WO2011122925A1 - Proceso de eliminación de gases ácidos del aire y gases de combustión de quemadores y motores de combustión interna mediante una absorción con solución de hidróxido de sodio y proceso de obtención de carbonato de sodio para acreditar bonos de carbono - Google Patents

Proceso de eliminación de gases ácidos del aire y gases de combustión de quemadores y motores de combustión interna mediante una absorción con solución de hidróxido de sodio y proceso de obtención de carbonato de sodio para acreditar bonos de carbono Download PDF

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    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates in general to the reduction of greenhouse gases (GHG), such as acid gases: carbon dioxide (CO2), sulfur dioxide (SO2), and nitrogen dioxide (NO2), these last two not declared within the GHG; and in particular with the accreditation of carbon credits according to the Kyoto Protocol, through a chemical process that can produce calcium carbonate or sodium carbonate for commercialization; For the latter, the process is carried out in an industrial installation of minimum economic size.
  • GHG greenhouse gases
  • CO2 carbon dioxide
  • SO2 sulfur dioxide
  • NO2 nitrogen dioxide
  • the carbon bond transaction — a carbon bond represents the right to emit a ton of carbon dioxide — allows mitigating the generation of greenhouse gases, benefiting companies that do not emit or decrease the emission and making the They emit more than allowed.
  • any An organization that captures CO2 (or any greenhouse gas) is entitled to carbon credits and is likely to receive the corresponding economic incentive.
  • the capture of CO2 from the air and combustion gases by means of an absorption with NaOH solution produces sodium carbonate in solution, which can be concentrated and crystallized for commercialization or to treat the sodium carbonate solution with lime slurry to obtain Calcium carbonate and commercialize it, regenerating in this case sodium hydroxide. It is important that in sodium carbonate applications this salt is not decomposed by returning CO2 to the atmosphere, in order to be able to credit carbon bonds.
  • the equipment for carrying out the process of eliminating acidic gases from the atmosphere and combustion gases is a horizontal absorber in which the gases run (in the horizontal direction) along the equipment and receive, perpendicularly, in shower form and at the sides, at 90 or with respect to the vertical, through dispersion nozzles, the alkaline solution that dissolves and reacts with the solute the acid gases, producing the following reactions:
  • Carbon dioxide concentrations handled in the process varied from 0.44% for urban atmospheric air, up to 16% in flue gases using natural gas as fuel.
  • Sulfur dioxide concentrations varied from 60 ppm to 0.2% (2000 ppm) and nitrogen dioxide levels from 20 to 69 ppm.
  • Two horizontal spray absorption equipment were used to test the effectiveness of the 30 cm internal diameter process made in austenitic steel in 50 cm attachable sections, in order to study the mechanism of acid gas absorption.
  • the other absorber of 60 cm in diameter and sections of 75 cm in length.
  • Each of the sections of the absorbers have three series of nozzles separated 10 cm, for the 30 cm diameter and 15 cm apart for the equipment with 60 cm diameter, one series at the top and the other two at each side at 90 o , making a total of 15 nozzles per section.
  • the gaseous flows through the absorber must have global average speeds between 3 and 7 m / sec, since less than 3 m / sec the efficiency of the equipment is reduced and greater than 7 m / sec requires more pressure to make passing the gas and the entrainment of the liquid increases making it difficult to separate with the baffles that are installed in the chimney.
  • the flux density of the absorption liquid can vary from 1.0 to 3.3 Kg / m 2 sec. Of course there would be no major problem if the liquid flow density were less than 1.0 kg / m 2 sec as long as it absorbed the acid gases contained in the gas flow. Using higher fluid flow densities at 3.3 Kg / m 2 sec runs the risk of flooding the equipment and also having unnecessary and expensive pumping equipment.
  • the acid gas uptake process is complemented by regenerating sodium hydroxide for reuse with lime milk for sodium carbonate, and with ammonium hydroxide for sodium nitrate, oxidizing sodium nitrite to nitrate with an oxidizing agent .
  • Sodium sulphite must previously be oxidized to sulfate by an oxidizing agent, treated with barium chloride to form barium sulfate that precipitates and sodium chloride that remains in solution. The reactions are as follows:
  • the calcium carbonate that forms when washed and dried is impalpable passes the 325 mesh of the Taylor series and can be used for the manufacture of Mexican handicraft figures.
  • Barium sulfate that is formed has application in the pharmaceutical industry and ammonium nitrate is a fertilizer.
  • the complete process for the capture of acidic gases from the atmosphere or combustion gases, in order to accredit carbon bonds is outlined in the Flowchart of Figure No. i.
  • the liquid that will be used to wash the gases will be a 2 N sodium hydroxide solution (80 g / l), with an operating liquid flow density between 2.7 and 3.4 ⁇ , which are the values of optimal industrial operation.
  • the gas flow to be treated is 10,000 m 3 / h giving a global average speed, both for atmospheric air and for flue gases, between 3 and 7 m / sec.
  • the temperature of the gases and the absorber solution will be 22 ° C, even if the flue gases enter the absorber hot, in a very short time they will take the temperature of the absorber solution.
  • the pressure of the gases at the inlet of the absorber shall be 20 mm of gauge Hg.
  • the absorber is connected, at one end to the atmospheric air or to the outlet of the flue gases, and on the other to the atmosphere for the exit of the washed gases;
  • the atmospheric pressure is considered to be the place where the equipment is installed.
  • the equipment for carrying out the process of capturing carbon dioxide from the atmosphere and combustion gases, and producing sodium carbonate comprises:
  • a horizontal absorber through which the gases run (in the horizontal direction) along the equipment and receive perpendicularly, in the form of a shower at the top and sides, forming an angle of 90 or with respect to the vertical, through dispersion nozzles, the alkaline solution that dissolves and reacts with acid solutes, particularly CO2;
  • the chemical reaction that takes place is as follows:
  • the industrial absorber consists of seven modules of one meter in length, attachable and removable as required, and 0.85 m inside diameter, made of austenitic steel.
  • the dispersion nozzles are distributed 20 cm from each other, both at the top and at the sides, so that each module of one meter has 15 nozzles, the size of which is V inch. These nozzles "spray" the liquid into small droplets, which increase the area of mass transfer, producing the absorption of CO2 to be captured.
  • the absorbing solution of 80 g NaOH / lt (that is 2 N) has a flow of 50 m 3 / h to absorb CO2 which gives a flow density of 3.22 Kg / m 2 sec for when the gas flow be air and 3.26 Kg / m 2 sec for when they are flue gases; values within those recommended industrially for the flux density of the absorption liquid.
  • the gas flow of 10,000 m 3 / h has a gas flow density of 4.5 Kg / m 2 sec, for air, with a CO2 concentration of 0.044%; and 4-8 Kg / m 2 sec for flue gases, considering a concentration of -COa of 16%.
  • the solution is then transferred to a heat exchanger and basket crystallizer in order to crystallize this by-product, which is washed with water and dried with hot air and then ground to the desired commercial particle size.
  • the remaining liquid is sent to the NaOH solution feed tank.
  • FIG. 2 A diagram of the horizontal absorber is shown in Figure No. 2 with three assembled sections of one meter in length each section and 0.85 m inside diameter, representing the dispersion nozzles: 5 at the top separated 20 cm from each other and two rows, also of 5 nozzles each with the same separation, at 90 or with respect to the vertical.
  • the channel for the outlet of the absorption liquid with a height of 30 cm that serves as a hydraulic seal is also shown.
  • Figure No. 3 Three diagrams are shown in Figure No. 3: Figure No. 3 (a) section of the straight section of the absorber of 0.85 m inside diameter and the outlet channel of the absorption liquid with a height of 30 cm that serves as a seal hydraulic; Figure No. 3 (b) Straight cross section of a section of the absorber one meter long, showing the rows of dispersion nozzles of the absorption liquid separated 20 cm from each other, a row at the top and two more on each side of the first one forming an angle of 90 or with respect to the vertical, with the same number of nozzles and of equal separation, the channel for the exit of the absorption liquid with a height of 30 cm is also shown as a hydraulic seal; and Figure No. 3 (c) an isometric view of a section of the absorber with the markings for the liquid dispersion nozzles of absorption and the channel for its exit, with the same dimensions indicated in Figures 3 (a) and 3 (b).
  • Figure 4 shows the exhaust duct of the clean gases of the absorber: Figure 4 (a) section of the straight section of the gas outlet to the chimney of 0.85 m inside diameter; Figure 4 (b) straight cross section of three sections of one meter in length each, of the horizontal absorber and duct of one meter in length for the exit of the clean gases towards the chimney with its retention screens of the absorption liquid which is dragged by the gases when leaving the absorber, the outlet channel of the absorption liquid with a height of 30 cm of hydraulic seal is also shown; and Figure 4 (c) isometric view of three sections of the absorber of one meter in length each section and the outlet duct of one meter in length with its screens to retain the absorption liquid carried by the exhaust gases towards the chimney, also The 30 cm high channel for the hydraulic seal and the rows of nozzles are indicated in the absorber sections, five for each section separated 20 cm from each other, for dispersion of the absorption liquid at the inlet of the absorber; Each section of the absorber has three rows with five nozzles each, the
  • Two horizontal unpacked spray absorbers described above 30 and 60 cm in diameter and in sections of 50 cm for the first and 75 cm for the second with 15 nozzles each section. These equipments are manufactured in austenitic steel.
  • a centrifugal fan to handle gases from 800 to 3000 m 3 / h A pump of an HP for handling the absorption liquid.
  • a pump of 0.5 HP for the return of the regenerated absorption liquid A pump of 0.5 HP for the return of the regenerated absorption liquid.
  • a chimney to expel the clean gases of acid gases with baffles to stop the liquid that drags the gas to the outlet of the absorber.
  • Horizontal absorber of 83 cm of internal diameter and seven sections of one meter in length with 15 nozzles of E-01 dispersion per section and a channel with 30 cm of seal
  • the installation in its minimum economic size, as shown in the present invention, is highly cost effective for treating combustion gases, with an internal rate of return of the order of 60% and an equilibrium point of 13%. Not so for the treatment of atmospheric air where a subsidy is required to carry out the capture of carbon dioxide.
  • the breakeven point indicates the production capacity such that the benefits from product sales and accreditation of carbon credits equal the sum of fixed and variable costs, that is, after this value there are gains and below it there are losses.
  • the absorber comprises:
  • Each section has three series of nozzles, one at the top and the other two on each side of the first, forming an angle of 90 o ; Each nozzle is separated 20 cm from each other, making a total of 15 nozzles per section.
  • the process for obtaining sodium carbonate from the capture of carbon dioxide from the air and combustion gases by absorption with a solution of partner hydroxide, in a horizontal spray absorber allows the equipment, with this position , handle higher speeds for gaseous flow and not require large equipment since a vertical absorber handles global gas speeds up to 1 m / sec; while the same horizontal team can handle global gas speeds up to 7 m / sec.
  • the process contributes to the reduction of the greenhouse effect by reducing the content of carbon dioxide in the air and in the combustion gases of burners and internal combustion engines that use fossil fuels.

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Abstract

La presente invención consiste en un proceso de absorción con reacción química para captar gases ácidos como el dióxido de carbono, dióxido de azufre y dióxido de nitrógeno, del aire ambiental y gases de combustión de quemadores y motores de combustión interna, que utilizan combustibles fósiles; con el propósito de acreditar bonos de carbono de acuerdo al "protocolo de Kioto sobre el cambio climático". El proceso se lleva a cabo en un absorbedor pulverizador horizontal, utilizando como liquido de absorción una solución de hidróxido de sodio al 8%, obteniéndose como subproductos carbonato de sodio, sulfito de sodio, nitrito y nitrato de sodio. Estos subproductos son transformados en productos comerciales como el carbonato de calcio, el sulfato de bario y el nitrato de amonio; para lo cual tanto el sulfito de sodio como el nitrito de sodio, a través de un agente oxidante, deben transformarse previamente en sulfato y nitrato de sodio.

Description

PROCESO DE ELIMINACIÓN DE GASES ÁCIDOS DEL AIRE Y GASES DE COMBUSTIÓN DE QUEMADORES Y MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA MEDIANTE UNA ABSORCIÓN CON SOLUCIÓN DE HIDRÓXIDO DE SODIO Y PROCESO DE OBTENCIÓN DE CARBONATO DE SODIO PARA ACREDITAR BONOS DE CARBONO.
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se relaciona de manera general con la reducción de gases de efecto invernadero (GEI), como los gases ácidos: dióxido de carbono (CO2), dióxido de azufre (SO2), y dióxido de nitrógeno (NO2), estos dos últimos no declarados dentro del GEI; y de forma particular con la acreditación de bonos de carbono de acuerdo al Protocolo de Kioto, mediante un proceso químico que puede producir carbonato de calcio o bien carbonato de sodio para su comercialización; para este último el proceso se lleva a cabo en una instalación industrial de tamaño mínimo económico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
El 11 de diciembre de 1997 los países industrializados se comprometieron, en la ciudad de Kioto, a ejecutar un conjunto de medidas para reducir los gases de efecto invernadero (GEI). Los gobiernos signatarios de dichos países pactaron reducir en al menos un 5% en promedio las emisiones contaminantes entre 2008 y 2012, tomando como referencia los niveles de 1990. El acuerdo entró en vigor el 16 de febrero de 2005. después de la ratificación por parte de Rusia el 18 de noviembre de 2004. Este instrumento fue denominado "Protocolo de Kioto sobre el cambio climático" Dentro del "Protocolo de Kioto" se creó un mecanismo internacional de descontaminación para reducir las emisiones contaminantes al medio ambiente, consistente en un fondo para ofrecer incentivos económicos a las empresas privadas que contribuyan a la mejora de la calidad ambiental y regular la emisión generada por sus procesos productivos, considerando el derecho a emitir C02 como un bien canjeable y con un precio establecido en el mercado.
La transacción de los bonos de carbono—un bono de carbono representa el derecho a emitir una tonelada de dióxido de carbono— permite mitigar la generación de gases de efecto invernadero, beneficiando a las empresas que no emiten o disminuyen la emisión y haciendo pagar a las que emiten más de lo permitido. Por extensión cualquier organización que capte CO2 (o cualquier gas de efecto invernadero) se hace acreedora a bonos de carbono y es susceptible de recibir el incentivo económico correspondiente. La captura de CO2 del aire y de gases de combustión mediante una absorción con solución de NaOH, produce carbonato de sodio en solución, el cual se puede concentrar y cristalizar para su comercialización o tratar la solución de carbonato de sodio con lechada de cal para obtener carbonato de calcio y comercializarlo, regenerando en este caso el hidróxido de sodio. Es importante que en las aplicaciones del carbonato de sodio no se descomponga esta sal devolviendo CO2 a la atmósfera, para así poder acreditar bonos de carbono.
La mayoría de los trabajos que se han desarrollado para la reducción del efecto invernadero, se orientan a procesos biotecnológicos o de forestación, donde grandes extensiones de terreno son cultivadas con plantas y árboles que captan el CO2 y anualmente acreditan un cierto número de bonos de carbono.
Con el objeto de acreditar bonos de carbono por una vía diferente a las tradicionales, pero igualmente efectiva, se desarrolló la vía química, consistente en "lavar" los gases de la atmósfera y los producidos durante la combustión en quemadores y motores de combustión interna, que utilizan combustibles fósiles, como la gasolina, el diesel, el gas natural, etc. y que producen además del CO2, óxidos de azufre y nitrógeno (SO2 y NO2).
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Las características del proceso para captar los gases ácidos de la atmósfera o de las emisiones de quemadores y motores de combustión interna, consisten en "lavar" los gases con una solución de hidróxido de sodio 2 normal (NaOH al 8 %), en un equipo de absorción diseñado exprofeso.
El equipo para llevar a cabo el proceso de eliminación de gases ácidos de la atmósfera y de los gases de combustión, es un absorbedor horizontal en el cual los gases corren (en el sentido horizontal) a lo largo del equipo y reciben, perpendicularmente, en forma de regadera y a los lados, a 90o respecto a la vertical, a través de toberas de dispersión, la solución alcalina que disuelve y reacciona con el soluto los gases ácidos, produciéndose las siguientes reacciones:
2 NaOH + CO2— -» Na2C03 + H2O
2 NaOH + SO2— -> Na2S03 + H2O 2 NaOH + 2 N02 NaN03 + NaN02 + H2O
Las concentraciones de dióxido de carbono manejadas en el proceso variaron de 0.44% para un aire atmosférico urbano, hasta 16 % en gases de combustión utilizando gas natural como combustible. Las concentraciones de dióxido de azufre variaron de 60 ppm hasta 0.2 % (2000 ppm) y las de dióxido de nitrógeno de 20 a 69 ppm.
Se utilizaron dos equipos de absorción de pulverización horizontales para probar la efectividad del proceso uno de 30 cm de diámetro interior hecho en acero austenítico en secciones acoplables de 50 cm, a fin de estudiar el mecanismo de la absorción de los gases ácidos. El otro absorbedor de 60 cm de diámetro y secciones de 75 cm de longitud. Cada una de las secciones de los absorbedores tienen tres series de toberas separadas 10 cm, para el de 30 cm de diámetro y 15 cm de separación para el equipo con 60 cm de diámetro, una serie en la parte superior y las otras dos a cada lado a 90o, haciendo un total de 15 toberas por sección.
Se seleccionaron dos flujos gaseosos, con velocidades globales de 3 y 7 m/seg aproximadamente, haciendo flujos de 800 y 1800 m3/h. En forma perpendicular se hizo pasar la solución de hidróxido de sodio 2N a través de las toberas a una densidad de flujo de 1.0 a 1.2 Kg /m2seg. Para estos casos el flujo volumétrico del líquido de absorción varió de 35 a 40 lt/h por cada tobera.
Las mismas pruebas se hicieron con el equipo de 60 cm de diámetro y solo dos secciones de 75 cm cada una y las toberas espaciadas a cada 15 cm teniendo igualmente 15 toberas por sección y los flujos de gas fueron de 3000 m3/h, que corresponde a una velocidad media global de 5 m/seg aproximadamente. En este caso la densidad de flujo líquido (solución de NaOH 2N) fue de 2.1 Kg/m2seg y el flujo volumétrico por tobera fue de 212 lt/h.
Los resultados del proceso de absorción con reacción química, permitieron llegar a las siguientes conclusiones:
1. La resistencia controlante a la transferencia de masa es del lado del gas, considerando prácticamente despreciable la resistencia del lado del líquido. 2. El coeficiente de transferencia de masa combinado con el área volumétrica, solo varía con la velocidad media global del gas y no depende del flujo líquido. Tabla No.i Tabla No. i
Velocidad media global del gas Coeficiente de transferencia de
m/seg masa combinado con el área
volumétrica en Kgmo ι/h m3
3 15
5 16
7 17
3. Los flujos gaseosos a través del absorbedor deben tener velocidades medias globales entre 3 y 7 m/seg, ya que menores a 3 m/seg la eficiencia del equipo se reduce y mayores de 7 m/seg se requiere de mayor presión para hacer pasar el gas y el arrastre del líquido se incrementa haciendo difícil su separación con los deflectores que se instalan en la chimenea.
4. La densidad de flujo del líquido de absorción puede variar desde 1.0 a 3.3 Kg/m2seg. Desde luego no habría mayor problema si la densidad de flujo líquido fuera menor a 1.0 Kg/m2seg siempre y cuando absorba los gases ácidos contenidos en el flujo gaseoso. Usar mayores densidades de flujo del líquido a 3.3 Kg /m2seg se corre el riesgo de inundar el equipo y además tener un equipo de bombeo grande innecesario y además costoso. El proceso de captación de los gases ácidos se complementa regenerando el hidróxido de sodio para su reutilización con lechada de cal para el carbonato de sodio, y con hidróxido de amonio para el nitrato de sodio, oxidando el nitrito de sodio a nitrato con un agente oxidante. El sulfito de sodio previamente se debe oxidar a sulfato mediante un agente oxidante, se trata con cloruro de bario para formar sulfato de bario que precipita y cloruro de sodio que queda en solución. Las reacciones son las siguientes:
Na2C03 + Ca(OH)2—■» CaC03 + 2 NaOH
CaS04 + BaCl2— -> BaS04 + CaCl2
NaN03 + NH4OH— -> NH4NO3 + NaOH
El carbonato de calcio que se forma al lavarlo y secarlo es impalpable pasa la malla 325 de la serie Taylor y se puede usar para la fabricación de figuras de artesanía mexicana. El sulfato de bario que se forma tiene aplicación en la industria farmacéutica y el nitrato de amonio es un fertilizante. El proceso completo para la captación de gases ácidos de la atmósfera o de gases de combustión, a fin de acreditar bonos de carbono se encuentra esquematizado en el Diagrama de flujo de la Figura No. i.
Para el proceso industrial se contempla la obtención de carbonato de sodio a partir de la captura de C02 del aire y de gases de combustión mediante una absorción con solución de NaOH. El proceso comprende las siguientes etapas y condiciones de operación:
(a) El líquido que se usará para lavar los gases será, una solución de hidróxido de sodio 2 N (80 g/lt), con una densidad de flujo líquido de operación comprendida entre 2.7 y 3.4 ^^, que son los valores de operación industrial óptimos. (b)El flujo de gas a tratar es de 10,000 m3 / h dando una velocidad media global, tanto para el aire atmosférico como para los gases de combustión, entre 3 y 7 m/seg.
(c) La temperatura de los gases y de la solución absorbedora será de 22°C, aun cuando los gases de combustión entren calientes al absorbedor, en muy corto tiempo tomarán la temperatura de la solución absorbedora.
(d) La presión de los gases a la entrada del absorbedor será de 20 mm de Hg manométricos. El absorbedor se conecta, por un extremo al aire atmosférico o a la salida de los gases de combustión, y por el otro a la atmósfera para la salida de los gases lavados; la presión atmosférica se considera la del lugar donde se instale el equipo.
En otra modalidad preferida el equipo para llevar a cabo el proceso de captura del dióxido de carbono de la atmósfera y de los gases de combustión, y producir carbonato de sodio, comprende:
1. Un absorbedor horizontal, por el cual los gases corren (en el sentido horizontal) a lo largo del equipo y reciben perpendicularmente, en forma de regadera en la parte superior y a los lados, formando un ángulo de 90o respecto de la vertical, a través de toberas de dispersión, la solución alcalina que disuelve y reacciona con el soluto los gases ácidos, particularmente el CO2; la reacción química que tiene lugar es la siguiente:
2 NaOH + C02— -» Na2(X)3 + H2O 2. El absorbedor industrial consta de siete módulos de un metro de longitud, acoplables y desmontables según se requiera, y 0.85 m de diámetro interior, fabricado en acero austenítico. Las toberas de dispersión se encuentran distribuidas a 20 cm una de la otra, tanto en la parte superior como a los lados, de tal forma que cada módulo de un metro lleva 15 toberas, cuyo tamaño es de V de pulgada. Estas toberas "pulverizan" el líquido en pequeñas gotas, que aumentan el área de transferencia de masa, produciéndose la absorción del CO2 que se quiere capturar.
3. En la parte inferior del absorbedor se tienen perforaciones para la salida del líquido de absorción, el cual pasa a un canal de 30 cm de altura que sirve de sello hidráulico. Figura No. 2 y Figura No. 3 (a), (b) y (c).
4. Los gases a lavar entran por un extremo del absorbedor, impulsados por un ventilador sin cambio de dirección, y una vez que los componentes ácidos hayan sido capturados por el líquido de absorción, salen los gases por el otro extremo del absorbedor a una chimenea haciendo cambio de dirección y con deflectores para retener el arrastre del líquido de absorción por los gases limpios que se mandan a la atmósfera. Figura No. 4 (a), (b) y (c).
Las condiciones de operación que se tendrán para el funcionamiento del absorbedor horizontal son:
(a) La solución absorbedora de 80 g NaOH/lt (o sea 2 N) tiene un flujo de 50 m3/h para absorber el CO2 lo que da una densidad de flujo de 3.22 Kg/m2seg para cuando el flujo gaseoso sea aire y de 3.26 Kg/m2seg para cuando son gases de combustión; valores comprendidos dentro de los recomendados industrialmente para la densidad de flujo del líquido de absorción.
(b) El flujo gaseoso de 10,000 m3/h tiene una densidad de flujo gaseoso de 4.5 Kg/m2seg, para el aire, con una concentración de CO2 de 0.044 %; y 4-8 Kg/m2seg para los gases de combustión, considerando una concentración de-COa del 16 %.
(c) Para el caso de lavado de 10,000 m3/h de gases de combustión, se requiere que el absorbedor tenga una longitud de 5.47 m, por lo que se deberán acoplar 6 secciones de un metro cada una y por lo tanto se tendrían 90 toberas en uso para los 50.0 m3/h de la solución absorbedora y el flujo por tobera será de 0.556 m*/h.
(d)El líquido de absorción abandona el absorbedor llevando consigo el CO2 en forma de Na2C03, el cual se recircula al tanque de alimentación del mismo donde se restituye la sosa consumida y hasta que alcance la concentración de
Na2C03 cercana a la saturación, se pasa entonces la solución a un cambiador de calor y cristalizador de canasta a fin de separar por cristalización este subproducto, el cual se lava con agua y se seca con aire caliente para después molerlo a la granulometría comercial deseada. El líquido remanente es enviado al tanque de alimentación de la solución de NaOH. Diagrama de flujo de la Figura
No. 5
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
En la Figura No. 1 se muestra el diagrama de flujo completo con las alternativas de producir ya sea carbonato de calcio o carbonato de sodio. En el primero el hidróxido de sodio se regenera al agregado de la lechada de cal, mientras que en el segundo se consume el NaOH.
En la Figura No. 2 se muestra un esquema del absorbedor horizontal con tres secciones ensambladas de un metro de longitud cada sección y 0.85 m de diámetro interior, representando las toberas de dispersión: 5 en la parte superior separadas 20 cm una de la otra y dos hileras, también de 5 toberas cada una con la misma separación, a 90o respecto a la vertical. También se muestra la canal para la salida del líquido de absorción con una altura de 30 cm que sirve de sello hidráulico.
En la Figura No. 3 se muestran tres esquemas: Figura No. 3(a) corte de la sección recta del absorbedor de 0.85 m de diámetro interior y la canal de salida del líquido de absorción con una altura de 30 cm que sirve de sello hidráulico; Figura No. 3(b) corte transversal recto de una sección del absorbedor de un metro de longitud, mostrando las hileras de toberas de dispersión del líquido de absorción separadas a 20 cm una de la otra, una hilera en la parte superior y dos más a cada lado de la primera formando un ángulo de 90o respecto la vertical, con el mismo número de toberas y de igual separación, también se muestra la canal para la salida del líquido de absorción con una altura de 30 cm como sello hidráulico; y Figura No. 3(c) una vista isométrica de una sección del absorbedor con los señalamientos para las toberas de dispersión del líquido de absorción y la canal para la salida del mismo, con las mismas dimensiones indicadas en las Figuras 3(a) y 3(b).
En la Figura No. 4 se representa el ducto de salida de los gases limpios del absorbedor: Figura 4(a) corte de la sección recta de la salida de los gases hacia la chimenea de 0.85 m de diámetro interior; Figura 4(b) corte transversal recto de tres secciones de un metro de longitud cada una, del absorbedor horizontal y ducto de un metro de longitud para la salida de los gases limpios hacia la chimenea con sus mamparas de retención del líquido de absorción que es arrastrado por los gases al salir del absorbedor, también se muestra la canal de salida del líquido de absorción con una altura de 30 cm de sello hidráulico; y Figura 4(c) vista isométrica de tres secciones del absorbedor de un metro de longitud cada sección y el ducto de salida de un metro de longitud con sus mamparas para retener el líquido de absorción arrastrado por los gases de salida hacia la chimenea, igualmente se indica en las secciones del absorbedor, la canal de 30 cm de altura para el sello hidráulico y las hileras de toberas, cinco por cada sección separadas 20 cm una de la otra, para la dispersión del líquido de absorción a la entrada del absorbedor; cada sección del absorbedor tiene tres hileras con cinco toberas cada, la primera hilera se encuentra en la parte superior y las otras dos formando un ángulo de 90o respecto de la vertical. EQUIPOS, REACTIVOS, INSUMOS Y MATERIALES UTILIZADOS:
Equipos y accesorios:
Dos absorbedores horizontales de pulverización no empacados descritos anteriormente; de 30 y 60 cm de diámetro y en secciones de 50 cm para el primero y 75 cm para el segundo con 15 toberas cada sección. Estos equipos son fabricados en acero austenítico. Un tanque de acero austenítico de un m3 para la distribución del líquido de absorción (solución de NaOH 2N).
2 Tanques de acero al carbón de 100 lt para la solución del cloruro de bario y el hidróxido de amonio.
3 Tolvas, una de un m3 para la reacción del carbonato de sodio con la lechada de cal y recuperación del carbonato de calcio; otra de 200 lt para la reacción del cloruro de bario con el sulfato de sodio y producir el sulfato de bario y finalmente otra tolva de 200 lt para la reacción del amoniaco con el nitrato de sodio y producir el nitrato de amonio. 3 recipientes para recuperar los subproductos.
Un ventilador centrífugo para manejar gases de 800 a 3000 m3/h Una bomba de un HP para el manejo del líquido de absorción.
Una bomba de 0.5 HP para el retorno del líquido de absorción regenerado.
Una chimenea para expulsar los gases limpios de gases ácidos con deflectores para detener el líquido que arrastra el gas a la salida del absorbedor.
Tuberías y válvulas como se indican en el Diagrama de flujo No. 1.
Un cuñete para el hidróxido de sodio sólido de 100 Kg.
Un cuñete para el cloruro de bario de 10 Kg.
Un tanque para el hidróxido de amonio de 100 It.
Reactivos:
Solución de anaranjado de metilo.
Solución alcohólica de fenolftaleína
Papel pH
Solución de ácido clorhídrico 0.1 N
Aparatos de medición:
Analizador de gases con determinadores de dióxido carbono, azufre y nitrógeno en forma de nitrito y nitrato.
Potenciómetro
Malla 325 de la serie de Taylor
Balanza analítica de sensibilidad de 0.1 mg
Balanza granataria de sensibilidad de o.1 g
Insumos:
Cuñetes para almacenar los subproductos
Bolsas de plástico para guardar los subproductos
Tabla No. 2
Material del laboratorio.
Cantidad Material
2 Buretas de 50 mi
4 Frascos de 1000 mi con tapón esmerilado
6 Tubos de ensayo
1 Gradilla para tubos de ensayo
2 Pinzas para bureta
1 Soporte universal
1 Probeta graduada de 1000 mi 4 Vasos de precipitados de 100 mi
1 Pipeta graduada de 5 mi
1 Espátula Para el equipo industrial, en la Tabla No. 3 se ha concentrado la relación de equipo que se requiere para la presente invención, con sus claves según la Figura No.5.
Tabla No.3
Relación del equipo de la instalación mínima económica para procesar 10, ooon /h de gases de combustión.
CLAVE DESCRIPCION DEL EQUIPO
Absorbedor horizontal de 83 cm de diámetro interior y siete secciones de un metro de longitud con 15 toberas de E-01 dispersión por sección y un canal con 30 cm de sello
hidráulico para la salida del líquido, construida en acero
austenítico.
Tanque de alimentación del líquido de absorción de 50 m3
E-02 con 3 m de diámetro y 7 m de altura. Con refuerzos y
anclas para el piso y con salida por el fondo; construido en
acero austenítico.
Cristalizador de canasta de 6 m3 para manejar 13.16 m3/h
E-03 de solución al 30% de Naa C03 con una producción de 5.24
ton/h de cristales.
E-04 Cambiador de calor y condensador para manejar 13.16 m3
de solución al 30% de NaaC03.
E-05 Molino de bolas para una producción de 5-24 ton/h de
carbonato de sodio.
E-06 Filtro rotatorio para separación y lavado del carbonato de
sodio.
E-07 Secador túnel con banda transportadora para 5 ton/h de
Carbonato de sodio con aire caliente y seco.
E-08 Tanque de retención de la solución de NaaCo3 de 5.3 m3 hecho en acero austenítico, de 1.5 m de diámetro y 3 m de altura.
E-09 Tanque de 5.3 τη para el líquido residual amargo hecho en acero al carbón; de 1.5 m de diámetro y 3 m de altura. E-10 Caldera de 10 CV
E-11 Ensacadora de 300 sacos /h para el Na2C03
El equipo de bombeo que requiere la instalación se encuentra en la Tabla No. 4
Tabla No. 4
Equipo de bombeo
CLAVE DESCRIPCIÓN CAPACIDAD
B-01 Ventilador centrífugo para 10,000 m3 gases/h
y presión máxima de 1.5 atm 3 HP B-02 Bomba centrífuga en acero austenítico para 50 m3
sol alcalina / h (alimentación al absorbedor) 2 HP
B-03 Bomba centrífuga en acero austenítico para 50 m3
sol alcalina / h (retorno al tanque de NaOH de la
solución de Na2C03) 2 HP B-04 Bomba centrífuga en acero austenítico para 50 m3
sol alcalina / h (retorno al tanque de retención de
la solución de Na2C03) 1 HP
B-05 Motor-reductor para el gusano de cristales de
Na2C03 del cristalizador 1 HP B- 06 Bomba centrífuga en acero al carbón para 2 m3 de
agua /h ¾ HP
B-07 Ventilador para aire caliente para 3,000 m3 aire
caliente /h 1.5 HP
B-08 Bomba centrífuga en acero austenítico para 5 m3
de líquido residual amargo / h (no indicada en el
diagrama de flujo de la Figura No. 4) 1 HP
POTENCIA ELÉCTRICA TOTAL 12.25 HP Las alimentaciones al proceso se encuentran en la Tabla No. 5 y las condiciones y requerimientos de operación para procesar 10,000 m3/h de gases de combustión, se encuentran en la Tabla No. 6. Tabla No. 5
Alimentaciones al proceso
CLAVE DESCRIPCIÓN DE LA ALIMENTACIÓN
A-i Alimentación de agua de proceso
A-2 Alimentación de NaOH en escamas
A-3 Alimentación de gas natural para la caldera
A-4 Alimentación de gases de combustión
A-5 Alimentación de aire atmosférico
A-6 Alimentación de sacos para el Na2C03
Tabla No. 6
Condiciones y requerimientos de operación de la instalación industrial para la captura de CO2 de gases de combustión
VARIABLE DE OPERACIÓN MAGNITUD
Flujo volumétrico de gases a tratar 10,000 m3/h
Flujo volumétrico del líquido de absorción
(8o NaOH g/lt) 50.0 m3/h
Flujo másico de hidróxido de sodio
(en escamas) 4.0 ton/h
Agua de proceso i.5 m3/h
Presión media de los gases 0.771 atm
Temperatura media de los gases 22 °C
Vapor saturado a 1 atm 414.7 Kg/h
Gas natural para la caldera 37.2 m3/h
Potencia eléctrica requerida 15 Kw
Flujo másico de carbonato de sodio 5.24 ton / h
Se considerará que la instalación podrá trabajar 24 horas por día y 322 días al año, esto es solo 46 semanas por año dejando una semana por bimestre para mantenimiento cambios de ubicación si se requieren. En la Tabla No. 7 se tienen los consumos energéticos de la instalación por año.
La instalación en su tamaño mínimo económico, tal como se muestra en la presente invención, es altamente rentable para tratar gases de combustión, con una tasa interna de retorno del orden del 60 % y un punto de equilibrio del 13 %. No así para el tratamiento de aire atmosférico donde se requiere de subsidio para llevar a cabo la captura del dióxido de carbono.
El punto de equilibrio indica la capacidad de producción tal que los beneficios por ventas de productos y acreditación de bonos de carbono igualan a la suma de los costos fijos y variables, es decir después de este valor hay ganancias y por debajo del mismo hay pérdidas.
Tabla No. 7
Consumos energéticos de la instalación operando 10,000 m3/h de gases de combustión durante un año de 322 días por 24 horas por día.
REQUERIMIENTO CONSUMO ANUAL
Energía eléctrica total 88,077.6 Kw-h/afío
Vapor saturado a 0.771 atm 3,205 Ton /año
Gasolina para un vehículo utilitario 6,900 lt/año
Gas natural para la caldera 287,481.6 m3 / año
Bonos de carbono consumidos 421.6
En una modalidad el proceso de la presente invención comprende las siguientes etapas:
(a) Captación de dióxido de carbono proveniente del aire atmosférico y de gases de combustión de quemadores y motores de combustión interna, mediante un ventilador para dirigirlos al absorbedor de pulverización horizontal.
(b) Alimentación del aire y gases de combustión, conteniendo dióxido de carbono al absorbedor de pulverización horizontal en el cual los gases corren (en el sentido horizontal) a lo largo del equipo.
(c) Absorción del CO2 por medio de una solución de NaOH al 8%, que es inyectada perpendicularmente, en forma de regadera y a los lados, a 90o respecto a la vertical a través de toberas de dispersión que disuelve y reacciona con el dióxido de carbono produciéndose Na2C03.
(d) Separación del carbonato de sodio de la solución absorbedora, por concentración hasta la saturación, calentamiento y cristalización. Los cristales de Na2C03 se lavan con agua y se secan con aire caliente para después molerse a tamaño comercial deseado.
En otra modalidad preferida, el absorbedor comprende:
(a) Un cuerpo tubular segmentado en siete secciones de un metro de longitud cada una.
(b) Cada sección tiene tres series de toberas, una en la parte superior y las otras dos a cada lado de la primera, formando un ángulo de 90o; cada tobera se encuentra separada a 20 cm una de la otra, haciendo un total de 15 toberas por sección.
(c) Una canal en la parte inferior del cuerpo tubular para recolectar el líquido de absorción con el CO2 absorbido, a través de perforaciones; la cual tiene una altura de 30 cm como sello hidrostático.
VENTAJAS DE LA INVENCIÓN
El proceso para la obtención de carbonato de sodio a partir de la captura de dióxido de carbono del aire y de gases de combustión mediante la absorción con una solución de hidróxido de socio, en un absorbedor de pulverización horizontal, permite al equipo, con esta posición, manejar velocidades mayores para el flujo gaseoso y no requerir de un equipo de grandes dimensiones ya que un absorbedor vertical maneja velocidades globales de gas hasta de 1 m/seg; mientras que el mismo equipo horizontal puede manejar velocidades globales de gas hasta de 7 m/seg.
La captura del dióxido de carbono mediante una solución de hidróxido de sodio permite la formación de carbonato de sodio lo que representa la transformación de la sosa por carbonato con un valor agregado de 1:1.25
El proceso contribuye a la reducción del efecto invernadero al reducir el contenido de dióxido de carbono en el aire y en los gases de combustión de quemadores y motores de combustión interna que usan combustibles fósiles.
Con la reducción del efecto invernadero ante la captura de CO2, se pueden acreditar bonos de carbono que ayudan a hacer más rentable este proceso, que además de hacer un bien a la humanidad, también reditúa utilidades a quien utiliza el proceso.

Claims

REIVINDICACIONES
Absorción de gases ácidos del aire atmosférico o de los gases de combustión provenientes de quemadores y motores de combustión interna que utilizan combustibles fósiles, mediante una solución de hidróxido de sodio, caracterizado por las siguientes etapas:
(a) Captación de los gases ácidos provenientes del aire atmosférico y de gases de combustión de quemadores y motores de combustión interna, mediante un ventilador para dirigirlos al absorbedor de pulverización horizontal.
03) Alimentación del aire y gases de combustión, conteniendo gases ácidos al absorbedor de pulverización horizontal en el cual los gases corren (en el sentido horizontal) a lo largo del equipo.
(c) Absorción de los gases ácidos por medio de una solución de NaOH al 8 %, que es inyectada perpendicularmente, en forma de regadera y a los lados, a 90° respecto a la vertical a través de toberas de dispersión que disuelve y reacciona con los gases ácidos, produciéndose Na2C03, Na2S03, NaNOa y NaN03.
(d) Separación del carbonato de la solución absorbedora, como carbonato de calcio por medio de la adición de lechada de cal y regenerando el hidróxido de sodio; el carbonato precipitado se lava con agua y se seca con aire caliente para comercializarse, que es un polvo impalpable que pasa la malla 325 de la serie Taylor.
(e) Separación del sulfito, por medio de la adición de cloruro de bario y un agente oxidante para precipitarlo como sulfato de bario y formando cloruro de sodio; el sulfato de bario obtenido se lava con agua y se seca con aire caliente, para su comercialización.
(f) Separación del nitrito y nitrato, por medio de la adición de hidróxido de amonio para que reaccione con el nitrato y un agente oxidante para obtener únicamente nitrato de amonio; los cristales de nitrato de amonio se lavan con agua y se secan con aire caliente para su comercialización. (g) En una alternativa industrial se separa el carbonato de sodio sin el agregado de la lechada de cal, caracterizado por la concentración, haciendo recircular la solución al depósito de la solución absorbedora hasta alcanzar la saturación, se pasa a un intercambiadpr de calor para calentar la solución para después pasarla a un cristalizador de canasta para cristalizar el Na2C03; después lavarlo con agua, secarlo con aire caliente y finalmente molerlo a la granulometría comercialmente deseada.
El proceso de conformidad con la reivindicación i, caracterizado porque en la etapa (d) la solución de hidróxido de sodio regenerada se envía al depósito de alimentación del líquido absorbedor para ser reutilizada previo ajuste de la concentración al 8 %.
El proceso de conformidad con la reivindicación i, caracterizado porque en el absorbedor se llevan a cabo las siguientes etapas:
(a) Absorción del dióxido de carbono contenido en los gases a limpiar produciendo carbonato de sodio en solución y eliminando el C02 existente en el flujo gaseoso.
(b) Absorción del dióxido de azufre contenido en los gases a limpiar produciendo sulfito de sodio en solución y eliminando el S02 existente en el flujo gaseoso.
(c) Absorción del dióxido de nitrógeno contenido en los gases a limpiar produciendo nitrito y nitrato de sodio en solución y eliminando el N02 existente en el flujo gaseoso.
El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la velocidad media del gas varía de 3 a 7 m/seg y el flujo del líquido de absorción varía de 1.0 a 3.3 Kg/m2seg.
Un absorbedor de pulverización horizontal para absorber los gases ácidos del aire y de gases de combustión provenientes de quemadores y motores de combustión interna, caracterizado porque comprende:
(a) Un cuerpo tubular segmentado en dos o tres secciones. (b) Cada sección tiene tres series de toberas separadas equidistantemente entre sí, una en la parte superior y las otras dos a cada lado de la primera formando un ángulo de 90o, haciendo un total de 15 toberas por sección.
(c) Una canal en la parte inferior del cuerpo tubular para recolectar el líquido de absorción con los gases ácidos absorbidos, a través de perforaciones; la cual tiene una altura de 10 cm como sello hidrostático
A partir de los subproductos obtenidos y de conformidad con la reivindicación 3 (a),3 (b) y 3(c), se pueden calcular los bonos de carbono que se acreditarán de acuerdo con el protocolo de Kioto.
El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa (g) la solución de carbonato de sodio formado se envía al depósito de alimentación del líquido absorbedor para restituir el hidróxido de sodio consumido ajustando la concentración al 8%.
El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa (c) la captura del CO2 se lleva a cabo en un absorbedor de pulverización horizontal para producir el carbonato de sodio, limpiando el aire y los gases de combustión con lo que se reduce el efecto invernadero del ambiente.
El proceso de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa (b) el flujo de gas es de 10,000 m3/h con una densidad de flujo de 4.5 Kg/m2seg para el aire con 0.044 % de CO2 y de 4.8 Kg/m2seg para los gases de combustión con 16 % de CO2.
Un absorbedor de pulverización horizontal para absorber el dióxido de carbono del aire y de gases de combustión provenientes de quemadores y motores de combustión interna, caracterizado porque comprende:
(a) Un cuerpo tubular segmentado en siete secciones de un metro de longitud cada sección y 0.85 m de diámetro interior fabricado en acero austenítico.
(b) Cada sección tiene tres series de toberas separadas equidistantemente entre sí una en la parte superior y las otras dos a cada lado de la primera formando un ángulo de 90o, haciendo un total de 15 toberas por sección. (c) Una canal en la parte inferior del cuerpo tubular para recolectar el líquido de absorción con el CO2 absorbido, a través de perforaciones; la cual tiene una altura de 30 cm como sello hidrostático.
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