NL2000654C2 - Werkwijze voor de verwijdering van een gas uit een procesgasstroom door vloeibare kristallen. - Google Patents

Description

Werkwijze voor de verwijdering van een gas uit een proces -gasstroom door vloeibare kristallen

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de verwijdering van een gas uit een proces -gasstroom door deze in aanraking te brengen met een absorp-tie-oplosmiddel voor het te verwijderen gas, gevolgd door 5 desorptie van het te verwijderen gas.

Oplosmiddelen worden op grote schaal gebruikt voor de verwijdering van processtroomsubstanties in diverse schei-dingsprocessen, zoals extractieprocessen, absorptieprocessen, extractieve destillatie, kristallisatieprocessen, enz. Daa ΓΙΟ bij lossen de te verwijderen stoffen op in het oplosmiddel, waarbij ook gesproken wordt van "loading" van het oplosmiddel. Het gebruikte oplosmiddel met daarin de opgeloste stoffen wordt vervolgens behandeld zodat de opgeloste stoffen uit het oplosmiddel worden gehaald en het aldus geregenereerde 15 oplosmiddel, dat duidelijk weiniger van opgeloste stoffen, opnieuw kan worden gebruikt.

Een belangrijk nadeel van een dergelijk proces is dat de cyclus van loaden van het oplosmiddel en het regener e-ren ervan met significant energieverbruik gepaard gaat met 20 als gevolg hoge bedrijfs- en investeringskosten.

De onderhavige uitvinding beoogt thans een werkwijze te verschaffen, waarbij de bovengenoemde nadelen op doeltreffende wijze zodanig worden geëlimineerd dat efficiënte en kostenbesparende cycli van loaden en regenereren kan plaat s-25 vinden.

Hiertoe verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor de verwijdering van een gas uit een procesgas-stroom door deze in aanraking te brengen met een oplosmiddel voor het te verwijderen gas, gevolgd door desorptie van het 30 te verwijderen gas, gekenmerkt door dat als oplosmiddel vloeibare kristallen worden gebruikt.

Volgens de onderhavige werkwijze worden isotrope vloeibare kristallen gebruikt, waarbij na absorptie van het te verwijderen gas onder invloed warmte en/of druk een fas e-35 overgang van isotrope naar nematische toestand wordt bewer k- 2000654 2 stelligd, waarbij de oplosbaarheid van het te verwijderen gas drastisch wordt verlaagd zodanig dat het te verwijderen gas grotendeels desorbeert onder achterlating van een oplosmiddel dat voldoende vrij is van het te verwijderen gas, dat opnieuw 5 kan worden gebruikt.

Volgens de stand der techniek, wordt gebruik gemaakt van traditionele oplosmiddelen. In het algemeen worden a b-sorptieprocessen zodanig uitgevoerd dat voor de te verwijderen stoffen een oplosmiddel in aanraking wordt gebracht met 10 een ruwe gasstroom. Hierbij lossen de in het oplosmiddel oplosbare stoffen op. Vervolgens wordt het oplosmiddel geregenereerd in een desorptiestap, ook wel strippen genoemd. De desorptie gaat gepaard met het verbruik van een significante hoeveelheid energie ter verlaging van de partiële druk van de 15 opgeloste stoffen. Dit wordt vaak gerealiseerd door gebruik van stoom als strippinggas, waarbij de temperatuur wordt ve r-hoogd en de partiële druk van de opgeloste stoffen in de stoomfase wordt verlaagd. Dit is nodig voor de regeneratie van het oplosmiddel.

20 Opgemerkt wordt dat de onderhavige uitvinding toe pasbaar is voor een groot aantal processen zoals eerder g e-noemd. Echter voor illustratiedoeleinden zijn de beginselen van de onderhavige uitvinding uiteengezet voor een absorp-tie/desorptieproces, waartoe de uitvinder geenszins is be-25 perkt. Zo worden bijvoorbeeld absorptieprocessen toegepast voor de verwijdering van zuur-gascomponenten uit een gasstroom. Het oplosmiddel, dat gebruikt is voor de absorptie wordt gewoonlijk geregenereerd en opnieuw gebruikt, zodat een cyclus van absorptie en regeneratie (desorptie) tot stand 30 wordt gebracht.

Verrassenderwijze is gebleken dat wanneer als oplosmiddel vloeibare kristallen die in de isotrope fase bevinden, worden gebruikt voor het scheidingsproces zoals het absorptie- en regeneratieproces, de verwijdering van de opgeloste 35 stoffen, doorgaans gassen, in energetisch opzicht aanzienlijk gunstiger kan plaatsvinden dan volgens de hierboven beschreven stand der techniek. Volgens de uitvinding vindt het lo a-den, dat wil zeggen absorberen van de oplosbare stoffen 3 plaats in het oplosmiddel terwijl dit zich bevindt zoals bovengenoemde in de isotrope fase. Door de isotrope fase van het geladen oplosmiddel te doen overgaan in een nematische fase wordt de oplosbaarheid van de opgeloste stoffen aanzie n-5 lijk verlaagd onder teweegbrengen van een efficiënte desorp-tie van de opgeloste stoffen om zodoende een efficiënte regeneratie van het oplosmiddel teweeg te brengen.

Opgemerkt wordt, dat de faseovergang tussen isotrope en nematische (of algemeen mesomorphische) fasen van de 10 vloeibare kristallijne oplosmiddelen leidt tot een drastische verandering in oplosbaarheid van de opgeloste stoffen. Volgens de uitvinding wordt er nu juist gebruik gemaakt van deze faseovergang in die zin, dat de loading (absorptie) plaatsvindt in de isotrope fase, terwijl het regenereren wordt ui t-15 gevoerd (of bevorderd) door de faseovergang naar de nematische fase met het gevolg van significant lagere oplosbaarheid van de opgeloste stoffen.

Ofschoon de principes zijn uiteengezet voor absorp-tie/desorptieprocessen, betekent het niet dat de uitvinding 20 daartoe dient te worden beperkt. Deze principes kunnen ook worden toegepast voor extractieprocessen, extractieve desti 1-latie, reactieve extractieve processen, enz.

Wat betreft de oplosmiddelen die de vloeibare kristallijne fase vormen, kunnen dit normale oplosmiddelen zijn, 25 dat wil zeggen oplosmiddelen die geen permanente moleculaire lading hebben, dan wel iogene vloeistoffen (ionic liquid crystals) .

Ter illustratie van de onderhavige uitvinding neemt men bijvoorbeeld absorptie van component A uit een stroom van 30 (A + B) onder gebruikmaking van een vloeibaar kristallijn oplosmiddel C. De absorptie van A in het oplosmiddel C vindt plaats bijvoorbeeld in een fasecontactinrichting (bijvoorbeeld een "staged absorptiekolom"). De oplosmiddelfase is hierbij ten minste gedeeltelijk isotroop. Na wijziging van 35 temperatuur en/of druk ondergaat de oplosmiddelfase een fas e-overgang naar een vloeibare kristallijne fase (bijvoorbeeld nematische fase). Als gevolg hiervan is de oplosbaarheid van A drastisch verlaagd met het gevolg de regeneratie van het 4 oplosmiddel.

Zoals eerder vermeld is een belangrijk aspect van de onderhavige uitvinding het toepassen van vloeibare kistallen als oplosmiddel voor de te verwijderen solutes.

5 Vloeibare kristallen zijn in de laatste jaren onder werp van verhoogde researchactiviteiten die tot op heden voornamelijk zijn gericht op optische eigenschappen en daarmee in verband staande producten, zoals bijvoorbeeld LCD's.

Hieronder volgt een nadere beschouwing over vloeiba-10 re kristallen.

Vloeibare kristallen zijn stoffen met een moleculaire ordening tussen kristallen en vloeistoffen. In een bepaald temperatuurstraject vertonen de moleculen een imperfecte lange trajectordening van moleculaire oriëntatie. Bij verhoging 15 van de temperatuur boven een scherpe faseovergangstemperatuur wordt echter de moleculaire ordening verbroken en er ontstaat een isotrope toestand. Deze faseovergang verandert drastisch het thermodynamisch gedrag ten opzichte van andere componenten te vergelijken met een oplosbaarheidsschakelaar. Ondanks 20 een intensieve en ruime interdisciplinaire research gericht op vloeibare kristallen, is hun toepassing als procesoplo s-middelen een nieuw gebied.

De uitvinders hebben uitgebreid onderzoek gedaan naar het exploreren en faciliteren van de toepasbaarheid van 25 vloeibare kristallen als scheidingsmiddelen, namelijk als e x-tractiemedia, absorptievloeistoffen en als scheidingsbevorde-rende middelen. Een belangrijke doelstelling is bijvoorbeeld om aan te tonen dat vloeibare kristallen geschikt zijn als absorberende (scrubbing) oplosmiddelen in gas-wasprocessen 30 voor het terugwinnen van kooldioxide uit afgassen.

Opgemerkt zij dat bij naar verhouding grote moleculaire structuren het aantal vloeibare kristallen naar het schijnt ontelbaar is. Dit maakt op zijn beurt mogelijk een optimaal ontwerp van moleculen voor een bepaald doel. De 35 waarneming dat vloeibare kristallen zeer goede regelbare 1 a-ge/niet-vluchtige (groen) oplosmiddelen zijn, die kunnen worden geschikt gemaakt voor bepaalde toepassingen is tot nu toe in de Chemische Engineerings Community nog niet ontwi kkeld en 5 is ook nog niet terug te vinden in wetenschappelijke literatuur. Als achtergrond voor vloeibare kristallen kan men stellen dat materie kan bestaan in vaste, vloeibare of gasvormige toestand.

5 De moleculen in vaste toestand hebben zowel positio nele als oriëntationele rangschikking, terwijl in vloeistoffen zowel de moleculaire positionering als de moleculaire oriëntatie willekeurig is over een aantal (moleculaire) diameters. Sommige stoffen kunnen een vierde toestand innemen, 10 namelijk de vloeibare kristallijne toestand, waarbij geen (of slechts gedeeltelijke) positionele ordening wordt bereikt, maar een directionele ordening wordt ingenomen. De vloeibare kristallijne fase bevindt zich tussen de vaste en de vloeibare fase.

15 Figuur 1 is een illustratie van moleculaire ordening in een vloeibare fase, in diverse vloeibare kristallijne fasen en in een vaste kristallijne fase. In Figuur 1 stellen de twee kubussen op de bovenste rij van links naar rechts respectievelijk vloeibaar(isotroop) en kristal voor. Op de on-20 derste rij stellen de vier kubussen van links naar rechts respectievelijk voor: nematisch (LC), smectisch A (LC), smec-tisch B (LC), en smectisch C (LC).

Opgemerkt wordt dat de toepassing van vloeibare kristallen zeer divers is; voorbeelden hiervan zijn vloeibare 25 kristalthermometers, optische beeldvorming, niet-destructieve mechanische testen van materialen onder spanning, visualisatie van radiofrequentiegolven in golfgeleiders, medische toepassingen met bijvoorbeeld overgangsdruk overgebracht door een wandelende voet op de grond gemeten, uitwisbare optische 30 schijven, full-colour elektronische dia's voor computergestuurde tekeningen (CAD), lichtmodulatoren voor kleurelektr o-nische beeldvorming, stationaire fase in chromotagrafie, enz. Hierbij kan worden vastgesteld dat de meeste toepassingen van vloeibare kristallen profiteren van de richting van molecu-35 laire ordening, die beheersbaar is via elektrische of magn e-tische velden; of omgekeerd de veranderingen in ordening veroorzaakt door variaties in druk, temperatuur, enz. worden waargenomen door elektrische, magnetische velden of optisch.

6

Zoals eerder'genoemd is de onderhavige uitvinding gebaseerd op een scherpe faseovergang tussen de isotrope toestand van vloeibare kristallen en de nematische toestand, bij welke faseovergang verrassender wijze is gebleken dat de o p-5 losbaarheid van de stoffen in de vloeibare kristallen drastisch afneemt met het gevolg dat de opgeloste stoffen desor-beren en uit het oplosmiddel praktisch volledig verdwijnen.

Als voorbeeld kan hierbij worden genoemd CO2. Wanneer CO2 uit een stroom van natuurlijk gas (of waterstof wanneer 10 gedacht wordt aan een brandstofceltoepassing), kunnen vloeibare kristallen worden gebruikt als een absorberend oplosmiddel in een absorptiekolom bij een temperatuur waarbij het absorptievermogen voor kooldioxide X3*”1 is. Wanneer de vloeibare kristallen worden afgekoeld met een paar Kelvin o n-15 dergaat de vloeibare kristallijne fase een faseovergang tot een nematische fase, waarbij een faseseparatie kan worden waargenomen. Verrassenderwijze blijkt de oplosbaarheid van kooldioxide in een nematische vloeistof scherp te dalen tot Xdes.

20 De aldus geregenereerde vloeibare kristallen kunnen bij geringe inspanning worden teruggevoerd in de absorpti e-stap.

De nematische isotrope overgang dient dus als een schakelaar in de oplosbaarheid van CO2, hetgeen kan worden 25 toegepast door het variëren van de temperatuur van het mengsel over een klein traject. Opgemerkt wordt dat de onderhavige benadering zeer gunstig en elegant is vergeleken met de conventionele absorptie/desorptie concepten die, aangezien er geen faseovergang van de vloeistof plaatsvindt, gepaard gaan 30 met hoge energie-intensieve temperatuursverandering van grofweg 30-80 K.

Volgens de uitvinding wordt de eerder genoemde faseovergang van isotrope naar nematische toestand bewerkstelligd door verlaging van de temperatuur of verhoging van de druk.

35 Een typische temperature-variatie van ongeveer 20 K is beoogd.

De onderhavige uitvinding is geschikt voor efficiënte verwijdering van CO2, H2S, enz., uit procesgasstromen.

7

Als oplosmiddelen, dat wil zeggen vloeibare krista 1-len, geschikt voor het oplossen van de solute zijnde CO2/ H2S, enz., zijn respectievelijk trans-4-(4-pentyl-cyclohexyl)-benzonitrile of derivaten daarvan. Opgemerkt wordt, dat wan-5 neer C02 wordt verwijderd uit hoge druk gasstromen, bijvoorbeeld stromen bij de Syngas bereiding (H2, CO, H20, C02) of in brandstofceltoepassingen, waar reforming gasstromen worden behandeld, bevindt zich de druk van de "feed" stromen typisch in het gebied van 20-60 bar. Bij gebruikmaking van een vloei-10 baar kristallijn oplosmiddel voor het absorberen van kooldioxide in een gebruikelijke absorptiekolom, waarbij de oplosbaarheid van de andere gascomponenten aanzienlijk lager is. de temperatuur van de absorptiekolom is 50-150 °C. Bij toepassing van PCH5 (4-(trans-4pentylcyclohexyl)-benzonitril) 15 als oplosmiddel vindt absorptie plaats bij circa 50 °C. Dit is boven de nematische-isotrope faseovergangstemperatuur, waarbij TNI = (54,6 -x) °C, waarin x de druk van de overgangs-temperatuur beschrijft ten gevolge van kooldioxide (x » 5 tot 20 °C), hetgeen afhankelijk is van de partiële druk van de 20 kooldioxide.

Opgemerkt wordt dat ook gebruik kan worden gemaakt van de faseovergang tussen twee mesomorfe fasen, bijvoorbeeld nematisch en smectisch. Maar ook tussen een isotrope fase bijvoorbeeld een smectische fase.

25 De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van voorbeelden 1-3.

Voorbeeld 1: Verwijdering van C02 uit een "natuurlijke gas" stroom 30 Een C02-bevattend natuurlijke gasstroom wordt in contact gebracht met een vloeibaar kristaloplosmiddel in een absorptiestap. De natuurlijke gasstroom kan afkomstig zijn van een productiebron en kan een druk hebben van 80 bar. De natuurlijke gasstroom kan 10 mol-% C02 bevatten en heeft een 35 temperatuur van circa 40 °C. De oplosbaarheid van C02 in isotroop PCH-5 is circa 5 massa%. Een viervoudige massa van vloeibaar kristal wordt in aanraking gebracht met de natuu r-lijk gasstroom teneinde C02 te absorberen. Het product gas 8 bevat resthoeveelheden C02, hetgeen afhankelijk is van de zuiverheid van het geregenereerde vloeibare kristaloplosmi d-del en van massa transportspecificaties van de inrichting. Volgens schatting bedraagt de resthoeveelheid circa 1 mol -% 5 C02. De regeneratie van het vloeibare kristaloplosmiddel wordt uitgevoerd door verlaging van temperatuur tot circa 25°C teneinde een nematische fase te bereiken en onder gebruikmaking van stikstof als stripping gas. Het gegenereerde oplosmiddel wordt opnieuw teruggevoerd na de absorptie, zodat 10 een absorptie/desorptie cyclus wordt gerealiseerd.

Voorbeeld 2: Verwijdering van C02 uit een "natuurlijke gas" stroom

Een processtroom, die afkomstig is van een wate r-15 stroom "reforming" proces na een water-gasgift wordt behandeld met vloeibare kristallen teneinde de carbondioxide uit de processtroom te verwijderen (absorberen). De processtroom heeft een druk van circa 14 bar. Afhankelijk van de ruwe materialen, die gebruikt waren bij het genereren van de wate r-20 stroom, kan de processtroom 30 mol-% C02 bevatten. Teneinde carbondioxide in te vangen uit de processtroom wordt in een tegenstroomkolom in contact gebracht met een vloeibare kri s-tallijne stof in een nematische fase. Het carbondioxide lost op in de nematische vloeistof in een hoeveelheid van circa 5 25 massa-%. Het proces verloopt voorts zoals in voorbeeld 1 weergegeven.

Voorbeeld 3: Verwijdering van H2S uit de processtroom

In voorbeeld 1 werd een C02 verontreinigd natuurlijk 30 gasveld geschetst. Op soortgelijke wijze kunnen gasvelden zijn verontreinigd met H2S, waarbij het proces een soortgelijke samenstelling heeft als voorbeeld 1.

Het spreekt voor zich dat de onderhavige uitvinding niet is beperkt tot de genoemde voorbeelden, maar dat de ui t-35 vinding zich uitstrekt tot andere uitvoeringsvoorbeelden, die vallen binnen het kader van de beschermingsomvang van de conclusies .

2000654

Claims (7)

1. Werkwijze voor de verwijdering van een component uit een procesgasstroom door deze in aanraking te brengen met een oplosmiddel voor de te verwijderen component, gevolgd door desorptie van de opgeloste component, met het kenmerk, 5 dat als oplosmiddel isotrope vloeibare kristallen worden g e-bruikt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de te verwijderen component wordt opgelost in de vloeibare kristallen die zich bevinden in de isotrope toestand, 10 waarna de isotrope toestand een faseovergang ondergaat in de nematische toestand onder invloed van warmteafvoer en/of druk met het gevolg dat de oplosbaarheid van het te verwijderen gas in de vloeibare kristallen drastisch wordt verlaagd, z o-danig dat de te verwijderen component grotendeels desorbeert 15 onder achterlating van de vloeibare kristallen die voldoende vrij zijn van de te verwijderen component, die vervolgens opnieuw kunnen worden gebruikt.

3. Werkwijze volgens conclusies 1 en 2, met het kenmerk, dat de faseovergang wordt bewerkstelligd door verlaging 20 van de temperatuur of verhoging van de druk.

4. Werkwijze volgens conclusies 1 en 2, met het kenmerk, dat als oplosmiddel ionische vloeibare kristallen (ionic liquid crystals) worden gebruikt die uit kationen en ani-onen kunnen bestaan (zoals ionic liquids) of zij kunnen zwi t- 25 terionen zijn.

5. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat in plaats van de faseovergang isotrop-nematisch, de faseovergang isotrop-smectisch of de faseovergang nematisch-smectisch wordt gebruikt (of combinatie daarvan, zoals 30 isotrop-nematisch-smectisch).

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de te verwijderen component C02, H2S, H20, enz. of een mengsel daarvan is.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies 35 1-5, met het kenmerk, dat C02 wordt verwijderd. 2000654