MXPA00005731A - Recuperacion de dioxido de carbono de una mezcla conteniendo oxigeno - Google Patents
Recuperacion de dioxido de carbono de una mezcla conteniendo oxigenoInfo
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Abstract
La presente invención se refiere a:un método para recupera dióxido de carbono comprendiendo:(A) pasar una mezcla de alimentación que comprende oxígeno y dióxido de carbono en contacto de transferencia de masa a contra corriente con absorbente, comprendiendo al menos una alcanolamina, y pasar oxígeno y dióxido de carbono de la mezcla de alimentación hacia el absorbente para obtener un absorbente cargado con dióxido de carbono conteniendo oxígeno disuelto;(B) separar el oxígeno del absorbente cargado de dióxido de carbono para obtener oxígeno agotado del absorbente cargado de dióxido de carbono:pasando el absorbente cargado de dióxido de carbono que comprende oxígeno disuelto en transferencia de masa a contracorriente con un gas limpiador de oxígeno;(C) calentar el absorbente cargado con dióxido de carbono, de oxígeno suprimido para obtener absorbente cargado con diácido de carbono calentado;(D) separar dióxido de carbono del absorbente para obtener un fluido rico en dióxido de carbono;y (E) recuperar el fluido rico en dióxido de carbo
Description
RECU PERACIÓN DE DIÓXI DO DE CARBONO DE U NA M EZCLA CONTENI ENDO OXIGENO
Campo técnico Esta invención se refiere de manera general a la recuperación de dióxido de carbono y, de manera más particular, a la recuperación de dióxido de carbono a partir de una mezcla de alimentación la cual también contiene oxígeno.
Antecedentes de la técnica El dióxido de carbono tiene un gran número de usos. Por ejemplo, el dióxido de carbono es usado para carbonatar bebidas, para enfriar, congelar y empacar alimentos marinos, carne, aves de corral, productos horneados, frutas y verduras, y para extender la vida de anaquel de los productos lácteos. Es un importante componente ambiental en el tratamiento de agua de proceso y desechos industriales, como un reemplazo por ácido sulfúrico para controlar los niveles de pH. Otros usos incluyen tratamiento de agua para beber, un pesticida ambientalmente amigable y un aditivo de la atmósfera en invernaderos para mejorar el crecimiento de vegetales. En general, el dióxido de carbono es producido al purificar una corriente de desecho, la cual es un subproducto de un proceso químico orgánico o inorgánico. La corriente de desecho, la cual comprende una alta concentración de dióxido de carbono, es condensada y purificada en múltiples etapas, y entonces es destilada para producir el dióxido de carbono de grado producto. Como la demanda de dióxido de carbono continúa creciendo, se están usando fuentes alternas de dióxido de carbono para suministrar la alimentación de dióxido de carbono crudo al sistema de purificación . Tales alimentaciones alternas tienen una concentración mucho menor de dióxido de carbono y de esta manera necesitan ser mejoradas, es decir, la concentración del dióxido de carbono debe ser incrementada, antes de que el dióxido de carbono de grado producto pueda ser producido de manera efectiva. Estas alimentaciones alternas con concentraciones de dióxido de carbono mucho menores son referidas como alimentaciones de apoyo. Un ejemplo de tal alimentación de apoyo es gas de conducto de, por ejemplo, una fuente de combustión tal como un hervidor, motor de combustión interna, turbina de gas o horno de cal. El mejoramiento de la concentración de dióxido de carbono en una alimentación puede ser relizado en una diversidad de maneras. Un método particularmente preferido es la absorción química de dióxido de carbono de la alimentación de carbono crudo en un absorbente basado en alcanolamina. El absorbente cargado con dióxido de carbono resultante experimenta entonces la separación en producto de dióxido de carbono para la recuperación y en absorbente conteniendo alcanolamina, el cual puede ser reciclado para reusarse dentro del sistema de recuperación. Frecuentemente, la alimentación de dióxido de carbono crudo contiene niveles significativos de oxígeno, los cuales pueden provocar degradación de las alcanolaminas, reduciendo su utilidad en el sistema de recuperación y provocando también problemas de corrosión en el sistema. Aquéllos expertos en la técnica han resuelto este problema en una de dos maneras. En un método, se adicionan inhibidores químicos al fluido absorbedor para proteger contra la degración al inhibir la oxidación de las alcanolaminas. En otro método, se adiciona un combustible a la alimentación de dióxido de carbono crudo para combustión con el oxígeno en una reacción de combustión catalítica. Mientras que ambos métodos son efectivos, ambos están caracterizados por altos costos de capital y, más aún, son complicados de operar. De acuerdo con esto, un objetivo de esta invención es proporcionar un sistema, el cual pueda recuperar de manera más efectiva el dióxido de carbono u otro absorbato de una alimentación conteniendo oxígeno usando un abosrbente basado en alcanolamina para mejorar la alimentación.
Breve descripción de la invención El objetivo anterior y otros, los cuales se volverán evidentes para el experto en la técnica sobre la lectura de esta descripción , se logran mediante la presente invención, siendo un aspecto de la misma: Un método para recuperar dióxido de carbono comprendiendo: (A) pasar una mezcla de alimentación comprendiendo oxígeno y dióxido de carbono en contacto de transferencia de masa a contra corriente con absorbente, comprendiendo al menos una alcanolamina, y pasar oxígeno y dióxido de carbono de la mezcla de alimentación hacia el absorbente para obtener un absorbente cargado con dióxido de carbono conteniendo oxígeno disuelto;
(B) separar oxígeno del absorbente cargado con dióxido de carbono para obtener absorbente cargado con dióxido de carbono, de oxígeno suprimido; (C) calentar el absorbente cargado con dióxido de carbono, de oxígeno suprimido para obtener absorbente cargado con dióxido de carbono calentado; (D) separar dióxido de carbono del absorbente para obtener un fluido rico en dióxido de carbono; y (E) recuperar el fluido rico en dióxido de carbono. Otro aspecto de la invención es: Un aparato para recuperar absorbato de una mezcla de alimentación conteniendo oxígeno, que comprende: (A) una columna de absorción, medios para pasar una mezcla de alimentación comprendiendo oxígeno y absorbato hacia la porción inferior de la columna de absorción, y medios para pasar el absorbente comprendiendo al menos una alcanolamina, hacia la porción superior de la columna de absorción; (B) un separador de oxígeno y medios para pasar fluido desde la porción inferior de la columna de absorción hacia el separador de oxígeno; (C) un intercambiador de calor y medios para pasar fluido desde el separador de oxígeno ai intercambiador de calor; (D) una columna de extracción y medios para pasar fluido desde el intercambiador de calor a la porción superior de la columna de extracción; y (E) medios para recuperar absorbato de la porción superior de la columna de extracción. Como se usa en la presente, el término "columna de absorción" significa un dispositivo de transferencia de masa que permite que un solvente adecuado, es decir, absorbente, absorba selectivamente el absorbato de un fluido conteniendo uno o más componentes diferentes. Como se usa en la presente, el término "columna de extracción" significa un dispositivo de transferencia de masa, en donde un componente, tal como, absorbato se separa de un absorbente, generalmente a través de la aplicación de energía. Como se usa en la presente, el término "inhibidor" significa un químico o mezclas de qu ímicos que inhibe o reduce la proporción de una reacción. Por ejemplo, carbonato de cobre en combinación con uno o más de dihidroxietilglicina, permanganato de metal alcalino, tiocianato de metal alcalino, óxidos de níquel o bismuto con o sin carbonato de metal alcalino inhibe la degradación oxidativa de una alcanolamina. Como se usa en la presente, el término "gas limpiador de oxígeno" significa un gas que tiene una concentración de oxígeno menor que 2 porciento mol, preferiblemente menor que 0.5 porciento mol, y que puede ser usado para extraer oxígeno disuelto de un líquido. Como se usa en la presente, los términos "porción superior" y "porción inferior" significan aquellas secciones de una columna, respectivamente por encima y por debajo del punto medio de la columna.
Como se usa en la presente, el término "intercambio de calor indirecto" significa llevar a dos fluidos en relación de intercambio de calor sin ningún contacto físico o entremezclado de los fluidos de uno con otro.
Breve descripción de los dibujos La única Figura es una representación esquemática de una modalidad particularmente preferida de la invención, en donde el separador de oxígeno comprende una columna de extracción de oxígeno.
Descripción detallada La invención será descrita con mayor detalle con referencia al dibujo. Haciendo referencia ahora a la Figura, la mezcla de gas de alimentación 1 , la cual normalmente ha sido enfriada y tratada para la reducción de partículas y otras impurezas, tales como, óxidos de azufre (SOx) y óxidos de nitrógeno (NOx) , se pasa al compresor o ventilador 2 en donde es comprimido a una presión generalmente dentro del rango desde 1 .0334 a 2.1 09 kg/cm2 absolutos. La mezcla de gas de alimentación 1 generalmente contiene desde 2 hasta 50 porciento mol de dióxido de carbono como el absorbato, y normalmente tiene una concentración de dióxido de carbono dentro dei rango desde 3 hasta 25 porciento mol. La mezcla de gas de alimentación 1 también contiene oxígeno en una concentración generalmente dentro del rango desde menos de 1 hasta aproximadamente 1 8 porciento mol. La mezcla de gas de alimentación 1 también puede contener uno o más compuestos diferentes, tales como, hidrocarburos en trazas, nitrógeno, monóxido de carbono, vapor de agua, óxidos de azufre, óxidos de nitrógeno y partículas. La mezcla de gas de alimentación comprimida 3 se pasa del ventilador 2 hacia la porción inferior de la columna de absorción 4, la cual está operando a una temperatura generalmente dentro del rango desde 40 hasta 45°C en la parte superior de la columna y a una temperatura generalmente dentro del rango desde 50 hasta 60°C en la parte inferior de la columna. El absorbente 6 se pasa hacia la porción inferior de la columna de absorción 4. El absorbente 6 comprende al menos una especie de alcanolamina. Ejemplos de alcanolaminas, que pueden ser empleados en el fluido absorbedor 6 en la práctica de esta invención son monoetanolamina, dietanolamina, diisopropanolamina, metildietanolamina y trietanolamina. Generalmente, las alcanolaminas son empleadas como una solución acuosa. La concentración de la o las alcanolaminas en el absorbente 6 está dentro del rango desde 5 hasta 80 porciento en peso, y preferiblemente desde 1 0 hasta 50 porciento en peso. Una alcanolamina primaria preferida para usarse en el fluido absorbente en la práctica de esta invención es monoetanolamina, preferiblemente en una concentración dentro del rango desde 5 hasta 25 porciento en peso, más preferiblemente en una concentración dentro del rango desde 1 0 hasta 1 5 porciento en peso. Las alcanolaminas secundarias preferidas para usarse en el fluido absorbente en la práctica de esta invención son dietanolamina y diisopropanolamina. Dentro de la columna de absorción 4, la mezcla de gas de alimentación se eleva en el flujo a contra corriente contra el absorbente que fluye hacia abajo. La columna de absorción 4 contiene elementos de transferencia de masa o internos de columna, tales como, charolas o empaques aleatorios o estructurados. Conforme el gas de alimentación se se eleva, la mayoría del dióxido de carbono dentro del gas de alimentación, oxígeno y pequeñas cantidades de otras especies, tales como nitrógeno, son absorbidas en el líquido absorbedor que fluye hacia abajo resultante en vapor de la parte superior suprimido de dióxido decarbono en la parte superior de la columna 4, y hacia absorbente cargado con dióxido de carbono conteniendo oxígeno disuelto en la parte inferior de la columna 4. El vapor superior es retirado de la porción superior de la columna 4 en la corriente 5 y el absorbente cargado con dióxido de carbono es retirado de la porción inferior de la columna 4 en la corriente 7. El oxígeno disuelto eventualmente provoca la degradación de alcanolaminas, conduciendo con ello a la corrosión y otras dificultades de operación. El nivel del oxígeno disuelto en el absorbente cargado con dióxido de carbono es reducido, tal como, al poner en contacto el absorbente con gas limpiador de oxígeno en un dispositivo de transferencia de masa, tal como, la columna de extracción de oxígeno ilustrada en la Figura. El absorbente cargado con dióxido de carbono conteniendo oxígeno disuelto en la corriente 7, se pasa de la porción inferior de la columna de absorción 4 hacia la porción superior de la columna de extracción adicional 1 51 . Un importante aspecto de esta invención es que el fluido comprendiendo la corriente 7 no experimenta ningún calentamiento desde su retiro de la columna de absorción 4 a su paso hacia la columna de extracción de oxígeno 1 51 . El gas limpiador de oxígeno se pasa hacia la porción inferior de la columna de extracción 1 51 en la corriente 1 52. Una fuente de gas limpiador de oxígeno es una corriente de dióxido de carbono libre de oxígeno. Ejemplos de tal corriente incluye una corriente de vapor rica en dióxido de carbono 16, mostrada en la figura como la corriente 71 , dióxido de carbono de un tanque de almacenamiento, o dióxido de carbono de un proceso corriente abajo adicional. También pueden usarse otros gases libres de oxígeno, tales como nitrógeno. Dentro de la columna de extracción 151 , el gas limpiador de oxígeno asciende en flujo a contra corriente contra absorbente cargado con dióxido de carbón que flujo descendente. La columna de extracción 1 51 contiene elementos de transferencia de masa o internos de columna, tales como charolas o empaques aleatorios o estructurales. Conforme el gas limpiador de oxígeno asciende, el oxígeno dentro del absorbente es extraído del absorbente con flujo descendente hacia el gas limpiador que fluye hacia arriba, resultando en un gas limpiador que contiene oxígeno en la parte superior de la columna de extracción 1 51 , y hacia el absorbente cargado con dióxido de carbono suprimido de oxígeno en la parte inferior de la columna de extracción 151 . El gas limpiador conteniendo oxígeno es retirado de la porción superior de la columna 1 51 en la corriente 1 50. La corriente 150 normalmente contendrá algo de dióxido de carbono además de oxígeno y otras especies. Esta corriente puede ventilarse a la atmósfera, usada como es, o mezclada con el dióxido de carbono de producto final en la corriente 1 6, como se muestra en la Figura como la corriente 72. El absorbente cargado con dióxido de carbono suprimido de oxígeno, normalmente contiene menos de 2 ppm de oxígeno y preferiblemente menos de 0.5 ppm es retirado de la porción inferior de la columna 1 51 en la corriente 1 53, se pasa a la bomba de l íquido 8 y de ahí en ia corriente 9 a y através del intercambiador de calor 1 0, en donde es calentado mediante intercam bio de calor indirecto a una temperatura generalmente dentro del rango desde 90 hasta 120°C, preferiblemente desde 1 00 hasta 1 1 0°C. El absorbente cargado con dióxido de carbono calentado se pasa del intercambiador de calor 1 0 en la corriente 1 1 hacia la porción superior de una segunda o principal columna de extracción 1 2, la cual está operando a una temperatura normalmente dentro del rango desde 1 00 hasta 1 1 0°C en la parte superior de la columna y a una temperatura normalmente dentro del rango desde 1 1 9 hasta 125°C en la parte inferior de la columna. Conforme el absorbente cargado con dióxido de carbono calentado fluye hacia abajo a través de la columna de extracción 12 sobre los elementos de transferencia de masa, los cuales pueden ser charolas o empaques aleatorios o estructurados, el dióxido de carbono dentro del absorbente es extraído desde el absorbente hacia el vapor ascendente, el cual generalmente es vapor de agua, para producir vapor superior rico en dióxido de carbono y absorbente restante. El fluido rico en dióxido de carbono es retirado de la porción superior de la columna de extracción 1 2 en la corriente de vapor superior 1 3 y se pasa a través de un condensador de reflujo 47, en donde es parcialmente condensado. La corriente de dos fases resultante 14 se pasa a un separador de fase o tambor de reflujo 1 5, en donde se separa en gas rico en dióxido de carbono y en condensado. El gas rico en dióxido de carbono es removido del separador de fase 1 5 en la corriente 16 y es recuperado como fluido de producto de dióxido de carbono, teniendo una concentración de dióxido de carbono generalmente dentro del rango desde 95 hasta 99.9 porciento mol en una base seca. Por "recuperado", como se usa en la presente, significa recuperado como producto final o separado por cualquier razón, tal como, distribución, uso adicional, procesamiento o secuestrado adicional. El condensado, el cual comprende principalmente agua y alcanolaminas, es retirado del separador de fase 1 5 en la corriente 17, se pasa a través de la bomba de líquidos 1 8 y como una corriente 1 9 hacia la porción superior de la columna de extracción 12. El absorbente conteniendo alcanolamina restante, el cual también contiene agua, es retirado de la porción inferior de la columna de extracción 12 en la corriente 20 y se pasa al re-hervidor 21 , en donde se calienta mediante intercambio de calor indirecto a una temperatura normalmente dentro del rango desde 1 1 9 hasta 1 25°C. En la modalidad de la invención ilustrada en la Figura, el rehervidor 21 es conducido por vapor saturado 48 a una presión de 1 .9684 kg/cm2 manométricas o mayor, el cual es retirado del re-hervidor 21 en la corriente 49. El calentamiento del absorbente conteniendo alcanolamina en el re-hervidor 21 empuja fuera algo de agua, la cual pasa como vapor en la corriente 22 del re-hervidor 21 hacia la porción inferior de la columna de extracción 1 2, en donde sirve como el vapor ascendente antes mencionado. El absorbente conteniedo alcanolamina resultante es retirado del re-hervidor 21 en la corriente líquida 23. Una porción 24 de la corriente 23 es alimentada al recuperador 25, donde este líquido es vaporizado. La adición de sosa comercial o sosa cáustica al recuperador facilita la precipitación de cualquier subproducto de degradación y sales de amina estables al calor. La corriente 27 muestra la eliminación de cualquier subproducto de degradación y sales de amina estables al calor. La solución de amina vaporizada 26 puede ser reintroducida en la columna de extracción 12, como se muestra en la Figura. También pueden enfriarse y mezclarse directamente con la corriente 6 que entra en la parte superior de la columna de absorción 4. Además, en lugar del recuperador 25 mostrado en la Figura, podrían emplearse otros métodos de purificación, tales como, intercambio de iones o electrodiálisis. La porción restante 148 del absorbente conteniendo alcanolamina calentado 23, se pasa a la bomba de solvente 35 y desde ah í en la corriente 29 hasta y a través del intercambiador de calor 1 0, en donde sirve para realizar el calentamiento antes mencionado del absorbente cargado con dióxido de carbono y desde el cual surge como absorbente conteniendo alcanolam ina enfriado 34. La corriente 34 se enfría mediante el paso a través del enfriador 37 a una temperatura desde aproximadamente 40°C para formar un absorbente enfriado 38. Una porción 40 de la corriente 38 se pasa a través del filtro mecánico 41 , desde ah í como corriente 42 a través del filtro de lecho de carbono 43, y desde ahí como corriente 44 a través del filtro mecánico 45 para la remoción de impurezas, sólidos, subproductos de degradación y sales de amina estables al calor. La corriente purificada resultante 46 es recombinada con la corriente 39, la cual es el remanente de la corriente 38 para formar la corriente 55. El tanque de almacenamiento 30 contiene alcanolamina adicional para relleno. El absorbente de alcanolamina es retirado del tanque de alimentación 30 en la corriente 31 y es bombeado por la bomba para líquidos 32 como corriente 33 hacia la corriente 55. El tanque de almacenamiento 50 contiene agua de relleno. El agua es retirada del tanque de almacenamiento 50 en la corriente 51 y es bombeada por la bomba para líquidos 52 como la corriente 52 hacia la corriente 55. Las corrientes 33 y 53 junto con la corriente 55 forman una corriente de absorbente combinado 6 para pasar hacia la porción superior de la columna de absorbedor 4, como se describió previamente. Aunque la invención ha sido descrita con detalle con referencia a una cierta modalidad particularmente preferida, aquéllos expertos en la técnica reconocerán que existen otras modalidades de la invención dentro del espíritu y el alcance de las reivindicaciones. Por ejemplo, la invención puede ser usada para separar otros compuestos diferentes a, o en adición a, dióxido de carbono, tal como sulfuro de hidrógeno. Una definición rigorosa de tal proceso de recuperación generalizado es: Un método para recuperar absorbato que comprende: (A) pasar una mezcla de alimentación comprendiendo oxígeno y absorbato en contacto de transferencia de masa a contra corriente con absorbente comprendiendo al menos una alcanolam ina, y pasar oxígeno y absorbato desde la mezcla de alimentación hacia el absorbente, para obtener absorbente cargado con absorbato conteniendo oxígeno disuelto;
(B) separar oxígeno del absorbente cargado con absorbato para obtener absorbente cargado con absorbato suprimido de oxígeno; (C) calentar el absorbente cargado con absorbato suprim ido de oxígeno para obtener fluido absorbedor cargado con absorbato; y (D) separar absorbato del fluido absorbedor para obtener un fluido rico en absorbato.
Claims (9)
1 . Un método para recuperar dióxido de carbono comprendiendo: (A) pasar una mezcla de alimentación comprendiendo oxígeno y dióxido de carbono en contacto de transferencia de masa a contra corriente con absorbente, comprendiendo al menos una alcanolamina, y pasar oxígeno y dióxido de carbono de la mezcla de alimentación hacia el absorbente para obtener un absorbente cargado con dióxido de carbono conteniendo oxígeno disuelto; (B) separar oxígeno del absorbente cargado con dióxido de carbono para obtener absorbente cargado con dióxido de carbono, de oxígeno suprimido; (C) calentar el absorbente cargado con dióxido de carbono, de oxígeno suprimido para obtener absorbente cargado con dióxido de carbono calentado; (D) separar dióxido de carbono del absorbente para obtener un fluido rico en dióxido de carbono; y (E) recuperar el fluido rico en dióxido de carbono.
2. El método de la reivindicación 1 , en donde la separación de dióxido de carbono del absorbente se realiza al pasar absorbente cargado con dióxido de carbono en contacto de transferencia demasa a contra corriente con vapor y extraer dióxido de carbono del absorbente hacia el vapor para obtener el fluido rico en dióxido de carbono.
3. El método de la reivindicación 1 , en donde el absorbente restante después de la separación del dióxido de carbono del absorbente se usa para realizar el calentamiento del absorbente cargado con dióxido de carbono suprimido de oxígeno.
4. El método de la reivindicación 1 , en donde el oxígeno es separado del absorbente cargado con dióxido de carbono al pasar el absorbente cargado con dióxido de carbono, comprendiendo oxígeno disuelto en contacto de transferencia de masa a contra corriente con gas limpiador de oxígeno.
5. El método de la reivindicación 4, en donde el gas limpiador de oxígeno comprende fluido rico en dióxido de carbono obtenido de la separación de dióxido de carbono del absorbente.
6. El método de la reivindicación 4, comprendiendo además pasar al menos algo del gas limpiador de oxígeno hacia el fluido rico en dióxido de carbono.
7. El aparato para recuperar absorbato de una mezcla de alimentación conteniendo oxígeno, que comprende: (A) una columna de absorción, medios para pasar una mezcla de alimentación comprendiendo oxígeno y absorbato hacia la porción inferior de la columna de absorción, y medios para pasar el absorbente comprendiendo al menos una alcanolamina, hacía la porción superior de la columna de absorción ; (B) un separador de oxígeno y medios para pasar fluido desde la porción inferior de la columna de absorción hacia el separador de oxígeno; (C) un intercambiador de calor y medios para pasar fluido desde el separador de oxígeno al intercambíador de calor; (D) una columna de extracción y medios para pasar fluido desde el intercambiador de calor a la porción superior de la columna de extracción; y (E) medios para recuperar absorbato de la porción superior de la columna de extracción .
8. El aparato de la reivindicación 7, en donde el separador de oxígeno comprende una columna de extracción de oxígeno.
9. El aparato de la reivindicación 7, comprendiendo además un rehervidor, medios para pasar fluido de la porción inferior de la columna de extracción al re-hervidor, medios para pasar fluido del re-hervidor al intercambiador de calor, y medios para pasar fluido desde el intercambiador de calor hasta la porción superior de la columna de absorción . 1 0. Un método para recuperar absorbato, comprendiendo: (A) pasar una mezcla de alimentación comprendiendo oxígeno y absorbato en contacto de transferencia de masa a contra corriente con absorbente comprendiendo al menos una alcanolamina, y pasar oxígeno y absorbato desde la mezcla de alimentación hacia el absorbente, para obtener absorbente cargado con absorbato conteniendo oxígeno disuelto; (B) separar oxígeno del absorbente cargado con absorbato para obtener absorbente cargado con absorbato suprimido de oxígeno; (C) calentar el absorbente cargado con absorbato suprimido de oxígeno para obtener fluido absorbedor cargado con absorbato; y (D) separar absorbato del absorbente para obtener un fluido rico en absorbato.
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