MX2007002019A - Eliminacion del dioxido de carbono del aire. - Google Patents

Abstract

La presente invencion esta dirigida a metodos para la eliminacion del dioxido de carbono del aire, que comprende exponer las superficies cubiertas con solvente a las corrientes de aire donde el flujo de aire se mantiene laminar, o cerca del regimen laminar. La invencion tambien proporciona un aparato, que es un depurador o lavador laminar, que comprende superficies cubiertas con solvente situadas de tal forma que se exponen a la corriente de aire. En otro aspecto, la invencion proporciona un metodo y aparato para separar el dioxido de carbono (CO2) enlazado en un solvente. La invencion es particularmente util en le procesamiento de solventes de hidroxido que contienen CO2 capturado del aire.

Description

ELIMINACIÓN DEL DIÓXIDO DE CARBONO DEL AIRE CAMPO DE LA INVENCIÓN En un aspecto la presente invención se refiere a la remoción de gases seleccionados del aire. La invención tiene utilidad particular para la extracción del dióxido de carbono (C02) del aire y se describirá en conexión con tales utilidades, aunque se contemplan otras utilidades. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Extraer el dióxido de carbono (C0) del aire ambiental haría posible usar combustibles basados en carbono y tratar con las emisiones de gases de invernadero asociadas después del hecho. Como el C02 no es ni venenoso no dañino en cantidades de partes por millón pero crea problemas ambientales simplemente al acumularse en la atmósfera, es posible remover el C0 del aire con el fin de compensar las emisiones de dimensiones similares en cualquier parte y en diferentes momentos . El esquema global de la captura de aire es bien conocido. La producción de C02 ocurre en una variedad de aplicaciones industriales tales como la generación de las plantas de energía eléctrica a partir del carbón mineral y en el uso de hidrocarburos, los cuales son los componentes principales de los combustibles que se queman en los dispositivos de combustión, tales como los motores. Los gases de escape descargados de tales dispositivos de combustión contienen el gas C02, el cual actualmente sólo se libera a la atmósfera. Sin embargo, como preocupaciones del gas de invernadero, la acumulación, las emisiones de C02 de todas las fuentes deberán ser reducidas. Para las fuentes móviles la mejor opción probablemente sea la recolección del C02 directamente del aire en lugar que de los dispositivos de combustión móviles en un automóvil o un aeroplano. La ventaja de remover el C02 del aire es que se elimina la necesidad de almacenar el C02 en dispositivo móvil . Se han desarrollado varios métodos y aparatos para remover le C02 del aire. En uno de estos, el aire se lava con una solución alcalina en tanques llenos con lo que se conoce como anillos Raschig. Para la eliminación de cantidades pequeñas de C02, también se han usado absorbedores en gel. Aunque estos métodos son eficientes para remover el C02, estos tienen una desventaja seria porque para que estos remuevan el dióxido de carbono del aire de manera eficiente, el aire debe ser conducido por el sorbete a una presión bastante alta, puesto que ocurren pérdida de presión relativamente altas durante el proceso de lavado. Además, con el fin de obtener la presión aumentada, se requieren medios de compresión de alguna naturaleza y estos medios consumen cierta cantidad de energía. Esta energía adicional usada para comprimir el aire puede tener un efecto particularmente desfavorable con respecto al balance global de dióxido de carbono del proceso, ya que la energía requerida para aumentar la presión del aire produce su propio C02 que debería ser capturado y eliminado. Por lo tanto, los métodos de la técnica previa resultan en la captura ineficiente del C02 del aire puesto que estos procesos calientan o enfrían el aire, o cambian la presión del aire en cantidades substanciales, es decir, la perdida neta de C02 es despreciable ya que el proceso de limpieza introduce C02 en la atmósfera como un subproducto de la generación de la electricidad utilizada para alimentar el proceso. Además, aunque ya existen diseños de torres de lavado para separar el C02 del aire, en general estas se limitan a implementaciones del tipo de lecho empacado cuyo objetivo es típicamente remover todas las trazas de impurezas de otro gas. Uno de tales dispositivos, descrito en la Patente Norteamericana 4,047,894, contiene elementos de absorción que comprenden placas sinterizadas porosas fabricadas de cloruro de polivinilo (PVC) o espuma de carbono ensambladas en un alojamiento con una separación una de la otra. Antes que los platos sean ensamblados en el alojamiento, se impregna hidróxido de potasio en los platos porosos. Tal dispositivo tiene la desventaja de que el material sorbete usado para separar el C02 del aire no puede ser recargado sin desmontar el alojamiento del dispositivo. En otro aspecto la presente invención se refiere de manera general a los métodos y aparatos para separar el dióxido de carbono (C02) confinado en un solvente. La invención tiene utilidad particular en conexión con el procesamiento de solventes de hidróxido que contienen C02 capturado del aire (u otros absorbentes alcalinos que se usan para recolectar C02) y se describirá en conexión con tales utilidades, aunque se contemplan otras utilidades. Los procesos que recolectan C02 del aire típicamente se basan en solventes que enlazan ya sea físicamente o químicamente el C02 del aire. Una clase de solventes de C02 prácticos incluyen las soluciones de hidróxido fuertemente alcalinas como, por ejemplo, hidróxido de sodio y de potasio. Las soluciones de hidróxido en exceso de 0.1 molar pueden remover fácilmente el C02 del aire donde este se enlaza, por ejemplo, como un carbonato. Las concentraciones más altas de hidróxido son deseables y un contactor de aire eficiente usará soluciones de hidróxido en exceso de 1 molar. El hidróxido de sodio es una elección particularmente conveniente, pero se pueden usar otros solventes tales como aminas orgánicas. Aun otra elección de absorbentes incluye salmueras menos alcalinas como las salmueras de carbonato de sodio o potasio. La siguiente discusión se aplica a todos los solventes que almacenan C02 al menos en parte en una forma de carbonato o bicarbonato aniónico . El diseño de los sistemas de contactores de aire que ayudan a poner en contacto el aire por el C02 se trata en otras patentes y en la literatura [1,2,3]. Este aspecto de la presente invención se refiere a la recuperación del absorbente, en donde el absorbente cargado con C02 se renueva y el C02 se separa del líquido. Estamos describiendo un conjunto de procesos electroquímicos que se pueden combinar con una unidad de captura de aire para refrescar la solución de hidróxido y recolectar el C0 en una corriente separada y en algunos casos presurizada. Todos los procesos tienen en común que estos separan el hidróxido de sodio del carbonato u otra sal por medios electroquímicos . Aunque hay algunos procesos electroquímicos que involucran sólo un par de electrodos, la mayoría de los procesos involucran esquemas de separación que utilizan membranas bipolares yo al menos un tipo de membranas catiónicas o aniónicas. Además, algunos de estos procesos involucran calcinación convencional y/o reacciones ácido base que llevan a la evolución de C02 gaseoso. Varios de tales procesos se reivindican en esta invención y han sido agrupados en siete clases distintas como se discutirá abajo.

Por lo tanto, un propósito de esta invención es mejorar y modernizar los diseños del proceso para la captura de dióxido de carbono del aire, lo cual es una herramienta importante para permitir el uso de combustibles hidrocarbúricos en un mundo restringido al carbono. Muchos de estos procesos podrían también encontrar uso en otras aplicaciones en la cuales el C02 enlazado a un solvente de hidróxido debe ser removido completamente o parcialmente del solvente. Las desventajas en la técnica se tratan y se superan por las membranas de separación y los métodos de uso de las mismas como se adopta por la presente invención. El propósito de la remoción del C02 del aire es balancear las emisiones de C02 resultantes de, por ejemplo, la operación de vehículos o de plantas de energía. Aunque las fuentes más obvia de emisiones de C02 que se podrían remediar por esta invención son aquellas de las cuales serpia más difícil o imposible capturar el C02 en el punto de la emisión, la invención no se restringe a tales fuente sino que podría compensar también otras fuentes. En realidad, esta técnica dé atenuación del C02 se podría usar para bajar la concentración atmosférica de C02, si en algún momento futuro la sociedad considera que la concentración de dióxido de carbono antropogénico en el aire es demasiado alta.

Aunque el objetivo de esta invención es capturar el dióxido de carbono del aire para propósitos de manejar el estimado global de dióxido de carbono de la atmósfera, los conceptos se aplican igualmente bien si la razón para la captura del dióxido de carbono de un gas sin bajar las concentraciones de C02 es diferente. Los ejemplos incluyen, la captura para el propósito de vender el C02 en la industria de alimentos o en la industria del petróleo, captura del dióxido de carbono u otros gases ácidos de corrientes diluidas cuando estos aparecen en el aire interior, en túneles u otros ambientes cerrados . En un aspecto esta invención se refiere a un dispositivo de torre de lavado de aire, un método para recuperar el C02 del solvente utilizado en la torre de lavado, y un método de negocios para explotar el dispositivo y el método de arriba para remover C02. La torre de lavado de aire de acuerdo con esta invención opera con una caída de presión de aire mínima y es efectiva para remover una gran fracción del C02 del aire que está fluyendo a través de la torre de lavado de aire. Nos referimos al diseño de la torre de lavado como un diseño de laminillas, por razones que se vuelven claras abajo. La unidad de torre de lavado de aire basado en laminillas podría volver un módulo en una superestructura más grande para canalizar el aire, que puede ser modificada para corresponder al diseño particular. El aire puede ser conducido por el viento natural, por convección térmica o por ventiladores. En otro aspecto de la invención, se propone un método y un aparato para recuperar el dióxido de carbono que ha sido capturado en el dispositivo de torre de lavado. En casi todos los diseños de captura de aire, el proceso global de captura de C02 del aire requiere un contactor de aire que remueve el C02 del aire al enlazar el C02 en un solvente o absorbente . El absorbente gastado se procesa entonces para recuperar todo o parte del C02, preferiblemente en una corriente concentrada, presurizada. El solvente renovado se recicla al colector de C02. Esta solicitud presenta varios procesos para recuperar un absorbente basado en hidróxido por medio de procesos electroquímicos que pueden separar ácidos de bases . Tales procesos existen y se han demostrado para una variedad de ácidos . Aquí hemos tomado estos procesos y los combinamos de modo tal que se construyó una unidad de recuperación de C02 funcional y eficiente . La invención también se relaciona con varios diseños nuevos de procesos unitarios que se adaptan específicamente a las aplicaciones consideradas aquí . Las ventajas de esta invención son varias: Primero, el proceso simplifica en gran medida el diagrama de flujo global de la captura 'de dióxido de carbono del aire, al evitar el paso intermedio de transferir el ion carbonato al carbonato de calcio el cual se calcina después para liberar el C02. El manejo de masa de tal proceso de transferencia se complica. En segundo lugar, el proceso electroquímico más directo proporciona también una manera de reducir el consumo total de energía. En tercer lugar, esto reduce en gran medida la necesidad de equipo móvil, complejo para manejar las corrientes de materiales, como sería necesario en la unidad de recuperación activada por carbonato de calcio convencional . Finalmente, notamos que las implementaciones de este tipo también se podrían usar en sistemas que necesitan separar soluciones de carbonato e hidróxido que resultan de procesos diferentes a la extracción de aire. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Otras características y ventajas de la presente invención se observarán a partir de la siguiente descripción detallada, tomada en conexión con los dibujos anexos en donde los números similares representan partes similares, y en donde : La Fig. 1 es una vista en perspectiva de una unidad de torre de lavado de aire fabricada de acuerdo con una modalidad preferida de la presente invención; la Fig. 2 es una vista plana superior de la unidad de torre de lavado de aire de la Fig. 1; la Fig. 3 es una vista frontal, es decir, de la admisión de aire de la unidad de torre de lavado de aire de la Fig. 1; la Fig. 4 es una vista elevacional lateral de la unidad de torre de lavado de aire de la Fig. 1; la Fig. 5 es una vista esquemática de un aparato para separar soluciones de carbonato e hidróxido de acuerdo con otro aspecto de la invención; y las Figs. 6-13 son diagramas de flujo de varios procesos y sistemas de proceso para separar soluciones de carbonato e hidróxido de acuerdo con la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Con referencia primero a las Figs. 1-4, una unidad de torre de lavado de aire de acuerdo con un aspecto de la presente invención remueve el C02 de un flujo de aire que se mantiene por un gradiente de presión baja. Las unidades de torre de lavado de aire consisten de un colector 10 de viento que tiene laminillas, las cuales son dos láminas o placas 5 cubiertas en absorbente que fluye hacia abajo que enlaza un espacio de aire delgado, y un sumidero 12 de líquidos. Las dos laminas que forman la laminilla preferiblemente están separadas por separadores 4 entrelazados entre las láminas sobre varillas 2 traspasantes soportadas por un marco 1 rígido aunque la laminilla puede estar soportada en relación separada por otros medios . En general, el material absorbente fluye bajo las hojas de laminillas, mientras que el flujo de aire pasa entre el espacio de aire delgado entre las láminas. El contacto entre el aire y el material absorbente provoca una reacción química que remueve el C02. Sin embargo, las unidades también podrían capturar otros gases presentes en el aire . El absorbente se aplica a las hojas laminares de acuerdo con las técnicas del estado de la técnica establecido, por ejemplo, boquillas de rociado o extrusión de líquido, por ejemplo de la tubería 3 corrugada alimentada desde un cabezal 6. También, los diseños podrían humedecer las superficies verticales cerca de la parte superior y dejar que la gravedad haga correr el fluido sobre la superficie hasta que se cubra el área completa. Alternativamente, las superficies se podrían conformar como discos planos los cuales se humedecen cuando estos giran a través de un sumidero. El movimiento distribuiría el líquido a lo largo de estas superficies. Los gradientes de presión típicos para mover el flujo de aire a través de las laminillas son tales que estos podrían ser generados por flujos de aire naturales, por ejemplo, el viento, o gradientes térmicos. Las caídas de presión a través de la unidad varían desde casi cero a unos cuantos cientos de Pascales, un rango preferido es de 1 a 30 Pa y un rango óptimo de 3 a 20 Pa. Sin embargo, los ventiladores ya sea con o sin conductos para guiar el aire y la convección, también se podrían usar para mover el flujo de aire. Las laminillas El propósito del colector de viento es poner el flujo de aire en contacto íntimo con las superficies revestidas de absorbente de la torre de lavado o el colector de viento. La unidad básica del . colector de viento es una sola laminilla la cual es un espacio de aire delgado confinado por dos laminas cubiertas con absorbente. En el diseño más simple, las láminas son planas, pero es posible que las laminas sean curvadas siempre y cuando el aire que pasa a través de estas se pueda mover el línea recta, es decir, las laminas se curvan en la dirección normal al flujo de aire. Cada dispositivo de torre de lavado de aire incluye un medio para distribuir el absorbente sobre las láminas de la laminilla y recapturar el absorbente gastado. La siguiente es una lista de diseños ejemplificantes para la laminilla de la cámara de aire: 1) Láminas o placas rectangulares planas que se alinean unas con otras . 2) Láminas corrugadas que se alinean en paralelo unas con otras, con las superficies rectas en la dirección del flujo de aire. 3) Discos planos que giran alrededor de un eje central con el flujo de aire que fluye en ángulo recto al eje de rotación. El absorbente se podría aplicar mediante ruedas que se humedecen en el fluido cerca de la parte inferior del movimiento circular. El absorbente en reposo sólo puede cubrir el borde externo de los discos o alcanza todo el camino del eje. Alternativamente el absorbente puede ser inyectado sobre el borde al remojar el líquido cerca del eje y al fluir alrededor del disco debido a la gravedad y el movimiento de rotación. 4) Tubos concéntricos o formas similares donde el aire sería soplado a lo largo del eje de los tubos. Tales tubos se podrían disponer verticalmente para los diseños de flujo descendente con el humedecimiento iniciado en el borde superior o casi horizontalmente con el absorbente que entra en un extremo y un punto y que se distribuye a través de un movimiento de rotación lento de los tubos. Los flujos de aire a través de la laminilla pueden ser flujos de viento natural, o estos se pueden obtener por otros medios, por ejemplo, a través de movimientos térmicos ascendentes creados por ingeniería. Sin embargo, las velocidades de viento altas pueden ser contraproducentes ya que las velocidades altas llevan a tasas altas de disipación energética. Las velocidades lentas del flujo de aire maximizan el tiempo de contacto del aire con el material absorbente sobre la laminilla en tanto que se minimiza la pérdida de energía cinética en el sistema. Por lo tanto, las velocidades del flujo de aire a través de la unidad de torre de lavado varían desde virtualmente estancado a unas cuantas decenas de metros por segundo . Un rango preferido sería desde 0.5 a 15 m/s un rango óptimo para los sistemas accionados por el viento varía de 1 a 6 m/s. Prácticamente, la velocidad de flujo del flujo de aire a través del colector de viento necesita ser una fracción substancial de la velocidad del viento típica. La elección de las mejores geometrías puede reducir algo la velocidad de flujo, pero estas mejoras serán factores de dos no órdenes de magnitud. En una modalidad ejemplificante de la invención, se asume una velocidad del flujo de aire de 2 m/s, pero las velocidades del flujo de aire pueden variar de 0.5 m/s a aproximadamente 4 m/s. A la velocidad de flujo nominal de 2 m/s, el flujo de C02 por unidad de área de viento es de 30 mmol/m3/s. El flujo en la solución de hidróxido de sodio se limita a aproximadamente 0.06 mmol/m2/s de superficie de hidróxido y el coeficiente de transporte del lado del aire domina para los espesores de capa límite en exceso de aproximadamente 2 a 4 mm. En esta modalidad, el sistema de captura es tan compacto como sea posible, y las restricciones de tamaño determinan la geometría del aparato. Colocar láminas absorbentes planas separadas aproximadamente 0.5 cm proporciona casi 500 m2 de área superficial de las láminas dentro de un metro cúbico. La longitud actual es de aproximadamente 1.2 m más una tolerancia para el espesor finito de las láminas. Es posible obtener un área superficial de las laminas ligeramente mayor si las láminas se pliegan o se conforman en tubos. Sin embargo, como el absorbente líquido fluye desde la parte superior del colector de viento al fondo, las hojas verticales planas son una elección natural puesto que las láminas que tienen grietas o pliegues desviarían el aire que pasa para agregar turbulencia al sistema y reducirían el espesor de la capa límite. Puesto que las placas planas ya operan a un espesor óptimo de la capa límite, tal turbulencia no mejoraría la eficiencia de asimilación de C02, sino que aumentaría la energía disipada en el dispositivo. Sin embargo, también se contempla que un sistema muy grande, por razones estructurales, podría tener un diseño de colector de viento con una profundidad mayor de 1 metro. Tal dispositivo aun sería optimizado a 500 m3 de superficie de las láminas por metro cuadrado de abertura frontal . En esta modalidad, la separación natural entre las placas excedería el espesor de capa límite óptimo y por lo tanto sería necesaria la introducción de formas que provoquen turbulencia. La turbulencia conduciría al espesor de la capa límite de regreso al valor aceptable de 2 a 4 mm. Por ejemplo, un sistema de filtro de 20 m de profundidad, requeriría aproximadamente 25 m2 de empacamiento por metro cúbico. Y, la separación típica para las láminas sería de aproximadamente 8 cm, demasiado grande para una capa límite óptima. Crear remolinos a escala de centímetros reduciría en efecto el espesor de la capa límite y proporcionaría por lo tanto el flujo de C02 necesario del lado del aire. El flujo a través de una unidad de 1 m de profundidad con láminas o placas separadas 0.6 cm sería laminar hasta velocidades de flujo relativamente altas. Si el numero de Reynolds se define como pdv Re=- (I) el régimen de flujo laminar se extiende a aproximadamente 1400. En otras palabras, para las placas separadas a una distancia de 0.6 cm, el flujo permanece laminar a aproximadamente 4m/s. En lo siguiente, se calculó la resistencia del flujo de aire en tal pila de placas. La caída de presión por unidad de longitud está dada por: dx (2) Si se asume que la presión a través de un plano normal a las dos paredes laterales es constante, entonces la fuerza sobre una parcela de aire de anchura ?y , altura h, y profundidad ?x está dada de acuerdo con la literatura por Ay &?x^? ?^h?x (3) JLÍ£ (4) r¡ dx V'M= 1 JL^+C^+G, • (5) Las dos constantes de integración vienen de las dos condiciones de frontera, es decir, De la que obtenemos La velocidad máxima entre las placas es por lo tanto, 2 ÁP Z? L (8) donde L es la longitud de la placa y ?P es la caída de presión a través de esta distancia. La velocidad de flujo promedio está dada por i^ l di) I2? v Si queremos determinar L tal que pv' =? P (12) Entonces encontramos que v=2m/s, L=0.2m (13) Más en general , una regla de diseño sería que <3/L~24/?te (14) donde Re es el número de Reynolds del flujo.

Y, el flujo entre las placas se afecta por fluctuaciones en la distancia entre las placas. Nótese que el flujo másico por unidad de anchura del sistema está dado por Q=pvd=p d1 dP I2? dx (15) Si asumimos que Q es una constante y d es una función de x entonces encontramos En un caso simplificado, la anchura en una mitad de la laminilla es di y en la otra mitad es d2. Asumimos además que r T d? , 2d _, 2d , dx + d2 y -r = c o d? = - y d2 = (17) dx l + a l + l/ Con lo que encontramos que El factor de corrección es 1 para =l, pero se eleva 1.89 para o¡=2. En un sistema completamente tridimensional donde el aire puede fluir alrededor de un punto estrecho la restricción total es realmente más pequeña. Nótese que las ecuaciones derivadas arriba sólo se aplican al flujo laminar completamente desarrollado entre las placas. Sin embargo hay una sección al inicio de las placas donde el flujo no está completamente desarrollado. En esa región la caída de presión se caracteriza mejor por el arrastre sobre las placas separadas . Cuando el espesor de la capa límite aumenta y las capas límite de placas adyacentes comienza a traslapar los desarrollos de flujos en el patrón de flujo permanente observado entre dos placas. El arrastre por anchura unitaria en un lado de una placa infinitamente delgada está dado por ¿arrastre ^"*d **¡ " (19) donde x es la distancia desde el inicio de la placa. El coeficiente de arrastre Ca está dado de acuerdo con la literatura por La caída de presión a través de un conjunto de placas paralelas suficientemente cortas para que estas no interfieran unas con otras estaría dado por donde d es la separación entre las placas infinitesimalmente delgadas o P(?)~P(x)^l &r} p v xmd"~l (22) Al inicio el flujo de aire parece diferente cuando las capas límite afectadas por el ímpetu inicial son más pequeñas.

Además, en un diseño particular, uno podría tener una velocidad del viento ambiental v0. Enfrente de las laminillas el aire se estanca y se detiene o disminuye hasta una velocidad v. la presión para conducir el aire a través de las laminillas está dada por P i , vinl p j . (24) De las dos soluciones de la ecuación cuadrática, elegimos la única solución física, es decir, la que es positiva. El Absorbente La velocidad de asimilación del C02 en una solución de hidróxido de sodio fuerte ha sido bien estudiada. La torre de lavado de aire de la presente invención es un dispositivo que extraerá C02 u otros gases, directamente de un flujo de viento natural, o de un flujo sometido a una fuerza impulsora similar, por ejemplo, una convección inducida térmicamente.

La absorción del C02 en una solución de hidróxido fuerte involucra una reacción química que acelera en gran medida el proceso de disolución. La reacción neta es C02 (disuelto) +20H" ? CO""+H20 (26) Hay varias rutas distintas mediante las cuales puede ocurrir esta reacción. Los dos pasos que son relevantes a pH alto son C02 (disuelto) +0H+ ? HC03" (27) seguido por HC03~+OH~ ? C03" +H20 (28) Se sabe que la última reacción es muy rápida; la primera reacción por otro lado procede a una velocidad relativamente baja. La cinética de reacción para la reacción (2) se describe por (29) Por lo tanto la constante de tiempo que describe la cinética de reacción es l l J (30) La constante de velocidad K ha sido medida a 20°C y a dilución infinita, K=5000 litros mol'V1 = 5 m3 mol"1 s"1 (31) La corrección de fuerza iónica está dada por A concentración alta de C02 en el gas, la velocidad de reacción (2) limita la velocidad de absorción, aún cuando la constante de tiempo para una solución uno molar a 0.14 ms es muy corta.

Siguiendo los modelos de la ingeniería química estándar, por ejemplo, Dan wert o Astarita, uno puede describir el proceso de transferencia en el cual un componente gaseoso se disuelve o se absorbe químicamente en un absorbente con un modelo estándar que combina un coeficiente de transferencia de flujo del lado del gas y un coeficiente de transferencia del lado del líquido para describir el flujo neto a través de la interfase. El flujo total está dado por donde p y p' son las concentraciones molares de o2 en el gas y en la solución respectivamente. El parámetro x caracteriza la distancia desde la interfase. Las distancias en el gas se cuentan como negativas . En la frontera se aplica la ley de Henry, por lo tanto p '{Q) KHp(Q) (34) Expresado como un factor dimensional, KH=0.71. 'Nótese que típicamente la constante de Henry tiene dimensiones, como concentraciones en el lado del gas se miden las presiones parciales, es decir, en unidades de Pascal o unidades de atmósferas (atm), en tanto que del lado del líquido las concentraciones se miden típicamente como moles por litro. Por lo tanto, una unidad típica sería litro/mol/atm.

Para el lado del gas la constante de transferencia puede ser estimada como ^c A (35) donde ? es el espesor de la subeapa laminar que se forma en la superficie de la interfase. El espesor de esta capa dependerá de la geometría del flujo y de la turbulencia en el flujo de gas. Asumiendo que la geometría del flujo y la turbulencia en el flujo de gas están dadas, entonces se debe determinar la elección óptima para ?. Para un paquete de fluido, la técnica estándar para estimar el coeficiente de transferencia asume un tiempo de residencia tD para la parcela sobre la superficie del fluido. Este tiempo resulta del flujo característico del absorbente y este incluye la creación de superficie y la destrucción de superficie así como el mezclado de líquido turbulento cerca de la superficie.

Como la difusión en el tiempo tD puede mezclan el C02 disuelto en una capa de espesor el flujo desde la superficie está dado por dx (37) donde DL es la constante de difusión de C02 y p' la concentración de C02 del lado del líquido. El gradiente se evalúa en la superficie. El coeficiente de transferencia del líquido se define a partir de la ecuación Aproximando el gradiente por se demuestra que para un proceso de absorción impulsado por la difusión Aquí, DL es la velocidad de difusión del C02 en el absorbente . En presencia de una reacción química rápida donde el tiempo de reacción tR « tD/ la capa que absorbe el C02 se caracteriza por este tiempo más corto, por lo tanto el coeficiente de transferencia está dado por *-^ ( 41 ) En presencia de una reacción química el coeficiente de transferencia aumenta así por lo tanto en un factor Sin embargo, este incremento sólo se puede mantener si el suministro de reactivo en el absorbente no está limitado. En el caso de la neutralización por C0 de una solución de hidróxido, es posible eliminar el hidróxido en la capa límite. El espesor de la capa ? contiene una densidad de área de iones hidróxido de pOH? y la velocidad de eliminación es 2?Lp,C0z - Por lo tanto para la reacción rápida se aplica el límite (ec. 41) P?K" TR «1 (43) ^ co, to En nuestro caso P??rT*= (44) Por lo tanto la condición puede ser reescrita como 2 'co.*tß»l <45) El tiempo critico para transitar de la cinética de reacción rápida a la cinética de reacción instantánea es de aproximadamente 10 seg para el aire ambiental. La transición no depende de la concentración de hidróxido en la solución.

Sin embargo, una vez pasada la transición, la velocidad de absorción se limita por la velocidad a la cual pueden fluir los iones hidróxido a la superficie. Está es por lo tanto menor que en el límite rápido, y el flujo de C02 está dado por En el régimen instantáneo el flujo depende de la concentración de C02 en la capa límite. El flujo se puede caracterizar por un coeficiente de transferencia efectivo, el cual se puede escribir como 'oa Ktf) (47) Aquí, las concentraciones molares son para los valores asintóticos en el gas muy lejano y el líquido muy lejano, el último es cero. Por lo tanto F^? cffP Q, (48) un diseño óptimo es cercado a la frontera entre la limitación del lado del gas y la limitación del lado del líquido. Por lo tanto, establecemos un valor de diseño para el espesor de frontera del lado del aire Esto es aproximadamente 4 mm para la extracción basada en aire del C02. Estas restricciones juntas limitan mucho un diseño práctico. Para una solución 1 molar, el flujo total de la solución ha sido medido como 6xl0"5 mol m~2 s"1, lo cual se traduce en un valor efectivo de 0.4 cm/s. Lo cual es cercano al valor teórico. Como para los tipos de absorbentes que absorben el C02 hay una amplia variedad de opciones que se pueden usar. En una modalidad, las soluciones de hidróxido acuosas se usan como el material absorbente . Estas tenderían a ser soluciones de hidróxido fuertes arriba de 0.1 molar y hasta el nivel máximo posible (alrededor de 20 molar) . Los hidróxidos usados como absorbentes podrían ser de una variedad de cationes . El hidróxido de sodio y los hidróxidos de potasio son los más obvios, pero otros, incluyendo los absorbentes orgánicos como MEA, DEA, etc . , son posibilidades viables. Además, los hidróxidos no necesitan ser puros, estos podrían contener mezclas de otros materiales que se agregan para cambiar o modificar varias propiedades del absorbente. Por ejemplo, los aditivos pueden mejorar la cinética de reacción del hidróxido con el C0 del aire. Tales catalizadores podrían ser surfactantes o moléculas disueltas en el líquido. La adición de compuestos orgánicos como el MEA son sólo un ejemplo. Otros aditivos pueden ayudar a reducir las pérdidas de agua al hacer la solución más higroscópica. Aun otros aditivos se pueden usar para mejorar el flujo o la característica de humectabilidad del fluido o ayudan a proteger las superficies de los efectos corrosivos de la solución de hidróxido. Además, cualquier absorbente usado en la invención debe humedecer las superficies de las hojas laminares. Para este fin. Hay varios medios conocidos en la técnica. Estos incluyen un tratamiento de superficie que aumenta la hidrofilicidad, surfactantes en el absorbente y otros medios . La invención incluye las siguientes características de diseño importantes. a) Las hojas laminares son substancialmente planas en la dirección del flujo de aire a una escala de tamaño consistente con el tamaño de separación de las laminas. (Sin embargo, las estructuras incidentales o diseñadas por ingeniería a una escala mucho más fina se pueden usar para mejorar el coeficiente de transporte del C02) . Las variaciones en la forma que son ángulos rectos al flujo de aire, son de relativamente poca preocupación, siempre y cuando estas no interfieran con el humedecimiento eficiente de las placas, láminas o superficies . 2) Las hojas se mantienen en su lugar de una manera suficientemente apretada o rígida tal que su flexión o aleteo no reduce significativamente las variaciones de presión entre las laminillas. 3) El flujo de aire a través de las superficies es inhibido de modo tal que éste no influencia significativamente las variaciones de presión entre las laminillas. 4) La separación entre las laminillas se elige de modo tal que el sistema no transita del flujo laminar o al menos no se desvía mucho de ese régimen. 5) La profundidad de las unidades de membrana se mantiene suficientemente corta para evitar la eliminación casi completa del aire en la parte frontal de la unidad. 6) para la utilización de ambos lados de las hojas es preferible disponer las laminillas verticalmente. Sin embargo, las desviaciones de tal diseño podrían ser consideradas para otras optimizaciones de flujo. 7) La altura de la laminillas se elige para optimizar las propiedades de humidificación de las superficies y para minimizar la necesidad de reprocesar el fluido varias veces.

Bloques de Construcción del Sistema de Recuperación de C02 En otro aspecto de esta invención, se pueden usar los siguientes procesos electroquímicos en los sistemas de captura de co2 descritos en esta invención, o en cualquier otro dispositivo que haya recolectado C02. Estos procesos electroquímicos se basan todos en la separación de una sal en su ácido y base, donde el ácido y la base permanecen en solución, por medio de electrodiálisis con membranas bipolares. Los ejemplos incluyen la formación de hidróxido de sodio y ácido clorhídrico a partir de cloruro de sodio, y la formación de hidróxido de sodio y ácido acético a partir de acetato de sodio. Otras combinaciones de ácido y base también se han demostrado en la literatura, en la literatura de patentes y en la práctica industrial . En el contexto de esta invención, las unidades de este tipo se usarán para separar una solución de hidróxido y carbonato, así como las unidades que separan la sal de un ácido débil en un ácido y base correspondientes. En lo siguiente se describirá un numero de paso de procesamiento los cuales se vuelven los bloques de construcción básicos del los procesos que se consideran. 1. La separación de una mezcla de hidróxido de sodio y carbonato de sodio electroquímicamente en hidróxido de sodio y carbonato de sodio. Para este paso del proceso podemos basarnos en los bloques de construcción existentes o usar unidades diseñadas específicamente que utilizan electro-diálisis para la separación. Estas técnicas también se pueden extender a otros cationes tales como pero no limitados a potasio y amoniaco, y los cationes de aminas orgánicas, tales como monoetanolamina (MEA) , dietanolamina (DEA) y los similares. La reacción básica en todos los casos es la separación de una mezcla de R-OH y R2C03 a través de un proceso de membrana en soluciones separadas de R-OH y RHC03. 2. La separación electroquímica de un bicarbonato metálico en el carbonato metálico y C02. Este proceso utiliza electrodiálisis que involucra membranas bipolares, pero en la literatura se han descrito y se pueden usar otros procesos electrolíticos . 3. La separación del bicarbonato metálico en el hidróxido metálico y C02. Otra vez este proceso se basa preferiblemente en la electrodiálisis con membranas bipolares, pero también se podría llevar a cabo por electrólisis del bicarbonato metálico que produce hidrógeno que se reutiliza en un electrodo de hidrógeno que produce C02. 4. Unidades que combinan dos o más de los bloques de construcción 2 y 3 o 4 en una sola unidad. Por ejemplo, los procesos que toman una mezcla de carbonato e hidróxido del todo a una solución de hidróxido y gas de C02.

Los siguientes son bloques de construcción adicionales que no involucran electroquímica: 1. Un proceso de membrana que utiliza gradientes de concentración para separar cationes tales como el sodio del solvente, para reducir o eliminar el hidróxido en el solvente de entrada. En algunos casos esta unidad podría transformar parcialmente el solvente de los carbonatos en bicarbonatos . 2. Procesos de oscilación de temperaturas para separar el carbonato de sodio de una mezcla de carbonato de sodio e hidróxido de sodio por precipitación. 3. Procesos que toman soluciones de bicarbonato a soluciones de carbonato por oscilaciones térmicas o de presión. Tales procesos se implementan convencionalmente en ciertos sistemas de torres de lavado de C02 que operan a presiones de C02 suficientemente altas para que la reacción entre el carbonato de sodio o de potasio y el C02 forme bicarbonatos . 4. Procesos que toman soluciones de bicarbonato y usan evaporación u oscilaciones térmicas para precipitar el bicarbonato de la solución. 5. Procesos para la calcinación de bicarbonato a carbonato. Específicamente de interés aquí son los bicarbonatos de sodio o potasio. 6. Un proceso que mezcla un ácido con una mezcla de hidróxido carbonato para neutralizar la mezcla y para formar precipitados sólidos de estas sales. El proceso se puede detener ya sea en el carbonato puro o continuar para formar mezclas de carbonato/bicarbonato o moverse hasta el bicarbonato. 7. Un proceso que utiliza un ácido para llevar el C02 de fuera del bicarbonato, o de una mezcla de carbonato o hidróxido. Este proceso se puede llevar a cabo a presión elevada con el fin de suministrar el C02 a la presión de la tubería . Un resumen de los esquemas de proceso globales Todos los procesos comienzan con la extracción de dióxido de carbono del aire en una unidad que ya no se especifica aquí. Una implementación específica ha sido tratada en otro aspecto de esta invención. Los detalles de esta unidad no son de interés aquí, más que para señalar que esta unidad consumirá un solvente basado en hidróxido que se convierte completamente o parcialmente en un carbonato. Puede ser posible convertir el solvente parcialmente en un bicarbonato. En este último caso también podemos considerar el uso de carbonato como el solvente inicial . El solvente de entrada puede contener otros químicos más que sólo el hidróxido. Por ejemplo, este podría contener ciertos aditivos que mejoran la eficiencia del proceso, pero en particular este podría contener carbonato residual de los ciclos de proceso previos.

El propósito de esta sección de la invención es resumir los procesos y los métodos para reciclar el solvente y una recuperación parcial o completa del C02 en una corriente concentrada preferiblemente a una presión adecuada para los pasos de procesamiento subsecuentes . En la siguiente discusión por razones de claridad haremos referencia a hidróxidos específicos y ácidos específicos. Sin embargo, enfatizamos que el proceso no se limita a estos químicos específicos sino que se puede generalizar fácilmente para abarcar otras especies iónicas . En el siguiente ejemplo la unidad contactora de aire utiliza una solución de hidróxido de sodio cuya concentración está en exceso de una mol por litro de hidróxido de sodio. Algo de carbonato remanente puede estar aun en el solvente del ciclo de proceso previo pero cuando el solvente se expone al aire, el hidróxido se convierte en carbonato y la concentración de carbonato de la solución comienza a elevarse hasta la conversión adicional no sería deseable. Hay varias razones para detener el proceso de absorción. En particular el proceso se puede detener porque el hidróxido se agota, o la concentración de carbonato alcanza los niveles de saturación. Para la mayoría de los diseños de captura la precipitación del carbonato en el absorbedor sería indeseable. La solución de carbonato resultante se regresa entonces de la unidad de captura para el procesamiento posterior. Conceptualmente se pueden considerar tres pasos en el proceso de recuperación como sigue : 1. Separación del hidróxido no convertido del carbonato; 2. Descomposición del carbonato de sodio en hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio, la cual es una descomposición ácido base; y 3. Descomposición del bicarbonato de sodio en hidróxido de sodio o carbonato de sodio y ácido carbónico. En algunas implementaciones estos pasos se podrían combinar en dos pasos de proceso o aun en un paso de proceso individual . Alternativamente, se pueden llevar a cabo cada uno de estos pasos al neutralizar la base, (aquí el sodio) con un ácido débil. Si la sal de sodio del ácido se precipita, entonces el proceso se puede detener en algún punto puesto que es directo separar el anión ácido en su forma precipitada del líquido; de otro modo el proceso de neutralización ha corrido a su terminación en cuyo caso el resultado en C02 gaseoso y la sal de la base . Si la captura de aire usa hidróxido de sodio y el ácido es ácido acético, el resultado sería acetato de sodio. El acetato de sodio resultante se separaría en hidróxido de sodio y ácido acético. Ambos se reciclan. La descomposición del acetato de sodio se logra mejor con unidades de electrodiálisis que comprenden membranas bipolares. Si se requiere una alta presión de C02 se requiere un ácido más fuerte que el ácido acético. Proceso 1 Refiriéndose a las Figs. 5-7, el proceso 1 rompe la mejora del solvente en tres pasos distintos. Primero separa una fracción grande del carbonato de la salmuera. Después la utiliza en el paso electroquímico para en efecto quitar los iones de sodio de la salmuera, dejando el hidróxido de sodio y el bicarbonato de sodio. Finalmente el bicarbonato de sodio resultante libera su C02 bajo la adición de un ácido, el cual otra vez se recicla en un paso electroquímico. La ventaja de esta implementación del proceso es que combina alta eficiencia de energía, con la habilidad para producir C02 presurizado. Una ventaja de la separación electroquímica es que el dióxido de carbono se puede suministrar a presión elevada. Paso 1.1 Extracción de carbonato de sodio del solvente gastado mediante una oscilación de temperaturas. La solubilidad del carbonato de sodio es mucho más pequeña que la del hidróxido de sodio. (Un razonamiento similar se aplica a algunos de los otros hidróxidos, pero esta implementación se limita a aquellos para los cuales se iguala el rango de solubilidad) . En consecuencia, para las soluciones concentradas de hidróxido de sodio la cantidad máxima de carbonato de sodio que se puede convertir a carbonato de sodio por absorción de C02 se limita. Una desventaja de operar a concentraciones altas de hidróxido de sodio es que el solvente gastado está aun dominado por el hidróxido de sodio, el cual no sería procesado a través de un número de etapas costosas . El método de oscilaciones de temperatura supera este problema, puesto que este permite que uno separe el carbonato sin tener que pasar todo el hidróxido de sodio a través de sistemas de membranas. Si la solución gastada casi se satura en carbonato de sodio, uno puede extraer una fracción del carbonato a través de precipitación. La solubilidad del carbonato de sodio cambia por más de un factor de tres entre 0°C y 25°C. Por lo tanto es posible refrescar la solución de hidróxido de sodio a través de una oscilación de temperatura, con el intercambio de calor entre el fluido entrante y el fluido saliente. Esta técnica podría utilizar el calor ambiental en climas secos calientes donde la oscilación máxima de temperatura es grande. La solución de hidróxido refrescada se envía de vuelta a la unidad contactora de aire. Esta técnica también se implementa más ventajosamente en climas secos donde las concentraciones altas de NaOH ayudarían a reducir las pérdidas concurrentes de agua. Paso 1.2 El precipitado de carbonato de sodio se disuelve en agua a la concentración máxima. El carbonato de sodio se procesa además en una unidad electroquímica para la separación ácido/base que puede separar el carbonato de sodio en hidróxido de sodio (la base) y bicarbonato de sodio (el ácido) . Hay varios diseños diferentes posibles para esta separación electroquímica. Algunos son separadores genéricos convencionales y estado de la técnica para ácidos y bases, los cuales utilizan membranas bipolares. Otros involucran electrodos de hidrógeno. Abajo describimos una unidad particular diseñada específicamente para la disociación de carbonato de sodio. Paso 1.3 La solución de bicarbonato resultante del Paso 1.2 se inyecta en un recipiente a presión donde se mezcla con un ácido débil. Los ácidos preferidos incluyen el ácido cítrico, fórmico y acético. Sin embargo, la invención no se limita a ningún ácido específico. La reacción ácido-base conduce el ácido carbónico fuera de la sal . El ácido carbónico se descompone entonces en C02 y agua. El C02 se disuelve primero en la salmuera pero pronto alcanza una presión que excede la presión del recipiente, llevando a la liberación de una corriente presurizada de C02. Las restricciones de diseño sobre esta unidad ponen algunos límites sobre la elección de un ácido. De manera más importante, el ácido necesita ser lo suficientemente fuerte para llevar el C02 fuera de la solución, aun a la presión de diseño. Para una discusión adicional de esta unidad véase abajo. La ventaja de tal sistema es que permite la liberación de C02 concentrado a la presión de la tubería sin tener que poner una unidad electroquímica grande en un recipiente de presión. Lo que se deja atrás es una salmuera de la sal de un ácido débil. Esta podría ser acetato de sodio, citrato de sodio o cualquier otra sal de un ácido débil. Paso 1.4 La sal del ácido débil y la base usada en la captura se descomponen en una unidad de electro-diálisis utilizando membranas catiónicas, aniónicas y bipolares para recuperar el hidróxido de sodio y el ácido débil . Existen algunas variaciones de esta unidad que se podrían usar. Con la conclusión del Paso 1.4 se recupera el C02, y el hidróxido de sodio residual se regresa al ciclo global . Al elegir entre las varias opciones de diseño, es ventajoso usar una unidad que remueva los iones de sodio de la solución en lugar de remover el anión de la solución, ya que sería deseable por lo general para enviar los aniones residuales al contactor de aire. Esto hace posible controlar la concentración de la salmuera de hidróxido de sodio. Dependiendo de las condiciones detalladas de la implementación, esta última unidad se puede usar por lo tanto para ajustar el contenido de agua del hidróxido de sodio para igualar la que se desee en el contactor de aire. Aunque hacemos referencia a un ácido débil, puesto que el proceso de electrodiálisis requiere menos energía para recuperar un ácido débil, nosotros señalamos que el proceso en principio también funciona con un ácido fuerte. En algunos casos especiales los ácidos fuertes puede tener otras ventajas que superan el potencial electroquímico inherentemente alto. Por ejemplo, algunas membranas pueden sostener corrientes mayores sobre iones simples de ácidos fuertes que sobre ácidos orgánicos grandes . Proceso 2 Refiriéndose a la fig. 8, este proceso es muy similar al Proceso 1, pero reemplaza el primer paso con un sistema de separación de membrana. Esto creará una solución de NaOH relativamente diluida que a su vez necesita ser concentrada. Esta se podría usar en los pasos subsecuentes como la salmuera inicial en el lado del hidróxido de la membrana. El proceso 2 trabaja particularmente bien si el paso de extracción de aire ha llevado a pérdidas evaporativas de agua del solvente y por lo tanto necesita que se agregue agua adicional al solvente en cualquier caso. Paso 2.1: Uso de un sistema periódico de celdas con solución de NaOH diluidas que se alternan con salmuera de NaOH/Na2C03 concentrada. En el lado uno las celdas se separan por una membrana catiónica y en el otro por una membrana bipolar. La última celda se conecta a la primera celda haciendo el sistema periódico. Un diseño se podría reducir a un simple par de celdas, pero las restricciones geométricas generalmente favorecen un sistema de celdas múltiples. Ya que el sodio se difunde a través de la membrana catiónica, la neutralidad de carga de las celdas demanda que la membrana bipolar proporcione un par H+-OH". El H+ neutraliza el OH" dejado atrás; el OH" forma una base con el sodio separado en la otra cámara. Para una primera aproximación, la concentración del sodio en las dos cámaras se balanceará, lo que sugiere que esta separación se puede llevar a cabo sin entrada de energía eléctrica si al menos la mitad del NaOH en el solvente gastado ha sido convertido a carbonato de sodio. Si este no es el caso, aun es posible usar este sistema para reducir parcialmente la concentración de NaOH, o si uno está dispuesto a aumentar el contenido de agua de la solución, uno puede transferir una fracción grande de iones sodio a la nueva cámara de hidróxido la cual necesita mantener una concentración de iones sodio que es menor que la concentraciones de iones sodio restantes en el lado del carbonato del sistema. Diluir la salmuera en este punto puede en realidad ser deseable, ya que muchos diseños de contactores de aire habrán perdido algo del agua que estaba originalmente en la solución. Sin embargo, el paso de proceso 2.2 el cual es el análogo directo del paso de proceso 1.2 también puede proceder si la extracción de NaOH no estaba absolutamente completa. Al tomar un numero de estoa arreglos de celdas (sin cierre al final) e incorporarlas en una pila que se usa en el paso 2.2 para generar bicarbonato de sodio, uno puede utilizar la energía de las celdas accionadas por concentración para proporcionar parcialmente la expresión de accionamiento para el segundo paso en la conversión (Fig. 8) . Paso 2.2 Este proceso es muy similar al Paso 1.2 de arriba. La diferencia es que el carbonato de sodio se suministra en forma disuelta, y es probable que haya hidróxido de sodio residual en la salmuera de entrada. Paso 2.3 y Paso 2.4 Lo mismo que en Los pasos 1.3 y 1.4 Proceso 3 Refiriéndose a la Fig. 9, por razones de simplicidad del proceso eliminamos el paso de separar electroquímicamente el carbonato de sodio en hídróxido de sodio y bicarbonato de sodio. En lugar de eso usamos el ácido débil directamente para producir C02. Esta implementación se incluye por su simplicidad, y porque esta permite tomar ventaja del estado futuro de la técnica, que puede haber alcanzado implementaciones extremadamente eficientes para la separación ácido base' en algunos pares ácido/base específicos. Por supuesto es posible generar también un proceso híbrido donde los pasos 1.1 y 2.1 pueden ser impulsados más allá que sólo a la frontera del carbonato. Como otra alternativa uno podría usar la separación electroquímica en 1.2 y 2.2 pero detener en seco la formación completa del bicarbonato de sodio. Paso 3.1 Este paso separa el carbonato de sodio del hidróxido de sodio en la salmuera de entrada. Este paso también se podría llevar a cabo como en el Paso 1.1 o como en el Paso 2.1. Este se podría eliminar también completamente al introducir una mezcla de hidróxido-carbonato en el paso 3.2. Paso 3.2 Este paso es el análogo a los Pasos 1.3 y 2.3 pero requiere dos veces más ácido. La ventaja de tal implementación es una modernización substancial del diagrama de flujo.

Paso 3.3 El paso es el análogo a los Pasos 1.4 y 2.4, pero este produce dos veces más ácido. Proceso 4 : Refiriéndose a la Fig. 10, el proceso 4 inicia como los procesos 1 y 2 , pero después reemplaza la descomposición del ácido con un proceso de membrana bipolar que saca el C02 de la solución. Paso 4.1 Este paso es el mismo que el Paso 1.1 o el Paso 2.1 Paso 4.3 Separación electroquímica del NaHC03 en C02 y NaOH. Esta se basa en la electrodiálisis con membranas bipolares. Con el fin de obtener alta presión de C02 la unidad de electrodiálisis debería ser colocada en un recipiente de presión, el cual mantiene la presión deseada de C02 sobre la celda. Por esta razón sería deseable no combinar los pasos 4.2 y 4.3 ya que esto aumentaría el tamaño de la unidad que necesita ser mantenida a presión. Es posible sin embargo combinar las dos unidades en una. La ventaja de tal diseño sería una reducción en los pasos del proceso. Sería aun posible combinar las tres unidades en una. Otras implementaciones usarían otros medios electroquímicos, como por ejemplo, un sistema de electrólisis que en el cátodo genera hidrógeno y para el ánodo utiliza un electrodo de hidrógeno que consume el hidrógeno producido en el cátodo. Proceso 5 El proceso 5 y 6 extraen C02 de la salmuera de bicarbonato produciendo al menos en parte carbonato de sodio y por lo tanto introduce un nuevo bucle de circulación entre los pasos finales y los pasos corriente arriba. El proceso 5 precipita bicarbonato de sodio en tanto que el proceso 6 implementa una versión acuosa del proceso. Como resultado, estos procesos son idóneos para las implementaciones que sólo producen carbonato y usan este carbonato como absorbente fresco para la captura de C02. Referirse a la Fig. 11. Paso 5.1 Este paso es lo mismo que en el Paso 1.1 o el Paso 2.1 Paso 5.2 Este paso es lo mismo que en el Paso 1.2 o el Paso 2.2. Sin embargo, la entrada a esta unidad es en parte derivada del proceso 5.1 y en parte del carbonato de sodio reciclado derivado del Paso 5.5 Paso 5.3 Aumento en la concentración de bicarbonato a través de la remoción del agua. Esto se logra mejor dejando al agua pasar a través de membranas permeables en salmueras concentradas. Hay dos fuentes posibles de estas salmueras (1) las salmueras concentradas que abandonan el contactor de aire, esto es particularmente útil si el Paso 5.1 sigue al 2.1; y (2) las salmueras concentradas que se derivan del Paso 5.1 si es análogo al 1.1 y resulta en un precipitado de carbonato de sodio sólido. El resultado es una salmuera concentrada de bicarbonato de sodio. Esta necesita estar contenida en un recipiente hermético al aire para contener la presión parcial de C02 mayor que la ambiental sobre la solución. Otra opción para desaguar la salmuera es correr una unidad de electrodiálisis convencional (sin membranas bipolares) en reversa. En lugar de usar el agua pura, la cual será reutilizada en cualquier parte en el ciclo (el sistema total pierde agua) , la salmuera concentrada en el otro lado de la membrana será recolectada para su uso posterior. La ventaja de esta técnica es que requiere que volúmenes más pequeños pasen a través de las membranas, pero requiere que ocurra una fuerza electromotriz. Paso 5.4 Oscilación de temperatura para precipitar el bicarbonato de sodio de la salmuera. La oscilación de temperatura no es tan eficiente como la oscilación de temperatura para la precipitación del Na2C03. Sin embargo, operando entre 25 y 0°C permitiría remover más o menos 1/3 del bicarbonato. El intercambio de calor entre la entrada y la salida minimiza las pérdidas de calor en el sistema. La salmuera restante se envía de vuelta al Paso 5.3 para el desaguado adicional. Paso 5.5 Calcinación de bicarbonato de sodio para formar carbonato y C02 presurizado. Con el fin de presurizar el C02, el calcinador está contenido en un recipiente de presión. Tal sistema podría utilizar varias fuentes de calor residual, por ejemplo de una refinería o de una planta de energía. Otra alternativa podría ser la energía solar la cual tiene la ventaja de ser ajena al carbón. Si el carbono fósil se usa la fuente de calor usaría oxígeno en lugar de aire y recolectaría el C02 que resulta de su combustión. El hidrógeno y el oxígeno producidos en las unidades de electrodiálisis corriente arriba proporcionarían otra fuente gratis de energía. Alternativamente, una pequeña fracción del carbonato de sodio producido se podría usar en parte para absorber el C02 del proceso de combustión. Esta salmuera de bicarbonato de sodio se regresa a 5.3 con el fin de ser desaguada otra vez. El carbonato de sodio restante se envía de vuelta al Paso 5.2. La corriente de C02 se lleva desde esta unidad. La ventaja de esta implementación es que reduce la demanda de electricidad y la reemplaza en parte con calor de grado bajo. Este método es por lo tanto particularmente útil en regiones donde la electricidad es cara, o hay mucho C02.

Los métodos 1-4 son ventajoso en regiones con electricidad de bajo costo y bajo contenido de carbono. Por ejemplo, la hidroelectricidad o la energía eólica en exceso de una gran granja de molinos de viento. Proceso 6 : El proceso 6 es similar al Proceso 5, pero este reemplaza la precipitación/calcinación con una descomposición térmica del bicarbonato de sodio directamente en la solución. La ventaja del Proceso 5 es que este puede logra fácilmente alta presión en la corriente de C02, en tanto que el Proceso 6 se implementa de manera más sencilla y sigue los flujos de procesamiento convencionales. Refiérase a la Fig. 12. Paso 6.1 Este paso es lo mismo que el Paso 5.1 Paso 6.2 Este paso es lo mismo que el Paso 5.2 Paso 6.3 Este paso es lo mismo que el paso 5.3 pero las concentraciones se pueden mantener más bajas que en 5.3 y en algunas implementaciones este se podría omitir. Paso 6.4 Oscilación de temperatura para calentar la solución para remover el C02 de la salmuera y regresar una salmuera enriquecida en carbonato de sodio de regreso al Paso 6.2. Los intercambiadores de calor se usan para minimizar la demanda de energía. La condensación de agua se puede manejar dentro de la unidad. Véase la discusión de abajo. Las fuentes de calor potenciales son similares a aquellas listadas en el Paso 5.5. Una fracción de la salmuera producida en 6.2 se puede usar para absorber el C02 producido en la generación de calor. La salmuera rica en carbonato de sodio resultante se regresa al Paso 6.2. Proceso 7 El Proceso 7 es similar a 5 y 6 porque este opera la unidad que genera C02 estrictamente entre el bicarbonato y el carbonato y no hace un intento por llevar la electrodiálisis del generador de C02 más allá de este punto. Está se puede detener en realidad ligeramente antes de eso para evitar la creación de soluciones con pH alto. Refiérase a la Fig. 13. Paso 71 Este paso es el mismo que en el Paso 6.1 Paso 7.2 Este paso es lo mismo como en el Paso 6.2 Paso 7.3 Este paso es lo mismo como en el Paso 6.3 Paso 7.4 Una celda que alterna membranas aniónicas y bipolares con la salmuera básica iniciando como la solución de bicarbonato y la salmuera acida como agua pura, donde el voltaje aplicado conduce los aniones de bicarbonato a través de la membrana aniónica para crear ácido carbónico en el lado ácido, lo cual liberará C02. Con la remoción de aniones de ácido carbónico, la salmuera en el lado básico gradualmente eleva su pH. El proceso se debe detener cuando las concentraciones de OH" comienzan a competir con el carbono inorgánico disuelto. Esto permitiría la transformación de la salmuera de bicarbonato a una salmuera de carbonato. La salmuera de carbonato remanente se envía de vuelta a la unidad previa, de modo tal que después de algún desaguado esta se puede convertir en una salmuera de bicarbonato . Discusión de los Procesos Los procesos resumidos arriba representan diferentes optimizaciones para diferentes situaciones y diferentes objetivos. Lo que se probará como óptimo dependerá de las temperaturas típicas a las cuales operan las unidades, en el costo local y la intensidad del carbono de la electricidad, en el progreso de varios esquemas electroquímicos para generar ácidos y bases. Como este campo es aun joven y en flujo, es posible que a través del tiempo la ventaja se mueva más y más a diseños completamente electroquímicos. El proceso 1 al proceso 4 los cuales se basan en un segundo ácido para completar la transformación del solvente gastado en C02 y solvente fresco hacen posible optimizar independientemente la separación ácido/base y la presurización del C02. La ventaja de estos métodos es que estos eliminan completamente la necesidad de compresores para llevar el C02 a la presión de la tubería. Lo mismo es verdad para el Proceso 5, pero para el Proceso 6 la presión máxima que se puede lograr se limita por la temperatura as la cual uno está dispuesto a llevar la salmuera de carbonato/bicarbonato. Una ventaja del Proceso 6 es que el Paso 6.4 ha sido implementado en el pasado a gran escala y por lo tanto se reducen las incertidumbres de costo asociadas con el escalamiento de nuevos procesos . Otras unidades de proceso se pueden integrar a la corriente global para tratar por ejemplo, con las impurezas. Por ejemplo, la salmuera de carbonato que llega del contactor de aire se debe filtrar para remover la acumulación de polvo.

Aunque se discute abajo en algún detalle las implementaciones más especializadas de los procesos unitarios que se optimizan por nuestro diseño, uno puede usar las implementaciones estándar para todas las unidades de proceso. Implementación de la Separación de Carbonato en Bicarbonato e Hidróxido En principio cualquier implementación de un proceso electroquímico establecido para separar un ácido y una base se puede adaptar para esta unidad de procesamiento. No todos estos se basan en membranas bipolares pero muchos si. Uno que hemos desarrollado para este propósito combina una serie de membranas catiónicas y bipolares. El sistema termina en dos electrodos estándar que producen hidrógeno y oxígeno. Estos serán responsables de un tanto por ciento del consumo de energía total . Estos se pueden integrar ya sea en el proceso vía una celda de combustible o -en los Procesos 5 y 6, los cuales requieren calor - estos se pueden quemar para producir calor sin emisión de C02. Los iones de sodio siguen ya sea un gradiente de concentración o un gradiente eléctrico de la mezcla en la siguiente celda la cual está acumulando hidróxido de sodio. Las diferentes secciones de la celda pueden estar trabajando a diferentes concentraciones con el fin de minimizar las diferencias de potencial en el sistema. En particular, como se menciona antes, es posible incluir la separación corriente arriba del hidróxido del carbonato, la cual puede ser impulsada por gradientes de concentración solamente. Ya que ninguna de estas unidades alcanza el pH ácido, la concentración de protones es los suficientemente pequeña en cualquier parte para evitar la necesidad de compartimientos separados por membranas aniónicas. El sistema es por lo tanto más simple que un sistema de membranas bipolares convencional que necesita controlar- las corrientes protónicas . En estas celdas los iones negativos no abandonan la celda en la que comenzaron. La ventaja de extraer el carbonato de sodio de la salmuera de solvente antes de este paso es que esto reduce la cantidad de sodio que debe pasar a través de estas membranas . Sin embargo, una versión simplificada del proceso puede eliminar el primer paso. Implementación del Generador de C02 Accionado por Ácido Mezclar un ácido con carbonato o bicarbonato de sodio lleva a la producción vigorosa de C02. Si el ácido es suficientemente fuerte, el proceso completo puede generar altas presiones de C02 si la reacción se contiene en un recipiente que se mantenga a la presión deseada. Un posible uso de tal sistema sería para generar C02 a presiones que están arriba de la presión de la tubería, eliminando la necesidad de compresión subsiguiente. Una implementación posible de tal sistema contempla tres recipientes pequeños, uno lleno con ácido, uno lleno con el bicarbonato, y el tercero lleno con la sal (por ejemplo, sal de sodio) del ácido. El bicarbonato y el ácido se inyectan desde sus recipientes respectivos al canal de flujo conformado para mejorar el mezclado de los dos fluidos. Si el ácido es débil y la reacción es por lo tanto lenta, es posible también introducir un recipiente que se agite activamente. En el reactor rápido, el canal de mezclado se eleva a un punto alto donde el gas se separa del flujo líquido el cual después se canaliza hacia abajo otra vez para entrar al recipiente de la solución salina. Los inyectores en el recipiente de ácido y de base se acoplan mecánicamente al recipiente de agotamiento de sal. La energía mecánica utilizada en la salida es casi suficiente para accionar las bombas de inyección. Un acoplamiento mecánico directo se podría basar en bombas de desplazamiento de pistón los cuales se conectan mecánicamente. Turbinas pequeñas se podrían acoplar del mismo modo. Hay muchas técnicas de vanguardia que permiten el acoplamiento mecánico. Los sistemas pequeños pueden operar más bien en una operación por lotes donde los tanques de entrada y los tanques de salida se separan por ejemplo por un diafragma. Cuando la presión se libera llenando los tanques de entrada vacíos, fuerza en drenado del tanque de salida lleno. Después el sistema se aisla a la presión de su ambiente y se produce el C02 cuando los dos fluidos se bombean desde el tanque de entrada al tanque de salida. Una vez que el tanque de salida está lleno, la línea de C02 se cierra con la válvula, y el ciclo se repite. Otra implementación podría usar pistones, los cuales en efecto reemplazan al diafragma móvil.

También es posible, por supuesto proporcionar un acoplamiento eléctrico, al convertir la energía de salida de la corriente de sal y la corriente de C02 en energía eléctrica. Un pequeño desajuste en los volúmenes se podría acumular al quitar algo de energía de presión de la línea de salida del C02. En principio. Esto podría ser una fuente substancial de energía mecánica que satisface un gran número de necesidades de bombeo dentro del sistema global. Un puede usar esta habilidad para ajustar el desajuste o desequilibrio en la fuerza entre el ácido carbónico y el ácido usado para accionar el sistema. De este modo la producción de ácido se vuelve un modo conveniente para proporcionar energía mecánica la cual se remueve del dióxido de carbono de escape . Antes de la inyección del dióxido de carbono a la corriente de salida, este necesita ser limpiado y secado de modo tal que cumpla con cualquier requerimiento que se coloquen sobre las aplicaciones particulares o los medios de desecho particulares. Manejo del Agua en un Generador de C02 de Oscilación Térmica. Para calentar una solución de bicarbonato, el C02 transportará con el vapor de agua que necesita ser condensado. El C02 el cual abandonará la solución con alguna presión y fluirá fuera del recipiente mezclado con vapor de agua. En la siguiente etapa este se usa para precalentar la solución entrante y en el proceso se condensa el vapor de agua. El agua recolectada mejor se mantiene lejos de la solución de bicarbonato ya que aumentar la concentración de la salmuera aumenta la presión parcial del C02 sobre la solución. El agua se puede usar para proporcionar alimentación de entrada para crear bicarbonato de sodio fresco en las separaciones ácido/base electroquímicas en el Paso 6.2. Ya que las oportunidades para el uso del C02 en la industria del petróleo se han agotado, el trabajo estará en marcha para colocar en su lugar las autorizaciones regulatorias para el C02 los "créditos" ganados a través del secuestro. Estos "créditos" tendrán entonces un valor de mercado usado en varias maneras. Una posibilidad será que las agencias regulatorias locales ofrezcan un "certificado de crédito" a un fabricante o comprador de automóviles como un medio para impulsar el derecho de peaje de flotas en tanto que se permite el uso continuo de diseños de vehículos populares que no se puede llevar a cabo a los niveles deseados. No es irracional vislumbrar el tiempo cuando un automóvil o camión pueda ser impulsado con tecnología de combustión interna convencional (o sistemas de propulsión avanzados que se basen en combustibles hidrocarbúricos) en tanto que al mismo tiempo se haga el reclamo como un automóvil con emisiones cero ya que suficiente C02 ha sido removido de la atmósfera a través de este proceso. Esto se podría arreglar como un certificado accesorio pegado al precio de compra del automóvil o camión, o como una demanda regulatoria colocada sobre la industria del transporte o algún otro arreglo aun por ser definido. 0 una persona socialmente conciente puede "comprar" la postura de carbono, es decir, en el momento de la compra de un automóvil . Aunque la invención tiene utilidad particular para extraer C02 del aire, la torre de lavado de aire de la invención se puede usar para remover otros gases del aire al emplear diferentes materiales absorbentes.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES 1. Un método para capturar C02 del aire, el cual, se caracteriza porque comprende exponer superficies cubiertas con absorbente a corrientes de aire donde las corrientes de aire tienen un flujo que se mantiene laminar, o cerca de un régimen laminar.
2. 2. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque, comprende una o más de las siguientes características: (a) en donde las superficies comprenden placas paralelas lisas; (b) en donde las superficies no son completamente planas, y siguen líneas paralelas rectas en la dirección del flujo de aire; (c) en donde las superficies comprenden corrugaciones, tubos, formas angulares semejantes a cubiertas de harmónicas, o cualquier combinación de los mismos, pero con el flujo de aire fluyendo aun en línea recta. (d) en donde las superficies se ponen ásperas con ranuras, hoyuelos, abolladuras y otras estructuras pequeñas que son más pequeñas que la separación de la superficie, y en donde estas estructuras superficiales quedan bien dentro del límite laminar del flujo de aire; (e) en donde las superficies se ponen ásperas con ranuras, hoyuelos, abolladuras u otras estructuras pequeñas, y el numero de Reynolds del flujo alrededor de estas ranuras, hoyuelos, abolladuras, u otras estructuras pequeñas es pequeño, óptimamente entre 0 y 100; y (f) en donde la superficie se pone áspera a través de chorro de arena, ataque químico u otros medios similares.
3. 3. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque, comprende una o más de las siguientes características: (a) en donde la dirección del flujo de aire es substancialmente horizontal; (b) en donde las superficies - o la línea de simetría de las superficies - es substancialmente vertical; (c) en donde el absorbente es un líquido el cual se hace fluir aproximadamente en ángulo recto a la dirección del flujo de aire ; (d) en donde las superficies se separan desde aproximadamente 0.3 cm a aproximadamente 3 cm; (e) en donde las superficies están en ángulos rectos aproximados a la dirección del flujo de aire, y tienen aproximadamente 0.30 m a aproximadamente 10 m de longitud; (f) en donde la velocidad del flujo de aire es desde aproximadamente 0.1 m/s a aproximadamente 10 m/s; (g) en donde el flujo de aire entre las superficies es desde aproximadamente 0.1 m a aproximadamente 2 m; (h) en donde el absorbente es un líquido el cual se aplica al rociar un flujo sobre los bordes superiores de las superficies; (i) en donde el absorbente es un líquido el cual se aplica en ambos lados de las superficies; (j) en donde al absorbente es un líquido el cual se aplica de manera pulsada; (k) en donde el absorbente es un líquido el cual se hace fluir sobre las superficies o placas y se recolecta en el fondo de las superficies o placas; (1) en donde el absorbente es un líquido el cual se hace fluir sobre las superficies o placas y se recolecta en el fondo de las superficies o placas, y el fluido recolectado se pasa inmediatamente a una unidad de recuperación; (m) en donde el absorbente es un líquido el cual se hace fluir sobre las superficies o placas y se recolecta en el fondo de las superficies o placas, y el fluido recolectado se recicla a una unidad de torre de lavado para la recolección adicional del C02; (n) en donde el método se conduce usando un aparato que comprende además y está equipado con directores de flujo de aire para minimizar las pérdidas de desalineamiento entre las superficies y un campo de viento instantáneo; y (o) en donde el método se conduce usando un aparato que comprende además y está equipado con mecanismos que dirigen ya sea pasivamente o activamente las superficies de modo tal que estas apuntan hacia el viento.
4. 4. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque, el método se conduce usando superficies que son discos giratorios donde el humedecimiento por el absorbente se logra al menos en parte por el movimiento giratorio de los discos y el aire se mueve substancialmente a un ángulo recto del eje.
5. 5. El método de la reivindicación 4, caracterizado porque, comprende una o más de las siguientes características: (a) en donde el eje de rotación es aproximadamente horizontal y los discos se mojan en el absorbente en sus bordes, con lo cual dicho movimiento giratorio promueve la distribución del absorbente sobre los discos; (b) en donde al absorbente se rocía sobre los discos cuando estos se mueven, mediante un inyector alineado radialmente; y (c) en donde el absorbente se extruye sobre el disco junto a su eje de rotación.
6. 6. El método de la reivindicación 1, caracterizado porque, las superficies son tubos concéntricos con forma de sección transversal circular u otras y el aire se hace fluir en una dirección del eje del tubo, y que incluyen opcionalmente una o más de las siguientes características (a) en donde los tubos giran alrededor de un eje central ; (b) en donde los tubos tienen un eje orientado de manera aproximadamente vertical y el absorbente se aplica para fluir hacia abajo sobre los superficies de los tubos; y (c) en donde los tubos tienen ejes orientados en un ángulo a la vertical y el absorbente se inserta en una abertura superior y fluye hacia abajo en un movimiento espira que cubre la superficie completa.
7. 7. Un método para crear créditos de carbono que se pueden comercializar, el cual se caracteriza porque, comprende extraer dióxido de carbono del aire ambiental en una ubicación adyacente o remota de donde se genera el dióxido de carbono, usando un absorbente, y vender trata o transferir los créditos de carbono resultantes con una tercera parte .
8. 8. El método de la reivindicación 7, caracterizado porque, el dióxido de carbono se extrae del aire ambiental por el método de alguna de las reivindicaciones 1-6.
9. 9. El método de la reivindicación 7 u 8, caracterizado porque, un crédito de carbono se vende, comercia o transfiere con la venta o arrendamiento de un automóvil o camión o con el combustible para el automóvil o el camión, o por un productor de un combustible hidrocarbúrico .
10. 10. Un método para remover C02 del aire, caracterizado porque el C02 se absorbe en una salmuera de carbonato, el carbonato se separa a través de precipitación por oscilación térmica del carbonato de la salmuera; el carbonato separado se trata electroquímicamente para recuperar la solución de bicarbonato de sodio en un primer paso del proceso electroquímico; el bicarbonato se mezcla con un ácido para liberar el C02 en una forma más concentrada; y, el ácido se recupera de su sal en un segundo paso del proceso electroquímico .
11. 11. El método de la reivindicación 10, caracterizado porque, comprende una o más de las siguientes características: (a) en donde el segundo proceso electroquímico comprende electrodiálisis con membranas bipolares; (b) en donde al menos algún carbonato se separa en el segundo paso del proceso electroquímico; (c) en donde la salmuera se acidifica por inyección de ácido; (d) en donde la salmuera se acidifica en un primer sistema de baja presión para justar la salmuera a un nivel de pH que soporte la formación de bicarbonato, seguido por la acidificación posterior en un segundo sistema de alta presión en el cual se genera el C02; (e) en donde el C02 se libera por un proceso electroquímico en un recipiente de presión para proporcionar C02 bajo presión; (f) en donde el C02 se libera en un proceso electroquímico el cual comprende opcionalmente electrodiálisis con membranas bipolares; (g) en donde el co2 se libera en un proceso electroquímico el cual genera hidrógeno sobre los cátodos y lo utiliza otra vez en un ánodo de hidrógeno; (h) en donde el bicarbonato de sodio se somete a descomposición térmica en carbonato de sodio y C02 seguido por reciclamiento del carbonato de sodio a una etapa anterior del proceso; (i) en donde la solución de bicarbonato se reduce en contenido de agua a través de la separación de membrana por gradientes de concentración o gradientes electroquímicos (electrodiálisis invertida) , el bicarbonato se extrae de la salmuera concentrada en una precipitación de oscilación térmica seguido por una calcinación térmica del bicarbonato a C02 y carbonato, y una corriente de salida de bicarbonato diluido se recicla a otro desaguado de la solución de bicarbonato; (j) en donde la solución de bicarbonato se caliente hasta que el co2 se libera resultando en una salmuera de carbonato/bicarbonato la cual se reprocesa electroquímicamente a bicarbonato; (k) en donde la solución de bicarbonato evoluciona C02 dentro de un recipiente a presión; (1) que incluye un intercambiador de calor entre las entradas y las salidas de los pasos térmicos, para minimizar el consumo de energía; (m) en donde las corrientes diluidas con agua generadas se tratan como agua de reducción; y (n) en donde las corrientes diluidas con agua se usan como agua de reposición en la entrada en la unidad contactora de aire.
12. 12. El método de alguna de las reivindicaciones 1-11, caracterizado porque, el dióxido de carbono (C02) se remueve permanentemente de la atmósfera.
13. 13. Un dispositivo para separar una salmuera de carbonato alcalina en un catión y bicarbonato, caracterizado dicho dispositivo en que incluye un ánodo y un cátodo a los cuales se suministra energía con lo cual el catión se mueve a través de la membrana catiónica con lo cual se convierte la salmuera en bicarbonato.
14. 14. El dispositivo de la reivindicación 13, caracterizado porque, el catión es sodio o potasio, o un ion que no se precipitará de la solución.
15. 15. Un dispositivo para separar C02 de una salmuera de bicarbonato que contiene C02, el cual dispositivo se caracteriza porque comprende; un recipiente que tiene celdas acidas y celdas básicas separadas por membranas catiónicas que se alternan con membranas bipolares para producir, en una corriente, iones bicarbonato los cuales se mezclan con el ácido en las celdas acidas, lo cual produce C02 y dejando atrás en las celdas básicas una salmuera residual enriquecida con iones carbonato, y que incluye opcionalmente un dispositivo presurizante para el C02.