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Dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico mediante control térmico del proceso de licuación
ES2549364A1
Spain
- Other languages
English - Inventor
Enrique GONZÁLEZ BLANCO - Current Assignee
- ENRIQUE GONZALEZ BLANCO
Worldwide applications
2014
ES
Application ES201500002A events
2014-06-26
2014-06-26
2015-10-27
2016-02-26
Application granted
2016-02-26
Status
Active
2034-06-26
Anticipated expiration
Description
translated from
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico mediante control térmico del proceso de licuación.
5
Objeto de la invención
La invención se refiere a un dispositivo destinado a la extracción del CO2 contenido en la atmósfera, empleando el aire comprimido producido por otro dispositivo.
10
Las principales características consisten, en la captura de CO2 en estado líquido directamente de la atmósfera, facilitando así su almacenamiento y obteniéndose el anhídrido carbónico líquido mediante el control preciso de la temperatura del proceso de licuación.
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Campo de aplicación de la invención
La invención se encuadra en el sector de la lucha contra los efectos del cambio climático y dentro de éste en los dispositivos que capturan anhídrido carbónico de la atmósfera.
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Antecedentes de la invención
Actualmente, los efectos del cambio climático debido al anhídrido carbónico resultante de la quema de combustibles fósiles, constituye uno de los principales problemas mundiales. Una de las acciones demandadas por los expertos científicos de la ONU como solución a 25 dicho problema, es la captura de anhídrido carbónico. Existen dos procedimientos de retirada de CO2 atmosférico.
El primero, consiste en capturar el anhídrido carbónico en los propios focos de emisión, es decir, en los sistemas de evacuación de gases de escape de fábricas y centrales 30 eléctricas. Este procedimiento es el que se encuentra más desarrollado, siendo aplicado actualmente en algunas instalaciones industriales.
El segundo, consiste en capturar el anhídrido carbónico directamente de la atmósfera. Este procedimiento es de difícil aplicación, debido a la baja concentración de anhídrido 35 carbónico en el gas atmosférico. En el estado de la técnica, se han desarrollado unos dispositivos de captura directa del CO2 atmosférico por medio de procedimientos químicos. Estos emplean óxidos e hidróxidos para formar carbonatos con el anhídrido carbónico del aire atmosférico, o aminas que incorporan el CO2 atmosférico. Estos carbonatos al calentarse liberan los óxidos e hidróxidos para su reutilización posterior y el 40 anhídrido carbónico, objetivo del procedimiento. Con las aminas se utiliza el mismo procedimiento.
No obstante, estos dispositivos tienen unos serios inconvenientes. Primero, necesitan la aportación de calor al proceso de captura. Por lo tanto, consumen energía y si ésta no 45 procede de fuentes de energía renovables, están aportando anhídrido carbónico a la atmósfera. Segundo, el anhídrido carbónico capturado por estos sistemas se encuentra en estado gaseoso y a elevada temperatura, lo cual dificulta su almacenamiento y transporte. Con el propósito de lograr un almacenaje y transporte económicamente rentables, es necesario licuar el CO2 capturado, lo que implica consumir aún más energía 50
Tercero, la dependencia de un suministro energético exterior limita las zonas de establecimiento de operación de estos dispositivos.
Sería por lo tanto deseable encontrar un dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico, el cual no necesite un suministro de energía exterior. El anhídrido carbónico 5 sería capturado en estado líquido y el dispositivo debería operar en cualquier zona
Para lo cual la presente invención aporta las siguientes características:
1º Emplea, la presión transmitida por un dispositivo al aire atmosférico, en un proceso de 10 aumento de la concentración de anhídrido carbónico mediante separación de gases y en la disminución de temperatura del aire resultante de esta separación de gases, hasta alcanzar la temperatura de licuefacción del CO2 y como resultado separar el anhídrido carbónico en estado líquido del aire.
15
2º La licuefacción del CO2 se produce en unas cámaras cuya temperatura es regulada de forma precisa mediante un sistema de intercambiadores y electroválvulas.
3º El aire atmosférico comprimido se obtiene directamente de un dispositivo de captación de energía renovable, con lo que la invención posee una total movilidad. 20
Todas estas características consiguen que la invención pueda capturar el anhídrido carbónico atmosférico por sus propios medios y sin aporte de energía exterior, pudiendo operar en cualquier zona y suministrando directamente en estado líquido el CO2 capturado, posibilitando su almacenamiento y transporte. 25
Por parte del solicitante se desconoce la existencia de alguna invención que reúna las novedosas características presentes en la invención aquí propuesta y cuyos elementos caracterizadores se detallan a continuación
30
Descripción de la invención
El dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico mediante control térmico del proceso de licuación, consiste en unos medios expansores, como por ejemplo unos turbo-expansores, del aire atmosférico comprimido previamente por un dispositivo 35 utilizando trabajo mecánico. En la expansión del aire comprimido, se disminuye su temperatura por el efecto Joule-Thomson, hasta alcanzar la temperatura de licuefacción del anhídrido carbónico. Esta temperatura depende de la presión a la que esté sometido el gas carbónico, como indica la figura 1.
40
Esta figura 1, muestra el diagrama termodinámico presión-temperatura del CO2, con sus distintas fases. La característica fundamental de la invención consiste en regular exactamente la temperatura, con el fin de lograr que la licuación del anhídrido carbónico suceda en unos medios de precipitación de CO2, como por ejemplo un serpentín de goteo. Cada uno de estos medios de precipitación se sitúa en el interior de un medio de 45 recepción de CO2 líquido, como por ejemplo una cámara receptora de líquido. El aire a baja temperatura circula alternativamente por dos o más medios de precipitación. Dicha alternancia sucede según éstos quedan inoperativos debido a la posible solidificación del CO2 en su interior. Primero el aire circula por uno de los medios de precipitación y cuando éste es obstruido por hielo seco (CO2 líquido), se desvía el flujo de aire hacia otro 50 medio de precipitación, libre de hielo seco. En los medios de precipitación obstruidos, el
hielo seco es eliminado recirculando aire descarbonizado (sin CO2). Este se obtiene a la salida de los medios de precipitación, para a continuación elevar su temperatura en unos medios de intercambio de calor.
Con el fin de no elevar excesivamente la temperatura del medio de precipitación 5 obstruido, este aire descarbonizado logra la temperatura precisa con la que fundir el hielo seco, formando su caudal con la mezcla de los caudales de salida de cada uno de los medios de intercambio de calor. Esta mezcla de caudales es realizada por un medio de gestión, como por ejemplo un sistema informático, controlando éste unos medios de mezcla, regulación y control, como por ejemplo unos sensores de presión, temperatura y 10 electroválvulas de caudal variable. Los medios de intercambio de calor se sitúan, conectados uno a continuación de otro, a la salida del aire descarbonizado de los medios de precipitación. Los medios de intercambio de calor reciben el calor necesario, con el que cumplir su función reguladora de temperatura, del aire atmosférico procedente del exterior que transcurre sucesivamente por los medios de intercambio de calor. 15
El caudal de aire, mezcla de los caudales de aire de salida de los medios de intercambio de calor, se utiliza con la temperatura adecuada, para que al unir su caudal con el caudal del aire con CO2 de entrada a los medios de precipitación, evitar la formación de hielo seco y conseguir, el mayor tiempo posible, un fluir continuo de anhídrido carbónico 20 líquido. La obtención directa de CO2 en estado líquido es la principal característica de la invención.
El aire descarbonizado, a la salida de los medios de intercambio de calor del control de temperatura, tiene elevada presión y baja temperatura. En estas condiciones dicho aire 25 no puede ser expulsado a la atmósfera, ya que el rendimiento de la invención seria mínimo. Por dicho motivo el aire descarbonizado cede su alta presión y baja temperatura, al aire atmosférico procedente del exterior en un medio de recuperación de energía, formado por unos medios de intercambio de calor y unos medios de intercambio de presión. El aire atmosférico a la salida del recuperador de energía, con presión 30 incrementada y baja temperatura, se mezcla con el aire comprimido atmosférico inicial.
Una vez descritas las características principales de la invención, se describen a continuación las características adicionales.
35
El aire atmosférico procedente del exterior, al transcurrir primero por el medio recuperador de energía, consigue presión y baja temperatura. Al circular a continuación por los medios de, intercambio de calor de control de temperatura logra bajar más su temperatura A la salida de éstos últimos, el aire recibe la presión del CO2 líquido procedente de la cámara de líquido, a través de un medio de transmisión de presión, 40 como por ejemplo un turbo-compresor. A la salida de éste, el aire eleva aún más su presión, suministrada por un medio de presión, como por ejemplo un compresor, accionado con el trabajo cedido en el turbo-expansor.
El aire resultante de estos procesos se une con el aire atmosférico comprimido 45 inicialmente por el dispositivo e inician el proceso de expansión. La mezcla de aires, antes de su expansión, eleva su concentración de CO2 mediante unos medios de separación de gases, como por ejemplo unos separadores de nitrógeno. Al separar un alto porcentaje de este gas, el rendimiento de la invención aumenta en gran medida, ya que al disminuir el componente principal del aire, el resto de componentes aumentan en 50 porcentaje.
El aire comprimido atmosférico inicial, es decir el que no proviene del medio de recuperación de energía, puede conseguir su presión mediante el trabajo de un dispositivo de energía renovable, como por ejemplo un aerogenerador que comprima el aire atmosférico directamente. Con esta solución la invención es completamente autónoma, es decir no necesita suministro energético exterior, pudiendo operar en 5 cualquier zona.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una 10 mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
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Figura 1.- Muestra el diagrama termodinámico presión-temperatura del anhídrido carbónico, con sus distintas fases.
Figura 2.- Muestra el esquema de una posible realización preferente de la invención, con todos sus componentes y conexiones entre ellos. 20
Figura 3.- Muestra una vista del serpentín de goteo con los orificios de precipitación de CO2 líquido y los sensores de temperatura de serpentín.
Realización preferente de la invención 25
A la vista de las figuras se puede observar en ellas un ejemplo de realización preferente de la invención. Se describe a continuación detalladamente los componentes de la invención mostrados en las figuras.
30
La figura 2 muestra el esquema de una realización preferente de la invención, cuyo funcionamiento y componentes, se describe a continuación detalladamente.
En esta realización preferente de la invención, el aire atmosférico es comprimido por medio de un dispositivo de captación de energía eólica, el cual acciona unos medios de 35 compresión de aire. Este aire es almacenado en unos depósitos (1), en los cuales el aire, al disminuir de temperatura, condensa el vapor de agua que contiene.
El aire deshidratado y a alta presión procedente de los depósitos (1) y regulada su presión mediante el regulador de presión con válvula antirretorno (14), se dirige al 40 separador 1 (2), donde mediante una membrana polimérica, se separa un alto porcentaje de nitrógeno del aire. El aire desnitrogenado se dirige al separador 2 (3), donde mediante otra membrana polimérica, se separa un alto porcentaje del nitrógeno restante. El aire resultante, debido a su bajo contenido de nitrógeno, contiene un mayor porcentaje de CO2, con lo cual el rendimiento de captura de CO2 aumenta. El nitrógeno con elevada 45 presión, procedente de los dos separadores de gases, se dirige a la turbina del turbo-compresor 1 (4), donde cede su energía. Esta se transmite, mediante el compresor del turbo-compresor 1 (4), al aire exterior, antes de ser enviado al dispositivo de energía eólica. El nitrógeno sin presión es expulsado al exterior. Otra opción sería conservar su presión y utilizarla para su almacenaje en depósitos, con el fin de su aprovechamiento 50 industrial.
El aire con bajo porcentaje de nitrógeno, a la salida del separador 2 (3), se expande en el turbo-expansor (5), bajando su temperatura hasta el punto de licuefacción del CO2. A continuación se dirige hacia la cámara de licuefacción de CO2 (6), en donde el CO2 contenido en el aire precipita en estado líquido. El aire ya descarbonizado, con alta presión y baja temperatura, se dirige hacia los intercambiadores de control de 5 licuefacción de CO2 (8) (su función se describe más tarde) y a continuación al recuperador de energía del aire (7). En éste, el aire descarbonizado transcurre por una batería de intercambiadores de calor (9) intercalados con turbo-compresores (10), cediendo su baja temperatura y alta presión al aire con CO2 procedente del exterior, antes de ser expulsado a la atmósfera El aire procedente del exterior, después de realizar 10 su recorrido por el recuperador de energía (7) y los intercambiadores de control de licuefacción de CO2 (8), consigue elevar su presión y disminuir su temperatura En el compresor de aire (11), accionado mediante la turbina de CO2 líquido (12), a este aire se le transmite la elevada presión procedente del CO2 líquido con alta presión de la salida de la cámara de licuefacción de CO2 (6). El CO2 líquido a la salida de la turbina de CO2 15 líquido (12), es enviado al depósito de almacenamiento. El aire con CO2, a la salida del compresor de aire (11), se dirige hacia el compresor 2 (13) donde nuevamente es elevado de presión, para a continuación unirse con el aire procedente de los depósitos (1), e iniciar nuevamente el ciclo de licuefacción de CO2.
20
La cámara de licuefacción de CO2 (6) está dividida en dos zonas iguales, según indica la figura 2. Cada una consta de una electroválvula de tres vías (15), una electroválvula de caudal variable de serpentín (16), un serpentín de goteo (17) y la cubeta de líquido (18). En el serpentín de goteo (17), como indica la figura 3, el CO2 se licua y cae por unos orificios (24) a la cubeta de líquido (18). Debido a la posible solidificación del CO2 en el 25 serpentín de goteo (17) y como consecuencia su posible obstrucción, las dos electroválvulas de tres vías (15) conmutan el paso del aire con CO2 entre las dos zonas de la cámara de licuefacción de CO2 (6). De esta forma, mientras en una de ellas el CO2 del aire es licuado, en la otra se recircula el aire descarbonizado y con temperatura más elevada. Este aire procede de los intercambiadores de control de licuefacción de CO2 (8) 30 (formado por tres intercambiadores (19)), con el propósito de fundir el CO2 sólido y precipitarlo a la cubeta de líquido (18). Una vez conseguida la eliminación del hielo seco de una de las zonas, mediante la conmutación de las electroválvulas (15) se procede al fundido de hielo seco de la otra zona
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El caudal de aire descarbonizado recirculado, proveniente de de las salidas de los tres intercambiadores (19) (que operan a la misma presión que la cámara de licuefacción de CO2 (6), con el fin de que el aire de recirculación pueda regresar a la misma), se forma mediante el aporte de caudal de cada uno de los intercambiadores (19), mediante las electroválvulas de caudal variable (20). Estas, son accionadas por el sistema informático 40 de la realización preferente de la invención. Este, calcula la distribución de caudales mediante la información aportada por los sensores de temperatura de caudal parcial (21) (situados a la salida de cada intercambiador (19)), comparando estas temperaturas con la facilitada por el sensor de temperatura de caudal total (22) (situado en el punto de entrada del aire descarbonizado de recirculación a la cámara de licuefacción de CO2 (6)) 45 y con la lectura de los sensores de temperatura de serpentín (23), situados a lo largo del recorrido de los serpentines de CO2 (17), según indica la figura 3. Con esta mezcla de caudales a distinta temperatura, se consigue mantener la temperatura necesaria para la fusión del hielo seco en los serpentines (17). Esta temperatura depende de la presión: de trabajo de la realización preferente de la invención. 50
La figura 3 muestra un detalle del serpentín de goteo (17) con sus orificios (24) de precipitación de CO2 líquido, algunos de los cuales se encuentran obstruidos por hielo seco. El serpentín de goteo (17) está constituido por una tubería de acero inoxidable en forma de zig-zag. En ella, el aire frío precipita el anhídrido carbónico que contiene a lo largo del recorrido de la tubería, drenando el líquido formado por medio de los orificios 5 (24) situados al final de la tubería. Con el fin de obtener un control exacto del proceso de formación de líquido, se encuentran distribuidos por todo el recorrido de la tubería los sensores de temperatura de serpentín (23), como indica la figura 3.
Con el propósito de conseguir una temperatura estable de licuefacción de CO2 y evitar al 10 máximo posible la formación de hielo seco en el serpentín (17), existe en la tubería de recirculación, antes de la electroválvula de tres vías (15), la electroválvula de caudal variable de serpentín (16). Mediante la misma, mientras se realiza el ciclo de eliminación del hielo seco en una de las zonas de la cámara de licuefacción de CO2 (6), en la otra se introduce en su serpentín (17) pequeños volúmenes de aire recirculado descarbonizado, 15 con una temperatura más elevada que la del serpentín (17).
Además de los sensores de temperatura descritos, existen sensores de temperatura y presión, no representados en la figura 2, situados a lo largo de todo el circuito.
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Claims (4)
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Claims (4)
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- REIVINDICACIONES1. Dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico mediante control térmico del proceso de licuación, del tipo que consta de unos medios expansores (5) del aire atmosférico comprimido, empleados con el fin de disminuir la temperatura del aire 5 atmosférico por el efecto Joule-Thomson hasta la temperatura de licuación del anhídrido carbónico, caracterizado por el hecho de que a la salida de los medios expansores (5), el anhídrido carbónico contenido en el aire atmosférico precipita al circular este aire alternativamente por dos o más medios de precipitación (17) de anhídrido carbónico líquido, situados dentro de dos o más recintos de recepción del anhídrido carbónico 10 líquido (6), produciendo unos medios de regulación la alternancia de circulación del aire atmosférico de un medio de precipitación (17) a otro, según éstos dejan de ser operativos debido a la solidificación del anhídrido carbónico líquido en su interior, devolviendo los medios de precipitación (17) desactivados a su estado operativo mediante la recirculación en éstos del aire desprovisto de anhídrido carbónico saliente de los medios de 15 precipitación (17), consiguiendo este aire de recirculación la temperatura necesaria para su función, mezclando los caudales del aire de salida de cada uno de los medios de intercambio de calor (19), conectados estos últimos uno a continuación de otro a la salida del aire sin anhídrido carbónico de los medios de precipitación (17), recibiendo estos medios de intercambio de calor (19) el calor necesario para esta regulación de 20 temperatura del aire con anhídrido carbónico procedente de la atmósfera; porque el caudal de aire formado con la mezcla de los caudales de aire de salida de los medios de intercambio de calor (19), se utiliza con la temperatura definida y necesaria para que al mezclarlo con el aire con anhídrido carbónico de entrada a los medios de precipitación (17), conseguir evitar la solidificación del anhídrido carbónico en los mismos; y porque el 25 aire sin anhídrido carbónico a la salida de los medios de intercambio de calor de control de temperatura (19), cede su baja temperatura y elevada presión al aire con anhídrido carbónico procedente de la atmósfera, mediante un medio recuperador de energía (7) constituido por unos medios de intercambio de calor (9) y unos medios de intercambio de presión (10). 30
- 2. Dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico mediante control térmico del proceso de licuación, según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que al aire atmosférico, procedente consecutivamente del medio recuperador de energía (7) y de los medios de intercambio de calor de control de temperatura (19), se le transmite la presión 35 del anhídrido carbónico líquido procedente de los recintos de recepción de anhídrido carbónico líquido (6) y es elevada nuevamente su presión mediante el trabajo cedido en los medios expansores (5).
- 3. Dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico mediante control térmico del 40 proceso de licuación, según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el aire atmosférico comprimido antes de ser expandido en los medios expansores (5), eleva su concentración de anhídrido carbónico por medio de unos medios separadores de gases (2) y (3), los cuales separan un elevado porcentaje de nitrógeno del aire atmosférico antes de su expansión. 45
- 4. Dispositivo de captura de anhídrido carbónico atmosférico mediante control térmico del proceso de licuación, según reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que el aire atmosférico comprimido expandido en los medios expansores (5), que no proviene del medio de recuperación de energía (7), adquiere su presión mediante el trabajo de un 50 dispositivo de energía renovable.