MX2008000817A - Un metodo para la recuperacion de dioxido de carbon de alta pureza a partir de una fuente gaseosa que comprende compuestos de nitrogeno. - Google Patents

Abstract

La presente invencion describe un metodo para la recuperacion de dioxido de carbono de alta pureza, el cual esta sustancialmente libre de oxidos de nitrogeno. La presente invencion describe tambien una planta para recuperacion de dicho dioxido de carbono de alta pureza que comprende una columna de absorcion, una columna de vaporizacion instantanea, una columna separadora, y una unidad de purificacion.

Description

Un método para la recuperación de dióxido de carbón de alta pureza a partir de una fuente gaseosa que comprende compuestos de nitrógeno La presente invención se refiere a un método para la recuperación de dióxido de carbono de alta pureza a partir de una fuente gaseosa y usos del mismo. De forma más particular, la presente invención se refiere a la producción de dióxido de carbono de alta pureza, el cual está sustancialmente libre de óxidos de nitrógeno. La presente invención se refiere también a una planta para la recuperación de dióxido de carbono de alta pureza a partir de un gas.

Antecedentes de la invención El dióxido de carbón es un gas bien conocido que está presente en la atmósfera. Es liberado hacia la atmósfera en grandes cantidades a través de procesos de fermentación, calcinaciones de piedra caliza, y todas las formas de procesos de combustión de carbón y compuestos de carbón. En décadas recientes, se ha incrementado la atención con respecto a dicha emisión, a causa del problema ambiental debido al cambio climático a futuro a través del efecto Invernadero. Consecuentemente, se ha ejecutado trabajo extensivo durante años para desarrollar procesos para la remoción de dióxido de carbono a partir de los gases de combustión. Si es posible, una subsecuente recuperación de dióxido de carbono puede hacer a esos procesos económicamente viables. Un tipo de métodos convencionales para la recuperación de dióxido de carbono a partir de una fuente gaseosa es el método de absorción, en el cual el dióxido de carbono es absorbido en un agente de absorción. Si otros gases, tales como el oxígeno, están presentes en la fuente gaseosa, esos otros gases también pueden ser absorbidos química y/o físicamente. Este será el caso si se emplea alcanolamina como el agente de absorción. Es bien sabido a partir de la técnica anterior que cuando está presente O2 en la fuente gaseosa que contiene dióxido de carbono, dicho O2 será transferido dentro del agente de absorción que contiene alcanolamina durante el procedimiento de absorción. Como una consecuencia se presentará una degradación indeseable de la alcanolamina así como problemas de corrosión debido a la presencia del O2. Por lo tanto, la remoción del O2 a partir del agente de absorción mejorará la eficiencia del procedimiento de absorción. Muchos documentos de la técnica anterior se refieren a este problema. EP 1 059 110 describe un sistema para la recuperación del absorbato tal como dióxido de carbono utilizando un fluido absorbente de alcanolamina, en donde el absorbente cargado es calentado en un procedimiento de calentamiento de dos etapas previo a la separación del absorbato a partir del absorbente, y en donde el absorbente cargado es desoxigenado después de la primera etapa de calentamiento y antes de la segunda etapa de calentamiento. La desoxigenación tiene lugar por medio de despresurización. En EP 1 061 045 se describe un sistema para recuperar absorbato tal como dióxido de carbono a partir de una mezcla que contiene oxígeno, en donde el dióxido de carbono es concentrado en un fluido de absorción que contiene alcanolamina, el oxígeno es separado del fluido de absorción, y el dióxido de carbono es separado por vapor desde el fluido de absorción y recuperado. En este sistema, el oxígeno es separado a partir del fluido de absorción al pasar el absorbente cargado de dióxido de carbono que comprende oxígeno disuelto en contacto de transferencia de masa a contracorriente con el gas de barrido de oxígeno. En otros casos los óxidos de nitrógeno (también nombrados NOx) pueden estar presentes además del O2 en la fuente gaseosa. Estos gases NOx serán absorbidos también química y físicamente en el agente absorbente, cuando se utiliza la alcanolamina como el agente de absorción. Cuando se separa el dióxido de carbono del agente de absorción en un proceso de separación subsecuente, parte del NOx absorbido será liberada en el gas de separación junto con los productos de degradación, en especial acetaldehido. El gas de separación contendrá además N2 y O2 en ciertas cantidades. Cuando se produce dióxido de carbono d e grado alimenticio u otras aplicaciones de dióxido de carbono, en donde se requiere una lata pureza, estos compuestos deben ser removidos desde el gas de separación en un equipo corriente abajo a fin de obtener la pureza requerida. La tecnología convencional disponible para la remoción de NOx involucra depuración, oxidación, adsorción y destilación. Debido al equilibrio químico: NO + VzO2 <-> NO2, la composición NOx (NO, NO2) cambiará durante el procedimiento de purificación siempre que se presenten cambios en la temperatura, presión y/o concentraciones, y esto hace difícil la reducción del contenido de NOx en el producto final. Por tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar un método para la recuperación de dióxido de carbono de alta pureza, el cual está sustancialmente libre de óxidos de nitrógeno. El inventor de la presente ha encontrado de manera sorpresiva que al introducir una columna de vaporización instantánea entre la columna de absorción y el separador el contenido de NOx en el gas de separación puede reducirse de forma marcada. Esto se debe al hecho de que cuando la condición de equilibrio del líquido que sale de la columna de absorción es cambiada de manera cuidadosa justo antes de alimentar dicho líquido dentro de la columna de vaporización instantánea se presentará una condición en donde el líquido es insaturado con respecto al O2 y NOx, y en consecuencia dichos gases serán transferidos desde la fase líquida a la fase gaseosa durante el procedimiento de vaporización instantánea. De este modo sustancialmente todo el O2 y la parte principal de NOx son removidos desde la fase líquida en la columna de vaporización instantánea y por lo tanto nunca alcanzarán el separador. En una siguiente etapa, el líquido que sale de la columna de vaporización instantánea es alimentado dentro de la columna separadora, en la cual los gases son separados del agente de absorción. Como una consecuencia de la cantidad muy baja de O2 que alcanza la columna separadora, la concentración de O2 en el gas de separación será muy baja. Por tanto, en el gas de separación el equilibrio químico: NO + 1AO2 <-> NO2, es desviado demasiado a la izquierda, y las trazas de NOx presentes estarán principalmente en la forma de NO. Por lo tanto, el procedimiento de purificación adicional, el cual se requiere para remover dichas trazas de NOx siempre que se produce el dióxido de carbono de alta pureza, es mucho más sencillo y efectivo en costo, debido al control del equilibrio químico antes mencionado.

Descripción de la invención En un aspecto de la presente invención se refiere a un método para la recuperación de dióxido de carbono de alta pureza a partir de una fuente gaseosa, en donde el dióxido de carbono de alta pureza está sustancialmente libre de óxidos de nitrógeno. El método de acuerdo con la presente invención comprende las etapas de: a. alimentar un gas que comprende dióxido de carbono, oxígeno y compuestos de nitrógeno dentro de una columna de absorción, b. absorber el gas de alimentación en un agente de absorción que contiene alcanolamina, por medio del cual el gas de alimentación es separado en un gas carente de dióxido de carbono y un líquido rico en dióxido de carbono, c. presurizar y calendar el líquido obtenido en la etapa b a fin de proporcionar un líquido presurizado y calentado, d. separar por medio de evaporación instantánea el líquido obtenido en la etapa c dentro en un gas rico en NOx- y oxígeno y un líquido carente de NOx- y oxígeno que sale de la columna de evaporación instantánea, e. presurizar el líquido que sale de la columna de evaporación instantánea en la etapa d a fin de proporcionar un líquido presurizado, f. separar el líquido obtenido en la etapa e en un gas rico en dióxido de carbono y un líquido carente de dióxido de carbono por medio de separación, y g. purificar el gas obtenido en la etapa f a fin de producir dióxido de carbono de alta pureza, el cual está sustancialmente libre de óxidos de nitrógeno. En principio, cualquier clase de gas que comprende dióxido de carbono, oxígeno, y compuestos de nitrógeno puede ser aplicado en el proceso. En una modalidad preferida, el gas de alimentación es gas de combustión. En la etapa de absorción (etapa b) se puede aplicar cualquier agente de absorción que comprende alcanolamina. De preferencia, la alcanolamina en el agente de absorción es seleccionada a partir del grupo que comprende monoetanolamina, dietanolamina, diisopropanolamina, metildietanolamina y trietanolamina. Con mayor frecuencia el agente de absorción es una solución acuosa de la alcanolamina mencionada con anterioridad. Sin embargo, las mezclas que comprenden dos o más de las alcanolaminas listadas en cualquier relación de mezclado también pueden ser utilizadas en el método de acuerdo con la presente invención. Está dentro de las habilidades de un practicante determinar la cantidad óptima y la composición del agente de absorción a fin de obtener un procedimiento de absorción adecuado. El líquido que sale de la columna de absorción es presurizado y calentado después. Está dentro del conocimiento de una persona experimentada el ejecutar dichos procesos. Como se explicó con anterioridad, la introducción de la etapa de vaporización instantánea (etapa d) en el método de la presente invención hade posible la producción de un gas de separación, el cual está sustancialmente libre de oxígeno, y contiene sólo trazas de óxidos de nitrógeno. Sin embargo, a fin de lograr este efecto benéfico la columna de evaporación instantánea debe operar a una mayor temperatura y presión, las cuales son mayores o cercanas a las condiciones de equilibrio de la corriente de líquido que sale de la columna de absorción. Bajo tales condiciones, el líquido que entra a la columna de vaporización instantánea será instaurado y es posible la liberación de componentes no-saturados. Por tanto, debido a las nuevas condiciones de equilibrio sustancialmente todo el O2 y la parte principal de NOx serán retirados desde la columna de vaporización instantánea en la corriente de gas, y por lo tanto nunca llegan a la columna de separación. En una modalidad preferida la temperatura del líquido obtenido en la etapa c está en el rango de 70°C hasta 140°C, de mayor preferencia en el rango de 90°C hasta 120°C, y de mayor preferencia en el rango de 95°C hasta 110°C, y la presión del líquido está en el rango de 0.1 bar hasta 3 bar, más preferida en el rango de 0.2 hasta 2 bar, y de mayor preferencia en el rango de 1 bar hasta 2 bar. Una persona con experiencia en la técnica sabrá como ejecutar dichos procesos de presurización y calentamiento. El gas obtenido en la etapa d, el cual comprende una cantidad significativa de dióxido de carbono además de oxígeno, compuestos de nitrógeno, acetaldehido, y de manera opcional otros componentes orgánicos volátiles, puede ser reciclado hacia la columna de absorción para un segundo procedimiento de recuperación del dióxido de carbono. De manera alternativa, dicho gas puede ser desechado.

El líquido que sale de la columna de vaporización instantánea es presurizado antes de entrar a la columna de separación. Una persona con experiencia en la técnica sabrá como ejecutar dicha presurización. En la columna de separación el líquido presurizado desde la columna de vaporización instantánea es separado en un gas rico en dióxido de carbono y un líquido carente de dióxido de carbono. Como se mencionó con anterioridad, debido a la remoción de oxígeno y óxidos de nitrógeno en la columna de vaporización instantánea, se reducirá drásticamente el contenido de O2 y NOx en la corriente de gas de separación. Debido a la cantidad reducida de NOx y la cantidad muy limitada de O2 en el gas de separación, la reacción de equilibrio: NO + 1AO2 <-> NO2, se desviará a la izquierda para formar principalmente NO. El líquido obtenido en la etapa f, que comprende principalmente el agente de absorción, opcionalmente una solución acuosa del agente de absorción, puede ser reciclado y mezclado con el agente de absorción que contiene alcanolamina usado para absorber el gas en la etapa b. Sin embargo, antes de entrar a la columna de absorción, se puede requerir un ajuste de la temperatura y/o la presión de dicho líquido. En el método de acuerdo con la presente invención, el procedimiento de purificación del gas en la etapa g puede ejecutarse a través del uso de cualquier procedimiento conocido en la técnica tal como la separación inerte en un condensador autónomo de corriente descendente o en conjunción con una columna de destilación. El NOx residual puede ser removido también utilizando la técnica de adsorción en la fase líquida. Está dentro del conocimiento de una persona experimentada el determinar y combinar la purificación y licuefacción del gas a fin de obtener la combinación más viable. Las ventajas adicionales obtenidas por la introducción de la columna de vaporización instantánea incluyen evitar la liberación de productos de degradación tales como acetaldehído en el gas de separación, lo cual reduce los requerimientos de pureza para el equipo corriente abajo. Además, la cantidad de gas de purga a partir de la condensación se puede reducir ya que se reducirá el contenido inerte, en especial O2 y N2. Esto incrementará la posible recuperación total de dióxido de carbono ya que se puede reducir la cantidad de dióxido de carbono utilizada para el purgado. Otro aspecto de la presente invención se refiere a al uso del método de acuerdo con la invención para la producción de dióxido de carbono de alta pureza. La pureza del producto de dióxido de carbono es de preferencia de una calidad grado alimenticio, y por tanto utilizable como un componente en cualquier clase de alimento. En una modalidad preferida particular el dióxido de carbono producido de acuerdo con el método de la invención es utilizado como un componente en refrescos.

En otro aspecto más se proporciona una planta para la recuperación de dióxido de carbono de alta pureza. Dicha planta comprende una columna de absorción que tiene una salida de gas y una salida de líquido, la salida de líquido que está conectada a una columna de vaporización instantánea que tiene una salida de gas y una salida de líquido, la salida de líquido que es conectada a una columna de separación que tiene una salida de gas y una salida de líquido, y en donde la salida de gas es conectada a una unidad para purificación adicional del gas que sale de la columna de separación. La columna de absorción que se utilizará puede ser cualquier columna conocida en la técnica adecuada para ejecutar la absorción de dióxido de carbono gaseoso en un agente de absorción que contiene alcanolamina. Ejemplos de columnas de absorción apropiadas para ser utilizadas son columnas, que contienen elementos internos o de transferencia de nasa tales como bandejas o empaquetado aleatorio o estructurado. La columna de vaporización instantánea puede ser de cualquier clase de columnas de destilación instantánea conocidas en la técnica. Ejemplos de columnas de vaporización instantánea adecuadas son, columnas que contienen elementos internos o de transferencia de masa tales como bandejas o empaquetado aleatorio o estructurado. Una persona experimentada puede determinar con facilidad si se requieren una o más columnas de destilación instantánea de alta presión o una o más columnas de destilación de baja presión o una combinación de las mismas a fin de obtener un resultado favorable. Estará también dentro del conocimiento de la persona experimentada determinar si un resultado deseado es bien logrado utilizando solamente una columna, o mediante el uso de dos o más columnas conectadas en serie o en paralelo. La columna de separación que se utilizará en la planta puede ser cualquier columna empaquetada conocida en la técnica. Ejemplos de columnas de separación adecuadas son, columnas que contienen elementos internos o de transferencia de masa tales como bandejas o empaquetado aleatorio o estructurado. La unidad para purificación adicional del gas que sale del separador puede ser de cualquier tipo y combinación conocidos en la técnica. En una modalidad preferida la salida de gas de la columna de vaporización instantánea es conectada a la columna de absorción. Por medio de esta configuración el gas que sale de la columna de vaporización instantánea puede ser reciclado a la columna de absorción. Esta recirculación tiene el efecto benéfico de proporcionar una segunda etapa de recuperación del dióxido de carbono, el cual fue transferido desde la fase líquida a la fase de gas durante la etapa de vaporización instantánea y, por tanto, de otro modo, se habría perdido. En otra modalidad preferida la salida de líquido de la columna de separación es conectada a la columna de absorción, lo cual hace posible reciclar el líquido, el cual sale de la columna de separación. El efecto benéfico de esta recirculación es la reutilización del agente de absorción, el cual de otra manera tendría que haber sido desechado. Está dentro del procedimiento estándar de una persona experimentada el calcular los números y tamaños de cada una de las unidades de la planta mencionadas con anterioridad cuando el flujo de masa, la composición química, la temperatura, y la presión de cada corriente se conoce a fin de obtener el modo de operación más viable de la planta. Cuando se seleccionan los materiales adecuados para cada una de las unidades, se debe dar especial consideración a la temperatura, la presión, y las propiedades físicas y químicas de los gases y líquidos que se van a tratar. Sin embargo, dicha consideración estará dentro del conocimiento de una persona con experiencia en la técnica. Además, una persona con experiencia puede reconocer con facilidad que la selección y control de los parámetros de proceso dependerá de la composición química del gas que entra a la planta así como la composición técnica y la condición física de los gases y líquidos en cada etapa del método. Los cálculos para determinar el número y tamaño de los intercambiadores térmicos a fin de reducir al mínimo el consume de energía para calentamiento y enfriamiento son procedimientos estándar para una persona con experiencia en la técnica. Asimismo, la selección de unidades para incrementar y disminuir la presión de las corrientes de gas y líquido radica en el área de trabajo de una persona con experiencia. A continuación se describe la invención en mayor detalle con referencia a la modalidad de mayor preferencia actual y a la figura. Dicha figura muestra un diagrama de flujo esquemático para la recuperación de CO2 de acuerdo con la presente invención. Los datos con respecto a presión y temperatura así como la composición de los componentes químicos de interés están dados en el siguiente cuadro. Todas las referencias a presiones son para la presión total. Todos los porcentajes y las especificaciones de ppm se basan en fracciones molares.

Cuadro. Presión, temperatura y composición química de Corrientes de gas y líquido seleccionadas. El gas G1 alimentado a la planta es un gas de combustión que comprende 11.6% CO2, 3.4% O2, 10 ppm NO2, y 100 ppm NO. este gas entra a la columna de absorción A1 a una temperatura de 42°C y una presión de 1.02 bar. Los otros componentes principales del gas de alimentación son 77.3% N2, y 7.7% H2O. En la columna de absorción A1, el gas de alimentación G1 es mezclado con el líquido L5, el cual es reciclado desde la columna de separación A2. Como el agente de absorción se utiliza una solución acuosa de monoetanolamina. La corriente de gas G2 que sale de la columna de absorción A1 tiene una temperatura de 47°C y una presión de 1.02 bar, y comprende 0.9% CO2, 3.8% O2, 0.1 ppm NO2, y 119 ppm NO. Otro componente principal es N2, que está presente en el gas G2 al 85%. La corriente de líquido L1 que sale de la columna de absorción Al comprende la solución acuosa de monoetanolamina. Los contenidos de O2, NO2, y NO son 0.4 ppm, 0.7 ppm y 0.1 ppm, respectivamente. Cuando sale de la columna de absorción A1, la corriente del líquido L1 tiene una temperatura de 50°C y una presión de 1.02 bar. Sin embargo, antes de que el líquido L2 entre a la columna de vaporización instantánea A3 se incrementa la temperatura hasta 95°C y se incrementa la presión hasta 2 bar. En la columna de vaporización instantánea A3 el liquido L2 es separado en una corriente de gas G3 y una corriente de líquido, las cuales salen de la columna de vaporización instantánea A3 a una temperatura de 91°C y una presión de 1.1 bar. El gas G3 que sale de la columna de vaporización instantánea A3 comprende 34.8% CO2, 0.42% O2, 107 ppm NO, y 1 ppm NO2. Otros componentes, tales como H2O, acetaldehido y componentes orgánicos volátiles también están presentes en el gas G3. En la modalidad específica mostrada en la figura, la corriente de gas G3 no es reciclada a la columna de absorción A1. El componente principal del líquido que sale de la columna de vaporización instantánea A3 es la solución acuosa de monoetanolamina. La presión de la corriente de líquido que sale de la columna de vaporización instantánea A3 es incrementada entonces hasta 3 bar justo antes de entrar a la columna de separación A2. En el separador A2 el líquido L3 es separado en una corriente de gas G4 y una corriente de líquido. La corriente de líquido L4 tiene una temperatura de 112°C y una presión de 2 bar, y los contenidos de CO2, O2, NO2, y NO no son detectables. En la modalidad mostrada en la figura, la corriente de líquido L4 es reciclada a la columna de absorción Al como la corriente de líquido L5. Sin embargo, antes de entrar a la columna de absorción A1 la temperatura de la corriente de líquido L5 es reducida hasta 40°C. La corriente de gas G4 sale del separador a una temperatura de 45°C y una presión de 1.2 bar, y contiene 92.9% CO2 y 3 ppm O2.

La corriente de gas que sale de la columna de separación A2 entra después a la unidad de purificación y licuefacción. La corriente de producto de dióxido de carbono de alta pureza, q ue está sustancialmente libre de óxidos de nitrógeno, sale de la planta a una tem peratura de -26° C y una presión de 16 bar.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un método para la recuperación de dióxido de carbono de alta pureza a partir de una fuente gaseosa que comprende las etapas de: a. alimentar un gas (G1) que comprende dióxido de carbono, oxígeno, y compuestos de nitrógeno dentro de una columna de absorción (A1 ), b. absorber el gas (G1) en un agente de absorción que contiene alcanolamina, por medio del cual el gas (G1) es separado en un gas carente de d ¡óxido de carbono (G2) y un líquido rico en dióxido de carbono (L1), c. presurizar y calendar el líquido (L1) obtenido en la etapa b a fin de proporcionar el líquido (L2), d. separar por medio de vaporización instantánea el líquido (L2) obtenido en la etapa c en un gas rico en NOx- y oxígeno (G3) y un líquido carente de NOx- y oxígeno que sale de la columna de vaporización instantánea (A3), e. presurizar el líquido que sale de la columna de vaporización instantánea (A3) en al etapa d a fin de proporcionar el líquido (L3), f. separar el líquido (L3) obtenido en la etapa e en un gas rico en dióxido de carbono (G4) y un líquido carente de dióxido de carbono (L4) por medio de separación, y g. purificar el gas (G4) obtenido en la etapa f a fin de producir dióxido de carbono de alta pureza, el cual está sustancialmente libre de óxidos de nitrógeno.

2. Un método de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la temperatura d el líquido (L2) obtenida en la etapa c está en el rango de 70°C hasta 140°C, de mayor preferencia de 90°C hasta 120°C, y de mayor preferencia en el rango de 95°C hasta 110°C, y la presión de dicho líquido (L2) está en el rango de 0.1 bar hasta 3 bar, de forma más preferida en el rango de 0.2 hasta 2 bar, y de mayor preferencia en el rango de 1 bar hasta 2 bar.

3. Un método de conformidad con las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el gas de alimentación (G1) es gas de combustión.

4. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la alcanolamina en el agente de absorción es seleccionada a partir del grupo que comprende monoetanolamina, dietanolamina, diísopropanolamina, metildietanolamina y trietanolamina, y mezclas de las mismas.

5. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el líquido (L4) obtenido en la etapa f es reciclado y mezclado con el agente de absorción que contiene alcanolamina usado para absorber el gas (G1) en la etapa b.

6. Un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el gas (G3) obtenido en la etapa d es reciclado a la etapa de absorción b.

7. Uso de un método de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 para la producción de dióxido de carbono de alta pureza.

8. Una planta para recuperación de dióxido de carbono de alta pureza a partir de una fuente gaseosa que comprende dióxido de carbono, oxígeno, y compuestos de nitrógeno, la planta que comprende una columna de absorción (A1) que tiene una salida de gas y una salida de líquido, la salida de líquido que está conectada a una columna de vaporización instantánea (A3) que tiene u na salida de gas y una salida de líquido, la salida de líquido que está conectada a una columna separadora (A2) que tiene una salida de gas y una salida de líquido, y en donde la salida de gas es conectada a una unidad para purificación adicional del gas que sale de la columna de separación (A2).

9. Una planta de conformidad con la reivindicación 8, caracterizada porque la salida de gas de la columna de vaporización instantánea (A3) es conectada a la columna de absorción (A1).

10. Una planta de conformidad con las reivindicaciones 8 o 9, caracterizada porque la salida de líquido de la columna de separación (A2) es conectada a la columna de absorción (A1).