KR20220128444A - 산업 처리에서 사용되는 세척 액체에서 아민의 농도를 감소시키기 위한 방법들 및 시스템들 - Google Patents

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샤오준 제임스 저우
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마티 레일
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Abstract

산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법은, 산 가스 스크러빙 프로세스의 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림을 흡착제 재료에 도입하는 단계를 포함하며, 세척 액체 스트림은 비교적 높은 제1 농도의 아민들을 갖는다. 제1 농도의 아민들을 가지는 세척 액체 스트림은 흡착제 재료를 통해 유동되며, 그리고 흡착제 재료는 아민들의 적어도 일부를 유지하며, 이에 의해 감소된 제2 농도의 아민들을 가지는 세척 액체 스트림을 제공한다. 감소된 농도의 아민들을 갖는 세척 스트림은 스크러빙되고 있는 산 가스로부터 보다 효과적으로 아민들을 제거하기 위해 세척 섹션으로 다시 재순환된다. 흡착제 재료는 재사용을 위해 재생될 수 있다. 재생된 흡착제 재료로부터 회수된 아민은 재사용을 위한 프로세스로 재순환될 수 있다.

Description

산업 처리에서 사용되는 세척 액체에서 아민의 농도를 감소시키기 위한 방법들 및 시스템들
본 발명은 미국 에너지부(Department of Energy)에 의해 수여된 DE-FE0031660 하에서의 정부 지원으로 이루어진다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리들을 갖는다.
본 출원은 2020년 1월 29일자로 출원된 미국 가특허 출원 번호 제62/967,338호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 그 전체가 본원에 인용에 의해 포함된다.
본 발명은 산업 프로세스들에서 사용되는 세척 액체로부터 아민들의 제거에 관한 것이다. 예를 들어, 아민 제조 시설로부터의 폐수로부터의 아민의 제거 또는 세척수로부터의 아민의 제거가 CO2 캡쳐 프로세스에서 사용된다.
산업 프로세스들에서, 효율을 증가시키고 그리고 비용 및 환경 충격을 감소시키기 위해 재료들을 회수하고 그리고 재사용하는 것이 요망가능하다. 아민들은 산업 프로세스들, 예를 들어, 아민 제조 및 프로세스 가스 스트림들로부터 CO2와 같은 산 가스들을 제거하기 위한 아민-용매 기반 프로세스들에서 우세하다. 그 결과, 아민들은 종종 산업용 물 스트림들에서 발견된다. 아민 및 물을 재순환시키고 그리고 재사용하기 위해, CO2 스크러빙 프로세스들에서 세척 액체 스트림들, 예를 들어, 물 스트림들로부터 아민들을 제거하는 방식을 찾는 것이 요망가능하다.
연소후 CO2 캡쳐를 위한 용매-기반 프로세스들은 통상적으로 흡수기 컬럼(absorber column)에서 연도 가스(flue gas)를 CO2 스크러빙 용매와 접촉시키는 것을 수반한다. 본 출원의 맥락에서, 스크러빙 용매는 아민계 스크러빙 용매이다. 용매는 연도 가스로부터 CO2를 흡수하며, 그리고 연도-가스 스트림은 감소된 CO2 함량을 갖는 흡수기 컬럼을 떠난다. 연도 가스는 또한, 가스 흡수기 컬럼을 빠져나오는 증기들 및 에어로졸들의 형태로 용매로부터 일부 아민을 픽업한다(pick up). 탄소 캡쳐 작동들로부터의 방출들을 감소시키기 위해, 그리고 대기로 손실되는 아민을 감소시키기 위해, 동반된 아민을 회수하는 것이 요망가능하다.
아민 증기들로, 처리된 연도 가스는 일반적으로 아민 방출들 및 아민 손실을 감소시키기 위해 물 세척 컬럼에서 스크러빙된다. 대안적으로, 유기 용매는 처리된 연도 가스로부터 아민 증기들을 스크러빙하는 데 사용될 수 있다. 클린업(cleanup) 후에, 처리된 가스는 통기하기 위해 보내진다. 캡처된 아민을 세척수로부터 제거하고 그리고 용매의 재순환을 위해 회수된 아민을 흡수기로 복귀시키는 것이 요망가능하다. 세척수 사이클에서 세정된 물을 재사용하는 것이 또한 요망가능하다. 세정된 세척수는 또한, 세척수로부터 아민 방출물들을 낮추는 능력을 가져서, 세척수로부터 아민들을 제거하는 것은 처리된 연도 가스로부터 제거되는 아민들을 증가시킨다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 세정된 세척수에서의 아민들의 농도가 낮을수록, 세정된 세척수는 처리된 연도 가스로부터 아민들을 제거하는데 보다 효과적이다.
물 세척을 갖는 종래의 연소 후 CO2 캡쳐 프로세스의 개략도가 도 1에 도시된다. 예를 들어, H2S, SO2, 및 HCl과 같은 다른 산 가스들이 또한 산 가스 스크러빙 프로세스들에서 제거될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 미국 특허 번호 제9,155,990호(이의 전체 내용들이 본원에 인용에 의해 포함됨)는 CO2 캡쳐 프로세스를 설명한다. 이러한 프로세스에서 그리고 도 1을 참조하여, 탄소질 연료의 연소로부터의 배기 가스는 라인(101)을 통해 CO2 캡쳐 플랜트에 진입한다.
CO2 캡쳐 플랜트에 진입하는 배기 가스의 온도는 일반적으로 약 25℃ 내지 약 60℃이다. (라인(101)을 통해 진입하는) 배기 가스는 CO2 흡수기(absorber)의 하부 부품 내로 도입되며, CO2 흡수기에서, 배기 가스는 린 액체 흡수 용매, 즉, CO2를 흡수하는 용매에 대해 맞흐름인 흡수기의 저부로부터 최상부로 유동하며, 그리고 배기 가스는 흡수기의 상부 부품 내로 린 흡수제 라인(108)을 통해 흡수기의 상부 부품 내로 도입된다. CO2 린 가스, 즉, CO2의 상당한 부분이 제거되는 흡수기 배기 가스는 흡수기(스트림(102))의 최상부를 통해 제거되고, 그리고 용매들의 증기들이 세척 섹션에서의 순환하는 물에 의해 제거되는 물 세척 섹션에 진입한다. 그 후, 저-CO2 처리된 가스(스트림(103))는 통기부로 방출된다. 리치 용매, 즉 대부분의 CO2를 흡수된 용매는, 흡수기의 저부에 있는 리치 흡수제 라인(104)을 통해 흡수기로부터 제거된다.
리치 흡착제는 (라인(105)에서) 리치 흡착제가 재생기 컬럼 내로 도입되기 전에, 전형적으로 90℃ 내지 110℃ 범위의 온도로 열 교환기에서 흡수 타워(absorption tower)로 복귀되는 린 용매(lean solvent)에 대해 라우트되고(routed) 그리고 가열된다. 재생기 컬럼에서, 리치 용매는 재생 리보일러에서 용매의 일부를 가열함으로써 발생되는 발생되는 증기에 대해 아래로, 맞흐름으로 유동한다. 린 용매는 라인(106)에서 재생기 컬럼의 기초부에 있는 재생기를 떠난다. 린 용매는 라인(106)을 통해 재생 리보일러 내로 도입되며, 린 용매는 고온의 용매로부터 CO2를 추가적으로 제거하고 그리고 CO2 및 물을 포함하는 증기 스트림을 발생시키기 위해, 통상적으로 110℃ 내지 130℃ 범위의 온도로 가열되며, 이는 라인(112)에서 재생기 내로 진입된다.
린 용매는 (라인(107)에서) 리보일러로부터 빼내어지고, (라인(108)을 통해) 흡수기로 다시 재순환된다. 용매로부터 방출된 CO2, 수증기, 및 소량의 용매는 재생기의 최상부에서 가스 배출 라인(라인(109))을 통해 재생기로부터 빼내어진다. 가스 배출 라인(109)의 가스는, 주로 CO2를 포함하는 나머지 가스로부터 물 및 소량의 용매를 응축시키기 위해 응축기에서 냉각된다. CO2 가스 및 일부 잔여 수증기는 추가의 처리, 예컨대 건조, 압축, 및 격리를 위해 또는 (라인(110)을 통한) 다른 프로세스에서의 활용을 위해 CO2 분리기로부터 제거된다. CO2 분리기의 응축된 물 및 용매는 (라인(111)을 통해) 빼내어지고, 그리고 재생기의 최상부로 다시 펌핑된다.
CO2 제거를 위해 사용되는 통상적인 용매들은 아민들의 수용액들(예컨대, MEA(monoethanolamine), DEA(diethanolamine), MDEA(methyldiethanolamine), AMP(2-amino 1-propanol)) 또는 아민들의 혼합물들이다. 이러한 용매들은 (도 1에 도시된 바와 같이) 물 세척 또는 유기 용매 세척을 수반하는 방출 조절을 겪는다. 세척수 또는 유기 용매로부터 캡쳐된 아민을 제거하는 것 그리고 용매의 재순환을 위해 회수된 아민을 흡수기로 복귀시키는 것이 요망가능하다. 세척 효과성을 개선시키기 위해 세척 사이클에서 세정된 물 또는 세정된 유기 용매를 재사용하는 것이 또한 요망가능하다. 제거된 상대적으로 더 많은 캡쳐된 아민을 가지는 세정된 세척 스트림은 세척 사이클에서 아민들을 제거할 때 보다 효과적이다.
본 발명의 제1 양태에서, 산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법은, 산 가스 스크러빙 프로세스의 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림을 흡착제 재료(adsorbent material)에 도입하는 단계 ― 세척 액체 스트림은 제1 농도의 아민들을 가짐 ― , 및 흡착제 재료를 통해 제1 농도의 아민들을 가지는 세척 액체 스트림을 유동시키는 단계를 포함하며, 흡착제 재료는 아민들의 적어도 일부분을 유지시켜, 이에 의해 감소된 제2 농도의 아민들을 가지는 세척 액체 스트림을 제공한다. 세척 액체는 물, 유기 용매 또는 이들의 조합일 수 있다. 흡착제 재료는 활성탄, 예를 들어, 석탄계 활성탄일 수 있다. 아민은 소수성 아민들을 포함할 수 있다.
본 발명의 제2 양태에서, 산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법으로서, 이 방법은, 산 가스를 보유하는 배기 가스를 흡수기 용기 내로 도입하는 단계 ─ 용기는 50% 미만의 물 및 하나 이상의 아민들을 가지는 용액을 포함하는 용매를 함유함 ─ ; 배기 가스를 용매를 통해 유동시는 단계 ─ 이 단계에 의해, 배기 가스로부터의 산 가스의 적어도 일부분은 용매에 의해 흡수되며, 그리고 용매의 적어도 일부분은 배기 가스에 의해 흡수되며, 이에 의해 증가된 농도의 아민을 및 감소된 농도의 산 가스를 가지는 가스를 형성함 ─ ; 세척 섹션에서의 세척 액체로 증가된 농도의 아민을 갖는 가스를 세척하는 단계 ─ 이에 의해 가스로부터 아민의 적어도 일부분을 제거하고 그리고 제거된 아민을 세척 액체 내로 흡수시킴 ─ ; 세척 섹션을 빠져나오는 세척 스트림을 흡착제 재료에 도입하는 단계 ─ 세척 스트림은 제1 농도의 아민들을 가짐 ─ , 흡착제 재료를 통해 제1 농도의 아민들을 가지는 세척 스트림을 유동시키는 단계 ─ 흡착제 재료는 아민들의 적어도 일부분을 유지시켜, 이에 의해 감소된 제2 농도의 아민들을 가지는 세척 스트림을 제공함 ─ , 및 내부에서 재사용되기 위해 감소된 제2 농도의 아민들을 갖는 세척 스트림을 세척 섹션으로 재순환시키는 단계를 포함하며, 이에 의해 비교적 낮은 농도의 아민들을 갖는 재순환된 세척 스트림을 세척 섹션에 제공하는 것은 세척 섹션에서의 아민 제거의 효율을 개선시키며, 이에 의해 산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물들에서 아민들의 농도를 감소시킨다. 세척 액체는 물, 유기 용매 또는 이들의 조합일 수 있다. 흡착제 재료는 활성탄, 예를 들어, 석탄계 활성탄일 수 있다. 아민은 소수성 아민들을 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 양태에서, 재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법은, 증기를 흡착제 재료에 도입하는 단계 ─ 흡착제 재료는 흡착제 재료에 부착된 초기 농도의 아민들을 가짐 ─ , 및 상기 흡착제 재료를 통해 증기를 유동시킴으로써 흡착제 재료를 처리하는 단계 ─ 이에 의해, 부착된 아민의 적어도 일부분은 흡착제 재료로부터 탈착되어, 흡착제 재료는 증기 처리 후에 흡착제 재료에 부착된 감소된 제2 농도의 아민들을 가져, 이에 의해 흡수제 재료의 재사용을 가능하게 한다.
본 발명의 제4 양태에서, CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법은, CO2를 보유하는 가스를 흡수기 용기 내로 도입하는 단계 ─ 용기는 50% 미만의 물 및 하나 이상의 아민들을 가지는 용액을 포함하는 용매를 함유함 ─ ; 배기 가스를 상기 용매를 통해 유동시키는 단계 ─ 이 단계에 의해, 배기 가스로부터의 CO2의 적어도 일부분은 용매에 의해 흡수되며, 그리고 용매의 적어도 일부분은 가스에 의해 흡수되며, 이에 의해 증가된 농도의 아민을 가지는 가스를 형성함 ─ ; 세척수로 증가된 농도의 아민을 갖는 가스를 세척하는 단계 ─ 이에 의해 가스로부터 아민의 적어도 일부분을 제거하고 그리고 제거된 아민을 세척수 내로 흡수시킴 ─ ; 흡수된 아민을 가지는 세척수를 흡착제 재료에 도입하는 단계; 흡착제 재료를 통해 흡수된 아민을 갖는 세척수를 유동시키는 단계 ─ 흡수제 재료는 아민의 적어도 일부분을 유지시키며, 이에 의해 감소된 농도의 아민을 가지는 세척수를 제공함 ─ ; 흡착제 재료에 부착되는 유지되는 아민을 가지는 흡착제 재료를 통해 증기를 도입하고 그리고 유동시켜, 이에 의해 유지되는 아민의 적어도 일부분을 제거함으로써 흡착제 재료를 처리하는 단계; 증기를 포함하는 회수된 아민의 스트림 및/또는 응축된 물 및 상기 흡착제 재료로부터 제거된 아민의 스트림을 형성하는 단계; 및 회수된 아민의 스트림을 CO2 스크러빙 프로세스로 재도입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 전술한 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명 양자 모두가 예시적이지만, 본 발명을 제한되지 않는 것이 이해될 수 있다.
본 발명의 보다 완전한 이해 및 본 발명의 부수적인 이점들 중 많은 것은, 첨부 도면들과 연관되어 고려될 때, 동일한 것이 하기의 상세한 설명에 대한 인용에 의해 보다 양호하게 이해되기 때문에 용이하게 획득될 것이다.
도 1은 물 세척을 갖는 종래의 CO2 캡쳐 시스템의 개략도이다.
도 2는 본원에 설명된 방법을 사용하는 프로세스 흐름 선도의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 3은, 흡착 섹션 및 탈착 섹션을 포함하는 2-시스템 접근법의 개략도이다.
도 4는 린 및 리치 아민을 갖는 0중량% 내지 3중량%에 대한 아민 농도 대 전도율의 그래프이다.
도 5는 상이한 사이클들 동안 시간에 따른 흡착제의 흡착 효율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 상이한 사이클들 동안 탈착 속도 대 시간을 비교하는 그래프이다.
도 7은 각각의 흡착 및 탈착 단계 후의 추정된 누적 로딩 및 상이한 사이클들 동안의 작동 용량을 나타내는 그래프이다.
도 8은 퍼센트 단위의 흡착 효율 대 분 단위의 시간을 나타내는 그래프이다.
도 9는 각각의 흡착 및 탈착 단계 후의 누적 로딩 및 상이한 사이클 동안의 작동 용량을 나타내는 그래프이다.
도 10은 선택된 사이클들 동안 각각의 흡착제에 대한 백분율 단위의 효율을 나타내는 차트이다.
도 11은 흡착제 1 및 흡착제 2에 대한 상대적인 작동 용량을 비교하는 차트이다.
도 12는 모델에 의해 생성된 유출 아민 대 유입 아민 및 세척 온도의 플롯이다.
도 13은 백분율 캡쳐 대 유입 아민 및 세척 온도의 플롯이다.
도 14는 시간에 걸친 제2 물 세척을 위한 유출 스트림의 아민 방출 농도를 나타내는 선 차트이다.
도 15는 시간에 걸친 제2 물 세척의 배수 물 스트림 및 최상부 물 스트림에서의 아민 방출 농도를 나타내는 선 차트이다.
세척 액체에서의 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법이 본원에 설명된다. 본원에 설명된 예시적인 실시예들은 세척수에서 아민들의 농도를 감소시키는 것에 관한 것이다. 그러나, 당업자는 세척 액체가 유기 용매들을 포함할 수 있는 것을 이해할 것이다. 아민들은 많은 산업적 프로세스들에서 물 스트림들에 존재한다. 예를 들어, 아민은 아민 제조 시설로부터 방출되는 폐수에서 발견될 수 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 아민은 CO2 스크러빙 프로세스와 같은 산 가스 스크러빙 프로세스에서 사용되는 세척수에서 발견될 수 있다. 물에서의 아민의 농도를 감소시키기 위한 본원에 설명된 본 방법은 많은 상이한 적용들에서 효과적으로 사용될 수 있다. 물로부터 아민을 제거하는 것은 CO2 스크러빙 프로세스에서 세척수의 맥락에서 본 출원서에서 설명될 것이다. 그러나, 당업자는, 아민 제거 프로세스가 다른 산업적 맥락들에 적용가능할 수 있는 것을 이해할 것이다.
CO2 스크러빙 프로세스에서, 탄소질 연료의 연소로부터의 배기 가스에 존재하는 CO2는 흡수기 컬럼에서 액체 흡수제 용매(예컨대, 아민들의 수용액들)에 의해 흡수된다. CO2 린 가스(lean gas)(즉, CO2의 상당한 부분이 제거된 흡수기 컬럼 배기 가스)는 흡수기 컬럼의 최상부를 빠져나가고, 그리고 아민 용매로부터 유도된 아민들이 세척 섹션에서 순환하는 액체 세척에 의해 제거되는 세척 섹션에 진입한다. 액체 세척제는 물, 유기 용매 또는 이들의 조합일 수 있다. 세척 액체들로서 사용되는 예시적인 유기 용매들은 트리-에틸렌글리콜디부틸에테르(tri-ethyleneglycoldibutylether) 및 Genosorb®1843을 포함한다. 용매들, 예컨대 트리-에틸렌글리콜디부틸에테르 및 Genosorb®1843의 소수성은 많은 소수성 아민들의 소수성과 같고, 그리고 이에 따라 이러한 아민들에 대한 높은 용해도를 가지고, 그리고 세척 액체들로서 잘 작용하면서, 또한 프로세스로부터의 배출들에 추가로 기여하지 않기 위해 낮은 증기압을 나타낸다. 다른 예시적인 유기 용매는 프로판올(propanol), 부탄올(butanol), 디클로로메탄(dichloromethane), 디-에틸렌글리콜디부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디부틸에테르(tetraethyleneglycoldibutylether) 또는 이들의 조합들을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 세척 섹션을 빠져나오는 세척 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법은 CO2 스크러빙 프로세스의 세척 섹션을 빠져나오는 세척 스트림을 흡착제 재료에 도입하는 단계를 포함하며, 세척 스트림은 비교적 높은 제1 농도의 아민들을 갖는다. 제1 농도의 아민들을 갖는 세척 스트림은, 흡착제 재료가 아민들의 적어도 일부분을 유지하도록 흡착제 재료를 통해 유동된다. 흡착제 재료를 통해 유동한 후에, 세척 스트림은 제2의 감소된 농도의 아민들을 갖는다. 흡착(adsorption)은 가스, 액체 또는 용해된 고체로부터 표면으로의 원자들, 이온들 또는 분자들의 접착이다. 흡착은 흡수(absorption)와 상이하며, 액체 또는 가스(흡수물(absorbate))는 액체 또는 고체(흡수제)에 의해 각각 용해되거나 이를 투과한다.
흡착제들은, 예를 들어, 분말, 과립 및 압출된 것을 포함하는, 다수의 물리적인 형태들일 수 있다. 각각의 형태는 많은 크기들로 이용가능하다. 사용되는 형태 및 크기는 일반적으로 적용 의존적이다. 흡착제들은 일반적으로 높은 내마모성, 높은 열적 안정성, 및 작은 기공 직경들을 가지며, 이는 보다 높은 노출된 표면적 및 따라서 흡착에 대한 높은 능력을 제공한다. 실시예들에서, 흡착제 재료는 1시간 내지 15시간의 동작 시간 동안 적어도 30%인 평균 흡착 효율을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 흡착제 재료는 1시간 내지 10시간의 동작 시간 동안 적어도 50%의 평균 흡착 효율을 가질 수 있다.
본원에 설명된 프로세스의 실시예들에서, 세척 스트림으로부터 아민들을 제거하기 위해 사용되는 흡착제 재료는 활성탄이다. 활성탄은 탄소 원자들로 주로 구성되는 복잡한 구조를 가지는 탄소질의 매우 다공성인 흡착 매체이다. 활성탄은 일반적으로 탄소 층들 사이에 누크들(nooks), 틈들, 균열들 및 금들(crevices)의 매우 다공성인 구조를 갖는다. 활성탄들은 코코넛 쉘, 토탄, 경질 및 연질 목재, 갈탄, 역청탄, 올리브 피트들(olive pits) 및 다양한 탄소질 전문 재료들로 제조될 수 있다.
활성탄들의 구조에서의 고유한 기공 네트워크는, 활성탄들이 효과적인 흡착제들인 것을 가능하게 한다. 일부 예들에서, 흡착은, 흡착되고 있는 분자들보다 약간 더 큰 기공들에서 일어날 수 있으며, 이는, 흡착되고 있는 분자를 활성탄의 기공 크기와 일치시키는 것이 중요할 수 있는 이유이다. 이론에 얽매이지 않고, 분자들이 반 데르 발스 힘들(Van Der Waals forces) 또는 다른 인력 결합들에 의해 탄소의 내부 기공 구조 내에 트랩되고 그리고 고체 표면 상에 축적되는 것으로 간주된다.
일반적으로, 활성탄에 대해, 내부 표면적이 더 높아질수록, 탄소의 효율성이 더 높아진다. 활성탄의 표면적은 크다. 이는 500㎡/g 내지 1500㎡/g 또는 그 초과일 수 있다. 활성탄의 총 기공 체적은 활성탄의 입자 내측의 모든 기공 공간들을 지칭한다. 일반적으로, 기공 용적이 높아질수록, 효과가 높아진다. 그러나, 흡착될 분자들의 크기가 기공 크기에 대한 양호한 일치가 없다면, 기공 체적의 일부가 활용되지 않을 것이다.
설명된 프로세스의 실시예에서, 활성탄은 석탄계 활성탄이다. 석탄계 활성탄은 상대적으로 더 높은 농도들의 아민, 예를 들어, 상대적으로 더 높은 농도들의 소수성 아민들을 흡착할 때의 사용에 대해 유익할 수 있다. 석탄계 활성탄은 백분율-레벨 양의 아민, 예를 들어, 백분율-레벨 양들의 소수성 아민을 흡착하는 데 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 흡착제는 고정된 흡착제 베드 형태의 석탄계 활성탄이며, 이 흡착제 베드를 통해 제1 농도의 아민을 갖는 물이 고정된 흡착제 베드를 통해 유동하는 스트림으로서 도입된다. 본 프로세스는, 하나의 베드가 흡착 용량에 가까워지거나 도달할 때 서로 전환될 수 있는 다수의 고정된 흡착제 베드들을 포함할 수 있다.
물로부터 제거되는 아민은 적용가능한 산업 프로세스에서의 사용을 위해 적합한 임의의 아민일 수 있다. 예시적인 아민은 1차 아민, 2차 아민, 디아민, 트리아민, 테트라아민, 펜타민, 사이클릭 아민, 사이클릭 디아민, 아민 올리고머, 폴리아민, 알카놀아민, 또는 이들의 혼합물들을 포함할 수 있다. 실시예에서, 아민은 약 8 내지 약 15의 pKa를 갖는다. 다른 실시예에서, 아민은 1차 아민들, 2차 아민들, 디아민들, 트리아민들, 테트라아민들, 펜타민들, 사이클릭 아민들, 사이클릭 디아민들, 아민 올리고머들, 폴리아민들, 알코올아민들, 구아니딘들, 아미딘들 및 이들의 혼합물들로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 잠재적인 적합한 아민들은, 1,4-디아자비시클로-운데크-7-엔("DBU"); 1,4-디아자비시클로-2,2,2-옥탄; 피페라진("PZ"); 트리에틸아민("TEA"); 1,1,3,3-테트라메틸구아니딘("TMG"); 1,8-디아자비시클로운데크-7-엔; 모노에탄올아민("MEA"); 디에틸아민("DEA"); 에틸렌디아민("EDA"); 1,3-디아미노 프로판; 1,4-디아미노부탄; 헥사메틸렌디아민; 1,7-디아미노헵탄; 디에탄올아민; 디이소프로필아민("DIPA"); 4-아미노피리딘; 펜틸아민; 헥실아민; 헵틸아민; 옥틸아민; 노닐아민; 데실아민; 터트-옥틸아민; 디옥틸아민; 디헥실아민; 2-에틸-1-헥실아민; 2-플루오로페네틸아민; 3-플루오로페네틸아민; 3,5-디플루오로벤질아민; 3-플루오로-N-메틸벤질아민; 4-플루오로-N-메틸벤질아민; N-메틸벤질아민; 이미다졸; 벤지미다졸; N-메틸 이미다졸; 1-트리플루오로아세틸이미다졸; 1,2,3-트리아졸; 1,2,4-트리아졸; 및 이의 혼합물들을 포함한다(하지만 이에 제한되지 않음). 실시예에서, 아민은 N-메틸벤질아민, 디-에틸렌글리콜디부틸에테르, 트리-에틸렌글리콜디부틸에테르, 테트라에틸렌글리콜디부틸에테르 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 아민은 N-메틸벤질아민 및 디-에틸렌글리콜디부틸에테르, 트리-에틸렌글리콜디부틸에테르 및 테트라에틸렌글리콜디부틸에테르의 혼합물로 구성될 수 있다.
실시예에서, 잠재적인 아민들은 소수성 아민들을 포함한다. 소수성 아민들은 종종 물 린 용매들, 즉 50% 미만의 물을 가지는 용매들에서 사용된다. 감소된 물 함량 때문에, 물 린 용매에서의 아민의 농도는 상대적으로 높다. 대안적으로, 많은 CO2 캡쳐 프로세스들은 수성 기반 용매들에서 친수성 아민들을 사용한다. 수성 기반 용매에서의 물의 양은 물 린 용매들에서의 물의 양보다 상대적으로 더 높다. 그 결과, 물-기반 용매에서의 친수성 아민의 농도는 물 린 용매들에서의 소수성 아민의 농도보다 상대적으로 더 낮다. 따라서, 각각의 용매에서의 아민의 증기압에 따라, 세척 액체로부터 제거될 소수성 아민의 양은, 친수성 아민들을 가지는 수성-기반 용매들을 사용하는 대응하는 시스템들에서보다 상대적으로 더 높을 수 있다. 또한, 소수성 아민들의 소수성은, 세척 액체에 흡수될 아민에 대한 친화성을 감소시키고, 그리고 친수성 아민들에 대한 흡수를 위한 구동력을 낮춘다. 그 결과, 세척 섹션들의 효율은 친수성 아민들에 비해 소수성 아민들에 대해 일반적으로 감소되며, 그리고 본원에서 상세히 설명되는 방법은 소수성 아민-라덴 가스의 세척 효율을 개선시키는 데 사용될 수 있다.
본원에 설명된 방법은 또한, 아민이 흡착제 재료에 흡착된 후에 재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하기 위한 방법을 포함한다. 당업자가 이해할 것인 바와 같이, 효율을 증가시키고 그리고 비용들 및 환경 충격을 감소시키기 위해 산업 프로세스들에서 재료들을 재사용하는 것이 요망가능하다. 흡착제는 흡착제에 흡착되는 아민을 제거하거나 탈착시킴으로써 재생될 수 있다. 실시예들에서, 아민은 증기 또는 유기 용매들을 사용하여 탈착될 수 있다. 흡착제 재료로부터 아민을 탈착시키기 위해 사용되는 예시적인 유기 용매는 활성탄을 메탄올로 처리하는 것을 포함한다. 메탄올 및 아민의 결과적인 용액은 재사용을 위한 정제된 아민을 생성하도록 증발될 수 있다. 다른 예시적인 유기 용매들은, 에탄올, 이소프로판올, 아세톤, 에틸 아세테이트, 및 테트라하이드로퓨란을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
예시적인 실시예에서, 증기는, 흡착제 재료에 흡착되는 아민을 가지는 흡착제 재료에 도입되며, 그리고 흡착제 재료는 증기를 흡착제 재료를 통해 유동시킴으로써 처리된다. 아민-라덴 흡착제를 증기와 접촉시키는 것은, 부착된 아민의 적어도 일부분이 흡착제 재료로부터 탈착하는 것을 유발시켜, 따라서 흡착제 재료 상에서 아민의 농도를 감소시키고, 이에 의해 흡착제 재료의 재사용을 가능하게 한다. 상이한 유량들의 증기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 2m/min 내지 20m/min의 표면 증기 속도를 발생시키는 유량이 사용될 수 있다. 상이한 온도의 증기가 사용될 수 있다. 예를 들어, 약 100℃ 내지 180℃의 온도의 증기가 사용될 수 있다. 증기는 1바 내지 10바의 압력일 수 있다. 흡착제는 제거되는 아민의 종류, 제거되는 아민의 총 체적, 재생되는 흡착제의 종류, 재생되는 흡착제의 체적, 재생을 위해 사용되는 처리 조건들 등에 따라 다양한 양의 시간 동안 증기로 처리될 수 있다. 예를 들어, 증기로의 재생 처리는 5분 내지 60분의 시간 동안 발생할 수 있다. 예를 들어, 증기 재생은 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 또는 60분 동안 수행될 수 있다. 실시예들에서, 흡착제 베드들을 보유하는 다수의 용기들은 상호교환가능하게 사용될 수 있어, 하나의 베드는 재생될 수 있으면서, 다른 베드는 아민을 흡착하기 위해 사용되고 있다. 하나의 베드가 그의 흡착 포화 제한 또는 용량에 도달할 때 또는 프로세스 최적화를 위해, 이 베드는 전환될 수 있거나 재생된 베드와 상호교환될 수 있다.
본원에 설명된 방법은 또한, CO2 스크러빙 프로세스에서 재생된 흡착제 재료로부터 회수된 아민을 재사용하는 단계를 포함한다. 증기 처리로 흡착제로부터 분리되는 아민은 증기 또는 증기로부터 형성되는 응축수와 조합될 수 있고 그리고 적합한 위치에서 회수 스트림의 형태로 프로세스로 복귀될 수 있다. 회수된 아민은 응축수 스트림에 비교적 희석될 수 있다. 예를 들어, 아민은 스트림에서 1중량% 내지 10중량%일 수 있다. 회수된 아민을 갖는 스트림은 제1 물 세척에서 시스템으로 또는 흡수기 컬럼에서 용매로 재도입될 수 있다. 대안적으로, 아민은 적용에 따라, 추가의 사용을 위해 분리되거나 농축될 수 있다.
설명된 프로세스는, 발전 유닛들로부터의 CO2 캡쳐 유닛들을 포함하는, 프로세스 가스 스트림들로부터 유도되는 아민들, 특히 소수성 아민들의 제거를 위한 세척 섹션의 효율을 증가시킬 수 있다. 세척 액체, 예를 들어, 세척수는 세척수로부터 아민들을 흡착하는 활성탄의 전환가능한 고정된 베드들을 통해 순환될 수 있다. 활성탄 베드가 아민들로 포화되기 전에, 유동은 다른 탄소 베드로 전환될 수 있으며, 그리고 제1 베드는 증기로 재생될 수 있다. 프로세스는 흡착과 재생 사이에서 교번하는 베드들을 상호교환할 수 있다.
세척 액체로부터 아민들을 보다 효과적으로 제거함으로써, 세척 액체에서의 아민의 농도는 감소되며, 이에 의해 아민이 세정된 세척 액체에서 흡착하기 위해 구동력을 증가시킨다. 이에 따라, 세척 효율이 증가되며, 그리고 세척 액체로부터의 아민 방출들이 감소된다. 모델링은, 이러한 프로세스가 세정된 세척수에서의 아민 중량 분율을 100배만큼 감소시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 이는 유사하게 처리된 가스에서의 아민들의 평형 부분압을 감소시킨다.
도 2는 본원에 설명된 방법을 사용하는 프로세스 흐름 선도의 예시적인 실시예를 도시하는 개략도이다. 도 2의 넘버링은 둘 모두의 도면들에 공통인 처리 유닛들에 대한 도 1에서의 넘버링과 동일하다. 도 2는 2개의 물 세척 유닛들, 제1 물 세척, 및 제2 물 세척을 포함한다. 스트림(103)은 제1 물 세척으로 도입되며, 그리고 스트림(103)은 제2 물 세척으로 도입된다. 물 세척 유출물 스트림(120)은 제2 물 세척을 떠나고, 그리고 아민 제거를 위한 활성탄 베드들로 도입된다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 스트림(120)은 하나의 흡착기 베드(adsorber bed)를 통해 라우팅될 수 있으면서, 다른 베드는 라인(114)을 통해 제공되는 증기로 재생되고 있다. 흡착을 위해 사용되고 있는 베드는 전환 밸브를 사용함으로써 재생되고 있는 베드로 전환될 수 있다. 흡착기 베드를 떠나는 세정된 물은 제2 물 세척으로 재순환될 수 있으며, 그리고 재생된 흡착기 베드를 떠나는 재청구된 아민은 제1 물 세척으로 재순환될 수 있다. 비록 도시되지 않았지만, 회수된 아민은 공지된 방법들, 예를 들어, 증류를 사용하여 추가로 분리 및 농축될 수 있다. 더욱이, 회수된 아민은 제1 물 세척으로보다는 오히려 흡수기 컬럼으로 직접적으로 복귀될 수 있다.
예들
예 1
흡착 및 재생 성능을 평가하기 위한 시험이 수행되었다.
탈착가능한 고정된 흡착제 베드를 갖는 2-시스템 접근법은 흡착제의 아민 캡쳐 특성들을 분석하는 데 사용되었다. 도 3은, 흡착 섹션 및 탈착 섹션을 포함하는 2-시스템 접근법의 개략도를 제공한다. 흡착 시스템은 아민 및 물의 용액을 함유하는 용기, 고정된 흡착제 베드 및 수집 용기로 구성되었다. 베드에서의 흡착제는 석탄계 활성탄이었다. 재생 시스템은 증기 소스, 동일한 고정된 흡착제 베드, 응축기 코일, 및 수집 용기를 보유하였다. 재생 프로세스의 경우에, 고정된 흡착제 베드 후의 온도 탐침(temperature probe)은, 증기가 베드를 통해 파괴될 때를 결정하는 데 사용되었다.
실험에서, 사이클은 약 6그램의 흡착제를 통해 아민 용액을 펌핑하는 것으로 시작되었다. 설정 시간 동안의 흡착 후에, 베드가 탈착되었고 그리고 2mL/분의 증기가 흡착제로부터 아민을 스트리핑하였던 증기 제조 유닛으로 전달되었다.. 베드는 시험의 8개 사이클들을 거쳤다. 표 1은 사이클들을 위한 작동 조건들을 개략적으로 나타낸다.
Figure pct00001
처음 3사이클들 동안, 수집된 샘플들은 각각의 샘플의 아민 중량%를 측정하기 위해 자동-적정기(auto-titrator)로 분석되었다. 제3 사이클 후에, 전도율을 아민 중량%에 대해 상관시켰던 보정 곡선은 아민 중량%를 결정하기 위해 정확한 그리고 효율적인 수단인 것으로 결정되었다. 도 4는 린 및 리치 아민을 갖는 0중량% 내지 3중량%에 대한 아민 농도 대 전도율의 그래프를 제공한다. 이러한 보정은 0중량% 내지 3중량%의 공지된, 준비된 아민 중량% 표준들의 전도율을 측정함으로써 생성되었다. 관계식은 멱수 법칙(power law)에 매우 잘 부합하는 것으로 발견되었고, 그리고 로그-로그 플롯(log-log plot) 상에서 그려진다. 1중량% 초과의 농도들에서의 비-수용성 용매 아민 및 물의 잠재적인 2상 특성으로 인해, 하나의 상을 형성하기 위해 CO2로 버블링된 후의 아민 중량% 및 전도율을 비교했던 보정이 또한 생성되었다. 탁한, 2상 시스템을 나타냈던 샘플들은, 1상 용액이 달성될 때까지 대략 1분 동안 CO2로 버블링되었다.
도 5는 상이한 사이클들 동안 시간에 따른 흡착제의 흡착 효율을 도시한다. 베드의 완전한 브레이크스루(breakthrough)는 제4 사이클까지 발생하지 않았다. 그러나, 브레이크스루 프로파일(breakthrough profile)은 후속하는 시험들 동안 반복가능하였다.
흡착제는 증기를 사용하여 각각의 사이클 동안 재생되었으며, 그리고 탈착이 빠른 것으로 발견되었으며, 그리고 대부분의 탈착은 증기 노출의 처음 20분 동안 발생했다. 도 6은 상이한 사이클들 동안 탈착 속도 대 시간을 비교하는 그래프이다. 도 6은 대부분의 사이클들에 대한 시간에 걸친 탈착 속도를 도시한다. 온도 탐침은, 증기가 평균 10분 안에 베드를 돌파하는 것을 나타내었으며, 이는 응축물의 제1 액적들이 베드를 떠난 후 단지 몇 분이었다. 흡착제가 베드 상으로 돌파할 때까지, 처음 3개의 사이클들에서 최소량의 탈착이 존재하였다. 이는, 흡착제 상에 포획된 거의 모든 제1 아민들이 흡착제에 밀접하게 결합되었지만, 흡착제 상의 아민의 완전한 로딩 후에, 아민의 일부분이 흡착제로부터 탈착될 수 있다는 것을 표시했다.
흡착제 상의 아민의 누적 로딩은 각각의 흡착 및 탈착 사이클 후에 샘플들로부터 추정되었다. 도 7은 각각의 흡착 및 탈착 단계 후의 추정된 누적 로딩 및 상이한 사이클들 동안의 작동 용량을 나타내는 그래프이다. 도 7은, 흡착제가 전체 용량에 도달하는 동안의 처음 3개의 사이클 동안 탈착의 결핍을 도시한다. 4 내지 8의 사이클로부터, 대략 0.2g-아민/g-흡착제 내지 0.25g-아민/g-흡착제의 보다 안정적인 작업 용량이 측정되었다. 누적 로딩에서의 감소하는 경향들은, 처음 3개의 사이클들 동안 측정된 성능으로 인해 누적 탈착 로딩이 대략 일정할 것으로 예상되었기 때문에, 흡착의 과소추정이 가능했을 가능성이 있는 것을 나타낸다.
예 2
2개의 예시적인 흡착제들에 대한 흡착제 성능을 평가하기 위해 시험이 수행되었다.
시험에서, 흡착제 1은 석탄계 활성탄이었으며, 그리고 흡착제 2는 코코넛-쉘 활성탄이었다. 시험은, 흡착제 1이 흡착제 2보다 더 효율적인 것으로 나타났다.
예 1에 사용된 동일한 흡착 설정이 예 2에서의 흡착제 1에 대해 사용되었다. 4개의 세트들의 시험 조건들이 6그램의 흡착제 1의 베드 상에서 수행되었다. 이들 세트들은 농도 및 유량이 아민 캡쳐 성능에 대해 가지는 영향을 분석하기 위해 수행되었다. 표 2는 4개의 세트들에 대한 작동 조건들을 개략적으로 나타낸다.
Figure pct00002
도 8은 퍼센트 단위의 흡착 효율 대 분 단위의 시간을 나타내는 그래프이다. 도 8은 상이한 사이클들 동안 시간에 따른 흡착제의 흡착 효율을 도시한다. 흡착제 베드 상의 돌파는, 전체 효율을 감소시키는 사이클들(10 및 11)의 보다 높은 유량 및 예외적으로 낮은 농도를 제외하고, 베드가 사이클(4)에서 완전히 로딩된 후에 반복가능한 패턴을 따랐다.
흡착제 상의 아민의 누적 로딩은 각각의 흡착 및 탈착 사이클 동안 유출구에서 수집된 샘플들로부터 추정되었다. 도 9는 각각의 흡착 및 탈착 단계 후의 누적 로딩 및 상이한 사이클 동안의 작동 용량을 나타내는 그래프이다. 도 9는 예 2의 부가 5회의 실행들을 갖는 예 1로부터의 추정된 로딩 및 결과적인 작업 용량을 도시한다. 사이클들(10 및 11)의 보다 높은 유동들은 보다 낮은 작업 용량이 달성되는 것을 유발시켰지만, 사이클(12)을 갖는 정상 작동 조건은, 유동이 0.15g-아민/g-흡착제 내지 0.2g-아민/g-흡착제의 보다 안정한 작업 용량으로 복귀하는 것을 나타낸다. 누적 로딩에서의 감소하는 경향들은, 흡착의 작은 과소추정 및 탈착의 과대추정이, 인자들 둘 모두가 순간적이지 않았지만, 오히려 5분 내지 10분의 샘플 축적을 통해 그리고 실험의 종료시에 시험 시스템에서 보유된 액체를 처리하지 않은 샘플들에 의존하기 때문에, 그럴 가능성이 있었던 것을 표시한다.
5.3그램의 흡착제 2의 새로운 베드는 그의 아민 캡쳐 성능을 흡착제 1의 아민 캡쳐 성능과 비교하기 위해 설정되었다. 총 5회의 사이클들 중 3회 사이클들 동안, 아민 농도는 흡착제 2 대 흡착제 1을 가장 잘 비교하기 위해 4g/분의 유량으로 1%로 유지되었다.
도 10은 선택된 사이클들 동안 각각의 흡착제에 대한 백분율 단위의 효율을 나타내는 차트이다. 도 10은 흡착제 1과 흡착제 2 사이의 각각의 사이클에 대한 전체 흡착 효율을 비교한다. 도 10에 도시된 사이클들은 1%의 아민 농도로 ~4g/min으로 시험되었다. 도 10이 도시하는 바와 같이, 평균적으로, 흡착제 1는 흡착제 2보다 더 양호한 5 내지 10 백분율 지점들의 효율을 갖는다.
도 11은 흡착제 1 및 흡착제 2에 대한 상대적인 작동 용량을 비교하는 차트이다. 도 11은 흡착제 2에 비해 흡착제 1의 보다 양호한 성능을 나타낸다. 비교가능한 흡착제 1의 사이클들(4 내지 8)로부터, 대략 0.2g-아민/g-흡착제 내지 0.25g-아민/g-흡착제의 보다 안정적인 작업 용량이 측정되었다. 흡착제 2의 사이클들(1 내지 4)로부터, 대략 0.075g-아민/g-흡착체 내지 0.1g-아민/g-흡착체의 작업 용량이 흡착제 1의 성능의 절반 미만으로 측정되었다.
예 3
흡착제 베드들 없이 소수성 아민으로 물 세척 성능을 평가하기 위해 시험이 수행되었다. 성능은 흡착 베드들의 사용으로 증가될 수 있다.
물 세척의 상이한 매개 변수들이 최적의 작동 조건들을 결정하기 위해 조사되었다. 따뜻한 물 세척이 50 ℃에서 시험되었으며, ~1200 ppm의 아민은 세척 내에 있으며 그리고 ~600 ppm의 아민 방출들은 흡착기를 빠져나왔다. 이러한 결과는 소수성 아민을 갖는 물 세척의 온도 의존성을 강조한다.
물 세척 내로의 아민 배출들의 효과, 세척수의 온도, 세척 유량, 가스 유량, 및 흡수기 내로의 습도 레벨을 조사하기 위해, 실험들이 수행되었다. 세척에서의 아민 방출들 및 세척수의 온도가 가장 높은 충격을 가지는 것으로 발견되었다.
흡수기 내로의 습도 레벨은, 흡수기 유입 가스를 가습하기 위해 오리피스 플레이트(orifice plate)를 통한 증기 부가가 형성될 에어로졸들을 위해 핵생성 장소들로서의 역할을 할 수 있는지를 확인하기 위해 포함되었지만, 세척 컬럼 밖으로의 아민 방출에 대한 통계적으로 중요한 효과를 가지는 것으로 발견되지 않았다. 세척 컬럼 내로의 아민 방출들은 50ppm로부터 1050ppm로 변화되었다. 세척 컬럼의 온도는 저온 세척 스테이지의 효과를 확인하기 위해 20℃ 내지 30℃로 변화시켰다.
물 세척들 밖으로의 아민 방출들에 대한 가장 중요한 충격들은 유입 아민 및 세척 온도였다. 도 12는 모델에 의해 생성되는 유출 아민 대 유입 아민 및 세척 온도의 플롯이다. 도 12는, 30℃ 세척의 2개의 스테이지들이 아민 방출들을 1050ppm으로부터 약 20 내지 25ppm으로 감소시킬 수 있는 반면에, 20℃ 물 세척의 2개의 스테이지들이 아민 방출들을 1050ppm으로부터 10ppm 미만으로 감소시킬 수 있는 것을 나타낸다.
평가되었던 다른 메트릭(metric)은 세척수에서 캡쳐된 아민의 백분율 대 세척 내로의 아민의 변화 및 세척수의 온도였다. 도 13은 백분율 캡쳐 대 유입 아민 및 세척 온도의 플롯이다. 이는 캡쳐가 60%으로부터 높은 90대까지 변했다는 것을 나타낸다. 이러한 섹션에서 논의된 제1 시험은 또한, 50℃ 및 백분율 캡쳐에서의 1000ppm 초과에서, 백분율 캡쳐가 대략 50%로 감소되는 것을 나타냈다.
가스 및 액체 유량들의 다른 변수들은 세척 섹션 밖으로의 아민에 대한 보다 작은, 하지만 통계적으로 중요한 효과들을 갖는다. 시험은, 증가하는 가스 속도가 예상되는 바와 같이, 보다 높은 유출 아민 농도로 이어졌던 것을 나타냈다. 세척 유동은 더 적은 효과를 가졌고, 그리고 덜 명확한 경향을 생성하였으며, 유출 아민은 보다 높은 액체 유동과 함께 감소하는 반면, 유입 아민은 1000ppm으로 고정되었지만, 보다 높은 액체 유동과 함께 증가하였고, 그리고 유입 아민은 50ppm이었다.
예 4
CO2 캡쳐 프로세스에서 활성탄 흡착제 베드들을 사용할 때 증기 방출들을 평가하기 위해 시험들이 수행되었다.
도 2에서 도시되는 것과 같은 CO2 캡쳐 시스템은 증기 방출들을 평가하기 위해, 운영 중에 교번식으로 2개의 활성탄 베드들과 함께 작동되었다. 제2 물 세척으로부터의 유출 스트림에서의 아민 방출 농도들이 측정되었다. 시간에 걸친 ppm 단위의 유출 스트림 아민 방출 농도가 도 14에 도시된다.
아민 방출들은 또한 흡수기의 유출구들 및 제1 물 세척에서 측정되었다. 값들은 작동 기간에 걸쳐 제1 물 세척 유출구에서의 약 30ppm 및 흡수기 유출구에서의 약 150 ppm으로 일정하였다. 표 6은 도 14에서 도시되는 시간들로 조정하는, 각각의 활성탄 베드의 작동 시간들을 제공한다. 표 7은 흡수기의 유출구 및 제1 물 세척에서의 아민 방출 측정들을 제공한다.
Figure pct00003
Figure pct00004
작동 시작에서의 제2 물 세척으로부터의 유출 스트림에서의 아민 방출 농도는 거의 10ppm이었고, 그리고 활성탄 베드들을 갖는 작동의 처음 수시간 동안에 걸쳐 1ppm 미만으로 감소되었다. 제2 물 세척의 유출 스트림에서의 아민 방출 농도는, 탄소 흡착기 베드 제거 효율이 감소하며 그리고 세척수 아민 농도가 증가했음에 따라 점차적으로 증가하였다. 흡착기 베드들을 전환한 후에, 유출 스트림의 아민 농도들은, 탄소 베드 재생의 양에 따라 다시 감소하였다.
양자 모두의 흡착기 베드들은 작동 시작에서 증기로 부분적으로 재생되었다. 베드(2)는 시간 82에서 작동으로부터 제거된 후에 보다 완전히 재생되었다. 베드(1)는 시간 85에서 완전히 재생되었다. 재생 동안, 하나의 베드로의 증기는 제2 물 세척에서 온도를 일시적으로 증가시켰으며, 이는 증가된 방출들로 이어졌다. 이러한 효과는, 그 후 증가했던 방출들에서의 초기 범프(bump)가 존재했던 시간 87에서 보일 수 있다. 시간 110에서의 베드(1)의 재생의 충격은 또한 도 14에서 보인다.
시험의 과정에 걸친 제2 물 세척의 배수 물 스트림 및 최상부 물 스트림에서의 아민 농도는 도 15에서 도시된다. 배수 물 스트림의 농도는 0.0중량%에서 시작했고 그리고 시스템이 베드(2)로 흡착하고 있는 동안에 천천히 증가하였다. 세척수로부터의 아민의 활성탄 베드 제거는 시간 82에서 전환하기 전의 베드들 이후의 물 샘플들에서 아민 농도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 보일 수 있다. 베드들 후의 세척수에서의 아민 농도는 시험의 마지막 26시간 동안 베드(2) 상에서 다시 증가하기 전에 베드(1)로 전환한 후에 떨어졌다. 베드들을 전환하거나 교번하는 빈도 및 재생의 정도는 2차 물 세척에서 요망되는 낮은 아민 농도를 유지하도록 최적화될 수 있다.
본 발명의 다수의 수정들 및 변경들은 위의 교시들을 고려하여 가능하다. 따라서, 첨부된 청구항들의 범주 내에서, 본 발명이 본원에 구체적으로 설명되는 것과 다르게 실시될 수 있는 것이 이해될 수 있다.

Claims (50)

  1. 산 가스 스크러빙 프로세스(acid gas scrubbing process)에서 세척 섹션(wash section)을 빠져나오는 세척 액체 스트림(wash liquid stream)에서 아민들(amines)의 농도를 감소시키기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    상기 산 가스 스크러빙 프로세스의 세척 섹션을 빠져나오는 상기 세척 액체 스트림을 흡착제 재료에 도입하는 단계 ― 상기 세척 액체 스트림은 제1 농도의 아민들을 가짐 ― , 및
    상기 흡착제 재료를 통해 상기 제1 농도의 아민들을 가지는 상기 세척 액체 스트림을 유동시키는 단계를 포함하며, 상기 흡착제 재료는 상기 아민들의 적어도 일부분을 유지시켜, 이에 의해 감소된 제2 농도의 아민들을 가지는 세척 액체 스트림을 제공하는,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 세척 액체는 물인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 세척 액체는 유기 용매인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 스크러빙되는 상기 산 가스는 CO2인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는 활성탄인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 활성탄은 석탄계 활성탄인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 아민들은 소수성 아민들을 포함하는,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는, 상기 제1 농도의 아민들을 가지는 상기 세척 스트림이 도입되는 고정된 흡착제 베드(adsorbent bed)의 형태인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 세척 스트림에서의 상기 제1 농도의 아민들은, 상기 스트림의 총 중량의 약 0.001중량% 내지 약 20중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 농도의 아민들은, 약 0.001중량% 내지 0.02중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 농도의 아민들은, 약 0.01중량% 내지 0.1중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 농도의 아민들은, 약 0.1중량% 내지 1중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  13. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 농도의 아민들은, 약 1중량% 내지 10중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 감소된 제2 농도의 아민들은 상기 스트림의 총 중량의 0중량% 내지 약 1중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 감소된 제2 농도의 아민들은, 약 0중량% 내지 0.1중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  16. 제14 항에 있어서,
    상기 감소된 제2 농도의 아민들은 약 0.001중량% 내지 0.1중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  17. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 농도의 아민들은 약 0.001중량% 내지 10중량%이며, 그리고 상기 감소된 제2 농도의 아민들은 0중량% 내지 0.1 중량%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  18. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는, 1시간 내지 15시간의 동작 시간 동안 적어도 30%인 평균 흡착 효율을 가지는,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 평균 흡착 효율은 1시간 내지 10시간의 동작 시간 동안 적어도 50%인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  20. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는 약 0.015g-아민/g-흡착제 내지 약 0.5g-아민/g-흡착제인 작업 용량을 가지는,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    상기 작업 용량은 약 0.15g-아민/g-흡착제 내지 약 0.25g-아민/g-흡착제인,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  22. 제1 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는 제1 흡착성 베드로서 제1 용기에 보유되며, 이에 의해 상기 제1 농도의 아민을 가지는 상기 세척 스트림은 상기 제1 용기로 도입되고 그리고 상기 제1 흡착제 베드를 통해 유동하는,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 제1 용기는 상기 흡착제 재료의 제2 베드를 포함하는 제2 용기와 상호교환되며, 이에 의해 상기 제1 농도의 아민을 가지는 상기 세척 스트림은 상기 제2 용기로 도입되고 그리고 상기 제2 흡착제 베드를 통해 유동하는,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  24. 제23 항에 있어서,
    상기 방법은, 상기 방법이 중단되지 않도록 상기 제1 용기가 상기 제2 용기와 상호교환될 때 계속되는,
    산 가스 스크러빙 프로세스에서 세척 섹션을 빠져나오는 세척 액체 스트림에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  25. 산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    산 가스를 보유하는 배기 가스를 흡수기 용기(absorber vessel) 내로 도입하는 단계 ─ 상기 용기는 50% 미만의 물 및 하나 이상의 아민들을 가지는 용액을 포함하는 용매를 함유함 ─ ;
    상기 배기 가스를 상기 용매를 통해 유동시키는 단계 ─ 상기 단계에 의해, 상기 배기 가스로부터의 상기 산 가스의 적어도 일부분은 상기 용매에 의해 흡수되며, 그리고 상기 용매의 적어도 일부분은 상기 배기 가스에 의해 흡수되며, 이에 의해 증가된 농도의 아민을 및 감소된 농도의 산 가스를 가지는 가스를 형성함 ─ ;
    세척 섹션에서의 세척 액체로 상기 증가된 농도의 아민을 갖는 가스를 세척하는 단계 ─ 이에 의해 상기 가스로부터 상기 아민의 적어도 일부분을 제거하고 그리고 상기 제거된 아민을 상기 세척 액체 내로 흡수시킴 ─ ;
    상기 세척 섹션을 빠져나오는 상기 세척 스트림을 흡착제 재료에 도입하는 단계 ─ 상기 세척 스트림은 제1 농도의 아민들을 가짐 ─ ,
    상기 흡착제 재료를 통해 상기 제1 농도의 아민들을 가지는 상기 세척 스트림을 유동시키는 단계 ─ 상기 흡착제 재료는 상기 아민들의 적어도 일부분을 유지시켜, 이에 의해 감소된 제2 농도의 아민들을 가지는 세척 스트림을 제공함 ─ , 및
    내부에서 재사용되기 위해 상기 감소된 제2 농도의 아민들을 갖는 세척 스트림을 상기 세척 섹션으로 재순환시키는 단계를 포함하며, 이에 의해 비교적 낮은 농도의 아민들을 갖는 재순환된 세척 스트림을 상기 세척 섹션에 제공하는 것은 상기 세척 섹션에서의 아민 제거의 효율을 개선시키며, 이에 의해 상기 산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물들에서 아민들의 농도를 감소시키는,
    산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  26. 제25 항에 있어서,
    상기 세척 액체는 물인,
    산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  27. 제25 항에 있어서,
    상기 세척 액체는 유기 용매인,
    산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  28. 제25 항에 있어서,
    상기 스크러빙되는 상기 산 가스는 CO2인,
    산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  29. 제25 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는 활성탄인,
    산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  30. 제25 항에 있어서,
    상기 아민들은 소수성 아민들을 포함하는,
    산 가스 스크러빙 프로세스 가스 유출물에서 아민들의 농도를 감소시키기 위한 방법.
  31. 재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법으로서, 상기 방법은,
    증기 또는 유기 용매를 상기 흡착제 재료에 도입하는 단계 ─ 상기 흡착제 재료는 상기 흡착제 재료에 부착된 초기 농도의 아민들을 가짐 ─ , 및
    상기 흡착제 재료를 통해 상기 증기 또는 상기 유기 용매를 유동시킴으로써 상기 흡착제 재료를 처리하는 단계 ─ 이에 의해, 상기 부착된 아민의 적어도 일부분은 상기 흡착제 재료로부터 탈착되어, 상기 흡착제 재료는 상기 증기 또는 상기 유기 용매로의 처리 후에 상기 흡착제 재료에 부착된 감소된 제2 농도의 아민들을 가져, 이에 의해 상기 흡착제 재료의 재사용을 가능하게 하는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  32. 제31 항에 있어서,
    상기 흡착제는 증기로 처리되는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  33. 제31 항에 있어서,
    상기 흡착제는 유기 용매로 처리되는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  34. 제31 항에 있어서,
    상기 아민은 소수성 아민들을 포함하는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  35. 제31 항에 있어서,
    증기 및/또는 응축수 및 탈착된 아민을 포함하는 스트림의 형태의 상기 탈착된 아민을 회수하는 단계를 더 포함하는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  36. 제31 항에 있어서,
    유기 용매 및 탈착된 아민을 포함하는 스트림의 형태의 상기 탈착된 아민을 회수하는 단계를 더 포함하는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  37. 제31 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는 활성탄인,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  38. 제37 항에 있어서,
    상기 활성탄은 석탄계 활성탄인,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  39. 제31 항에 있어서,
    상기 아민은 0.005g 아민/g-탄소-분 내지 0.025 g 아민/g-탄소-분의 속도로 탈착되는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  40. 제31 항에 있어서,
    상기 흡착제 재료는 5분 내지 30분의 시간 기간에 재생되는,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  41. 제31 항에 있어서,
    상기 증기 온도는 100℃ 내지 150℃인,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  42. 제31 항에 있어서,
    상기 아민들의 제1 농도는 0.5g-아민/g-탄소 내지 1g-아민/g-탄소인,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  43. 제31 항에 있어서,
    상기 제2 농도의 아민들은 0.2g-아민/g-탄소 내지 0.7g-아민/g-탄소인,
    재사용을 위해 흡착제 재료를 재생하는 방법.
  44. CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    CO2를 보유하는 배기 가스를 흡수기 용기 내로 도입하는 단계 ─ 상기 용기는 50% 미만의 물 및 하나 이상의 아민들을 가지는 용액을 포함하는 용매를 함유함 ─ ;
    상기 배기 가스를 상기 용매를 통해 유동시는 단계 ─ 상기 단계에 의해, 상기 배기 가스로부터의 상기 CO2의 적어도 일부분은 상기 용매에 의해 흡수되며, 그리고 상기 용매의 적어도 일부분은 상기 가스에 의해 흡수되며, 이에 의해 증가된 농도의 아민을 및 감소된 농도의 CO2를 가지는 가스를 형성함 ─ ;
    세척수로 상기 증가된 농도의 아민을 갖는 가스를 세척하는 단계 ─ 이에 의해 상기 가스로부터 상기 아민의 적어도 일부분을 제거하고 그리고 상기 제거된 아민을 상기 세척수 내로 흡수시킴 ─ ;
    상기 흡수된 아민을 가지는 상기 세척수를 흡착제 재료에 도입하는 단계;
    상기 흡착제 재료를 통해 상기 흡수된 아민을 갖는 상기 세척수를 유동시키는 단계 ─ 상기 흡수제 재료는 상기 아민의 적어도 일부분을 유지시키며, 이에 의해 감소된 농도의 아민을 가지는 세척수를 제공함 ─ ;
    상기 흡착제 재료에 부착되는 상기 유지되는 아민을 가지는 상기 흡착제 재료를 통해 증기 또는 유기 용매를 도입하고 그리고 유동시켜, 이에 의해 상기 유지되는 아민의 적어도 일부분을 제거함으로써 상기 흡착제 재료를 처리하는 단계;
    증기 또는 유기 용매를 포함하는 회수된 아민의 스트림 및/또는 응축된 물 및 상기 흡착제 재료로부터 제거된 아민의 스트림을 형성하는 단계; 및
    상기 회수된 아민의 스트림을 상기 CO2 스크러빙 프로세스로 재도입하는 단계를 포함하는,
    CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법.
  45. 제44 항에 있어서,
    상기 감소된 CO2 농축 가스를 세척하기 위해 사용되는 세척수는 약 20℃ 내지 약 45℃의 온도를 가지는,
    CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법.
  46. 제45 항에 있어서,
    상기 세척수는 약 20℃ 내지 약 30℃의 온도를 가지는,
    CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법.
  47. 제45 항에 있어서,
    상기 세척수는 약 30℃ 내지 약 45℃의 온도를 가지는,
    CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법.
  48. 제44 항에 있어서,
    정제된 아민을 생성하기 위해 상기 회수된 아민의 스트림을 증류하는 단계를 더 포함하는,
    CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법.
  49. 제1 항, 제25 항, 제31 항 또는 제44 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아민은 N-메틸벤질아민 및 디-에틸렌글리콜디부틸에테르, 트리-에틸렌글리콜디부틸에테르, 및 테트라에틸렌글리콜디부틸에테르의 혼합물을 포함하는 소수성 용매로부터 유도되는,
    CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법.
  50. 제50 항에 있어서,
    상기 아민은 N-메틸벤질아민 및 디-에틸렌글리콜디부틸에테르, 트리-에틸렌글리콜디부틸에테르, 및 테트라에틸렌글리콜디부틸에테르의 혼합물로 구성되는 소수성 용매로부터 유도되는,
    CO2 스크러빙 프로세스에서의 재사용을 위해 아민을 회수하기 위한 방법.
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