ES3014409T3 - Continuous process and system for the production of sodium bicarbonate crystals - Google Patents

Continuous process and system for the production of sodium bicarbonate crystals Download PDF

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ES3014409T3 ES21823562T ES21823562T ES3014409T3 ES 3014409 T3 ES3014409 T3 ES 3014409T3 ES 21823562 T ES21823562 T ES 21823562T ES 21823562 T ES21823562 T ES 21823562T ES 3014409 T3 ES3014409 T3 ES 3014409T3
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Alconero Patricia Luis
Sefidi Vida Sang
Alvarez Mar Garcia
Marie-Charlotte Sparenberg
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Abstract

La presente invención se refiere a un proceso continuo para la producción de cristales de bicarbonato de sodio a partir del dióxido de carbono de una corriente gaseosa. Este proceso comprende una etapa de absorción del dióxido de carbono de la corriente gaseosa en una solución acuosa que contiene una sal de carbonato de sodio para producir una solución acuosa de bicarbonato de sodio, seguida de una etapa de cristalización de la sal de bicarbonato de sodio obtenida en la primera etapa. La invención también se refiere a un sistema para la producción de cristales de bicarbonato de sodio a partir del dióxido de carbono de una corriente gaseosa que comprende una unidad de control 10, una unidad de absorción 20 y una unidad de cristalización 30. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Proceso continuo y sistema para la producción de cristales de bicarbonato de sodio
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un proceso continuo para la producción de cristales de bicarbonato de sodio a partir del dióxido de carbono de una corriente de gas.
La invención también se refiere a un sistema para la producción continua de cristales de bicarbonato sódico a partir de dióxido de carbono de una corriente de gas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El calentamiento global es una preocupación importante. El alarmante aumento de los niveles de CO2 en la atmósfera está impulsando a la comunidad investigadora y a la industria a buscar soluciones para frenar el aumento constante de la temperatura global y sus drásticas consecuencias. Las autoridades gubernamentales y las conferencias internacionales tienen como objetivo reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y fomentar el desarrollo de procesos sostenibles que utilicen fuentes renovables. Con el fin de reducir las emisiones del sector industrial, la captura y reutilización del dióxido de carbono como materia prima en la fabricación de productos comercializables puede llegar a ser no sólo económicamente viable, sino también un negocio rentable.
Entre los muchos posibles productos químicos fabricados a partir de CO2, el bicarbonato de sodio (NaHCO3) es de especial interés, ya que es una sal inorgánica que puede utilizarse para numerosas aplicaciones en las industrias química, alimentaria, textil y farmacéutica y, en función del proceso de producción, tiene un potencial de mitigación del carbono que contribuye a suavizar el efecto invernadero.
Con respecto a la producción de bicarbonato de sodio a partir de la reutilización del CO2, son necesarios cuatro etapas principales: purificación de CO2 , disolución de carbonato de sodio, reacción de carbonatación y separación del bicarbonato de sodio.
El bicarbonato de sodio es una sal blanca en polvo que se caracteriza por ser una sustancia química soluble en agua. Inicialmente, la producción de bicarbonato de sodio a escala industrial comenzó en 1846. Más tarde, en 1860, el químico industrial belga Ernest Solvay desarrolló un método industrial mejorado para la producción de carbonato y bicarbonato de sodio.
Debido a la alta demanda de bicarbonato de sodio, se han realizado estudios con el propósito de proponer rutas de producción de bicarbonato de sodio que presenten mayores conversiones, flexibilidad de materias primas y también económicamente viables, contribuyendo a la mitigación del CO2.
Hasta la fecha, se han desarrollado dos rutas principales, a saber, el proceso Solvay y la carbonatación de carbonato de sodio a partir de trona. Entre las principales materias primas utilizadas en el proceso de producción del bicarbonato sódico, el cloruro sódico se presenta como la más viable desde el punto de vista económico, mientras que el carbonato sódico se indica como la alternativa más viable desde el punto de vista medioambiental.
Tradicionalmente, la producción mundial de bicarbonato de sodio se realizaba principalmente mediante el proceso Solvay, utilizando CO2, NH3 y NaCl como principales reactivos. Sin embargo, la presencia de amoníaco, que se considera un compuesto peligroso para el medio ambiente y la salud, sigue siendo uno de los principales inconvenientes del proceso Solvay y las empresas del sector recurren al proceso de carbonatación de ceniza de sosa a partir de trona para producir bicarbonato sódico a gran escala.
El mineral natural trona (Na2CO3-NAhCO3-2H2O) se extrae de la naturaleza. La trona es estable hasta 57 °C, crea compuestos intermedios como la wegsheiderita (Na2CO3 -3NaHCO3) y el monohidrato de sodio (Na2CO3-H2O) entre 57 °C y 160 °C y se descompone en carbonato de sodio por encima de 160 °C.
Conocemos, por ejemplo, la patente de EE. UU. 9,382,125 que describe un proceso para la producción conjunta de bicarbonato de sodio cristalino en el que se genera CO2 como producto intermedio, del cual al menos una parte se usa como alimentación para la etapa de producción de bicarbonato de sodio a partir de carbonato de sodio.
También conocemos la solicitud de patente WO 2013/106294 que describe un proceso de carbonatación para la producción de bicarbonato de sodio a partir de trona. La patente de EE. UU. 7,507,388 describe un procedimiento para la producción de bicarbonato a partir de la trona incluiyendo una etapa de purificación, evaporación-descarbonización, cristalización, centrifugación y secado. La solicitud de patente US 2020/0002183 describe un proceso integrado para la producción de bicarbonato de sodio a partir del CO2 capturado mediante un proceso de carbonatación en seco a partir de la trona como materia prima y convertirlo en carbonato de sodio. Parte del carbonato de sodio se recicla como sorbente en el proceso de captura de CO2 y el resto se usa junto con parte del CO2 capturado para la producción de bicarbonato de sodio.
Sin embargo, es necesaria una alta energía térmica. El uso de trona como materia prima, que sólo está disponible en unos pocos lugares del mundo, puede aumentar el coste económico. Es necesaria una conversión total de la trona en carbonato sódico, seguida de otra etapa de carbonatación para producir bicarbonato sódico, por lo que el proceso implica un elevado consumo de energía. Por lo tanto, existe la necesidad de un proceso que permita la producción de bicarbonato de sodio con una alta pureza al tiempo que evite un alto consumo de energía, que sea respetuoso con el medio ambiente y económicamente viable. El documento US 5281 254 A se refiere a un sistema de membrana líquida inmovilizada para la eliminación de dióxido de carbono de una corriente gaseosa. Este sistema incluye al menos una membrana porosa, un sorbente líquido a base de amina para absorber y desorber el dióxido de carbono localizado en los poros de la membrana, y un medio para producir un gradiente de presión parcial de dióxido de carbono suficiente para inducir la absorción del dióxido de carbono en el primer lado de la membrana, el transporte del dióxido de carbono absorbido a través de los poros de la membrana y la desorción del dióxido de carbono absorbido en el segundo lado de la membrana.
El propósito de la presente invención es, por lo tanto, proporcionar un proceso continuo basado en la captura y revalorización de CO2 utilizando tecnología de membranas. En primer lugar, el gas que contiene CO2 de la industria se pone en contacto con una solución base que absorbe el CO2 presente en la corriente de gas. A continuación, la solución resultante que contiene CO2 se envía a una etapa de destilación y cristalización por membrana donde se producen cristales de bicarbonato.
Ventajosamente, todas las etapas se implementan a temperatura ambiente o a baja temperatura (<50 °C) y se obtienen cristales de bicarbonato de sodio con una alta pureza y bajo consumo de energía.
COMPENDIO
La presente invención se refiere por tanto a un proceso continuo para la producción de cristales de bicarbonato sódico, que comprende:
1) una etapa de absorción del dióxido de carbono gaseoso de una corriente de gas a una solución acuosa que comprende una sal de carbonato de sodio, comprendiendo las etapas de:
la) poner en contacto dicha corriente de gas con una primera superficie de un primer contactor de membrana porosa; y poner en contacto dicha solución acuosa de carbonato de sodio con una segunda superficie opuesta del mismo primer contactor de membrana porosa, dicho dióxido de carbono gaseoso difunde a través de los poros de la membrana a dicha solución acuosa de carbonato de sodio donde se disuelve; y
lb) hacer reaccionar el dióxido de carbono disuelto con la sal de carbonato de sodio en la solución acuosa para producir una solución acuosa de bicarbonato de sodio;
dicha etapa de absorción se lleva a cabo en presencia de al menos un promotor de transferencia de masa seleccionado entre un aminoácido o una enzima;
dicho al menos un promotor de transferencia de masa está en suspensión en la solución acuosa de carbonato de sodio o inmovilizado en dicho primer contactor de membrana porosa; entonces 2) una etapa de cristalización de la sal de bicarbonato de sodio, comprendiendo las etapas de:
2a) hacer circular la solución acuosa que contiene el bicarbonato de sodio en un lado de un segundo contactor de membrana poroso;
2b) aplicar una fuerza impulsora haciendo circular un fluido de extracción en el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa, de modo que el agua de la solución acuosa se evapora y se difunde a través de los poros del segundo contactor de membrana porosa hacia el fluido de extracción en el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa, donde se vuelve a condensar, que conduce a la concentración progresiva de la solución acuosa de bicarbonato sódico,
2c) enviar la solución acuosa concentrada de bicarbonato de sodio a un tanque de cristalización en la salida del segundo contactor de membrana porosa donde tiene lugar el crecimiento de los cristales; y 2d) recuperar los cristales de bicarbonato de sodio,
en donde dicho primer contactor de membrana porosa y dicho segundo contactor de membrana porosa están en serie.
Según una realización, el al menos un promotor de transferencia de masa es un aminoácido seleccionado entre L-arginina, 6-aminohexionina, L-valina, L-metionina y L-serina.
Según otra realización, el al menos un promotor de transferencia de masa es la anhidrasa carbónica.
Según una realización, la concentración del promotor de transferencia de masa está entre 0,1 mg/L y 1 mg/L, preferiblemente entre 0,1 mg/L y 0,5 mg/L.
Según una realización, el proceso continuo comprende además una etapa de prefiltración de dicho promotor de transferencia de masa en suspensión en el disolvente a través de una membrana filtrante.
Según una realización, la corriente de gas es un gas de combustión procedente de la combustión de combustibles fósiles, un gas de combustión procedente de la combustión de biocombustibles, un gas de origen natural o una combinación de los mismos.
Según una realización, la concentración del dióxido de carbono gaseoso en la corriente de gas está entre el 5 % en volumen y el 40 % en volumen, preferentemente entre el 5 % en volumen y el 20 % en volumen. Según una realización, la concentración de la sal de carbonato de sodio en la solución acuosa que comprende una sal de carbonato de sodio está entre 0,1 mol/L y 2,0 mol/L, preferiblemente entre 0,1 mol/L y 1,0 mol/L. Según una realización, el número de Reynolds para la corriente de gas está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 15, preferiblemente entre aproximadamente 2 y aproximadamente 10, más preferiblemente entre aproximadamente 5 y aproximadamente 10.
Según una realización, el número de Reynolds para la solución acuosa que comprende una sal de carbonato de sodio está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 30, preferiblemente entre aproximadamente 2 y aproximadamente 25, más preferiblemente entre aproximadamente 10 y aproximadamente 25.
Según una realización, el fluido de extracción se selecciona entre un líquido, una mezcla de líquidos, una solución acuosa concentrada de una o más sales, un gas, una mezcla de gases o vacío.
La presente invención se refiere además a un sistema para la producción de cristales de bicarbonato de sodio a partir del dióxido de carbono de una corriente de gas, que comprende:
- una unidad de control configurada para controlar el caudal de gas y/o de líquido, y las temperaturas del gas y/o del líquido;
- una unidad de absorción que comprende un primer contactor de membrana porosa configurado para permitir el contacto entre una corriente de gas que contiene dióxido de carbono gaseoso y un disolvente que es una solución acuosa de carbonato de sodio; y una bomba de engranajes, en donde la corriente de gas y el disolvente están separados por dicho primer contactor de membrana porosa, y en donde dicho primer contactor de membrana porosa contiene medios para difundir el dióxido de carbono gaseoso de la corriente de gas hacia el disolvente, donde se disuelve y reacciona con el carbonato sódico para producir bicarbonato sódico, dichos medios son poros; y
- una unidad de cristalización que comprende un segundo contactor de membrana porosa configurado para permitir el contacto entre la solución acuosa que contiene el bicarbonato sódico a cristalizar procedente de la unidad de absorción y un fluido de extracción; un tanque de permeado que contiene el fluido de extracción; y un tanque de cristalización donde tiene lugar la cristalización,
en donde el segundo contactor de membrana está acoplado fluídicamente al tanque de cristalización y al tanque de permeado,
en donde el agua de la solución acuosa que contiene el bicarbonato de sodio a cristalizar procedente de la unidad de absorción circula por un lado del segundo contactor de membrana porosa hacia el tanque de cristalización y el fluido de extracción que proviene del tanque de permeado circula en el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa, y en donde dicho segundo contactor de membrana porosa contiene medios para el transporte selectivo del agua de la solución acuosa hacia el lado opuesto, dichos medios son poros,
en donde dicha unidad de absorción y unidad de cristalización están acopladas fluídicamente.
En una realización, el sistema de la invención comprende además una unidad de prefiltración, acoplada fluídicamente a la unidad de absorción y/o a la unidad de cristalización.
DEFINICIONES
En la presente invención, los siguientes términos tienen los siguientes significados: El término"aproximadamente"que precede a una cifra significa más o menos el 10 % del valor de dicha cifra.
El término"proceso continuo"se refiere a un método de producción que puede implementarse sin interrupción, es decir, los fluidos que se procesan están en continuo movimiento, sufren reacciones químicas y/o están sujetos a un tratamiento mecánico y/o térmico.
El término"anhidrasa carbónica (CA)"se refiere a una metaloenzima que puede catalizar la conversión de CO2 en bicarbonato con una rotación extremadamente alta, que puede alcanzar una velocidad de 106 por segundo. Se encuentra en humanos, animales, plantas y microbios. La anhidrasa carbónica se puede seleccionar entre a-CA, p-CA,<y>-CA, 5-CA o Z-CA.
El término"fuerza motriz"se refiere a la fuerza que permite la transferencia de masa a través de los poros del contactor de membrana. Según la invención, la fuerza impulsora se selecciona entre un gradiente de temperatura, un gradiente de concentración, un gradiente de presión parcial o una mezcla de los mismos. La fuerza motriz se produce al hacer circular un fluido de extracción en un lado del contactor de membrana, lo que provoca una diferencia de concentración o presión parcial en ambos lados de la membrana. Según la invención, el fluido de extracción se selecciona entre un líquido, una mezcla de líquidos, una solución acuosa concentrada de una o más sales, un gas, una mezcla de gases o el vacío.
El"número de Reynolds"se refiere a un número adimensional que predice si un flujo es laminar (Re<2500) o turbulento (Re>5000).
El"flujo transmembrana del gas J"se refiere al flujo de transferencia de masa del CO2 comprendido en la corriente de gas a través del primer contactor de membrana porosa. Según una realización, el flujo transmembrana J se escala en función de la ecuación (1):
dondeCentradayCsaiidason las concentraciones de CO2, en el gas de entrada y salida del primer contactor de membrana porosa, yGentradayGsalidason los caudales voluminosos del gas en la entrada y la salida, y Am es el área de la membrana.
La"fuerza impulsora del dióxido de carbono ACm"se escala en función de la ecuación (2):
( 2 ) A C mC e n t r a d a ^ s a l id a ) ¡l nC e n t r a d a ¡ ^ s a l id a )
donde C<entrada>yCsaiidason las concentraciones de CO2, en ppm, en el gas a la entrada y a la salida del primer contactor de membrana porosa.
El"flujo transmembrana del agua J'"se refiere al flujo de transferencia de masa del agua de la solución acuosa a través del primer contactor de membrana. J' se determina midiendo el peso del tanque de permeado a lo largo del tiempo. Luego, el flujo se extrae mediante la ecuación (3)
DondeAes el área de la membrana,tes el tiempo,pes la densidad del permeado, wp es el peso en el lado de permeado
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
LaFigura 1es un diagrama de flujo que muestra las etapas del proceso continuo según una realización de la presente invención.
LaFigura 2es un diagrama de flujo que muestra las etapas del proceso continuo según otra realización de la presente invención.
LaFigura 3es un diagrama de flujo que muestra las etapas del proceso continuo según otra realización más de la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Proceso
La presente invención se refiere a un proceso continuo para la producción de cristales de sal, que comprende las etapas de poner en contacto una corriente gaseosa que comprende al menos un gas con un disolvente que absorbe al menos una parte del gas y, a continuación, enviar la solución resultante a una etapa de destilación-cristalización por membrana en donde se producen cristales de sal.
Según una realización, la invención se refiere a un proceso continuo para la producción de cristales de sal que comprende las siguientes etapas:
1) una etapa de absorción de al menos parte de al menos un gas comprendido en una corriente de gas en un disolvente, para producir una solución acuosa de una sal que se va a cristalizar, y 2) una etapa de cristalización de la sal que se va a cristalizar comprendida en la solución acuosa de una sal que se va a cristalizar obtenida en la etapa 1).
Según una realización, esta invención se refiere a un proceso continuo para la producción de cristales de bicarbonato de sodio, que comprende las etapas de poner en contacto un gas que contiene CO2 con una solución básica que absorbe el CO2 y, a continuación, enviar la solución resultante que contiene CO2 a una etapa de destilación-cristalización por membrana donde se producen cristales de bicarbonato.
En una realización particular, la invención se refiere a un proceso continuo para la producción de cristales de bicarbonato de sodio, que comprende:
1) una etapa de absorción de al menos parte del dióxido de carbono de una corriente de gas a una solución acuosa que comprende una sal de carbonato de sodio para producir una solución acuosa de bicarbonato de sodio, luego
2) una etapa de cristalización de la sal de bicarbonato de sodio comprendida en la solución acuosa de bicarbonato de sodio obtenida en la primera etapa.
Etapa de absorción
Según una realización, la primera etapa se realiza poniendo en contacto una corriente de gas con una primera superficie de un primer contactor de membrana porosa y poniendo en contacto un disolvente con una segunda superficie opuesta de dicho primer contactor de membrana porosa.
Ventajosamente, la separación física entre el disolvente y la corriente de gas que puede proporcionar el primer contactor de membrana porosa elimina los problemas de formación de espuma y canalización que surgen en la absorción convencional de disolventes donde el gas y el líquido están en contacto directo.
Según una realización, el gas comprendido en la corriente de gas es un gas ácido seleccionado entre dióxido de carbono, dióxido de azufre, trióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, oxisulfuro de carbono, disulfuro de carbono, mercaptanos, óxido nítrico, dióxido nítrico, fluoruros, ácido clorhídrico o una mezcla de los mismos. Según otra realización, el gas comprendido en la corriente de gas es un gas básico seleccionado a partir de amoníaco.
Según una realización preferida, el gas comprendido en la corriente de gas es un dióxido de carbono gaseoso. Según una realización, la corriente de gas es un gas de combustión procedente de la combustión de combustibles fósiles, un gas de combustión procedente de la combustión de biocombustibles, un gas de origen natural o una combinación de los mismos.
La concentración del gas comprendido en la corriente de gas puede variar en un amplio intervalo entre el 0 y el 100 % en volumen, el 0 % en volumen está excluido. Dicha concentración puede estar entre el 0 y el 10 % en volumen, excluyendo el 0, entre el 10 y el 20 % en volumen, entre el 20 y el 30 % en volumen, entre el 30 y el 40 % en volumen, entre el 40 y el 50 % en volumen, entre el 50 y el 60 % en volumen, entre el 60 y el 70 % en volumen, entre el 70 y el 80 % en volumen, entre el 80 y el 90 % en volumen, o entre el 90 y el 100 % en volumen.
Según una realización, la concentración del gas comprendido en la corriente de gas está entre el 5 % en volumen y el 40 % en volumen. Según una realización, la concentración del gas comprendido en la corriente de gas está entre el 5 % en volumen y el 20 % en volumen. Según una realización, la concentración del gas comprendido en la corriente de gas está entre el 10 % en volumen y el 20 % en volumen.
Según una realización particular, la concentración del dióxido de carbono gaseoso en la corriente de gas está entre el 5 % en volumen y el 40 % en volumen. Según una realización particular, la concentración del dióxido de carbono gaseoso en la corriente de gas está entre el 5 % en volumen y el 20 % en volumen. Según una realización particular, la concentración del dióxido de carbono gaseoso en la corriente de gas está entre el 10 % en volumen y el 20 % en volumen.
Según una realización, el disolvente es una solución acuosa de una o más sales seleccionadas entre sales alcalinas, sales de amonio, sales de alcanolamina, sales alcalinotérreas o una mezcla de las mismas.
Según una realización, el disolvente es una solución acuosa de una o más sales alcalinas seleccionadas entre carbonato de sodio, carbonato de calcio, acetato de sodio, cianuro de potasio, sulfuro de sodio, bicarbonato de sodio, hidróxido de calcio, hidróxido de magnesio o hidróxido de sodio. En una realización preferida, el disolvente es una solución acuosa de carbonato de sodio.
Según una realización, el gas comprendido en la corriente de gas se difunde a través de los poros del primer contactor de membrana porosa, impulsado por su gradiente de concentración, hacia dicho disolvente, donde al menos parte del mismo se disuelve para dar el gas en solución.
Según una realización, el gas comprendido en la corriente de gas se difunde a través de los poros del primer contactor de membrana porosa, impulsado por su gradiente de concentración, hacia dicho disolvente, donde al menos parte de él se disuelve para dar dióxido de carbono en solución.
Según una realización particular en la que el disolvente es una solución acuosa de una o más sales, el gas disuelto reacciona entonces con dichas una o más sales para producir una o más sales diferentes, que se denominan "sal(es) que se van a cristalizar" en la presente invención.
Según una realización, las una o más sales que se van a cristalizar se seleccionan entre bicarbonato de sodio, carbonato de sodio, carbonato de calcio, bicarbonato de calcio, carbonato de magnesio, sulfato de sodio o sulfato de amonio.
Según una realización preferida, la sal que se va a cristalizar es bicarbonato de sodio.
Según una realización particular en la que el disolvente es una solución acuosa de carbonato de sodio, el dióxido de carbono disuelto reacciona entonces con el carbonato de sodio de la solución acuosa para producir bicarbonato de sodio según la reacción (1.1):
(1.1) COo(ac) CO<32>+H<2>O — 2 HCO<3>
Según una realización, la transferencia de masa entre el gas comprendido en la corriente de gas y el disolvente se produce en tres etapas:
a) difusión desde la fase gaseosa a granel hasta la interfaz gas-membrana;
b) difusión a través de los poros de la membrana; y
c) transferencia desde la interfaz líquido-membrana a la fase líquida a granel a través de una capa límite líquida, que es la capa de líquido en las inmediaciones del primer contactor de membrana porosa.
Según una realización, la transferencia de masa entre el gas comprendido en la corriente gaseosa y el disolvente se caracteriza por el coeficiente global de transferencia de masa (K<ov>).
Según una realización, el coeficiente global de transferencia de masa se escala en función de la ecuación (4) que se muestra a continuación,
(4) Kov = J/ACm,
en donde J es el flujo transmembrana del gas comprendido en la corriente de gas a través del primer contactor de membrana porosa y ACm es la fuerza impulsora de la absorción de gas.
Varios parámetros pueden influir en la transferencia de masa del gas comprendido en la corriente de gas hacia el disolvente, como el número de Reynolds (Re)para las fases gaseosa y líquida, la fuerza impulsora entre el flujo de gas y el disolvente, los caudales de disolvente y gas en el primer contactor de membrana porosa, la composición de la fase gaseosa, la concentración de la sal en el disolvente y la temperatura.
Según una realización, el número de Reynolds para la corriente de gas, que fluye preferiblemente dentro del lado de la carcasa, se escala en función de la ecuación (5) que se muestra a continuación:
Según la realización donde el primer contactor de membrana porosa tiene la forma de una fibra hueca, el número de Reynolds para el disolvente, que fluye preferiblemente dentro del lado del lumen, se escala en función de la ecuación (6) que se muestra a continuación:
En donde, p es la densidad del fluido en kg/m3, v es la velocidad del fluido en m/s,ues la viscosidad dinámica en Pa.s, di es el diámetro interno de la fibra, dh es el diámetro hidráulico (dh =4A/P con A= área de sección transversal y P es el perímetro mojado de la sección transversal).
Según una realización, el número de Reynolds para la corriente de gas está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 15. En una realización, el número de Reynolds para la corriente de gas está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 10. En una realización, el número de Reynolds para la corriente de gas está entre aproximadamente 5 y aproximadamente 10. En una realización, el número de Reynolds para la corriente de gas es de aproximadamente 5, aproximadamente 6, aproximadamente 7, aproximadamente 8, aproximadamente 9, aproximadamente 10. En una realización preferida, el número de Reynolds para la corriente de gas es de aproximadamente 9.
Según una realización, el número de Reynolds para el disolvente está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 30. En una realización, el número de Reynolds para el disolvente está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 25. En una realización, el número de Reynolds para el disolvente está entre aproximadamente 10 y aproximadamente 25. En una realización, el número de Reynolds para el disolvente es de aproximadamente 10, aproximadamente 11, aproximadamente 12, aproximadamente 13, aproximadamente 14, aproximadamente 15, aproximadamente 16, aproximadamente 17, aproximadamente 18, aproximadamente 19, aproximadamente 20, aproximadamente 21, aproximadamente 22, aproximadamente 23, aproximadamente 24, aproximadamente 25. En una realización preferida, el número de Reynolds para el disolvente es de aproximadamente 20.
Según una realización, la concentración de la sal, preferiblemente la sal de carbonato de sodio, en el disolvente está entre 0,1 mol/L y 2,0 mol/L. En una realización, la concentración de la sal en el disolvente está entre 0,1 mol/L y 1,0 mol/L. En una realización, la concentración de la sal en el disolvente es de 0,1 mol/L, 0,2 mol/L, 0,3 mol/L, 0,4 mol/L, 0,5 mol/L, 0,6 mol/L, 0,7 mol/L, 0,8 mol/L, 0,9 mol/L, 1,0 mol/L. En una realización preferida, la concentración de la sal en el disolvente es de 0,5 mol/L.
Según una realización, el disolvente fluye en paralelo a la corriente de gas. En una realización preferida, el disolvente fluye en contracorriente a la corriente de gas.
Ventajosamente, al aumentar la corriente de gas y/o el caudal del disolvente, la disminución de la capa límite disminuye las resistencias a la transferencia de masa, lo que mejora el flujo de gas, especialmente el flujo de dióxido de carbono gaseoso, lo que se traduce en un mayor coeficiente de transferencia de masa a través de la membrana. Sin embargo, existe un valor óptimo de Reynolds, calculable por el experto en la materia. Según una realización, la etapa de absorción 1) se realiza a una temperatura entre 15 °C y 40 °C. En una realización, la etapa de absorción se realiza a una temperatura entre 20 °C y 35 °C. En una realización, la etapa de absorción se realiza a una temperatura de 20°C, 21°C, 22°C, 23°C, 24°C, 25°C, 26°C, 27°C, 28°C, 29°C, 30°C, 31°C, 32°C, 33°C, 34°C, 35°C. En una realización, la etapa de absorción se realiza a una temperatura de 35 °C.
Según una realización, el coeficiente de transferencia de masa global para la etapa de absorción 1) está entre 0,001 m/min y 0,1 m/min. En una realización, la transferencia de masa global para la etapa de absorción está entre 0,001 m/min y 0,01 m/min. En una realización, la transferencia de masa global para la etapa de absorción está entre 0,001 m/min y 0,0085 m/min. En una realización, la transferencia de masa global para la etapa de absorción está entre 0,001 m/min y 0,0025 m/min.
Según una realización, la etapa de absorción 1) se realiza en presencia de al menos un promotor de transferencia de masa.
Ventajosamente, el promotor de transferencia de masa permite un aumento del coeficiente de transferencia de masa global.
Según una realización, el al menos un promotor de transferencia de masa se selecciona de entre un aminoácido o una enzima que cataliza la conversión del gas en la sal que se va a cristalizar.
Según una realización, el al menos un promotor de transferencia de masa es un aminoácido seleccionado entre L-arginina, 6-aminohexionina, L-valina, L-metionina y L-serina. Según una realización preferida, el al menos un promotor de transferencia de masa es la L-arginina.
Según otra realización preferida, el al menos un promotor de transferencia de masa es una enzima seleccionada de cualquier enzima que use dióxido de carbono como sustrato y, en una realización preferida, la anhidrasa carbónica que cataliza la conversión de dióxido de carbono en carbonato de sodio.
En una realización, la enzima se selecciona en la tabla 1 siguiente:
Tabla 1
Ventajosamente, el uso de una anhidrasa carbónica permite un aumento de la velocidad de absorción de dióxido de carbono gaseoso al catalizar la conversión del dióxido de carbono en bicarbonato a una velocidad de renovación extremadamente alta, que puede alcanzar hasta 106 por segundo.
En una realización, se usa más de un sustrato; en la realización donde se utilizan dos sustratos, el segundo sustrato puede estar en la fase líquida.
Según una realización, el al menos un promotor de transferencia de masa está en suspensión en el disolvente, preferiblemente la solución acuosa de una o más sales, en particular la solución acuosa de carbonato de sodio.
Según una realización, el al menos un promotor de transferencia de masa está en suspensión en el disolvente a una concentración entre 0,1 mg/L y 1 mg/L. Según una realización, el al menos un promotor de transferencia de masa está en suspensión en el disolvente a una concentración entre 0,1 mg/L y 0,5 mg/L.
Según otra realización, cuando el al menos un promotor de transferencia de masa es una enzima, dicha enzima puede inmovilizarse en dicho primer contactor de membrana porosa.
Ventajosamente, la inmovilización de la enzima mejora su recuperación y reutilización.
Etapa de cristalización
Según una realización, la sal que se va a cristalizar comprendida en la solución acuosa de una sal que se va a cristalizar obtenida en la primera etapa se cristaliza luego mediante cristalización por membrana (en la etapa de cristalización 2). Según una realización preferida, la sal de bicarbonato sódico comprendida en la solución acuosa de una sal que se va a cristalizar obtenida en la primera etapa se cristaliza a continuación mediante cristalización por membrana.
Según una realización, la segunda etapa se realiza haciendo circular la solución acuosa que contiene la sal que se va a cristalizar, preferiblemente la solución acuosa de bicarbonato de sodio, obtenida en la primera etapa, en un lado de un segundo contactor de membrana porosa y aplicando una fuerza impulsora haciendo circular un fluido de extracción en el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa.
Según una realización, se genera una interfaz vapor/líquido en la boca de los poros del segundo contactor de membrana porosa y el agua de la solución acuosa de una sal que se va a cristalizar, se evapora y se difunde a través de los poros del segundo contactor de membrana porosa hacia el fluido de extracción en el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa, donde se recondensa, dando lugar a la concentración progresiva de la solución acuosa que contiene la sal que se va a cristalizar.
Según una realización, la solución acuosa concentrada que contiene la sal que se va a cristalizar, preferiblemente la sal de bicarbonato de sodio se envía a un tanque de cristalización en la salida del segundo contactor de membrana porosa donde tiene lugar el crecimiento de los cristales (etapa 2c) y se recuperan los cristales de sal, preferiblemente cristales de bicarbonato sódico (etapa 2d), por ejemplo mediante filtración al vacío.
Según la invención, la fuerza impulsora se selecciona entre un gradiente de temperatura, un gradiente de concentración, un gradiente de presión parcial o una mezcla de los mismos.
Según una realización, el fluido de extracción se selecciona entre un líquido, una mezcla de líquidos, una solución acuosa concentrada de una o más sales, un gas, una mezcla de gases o vacío.
Según una realización particular, el fluido de extracción es un fluido de condensación tal como agua pura. En esta realización, la fuerza motriz es la diferencia de temperatura entre el disolvente que contiene la sal que se va a cristalizar y el fluido de condensación.
Según una realización particular, el fluido de extracción es una solución osmótica. En esta realización, la fuerza impulsora es la diferencia de concentración a ambos lados del segundo contactor de membrana porosa. Según una realización particular, el fluido de extracción es aire. En esta realización, la fuerza impulsora es el gradiente de presión parcial a través del segundo contactor de membrana porosa.
Según una realización particular, el fluido de extracción es un gas de barrido. En esta realización, la fuerza impulsora es el gradiente de presión parcial a través del segundo contactor de membrana porosa.
Según una realización particular, el fluido de extracción es vacio. En esta realización, la fuerza impulsora es el gradiente de presión parcial a través del segundo contactor de membrana porosa.
Ventajosamente, ambos lados del segundo contactor de membrana porosa son independientes, por lo que es posible modificar independientemente las condiciones de funcionamiento en ambos lados del segundo contactor de membrana para controlar la cinética de cristalización, lo que conduce a la formación de morfologías y estructuras cristalinas específicas que no son fáciles de conseguir con la cristalización convencional.
Según una realización, la transferencia de masa entre el disolvente y el fluido de extracción se caracteriza por el coeficiente de transferencia de masa global (K<ov>).
Según una realización, el coeficiente de transferencia de masa global para la etapa de cristalización se escala en función de la ecuación (7),
en donde J' es el flujo transmembrana del agua de la solución acuosa a través de la membrana y Ap*es la diferencia de presión de vapor entre la solución acuosa de bicarbonato de sodio y el fluido de extracción. Varios parámetros pueden influir en la transferencia de masa del agua de la solución acuosa hacia el fluido de extracción, como el número de Reynolds (Re) tanto para la solución acuosa como para el fluido de extracción, los caudales de la solución acuosa, el caudal del fluido de extracción en el contactor de membrana, la concentración de la solución acuosa o la temperatura de la solución acuosa y del fluido de extracción. Según una realización, el número de Reynolds para la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar, preferiblemente de bicarbonato de sodio, obtenida en la etapa 1) está entre 2 y 20. En una realización, el número de Reynolds para la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar está entre aproximadamente 5 y aproximadamente 20. En una realización, el número de Reynolds para la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar está entre aproximadamente 5 y aproximadamente 15. Según una realización, el número de Reynolds para la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar es de aproximadamente 5, aproximadamente 6, aproximadamente 7, aproximadamente 8, aproximadamente 9, aproximadamente 10, aproximadamente 11, aproximadamente 12, aproximadamente 13, aproximadamente 14, aproximadamente 15. En una realización preferida, el número de Reynolds para la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar es de aproximadamente 7.
Según una realización, el número de Reynolds del fluido de extracción está entre 2 y 20. En una realización, el número de Reynolds para el fluido de extracción está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 10. En una realización, el número de Reynolds para el fluido de extracción está entre aproximadamente 10 y aproximadamente 20. Según una realización, el número de Reynolds para el fluido de extracción es de aproximadamente 2, aproximadamente 3, aproximadamente 4, aproximadamente 5, aproximadamente 6, aproximadamente 7, aproximadamente 8, aproximadamente 9, aproximadamente 10, aproximadamente 11, aproximadamente 12, aproximadamente 13, aproximadamente 14, aproximadamente 15. En una realización preferida, el número de Reynolds para el fluido de extracción es de aproximadamente 3. En otra realización preferida, el número de Reynolds para el fluido de extracción es de aproximadamente 15.
Según una realización, la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar, preferiblemente la solución acuosa de bicarbonato de sodio está a una temperatura comprendida entre 15 °C y 50 °C. En una realización, la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar está a una temperatura que varía de 15 °C a 40 °C. En una realización, la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar está a una temperatura que varía de 15 °C a 30 °C. En una realización, la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar está a una temperatura de 15 °C, 16 °C, 17 °C, 18 °C, 19 °C, 20 °C, 21 °C, 22 °C, 23 °C, 24 °C, 25 °C, 26 °C, 27 °C, 28 °C, 29 °C, 30 °C. En una realización, la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar está a una temperatura de 25 °C.
Según una realización, el fluido de extracción está a una temperatura que varía de 2 °C a 25 °C. En una realización, el fluido de extracción está a una temperatura que varía de 2 °C a 15 °C.
Según una realización, el coeficiente de transferencia de masa global para la etapa de cristalización está entre 2,10-11 m/Pa/s y 10,10-11 m/Pa/s. En una realización, la transferencia de masa global para la etapa de cristalización está entre 2,10-11 m/Pa/s y 7,10-11 m/Pa/s. En una realización, la transferencia de masa global para la etapa de cristalización está entre 4,10-11 m/Pa/s y 10,10 -11 m/Pa/s. En una realización, la transferencia de masa global para la etapa de cristalización está entre 4,10-11 m/Pa/s y 7,10-11 m/Pa/s.
Según una realización, al menos el 10 % de la sal que se va a cristalizar, preferiblemente el bicarbonato de sodio presente en la solución acuosa de la sal que se va a cristalizar obtenida en la etapa 1), se cristaliza en la etapa 2). En una realización, al menos el 20 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 30 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 40 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 50 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 60 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 70 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 80 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 90 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza. En una realización, al menos el 100 % de la sal que se va a cristalizar cristaliza.
Según una realización, los cristales de sal, preferiblemente los cristales de bicarbonato de sodio se obtienen con una pureza superior al 99 %.
Ventajosamente, la cinética de cristalización y la morfología y estructura finales de los materiales cristalinos se pueden controlar fácilmente actuando sobre los parámetros del proceso tales como la concentración, el caudal, la temperatura, así como el tipo de membrana.
Según una realización, los contactores de membrana primero y segundo están en serie, lo que proporciona un proceso continuo.
Ventajosamente, el proceso continuo de la presente invención puede funcionar a temperatura ambiente o a baja temperatura (<50 °C), reduciendo el consumo de energía en comparación con los procesos tradicionales para la producción de cristales de sal, en particular cristales de bicarbonato de sodio.
Además, los cristales de sal, en particular los cristales de bicarbonato de sodio se pueden utilizar directamente, lo que aporta un valor económico al proceso de la presente invención.
Contactor de membrana
Según una realización, los contactores de membrana primero y/o segundo son membranas hidrófobas independientes que comprenden una primera superficie y una segunda superficie opuesta a la primera superficie.
Según una realización, los contactores de membrana primero y/o segundo tienen forma independiente de lámina plana. Según una realización, los contactores de membrana primero y/o segundo tienen una forma independiente de contactor de membrana en espiral. Según una realización preferida, el primer y/o el segundo contactor de membrana tienen una forma independiente de fibra hueca.
Ventajosamente, los contactores de membrana de fibra hueca tienen un área de superficie específica más alta, lo que aumenta la transferencia de masa de un lado al otro.
Según una realización, los contactores de membrana primero y/o segundo tienen una forma independiente como una pluralidad de fibras huecas.
Según una realización, la primera superficie de los contactores de membrana primero y/o segundo es la superficie interna de la fibra hueca y la segunda superficie opuesta es la superficie externa de la fibra hueca. Según una realización, la primera superficie de los contactores de membrana primero y/o segundo es la superficie interna de la fibra hueca y la segunda superficie opuesta es la superficie interna de la fibra hueca.
Según una realización, dicha pluralidad de fibras huecas se empaqueta en una disposición de tubo y carcasa. Según una realización, la corriente de gas fluye a través del lado del lumen del primer contactor de membrana y el disolvente fluye a través del lado de la carcasa. Según otra realización, la corriente de gas fluye a través del lado del lumen del primer contactor de membrana y el disolvente fluye por el lado del lumen del primer contactor de membrana.
Según una realización, el disolvente que contiene la sal que se va a cristalizar fluye a través del lado del lumen del segundo contactor de membrana y el fluido de extracción fluye a través del lado de la carcasa del segundo contactor de membrana. Según otra realización, el disolvente que contiene la sal que se va a cristalizar fluye a través del lado del lumen del segundo contactor de membrana y el fluido de extracción fluye a través del lado del lumen del segundo contactor de membrana.
En una realización, la primera y/o la segunda membrana tienen un grosor de entre 10 gm y 100 gm, preferiblemente entre 40 gm y 50 gm.
Según una realización, los contactores de membrana primero y/o segundo incluyen membranas microporosas. Según una realización, los contactores de membrana primero y/o segundo tienen membranas con una pluralidad de microporos con un diámetro medio de entre 0,03 gm y 0,1 gm, preferiblemente microporos con una superficie de 0,03 x 0,1 gm.
Según una realización, la primera y/o la segunda membrana están hechas independientemente de un polímero seleccionado entre polieno, polialqueno, polisulfona (PSU), polietersulfona (PES), perfluoropolímeros, polieterimida (PEI), polimetilpenteno (PMP) y polidimetilsiloxano (PDMS).
Según una realización preferida, la primera y/o la segunda membrana están hechas independientemente de un polímero seleccionado entre polipropileno (PP), polietileno (PE), polimetilpenteno (PMP), fluoruro de polivinilideno (PVDF), politetrafluoroetileno (PTFE) y polieteretercetona (PEEK).
Etapa de prefiltración
Según una realización, cuando al menos un promotor de transferencia de masa está en suspensión en el disolvente, el proceso continuo de la presente invención comprende además una etapa de prefiltración de dicho promotor de transferencia de masa en suspensión en el disolvente a través de una membrana filtrante. Según una realización, una vez recuperado, el promotor de transferencia de masa filtrado puede resuspenderse en el disolvente usado en la etapa 1) de absorción para su reutilización.
Según una realización, la etapa de prefiltrar dicho promotor de transferencia de masa se realiza después de la etapa de absorción. Esta realización es ventajosa cuando el promotor de transferencia de masa es una enzima.
Según otra realización, la etapa de prefiltración de dicho promotor de transferencia de masa se realiza después de la etapa de cristalización. Esta realización es ventajosa cuando el promotor de transferencia de masa es un aminoácido, ya que el aminoácido puede ayudar a la cristalización de la sal, especialmente a la cristalización del bicarbonato de sodio.
Las realizaciones presentadas anteriormente para el proceso de la invención se aplicanmutatis mutandisa toda la descripción y, en particular, a todas las realizaciones descritas a continuación para el sistema de la invención de la solicitud.
Sistema
La invención también se refiere a un sistema 1 para la producción de cristales de sal a partir de un gas comprendido en una corriente de gas, que comprende una unidad 10 de control, una unidad 20 de absorción y una unidad 30 de cristalización.
Según una realización, la unidad 10 de control está configurada para controlar el caudal de los diferentes fluidos y, opcionalmente, sus temperaturas.
Según una realización, la unidad 20 de absorción está configurada para permitir la absorción del gas comprendido en una corriente de gas en un disolvente que es una solución acuosa de una o más sales. Según una realización, la unidad 20 de absorción comprende un primer contactor de membrana porosa configurado para permitir el contacto entre la corriente de gas y el disolvente; y una bomba de engranajes. Según una realización, el gas comprendido en la corriente de gas se difunde a través de los poros del primer contactor de membrana porosa hacia dicho disolvente, donde se disuelve y reacciona con al menos una sal para producir al menos una sal para cristalizar.
Según una realización, la unidad 30 de cristalización está configurada para permitir la cristalización de la al menos una sal que se va a cristalizar procedente de la unidad 20 de absorción.
Según una realización, la unidad 30 de cristalización comprende un segundo contactor de membrana porosa configurado para permitir el contacto entre la solución acuosa que contiene la al menos una sal a cristalizar y un fluido de extracción; un tanque de permeado que contiene el fluido de extracción; y un tanque de cristalización, donde tiene lugar la cristalización de la al menos una sal a cristalizar.
Según una realización, el agua de la solución acuosa que contiene la al menos una sal a cristalizar se evapora y difunde a través de los poros del segundo contactor de membrana porosa hacia el fluido de extracción que circula por el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa, donde se recondensa, dando lugar a la concentración progresiva de la solución acuosa que contiene la sal que se va a cristalizar.
En una realización de este tipo donde está presente un tanque de cristalización, la mayor parte de la cristalización, especialmente el crecimiento de los cristales tiene lugar en el tanque de cristalización. No obstante, también puede tener lugar algo de nucleación y algo de crecimiento de cristales en la unidad 30 de cristalización antes de que la solución acuosa concentrada que comprende la sal que se va a cristalizar entre en el tanque de cristalización.
Según una realización, la unidad 20 de absorción y la unidad 30 de cristalización están acopladas fluídicamente. de modo que la solución acuosa que contiene la al menos una sal que se va a cristalizar procedente de la unidad 20 de absorción fluye continuamente desde la unidad 20 de absorción a la unidad 30 de cristalización.
Según una realización, el sistema comprende además una unidad 40 de prefiltración. en donde se puede realizar la etapa de prefiltración del promotor de transferencia de masa, tal como se ha detallado anteriormente. Dicha unidad de prefiltración 40 está preferiblemente acoplada fluídicamente a la unidad 20 de absorción y/o a la unidad 30 de cristalización.
Ventajosamente, el sistema de la presente invención permite un tratamiento continuo, con bajo consumo de energía, de una corriente de gas tal como un gas de combustión de combustibles fósiles, un gas de combustión de biocombustibles, un gas de fuente natural o una combinación de los mismos, lo que permite la captura de un gas, en particular dióxido de carbono, y la revalorización en cristales de sal, en particular cristales de bicarbonato de sodio.
Otra ventaja del sistema de la presente invención, tal como se describe a continuación, es su modularidad y alta flexibilidad. El número y la disposición de los contactores de membrana pueden adaptarse fácilmente en función de las necesidades y reducir así los costes energéticos, lo que permite un escalado lineal sencillo y un diseño modular. Un aumento en la capacidad puede lograrse simplemente añadiendo módulos de membrana.
La Figura 1 ilustra una realización particular del proceso de la presente invención utilizando el sistema 1, en el que una corriente 2 de gas entra en el primer contactor 3 de membrana porosa de la unidad 20 de absorción a través de una primera abertura 4 de entrada situada a un lado del primer contactor de membrana porosa. El disolvente 5, que contiene al menos un promotor de transferencia de masa, entra en el primer contactor 3 de membrana porosa a través de una segunda abertura 6 de entrada situada al otro lado del primer contactor de membrana porosa y fluye contracorriente a la corriente de gas. Una vez que el disolvente 5 absorbe el gas contenido en la corriente gaseosa, la corriente 7 de gas empobrecida en gas resultante se libera del primer contactor 3 de membrana porosa a través de una primera abertura 8 de salida situada en el lado opuesto de la primera abertura 4 de entrada. El disolvente 9, que contiene la sal a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, sale del primer contactor 3 de membrana porosa a través de una segunda abertura de salida 11 situada en el lado opuesto de la segunda abertura 6 de entrada y se envía a la unidad 30 de cristalización por medio de la bomba de engranajes 12.
Como se ilustra en la Figura 1, el disolvente 9, que contiene la sal que se va a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, entra en el segundo contactor de membrana porosa 13 a través de una primera abertura de entrada 14 situada en un lado del segundo contactor de membrana porosa. El fluido 15 de extracción procedente de un depósito 16 de permeado se envía al segundo contactor 13 de membrana porosa mediante una bomba de engranajes (no representada) y entra en el segundo contactor 13 de membrana porosa a través de una segunda abertura 17 de entrada situada al otro lado del segundo contactor de membrana porosa y fluye en contracorriente con el disolvente 9 que contiene CO2. El fluido 15 de extracción sale del segundo contactor 13 de membrana porosa a través de una segunda abertura 18 de salida situada en el lado opuesto de la segunda abertura 17 de entrada y se recicla de nuevo al tanque de permeado para su reutilización.
Aun haciendo referencia a la Figura 1, después de que el disolvente 9, que contiene la sal que se va a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, se evapora hacia el fluido de extracción 15 dentro del segundo contactor de membrana poroso 13, el disolvente concentrado resultante 19, que contiene la sal que se va a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, sale del segundo contactor de membrana porosa 13 a través de una primera abertura de salida 21 ubicada en el lado opuesto de la primera abertura de entrada 14 y luego se envía a el tanque de cristalización 22 donde tiene lugar la cristalización. Después de la cristalización, el disolvente 19 concentrado restante, que contiene la sal que se va a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, se devuelve cíclicamente a la unidad 20 de absorción, mediante una bomba 23 de engranajes, para su reutilización sin tratamiento adicional, y los cristales 24 de sales se recuperan mediante filtración al vacío.
La Figura 2 ilustra otra realización particular de la implementación del proceso de la presente invención usando el sistema 1, en el que el sistema 1 comprende además una unidad 40 de prefiltración, acoplada fluídicamente a la unidad de absorción y a la unidad de cristalización.
En esta realización, tal como se ilustra en la Figura 2, el disolvente 9, que contiene la sal que se va a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, sale del primer contactor de membrana porosa a través de la segunda abertura de salida 11 y luego se envía a la unidad de prefiltración 40, donde el al menos un promotor 22 de transferencia de masa se separa del disolvente 9. Tras la separación, el al menos un promotor 22 de transferencia de masa se recicla de nuevo a la unidad 20 de absorción para su reutilización y el disolvente 9', que contiene la sal que se va a cristalizar, se envía a la unidad 30 de cristalización.
Después de la cristalización, el disolvente 19' concentrado restante, que contiene la sal a cristalizar, se devuelve a la unidad 30 de cristalización para su reutilización sin tratamiento adicional y los cristales 24 de sal se recuperan mediante filtración a vacío.
Esta realización es ventajosa cuando el promotor de transferencia de masa es una enzima.
La Figura 3 ilustra otra realización particular del procedimiento de la presente invención utilizando el sistema 1, en el que la unidad 40 de prefiltración está acoplada fluídicamente a la unidad 30 de cristalización.
En esta realización, tal como se ilustra en la Figura 3, el disolvente 9, que contiene la sal que se va a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, se envía a la unidad 30 de cristalización. Después de la cristalización, el disolvente 19 concentrado restante, que contiene la sal que se va a cristalizar y al menos un promotor de transferencia de masa, se envía a la unidad de filtración 40, donde el al menos un promotor 22 de transferencia de masa se separa del disolvente 19 concentrado.
El al menos un promotor 22 de transferencia de masa se recicla de nuevo a la unidad de absorción para su reutilización y el disolvente 19' concentrado, que contiene la sal a cristalizar, se conduce de nuevo a la unidad de cristalización 30 para su reutilización y los cristales 24 de sal se recuperan mediante filtración a vacío. En algunas realizaciones, se puede añadir Na2CO3 al disolvente 19 concentrado. Dicha adición puede aumentar la recuperación del aminoácido usado como promotor 22 de transferencia de masa.
Esta realización es ventajosa cuando el promotor de transferencia de masa es un aminoácido, ya que el aminoácido puede ayudar a la cristalización del bicarbonato sódico.
Según una realización, el sistema 1 comprende además un calentador configurado para calentar el flujo de gas y/o de líquido.
Según una realización, el sistema 1 comprende además un enfriador configurado para enfriar el fluido de extracción.
Según una realización, si el fluido de extracción es un vacío, el sistema 1 comprende además un condensador configurado para condensar el agua que se evapora a través del segundo contactor de membrana.
Según una realización, el disolvente 5 puede reciclarse al final del proceso y reutilizarse.
Según una realización, la cantidad de disolvente 5 se puede ajustar dentro del proceso. Especialmente, se pueden añadir cantidades adicionales de disolvente en cualquier momento que sea necesario.
Aunque se han descrito e ilustrado diversas realizaciones, la descripción detallada no debe interpretarse como limitada a las mismas. Los expertos en la materia pueden introducir diversas modificaciones en las realizaciones sin apartarse del verdadero espíritu y alcance de la divulgación, tal como se define en las reivindicaciones.
EJEMPLOS
La presente invención se ilustra además mediante los ejemplos siguientes.
Ejemplo 1: Producción de cristales de bicarbonato de sodio usando L-arginina o anhidrasa carbónica como promotor de transferencia de masa.
Este ejemplo ilustra la producción de cristales de bicarbonato de sodio a partir del dióxido de carbono de una corriente de gas usando L-arginina o anhidrasa carbónica como promotor de transferencia de masa.
Materiales y métodos
Productos químicos
La corriente de gas está compuesta por un 85 % en volumen de aire y un 15 % en volumen de dióxido de carbono con una pureza > 99,7 % en volumen.
La solución acuosa de carbonato de sodio se preparó diluyendo carbonato de sodio en agua desionizada. La anhidrasa carbónica bovina o la L-arginina se usaron como promotores de transferencia de masa.
Material
El primer y el segundo contactor de membrana utilizados para llevar a cabo los experimentos son el contactor de membrana 3M™ Liqui-Cel™ de la serie MM-1x5.5. Las características de la membrana se resumen en la tabla 2:
Tabla 2
Métodos
En el lado del gas, preferiblemente en el lado de la carcasa, la corriente de gas entra en el primer contactor de membrana, en contracorriente con la solución acuosa de carbonato de sodio.
En el lado del líquido, preferiblemente en el lado del lumen, la solución acuosa de carbonato de sodio que contiene L-arginina o anhidrasa carbónica fluye a través del primer contactor de membrana.
La concentración de CO2 en la salida se mide con un analizador de CO2 en partes por millón en cada segundo de los experimentos.
Las muestras de disolvente se toman en cualquier momento de las válvulas de líquido para analizar las especies en solución (carbonatos, bicarbonatos, etc.).
La solución acuosa de carbonato de sodio captura el dióxido de carbono de la corriente de gas y sale del primer contactor de membrana hacia el segundo contactor de membrana.
La solución que contiene CO2 entra en el segundo contactor de membrana, se concentra y circula hacia el tanque de cristalización donde tiene lugar la cristalización. Allí, la solución concentrada se mezcla mediante un mezclador (control Heidolph RZR 2051, Alemania) y se mantiene a temperatura constante mediante un regulador de temperatura (Julabo Corio CD-BC4, Alemania).
Se usaron tres configuraciones en el lado del permeado:
Configuración I: el tanque de permeado se llena con agua desionizada enfriada por un enfriador a una temperatura. El agua desionizada circula por el lado de permeado de la membrana a través de una bomba de engranajes (Cole-Parmer 7511 -70, EE. UU.) y vuelve al depósito de permeado.
Configuración II: el lado del permeado se mantiene al vacío gracias a una bomba de vacío (Vacuubrand MD4CNT, Alemania) y el agua que se evapora a través de la membrana se condensa en un condensador (condensador de vidrio y Julabo Corio CD-900F, Alemania). Un controlador (Vacuu-select, Vacuubrand, Alemania) monitorea el nivel de vacío.
Configuración III: el tanque de permeado se llena con una solución osmótica (es decir, una solución que contiene una alta concentración de sales). La solución osmótica circula por el lado de permeado de la membrana a través de una bomba de engranajes (Cole-Panner 7511-70, EE. UU.) y vuelve al depósito de permeado.
Las sales comprendidas en la solución osmótica pueden, por ejemplo, comprender o consistir en NaCl. La concentración de NaCl oscila preferiblemente entre 200 y 300 mg/L, en particular es de aproximadamente 300 mg/L.
En las configuraciones I, II y III, el peso del depósito de permeado se controla con una balanza (LP 4202 I, VWR, Italia), y la temperatura se registra con un registrador de datos de temperatura (Testo 176 T2, Bélgica) conectado a sondas de temperatura PT100 (Fabritius, Bélgica).
Una vez que los cristales aparecen en el tanque de cristalización, el proceso se detiene y la solución se filtra mediante filtración al vacío (filtros Whatman 1442 125). Los cristales de bicarbonato de sodio se mantienen luego en un desecador para secarlos suavemente antes de la caracterización.
Las condiciones experimentales utilizadas para los experimentos se resumen en la Tabla 3:
Tabla 3
La concentración de CA osciló entre 0,1 y 100 mg/L.
Caracterización de los cristales
Morfología de los cristales
La morfología de los cristales se estudia mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM).
Distribución del tamaño de los cristales
La distribución del tamaño de los cristales se cuantifica utilizando el método de granulometría húmeda (contador de partículas).
Rendimiento de los cristales
El rendimiento de los cristales se cuantifica pesando los cristales después de la filtración y el secado para determinar el NaHCÜ<3>.
Resultados
El coeficiente máximo de transferencia de masa se ha calculado para la etapa de absorción con L-arginina o anhidrasa carbónica (CA) como promotor de transferencia de masa y para la etapa de cristalización para las tres configuraciones. Los resultados se presentan en la Tabla 4.
La pureza de los cristales de bicarbonato se determinó para todos los experimentos.
Tabla 4
Se obtuvo una pureza de más del 99 % para los cristales de bicarbonato con la configuración III. Se obtuvo una pureza del 95 % para los cristales de bicarbonato con la configuración II, y también se obtuvo una alta pureza para los cristales de bicarbonato con la configuración I.
Conclusión
El procedimiento según la invención permitió la producción de cristales de bicarbonato de sodio a partir del dióxido de carbono de una corriente de gas usando L-arginina o anhidrasa carbónica como promotor de transferencia de masa. Los cristales de bicarbonato de sodio obtenidos mediante el procedimiento de la invención presentan una alta pureza que puede alcanzar más del 99 %.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un proceso continuo para la producción de cristales de bicarbonato de sodio, que comprende:
1) una etapa de absorción del dióxido de carbono gaseoso de una corriente de gas a una solución acuosa que comprende una sal de carbonato de sodio, que comprende las etapas de:
1a) poner en contacto dicha corriente de gas con una primera superficie de un primer contactor de membrana porosa; y poner en contacto dicha solución acuosa de carbonato de sodio con una segunda superficie opuesta del mismo primer contactor de membrana porosa, dicho dióxido de carbono gaseoso difunde a través de los poros de la membrana a dicha solución acuosa de carbonato de sodio donde se disuelve; y
1 b) hacer reaccionar el dióxido de carbono disuelto con la sal de carbonato de sodio en la solución acuosa para producir una solución acuosa de bicarbonato de sodio;
dicha etapa de absorción se lleva a cabo en presencia de al menos un promotor de transferencia de masa seleccionado entre un aminoácido o una enzima;
dicho al menos un promotor de transferencia de masa está en suspensión en la solución acuosa de carbonato de sodio o inmovilizado en dicho primer contactor de membrana porosa; entonces
2) una etapa de cristalización de la sal de bicarbonato de sodio, que comprende las etapas de:
2a) hacer circular la solución acuosa que contiene el bicarbonato sódico por un lado de un segundo contactor de membrana porosa;
2b) aplicar una fuerza impulsora haciendo circular un fluido de extracción en el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa, de modo que el agua de la solución acuosa se evapora y se difunde a través de los poros del segundo contactor de membrana porosa hacia el fluido de extracción en el lado opuesto del segundo contactor de membrana porosa, donde se vuelve a condensar, dando lugar a la concentración progresiva de la solución acuosa de bicarbonato sódico,
2c) enviar la solución acuosa concentrada de bicarbonato de sodio a un tanque de cristalización en la salida del segundo contactor de membrana porosa donde tiene lugar el crecimiento de los cristales; y 2d) recuperar los cristales de bicarbonato de sodio,
en donde dicho primer contactor de membrana porosa y dicho segundo contactor de membrana porosa están en serie.
2. El proceso continuo según la reivindicación 1, en donde el al menos un promotor de transferencia de masa es un aminoácido seleccionado entre L-arginina, 6-aminohexionina, L-valina, L-metionina y L-serina.
3. El proceso continuo según la reivindicación 1, en donde el al menos un promotor de transferencia de masa es la anhidrasa carbónica.
4. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde la concentración del promotor de transferencia de masa está comprendida entre 0,1 mg/L y 1 mg/L, preferentemente entre 0,1 mg/L y 0,5 mg/L.
5. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además una etapa de prefiltración de dicho promotor de transferencia de masa en suspensión en el disolvente a través de una membrana filtrante.
6. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la corriente de gas es un gas de combustión procedente de la combustión de combustibles fósiles, un gas de combustión procedente de la combustión de biocombustibles, un gas de origen natural o una combinación de los mismos.
7. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la concentración del dióxido de carbono gaseoso en la corriente de gas está entre el 5 % en volumen y el 40 % en volumen, preferentemente entre el 5 % en volumen y el 20 % en volumen.
8. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la concentración de la sal de carbonato de sodio en la solución acuosa que comprende una sal de carbonato de sodio está entre 0,1 mol/L y 2,0 mol/L, preferiblemente entre 0,1 mol/L y 1,0 mol/L.
9. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el número de Reynolds para la corriente de gas está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 15, preferiblemente entre aproximadamente 2 y aproximadamente 10, más preferiblemente entre aproximadamente 5 y aproximadamente 10.
10. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde el número de Reynolds para la solución acuosa que comprende una sal de carbonato de sodio está entre aproximadamente 2 y aproximadamente 30, preferiblemente entre aproximadamente 2 y aproximadamente 25, más preferiblemente entre aproximadamente 10 y aproximadamente 25.
11. El proceso continuo según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el fluido de extracción se selecciona entre un líquido, una mezcla de líquidos, una solución acuosa concentrada de una o más sales, un gas, una mezcla de gases o el vacío.
12. Un sistema (1) para la producción de cristales de bicarbonato de sodio a partir del dióxido de carbono de una corriente de gas, que comprende:
- una unidad (10) de control configurada para controlar el caudal de gas y/o de líquido, y las temperaturas del gas y/o del líquido;
- una unidad (20) de absorción que comprende un primer contactor de membrana porosa configurado para permitir el contacto entre una corriente (2) de gas que contiene dióxido de carbono gaseoso y un disolvente (5) que es una solución acuosa de carbonato de sodio; y una bomba de engranajes, en donde la corriente (2) de gas y el disolvente (5) se separan mediante dicho primer contactor (3) de membrana porosa, y en donde dicho primer contactor de membrana porosa contiene medios para difundir el dióxido de carbono gaseoso de la corriente de gas hacia el disolvente (5), donde se disuelve y reacciona con el carbonato sódico para producir bicarbonato sódico, dichos medios son poros; y
una unidad (30) de cristalización que comprende un segundo contactor (13) de membrana porosa configurado para permitir el contacto entre la solución acuosa que contiene el bicarbonato sódico a cristalizar procedente de la unidad (20) de absorción y un fluido de extracción; un tanque (16) de permeado que contiene el fluido (15) de extracción; y un tanque (22) de cristalización donde tiene lugar la cristalización,
en donde el segundo contactor (13) de membrana está acoplado fluídicamente al tanque (22) de cristalización y al tanque (16) de permeado,
en donde el agua de la solución acuosa que contiene el bicarbonato sódico a cristalizar procedente de la unidad de absorción (20) circula por un lado del segundo contactor (13) de membrana porosa hacia el tanque (22) de cristalización y el fluido (15) de extracción procedente del tanque de permeado circula por el lado opuesto del segundo contactor (13) de membrana porosa, y en donde dicho segundo contactor de membrana porosa contiene medios para el transporte selectivo del agua de la solución acuosa hacia el lado opuesto, dichos medios son poros,
en donde dicha unidad (20) de absorción y unidad (30) de cristalización están acopladas fluídicamente.
13. El sistema según la reivindicación 12, que comprende además una unidad de prefiltración (40), acoplada fluídicamente a la unidad (20) de absorción y/o a la unidad (30) de cristalización.
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