BRPI0613404B1 - método para recuperação de dióxido de carbono de alta pureza de uma fonte gasosa, e seu uso - Google Patents

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Abstract

método para a recuperação de dióxido de carbono de alta pureza de uma fonte gasosa compreendendo compostos de nitrogênio. a presente invenção refere-se a um método para a recuperação de diáxido de carbono de alta pureza, que é substancialmente isento de áxidos de nitrogênio. a presente invenção também descreve uma instalação para a recuperação do dito diáxido de carbono de alta pureza compreendendo uma coluna de absorção, uma coluna flash, uma coluna do extrator e uma unidade de purificação.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA RECUPERAÇÃO DE DIÓXIDO DE CARBONO DE ALTA PUREZA DE UMA FONTE GASOSA, E SEU USO".
[001] A presente invenção se refere a um método para a recuperação de dióxido de carbono de alta pureza de uma fonte gasosa e seus usos. Mais particularmente, a presente invenção se refere à produção de dióxido de carbono de alta pureza, que é substancial mente livre de óxidos de nitrogênio. A presente invenção também se refere a uma instalação para a recuperação de dióxido de carbono de alta pureza a partir de um gás.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO
[002] O díóxído de carbono é um gás bem-conhecido, que está presente na atmosfera. Ele é liberado para a atmosfera em grandes quantidades pelos processos de fermentação, calcinações da pedra calcária e todas as formas de processos de combustão do carbono e compostos de carbono, Nas décadas recentes, a atenção em relação à dita emissão é crescente, por causa do problema ambiental devido à mudança futura do clima através do efeito estufa. Conseqüentemente, trabalho extensivo tem sido executado através dos anos de modo a desenvolver processos para a remoção do dióxido de carbono dos gases de combustão. Se possível, uma recuperação subsequente do dióxido de carbono pode tornar esses processos economicamente praticáveis.
[003] Um tipo de método convencional para a recuperação de dióxido de carbono de uma fonte gasosa é o método de absorção, no qual o dióxido de carbono é absorvido em um agente absorvente. Se outros gases, tal como oxigênio, estão presentes na fonte gasosa, os ditos outros gases podem também ser absorvidos química e/ou fisicamente. Esse será o caso se alcanolamina é usado como o agente absorvente.
[004] É bem-conhecido da técnica anterior que quando 02 está presente na fonte gasosa contendo dióxido de carbono, o dito 02 será transferido para o agente absorvente contendo alcanolamina durante o procedimento de absorção. Como uma conseqüência, uma degradação indesejada da alcanolamina, bem como problemas de corrosão, ocorrerá devido à presença de 02. Portanto, a remoção do 02 do agente absorvente melhorará a eficiência do procedimento de absorção.
[005] Muitos documentos da técnica anterior se referem a esse problema. EP 1 059 110 descreve um sistema para recuperar o absorvido tal como dióxido de carbono usando um fluido absorvente de alcanolamina, onde o absorvente carregado é aquecido em um procedimento de aquecimento de duas etapas antes da separação do absorvido do absorvente, e onde o absorvente carregado é desoxigena-do depois da primeira etapa de aquecimento e antes da segunda etapa de aquecimento. A desoxigenação acontece por meio de despressurização.
[006] Em EP 1 061 045, um sistema para recuperar absorvido tal como dióxido de carbono de uma mistura contendo oxigênio é descrito, onde o dióxido de carbono fica concentrado em um fluido de absorção contendo alcanolamina, o oxigênio é separado do fluido de absorção e o dióxido de carbono é extraído por vapor do fluido de absorção e recuperado. Nesse sistema, o oxigênio é separado do fluido de absorção passando o absorvente carregado com dióxido de carbono compreendendo o oxigênio dissolvido em contato de transferência de massa de contracorrente com o gás de purificação do oxigênio.
[007] Em outros casos, óxidos de nitrogênio (também chamados NOx) podem estar presentes além do 02 na fonte gasosa. Esses gases NOx também serão absorvidos química e fisicamente no agente absorvente, quando a alcanolamina é usada como o agente absorven- te. Quando separando o dióxido de carbono do agente absorvente em um processo extrator subseqüente, parte do NOx absorvido será liberada no gás livre extrator junto com os produtos de degradação, especialmente acetaldeído. O gás livre extrator também conterá N2 e 02 em algumas quantidades.
[008] Quando produzindo dióxido de carbono de categoria alimentícia ou outras aplicações de dióxido de carbono, onde uma alta pureza é requerida, esses componentes devem ser removidos do gás livre extrator em equipamento a jusante de modo a obter a pureza requerida. A tecnologia convencional disponível para remover NOx envolve purificação, oxidação, adsorção e destilação.
[009] Devido ao equilíbrio químico: NO + 1/2 02 <-> N02, a composição do NOx (NO, N02) mudará durante o procedimento de purificação sempre que mudanças na temperatura, pressão e/ou concentrações ocorrem, e isso torna difícil reduzir o conteúdo de NOx no produto final.
[0010] Portanto, um objetivo da presente invenção é prover um método para a recuperação de dióxido de carbono de alta pureza, que é substancialmente isento de óxidos de nitrogênio.
[0011] Verificou-se surpreendentemente que pela introdução de uma coluna flash entre a coluna de absorção e o extrator, o conteúdo de NOx no gás livre extrator pode ser notavelmente reduzido.
[0012] Isso é devido ao fato que quando a condição de equilíbrio do líquido que deixa a coluna de absorção é cuidadosamente alterada um pouco antes de alimentar o dito líquido para dentro da coluna flash, a condição onde o dito líquido fica insaturado em relação ao 02 e NOx ocorrerá, e conseqüentemente os ditos gases serão transferidos da fase de líquido para a fase de gás durante o procedimento de jato. Dessa maneira, substancialmente todo 02 e a parte principal do NOx são removidos da fase líquida na coluna flash e, portanto nunca alcan- çarão o extrator.
[0013] Em uma próxima etapa» o líquido que deixa a coluna flash é alimentado para dentro da coluna do extrator, na qual os gases são separados do agente absorvente, Como uma consequência da quantidade multo pequena de 02 alcançando a coluna do extrator, a concentração de 02 no gãs livre extrator será muito baixa. Portanto, no gãs livre extrator, o equilíbrio químico: NO + 14 02 <-> N02 é desviado mais para a esquerda, e os traços de NOx presente serão principalmente na forma de NO. Portanto, o procedimento de purificação adicional, que é requerido de modo a remover os ditos traços de NOx sempre que dióxido de carbono de alta pureza é produzido é muito mais fácil e efetivo no custo» por causa do controle do equilíbrio químico acima mencionado.
DESCRICÃO DA INVENÇÃO
[0014] Em um aspecto, a presente invenção se refere a um método para a recuperação de dióxido de carbono de alta pureza de uma fonte gasosa, onde o dito dióxido de carbono de alta pureza é substancialmente isento de óxidos de nitrogênio.
[0015] O método de acordo com a presente invenção compreende as etapas de: a. alimentar um gás compreendendo dióxido de carbono» oxigênio e compostos de nitrogênio para dentro de uma coluna de absorção» b. absorver o gãs de alimentação em um agente absorvente contendo alcanolamina» pelo que o gás de alimentação é separado em um gás exaurido de dióxido de carbono e um líquido rico em dióxido de carbono, c. pressurizar e aquecer o líquido obtido na etapa b de modo a prover um líquido pressurizado e aquecido, d. separar por meio de jato o líquido obtido na etapa c em um gás rico em NOx e oxigênio e um líquido exaurido de NOx e oxigênio que deixa a coluna flash, e. pressurizar o líquido que deixa a coluna flash na etapa d de modo a prover um líquido pressurizado, f. separar o líquido obtido na etapa e em um gás rico em dióxido de carbono e um líquido exaurido de dióxido de carbono por meio da extração e g. purificar o gás obtido na etapa f de modo a produzir dióxido de carbono de alta pureza, que é substancialmente isento de óxi-dos de nitrogênio.
[0016] Em princípio, qualquer tipo de gás compreendendo dióxido de carbono, oxigênio e compostos de nitrogênio pode ser aplicado no processo. Em uma modalidade preferida, entretanto, o gás de alimentação é gás de combustão.
[0017] Na etapa de absorção (etapa b), qualquer agente absorvente compreendendo alcanolamina pode ser aplicado. De preferência, a alcanolamina no agente absorvente é selecionada do grupo consistindo em monoetanolamina, dietanolamina, diisopropanolamina, metildie-tanolamina e trietanolamina. Mais freqüentemente, o agente absorvente é uma solução aquosa de uma das alcanolaminas acima mencionadas. Entretanto, misturas compreendendo duas ou mais das alcanolaminas listadas em qualquer razão de mistura podem também ser usadas no método de acordo com a presente invenção. Está dentro das perícias de um especialista determinar a quantidade ótima e a composição do agente absorvente de modo a realizar um procedimento de absorção adequado.
[0018] O líquido que deixa a coluna de absorção é então pressurizado e aquecido. Está dentro do conhecimento de uma pessoa versada executar tais processos.
[0019] Como explicado acima, a introdução da etapa de flash (eta- pa d) no método da presente invenção torna possível produzir um gás livre extrator, que é substancialmente isento de oxigênio e contém somente traços de óxidos de nitrogênio. Entretanto, de modo a atingir esse efeito benéfico, a coluna flash deve operar em uma temperatura mais alta e uma pressão, que é mais alta do que ou próxima das condições de equilíbrio da corrente de líquido que deixa a coluna de absorção. Sob tais condições, o líquido que entra na coluna flash será insaturado e a liberação dos componentes não saturados é possível. Portanto, devido às novas condições de equilíbrio, substancialmente todo o 02 e a parte principal do NOx serão removidos da coluna flash na corrente de gás, e, portanto, nunca alcançarão a coluna do extrator.
[0020] Em uma modalidade preferida, a temperatura do líquido obtido na etapa c está na faixa de 70Ό a 14013, mais preferido na faixa de 9013 a 12013 e mais preferido ainda na faixa de 9513 a 110*0, e a pressão do dito líquido fica na faixa de 10 a 300 KPa (0,1 bar a 3 bar), mais preferido na faixa de 20 a 200 KPa (0,2 a 2 bar) e mais preferido ainda na faixa de 100 a 200 KPa (1 bar a 2 bar). Uma pessoa versada na técnica saberá como executar tais procedimentos de pressurização e aquecimento.
[0021] O gás obtido na etapa d, que compreende uma quantidade significativa de dióxido de carbono além do oxigênio, compostos de nitrogênio, acetaldeído e opcionalmente outros orgânicos voláteis, pode ser reciclado para a coluna de absorção para um segundo procedimento de recuperação do dióxido de carbono. Alternativamente, o dito gás pode ser descartado.
[0022] O líquido que deixa a coluna flash é pressurizado antes de entrar na coluna do extrator. Uma pessoa versada na técnica saberá como executar uma tal pressurização.
[0023] Na coluna do extrator, o líquido pressurizado da coluna flash é separado em um gás rico em dióxido de carbono e um líquido exaurido de dióxido de carbono. Como mencionado acima, devido à remoção do oxigênio e óxidos de nitrogênio na coluna flash, o conteúdo de 02 e NOx será reduzido dramaticamente na corrente do gás livre extrator. Por causa da quantidade reduzida de NOx e da quantidade muito limitada de 02 no gás livre extrator, a reação de equilíbrio: NO + 1/2 02 <-> N02 desviará para a esquerda para formar principalmente NO.
[0024] O líquido obtido na etapa f, que compreende principalmente o agente absorvente, opcionalmente uma solução aquosa do agente absorvente, pode ser reciclado e misturado com o agente absorvente contendo alcanolamina usado para absorver o gás na etapa b. Entretanto, antes de entrar na coluna de absorção, um ajuste da temperatura e/ou da pressão do dito líquido pode ser requerido.
[0025] No método de acordo com a presente invenção, o procedimento de purificação do gás na etapa g pode ser executado pelo uso de qualquer procedimento conhecido dentro da técnica tal como separação inerte em um condensador autônomo a jusante ou em conjunto com uma coluna de destilação. O NOx residual pode também ser removido usando técnica de adsorção na fase líquida. Está dentro do conhecimento de uma pessoa versada determinar e combinar a purificação e a liquefação do gás de modo a obter a combinação mais praticável.
[0026] Vantagens adicionais obtidas pela introdução da coluna flash incluem impedir a liberação dos produtos de degradação tal como acetaldeído no gás livre extrator, o que reduzirá as exigências de pureza para o equipamento a jusante. Além disso, a quantidade do gás de purificação da condensação pode ser reduzida já que o conteúdo inerte será reduzido, especialmente 02 e N2. Isso aumentará a recuperação geral possível do dióxido de carbono já que a quantidade de dióxido de carbono usado para a purificação pode ser reduzida.
[0027] Um outro aspecto da presente invenção se refere ao uso do método de acordo com a invenção para a produção de dióxido de carbono de alta pureza. A pureza do produto do dióxido de carbono é preferivelmente de qualidade de categoria alimentícia, e assim utilizável como um componente em qualquer tipo de gênero alimentício. Em uma modalidade preferida particular, o dióxido de carbono produzido de acordo com o método da invenção é usado como um componente em refrescos.
[0028] Em ainda um outro aspecto, uma instalação para a recuperação do dióxido de carbono de alta pureza é provida. Uma tal instalação compreende uma coluna de absorção tendo uma saída de gás e uma saída de líquido, a dita saída de líquido sendo conectada em uma coluna flash tendo uma saída de gás e uma saída de líquido, a dita saída de líquido sendo conectada em uma coluna de extrator tendo uma saída de gás e uma saída de líquido e onde a dita saída de gás é conectada em uma unidade para purificação adicional do gás que deixa a coluna do extrator.
[0029] A coluna de absorção a ser usada pode ser qualquer coluna conhecida na técnica adequada para o desempenho da absorção do dióxido de carbono gasoso em um agente absorvente contendo al-canolamina. Exemplos de colunas de absorção adequadas a serem usadas são colunas que contêm interiores ou elementos de transferência de massa tais como bandejas ou material de acondicionamento aleatório ou estruturado.
[0030] A coluna flash pode ser qualquer tipo de colunas de destilação de jato conhecidas na técnica. Exemplos de colunas de jato adequadas são colunas que contêm interiores ou elementos de transferência de massa tais como bandejas ou material de acondicionamento aleatório ou estruturado. Uma pessoa versada pode determinar facilmente se uma ou mais colunas de destilação de jato de alta pressão ou uma ou mais colunas de destilação de baixa pressão ou uma com- binação dessas é requerida de modo a obter um resultado favorável. Também estará dentro do conhecimento da pessoa versada determinar se o resultado desejado é atingido melhor pelo uso somente de uma coluna, ou pelo uso de duas ou mais colunas conectadas em série ou em paralelo.
[0031] A coluna do extrator a ser usada na instalação pode ser qualquer coluna acondicionada conhecida na técnica. Exemplos de colunas de extrator adequadas são colunas que contêm interiores ou elementos de transferência de massa tais como bandejas ou material de acondicionamento aleatório ou estruturado.
[0032] A unidade para purificação adicional do gás que deixa o extrator pode ser de qualquer tipo e combinação conhecida na técnica.
[0033] Em uma modalidade preferida, a saída do gás da coluna flash é conectada na coluna de absorção. Por essa configuração, o gás que deixa a coluna flash pode ser reciclado para a coluna de absorção. Essa recirculação tem o efeito benéfico de prover uma segunda etapa de recuperação do dióxido de carbono, que foi transferido da fase de líquido para a fase de gás durante a etapa de flash e, portanto, de outra forma teria sido perdido.
[0034] Em uma outra modalidade preferida, a saída do líquido da coluna do extrator é conectada na coluna de absorção, o que torna possível reciclar o líquido, que deixa a coluna do extrator. O efeito benéfico dessa recirculação é a reutilização do agente absorvente, que de outra forma teria que ser descartado.
[0035] Está dentro do procedimento padrão de uma pessoa versada calcular os números e os tamanhos de cada uma das unidades acima mencionadas da instalação quando o fluxo de massa, a composição química, a temperatura e a pressão de cada corrente são conhecidas de modo a obter o modo mais praticável de operação da instalação.
[0036] Quando selecionando materiais adequados para cada uma das ditas unidades, consideração especial deve ser direcionada para a temperatura, a pressão e as propriedades químicas e físicas dos gases e líquidos a serem tratados. Entretanto» tal consideração estará dentro do conhecimento de uma pessoa versada na técnica.
[0037] Além do mais, uma pessoa versada pode facilmente reconhecer que a seleção e o controle dos parâmetros de processo dependerão da composição química do gás que entra na instalação, bem como da composição química e condição física dos gases e líquidos em cada etapa do método. Os cálculos para determinar o número e o tamanho dos trocadores de calor de modo a minimizar o consumo de energia para aquecimento e resfriamento são procedimentos padrão para uma pessoa versada na técnica. Também a seleção das unidades para aumentar e diminuir a pressão das correntes de gás e líquido se situa dentro da área de trabalho de uma pessoa versada, [0038] No seguinte a invenção é descrita em mais detalhes com referência à modalidade no momento mais preferida e à figura. A dita figura representa um diagrama de fluxo esquemático para a recuperação de C02 de acordo com a presente invenção.
[0039] Dados com relação à pressão e temperatura, bem como a composição dos componentes químicos de interesse são fornecidos na tabela abaixo. Todas as referências às pressões são para a pressão total, Todas as porcentagens e especificações de ppm são baseadas em frações de mol, [0040] Tabela, Pressão, temperatura e composição química das correntes selecionadas de gás e líquido.
[0041] O gás G1 a imentado para a instalação é um gás de combustão compreendendo 11,6% de C02, 3,4% de 02, 10 ppm de N02 e 100 ppm de NO. Esse gás entra na coluna de absorção A1 em uma temperatura de 42Ό e uma pressão de 102 KPa(1,02 bar). Os outros componentes principais do gás de alimentação são 77,3% de N2 e 7,7% de H20.
[0042] Na coluna de absorção A1, o gás de alimentação G1 é misturado com o líquido L5, que é reciclado da coluna do extrator A2. Como o agente absorvente, uma solução aquosa de monoetanolamina é usada. A corrente de gás G2 que deixa a coluna de absorção A1 tem uma temperatura de 47Ό e uma pressão de 102 KPa (1 ,02 bar), e compreende 0,9% de C02, 3,8% de 02, 0,1 ppm de N02 e 119 ppm de NO. Um outro componente principal é N2, que está presente no gás G2 em 85%.
[0043] A corrente de líquido L1 que deixa a coluna de absorção A1 compreende a solução aquosa de monoetanolamina. Os conteúdos de 02, N02 e NO são 0,4 ppm, 0,7 ppm e 0,1 ppm, respectivamente. Quando deixando a coluna de absorção A1, a corrente do líquido L1 tem uma temperatura de 50Ό e uma pressão de 102 KPa (1,02 bar). Entretanto, antes de entrar na coluna flash A3 como o líquido L2, a temperatura é aumentada para 95Ό e a pressão é aum entada para 200 KPa (2 bar).
[0044] Na coluna flash A3, o líquido L2 é separado em uma corrente de gás G3 e uma corrente de líquido, que ambas estão deixando a coluna flash A3 em uma temperatura de 91'C e uma pressão de 110 KPa (1,1 bar). O gás G3 que deixa a coluna flash A3 compreende 34,8% de C02, 0,42% de 02, 107 ppm de NO e 1 ppm de N02. Outros componentes, tais como H20, acetaldeído e orgânicos voláteis também estão presentes no gás G3. Na modalidade específica mostrada na figura, a corrente do gás G3 não é reciclada para a coluna de absorção A1. O componente principal do líquido que deixa a coluna flash A3 é a solução aquosa de monoetanolamina.
[0045] A pressão da corrente de líquido que deixa a coluna flash A3 é então aumentada para 300 KPa (3 bar) um pouco antes de entrar na coluna do extrator A2.
[0046] No extrator A2, o líquido L3 é separado em uma corrente de gás G4 e uma corrente de líquido. A corrente de líquido L4 tem uma temperatura de 112Ό e uma pressão de 200 KPa (2 bar), e os conteúdos de C02, 02, N02 e NO não são detectáveis. Na modalidade mostrada na figura, a corrente de líquido L4 é reciclada para a coluna de absorção A1 como a corrente de líquido L5. Entretanto, antes de entrar na coluna de absorção A1, a temperatura da corrente de líquido L5 é diminuída para 4013.
[0047] A corrente de gás G4 deixa o extrator em uma temperatura de 45Ό e uma pressão de 120 KPa (1,2 bar) e compreende 92,9% de C02 e 3 ppm de 02.
[0048] A corrente de gás que deixa a coluna do extrator A2 então entra na unidade de purificação e liquefação. A corrente do produto de dióxido de carbono de alta pureza, que é substancialmente isenta de óxidos de nitrogênio, deixa a instalação em uma temperatura de -26Ό e uma pressão de 1600 KPa (16 bar).
REIVINDICAÇÕES

Claims (7)

1. Método para recuperação de dióxido de carbono de alta pureza de uma fonte gasosa, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: a. alimentar um gás (G1) compreendendo dióxido de carbono, oxigênio e compostos de nitrogênio para dentro de uma coluna de absorção (A1), b. absorver o gás (G1) em um agente absorvente contendo alcanolamina, pelo que o gás (G1) é separado em um gás exaurido de dióxido de carbono (G2) e um líquido rico em dióxido de carbono (L1), c. pressurizar e aquecer o líquido (L1), obtido na etapa b, de modo a prover o líquido (L2), d. separar por meio de jato o líquido (L2), obtido na etapa c, em um gás rico em NOx e oxigênio (G3) e um líquido exaurido de NOx e oxigênio que deixa a coluna flash (A3), e. pressurizar o líquido que deixa a coluna flash (A3), na etapa d, de modo a prover o líquido (L3), f. separar o líquido (L3) obtido na etapa e em um gás rico em dióxido de carbono (G4) e um líquido exaurido de dióxido de carbono (L4) por meio da extração, e g. purificar o gás (G4), obtido na etapa f, de modo a produzir dióxido de carbono de alta pureza, que é substancialmente isento de óxidos de nitrogênio.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a temperatura do líquido (L2) obtido, na etapa c, está na faixa de 700 a 1400, mais preferido na faixa d e 900 a 120*0 e mais preferido ainda na faixa de 950 a 1100, e a pressão do dito líquido (L2) está na faixa de 10 a 300 KPa (0,1 bar a 3 bar), mais preferido, na faixa de 20 a 200 KPa (0,2 a 2 bar), e, mais preferido ainda, na faixa de 100 a 200 KPa (1 bar a 2 bar).
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o gás de alimentação (G1) é gás de combustão.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a alcanolamina no agente absorvente é selecionada do grupo consistindo em monoetanolamina, dieta-nolamina, diisopropanolamina, metildietanolamina e trietanolamina e misturas dos mesmos.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o líquido (L4) obtido, na etapa f, é reciclado e misturado com o agente absorvente contendo alcanolamina usado para absorver o gás (G1) na etapa b.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o gás (G3), obtido na etapa d, é reciclado para a etapa de absorção b.
7. Uso de um método, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que é para produção de dióxido de carbono de alta pureza.
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