ES2337344T3 - Proceso para la separacion y recuperacion de dioxido de carbono a partir de gas residual o humos producidos por la oxidacion de combustibles. - Google Patents
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Abstract
Proceso para la separación y recuperación de dióxido de carbono a partir de gases residuales producidos mediante la oxidación de combustibles que comprende los pasos de: - alimentar un flujo de gas residual a un material semipermeable a gas que es un tamiz molecular o carbón activado de tipo TSA, - separar un flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado de dicho flujo de gas residual mediante dicho material semipermeable a gas, en donde la adsorción a y la desorción de dicho material semipermeable a gas de dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado se lleva a cabo por medio de un proceso de adsorción a temperatura fluctuante (TSA), y - emplear al menos una parte de dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado como materia prima de alimentación en una planta de producción industrial y/o acumular al menos una parte de dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono.
Description
Proceso para la separación y recuperación de
dióxido de carbono a partir de gas residual o humos producidos por
la oxidación de combustibles.
En su aspecto más general, la presente invención
se refiere a un proceso para la separación y recuperación de
dióxido de carbono a partir de gas residual o humos producidos por
la oxidación de combustibles.
En particular, la presente invención se refiere
a un proceso para la separación y recuperación de dióxido de
carbono a partir de gases de escape o humos producidos por la
oxidación de combustibles fósiles o fracciones y derivados de los
mismos con aire.
Se pretende que el término "oxidación"
comprenda tanto la combustión normal de combustibles,
particularmente combustibles fósiles, con aire, llevada a cabo a
escala doméstica o industrial, como la oxidación electroquímica de
los mismos, que se produce, por ejemplo, en las células de
combustible.
Se sabe bien que los gases de escape
(residuales) o humos producidos por la combustión o por otros
procesos oxidativos de combustibles fósiles (combustible) en
plantas industriales o domésticas, se dispersan en la atmósfera
produciendo varios problemas de impacto medioambiental. El más grave
de tales problemas se refiere al calentamiento global del planeta,
conocido como "efecto invernadero" del que es responsable el
dióxido de carbono contenido en dichos gases de escape o humos.
Además, se sabe que el dióxido de carbono es una
materia prima de alimentación en varios procesos industriales; para
llevar a cabo tales procesos, normalmente se emplea la energía
térmica producida por la combustión de combustibles fósiles. Por lo
tanto, para estos procesos sería conveniente separar y recuperar al
menos parte del dióxido de carbono de los gases de escape de la
combustión, para aumentar la capacidad de producción y/o para
reducir los costes de compra de esta materia prima.
Por ejemplo, en los procesos para la producción
de amoniaco y urea o metanol, se sabe que las materias primas de
alimentación tales como hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de
carbono generalmente se obtienen en forma de una mezcla gaseosa a
través del reformado de metano u otros hidrocarburos ligeros tales
como gas natural, GLP (gas licuado de petróleo), nafta.
La conversión de metano se lleva a cabo en un
horno dedicado de una planta de reformado, normalmente asociado al
usado para la producción de amoniaco y urea o metanol, que explota
la energía térmica producida por la combustión de una parte del
metano de alimentación con aire.
En el proceso de producción de amónico y urea,
se añade después nitrógeno en una cantidad estequiométrica a la
mezcla gaseosa obtenida mediante el reformado, para convertir el
hidrógeno en amoniaco.
Sin embargo, de esta manera, la cantidad de
dióxido de carbono contenido en la mezcla gaseosa anteriormente
mencionada es menor que la cantidad estequiométrica requerida para
convertir en urea todo el amoniaco producido, de modo que la
capacidad de la planta de producción de urea se reduce de forma
inconveniente.
En su lugar, en el proceso de producción de
metanol, es el hidrógeno de la mezcla gaseosa obtenida mediante el
reformado el que está en exceso con respecto a la cantidad necesaria
para convertir todo el monóxido de carbono y dióxido de carbono en
metanol y, por lo tanto, se purga parte del mismo del reactor de
síntesis y con frecuencia se usa como combustible.
Por lo tanto, en los dos procesos mencionados
anteriormente, está claro que la capacidad de producción de urea y
metanol, respectivamente, se podrían aumentar significativamente si
fuera posible recuperar incluso solo parte del dióxido de carbono
contenido en los gases de combustión de la planta de reformado de
metano.
Por lo tanto, el problema respecto a la
separación y recuperación de dióxido de carbono de los gases de
combustión o humos se percibe bastante y en las últimas décadas ha
sido el objeto de varios estudios, véase, por ejemplo,
EP-A-1 078 647.
La mayor parte de estos estudios se dirigieron a
los llamados procesos de separación y recuperación "húmedos"
de dióxido de carbono. Es decir, procesos basados en el lavado de
los gases de combustión con soluciones o solventes adecuados
capaces de adsorber de forma selectiva el dióxido de carbono y la
recuperación del dióxido de carbono adsorbido mediante
calentamiento de la solución o solvente de adsorción.
En la técnica anterior se han desarrollado
varios procesos del tipo mencionado anteriormente; sin embargo,
padecen varios inconvenientes que limitan su aplicabilidad
industrial.
Uno de los inconvenientes que se encuentran con
más frecuencia está en el hecho de que la solución de lavado se
somete a fenómenos de oxidación de sus componentes, fenómenos que
son debidos a la presencia de oxígeno en los gases de combustión, y
por lo tanto requiere un cambio frecuente.
Además, se debe advertir que los gases de
combustión normalmente también contienen óxidos de azufre y nítricos
(SOx y NOx) que reaccionan con algunos componentes de la solución
de lavado, y crean sales estables y otros compuestos dañinos de
difícil eliminación y recogida.
Por lo tanto, la necesidad de cambiar con
frecuencia la solución de lavado así como la eliminación y recogida
de los compuestos dañinos que derivan de su degradación implica
costes de operación relevantes para los procesos conocidos
anteriores de separación y recuperación de dióxido de carbono
gaseoso.
Además, el equipo requerido para realizar los
procesos de separación y recuperación de dióxido de carbono de la
técnica anterior es complicado, caro, difícil de operar y tiene un
gran tamaño, y por lo tanto también implica altos costes de
inversión y mantenimiento.
El problema técnico subyacente a la presente
invención es el de proporcionar un proceso para la separación y
recuperación de dióxido de carbono a partir de gases residuales
producidos por la oxidación de combustibles que sea sencillo y
rentable de llevar a cabo, y que no muestre los inconvenientes
previamente descritos con respecto a los procesos de separación y
recuperación de dióxido de carbono de la técnica anterior.
Este problema técnico se resuelve mediante un
proceso para la separación y recuperación de dióxido de carbono a
partir de gases residuales producidos mediante la oxidación de
combustibles, como se enumera en la reivindicación 1.
El material semipermeable a gas se puede elegir
del grupo que comprende membranas de fibra hueca y materiales
capaces de adsorber preferentemente dióxido de carbono, tales como
los tamices moleculares.
Las membranas de fibra hueca pueden ser del tipo
preferentemente permeable a dióxido de carbono o del tipo
sustancialmente no permeable a este gas.
El término "tamices moleculares" se
pretende que comprenda todos esos materiales convencionales que
tienen microporos adaptados para adsorber preferentemente el
dióxido de carbono contenido en una mezcla gaseosa, incluyendo
carbón activado. Según el modo específico en que se adsorbe y libera
el dióxido de carbono, estos materiales se clasifican como tamices
moleculares o carbones activados del tipo PSA (adsorción por presión
fluctuante) o TSA (adsorción por temperatura fluctuante).
En el proceso de adsorción PSA, la mezcla de gas
que contiene dióxido de carbono se hace pasar a través del tamiz
molecular a presión de tal modo que se fomenta la adsorción
preferente de dióxido de carbono en los microporos. Después, la
presión se reduce de tal modo que se obtenga una desorción del
dióxido de carbono junto con otros componentes gaseosos
posiblemente retenidos en el mismo y según esto regenerar el tamiz
molecular.
De forma diferente, en el método TSA, la
adsorción preferente de dióxido de carbono en los microporos se
lleva a cabo dejando que la mezcla gaseosa que contiene el dióxido
de carbono a ser separado pase a través del tamiz molecular
anteriormente mencionado, a una temperatura no mayor de 80ºC.
Después se aumenta la temperatura, por ejemplo con ayuda de un
flujo de vapor, de modo que se obtenga una desorción del dióxido de
carbono junto con otros componentes gaseosos posiblemente retenidos
con el mismo y según esto regenerar el tamiz molecular.
En el proceso según la presente invención se usa
al menos un tamiz molecular de tipo TSA.
El uso de tamices moleculares del tipo TSA en el
proceso según la invención no requiere la compresión de grandes
cantidades de gas a ser separado y por lo tanto, es ventajoso debido
a los bajos costes de energía resultantes.
Además, para regenerar los tamices moleculares
del tipo TPA, es suficiente dejar pasar un flujo de vapor o, de
forma alternativa, una parte del flujo de gas que comprende dióxido
de carbono muy concentrado, a través de estos tamices, en donde tal
parte del flujo de gas se calienta adecuadamente a la temperatura de
regeneración de tales tamices.
Por otra parte, el uso de membrana de fibra
hueca o tamices moleculares de tipo PSA en el proceso según la
invención es menos ventajoso, si se compara con el uso de tamices
moleculares de tipo TSA, debido a los costes de energía relevantes
relacionados con la compresión requerida de los gases de escape a
ser tratados.
Además, las membranas de fibra hueca son muy
caras incluso si garantizan una mayor eficacia y rendimiento de
separación del dióxido de carbono de otros componentes gaseosos
contenidos en los gases de escape de la combustión.
Según una forma de realización preferida de la
presente invención, el material semipermeable al gas es capaz de
adsorber preferentemente dióxido de carbono y la separación del
flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado de
dicho flujo de gas residual comprende los pasos de:
- -
- dejar que un flujo de gas residual penetre en dicho material semipermeable al gas de tal modo que se adsorba al menos una parte relevante del dióxido de carbono contenido en dicho flujo de gas residual y se obtenga un flujo de gas permeado con un contenido bajo en dióxido de carbono,
- -
- dispersar dicho flujo de gas permeado con bajo contenido en dióxido de carbono y
- -
- desabsorber dicha al menos una parte relevante de dióxido de carbono de dicho material semipermeable a gas, obteniendo de esta manera dicho flujo gaseoso que comprende concentrados altos de dióxido de carbono.
Las características y ventajas del proceso para
la recuperación de dióxido de carbono de gases de escape de la
combustión según la presente invención estarán más claras a partir
de la siguiente descripción de un ejemplo indicativo y no limitante
de la realización del mismo, hecho con referencia a la figura
adjunta.
La figura 1 muestra un diagrama de bloques de
una forma de realización de la realización del proceso para la
separación y recuperación de dióxido de carbono de un gas de escape
de la combustión según la presente invención.
Con respecto a la figura adjunta, el bloque 1 se
refiere a un equipo de una planta doméstica o industrial para la
combustión de un combustible, en particular un combustible fósil,
con aire.
El bloque 2 se refiere a un intercambiador de
calor para refrigerar un flujo de gas de escape a alta temperatura
producido por la combustión en el bloque 1.
La composición gaseosa de este flujo de gas de
escape comprende principalmente dióxido de carbono, agua, oxígeno y
nitrógeno y, a un nivel limitado, óxidos nítricos y de azufre (SOx y
NOx).
El bloque 3 se refiere a una unidad de
compresión adaptada para comprimir hasta una presión deseada el
flujo de gas de escape refrigerado en el bloque 2. Tal bloque 3 es
opcional y se vuelve particularmente importante cuando para la
separación del dióxido de carbono se usan tamices moleculares de
tipo PSA o membranas de fibra hueca, puesto que es necesario
comprimir de forma adecuada el gas de escape que se trata.
Si se usan tamices moleculares de tipo TSA, el
bloque 3 se puede omitir o, de forma alternativa, puede consistir
en un ventilador sencillo.
El bloque 4 se refiere a un material
semipermeable a gas, tal como una membrana o un tamiz molecular,
para separar el flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy
concentrado del flujo de gas de escape que viene del bloque 2 o el
bloque 3 como se explicará después en la presente descripción.
El bloque 5 se refiere a otra unidad de
compresión adaptada para comprimir un flujo de gas que comprende
dióxido de carbono muy concentrado que viene del bloque 4.
El bloque 6 se refiere a otro intercambiador de
calor adaptado para calentar una parte del flujo de gas que
comprende dióxido de carbono muy concentrado que procede del bloque
4.
La línea de flujo 7 indica un flujo de gas de
escape a alta temperatura producido por la combustión en el bloque
1.
Este flujo de gas de escape se alimenta luego al
bloque 2 donde se enfría a una temperatura comprendida entre 20º y
80ºC.
La línea de flujo 8 indica el flujo de gas
refrigerado que viene del bloque 3. Si el material semipermeable a
gas del bloque 4 consiste en una membrana de fibra hueca o en un
tamiz molecular de tipo PSA, el flujo de gas de escape 8 se
comprime primeramente en el bloque 3 a una presión comprendida entre
1 bar abs y 20 bar abs, y después se alimenta, como se indica
mediante la línea de flujo 9, al bloque 4.
Por el contrario, si el material semipermeable a
gas del bloque 4 consiste en un tamiz molecular de tipo TSA, el
bloque 3 se puede omitir y por lo tanto el flujo de gas de escape 8
que viene del bloque 2 se alimenta directamente al bloque 4.
El material semipermeable a gas del bloque 4
proporciona la separación de un flujo de gas que comprende dióxido
de carbono muy concentrado del flujo de gas de escape 8 ó 9.
Preferiblemente, este material consiste en un
tamiz molecular de tipo TSA que permite el paso preferente de
nitrógeno, adsorbiendo al mismo tiempo los componentes gaseosos de
la mezcla que contienen oxígeno, es decir, principalmente dióxido
de carbono, agua y oxígeno.
Por lo tanto, como se indica mediante la línea
de flujo 10, en la salida del bloque 4 se obtiene un flujo de gas
que comprende principalmente nitrógeno que se dispersa en la
atmósfera.
Para obtener una desorción del dióxido de
carbono y los otros compuestos oxigenados adsorbidos en el bloque
4, se proporciona una interrupción del flujo de gas de escape 8 ó 9
al bloque 4 y una regeneración de la membrana de fibra hueca o del
tamiz molecular representado en el bloque 4.
En el caso de una membrana de fibra hueca o un
tamiz molecular de tipo PSA, la regeneración se lleva a cabo
disminuyendo la presión en el bloque 4 (descompresión) de tal manera
que se separe el dióxido de carbono adsorbido en tales
materiales.
En el caso de un tamiz molecular de tipo TSA, la
regeneración se lleva a cabo de una manera que se explicará más
adelante en la presente invención.
Como se indica mediante la línea de flujo 11,
del paso de regeneración se obtiene así un flujo gaseoso, que
resulta tener una concentración de dióxido de carbono mayor que esa
en el flujo de gas de escape 8 ó 9. También la concentración en el
flujo gaseoso 11 de los otros componentes gaseosos adsorbidos en el
bloque 4 es mayor que la concentración de estos componentes en el
flujo de gas de escape 8 ó 9.
Posteriormente, el flujo gaseoso 11 que
comprende dióxido de carbono muy concentrado se puede usar como
materia prima de alimentación en procesos industriales adecuados,
directamente o después de haber sido tratado adicionalmente. De
forma alternativa, el flujo 11 se puede licuar o almacenar de una
manera adecuada para ser usado posteriormente según necesidades
específicas.
Por ejemplo, el flujo gaseoso 11 se puede
comprimir en el bloque 5 a una presión adecuada, y el flujo gaseoso
así obtenido indicado mediante la línea de flujo 12 se puede
utilizar directamente como materia prima de alimentación en una
planta para la producción de urea o metanol.
En cualquier caso, si es necesaria la
eliminación parcial o completa del flujo 11 de componentes gaseosos,
tales como oxígeno y óxidos nítricos o de azufre (SOx, NOx),
entonces es posible disponer el paso del flujo gaseoso 11 en
condiciones operativas adecuadas a través de una o más membranas o
tamices moleculares y/o el tratamiento del flujo 11 con otros tipos
de sistemas de separación.
En este caso, el flujo 11 total o parcialmente
purificado de los componentes gaseosos mencionados anteriormente se
puede comprimir en el bloque 5 y usar en una planta para la
producción de urea o metanol como materia prima de
alimentación.
En el ejemplo presente, una parte del flujo 11
que comprende dióxido de carbono muy concentrado, indicado mediante
la línea de flujo 13, se calienta en el bloque 6 y se alimenta al
bloque 4 a través de la línea de flujo 14, para regenerar el tamiz
molecular de tipo TSA.
De forma alternativa, para la regeneración
mencionada anteriormente es posible usar vapor de agua a alta
temperatura.
La regeneración implica la desorción de los
componentes gaseosos, y en particular del dióxido de carbono
retenido en los microporos del tamiz molecular de tipo TSA, que se
recuperan en el flujo 11.
Obviamente el experto en la materia puede hacer
una pluralidad de modificaciones al proceso según la invención para
satisfacer requerimientos específicos y peculiares, que están todos
en el ámbito de protección de la invención como se define en las
siguientes reivindicaciones.
Claims (5)
1. Proceso para la separación y recuperación de
dióxido de carbono a partir de gases residuales producidos mediante
la oxidación de combustibles que comprende los pasos de:
- -
- alimentar un flujo de gas residual a un material semipermeable a gas que es un tamiz molecular o carbón activado de tipo TSA,
- -
- separar un flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado de dicho flujo de gas residual mediante dicho material semipermeable a gas, en donde la adsorción a y la desorción de dicho material semipermeable a gas de dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado se lleva a cabo por medio de un proceso de adsorción a temperatura fluctuante (TSA), y
- -
- emplear al menos una parte de dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado como materia prima de alimentación en una planta de producción industrial y/o acumular al menos una parte de dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Proceso según la reivindicación 1, en donde
dicho material semipermeable a gas es capaz de adsorber
preferentemente dióxido de carbono y la separación del flujo
gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado de dicho
flujo de gas residual comprende los pasos de:
- -
- dejar que un flujo de gas residual penetre en dicho material semipermeable a gas de tal modo que se adsorba al menos una parte relevante del dióxido de carbono contenido en dicho flujo de gas residual y se obtenga un flujo de gas permeado con bajo contenido en dióxido de carbono,
- -
- dispersar dicho flujo de gas permeado con bajo contenido en dióxido de carbono, y
- -
- desadsorber dicha al menos una parte relevante de dióxido de carbono de dicho material semipermeable a gas, obteniendo de esta manera dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy concentrado.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Proceso según la reivindicación 2, en donde
dicho paso de desabsorción se lleva a cabo pasando a través de
dicho material semipermeable a gas un flujo de vapor o una parte de
dicho flujo gaseoso que comprende dióxido de carbono muy
concentrado calentado adecuadamente a la temperatura de regeneración
de dicho material semipermeable a gas.
4. Proceso según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en donde dicho combustible es un
combustible fósil.
5. Proceso según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, en donde dicha planta para producción
industrial es una planta para la producción de amoniaco y urea o
metanol.
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