TWI480091B - 用以由氣體混合物中吸收ｃｏ之方法、吸收介質及裝置 - Google Patents

用以由氣體混合物中吸收ｃｏ之方法、吸收介質及裝置 Download PDF

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Description

用以由氣體混合物中吸收CO 2 之方法、吸收介質及裝置
本發明係關於自氣體混合物吸收CO2 之方法及亦係關於用以實行此方法之吸收介質和裝置。
在自煙道氣移除二氧化碳方面，對於自氣體混合物吸收CO2 特別感興趣，特別是用以降低來自發電所程序的二氧化碳的散逸(已經認為此散逸係溫室效應的主因)。此外，二氧化碳為一些方法所須者且使用根據本發明之方法，二氧化碳可以作為這些方法的進料。
在工業規模上，自氣體混合物吸收CO2 ，習慣上，使用烷醇胺的含水溶液作為吸收介質。承載的吸收介質藉由使二氧化碳脫附之加熱、膨脹至較低壓力或滌除的方式再生。再生法之後，吸收介質可再使用。這些方法述於，例如，Rolker,J.;Arlt,W.;“Abtrennung von Kohlendioxid aus Rauchgasen mittels Absorption”[藉吸收方式自煙道氣消除二氧化碳],Chemie Ingenieur Technik 2006,78,416-424。
這些方法的缺點在於，藉吸收法和後續的脫附消除CO2 時，須要相當大量的能量，及在於，在吸收期間內，僅一些吸收的CO被再度脫附，且因此在吸收和脫附的一個循環中，吸收CO2 所用的烷醇胺比例低。此外，所用的吸收介質具高度腐蝕性且會在自含氧的氣體混合物吸收CO2 中，干擾氧化性分解反應。
US 7,419,646描述廢氣的脫酸法，其中，在吸收酸氣的期間內，使用吸收介質，形成可以彼此分離的兩相。作為用以吸收酸氣的反應性化合物，尤其在第6欄中提到4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶。用於吸收CO2 ，US 7,419,646在第3欄第22至32行揭示使用N,N,N’,N’,N”-五甲基二乙三胺、N,N,N’,N’,N”-五甲基二丙三胺、N,N-雙(2,2-二乙氧基乙基)甲胺和N,N-二甲基二丙三胺作為用於吸收的反應性化合物。US 7,419,646的方法的缺點是須要額外的設備將吸收法中的兩相加以分離。
DD 266 799描述一種用以純化4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶的方法，其中CO2 引至4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶在水和丙酮之溶液中，藉由將此溶液加熱至90至200℃，沉澱出來的鹽分解再度提供CO2 和4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶。
使用離子性液體吸收CO2 的方法述於X.Zhang等人，“screening of ionic Liquids to Capture CO2 by COSMO-RS and Experiments”,AIChE Journal,vol.54,p.2171-2728。
現訝異地發現使用4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶來吸收CO2 ，可以避免已知方法的缺點，其中4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶的4-胺基上可經一或兩個烷基取代。
因此，本發明係關於一種藉由使氣體混合物與吸收介質接觸而自氣體混合物吸收CO2 的方法，該吸收介質包含水和至少一種式(I)的胺
其中R1 和R2 各自獨立地為氫或烷基。
本發明亦係關於包含式(I)的胺、水和環丁碸之吸收介質，及包含式(I)的胺、水和離子性液體之吸收介質。
本發明進一步係關於一種用以自氣體混合物消除CO2 之裝置，該裝置包含吸收單元、脫附單元及包含水和式(I)的胺之循環吸收介質，該裝置。
根據本發明之方法中，吸收CO2 係藉由使氣體混合物與吸收介質接觸的方式進行，該吸收介質包含水和至少一種式(I)的胺
其中R1 和R2 各自獨立地為氫或烷基。
根據本發明之方法基本上可以使用任何含有CO2 的氣體混合物進行，此含有CO2 的氣體混合物特別是燃燒廢氣；來自生物方法(如堆肥法、發酵法或污水處理設備)的廢氣；來自鍛燒法(如石灰燃燒和混凝土製造)的廢氣；來自製鐵的高爐法的殘留氣體；及來自化學法的殘留氣體，如藉蒸汽改良以製造碳黑或製造氫的廢氣。較佳地，此氣體混合物是燃燒廢氣，特別佳地，含有1至60體積%的CO2 ，特別是2至20體積%的CO2 的燃燒廢氣。特別佳的體系中，氣體混合物係來自發電所程序的燃燒廢氣，特別是來自發電所法之經脫硫的燃燒廢氣。特別佳之使用來自發電所程序之經脫硫的燃燒廢氣的體系中，可以使用用於發電所程序之已知之所有的脫硫法，較佳地，以石灰乳或根據Wellmann-Lord法洗氣。
根據本發明之方法中，吸收介質包含至少一種式(I)的胺，其中R1 和R2 各自獨立地為氫或烷基。較佳烷基是具有1至3個碳原子的烷基，特別是甲基。特別佳的體系中，R1 和R2 是氫。
式(I)的胺可藉還原性胺化反應製自市售慣用的三丙酮胺，即，藉由使三丙酮胺與式R1 R2 NH的胺和氫在氫化反應觸媒存在下反應。用於三丙酮胺之還原性胺化反應的方法為嫻於此技藝之人士自以前技藝已知者，例如自EP 0 033 529，其用以製造式(I)的胺，其中R1 、R2 =H。
根據本發明之方法中，除了式(I)的胺以外，吸收介質亦包含水。較佳地，在吸收介質中，水對式(I)的胺之重量比在10：1至1：10的範圍內，在5：1至1：1的範圍內特別佳，且特別是在4：1至2：1的範圍內。此吸收介質包含至少5重量%式(I)的胺為較佳，至少10重量%式(I)的胺特別佳，特別是至少25重量%式(I)的胺。
用於根據本發明之方法，為了要使氣體混合物與吸收介質接觸，可以使用適用以使得氣相與液相接觸的所有設備。較佳地，使用自以前技藝已知的氣體滌氣機或吸收管柱(如膜接觸器、徑流滌氣機、射流滌氣機、Venturi滌氣機、旋轉噴霧滌氣機、充填床管柱、充填管柱和盤柱。特別佳地，使用的吸收管柱以對流模式操作。
根據本發明之方法中，CO2 之吸收以在吸收介質的溫度在0至70℃的範圍內進行為較佳，20至50℃特別佳。特別佳地，吸收管柱以對流模式操作時，吸收介質在進入管柱處的溫度為30至60℃且自管柱離開處的溫度為35至70℃。
CO2 之吸收以在氣體混合物在0.8至50巴的範圍內進行為較佳，0.9至30巴特別佳。特別佳的體系中，此吸收於氣體混合物的總壓在0.8至1.5巴的範圍內(特別是0.9至1.1巴)進行。此特別佳的體系使得自發電所的燃燒廢氣吸收CO2 不會壓縮燃燒廢氣。
根據本發明之方法中，除了水和至少一種式(I)的胺以外，吸收介質可以進一步含有一或多種溶劑。
較佳地，根據本發明之吸收介質，除了水和至少一種式(I)的胺以外，可以另包含環丁碸，CAS No.126-33-0，環丁碸的比例以至少5重量%為較佳，至少10重量%特別佳，且特別是至少25重量%。此吸收介質中，水對環丁碸的重量比在10：1至1：1的範圍內為較佳，在5：1至2：1的範圍內特別佳。環丁碸對式(I)的胺的重量比在3：1至1：3的範圍內為較佳，2：1至1：2特別佳。
進一步體系中，根據本發明之吸收介質，除了水和至少一種式(I)的胺以外，亦包含至少一種離子性液體，離子性液體的比例以至少5重量%為較佳，至少10重量%特別佳，且特別是至少25重量%。此吸收介質中，水對離子性液體的重量比在10：1至1：1的範圍內為較佳。在5：1至2：1的範圍內特別佳。離子性液體對式(I)的胺的重量比在3：1至1：10的範圍內為較佳，2：1至1：5特別佳。
在本發明之定義中，離子性液體是指陰離子和陽離子的鹽或此鹽之混合物，其中鹽或鹽的混合物之熔點低於100℃。較佳地，離子性液體由有機陽離子與有機或無機陰離子的一或多種鹽所組成。具有不同的有機陽離子和相同的陰離子的多種鹽之混合物係特別佳者。
適當的有機陽離子特別是通式(II)至(VI)的陽離子：
R1 R2 R3 R4 N+ 　(II)
R1 R2 R3 R4 P+ 　(III)
R1 R2 R3 S+ 　(IV)
R1 R2 N+ =C(NR3 R4 )(NR5 R6 )　(V)
R1 R2 N+ =C(NR3 R4 )(XR5 )　(VI)
其中R1 、R2 、R3 、R4 、R5 、R6 相同或不同且是氫、具1至30個碳原子的直鏈或支鏈脂族烴基或烯烴基、具5至40個碳原子的環脂族烴基或環烯烴基、具6至40個碳原子的芳族烴基、具7至40個碳原子的烷芳基、直鏈或支鏈脂族烴基或烯烴基(其被一或多個-O-、-NH-、-NR’-、-O-C(O)-、-(O)C-O-、-NH-C(O)-、-(O)C-NH、-(CH3 )N-C(O)-、-(O)C-N(CH3 )-、-S(O2 )-O-、-O-S(O2 )-、-S(O2 )-NH-、-NH-S(O2 )-、-S(O2 )-N(CH3 )-或-N(CH3 )-S(O2 )-所中斷，且具2至30個碳原子)、直鏈或支鏈脂族烴基或烯烴基(其末端位置經-OH、OR’、NH2 、N(H)R’或N(R’)2 加以官能化並具有1至30個碳原子)、或式-(R7 -O)n -R8 的聚醚基(其以嵌段或無規方式構成)，其中式(VI)的陽離子中，R5 不是氫，R’是具1至30個碳原子的脂族烴基或烯烴基，R7 是含有2至4個碳原子的直鏈或支鏈伸烷基，n是1至200，以2至60為佳，R8 是氫、具1至30個碳原子的直鏈或支鏈脂族烴基或烯烴基、具5至40個碳原子的環脂族烴基或環烯烴基、具6至40個碳原子的芳族烴基、具7至40個碳原子的烷芳基或基團-C(O)-R9 ，R9 是具1至30個碳原子的直鏈或支鏈脂族烴基或烯烴基、具5至40個碳原子的環脂族烴或環烯烴基、具6至40個碳原子的脂族烴基或具7至40個碳原子的烷芳基，X是氧原子或硫原子，和其中基團R1 、R2 、R3 、R4 、R5 和R6 中之至少一，且較佳各者為不同於氫。
亦適用的是式(II)至(VI)，其中基團R1 和R3 一起形成4-至10-員環，以5-至6-員環為佳。
式(V)的陽離子中，基團R1 至R5 以甲基為佳而基團R6 以乙基或正丙基為佳。
式(VI)的陽離子中，基團R1 至R4 以甲基為佳。
亦佳者係帶有前文定義的基團R1 的環中具有至少一個四級氮原子的雜芳族陽離子，較佳地，吡咯、吡唑、咪唑、噁唑、異噁唑、噻唑、異噻唑、吡啶、嘧啶、吡嗪、吲哚、喹啉、異喹啉、啉、喹諾啉或酞嗪的衍生物，其氮原子上經取代。
適當的無機陰離子特別是四氟硼酸根離子、六氟磷酸根離子、硝酸根離子、硫酸根離子、硫酸氫根離子、磷酸根離子、磷酸氫根離子、磷酸二氫根離子、氫氧根離子、碳酸根離子、碳酸氫根離子和鹵素離子，以氯離子為佳。
適當的有機陰離子特別是Ra OSO3 - 、Ra SO3 - 、Ra OPO3 2- 、(Ra O)2 PO2 - 、Ra PO3 2- 、Ra COO- 、Ra O- 、(Ra CO)2 N- 、(Ra SO2 )2 N- 、NCN- 、Rb 3 PF3 - 和Rb BF3 - ，其中Ra 是具1至30個碳原子的直鏈或支鏈脂族烴基、具5至40個碳原子的環脂族烴基、具6至40個碳原子的芳族烴基、具7至40個碳原子的烷芳基或具1至30個碳原子的直鏈或支鏈全氟烷基，而Rb 是具1至30個碳原子(以1至3個碳原子為佳)的全氟烷基。
較佳體系中，此離子性液體包含一種多種1,3-二烷基咪唑鹽，其中特別佳地，烷基彼此獨立地選自甲基、乙基、正丙基、正丁基和正己基。
進一步較佳的體系中，離子性液體包含一或多種具有單價陰離子和通式(II)的陽離子之四級銨鹽，其中R1 是具1至20個碳原子的烷基，R2 是具1至4個碳原子的烷基，R3 是基團(CH2 CHRO)n -H，其中n是1至200而R=H或CH3 ，而R4 是具1至4個碳原子的烷基或基團(CH2 CHRO)n -H，其中n是1至200而R=H或是CH3 。
製備離子性液體的方法為嫻於此技藝者由以前技藝已知者。
除了水和至少一種式(I)的胺以外，根據本發明之吸收介質可以不僅包含離子性液體，亦可包含環丁碸。
根據本發明之方法中，較佳地，使用根據本發明之前述吸收介質。
根據本發明之方法中，除了前述組份以外，吸收介質亦可含有添加劑，以腐蝕抑制劑和/或促進潤濕的添加劑為佳。
可用於根據本發明之方法的腐蝕抑制劑係嫻於此技藝者已知之在使用烷醇胺吸收CO2 的方法中作為適當腐蝕抑制劑的所有物質，特別是US 4,714,597中描述的腐蝕抑制劑。
使用之促進潤濕的添加劑以選自非離子界面活性劑、兩性界面活性劑和陽離子界面活性劑之一或多種界面活性劑為佳。
適當非離子性界面活性劑是烷基胺烷氧化物、醯胺基胺、烷醇醯胺、烷基膦化氧、烷基-N-葡醯胺(glucamide)、烷基葡苷、膽酸、烷基烷氧化物、山梨糖醇酯、山梨糖醇酯乙氧化物、脂肪醇、乙氧化的脂肪酸、酯乙氧化物和聚醚矽氧烷。
適當的兩性離子界面活性劑是甜菜鹼、烷基甘油、磺基甜菜鹼(sultaine)、兩性丙酸酯、兩性乙酸酯、三級胺氧化物和矽甜菜鹼。
適當的陽離子界面活性劑是具有一或兩個具8至20個碳原子的取代基的四級銨鹽，特別是對應的四烷基銨鹽、烷基吡啶鹽、酯quats、二胺醯基胺quats、咪唑鹽quats、烷氧基烷基quats、苄基quats和聚矽氧quats。
較佳體系中，促進潤濕的添加劑包含一或多種通式R(OCH2 CHR’)m OH的非離子界面活性劑，其中m是4至40，R是具8至20個碳原子的烷基、具8至20個碳原子的烷芳基或具3至40個伸丙化氧單元的聚環氧丙烷而R’是甲基，或以氫為佳。
進一步的較佳體系中，促進潤濕的添加劑包含聚醚-聚矽氧烷共聚物，其含有超過10重量%的[Si(CH3 )2 O]單元和超過10重量%的[CH2 CHR-O]單元，其中R是氫或甲基。特別佳者是通式(VII)至(IX)的聚醚-聚矽氧烷共聚物：
(CH3 )3 Si-O-[SiR1 (CH3 )-O]n -Si(CH3 )3 　(VII)
R2 O-Ap -[B-A]m -Aq -R2 　(VIII)
R2 O-[A-Z]p -[B-Si(CH3 )2 -Z-O-A-Z]m -B-Si(CH3 )2 [Z-O-A]q O1-q R2 　(IX)
其中A是式-[CH2 CHR3 -O]r -的二價基團，B是式-[Si(CH3 )2 -O]s -的二價基團，Z是具有2至20個碳原子的二價直鏈或支鏈伸烷基，且以-(CH3 )2 -為佳，n=1至30，m=2至100，p、q=0或1，r=2至100，s=2至100，基團R1 中的1至5者是通式-Z-O-A-R2 的基團且其餘基團R1 是甲基，R2 是氫或具有1至20個碳原子的脂族烷基或烯烴系烷基或醯基而R3 是氫或甲基。
促進潤濕的添加劑是嫻於此技藝之人士由以前技藝已知之用於含水溶液且可藉以前技藝已知的方法製造的添加劑。
根據本發明之方法中，吸收處理的溫度和壓力及吸收介質的組成依吸收介質在吸收CO2 之後以單相存在(即，吸收介質中吸收的CO2 不會導致固體沉澱或第二種液相之分離)的方式選擇為較佳。根據本發明之方法的此較佳體系不須要任何額外之用於相分離的設備且可以在由以前技藝已知之用於使用烷醇胺吸收CO2 的裝置中進行。
根據本發明之方法的較佳體系中，吸收介質中吸收的CO2 藉提高溫度和/或降低壓力而再度脫附且在此CO2 脫附處理之後，吸收介質再用於吸收CO2 。藉由此吸收和脫附的循環法，CO2 可以全數或部分自氣體混合物分離且以獨立的方式得自氣體混合物的其他組份。
取代提高溫度或降低壓力，或除了提高溫度和/或降低壓力之外，脫附處理亦可藉由以氣體對載有CO2 的吸收介質加以滌氣的方式進行。
在CO2 的脫附處理中，如果亦自吸附介質移除水，可以任意地，亦可以在再度用於吸收處理前，將水加至吸收介質。
用於脫附作用，可以使用由以前技藝已知之用於自液體脫附氣體的所有設備。較佳地，此脫附處理係在脫附管柱中進行。或者，亦可以在一或多個閃蒸階段進行CO2 的此脫附處理。
在藉提高溫度而脫附的情況中，CO2 之脫附於吸收介質的溫度在50至200℃的範圍內進行為佳，在80至150℃進行特別佳。此情況中，脫附處理的溫度以比吸收處理中的溫度高出至少20℃為較佳，至少50℃特別佳。
在藉降低壓力而脫附的情況中，CO2 之脫附於氣相的總壓在0.01至10巴的範圍內進行為佳，在0.1至5巴進行特別佳。此情況中，脫附處理的壓力以比吸收處理中的壓力低至少1.5巴為較佳，至少4巴特別佳。
在藉提高溫度而脫附的情況中，CO2 之脫附處理中的壓力亦可高於吸收CO2 時的壓力。此體系中，CO2 之脫附處理中的壓力以比吸收CO2 時的壓力高出至多5巴為佳，至多3巴特別佳。使用此體系，自氣體混合物消除的CO2 可以未使用機械能量的方式壓縮至較氣體混合物為高的壓力。
根據本發明之用以自氣體混合物消除CO2 之裝置包含吸收單元、脫附單元和根據本發明之循環的吸收介質。作為根據本發明之裝置的吸收單元，適當的設備係前述之用於根據本發明之方法之吸收處理的設備。作為根據本發明之裝置的脫附單元，適當的設備係前述之用於根據本發明之方法之脫附處理的設備。較佳地，根據本發明之裝置所包含的吸收單元和脫附單元係嫻於此技藝者已知之使用烷醇胺而自氣體混合物消除CO2 的設備。
根據本發明之方法及根據本發明之吸收介質，藉由吸收介質中使用至少一種式(I)的胺，相較於已知方法和吸收介質，特別是相較於工業上最常使用的烷醇胺，吸收處理中之吸收介質的CO2 承載度較高，其中本發明中的意義中，承載度是指吸收介質中，CO2 對胺的莫耳比。此外，相較於含有烷醇胺的吸收介質，根據本發明之方法的吸收介質的腐蝕性較低、毒性較低且展現對CO2 的較高化學吸收率及與氧的較低氧化性分解。此外，相較於已知方法和吸收介質，特別是相較於烷醇胺，吸收和脫附的循環法之體系中，達到改良的二氧化碳差別，其中在本發明的意義中，二氧化碳差別係介於吸收CO2 之後之吸收介質的CO2 吸收承載度與CO2 脫附之後之吸收介質的CO2 吸收承載度之間的差別。相較於以前技藝已知的方法，這些優點使其更有效地自CO2 分壓低的氣體混合物吸收CO2 ，並同時降低設備尺寸及降低能量消耗。此外，由於腐蝕性較低，根據本發明之方法中，所須的腐蝕抑制劑量比已知方法為低。
除了水和式(I)的胺以外，根據本發明之吸收介質亦含有二氧化碳差別進一步改良的環丁碸，在藉提高溫度脫附CO2 的方法中特別是如此。
使用除了水和式(I)的胺以外，亦含有至少一種離子性液體之根據本發明之吸收介質，CO2 之脫附可於較高溫度和/或較低壓力進行，且此在脫附處理中不會因為發生水的蒸發、固體沉澱、或吸收介質的相分離而損失溶劑。
下面的實例澄清本發明，但未限制本發明之標的。
實例 實例1
在恆溫且配備壓力控制器並提供測量氣-液平衡的設備中，30重量%4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶和70重量%水之混合物於恆定溫度引入並與氣態二氧化碳於恆定壓力接觸，其中改變壓力和溫度。各情況中，達到平衡狀態之後，測定承載的吸收介質中吸收的CO2 量並自其計算承載度，以承載的吸收介質中之CO2 對胺的莫耳比表示。研究的溫度和壓力及測得的承載度示於表1。
實例2
使用30重量%4-胺基-2,2,6,6-四甲基哌啶、35重量%環丁碸和35重量%水之混合物重複實例1。
實例3(比較例)
使用30重量%一乙醇胺(MEA)和70重量%水之混合物重複實例1。
於1.5巴進行吸收和脫附處理及溫度自40℃提高至120℃的脫附處理之承載度提供的二氧化碳差別示於表2，於120℃進行吸收和脫附處理及壓力自1.5巴降低至0.8巴的脫附處理的二氧化碳差別示於表3。

Claims (17)

  1. 一種藉由使氣體混合物與吸收介質接觸而自該氣體混合物吸收CO2 的方法，其特徵在於該吸收介質包含水、環丁碸和至少一種式(I)的胺 其中R1 和R2 各自獨立地為氫或烷基。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該氣體混合物係燃燒廢氣。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在吸收CO2 之後，該吸收介質以一相存在。
  4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中式(I)中，R1 和R2 係氫。
  5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在該吸收介質中，水對式(I)的胺之重量比在10：1至1：10的範圍內。
  6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該吸收介質包含至少5重量%式(I)的胺。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中藉提高溫度和/或降低壓力而使該吸收介質中該吸收的CO2 再度脫附且在此CO2 脫附之後，該吸收介質再度用於CO2 之吸收。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其中吸收作用係 在0至70℃的溫度範圍內進行且脫附作用係於50至200℃的較高溫度範圍內進行。
  9. 如申請專利範圍第7項之方法，其中吸收作用係在0.8至50巴的壓力範圍內進行且脫附作用係於0.01至10巴的較低壓力範圍內進行。
  10. 一種用以自氣體混合物吸收CO2 之吸收介質，該吸收介質包含水、環丁碸和至少一種式(I)的胺 其中R1 和R2 各自獨立地為氫或烷基。
  11. 如申請專利範圍第10項之吸收介質，其中水對環丁碸的重量比在10：1至1：1的範圍內。
  12. 如申請專利範圍第10項之吸收介質，其中環丁碸對式(I)的胺的重量比在3：1至1：3的範圍內。
  13. 如申請專利範圍第10項之吸收介質，其中式(I)中，R1 和R2 係氫。
  14. 如申請專利範圍第10項之吸收介質，其中水對式(I)的胺的重量比在10：1至1：10的範圍內。
  15. 如申請專利範圍第10項之吸收介質，其包含至少5重量%式(I)的胺。
  16. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該吸收介質係如申請專利範圍第11至15項中任一項之吸收介質。
  17. 一種用以自氣體混合物消除CO2 之裝置，該裝置包含吸收單元、脫附單元和循環的吸收介質，其特徵在於該裝置包含如申請專利範圍第10至15項中任一項之吸收介質。
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