas puede comprender uno o más de un microporo, un mesoporo o un macroporo, en el que el uno o más de un microporo, un mesoporo o un macroporo está en comunicación hidráulica. La fibra hueca puede presentar una dimensión de sección transversal mayor media de por lo menos aproximadamente 100 micras. El lumen dispuesto con la fibra puede presentar una dimensión de sección transversal mayor media de por lo menos aproximadamente 55 micras. La fibra hueca puede presentar una dimensión de sección transversal mayor media de por lo menos dos veces más grande que la del lumen. La fibra hueca puede comprender una tapa extrema no porosa dispuesta en cada extremo longitudinal de la fibra, en el que la tapa extrema no porosa no inhibe el flujo a través del lumen. La capa de barrera puede presentar un espesor medio de por lo menos aproximadamente 50 micras.
El material sorbente está en comunicación hidráulica con por lo menos parte de la pluralidad de trayectorias tortuosas. El material sorbente puede presentar una dimensión mayor media de menos de aproximadamente 10 micras. El material sorbente puede comprender por lo menos aproximadamente un 80% en peso de la fibra. El material sorbente puede presentar una selectividad para el dióxido de carbono sobre nitrógeno aproximadamente de 10 a aproximadamente 60 y una absorción de calor aproximadamente de - 25 kJ/(mol CO2) a aproximadamente -90 kJ/(mol CO2).
Un aspecto de la presente invención comprende un contactor de adsorción a base de fibras, comprendiendo el contactor: una cámara que comprende: una entrada de corriente de alimentación; una salida de corriente de alimentación; una entrada de fluido de transferencia de calor; una salida de fluido de transferencia de calor; una pluralidad de fibras huecas sustancialmente alineadas, en el que cada una de las fibras comprende: una pluralidad de trayectorias tortuosas, en el que las trayectorias tortuosas está en comunicación hidráulica con la entrada de corriente de alimentación y la salida de corriente de alimentación; una pluralidad de elementos sorbentes que comprenden un material sorbente en comunicación hidráulica con por lo menos parte de la pluralidad de trayectorias tortuosas; un lumen dispuesto dentro de la fibra, en el que el lumen está en comunicación hidráulica con la entrada de fluido de transferencia de calor y la salida de fluido de transferencia de calor, y una capa de barrera que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas. La pluralidad de fibras huecas comprende, además, una tapa extrema dispuesta en cada extremo longitudinal de la fibra efectiva para evitar la comunicación hidráulica entre la pluralidad de trayectorias tortuosas y un medio de transferencia de calor en por lo menos una mayoría sustancial de las fibras. El contactor de adsorción a base de fibras puede comprender, además, un material aglutinante eficaz para interconectar fibras adyacentes que, junto con las tapas extremas, evita la comunicación hidráulica entre el medio de transferencia de calor y la pluralidad de trayectorias tortuosas de las fibras adyacentes. El contactor de adsorción a base de fibras puede utilizarse para corrientes de alimentación que comprenden gas de escape, gas natural, gas combustible, biogás, gas ciudad, gas residual, agua, gas de hulla, aire, o un medio que contiene dióxido de carbono. El contactor de adsorción a base de fibras puede utilizarse en un proceso de adsorción por cambio de temperatura. En el proceso de adsorción por cambio de temperatura, el medio de transferencia de calor para el contacto puede ser agua, vapor de agua, vapor, gas, o combinaciones de los mismos.
Un aspecto de la presente invención puede comprender un procedimiento de adsorción de un componente de un medio, comprendiendo el procedimiento: poner en contacto un medio con una fibra hueca que comprende una pluralidad de trayectorias tortuosas, una pluralidad de elementos sorbentes que comprenden material sorbente en comunicación hidráulica con la pluralidad de trayectorias tortuosas, un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca, y una capa de barrera esencialmente impermeable que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas; y la adsorción de un componente del medio. Un procedimiento de adsorción de un componente de un medio puede comprender, además, la desorción del componente del medio. Un procedimiento de adsorción de un componente de un medio puede comprender, además, evitar la comunicación hidráulica entre el medio y un medio de intercambio de calor. El medio comprende gas de escape, gas natural, gas combustible, biogás, gas ciudad, gas residual, agua, gas de hulla, aire o un medio que contiene dióxido de carbono. El componente puede seleccionarse de CO2, SOx, NOx, y agua. En una realización de ejemplo de la presente invención, el medio es gas de escape, y el componente es dióxido de carbono. En una realización de la presente invención, el medio puede comprender CO2 y nitrógeno, y los elementos sorbentes pueden tener una selectividad para la adsorción de CO2 sobre el nitrógeno mayor de 5. La duración de un ciclo entre sucesivas etapas de adsorción puede ser menor de aproximadamente 2 minutos.
Otros aspectos y características de realizaciones de la presente invención serán más claras para los expertos en la materia al revisar la siguiente descripción de realizaciones de ejemplo específicas de la presente invención en combinación con las figuras adjuntas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las figuras 1 A-B ilustran una composición de fibras huecas que comprende un material adsorbente dispersado en la matriz de polímero con un material adsorbente (A) y con una pluralidad de materiales adsorbentes (B). Las figuras 2 A-B proporcionan una vista en perspectiva esquemática de un contactor de flujo cruzado que comprende una cámara (A) y una cámara transparente (B). La figura 3 es un diagrama de fases ternario que ilustra la solución polímero/disolvente/no disolvente. La figura 4 es un esquema que ilustra la conmutación del amortiguador entre el modo de sorción y desorción. La figura 5 es un esquema que ilustra aspectos generales del diseño de un sistema de RTSA. La figura 6 es un esquema que ilustra aspectos generales de la integración del sistema de RSTA sorbente de fibras en una central de PC. La figura 7 ilustra una micrografía que ilustra la morfología "sieve in a cage". La figura 8 es un esquema que ilustra un sistema de sorción por caída de presión. Las figuras 9 A-C son micrografías por barrido electrónico de una fibra sorbente (A), una dispersión de zeolita 13X (75% en peso) en una matriz de acetato de celulosa (B), y partículas 13X que presentan una morfología "sieve-in-acage" en una matriz de acetato de celulosa (C). La figura 10 representa gráficamente isotermas de sorbentes de fibra y componentes sorbentes de fibra. La figura 11 representa gráficamente las comparaciones de transferencia de masa entre fibras sorbentes 13X puras y embebidas con 13X. La figura 12 es una micrografía por barrido electrónico que muestra el gradiente de porosidad en sorbentes de fibra. Las figuras 13 A-C son micrografías por barrido electrónico de una capa de lumen de PVDC (A) y una vista de cerca de una capa de lumen de acrílico (B, C). La figura 14 es una micrografía por barrido electrónico de una capa de lumen con defectos de poros visibles. Las figuras 15 A-D son esquemas de una operación típica de fibras huecas (A), una derivación de la capa del lumen en sorbentes de fibras (B), fuerzas capilares durante el tratamiento posterior responsables de la cubierta de acrílico de la punta de la fibra (C), y una punta de fibra cubierta sin derivación de la capa de lumen (D). La figura 16 es una micrografía por barrido electrónico de una punta de fibra cubierta con PVDC.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
El medio de separación es importante en varias industrias, incluyendo la producción de combustibles, productos químicos, petroquímicos y productos especiales, pero sin limitarse a éstos. El término "medio" se utiliza aquí por conveniencia y se refiere en general a muchos fluidos, líquidos, gases, soluciones, suspensiones, polvos, geles, dispersiones, emulsiones, vapores, materiales fluidos, materiales multifásicos, o combinaciones de los mismos. Un medio puede comprender una corriente de alimentación. Un medio puede comprender una mezcla de una pluralidad de componentes. El término "pluralidad", tal como se utiliza aquí, se refiere a más de uno.
El medio de separación puede llevarse a cabo mediante muchos procedimientos que, asistidos por calor, sólidos, líquidos, u otros medios, generalmente aprovechan las diferencias en propiedades físicas y/o químicas de los componentes que se separan. Por ejemplo, la separación de gas puede obtenerse por licuefacción parcial o mediante la utilización de un material adsorbente que preferiblemente retenga o adsorba un componente retenido o adsorbido más fácilmente respecto a un componente adsorbido menos fácilmente de la mezcla de gas.
Uno de dichos procesos de separación de gas que se practica comercialmente es la adsorción por cambio de temperatura (TSA). La TSA comprende un proceso en el cual se utiliza un lecho de material adsorbente para separar uno o más componentes de una corriente de un medio, y después el lecho adsorbente es regenerado (liberando los componentes adsorbidos) aumentando la temperatura del lecho.
Un proceso TSA puede comprender la adsorción preferente de por lo menos un componente de un medio por un material adsorbente respecto a un segundo componente u otros componentes en el medio. La cantidad total del por lo menos un componente adsorbido del medio (es decir, la capacidad de adsorción del material adsorbente) y la selectividad de la adsorción para un componente sobre otro componente del medio, a menudo puede mejorarse operando el proceso de adsorción bajo unas condiciones de presión y temperatura específicas, ya que tanto la presión como la temperatura pueden influir en la carga de adsorción de un componente del medio.
Un componente adsorbido de un medio puede ser desorbido de un material adsorbente. La desorción de un componente se produce porque las isotermas de adsorción están muy influenciadas por la temperatura. De este modo, pueden obtenerse grandes purezas de un componente de un medio por adsorción a baja temperatura, si la adsorción es fuerte, siendo posible la liberación de un componente fuertemente retenido a través de una elevada
temperatura para la desorción. En comparación con la adsorción por cambio de presión (PSA), la TSA puede operar en el régimen de saturación de la isoterma, lo cual proporciona una ventaja de capacidad y rango de utilidad de un material adsorbente. En los procesos de TSA, el calor para la desorción puede suministrarse directamente al material adsorbente haciendo fluir un medio desorbente caliente a través del lecho, o indirectamente al material adsorbente a través de una bobina calefactora, una fuente de calor eléctrica, un medio de transferencia de calor, o un intercambiador de calor, entre otros, los cuales se encuentran en íntima asociación con el material adsorbente.
La TSA, tal como se pone en práctica en la técnica, presenta diversos inconvenientes. Por ejemplo, en procesos de TSA calentados directamente, típicamente se hace fluir un fluido caliente a través del lecho de adsorción para elevar la temperatura del adsorbente; sin embargo, cuanto más elevada es la temperatura más fluido se requiere. Esto produce la dispersión de los componentes desorbidos en un gran volumen de medio de calentamiento, y la gran cantidad de calor que se utiliza para elevar la temperatura del adsorbente a menudo no es recuperable. En algunos casos, el calor no es recuperable debido a que muchos sistemas de TSA calentados directamente operan con largos períodos de adsorción (por ejemplo, días) y tiempos de regeneración mucho más cortos. Además, la regeneración ocasional y gradual del material adsorbente da lugar a variaciones de concentración y flujo en el equipo curso abajo que pueden ser difíciles de manejar en una planta de proceso por lo demás de régimen estable. En los sistemas de TSA calentados indirectamente, el calor puede suministrarse con un intercambiador de calor, lo que evita la dilución del componente adsorbido por el medio de transferencia de calor; sin embargo, la gestión del calor y la naturaleza cíclica de los procesos de TSA calentados indirectamente a menudo presenta dificultades. Aunque con los años comercialmente se han llevado a la práctica diferentes procedimientos de variación de adsorción, en la técnica sigue habiendo la necesidad de mejorar los procedimientos de variación de adsorción, en particular en la separación de CO2 del gas de combustión y para un uso más eficiente del calor generado en el proceso de adsorción.
Haciendo referencia ahora a las figuras, en las que los números de referencia similares representan elementos similares en las distintas vistas, se describirán en detalle unas realizaciones de ejemplo de la presente invención. En toda la descripción, pueden identificarse distintos componentes con valores o parámetros específicos; sin embargo, estos elementos se dan como ejemplos de realización. En efecto, los ejemplos de realización no limitan los distintos aspectos y conceptos de la presente invención ya que pueden implementarse muchos parámetros, tamaños, rangos, y/o valores comparables. A modo de ejemplo, el término sorbente pretende abarcar tanto la adsorción como la absorción. Aunque se hará referencia en toda esta descripción a la adsorción y composiciones, materiales y procesos asociados, debe reconocerse que se pretende que la absorción también quede incluida en la descripción, y viceversa.
Un aspecto de la presente invención comprende una composición sorbente 100, que comprende una fibra 110, que a su vez comprende por lo menos un material adsorbente (y, por extensión, tal como se ha descrito anteriormente, por lo menos un material absorbente) 120, un lumen 130 dispuesto dentro de la fibra 110, y una capa de barrera 140 que recubre el lumen 130 para impedir la comunicación hidráulica entre el lumen 130 y el por lo menos un material adsorbente 120. (Véase la figura 1). En una realización de la presente invención, una fibra 110 puede comprender una red de polímero 150, comprendiendo la red de polímero 150 una pluralidad de trayectorias tortuosas 155. Una fibra 110 comprende muchas clases de materiales que son continuos, flexibles, filamentos o se encuentran en piezas alargadas discretas, similares a los tramos de un hilo. Tal como aquí se utiliza, una "fibra" significa un material continuo flexible y filamentoso que presenta un factor de forma relativamente alto (es decir, la relación entre la longitud y la sección transversal mayor media). En una realización de la presente invención, un factor de forma puede ser de por lo menos aproximadamente 4:1. En una realización de la presente invención, un factor de forma puede ser de por lo menos aproximadamente 10:1, por lo menos aproximadamente 100:1, o por lo menos aproximadamente 1000:1.
Una fibra 110 presentar muchas formas en sección transversal, incluyendo forma rectangular, forma circular, forma semicircular, forma cuadrada, forma pentagonal, forma triangular, forma hexagonal, forma octagonal, forma de estrella, forma de destello, forma de "U", forma lobulada, forma multilobular, forma arbitraria, o combinaciones de las mismas o entre las mismas, pero sin limitarse a éstas. Un experto en la materia entendería que la forma en sección transversal de la fibra 110 determinará la dimensión en sección transversal mayor media de la fibra. Por ejemplo, la dimensión en sección transversal mayor media de una fibra que presenta una sección transversal de forma circular será el diámetro de la fibra. En un ejemplo alternativo, la dimensión en sección transversal mayor media de una fibra que presenta una sección transversal de forma rectangular será la diagonal entre la longitud y la anchura de la sección transversal rectangular de la fibra. Todavía en otro ejemplo, la dimensión en sección transversal mayor media de una fibra que tiene una sección transversal en forma de destello será la distancia entre los dos puntos más alejados de la sección transversal en forma de destello de la fibra.
En una realización de la presente invención, una fibra 110 presenta una dimensión en sección transversal promedio mayor de por lo menos aproximadamente 100 micras, o por lo menos aproximadamente 500 micras, o por lo menos aproximadamente 1000 micras, o por lo menos aproximadamente 2000 micras. En una realización de la presente invención, una fibra 110 presenta una dimensión en sección transversal mayor media de aproximadamente 1200 micras. En una realización de ejemplo de la presente invención, una fibra, que presenta una sección transversal circular, tiene un diámetro medio de aproximadamente 1200 micras. Las fibras pueden comprender diámetros que varían de aproximadamente 800 a aproximadamente 1500 micras.
Un lumen 130 puede presentar muchas formas en sección transversal, incluyendo, forma rectangular, forma circular, forma semicircular, forma cuadrada, forma pentagonal, forma triangular, forma hexagonal, forma octagonal, forma de estrella, forma de destello, forma de "U", forma lobulada, forma multilobular, forma arbitraria, o combinaciones de las mismas o entre las mismas, pero sin limitarse a éstas. Un experto en la materia entendería que la forma en sección transversal del lumen 130 determinará la dimensión en sección transversal mayor media del lumen. Por ejemplo, la dimensión en sección transversal mayor media de un lumen que presenta una sección transversal de forma circular será el diámetro del lumen. En un ejemplo alternativo, la dimensión en sección transversal mayor media de un lumen que presenta una sección transversal de forma rectangular será la diagonal entre la longitud y la anchura del lumen. Todavía en otro ejemplo, la dimensión en sección transversal mayor media de un lumen que presenta una sección transversal en forma de destello será la distancia entre los dos puntos más alejados de la sección transversal en forma de destello del lumen.
En una realización de la presente invención, un lumen 130 presenta una dimensión en sección transversal mayor media de por lo menos aproximadamente 50 micras, o de por lo menos aproximadamente 200 micras, o de por lo menos aproximadamente 500 micras, o de por lo menos aproximadamente 1000 micras. En una realización de la presente invención, un lumen 130 presenta una dimensión en sección transversal promedio mayor de aproximadamente 300 micras. En una realización de ejemplo de la presente invención, un lumen que presenta una sección transversal circular, tiene un diámetro promedio de aproximadamente 300 micras. Los lúmenes pueden comprender diámetros que varíen de aproximadamente 200 a aproximadamente 500 micras.
En una realización de la presente invención, una fibra 110 puede presentar una forma en sección transversal igual o similar que su lumen 130. En una realización de la presente invención, una fibra 110 puede presentar una forma de sección transversal diferente en comparación con su lumen 130. En una realización de la presente invención, la relación entre la dimensión en sección transversal mayor media de la fibra y la dimensión en sección transversal mayor media del lumen es mayor de aproximadamente 2:1, o mayor de aproximadamente 4:1. En una realización de ejemplo de la presente invención, la relación entre la dimensión en sección transversal mayor media de la fibra y la dimensión en sección transversal mayor media del lumen es de aproximadamente 4:1.
En una realización de la presente invención, una fibra 110 comprende por lo menos un material adsorbente. En una realización de la presente invención, una fibra puede comprender una pluralidad de materiales adsorbentes, incluyendo por lo menos un material adsorbente 120 o por lo menos dos materiales adsorbentes 120 y 125. (Véase la figura 1 B). Diversas realizaciones de la presente invención hacen uso de por lo menos un material adsorbente 120 para adsorber selectivamente por lo menos un componente de un medio. El por lo menos un componente puede comprender muchos materiales, incluyendo dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, o agua, pero sin limitarse a éstos. Un material adsorbente comprende tamices moleculares, zeolitas, materiales silico-aluminofosfatos (SAPO), materiales luminosilicatos, aluminofosfatos (ALPO), carbono activado, alúmina activada, silicatos, sílice modificado con aminas, materiales de estructura metal-orgánicos, materiales de estructuras orgánicos covalentes, poliedros metal-orgánicos, materiales de estructura de zeolita-imidazolato, adsorbentes a base de polímeros, o combinaciones de los mismos, entre otros.
En una realización de la presente invención, puede utilizarse un material adsorbente para adsorber selectivamente CO2 del gas de escape. Si se utiliza aire en los procesos de combustión para formar un gas de escape, hay una gran cantidad resultante de nitrógeno en el gas de escape. Por lo tanto, es muy deseable que el material sorbente utilizado tenga una alta selectividad para la adsorción de CO2 respecto al nitrógeno. Para capturar CO2, se pone en contacto una corriente de alimentación de gas de combustión con un material adsorbente que tiene una selectividad mayor de aproximadamente 5 para adsorber CO2 sobre nitrógeno en la mezcla de gas de combustión, o más de aproximadamente 10 para adsorber CO2 sobre nitrógeno en la mezcla de gas de combustión. En una realización de la presente invención, un material adsorbente pueden tener una selectividad para el dióxido de carbono sobre el nitrógeno de aproximadamente 10 a aproximadamente 60.
Saldo que se indique lo contrario, el término "selectividad" tal como aquí se usa, se basa en una comparación binaria (por ejemplo, por pares) de la concentración molar de un componente adsorbido por el adsorbente particular durante el proceso de adsorción bajo las condiciones de funcionamiento específicas del sistema y la concentración molar de un componente en un medio de corriente de alimentación. Para un medio que contenga un componente A, un componente B, así como componentes adicionales, un adsorbente que tenga una selectividad para el componente A mayor que para el componente B tendrá al final de la etapa de adsorción del ciclo del proceso de adsorción por variación una relación:
(total moles de A en el adsorbente)UA _ (concentración molar de A en el gas de combustión en contacto con el sorbente)
que es mayor que la relación:
(total moles de B en el adsorbente)UB _ (concentración molar de B en el gas de combustión en contacto con el sorbente)
donde la UA es la "respuesta a la adsorción del componente A" y UB es la " respuesta a la adsorción del componente B." Por lo tanto, un adsorbente que tenga una selectividad para el componente A sobre el componente B que sea mayor de uno viene representado por:
Selectividad = UA/UB
(donde UA> UB).
Entre una comparación de diferentes componentes en el medio de corriente de alimentación, el componente con la menor relación entre el total de moles recogidos en el adsorbente y su concentración molar en la alimentación es el "componente más ligero" en el proceso de adsorción por variación. No es necesario que el componente más ligero tenga el menor peso molecular; sin embargo, en el caso de CO2 y N2, el compuesto "más ligero" en el sentido utilizado aquí es N2. Esto significa que la concentración molar del componente más ligero en la corriente que sale durante la etapa de adsorción es mayor que la concentración molar del componente más ligero en la alimentación. En una realización de la presente invención, una composición de adsorbentes puede tener una selectividad para un primer componente (por ejemplo, componente A) sobre un segundo componente (por ejemplo, componente B) de por lo menos 5, una selectividad para un primer componente sobre un segundo componente de por lo menos 10, o una selectividad para un primer componente sobre un segundo componente de por lo menos 25.
En una realización de la presente invención, la carga de CO2 en un material adsorbente puede ser mayor de aproximadamente 0,25 milimoles de CO2 por gramo de material adsorbente, mayor de aproximadamente 0,75 milimoles de CO2 por gramo de material adsorbente, o incluso que mayor a aproximadamente 1,5 milimoles de CO2 por gramo de material adsorbente. En una realización de la presente invención, un material adsorbente puede comprender un calor de sorción de aproximadamente -25 kJ/(mol CO2) a aproximadamente -90 kJ/(mol CO2). Ejemplos de materiales adsorbentes que pueden extraer selectivamente CO2 de mezclas de gases de combustión que contienen nitrógeno y lograr cargas deseadas, incluyen materiales microporosos tales como zeolitas, zeolitas catiónicas, materiales ALPO y materiales SAPO, aunque no se limitan a éstos. Ejemplos no limitativos de zeolitas adecuadas para utilizarse aquí incluyen zeolita 4A, 5A, Bx, NaX, y NaY. Ejemplos no limitativos de zeolitas catiónicas incluyen zeolitas con relaciones Si/Al menores de aproximadamente 5, tales como faujasita, Beta, y mordenita. Pueden utilizarse también zeolitas silíceas tales como MFI para extraer CO2 de mezclas que contienen nitrógeno. Materiales adsorbentes adicionales pueden comprender hidrotalcita, materiales microporosos que comprenden una estructura de elementos aparte de Si o Al (tal como P), carbono, materiales microporosos derivados de sol-gel, sílices, y aminas modificadas a sílice mesoporosa, entre otros. Estos materiales adsorbentes pueden utilizarse solos o en combinación con otros materiales.
En una realización de la presente invención, un material adsorbente puede comprender aproximadamente menos de un 80% en peso de la fase seca de la fibra, o aproximadamente menos de un 75% en peso de la fase seca de la fibra, o menos de un 70% en peso de la fase seca de la fibra. En una realización de ejemplo de la presente invención, el material adsorbente comprende aproximadamente un 65% en peso de la fase seca de la fibra.
En una realización de la presente invención, una fibra 110 comprende por lo menos un material adsorbente 120. Un material adsorbente 120 puede comprender una capa adsorbente, una partícula adsorbente, una entidad adsorbente, una pluralidad de partículas adsorbentes, una pluralidad de entidades adsorbentes, una partícula sorbente, una entidad sorbente, una pluralidad de partículas sorbentes, o una pluralidad de entidades sorbentes, entre otros. En una realización de la presente invención, un material adsorbente 120 puede presentar una dimensión mayor media de menos de aproximadamente 100 micras. En una realización de la presente invención, un material adsorbente puede presentar una dimensión mayor media de menos de aproximadamente 50 micras. En una realización de ejemplo de la presente invención, un material adsorbente puede presentar una dimensión mayor media de menos de aproximadamente 10 micras. En una realización de la presente invención, un material adsorbente puede presentar una dimensión mayor media de menos de aproximadamente 2 micras.
En una realización de la presente invención, una composición sorbente 100 puede comprender una fibra 110 que presente una capa de barrera 140 recubriendo el lumen 130 de la fibra 110 para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen 130 y el material adsorbente 120. La capa de barrera 140 puede comprender muchos materiales, incluyendo cloruro de polivinilideno (PVDC), poliacrilonitrilo, epiclorhidrina (Hidrina), copolímero en bloque de poliéter amida, vidrio, sílice, alúmina, metales, óxidos metálicos, látex, otros polímeros de alta barrera, sus copolímeros, o sus combinaciones pero sin limitarse a éstos. En una realización de la presente invención, la capa de barrera 140 presenta un espesor medio de menos de aproximadamente 50 micras. En una realización de la presente invención, la capa de barrera 140 presenta un espesor medio de menos de aproximadamente 30 micras.
En una realización de la presente invención, una composición sorbente 100 puede comprender una fibra 110 que comprenda, además, una matriz de polímero 150 que comprenda un polímero y una pluralidad de trayectorias tortuosas 155 a través de la fibra. La pluralidad de trayectorias tortuosas 155 puede comprender una pluralidad de poros, en el que por lo menos una parte de los poros estén en comunicación hidráulica entre sí. En una realización de la presente invención, la pluralidad de trayectorias tortuosas 155 puede comprender uno o más de mesoporos, macroporos y microporos, en el que por lo menos parte del uno o más de mesoporos, macroporos y microporos, están en comunicación hidráulica entre sí. En una realización de la presente invención, el material adsorbente está asociado a la matriz de polímero. De acuerdo con diversas realizaciones de la presente invención, no es necesario que la pluralidad de partículas adsorbentes se encuentren altamente unidas a la matriz de polímero. En una realización de la presente invención, la relación entre el material adsorbente y la matriz de polímero puede describirse como un fenómeno "sieve in a cage". En una realización de ejemplo de la presente invención, una fibra puede comprender una pluralidad de partículas adsorbentes en comunicación hidráulica con por lo menos una parte de la pluralidad de trayectorias tortuosas. Aunque las realizaciones de la presente invención describen la dispersión de una pluralidad de partículas adsorbentes a lo largo de la fibra, algunas de las trayectorias tortuosas no tienen partículas adsorbentes asociadas a ellas.
Una fibra 110 puede comprender muchos polímeros, incluyendo acetato de celulosa, polivinilpirrolidona, polisulfona, epiclorhidrina, copolímero en bloque de poliéter amida, poliimidas, poliolefinas, polipropileno, polietileno, poliamidas, poli (tetrafluoro eteno), cloruro de polivinilideno (PVDC), poliestireno, poliisobutileno, polibutadieno, poliuretanos, elastómeros, copolímeros de los mismos, o combinaciones de los mismos, pero sin limitarse a éstos. Una fibra 110 puede comprender un material de vidrio o cerámica. Una fibra 110 puede comprender una combinación de un polímero y un material de vidrio o cerámica también.
En una realización de la presente invención, una fibra puede comprender, además, una tapa extrema dispuesta en cada extremo longitudinal de la fibra, en la que la tapa extrema no inhibe el flujo a través del lumen. La tapa extrema puede impedir la comunicación hidráulica entre las trayectorias tortuosas del extremo longitudinal de la fibra y el medio que rodea el extremo longitudinal de la fibra.
Un aspecto de la presente invención comprende un procedimiento para adsorber selectivamente un componente de un medio. El procedimiento puede comprender: poner en contacto un medio con una fibra que comprende por lo menos un material adsorbente, un lumen dispuesto dentro de la fibra, y una capa de barrera que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y el material adsorbente; y adsorber un componente del medio. En una realización de ejemplo de la presente invención, un procedimiento de adsorción de un fluido comprende poner en contacto un medio con una fibra que comprende una pluralidad de trayectorias tortuosas, una pluralidad de partículas adsorbentes en comunicación hidráulica con por lo menos parte de la pluralidad de trayectorias tortuosas, un lumen dispuesto dentro de la fibra, y una capa de barrera que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas, y la adsorción de un componente del medio. El procedimiento puede comprender, además, desorber un componente del medio.
Diversas realizaciones de la presente invención van dirigidas a adsorber selectivamente un componente de un medio, en el que el medio puede comprender gases de escape, gas natural, gas combustible, biogás, gas ciudad, gas residual, agua, gas de hulla, aire, o un fluido que contiene dióxido de carbono. En una realización de ejemplo de la presente invención, puede utilizarse una composición de fibras adsorbentes en un proceso de adsorción por cambio de temperatura para la captura de CO2 del gas de combustión.
Los procesos de TSA de la presente invención pueden utilizar un contactor que comprende una pluralidad de composiciones a base de fibras. Los procesos de TSA de la presente invención pueden utilizar una pluralidad de contactores que comprenden una pluralidad de composiciones a base de fibras. Tal como se ilustra en las figuras 2 A-B, un contactor puede comprender una cámara que, a su vez, comprende: una entrada de corriente de alimentación; una salida de corriente de alimentación; una entrada de fluido de transferencia de calor; una salida de fluido de transferencia de calor; una pluralidad de fibras sustancialmente alineadas. En una realización de ejemplo de la presente invención, las fibras comprenden: una pluralidad de trayectorias tortuosas, en el que las trayectorias tortuosas están en comunicación hidráulica con la entrada de corriente de alimentación y la salida de la corriente de alimentación; una pluralidad de elementos sorbentes en comunicación hidráulica con por lo menos un parte de la pluralidad de trayectorias tortuosas; un lumen dispuesto dentro de la fibra, en el que el lumen está en comunicación hidráulica con la entrada de fluido de transferencia de calor y la salida de fluido de transferencia de calor; y una capa de barrera que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas en por lo menos una mayoría sustancial de las fibras.
Las figuras 2 A-B proporcionan representaciones esquemáticas de formas en las que los adsorbentes de fibra hueca estructurada pueden formarse en un contactor de flujo transversal. En las figuras 2A y 2B se muestra un contactor de flujo transversal 200 que comprende fibras huecas adsorbentes estructuradas 110. La figura 2B muestra el contactor de la figura 2A con las superficies exteriores de la cámara del contactor 205 mostradas transparentes. En la figura 2B unas líneas de puntos indican los bordes de la superficie exterior del contactor. Una fibra 110 comprende una matriz de polímero 150 que comprende un polímero, por lo menos un material adsorbente 120, y una pluralidad de trayectorias tortuosas. La fibra 110 comprende un lumen 130 dispuesto dentro de la fibra 110 y una capa de barrera 140 que recubre el lumen 130 para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y el material adsorbente. Como que la capa de barrera 140 impide la comunicación hidráulica entre el lumen y el por lo menos un material adsorbente 120, un medio de transferencia de calor puede atravesar el lumen 130 de la fibra 110. Para actuar como barrera de difusión, el coeficiente de difusión eficaz de la capa de barrera 140 debe ser inferior a aproximadamente 1/50 del coeficiente de difusión promedio en la matriz de polímero 150 y preferiblemente menos de aproximadamente 1/10000 el coeficiente de difusión promedio en la matriz de polímero 150. La barrera de difusión impide que los fluidos de calefacción y refrigeración introducidos a través del lumen 130 entren en la matriz de polímero 150 o la pérdida de material de sorbato, tal como CO2 en los fluidos del lumen.
Una pluralidad de fibras sustancialmente alineadas 110 pueden disponerse en un haz o extendidas. Los extremos del haz de fibras pueden ir encapsulados o incrustados en un material aglutinante 210. El material aglutinante 210 conecta entre sí las fibras adyacentes de manera eficaz. En una realización de la presente invención, el material aglutinante fija de manera eficaz las fibras 110 en una matriz sustancialmente paralela. Un procedimiento para llevar a cabo esto es con un proceso de incrustación o encapsulamiento que rodea los extremos de las fibras con un material aglutinante 210. Para visualizar la matriz de fibras encapsuladas, la figura 2B muestra el contactor de fibras de canal paralelo con el material aglutinante 210 transparentes junto con la cámara 205. Esta matriz encapsulada se sella a continuación en una cámara 205. En los extremos de la cámara 205 se disponen unas superficies de sellado
240. En funcionamiento, la cámara 205 va montada en un módulo de TSA o RCTSA (adsorción por cambio térmico de ciclo rápido) de manera que impide la comunicación hidráulica entre el medio de separación y un medio de intercambio de calor. Aunque la cámara 205 se ilustra como una cámara tubular o cilíndrica, la cámara puede presentar muchas formas, incluyendo una forma rectangular o cúbica, pero sin limitarse a éstas. A través de la pared de la cámara 205 se forman unas ranuras 215 para permitir que pase gas al contactor. En el centro del contactor hay situado un tubo central de recogida de gas 220. El extremo del tubo central de recogida de gas 225 del tubo de recogida de gas es un material macizo impermeable, que puede incluir un metal sólido o plástico técnico, pero sin limitarse a éstos. Esto permite que el gas entre o salga del contactor 200 sin mezclarse con los fluidos de calefacción
o refrigeración. La parte del tubo de recogida de gas en el interior del módulo 230 es un material poroso, tal como un metal poroso o un polímero poroso o una malla tejida, entre otros. Esto permite recoger eficazmente el gas dentro del contactor. En la etapa de adsorción, el gas de escape fluye hacia el contactor de flujo transversal 200 a través de las ranuras 215 y hace contacto con los adsorbentes de fibras huecas 110. La matriz de polímero 150 que comprende por lo menos un material adsorbente 120 extrae CO2 y opcionalmente H2O, SOx y NOx del gas de combustión. Se recoge una corriente purificada en la sección altamente porosa 230 del tubo central de gas de recogida 230. El gas purificado sale del contactor 200 a través de la sección impermeable 225 del tubo central de recogida de gas 220 que se conecta a unas válvulas de control de flujo (no mostradas) y un conducto de escape (no mostrado). Para limitar el aumento de temperatura durante la etapa de adsorción, se hace pasar un medio de enfriamiento (por ejemplo, agua) a través del lumen 130 de la fibra hueca estructurada 110. Después de que la etapa de adsorción se haya completado, el flujo de gas de combustión al módulo se desconecta con una válvula, y se hace pasar un medio de calentamiento (por ejemplo, vapor) a través del lumen 130 de la fibra hueca estructurada
110. CO2 y opcionalmente H2O, SOx y NOx, liberados de la matriz de polímero 150, que comprende el por lo menos un material adsorbente 120, salen del contactor 200 a través del tubo central de recogida de gas 220 o bien a través de las ranuras 215.
El contactor de adsorción a base de fibras que comprende la pluralidad de fibras puede comprender, además, una tapa extrema dispuesta en cada extremo longitudinal de la fibra eficaz para evitar la comunicación hidráulica entre la pluralidad de trayectorias tortuosas y un medio de transferencia de calor en por lo menos una mayoría sustancial de las fibras. El contactor de adsorción a base de fibras puede comprender, además, un material aglutinante eficaz para interconectar fibras adyacentes que, junto con las tapas extremas, evita la comunicación hidráulica entre el medio de transferencia de calor y la pluralidad de trayectorias tortuosas de las fibras adyacentes.
En diversas realizaciones de la presente invención, el contactor 200 puede estar diseñado para proporcionar un contacto eficaz del medio (por ejemplo, una mezcla de gases de combustión) con el por lo menos un material adsorbente que selectivamente extrae por lo menos un componente del medio. Un contacto eficaz minimiza la cantidad de adsorbente requerido, el volumen del contactor y la energía requerida para regenerar el contactor. Con un contactor diseñado de manera eficiente, la caída de presión del gas de combustión, y los fluidos utilizados para calentar o enfriar el contactor también se minimizan. Esto, a su vez, minimiza la perdida de energía de la caída de presión de gas de combustión que fluye a través del contactor y la energía requerida para bombear o comprimir los fluidos utilizados para calentar o enfriar el contactor.
En una realización de la presente invención, un contactor de adsorción a base de fibras realiza un ciclo de por lo menos dos etapas: una etapa de adsorción y una etapa de regeneración. La regeneración del contactor se consigue calentando el contactor a una temperatura efectiva que resultará en la desorción del componente capturado (por ejemplo, CO2) del contactor. A continuación, el contactor se enfría para que pueda completarse otra etapa de adsorción. Diversas realizaciones de la presente invención van dirigidas a exponer cíclicamente una pluralidad de contactores de adsorción a base de fibras a un medio de transferencia de calor para facilitar la adsorción y desorción. El medio de transferencia de calor puede comprender muchos medios, incluyendo agua, vapor de agua, vapor, o combinaciones de los mismos, pero sin limitarse a éstos. En una realización de ejemplo de la presente invención, se hace fluir agua a través de los lúmenes 130 de la pluralidad de fibras 110 de un contactor de adsorción a base de fibras 200 para la adsorción de CO2 y se hace fluir vapor a través de los lúmenes 130 de la pluralidad de fibras 110 de un contactor de adsorción a base de fibras 200 para la desorción de CO2.
Un experto en materia entendería que, eventualmente, el material de adsorción de un contactor de adsorción a base de fibras (por ejemplo, el primer contactor) se aproxima a la saturación, y se rompe un frente de adsorción a través del contactor, produciendo que la cantidad de CO2 que se extrae del gas de combustión caiga por debajo de un valor deseado. Consecuentemente, el flujo de gas de combustión para el primer contactor puede desviarse hacia un segundo contactor, que ya ha sido regenerado, mientras que el primer contactor se regenera térmicamente. Después de la regeneración térmica, el primer contactor se prepara para el proceso de adsorción, y el flujo de la mezcla de gas de combustión se conmuta de nuevo del segundo contactor al primer contactor. El tiempo total del ciclo va desde el instante en que la mezcla gaseosa se lleva inicialmente al primer contactor en un primer ciclo hasta el instante en que la mezcla gaseosa se lleva de nuevo al primer contactor en el ciclo inmediatamente posterior, es decir, tras una sola la regeneración del lecho. El uso de una pluralidad de contactores (es decir, un tercero, un cuarto, un quinto, etc.), además de un primer y un segundo contactor, puede proporcionar un procesamiento continuo, especialmente en casos en que el tiempo de adsorción es menor que el tiempo de regeneración.
En una realización de ejemplo, el proceso de adsorción por cambio de temperatura comprende ciclos rápidos de adsorción y desorción, en cuyo caso el proceso se denomina proceso de adsorción por cambio de temperatura de ciclo rápido (RCTSA). Un proceso de adsorción por cambio de temperatura de ciclo rápido, para los fines de esta descripción, se define como aquel en el que la duración del ciclo entre las sucesivas etapas de adsorción es menor de aproximadamente 2 minutos, o menor de aproximadamente 1 minuto, o menor de aproximadamente 0,5 minutos,
o incluso menor de aproximadamente 0,25 minutos. En una realización de la presente invención, la etapa de regeneración puede ser asistida con un desplazamiento parcial de la presión de purga, o un cambio de presión, entre otros. Estas combinaciones de procesos se denominan aquí procesos de cambio térmico, siempre que empleen un cambio térmico en algún punto durante la etapa de regeneración.
En muchos casos, el tiempo requerido para la regeneración del adsorbente puede ser menor que el tiempo requerido para la capacidad de adsorción de contactor para ser utilizado plenamente. En tales casos, puede ser deseable tener una pluralidad de contactores en la fase de adsorción mientras que una pluralidad de contactores se encuentran en la fase de calentamiento/regeneración y la fase de re-enfriamiento. En una realización de la presente invención, una pluralidad de contactores implicados en la adsorción están conectados en serie, de manera que la unidad de contactores que se regenera más recientemente es el último lecho en línea para la adsorción, y la primera unidad en línea será la próxima a regenerar. En otra realización, las unidades de adsorción están conectadas en paralelo, de manera que cada adsorbente trata una parte de toda la alimentación.
El gas de escape, o gas de combustión, es emitido en una amplia variedad de procesos industriales. Típicamente, la presión de un gas de escape es ligeramente mayor que la presión atmosférica y generalmente es menor de aproximadamente dos atmósferas. La temperatura del gas de escape se encuentra normalmente en un intervalo de aproximadamente 100º C a aproximadamente 250º C, más típicamente de aproximadamente 150º C a aproximadamente 250º C, pero de aproximadamente 30º C a aproximadamente 70º C si se utiliza lavado húmedo en caliza para extraer SOx. Los componentes gaseosos del gas de escape comprenden generalmente N2, O2, CO2 y H2O, entre otros. A menudo hay presente también pequeñas cantidades de contaminantes tales como NOx y SOx. La concentración de CO2 en el gas de combustión se encuentra típicamente en un intervalo de aproximadamente un 3% molar a aproximadamente un 15% molar, y el H2O se encuentra típicamente en el intervalo de aproximadamente un 0,1% molar a aproximadamente un 15% molar. La concentración molar total de CO2 + H2O normalmente es menor de aproximadamente un 25% cuando el gas de escape se produce por una combustión estequiométrica y normalmente es menor de aproximadamente un 15% si se emplea dilución o exceso de aire en el proceso para limitar la temperatura en el proceso de combustión a alta temperatura.
En algunos casos puede ser ventajoso separar el CO2 en una corriente concentrada o purificada, para comprimir la corriente a alta presión, y para introducirla en una formación subterránea adecuada para la retención para mitigar emisiones de CO2. Ejemplos no limitativos de formaciones subterráneas adecuadas incluyen acuíferos que tienen una junta superior que evita una pérdida significativa de componentes gaseosos inyectados, depósitos de aceite, depósitos de gas, depósitos de petróleo agotados y depósitos de gas agotados, pero sin limitarse a éstos. En general, el CO2 separado tiene que comprimirse a presiones superiores a aproximadamente 689,5 KPa (1000) psi, o superiores a aproximadamente 1379 KPa (2000 psi), a menudo a presiones superiores a aproximadamente 3447,5 (5000 psi) a inyectar en estos tipos de formaciones subterráneas. Pueden preverse también disposiciones de baja presión del CO2 capturado, teniendo como ejemplos un crecimiento de plantas mejorado en entornos de efecto invernadero y un crecimiento de algas mejorado para la producción de biocombustible, entre otros.
Las composiciones, procedimientos y aparatos utilizados en la práctica de la presente invención que están diseñados para la captura de CO2 del gas de escape pueden ser muy eficientes. En algunos casos, puede capturarse CO2 del gas de escape en una cantidad mayor de aproximadamente un 50%, mayor de aproximadamente un 75%, mayor de aproximadamente un 85%, o mayor de aproximadamente un 95% del CO2 por el material adsorbente. Un experto en la materia entendería que las realizaciones de los procedimientos de la presente invención pueden implicar la captura de menos de aproximadamente un 50% de CO2 del gas de escape.
En una realización de la presente invención, las composiciones adsorbentes y los procedimientos pueden comprender la separación de uno o más componentes de un medio. En una realización de la presente invención, puede extraerse uno o más componentes de un medio poniendo en contacto la corriente de gas de combustión con un contactor que comprende uno o más materiales adsorbentes. En una realización de la presente invención, el CO2 se captura del gas de escape utilizando un proceso de adsorción por variación que emplea regeneración térmica. En una realización de la presente invención, un procedimiento puede comprender, además, extraer el agua en un gas de combustión. Todavía en otra realización de la presente invención, un procedimiento puede comprender, además extraer SOx y/o NOx.
En una realización de la presente invención, un contactor puede comprender una pluralidad de fibras, comprendiendo una fibra una mezcla de por lo menos un material adsorbente capaz de adsorber diferentes componentes del medio. En una realización de la presente invención, un contactor puede comprender una pluralidad de fibras, una primera fibra que comprenda un primer material adsorbente capaz de adsorber un primer componente de un medio, y una segunda fibra que comprenda un segundo material adsorbente capaz de adsorber un segundo componente del medio. El uso de una pluralidad de fibras (es decir, una tercera, una cuarta, una quinta, etc.), además de una primera y una segunda fibra, puede proporcionar, además, la adsorción de múltiples componentes de un medio.
En una realización de la presente invención, uno o más componentes de los gases de combustión pueden ser adsorbidos mediante el uso de uno o más contactores. En una realización de la presente invención, puede hacerse pasar una corriente de gas de combustión a través de un primer contactor para extraer un componente de un medio, y un segundo contactor para extraer otro componente del medio (es decir, unidades de operación separadas (por ejemplo, contactores) para cada componente del medio). Cuando se extraen múltiples componentes de un medio (por ejemplo, gas de escape) con uno o más contactores, un contactor puede optimizarse para la extracción de un componente particular.
En una realización de la presente invención, uno o más contactores pueden comprender un primer contactor para extraer el agua y un segundo contactor para extraer uno o más de SOx, NOx, y CO2. Puede utilizarse uno o más contactores porque las diversas realizaciones de la presente invención describen procedimientos para la regeneración de cada contactor al completarse la etapa de adsorción.
En una realización de la presente invención puede utilizarse una pluralidad de diferentes materiales adsorbentes para formar un contactor. En dichas realizaciones, puede seleccionarse un material adsorbente para la extracción deseada de un componente particular del medio. Un contactor que comprende una pluralidad de materiales adsorbentes permite una extracción selectiva de una pluralidad de componentes con un solo contactor. En otra realización de la presente invención, un contactor puede comprender un material adsorbente capaz de extraer una pluralidad de componentes de un medio.
Un aspecto de la presente invención comprende un sistema para la extracción de CO2 y agua de un gas de combustión. El sistema puede comprender un contactor que comprenda una pluralidad de materiales adsorbentes, que sean capaces independientemente de adsorber agua y/o CO2. En una realización de ejemplo de la presente invención, el adsorbente selectivo de agua puede encontrarse situado cerca de la entrada de corriente de alimentación y el adsorbente selectivo de CO2 puede encontrarse situado curso abajo del adsorbente selectivo de agua. Dicha configuración está diseñada para extraer primero el agua de un gas de escape seguido de la extracción de CO2, a medida que el gas de escape hace contacto con el adsorbente selectivo del agua antes de que entre en contacto con el adsorbente selectivo de CO2. En algunas realizaciones, el mismo material adsorbente que se utiliza para extraer CO2 también puede extraer otros componentes del gas de escape, tales como SOx, NOx, o agua, entre otros. Materiales adsorbentes que pueden adsorber SOx, NOx, y agua incluyen zeolitas, zeolitas catiónicas, materiales mesoporosos, carbones, polímeros, materiales de matriz mixtos, y combinaciones de los mismos, pero no se limitan a éstos.
En una realización de la presente invención, un proceso de deshidratación puede comprender la deshidratación de glicol, que puede utilizarse para extraer agua de un gas de escape. En tales realizaciones, el gas de escape puede deshidratarse en un proceso o en una unidad de operación separados antes de introducir el gas de escape en el contactor adsorbente. Para extraer de manera eficiente agua con deshidratación de glicol, la temperatura del gas de escape puede reducirse a menos de aproximadamente 110º C, o menos de aproximadamente 75º C.
En otra realización de la presente invención, un proceso de deshidratación puede comprender una extracción física de agua de condensación (por ejemplo, tal como gotas o vaho) antes de ponerse en contacto con el gas de escape con un contactor adsorbente. En tales realizaciones, el contactor puede comprender un material adsorbente que extraiga selectivamente agua del gas de escape. Adsorbentes capaces de extraer selectivamente agua del gas de escape incluyen zeolitas catiónicas, materiales microporosos y mesoporosos funcionalizados, carbonos, materiales de matriz mixtos, polímeros, o combinaciones de los mismos, pero no se limitan a éstos.
En diversas realizaciones de la presente invención, el gas de escape procesado que sale del contactor de adsorción puede ser deshidratado por debajo de aproximadamente 400 ppm, o por debajo de aproximadamente 50 ppm, o por debajo de aproximadamente 20 ppm de contenido de agua durante por lo menos un punto durante el ciclo de adsorción .
Cuando un contactor extrae una fracción significativa (por ejemplo, mayor de aproximadamente un 75%) de CO2 y agua de un gas de escape, una realización de la presente invención puede comprender un proceso de regeneración térmica diseñado para extraer ambos de estos componentes. En una realización de la presente invención, el proceso de regeneración puede llevarse a cabo de modo que se produzca una corriente rica en agua independiente y una corriente rica en CO2 independiente durante el proceso de regeneración térmica.
En una realización de la presente invención, la adsorción y la regeneración de un contactor se realiza externamente por enfriamiento y calentamiento del contactor, respectivamente. Los contactores calentados externamente comprenden una pluralidad de lúmenes para hacer fluir un medio de transferencia de calor (por ejemplo, un fluido, líquido, gas) para calentar y enfriar el contactor. En una realización de ejemplo de la presente invención, la pluralidad de lúmenes no están en comunicación hidráulica con el material adsorbente, de modo que el medio de transferencia de calor no se mezcla con la corriente de gas de alimentación de escape o CO2 liberado durante la etapa de regeneración.
Cabe señalar que, tal como se utiliza en esta memoria y las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "uno/a", y "el/la/los/las" incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario.
EJEMPLOS
EJEMPLO 1: DISEÑO DE LA COMPOSICIÓN DE LA FIBRA
En el presente ejemplo se considera un nuevo sistema de sorbente sólido a base de fibras huecas. La formación de fibras huecas se basa en la conocida técnica de inversión de fase no disolvente comúnmente denominada como "hilatura en húmedo" en el campo de la técnica. Soluciones de polímeros que comprenden disolventes, no disolventes, y aditivos tales como nitrato de litio son extruidos a través de una matriz en un baño de enfriamiento sin disolvente. El baño sin disolvente proporciona la fuerza motriz para la transferencia de masa entre el baño de enfriamiento y el disolvente presente en la fibra incipiente, lo que provoca una separación de microfases y la formación de una fibra porosa. La separación de fases se visualiza mejor utilizando un diagrama de fases ternario para la solución polímero/disolvente/no disolvente, tal como se aprecia en la figura 3. La línea binodal representa la división entre la región de una fase y la de dos fases, y la región de dos fases puede dividirse, además, en la región metaestable y la región espinodal inestable. Se realizan unas soluciones de hilado de manera que la solución existe en la región de una fase cerca de la línea binodal. Durante el proceso de hilado, el exceso de no disolvente del baño de coagulación lleva la composición hacia la región de dos fases y se produce la desmezcla líquido-líquido, lo que se traduce en una red de poros de polímero continua.
Un procedimiento que puede utilizarse para caracterizar muestras de polímero e inorgánicas son técnicas de sorción tales como las presentadas por Koros, W. J. y D. R. Paul "Design considerations for measurement of gas sorption in polymers by pressure decay", J. Polym. Sci.: Parte B: Polym. Phys., 14, 1903-7 (1976). Estas técnicas se utilizan para determinar una isoterma de equilibrio para un par sorbato-sorbente particular representando la concentración frente a la presión a temperatura constante. Además, puede medirse el tiempo hasta que se llega al equilibrio, lo que proporciona información sobre la duración de los ciclos que puede utilizarse en procesos de adsorción cíclicos. Esto hace que la sorción sea un procedimiento de caracterización valioso en el estudio de sorbentes de fibras. Este enfoque tiene restricciones que lo limitan principalmente a una primera herramienta de caracterización de corte. En primer lugar, el calor no puede mediarse fácilmente dentro del sistema de sorción. En segundo lugar, el sistema no es un sistema de flujo, sino que se trata, en cambio, de un sistema por lotes, por lo que las resistencias de transferencia de masa por convección no entran en juego. Finalmente, solamente pueden utilizarse gases puros, por lo que los efectos de una sorción competitiva no pueden explicarse.
EJEMPLO 2: DISEÑO DEL SISTEMA DE FIBRAS
Se diseñó un sistema de combustión posterior de captura de carbono en base a una plataforma de fibras huecas de matriz mixta. La plataforma de fibras huecas de matriz mixta se eligió por varias razones. En primer lugar, puede conseguirse una mayor eficiencia de sorción mediante la utilización de la morfología de fibras huecas para suministrar agentes de refrigeración en el hueco de la fibra durante la sorción y agentes calefactores en el hueco durante la desorción. En segundo lugar, las delgadas paredes porosas de la fibra permiten tiempos de calentamiento y de transferencia de masa muy cortos, una necesidad en dichas exigentes alimentaciones. Finalmente, en el diseño, los agentes calefactores y refrigerantes en las fibras puede ser simplemente vapor y agua, extrayendo por lo tanto, cualquier subproducto residual asociado al sistema.
El sistema de fibras se diseñó utilizando un sistema de dos lechos, sin lecho de protección para una operación continua de estado pseudo-estacionario. El lecho que sorbe activamente CO2 tendrá agua líquida atravesando los huecos de las fibras, y el lecho que se desorbe activamente tendrá vapor atravesando el hueco de las fibras, tal como se aprecia en la figura 4, a continuación. En ambos casos, la capa de lumen esencialmente impermeable impide el intercambio entre el gas de escape y el agua de transferencia de calor o corrientes de vapor. Durante la sorción, el gas de escape atraviesa las fibras en una disposición de intercambio de calor de flujo cruzado.
La base utilizada para el diseño fue una central eléctrica de CP de 500 MW. Las condiciones del gas de escape que se introduce al sistema sorbente de fibras eran consistentes con dicha central de carbón pulverizado y comprende alimentación SCFM de 1M de CO2 15% molar a una presión de 1,1 atm y una temperatura de 50º C. Se impusieron otras diversas restricciones de diseño en base a las tecnologías actuales y a consideraciones de costes. Un objetivo primordial fue la minimización de la caída de presión del gas de escape. El coste para comprimir tales enormes cantidades de gas a presiones próximas a la ambiental se consideró que era prohibitivamente elevado. Además, para reducir los costes de retención y de emisión, la eficacia de la captura se estableció en un 90% o más con el gas producto a una presión tan elevada como fuera posible. Finalmente, en el diseño de la fibra, la velocidad de transferencia de masa dentro de las fibras se maximizó para adaptar la elevada velocidad superficial y el poco tiempo de contacto del gas de escape. Éstas y otras limitaciones se optimizaron respecto a la minimización de la caída de presión del gas de escape.
Un factor importante para muchas centrales eléctricas establecidas es la huella de posibles adaptaciones. En base a las limitaciones de los factores considerados, se calculó que el colector de fibra tuviera unas dimensiones de 12 m de largo, 12 m de alto y 25 m de ancho, aunque en comparación con las instalaciones de extracción de aminas se trata de un hecho bastante minúsculo. Un sistema de extracción de amina tiene típicamente seis adsorbentes (con un diámetro de 22 pies cada uno), seis extractores semi-diluidos (con un diámetro de 20 pies cada uno), y tres extractores diluidos (cada uno con un diámetro de 21 pies). El sistema de fibras presenta una huella de aproximadamente 300 m2 mientras que el sistema de aminas presenta una huella de aproximadamente 600 m2. Con el fin de minimizar la caída de presión, el lecho tenía que estar solamente un 12% lleno. Combinando esto con el hecho de que el diámetro exterior optimizado de las fibras era de 1200 micras, puede determinarse fácilmente que el número de fibras era de 32 millones de fibras por lecho. Considerando que no es en absoluto pequeño, los módulos de fibras huecas de uso industrial pueden contener 150 millones de fibras, por lo que no se trata de un número desproporcionado para una corriente de alimentación de gran tamaño.
La siguiente determinación que se hizo fue la elección del sorbente y la cantidad de sorbente que se dispersa en la matriz de fibras de polímero. Se estableció el objetivo de un sorbente de un 65% en peso en las fibras debido a la necesidad de grandes capacidades de CO2 por fibra. El diámetro interior de la fibra se estableció en 320 micras. Esta fibra de DE grande/DI pequeño de gran carga sorbente permite que las fibras capturen grandes cantidades de CO2 dentro de las limitaciones de diseño. Se consideraron inicialmente tres opciones de sorbentes en base a la dificultad de aplicación y la disponibilidad. La primera elección fue el estándar de la industria tradicional para sorción de CO2, la Zeolita 13X. En comparación con otros sorbentes, su capacidad para el CO2 era bastante elevada y su calor de sorción era bajo. En la Tabla 1, se comparan las distintas cualidades absorbentes. La siguiente elección de sorbente fue MFI con alto contenido en sílice. Este sorbente ofrece la ventaja de que es muy hidrófobo, presenta un menor calor de sorción que la 13X, y unas capacidades de CO2 comparables. Finalmente, una tercera opción de sorbente fue aminas modificadas sobre sílice mesoporoso. Estos sorbentes a base de aminas ofrecen la importante ventaja de que la capacidad de sorción de CO2 aumenta en alimentaciones en húmedo tal como gas de escape. Estos sorbentes, sin embargo, presentan habitualmente calores de adsorción mucho más elevados que cualquiera de 13X o MFI, y como tales, se requeriría más vapor de desorción y más agua de refrigeración para operar el sistema. Además, todavía es necesario realizar una importante investigación para determinar la estabilidad de estas aminas ancladas bajo condiciones de funcionamiento a largo plazo.
TABLA 1
Sorbente
Zeolita 13X MFI alto en sílice Aminas ancladas
Capacidad de absorción en seco de CO2 [mmol/g], 40º C
1,4 1,55 0,66
Capacidad de absorción en húmedo de CO2 [mmol/g], 40º C
-- 0,73
Calor de absorción [J/mol]
-36000 -26000 -55000
Coeficiente de difusión [cm2/s]
1,8 x 105 9 x 10-7 --
Finalmente, la carga de sorbente en la fibra fue un factor determinante, y se eligió como objetivo alcanzable una 10 carga de un 75% en peso de sorbente en la fibra en base a algunos estudios de cribado de hilado preliminares.
Utilizando las propiedades de sorción de MFI pueden determinarse propiedades de ciclo del sistema de fibras de RTSA. Una central eléctrica típica de 500 MW libera 9,2 toneladas de CO2 por minuto, y realizando un simple balance de masas del sistema puede determinarse la cantidad de CO2 capturado por ciclo, así como la duración de
15 ciclo. Suponiendo que el calor de desorción durante la etapa de sorción modera la temperatura de los sorbentes de manera que únicamente experimentan un aumento de temperatura moderado, y como tal, el sorbente de CO2 sólo estará a 50º C, y la adsorción se producirá a 35º C, por lo tanto:
Capacidad = (KD,35ºC - KD,50ºC) PCO2Vsorbente 20 a 15ºC:
1, 55molCO2 760mmHg 44gCO2 1,6g-MFI 1Kg gCO2
KD 40ºC _ _ 0, 46
kg -MFI 180mmHg -atm gmol cm3 -MFI 1000g cm313X -atm
25 Requieren KD,50ºC, KD,35ºC,
[][][][]
KD,50ºC -!Hsorb 11 KD,50ºC 26000 1 1
lnlj_ -_ ln _
l jljl j
KD,40ºC R 323K 313K 0, 46 8,314 323K 313K
gCO2
= KD,50ºC _ 0, 36
cm313X -atm
[KD,35ºC ]-!Hsorb [11 ][]26000 [11 ]
KD,35ºC
ln _ -_ ln _
ljl jljl j
KD,40ºC R 308K 313K 0, 46 8,314 308K 313K
gCO2
= KD,35ºC _ 0, 58
cm313X -atm
De modo que el sistema recoge: 30
gCO2 0,15atm 1, 05x108 cm313X
mCO2,ciclo _ (0, 58 -0,36) _ 3, 47x106 gCO2/ ciclo cm3MFI -atm
A partir de aquí se determinó la duración de ciclo mediante la determinación del caudal del gas de escape CO2:
lbmol 454mol
n_1x106 scfm _ 1, 27x106 mol /min
escap
359scf lbmol
. g mCO2 _ 0,15x1, 27x106 mol /min·44 mol _ 8,35x106 gCO2 /min
3, 47x106 gCO2/ ciclo ·60 seg
ot _ _ 24, 9 seg
8,35x106 gCO2 /min min
Una duración de ciclo de 25 segundos es muy pequeña teniendo en cuenta que las instalaciones de extracción de TSA típicas tienen duraciones de ciclo que van de varias horas a días. Esta corta duración de ciclo implica que el tiempo de contacto del sorbato con el sorbente será pequeño. Para determinar esto, se calculó la velocidad superficial, tal como puede verse a continuación.
(50 + 273)(1 )
Vescap _l AlAx106 scfm _ 0, 79x106 cfm real
273 1, 5
Vescap 0, 79x106 cfmr
cm
Vescap _�colector Ax,escap _(2 )_ 9, 25 fps
0,88·(600cmx250cm)/ 30, 482 l A· 60seg pie2
A partir de aquí, se encontró que el tiempo de contacto era de 4,3 segundos (longitud de trayectoria 39,4 pies, con una velocidad de 9,25 fps). Esto establece el límite superior de tiempo disponible para el transporte de masa en una fibra.
Una vez se dimensionó el colector de fibras y los sorbentes de fibras, pudo calcularse la caída de presión del gas de escape a través del lecho. Para minimizar la caída de presión a la vez que se proporciona una buena transferencia de masas, se seleccionó un patrón de flujo de intercambiador de calor de flujo transversal, y la caída de presión a través del lecho de fibras pudo calcularse utilizando la ecuación de cambio de presión a través de haces de tubos.
DvvescapPescap (1200x10-4 cm)·(9, 25 fps·30, 48)(1, 022x10-3 g / cm3)
Re __ _ 172
J2, 0x10-4 g / cm-s
escap
Esto es del orden de magnitud de la región de transición para el flujo a través de un lecho de fibras, de modo que se utilizó ese caso (lo que producirá una caída de presión de manera conservadora más alta).
4 ffNPv2 ()0,14
r escapescap Js
!P_ lA
escap 2gc Jb
ff _ 0, 43
Nr es una medida de cuántos obstáculos se encontrará un "paquete" típico de gas en su recorrido a través del colector. Esto se estimó como
Wcolector·Lcolector = Nfibras· L20
donde L0 es la dimensión de una célula que contiene obstrucción. Una vez se determinó esta dimensión característica, el número de obstrucciones se estimó simplemente como:
L
colector
Nr __ 2000 L0
Se encontró que la caída de presión resultante era de 0,15 atm. Con el fin de comprimir el gas de alimentación a 1,15 atm, sería necesario un ventilador de tiro adicional, o un soplador de desplazamiento positivo.
La carga parasitaria del sistema de captura de carbono sobre la central eléctrica supone una preocupación para las actuales modificaciones. Dos de las cargas parasitarias principales que se encuentran en este sistema fueron el uso de vapor de agua y la adición de otra torre de enfriamiento. Para determinar la cantidad total requerida de vapor y agua, balances de masa y energía en el sistema durante las etapas de sorción y desorción. Para la etapa de sorción se seleccionó una !T para un intercambiador de calor típico de 5º C. Se supuso que el agua en condiciones ambientales a 25º C se calienta a 35º C, mientras que el gas de escape del lado del revestimiento se supone que se enfría de 50º C a 40º C.
..
Qsorción _mescap CP,escap!Tescap +nCO2 !Hs
m . escap _1x106 scfm_4, 06x104 kg /min de escape
CP,escap _1042J / Kg-K
!T_10K
escap
n . CO2 _1,86x105 mol ·CO2 /min
!Hs _26000J / mol
Q=5, 57x109 J /min
sorción
Como que el calor añadido por sorción lo extrae el agua en el hueco, se estableció que esos calores eran iguales y se determinó la cantidad de agua de refrigeración requerida.
.
Qagua _Qsorcion _magua CP,agua!Tagua -mMFI CP,MFI -!TMFI -mpoli -CP, poli -!Tpoli
CP,agua _4,184J / Kg-K
!Tpoli _15K
!TMFI _15K
CP,MFI _800J / Kg·K
CP, poli _1600J / Kg·K
1, 6gmMFI _1, 05x108 cm3MFI ·3 _ 168000Kg
cm
3 1,2gmpoli _4, 6x107 cm·3 _ 55200Kg
cm
!Tagua _10K
=m . agua _ 2, 5x105 Kg /min _56000gpm
El caudal de agua resultante de 56.000 gpm representa una importante inversión de capital debido a los requerimientos de los conductos. Durante la desorción, se supuso que el vapor tiene una entalpía latente de vapor de escape como peor aproximación. Además, se supuso que el vapor condensado pierde más de su calor específico, enfriándose a 40º C antes de ser bombeado de nuevo al sistema condensador de vapor en la central eléctrica. Puede utilizarse vapor de mayor calidad con más calor latente, permitiendo por lo tanto utilizar menos vapor, aunque a un mayor coste, a menos que haya disponible vapor residual. Existen sin duda oportunidades en ese sentido para la optimización.
QREQ _ nCO2!Hs +mMFI CP,MFI !TMFI +mpoliCP, poli !Tpoli
8,35x106 gCO21molCO2 1min 25seg 79000mol ·CO2
nCO2 __
min 44g 60seg ciclo ciclo
=QREQ _5, 61x106 J / ciclo
Para que el sistema esté en equilibrio en cada ciclo, la cantidad de calor extraído por el vapor debe ser igual a la cantidad de calor requerido para la desorción. Si el vapor de baja calidad no proporciona suficiente calor latente, entonces se supone que el vapor se condensará, y se ha tomado un valor de una caída de la temperatura de 60º K para el vapor condensado, que es razonable para el caso de vapor de baja calidad utilizado como fuente de calor de desorción.
..
Qvapor _ mvapor !Hvapot + mvapor CP,vapor !Tvaporot _ QREQ
!Hvap _ 2250000J / Kg
ot _ 25seg _ 0, 42 min
CP,vapor _ 2050J / Kg· K
!T_ 60K
vapor
= m . vapor _ 5300Kg /min
Este número se utilizó para determinar la carga parasitaria en la eficiencia de la central eléctrica. La caída de presión requerida para bombear estos fluidos de transferencia de calor a través de los huecos de las fibras puede calcularse utilizando la ecuación de Hagen-Poiseuille, suponiendo un flujo incompresible y fluidos newtonianos. El vapor requerido por tonelada de CO2 capturado es una comparación útil entre los diferentes enfoques de captura de carbono y puede calcularse como:
. 5300kg ton
mvapor min 907, 5kg
. __ 0, 69
8, 5ton
mCO2,capturado
min
Los bajos requerimientos de vapor del sistema sorbente de fibras ejemplifica una de las principales ventajas de esta tecnología. Los contactores de aminas gas-líquido tradicionales tienen unos requisitos de regeneración de 1,3-1,5 toneladas de vapor por tonelada de CO2.
El agua tendrá una caída de presión sustancialmente mayor que el vapor; por lo tanto, se utilizó agua para determinar la caída de presión en los huecos.
m . agua 2,1x105 kg /min
Pagua 1000Kg / m3 v__ _ 8280cm/min _ 138cm/ s
agua A(31,8x106)(f·(160x10-4 cm/100)2)
x,Total
2!P
v_ Ri
agua 4JLfibra
vagua · 4JLfibra 138cm/ s· 4 ·(0, 0048g / cm-s)(600cm)
!P__ _ 623kPa _ 90, 37psia _ 5atm
agua 2
Ri (160x10-4 cm)2 ·10
Puesto que se supone que el vapor condensa en los huecos durante la etapa de desorción, la caída de presión necesaria será insignificante en comparación a la del agua utilizada en los huecos durante la parte de sorción del ciclo.
Uno de los muchos problemas asociados al diseño del sistema sorbente de fibras era el tiempo requerido para la transferencia de calor y masa. Se utilizaron correlaciones de transferencia de masa para flujo laminar a lo largo de haces de tubos para determinar el coeficiente de transferencia de masa de CO2 a través de la pared de la fibra.
0,33
d
kc Re1/2 [J]
_ 0,82 ·l jDAB PDAB Re _ 360
DCO2-N 2 _ 0, 2cm2/ s [18]
0, 2cm2/ s (2x10-4 )0,33
kc _· 0,82 ·3600,5 ·l A" 23,8 cm/ s 1200x10-4 cm 1,3x10-3 · 0, 2
Además, puede estimarse la difusividad efectiva en la pared de las fibras porosas, a saber
DAB fibra
D_
e T T ~ 3 _ 0, 50
fibra
De _ 0, 033cm2/ s
A partir de esto, se calculó las limitaciones de la magnitud de la transferencia de masa externa frente a la masa interna:
kcl
a_
KDe
(0, 58 -0, 36)gCO2 mol 1atm 83.14 323K
K _ _ 133
cm3MFI -atm 44g 1, 01bar
23,8cm/ s(440x10-4 cm)
a_ _ 0, 24
132(0, 033cm2 / s)
Se encontró que el valor a era bajo, lo que indica limitaciones de transferencia de masa externa. Se encontró que el tiempo para una saturación del 90% era de aproximadamente 0,55 segundos, estableciéndose de este modo el
10 tiempo de contacto mínimo requerido. Para garantizar aún más la validez de este enfoque de la captura de carbono, debe calcularse el tiempo necesario para el equilibrio térmico en las fibras. Como caso límite, se supone que el flujo esta completamente desarrollado de manera que se estableció el número de Nusselt.
h(lpared fibra )
Nu _ 3, 44 _
kagua
kagua _ 0, 64 W m· K
3, 44 ·(0, 64W / m· K) W
= h __ 5000 (440x10-4 cm/100) m2 K
15 La conductividad térmica efectiva de la pared de la fibra se determinó entonces como la media ponderada de la conductividad térmica de polímero, las partículas sorbentes, y el aire en los espacios vacíos y se estimó que es de 2,45 W/m-K. Se utilizaron gráficas de transferencia de calor para determinar el tiempo para el equilibrio térmico en las paredes de la fibra.
kfibra
Resistencia relativa [18] : m_ hfibra(lpared fibra )
W
2, 45
m· K
m_ _1, 25
5000 W (440 ·10-6 m)m2 · K
Distancia desde el centro de la pared de la fibra
Posición relativa : n _ _ 0
Mitad de grosor de la pared de la fibra Cambio de temperatura no conseguido _ 0,1%
apolímero ·tequilibrio
=� 11
l 2
apolímero _ 7, 93x10-5 m2/ s
11· (440x10-4 cm/100)2
tequilibrio __ 0, 027seg 7, 93x10-5 m2/ s
Se determinó que el tiempo de equilibrio era de 0,027 segundos, lo que demuestra que los rápidos ciclos térmicos requeridos son posibles. Este resultado también demuestra que el tiempo requerido para que el CO2 sea sorbido 25 localmente en el tamiz embebido en la pared no es significativo. Se supuso que las partículas de MFI son esferas (o
cubos) de 3 micras, y entonces se calculó el tiempo para que los tamices alcancen el 99% de la carga de equilibrio final.
DCO2-MFI es ~ 9x10-7 cm2/ s
DABtA una absorción de un 99%, 0, 75 _
R2
0, 752(1, 5x10-4 cm)2 t __ 0, 014 seg
9x10-7 cm2/ s
Si las partículas eran de 0,3 micras, esta escala de tiempo sería aún más insignificante. Por lo tanto, la mayor resistencia que se encontró fue la resistencia de la fase gas. Un control adicional fue el de la resistencia de los sorbentes de fibra, realizado para determinar la viabilidad del sistema de sorbente de fibras. Se utilizó el criterio de Von Misen para determinar si las fibras podrían resistir las presiones del lado del revestimiento así como las presiones de lado del hueco.
[( 2 )2 (()2 )2 ]1/2
l Pint (DE )Pext (DE )j
-
l A+ 3 l-1Al A
Pext
l Pext DI Pint DI j
2 :T y _ Límite elástico del sorbente de fibras (DE )
l A-1
DI Límite elástico del sorbente de fibras_ (1-)(1-Y13X )T y
_ (1-0, 50)(1-0, 7) · 40Mpa _ 6MPa [22 ]1/2 (5 )((1,3 ))
1,3ll -(3, 75)2 A+ 3ll -1(A 3, 75)2 Aj
l 1,3 5 j ·101325 : 6MPa
(3, 75)2 -1 2, 06MPa : 6MPa
Utilizando un límite elástico de la celulosa de 40 MPa, las fibras sirven todavía para ambas condiciones de flujo.
Para facilitar los costes de compresión es importante producir CO2 de alta pureza a la presión más alta posible, ya que los costes de compresión típicamente escalan inversamente con el orden de magnitud de la presión inicial. Después de que terminar la etapa de sorción y comenzar la etapa de desorción, se supuso que los espacios intersticiales entre las fibras estaban llenos de gas de escape (CO2 15% molar) y se cerraron las válvulas amortiguadoras. A media que el vapor fluye a través del hueco, el CO2 comenzará a desorberse y presurizar.
nCO2,sorbido _ 3, 36x106 g mol _ 76000mol 44g
T _ 50ºC _ 323K
V _ (0,88)x1200x2500x600cm3 _ 1, 58x109 cm3
83,14cm3bar
76000mol ··323K
mol · K
PCO2 _ 3 _ 1, 3bar _ 19 psi 1, 58x109 cm
La presión de desorción de 20 psia permite que aproximadamente un 25% del gas fluya hacia el exterior debido a diferencias de presión. Para extraer el resto, se iniciará la etapa de desorción, y el diferencial de presión empujará el resto del gas producto a presión atmosférica. Ciertamente, hay posibilidades de que corrientes de reciclaje de gases de escape ayuden en la etapa de desorción. A partir de aquí, el gas producto de CO2 será presurizado y enviado a unos centros de retención. En las figuras 5 y 6 puede apreciarse una visión general del sistema. Se añadieron varias unidad operativas a una central eléctrica típica, incluyendo bombas de agua, una segunda torre de refrigeración, dos ventiladores en serie, y un compresor de retención. Tal como puede verse en el diagrama de integración del proceso, este sistema puede adaptarse fácilmente a plantas NGCC e y IGCC.
En el diseño del sistema de RTSA, el DE y el DI de las fibras así como los sorbentes se seleccionaron para adaptarse al diseño del sistema; sin embargo, fue necesario material de identificación adicional. Para completar el diseño del sistema fue necesario adaptar los materiales adecuados de las fibras y la configuración de las fibras a los requisitos del sistema. La primera selección que se hizo fue la elección del polímero. Se consideraron dos candidatos, Hydrin©, y acetato de celulosa. La primera, el elastómero Hydrin©, fue considerada debido a sus robustas propiedades físicas. Sin embargo, el Hydrin© presenta muchos problemas, principalmente por la dificultad asociada a los elastómeros de hilado. La siguiente selección, el acetato de celulosa, se eligió como polímero vidrioso modelo debido a su facilidad de disponibilidad y la riqueza de la investigación realizada sobre el polímero. Además, el acetato de celulosa tiene una alta Tg lo que le permite resistir los rápidos ciclos térmicos asociados al sistema de RTSA. La Tg del acetato de celulosa en condiciones húmedas se reduce considerablemente, y los efectos de ésta requieren más estudios.
La siguiente consideración de diseño para las fibras huecas fue la morfología de la interfaz orgánica/inorgánica. Con el fin de maximizar las tasas de transferencia de masa a los sorbentes, se eligió como objetivo la morfología "sieve in a cage". El "sieve in a cage" es un fenómeno en el que las partículas de carga están poco adheridas (o no adheridas) a la matriz de polímero. (Véase figura 7). Se cree que las incompatibilidades polímero-carga así como la acumulación de tensiones del polímero durante el intercambio de disolvente son la causa del fenómeno "sieve in a cage".
Un aspecto del diseño de las fibras es la configuración de la capa de barrera del lado del lumen y la elección del material para esta capa de barrera. Se consideraron dos procedimientos para la formación de esta capa de barrera: procedimientos de hilado de doble capa y de tratamiento posterior. El hilado de doble capa permite crear directamente la capa de lumen a medida que se forma la fibra hueca. Este ejemplo se centra en el tratamiento posterior de las fibras. Los procedimientos de tratamiento posterior implican típicamente el lavado del exterior de la fibra con un polímero de calafateo adecuado. En este diseño, el tratamiento posterior se llevaría a cabo dentro del hueco de la fibra. Se eligió látex de dicloruro de polivinilideno (PVDC) como principal candidato para esta aplicación. El polímero tiene unos índices de permeabilidad al agua y al gas muy bajos, y una resistencia al calor suficiente para los rápidos ciclos térmicos de este sistema.
EJEMPLO 3: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
Se utilizó N-metil-pirrolidona (NMP) (ReagentPlus® 99%, Sigma-Aldrich, Milwaukee, WI) como disolvente en las soluciones de polímero, ya que es miscible en agua, y un disolvente fuerte para el acetato de celulosa. Se utilizó metanol (99,8%, ACS Reagent, Sigma-Aldrich) y hexanos (ACS Reagent, > 98,5%, Baker) para la parte de intercambio de disolvente de la formación de fibras. Se utilizó metanol para eliminar el exceso de agua de las fibras, y se utilizaron hexanos para intercambiar el exceso de metanol de las fibras. La intención es reemplazar los fluidos de alta tensión superficial por líquidos con menor tensión superficial para evitar que las fuerzas capilares colapsen la estructura de poros durante el secado. Todos los disolventes y no-disolventes se utilizaron tal como se recibieron, sin purificación o modificación.
Se eligió zeolita 13X (partículas de 1-3 micras, Sigma-Aldrich) como sorbente para dispersarse en la matriz de polímero. Una vez recibidas, las zeolitas se secaron a 230º C para eliminar cualquier exceso de materiales orgánicos de la síntesis. Tras el secado, se dejó que las zeolitas se saturaran con aire húmedo. Esto se hizo para evitar que las zeolitas adsorbieran NMP o agua en las soluciones de polímero y alejaran la solución de la línea binodal.
Acetato de celulosa (PM 60000, Sigma-Aldrich) y PVP (PM 55000, Sigma-Aldrich) fueron los polímeros utilizados en este ejemplo. Todos los polímeros se secaron en vacío a 110º C durante un día para extraer el agua adsorbida. Tras el secado, los polímeros se añadieron directamente a sus respectivas soluciones. Se eligió PVP como formador de poros sobre LiNO3, un formador de poros tradicional, ya que se encontró que el LiNO3 rompe las fibras de acetato de celulosa. El látex PVDC lo suministró SolVin Chemicals.
Se utilizó un aparato de hilado de fibras para crear los absorbentes de fibra. El aparato fue diseñado y construido de manera que emula sistemas de fibras industriales y es fácilmente escalable. Recientemente, muchos aparatos de hilado han venido utilizando hileras de doble capa de manera que pueden hilarse dos capas de polímero en contacto al mismo tiempo, actuando un polímero como capa de núcleo y otro actuando como capa de revestimiento de separación. Los aditivos de hilado de sorbentes de polímeros se prepararon mezclando un 80% de las cantidades requeridas de NMP y agua desionizada en un frasco de vidrio de 11 sellado con un tapón de PTFE. Se hizo un primer aditivo mezclando un 20% de las cantidades requeridas de NMP y agua en un frasco de vidrio de 500 ml con tapón de PTFE. A continuación, se añadió un 20% de la cantidad requerida de acetato de celulosa seca y PVP a la solución. La solución se mezcló en un rodillo a 50º C hasta que se produjo la disolución completa. Se añadió a continuación Zeolita 13X, en equilibrio con condiciones de humedad ambiental, a la mezcla NMP/H2O, y fue sonicada (cuerno de 1000 W max, Dukane, Sterling, VA) 3 veces durante 1 minuto con rupturas de 30 segundos. A continuación la solución principal se añadió a la solución de sonicación, y se realizó dos ciclos más de sonicación.
Finalmente, el acetato de celulosa seco y el PVP restante se añadieron a la mezcla y se colocaron en un rodillo a 50º C hasta que se produjo la disolución completa. Se realizaron aditivos en una composición variable de disolvente, no disolvente, y zeolita para determinar la línea binodal del sistema ternario mediante la técnica del punto de enturbiamiento para determinar un régimen de una fase o de dos fases. Se hicieron primero soluciones de polímero puro para determinar la binodal del polímero puro; una vez que se determinó, la relación entre polímeros y líquidos se mantuvo igual, y la relación entre NMP y H2O se mantuvo igual a medida que se añadían las zeolitas. Estos aditivos de muestra se cargaron en unas jeringas y fueron extruidos en DI H2O para determinar cualitativamente la velocidad de separación de fases.
El procedimiento de sorción de caída de presión se utilizó para determinar las isotermas de sorción del sorbente de fibras, y en la figura 8 puede apreciarse un esquema de la sorción. Las células de sorción se sumergieron en baños de aceite a temperatura constante. Después de cargar las muestras de sorbente de fibras, los baños de aceite se pusieron a 110º C y las células de muestra se expusieron a vacío para evacuar completamente la célula y los sorbentes de fibras. Después de la etapa de secado, el baño de aceite se puso a 45º C y se introdujo CO2 en el depósito (A) y se dio tiempo para llegar al equilibrio. Después que se estableciera el equilibrio térmico, la válvula de muestreo (B) se abrió brevemente para introducir el CO2 a la muestra de sorbente de fibras. Para cada expansión se registró la caída de presión en el tiempo, y a partir de un balance molar entre los dos depósitos se generó una isoterma de sorción. A partir de esto puede medirse la cinética del sorbente de fibras, al igual que las isotermas del sorbente de fibras. No obstante, debido a las limitaciones del experimento, no es posible moderar los efectos del calor térmico local dentro de la celda de muestra como en el actual sistema de RTSA.
Las propiedades de transporte de gas de los materiales absorbentes de fibras no tratadas fueron caracterizadas utilizando N2 y CO2 puro a presiones de alimentación en el lado del hueco de 137,9 – 206,85 KPa (20-30 psig). Se midió los caudales de producto filtrado del lado del revestimiento utilizando caudalímetros de burbujas cada 45 minutos hasta que las lecturas se encontraban dentro de un 5% de la lectura anterior. Las fibras tratadas se midieron utilizando N2 y CO2 puro a presiones de alimentación del lado del hueco de 482,65 – 551,6 KPa (70-80 psig), y los caudales de producto filtrado eran por transductores de presión aguas abajo una vez que se llegó al estado estacionario. Se utilizó micrografía por barrido electrónico (SEM) para determinar la estructura del poro del sorbente de fibras, interfaces polímero-carga, y sonda para defectos de la capa del lumen. Se empaparon fibras de intercambio de solventes en hexano durante 2 minutos, se transfirieron a N2 líquido, y se cortaron a la mitad utilizando dos pinzas de punta fina. Estas fibras fueron recubiertas posteriormente por pulverización catódica con un recubrimiento de oro de 10-20 nm de grosor (Modelo P-S1, ISI, Mountain View, CA), y fueron transferidas a un microscopio electrónico de barrido por emisión de campo de alta resolución, Leo 1530 (Leo Electron Microscopy, Cambridge, UK).
El procedimiento de tratamiento posterior se llevó a cabo diluyendo el látex de PVDC con la cantidad requerida de DI H2O (látex 40% vol, H2O 60% vol). Este látex diluido se cargó en una bomba ISCO (Modelo 500DM, Isco, Lincoln, NE), y se conectó a un módulo de permeabilidad de fibras. La solución se bombeó a través del hueco de las fibras a 10 psig durante 15 segundos. Después, el módulo se conectó a un cilindro de N2 y se barrió N2 húmedo (50% de HR) a través de los huecos de las fibras a 30 psig durante 10 minutos y la HR del efluente fue de un 40%. Este ciclo se repitió dos veces. Finalmente, N2 seco fue barrido a través de los huecos a 30 psig hasta que se encontró que la RH del efluente era del 0% (típicamente 1 hora).
EJEMPLO 4: ANÁLISIS DE COMPOSICIONES DE FIBRA
Usando las técnicas de punto de enturbiamiento y extrusión por jeringa, la solución de aditivo de polímero final elegida fue un 10% en peso de CA / 4% PVP / 30% zeolita 13X / 49,3% NMP / 6,7% agua. En la fase seca, esto corresponde a una carga de un 75% en peso de zeolita. Esta solución fue seleccionada debido a su rápida separación de fases en comparación con otras soluciones de CA y su alta carga de relleno. Los aditivos con una fase con una mayor proporción entre polímeros y líquidos se separaron muy lentamente y no habrían sido ideales para la hilatura. Los aditivos con una fase con mayores concentraciones de zeolita no pudieron introducirse a una fibra hueca sin fracturarla.
La primera serie de hilaturas se concentraron en la creación de fibras huecas monolíticas a un 75% en peso de zeolita 13X. Los principales retos fueron el tiempo de separación de fases de los aditivos de CA, el control sobre el gran DE (para fibras huecas poliméricas) mientras se mantiene todavía la capacidad de tirar de las fibras, y la determinación de la composición del fluido del hueco. Teniendo en cuenta estos retos, en la Tabla 2 pueden encontrarse los estados de hilatura utilizados.
TABLA 2
Aditivos de hilatura
Estados de hilatura
Componente
Aditivo del núcleo (% en peso) Parámetro
CA
10 Caudal del núcleo 100 ml/hr
PVP
4 Caudal del hueco 250 ml/hr
13X
30 Composición del hueco 80/20:NMP/H2O
NMP
49,3 Temperatura de funcionamiento 25ºC
H2O
6,7 Tasa de absorción 11,7 m/min
-
-
Espacio de aire 3cm
Se utilizó un baño de coagulación profunda para dar más tiempo a que las fibras incipientes se separaran completamente. Las bajas tasas de absorción se utilizaron debido a los requerimientos de grandes DE, y las altas velocidades de extrusión se utilizaron para manipular el hinchamiento en extrusión de la línea de manera que las fibras se encontraban inicialmente cerca del DE requerido. El fluido del hueco se seleccionó para que fuera principalmente NMP para que el agua no separara en fases rápidamente el interior de la fibra y eliminara el potencial de que la fibra se dispusiera sobre el tambor. Por último, se estableció que el espacio de aire fuera muy bajo para emular una hilatura en húmedo sin tener que sumergir realmente la hilera y provocar la separación de fases en el anillo. La hilatura en húmedo era deseable para que no se pudiera producir la evaporación no disolvente en el espacio de aire (como en la hilatura en seco-húmedo) y se formara una capa densa. Se encontró que las fibras resultantes eran mecánicamente fuertes y que podían ir a través de procedimientos normales de encapsulado de fibras.
Las imágenes del SEM de estas fibras revelan que se consiguieron muchos de los objetivos de diseño de las fibras. Tal como puede apreciarse en la figura 9A, el DE y el DI de las fibras están cerca del objetivo de diseño, siendo el DE de 1100 micras, y siendo el DI de 300 micras. En segundo lugar, en la figura 9B puede apreciarse una buena dispersión de sorbente por toda la matriz de polímero. Finalmente, la figura 9C indica la presencia de la morfología "sieve in a cage", un factor clave para un rápido transporte de masas a través de las fibras.
En esta fibra hueca monolítica se realizó una permeabilidad de gas para determinar la tasa de transferencia de masa a través de las fibras. Se encontró que las fibras eran no selectivas, con una tasa de permeabilidad de N2 de 60.000 unidades de permeabilidad de gas (GPU), donde
106 · cm3
1 GPU _ cm2 · s· cmHg
lo que indicaba que la estructura de poros de la fibra era abierta y continua.
Los experimentos de sorción sobre de sorbentes de fibras se compararon con los resultados de la literatura para la zeolita 13X ajustados a la temperatura correcta y con los resultados de la literatura de CA a la temperatura correcta. A continuación, en la figura 10 pueden apreciarse las isotermas de sorción de la fibra, y confirman la carga de zeolita en las fibras. Las capacidades de sorción de polímero y zeolita son aditivos dentro de la fibra (una capacidad de un 75% de zeolita pura añadida a una capacidad de un 25% de CA pura produce la capacidad del sorbente de fibras). Utilizando la primera expansión se realizó la cinética de sorción sobre las fibras sorbentes. Una de las principales limitaciones de las técnicas de sorción es la disipación de calor generado por la liberación de calor de sorción. Tal como puede verse en la figura 13, el tiempo medio medido fue aproximadamente 7 segundos. Una causa probable de una cinética más lenta que la prevista es que a medida que se sorbe el CO2 sobre la superficie de la 13X, se produce un aumento local de la temperatura no mediado por el calor de sorción liberado. Este aumento de calor local podría producir que la isoterma de sorción se desplace temporalmente hacia abajo, disminuyendo de este modo la capacidad de equilibrio del sorbente. Debido a la conducción de calor del baño de aceite, este aumento de temperatura será mediado eventualmente, y la sorción alcanzará un equilibrio. En el sistema de RTSA, el contacto íntimo de las paredes de las fibras con agua fría como un fluido de transferencia de calor debe mediar algunos de estos picos de temperatura local. Se desarrolló un modelo COMSOL para medir el tiempo que el calor es conducido fuera de la célula de sorción suponiendo un cambio de etapa en la temperatura. El tiempo para la disipación total de calor se representa en la misma figura, y claramente, el tiempo de transferencia de calor es el factor dominante para la sorción. (Véase la figura 11).
Se demostró que el procedimiento de tratamiento posterior del látex de PVDC es un procedimiento de creación de la capa del lumen simple y eficaz. El látex se diluyó en un 60% en volumen con DI H2O de modo que el látex podría fluir a través del hueco de la fibra a 68,95 KPa (10 psig). A niveles de dilución menores que éste, se encontró que la solución de látex bloqueaba el hueco de la fibra. En las figuras 9A-C y la figura 12 puede apreciarse un gradiente de porosidad que se extiende hacia afuera desde el hueco, densificándose la fibra hacia el lado del revestimiento de la fibra y siendo más porosa hacia el lado del hueco de la fibra. Este cambio en la porosidad actúa de protección intrínseca para el flujo de látex a través del hueco en aproximadamente 30 micras, y esto puede apreciarse en las figuras 13 A-C. El tratamiento posterior del látex produjo una capa de barrera muy densa que no ocupa espacio adicional en el interior del hueco, y requiere poca superficie dentro de la zona activa del cuerpo de la fibra sorbente. El látex se mueve a través de la zona porosa alrededor del hueco por fuerzas capilares, permitiendo que todos los poros se llenen. Durante el barrido de N2, se eliminó el exceso de agua en el látex, haciendo que la tensión superficial del agua de evaporación extraiga las partículas de polímero próximas, donde los surfactivos de la superficie de las partículas permiten que las partículas se enreden y formen una capa intrínsecamente sin defectos. Se utilizó N2 húmedo para controlar la velocidad de secado, de modo que los defectos en la capa de PVDC no quedaban encerrados de manera permanente. Sin N2 húmedo, se detectaron pequeños poros en la capa de barrera, muy probablemente debido a las altas tasas de evaporación de agua. (Véase, figura 14). Para ayudar al desarrollo de la capa de barrera, la fibra con tratado posterior se colocó en un horno de vacío a 100º C durante 24 horas para recocer la película de PVDC. Se realizó una permeabilidad de gas CO2 y N2 sobre las fibras sorbentes con tratamiento posterior. La densa capa de PVDC proporciona una resistencia significativa al transporte de gas, reduciendo la permeabilidad de N2 a aproximadamente 0,5 GPU a 482,65 KPa (70 psig). A medida que aumentaba la presión de alimentación en el lado del revestimiento aumentaba el flujo a través de la pared de la fibra, hasta que la capa de lumen estalló a una presión de 1034,25 KPa (150 psig).
Un problema que se encontró con los sorbentes de fibras fue el de la derivación de la capa del lumen. En una membrana de fibras huecas selectiva típica, la capa selectiva exterior quedaba sellada contra el material de encapsulamiento, forzando de este modo el paso de las corrientes de alimentación a través de la parte selectiva de la fibra (figura 15 A). En un sorbente de fibras, sin embargo, con la capa selectiva dispuesta en el interior de la fibra, no existe dicho sellado. Como tal, el agua y el vapor, introducidos en el lado del hueco, podrían derivarse a través de la estructura del núcleo de la fibra hacia el lado del revestimiento del colector. Además, el gas de escape desde la alimentación del lado del revestimiento podría escapar hacia los sistemas de agua y vapor (figura 15 B). Estas dos cuestiones, si no se abordan, tienen el potencial de hacer que el sistema de RTSA resulte ineficaz. Para contrarrestar esto, se ha desarrollado un procedimiento de "tapado" de las fibras en los sellados de encapsulamiento. Durante el procedimiento de tratamiento posterior, las fuerzas capilares presentes en la cara de la fibra tiran del látex hacia la punta de la fibra. Este látex se secó entonces utilizando un barrido de N2 a través de la cara de las fibras (figuras 15 C - D). Esto puede apreciarse en la figura 16. El éxito de esta técnica de tapado fue confirmado por la capacidad de realizar experimentos de permeabilización (un tapado ineficaz resultaría en una derivación de la permeabilización).

Claims (16)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Fibra sorbente, que comprende:
    una fibra hueca que comprende un material sorbente; un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca; y una capa de barrera esencialmente impermeable que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y el material sorbente.
  2. 2.
    Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que la fibra comprende, además, una matriz de polímero que comprende una pluralidad de trayectorias tortuosas, en la que el material sorbente está en comunicación hidráulica con por lo menos una parte de la trayectorias tortuosas.
  3. 3.
    Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho el material sorbente presenta una dimensión mayor media de menos de aproximadamente 10 micras.
  4. 4.
    Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que el material sorbente comprende menos de aproximadamente un 80% en peso de la fibra.
  5. 5.
    Fibra sorbente según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que comprende una tapa extrema no porosa dispuesta en cada extremo longitudinal de la fibra y la tapa extrema no porosa no inhibe el flujo de fluido a través del lumen.
  6. 6.
    Contactor de adsorción a base de fibras, comprendiendo el contactor:
    una cámara que comprende:
    una entrada de corriente de alimentación; una salida de corriente de alimentación; una entrada de fluido de transferencia de calor; una salida de fluido de transferencia de calor; una pluralidad de fibras huecas sustancialmente alineadas, en el que cada una de las fibras huecas comprende:
    una pluralidad de trayectorias tortuosas, en el que las trayectorias tortuosas están en comunicación hidráulica con la entrada de corriente de alimentación y la salida de corriente de alimentación; una pluralidad de elementos sorbentes en comunicación hidráulica con por lo menos una parte de la pluralidad de trayectorias tortuosas; un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca, en el que el lumen está en comunicación hidráulica con la entrada de fluido de transferencia de calor y la salida de fluido de transferencia de calor; y una capa de barrera esencialmente impermeable que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas.
  7. 7.
    Contactor de adsorción a base de fibras según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que por lo menos una de la pluralidad de fibras huecas comprende, además, una tapa extrema dispuesta en un extremo longitudinal de la fibra eficaz para evitar la comunicación hidráulica entre la pluralidad de trayectorias tortuosas y un medio de transferencia de calor en por lo menos una mayoría sustancial de las fibras huecas.
  8. 8.
    Contactor de adsorción a base de fibras según la reivindicación 7, caracterizado por el hecho de que comprende, además, un material aglutinante eficaz para conectar entre sí fibras adyacentes que, junto con las tapas extremas, evita la comunicación hidráulica entre el medio de transferencia de calor y la pluralidad de trayectorias tortuosas de fibras adyacentes.
  9. 9.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio, comprendiendo el procedimiento:
    poner en contacto un medio con una fibra hueca que comprende una pluralidad de trayectorias tortuosas, una pluralidad de elementos sorbentes en comunicación hidráulica con la pluralidad de trayectorias tortuosas, un lumen dispuesto dentro de la fibra hueca, y una capa de barrera esencialmente permeable que recubre el lumen para evitar la comunicación hidráulica entre el lumen y la pluralidad de trayectorias tortuosas; y adsorber selectivamente un componente del medio con el material sorbente.
  10. 10.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que comprende, además, evitar la comunicación hidráulica entre el medio y un fluido de intercambio de calor.
  11. 11.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que comprende, además, repetir las etapas de poner en contacto y adsorción selectiva.
  12. 12.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 11, caracterizado por el hecho de que una duración de ciclo entre adsorciones sucesivas es menor de aproximadamente 2 minutos.
  13. 13.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el componente es CO2, el medio comprende es CO2, y nitrógeno, y el material sorbente tiene una selectividad para adsorber CO2 sobre nitrógeno mayor de cinco.
  14. 14.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el componente se selecciona de CO2, SOx, NOx, y agua.
  15. 15.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 13, caracterizado por el hecho de que el medio comprende una corriente de gas de escape.
  16. 16.
    Procedimiento de adsorción de un componente de un medio según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el medio comprende por lo menos uno de gas de escape, gas natural, gas combustible, biogás, gas ciudad, gas residual, agua, gas de hulla, aire, u otro medio que contenga dióxido de carbono.
    REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIÓN
    Esta lista de referencias citadas por el solicitante es únicamente para la comodidad del lector. No forma parte del 5 documento de la patente europea. A pesar del cuidado tenido en la recopilación de las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la EPO niega toda responsabilidad en este sentido.
    Documentos de patentes citados en la descripción
    •
    EP 0434219 A • WO 2004024303 A
    •
    US 5288304 A
    Literatura diferente de patentes citada en la descripción
    • KOROS, W. J. ; D. R. PAUL. Design considerations for measurement of gas sorption in polymers by pressure decay. J. Polym. Sci.: Part B: Polym. Phys., 1976, vol. 14, 1903-7
ES08772173T 2007-06-27 2008-06-27 Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio Active ES2401744T3 (es)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US94647507P 2007-06-27 2007-06-27
US946475P 2007-06-27
US5159508P 2008-05-08 2008-05-08
US51595 2008-05-08
PCT/US2008/068587 WO2009003171A1 (en) 2007-06-27 2008-06-27 Sorbent fiber compositions and methods of temperature swing adsorption

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2401744T3 true ES2401744T3 (es) 2013-04-24

Family

ID=40186052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES08772173T Active ES2401744T3 (es) 2007-06-27 2008-06-27 Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio

Country Status (9)

Country Link
US (3) US8133308B2 (es)
EP (1) EP2164598B1 (es)
JP (3) JP5557213B2 (es)
AU (1) AU2008268143B2 (es)
CA (1) CA2691549C (es)
EA (1) EA017479B1 (es)
ES (1) ES2401744T3 (es)
SG (2) SG182962A1 (es)
WO (1) WO2009003171A1 (es)

Families Citing this family (93)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5557213B2 (ja) 2007-06-27 2014-07-23 ジョージア テック リサーチ コーポレーション 吸着繊維組成物および温度スイング吸着の方法
WO2009003174A1 (en) 2007-06-27 2008-12-31 Georgia Tech Research Corporation Sorbent fiber compositions and methods of using the same
US9630141B2 (en) * 2009-02-20 2017-04-25 Cameron Solutions, Inc. Membrane filter element with multiple fiber types
US8357432B2 (en) * 2009-03-04 2013-01-22 Xerox Corporation Mixed solvent process for preparing structured organic films
US8378958B2 (en) * 2009-03-24 2013-02-19 Apple Inc. White point control in backlights
US8377172B2 (en) * 2009-06-11 2013-02-19 Georgia Tech Research Corporation Fiber sorbents
GB0916485D0 (en) * 2009-09-18 2009-10-28 Hammond Peter Improved materials
US20110219802A1 (en) * 2010-03-09 2011-09-15 Exxonmobil Research And Engineering Company Sorption systems having improved cycle times
US20110239692A1 (en) * 2010-04-01 2011-10-06 Exxonmobil Research And Engineering Company Utilization of waste heat using fiber sorbent system and method of using same
US8425662B2 (en) 2010-04-02 2013-04-23 Battelle Memorial Institute Methods for associating or dissociating guest materials with a metal organic framework, systems for associating or dissociating guest materials within a series of metal organic frameworks, and gas separation assemblies
DE102010023327A1 (de) * 2010-06-10 2011-12-15 Süd-Chemie AG Trocknungsvorrichtung enthaltend ein Alumo-Phosphat
JP5669835B2 (ja) * 2010-06-11 2015-02-18 エネルギープロダクト 株式会社 ガス分離装置
US9567425B2 (en) 2010-06-15 2017-02-14 Xerox Corporation Periodic structured organic films
US8697322B2 (en) 2010-07-28 2014-04-15 Xerox Corporation Imaging members comprising structured organic films
US8318892B2 (en) 2010-07-28 2012-11-27 Xerox Corporation Capped structured organic film compositions
US8506782B2 (en) * 2010-08-13 2013-08-13 Southwest Research Institute Electrophoretic deposition of adsorbent media
US20120247327A1 (en) * 2010-09-27 2012-10-04 Conocophillips Company Hollow-fiber membrane contactors
US8383026B1 (en) 2010-10-21 2013-02-26 U.S Department Of Energy Fabrication of fiber supported ionic liquids and methods of use
TWI495501B (zh) * 2010-11-15 2015-08-11 Exxonmobil Upstream Res Co 動力分餾器及用於氣體混合物之分餾的循環法
US8759473B2 (en) 2011-03-08 2014-06-24 Xerox Corporation High mobility periodic structured organic films
US20120247330A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 Electric Power Research Institute, Inc. Method and apparatus for rapid adsorption-desorption co2 capture
US8353574B1 (en) 2011-06-30 2013-01-15 Xerox Corporation Ink jet faceplate coatings comprising structured organic films
US8410016B2 (en) 2011-07-13 2013-04-02 Xerox Corporation Application of porous structured organic films for gas storage
US8377999B2 (en) 2011-07-13 2013-02-19 Xerox Corporation Porous structured organic film compositions
US8313560B1 (en) * 2011-07-13 2012-11-20 Xerox Corporation Application of porous structured organic films for gas separation
WO2013012623A1 (en) * 2011-07-18 2013-01-24 Carrier Corporation Control of atmosphere within a closed environment
US8728218B2 (en) * 2011-09-15 2014-05-20 Corning Incorporated Sorbent substrates for CO2 capture and methods for forming the same
US8372566B1 (en) 2011-09-27 2013-02-12 Xerox Corporation Fluorinated structured organic film photoreceptor layers
US8460844B2 (en) 2011-09-27 2013-06-11 Xerox Corporation Robust photoreceptor surface layer
US8529997B2 (en) 2012-01-17 2013-09-10 Xerox Corporation Methods for preparing structured organic film micro-features by inkjet printing
JP6222625B2 (ja) * 2012-02-16 2017-11-01 富士フイルム株式会社 複合型分離膜、それを用いた分離膜モジュール
US9233339B2 (en) 2012-04-23 2016-01-12 Ut-Battelle, Llc Ionic liquid-functionalized mesoporous sorbents and their use in the capture of polluting gases
US8765340B2 (en) 2012-08-10 2014-07-01 Xerox Corporation Fluorinated structured organic film photoreceptor layers containing fluorinated secondary components
CN103877834B (zh) 2012-12-20 2016-08-10 财团法人工业技术研究院 除湿系统
CA2896836C (en) 2012-12-31 2021-12-28 Inventys Thermal Technologies Inc. System and method for integrated carbon dioxide gas separation from combustion gases
JP6008763B2 (ja) * 2013-03-13 2016-10-19 富士フイルム株式会社 有機半導体膜の形成方法
US8906462B2 (en) 2013-03-14 2014-12-09 Xerox Corporation Melt formulation process for preparing structured organic films
JP5900391B2 (ja) * 2013-03-19 2016-04-06 株式会社豊田中央研究所 熱交換型反応器及び吸着式ヒートポンプ
KR101559902B1 (ko) * 2013-08-12 2015-10-14 (주)세프라텍 흡착성 투과 폴리머 중공사막을 이용한 가스 흡탈착 분리 시스템
US9132410B2 (en) 2013-12-31 2015-09-15 Algenol Biotech LLC Compositions, systems and methods for separating ethanol from water and methods of making compositions for separating ethanol from water
US20170189866A1 (en) * 2014-05-24 2017-07-06 Georgia Tech Research Corporation Mixed Matrix Hollow Fiber Membranes
US9751042B2 (en) * 2014-07-18 2017-09-05 New Jersey Institute Of Technology Systems and methods for CO2 removal from flue gas by temperature swing absorption
AU2015294518B2 (en) 2014-07-25 2019-06-27 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system having a valve assembly and swing adsorption processes related thereto
EP3218326B1 (en) 2014-11-11 2020-03-04 ExxonMobil Upstream Research Company High capacity structures and monoliths via paste imprinting
US9713787B2 (en) 2014-12-10 2017-07-25 Exxonmobil Upstream Research Company Adsorbent-incorporated polymer fibers in packed bed and fabric contactors, and methods and devices using same
JP2018503507A (ja) 2014-12-23 2018-02-08 エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー 構造化吸着剤塔、その製造方法及びその使用
WO2016168644A1 (en) * 2015-04-17 2016-10-20 Georgia Tech Research Corporation Hollow fiber membranes for solubilizing a gas into a liquid, devices for same, and processes of same
AU2016265109B2 (en) 2015-05-15 2019-03-07 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto comprising mid-bed purge systems
AU2016265110B2 (en) 2015-05-15 2019-01-24 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
US10220345B2 (en) 2015-09-02 2019-03-05 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
US10124286B2 (en) 2015-09-02 2018-11-13 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
US10040022B2 (en) 2015-10-27 2018-08-07 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
CA3001336A1 (en) 2015-10-27 2017-05-04 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto having a plurality of valves
SG11201802604TA (en) 2015-10-27 2018-05-30 Exxonmobil Upstream Res Co Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto having actively-controlled feed poppet valves and passively controlled product valves
US10744449B2 (en) 2015-11-16 2020-08-18 Exxonmobil Upstream Research Company Adsorbent materials and methods of adsorbing carbon dioxide
CA3017612C (en) 2016-03-18 2021-06-22 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
JP2019512662A (ja) 2016-03-31 2019-05-16 インベンティーズ サーマル テクノロジーズ インコーポレイテッド 温度変動吸着式ガス分離
BR112018074420A2 (pt) 2016-05-31 2019-03-06 Exxonmobil Upstream Research Company aparelho e sistema para processos de adsorção por variação
CN109219476A (zh) 2016-05-31 2019-01-15 埃克森美孚上游研究公司 用于变吸附方法的装置和系统
US10434458B2 (en) 2016-08-31 2019-10-08 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes related thereto
EP3506992B1 (en) 2016-09-01 2024-04-17 ExxonMobil Technology and Engineering Company Swing adsorption processes for removing water using 3a zeolite structures
JP7021227B2 (ja) 2016-12-21 2022-02-16 エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー 活性材料を有する自己支持構造
KR102260066B1 (ko) 2016-12-21 2021-06-04 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니 발포형 기하구조 및 활물질을 갖는 자체-지지 구조물
US10315184B2 (en) 2017-04-17 2019-06-11 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Adsorbent-loaded beads for high temperature adsorption processes
WO2018126194A1 (en) 2016-12-31 2018-07-05 L'Air Liquide Société Anonyme Pour L'Étude Et L'Exploitation Des Procedes Georges Claude Sorbent-loaded fibers for high temperature adsorption processes
US10179310B2 (en) * 2017-03-31 2019-01-15 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Natural-gas purification apparatus
JP7031577B2 (ja) * 2017-04-04 2022-03-08 東レ株式会社 多孔質繊維および吸着カラム
US10525399B2 (en) 2017-04-17 2020-01-07 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Sorbent-loaded fibers for high temperature adsorption processes
US10525400B2 (en) 2017-04-17 2020-01-07 L'air Liquide Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Sorbent-loaded beads for high temperature adsorption processes
KR101933885B1 (ko) 2017-10-13 2018-12-31 한국에너지기술연구원 공유결합 유기구조체를 함유하는 이산화황 분리용 중공사막 및 이의 제조방법
CN109772097B (zh) * 2017-11-10 2020-07-03 中冶长天国际工程有限责任公司 活性炭法烟气净化装置及烟气净化方法
WO2019147516A1 (en) 2018-01-24 2019-08-01 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for temperature swing adsorption
WO2019168628A1 (en) 2018-02-28 2019-09-06 Exxonmobil Upstream Research Company Apparatus and system for swing adsorption processes
CN109529634B (zh) * 2018-10-30 2021-06-29 南京理工大学 金属有机骨架zif-67-pvdf中空纤维膜的制备方法
KR102203817B1 (ko) * 2018-12-14 2021-01-15 주식회사 앱스필 접촉막 공정을 위한 세라믹 중공사 모듈
KR102203813B1 (ko) * 2018-12-14 2021-01-15 주식회사 앱스필 성능 개선 세라믹 중공사 접촉막 모듈
WO2020131496A1 (en) 2018-12-21 2020-06-25 Exxonmobil Upstream Research Company Flow modulation systems, apparatus, and methods for cyclical swing adsorption
US11376545B2 (en) 2019-04-30 2022-07-05 Exxonmobil Upstream Research Company Rapid cycle adsorbent bed
TWI689345B (zh) * 2019-05-31 2020-04-01 純萃材料股份有限公司 吸附材料模組、氣體過濾結構及氣體過濾面罩
US20210008523A1 (en) 2019-07-12 2021-01-14 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Method of manufacturing high packing composite adsorbent bed
US11655910B2 (en) 2019-10-07 2023-05-23 ExxonMobil Technology and Engineering Company Adsorption processes and systems utilizing step lift control of hydraulically actuated poppet valves
US11433346B2 (en) 2019-10-16 2022-09-06 Exxonmobil Upstream Research Company Dehydration processes utilizing cationic zeolite RHO
US11850566B2 (en) 2020-11-24 2023-12-26 Aircela Inc. Synthetic fuel production system and related techniques
US20220250002A1 (en) * 2021-02-05 2022-08-11 General Electric Company Carbon dioxide capture system and method of capturing carbon dioxide
CA3210435A1 (en) 2021-03-03 2022-09-09 David P. Hopkinson Mixed matrix membrane with pvdf and mof for co2 capture and preparation thereof
US11738328B2 (en) 2021-04-30 2023-08-29 United States Department Of Energy Single-step synthesis of chemisorption fiber sorbents (CHEFS) for the capture of CO2 and removal of water contaminants
CA3213770A1 (en) * 2021-05-21 2022-11-24 ExxonMobil Technology and Engineering Company Polymeric sorbent fiber compositions incorporating metal organic frameworks
WO2023287632A1 (en) 2021-07-12 2023-01-19 Decarbontek LLC Porous solid amine adsorbents and applications
CN113274982B (zh) * 2021-07-19 2021-10-22 北京石墨烯技术研究院有限公司 重金属吸附剂及其制备方法和应用
US20230182064A1 (en) * 2021-12-10 2023-06-15 ExxonMobil Technology and Engineering Company Co2 removal from hydrocarbon containing feed using zeolite itq-55
CN114350417A (zh) * 2022-01-12 2022-04-15 新疆八一钢铁股份有限公司 一种焦炉煤气净化装置
US11918952B2 (en) 2022-05-18 2024-03-05 ExxonMobil Technology and Engineering Company Cyclical CO2 capture with integrated heat pump
CN115926154B (zh) * 2022-12-30 2023-10-27 徐州天虹银丰纺织有限公司 一种功能性纺织品及纺织面料用聚合物纤维的制备方法

Family Cites Families (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3925041A (en) * 1973-12-28 1975-12-09 Union Carbide Corp Thermal swing gas adsorber
JPS52115646U (es) * 1976-03-01 1977-09-02
US4238204A (en) * 1979-06-18 1980-12-09 Monsanto Company Selective adsorption process
JPS5722976Y2 (es) * 1979-08-27 1982-05-19
US4354859A (en) 1981-08-06 1982-10-19 Union Carbide Corporation Enhanced gas separation by selective adsorption
DE3803693A1 (de) * 1987-03-10 1988-09-22 Akzo Gmbh Mehrlagiger hohlfadenwickelkoerper
JPS63246657A (ja) * 1987-03-31 1988-10-13 Chuichi Hirayama ゲルクロマトグラフイ−カラム
US4960520A (en) * 1989-07-14 1990-10-02 The Regents Of The University Of Minnesota Method of removing organic volatile and semi-volatile contaminants from an aqueous solution
EP0434219B1 (en) * 1989-11-22 1995-02-01 Alberta Research Council Hollow fiber bundle element
US5139668A (en) * 1989-12-27 1992-08-18 Alberta Research Corporation Hollow fiber bundle element
US5288304A (en) * 1993-03-30 1994-02-22 The University Of Texas System Composite carbon fluid separation membranes
US5472613A (en) * 1993-04-19 1995-12-05 Envirosep Inc. Removing volatile and non-volatile organic in a thick film equilibrium process and device
US5468430A (en) * 1994-05-19 1995-11-21 L'air Liquide S.A. Process of making multicomponent or asymmetric gas separation membranes
US6165253A (en) * 1994-05-23 2000-12-26 New Jersey Institute Of Technology Apparatus for removal of volatile organic compounds from gaseous mixtures
US5693230A (en) * 1996-01-25 1997-12-02 Gas Research Institute Hollow fiber contactor and process
JP3774322B2 (ja) * 1998-06-15 2006-05-10 財団法人川村理化学研究所 表面多孔体の製造方法
DE19845526C5 (de) * 1998-10-02 2016-10-20 Mann+Hummel Innenraumfilter Gmbh & Co. Kg Filtermaterial für fluide Medien sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Filtermaterials
US6284206B1 (en) * 1999-03-22 2001-09-04 International Fuel Cells, Llc Compact selective oxidizer assemblage for a fuel cell power plant
JP2001157809A (ja) * 1999-12-02 2001-06-12 Nippon Sanso Corp オゾン吸脱着筒
US6503298B1 (en) * 2001-04-30 2003-01-07 Battelle Memorial Institute Apparatus and methods for hydrogen separation/purification utilizing rapidly cycled thermal swing sorption
ATE337070T1 (de) * 2001-06-08 2006-09-15 Donaldson Co Inc Adsorptionselement und -verfahren
JP3917871B2 (ja) * 2002-02-01 2007-05-23 三菱重工業株式会社 ガス吸着エレメント
JP3567154B2 (ja) * 2002-03-04 2004-09-22 フロンティア・ラボ株式会社 試料採取器
US6706092B2 (en) * 2002-04-17 2004-03-16 Alliedsignal Inc. Chemical/Biological decontamination filter
DE10242078A1 (de) * 2002-09-09 2004-03-18 Saxonia Bio Tec Gmbh Faserkassette und modular aufgebautes Kassettensystem
WO2004037387A2 (en) * 2002-10-24 2004-05-06 Bayer Charlene W Filters and methods of making and using the same
US20060049102A1 (en) * 2004-09-03 2006-03-09 Miller Jeffrey T Ionic polymer membranes
US8007671B2 (en) * 2005-08-15 2011-08-30 Streamline Capital, Inc. Microfiltration devices
US20080011163A1 (en) 2006-07-17 2008-01-17 Mcclain Michael S Sorbent porous polymeric composite materials
JP2008281281A (ja) * 2007-05-11 2008-11-20 Japan Exlan Co Ltd 収着モジュールおよびその製造方法
WO2009003174A1 (en) 2007-06-27 2008-12-31 Georgia Tech Research Corporation Sorbent fiber compositions and methods of using the same
JP5557213B2 (ja) 2007-06-27 2014-07-23 ジョージア テック リサーチ コーポレーション 吸着繊維組成物および温度スイング吸着の方法

Also Published As

Publication number Publication date
CA2691549A1 (en) 2008-12-31
US8133308B2 (en) 2012-03-13
CA2691549C (en) 2014-10-28
JP5557213B2 (ja) 2014-07-23
SG182962A1 (en) 2012-08-30
JP2010532710A (ja) 2010-10-14
JP5802890B2 (ja) 2015-11-04
EP2164598B1 (en) 2013-01-02
AU2008268143A1 (en) 2008-12-31
WO2009003171A1 (en) 2008-12-31
US20130036905A1 (en) 2013-02-14
SG10201509532SA (en) 2015-12-30
EA017479B1 (ru) 2012-12-28
US8409332B2 (en) 2013-04-02
JP5802889B2 (ja) 2015-11-04
JP2012210625A (ja) 2012-11-01
EP2164598A1 (en) 2010-03-24
US20120152117A1 (en) 2012-06-21
US20090025555A1 (en) 2009-01-29
AU2008268143B2 (en) 2012-09-20
EP2164598A4 (en) 2011-08-24
US8257474B2 (en) 2012-09-04
JP2012228686A (ja) 2012-11-22
EA201070069A1 (ru) 2010-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2401744T3 (es) Fibra hueca sorbente y procedimiento para adsorber un componente de un medio
Lively et al. Hollow fiber adsorbents for CO2 capture: Kinetic sorption performance
RU2705340C2 (ru) Адсорбирующие материалы и способы их применения
JP6181835B1 (ja) ガス回収濃縮装置
US9120049B2 (en) Apparatus and systems having a rotary valve assembly and swing adsorption processes related thereto
US8673059B2 (en) Rapid temperature swing adsorption contactors for gas separation
US8377172B2 (en) Fiber sorbents
US9162175B2 (en) Apparatus and systems having compact configuration multiple swing adsorption beds and methods related thereto
US9144766B2 (en) Method and apparatus for rapid adsorption-desorption CO2 capture
ES2510547T3 (es) Capas de protección para dispositivos de absorción con oscilación de presión de ciclo rápido
JP2019171256A (ja) ガス回収濃縮装置
CN103764255A (zh) 热集成的吸附-脱附系统和方法
KR101571966B1 (ko) 이산화탄소 포집장치
Wright et al. Capture of carbon dioxide (CO 2) from air