ES2876944T3 - Dispositivo de elevado rendimiento de captura directa de aire para capturar CO2 del aire y procedimiento de funcionamiento - Google Patents
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Abstract
Unidad de separación (1) para separar dióxido de carbono del aire ambiente, en la que la unidad de separación (1) comprende como mínimo un elemento de pared circunferencial (5) contiguo y de sellado, que encierra circunferencialmente, por lo menos una cavidad (3), definiendo dicho como mínimo un elemento de pared circunferencial (5) contiguo y de sellado una abertura de aguas arriba (31) y una abertura de aguas abajo opuesta (32) de dicha, como mínimo, una cavidad (3), conteniendo dicha cavidad (3) como mínimo una estructura (4) de adsorción de gas para adsorber dióxido de carbono, preferentemente bajo las condiciones de presión y/o temperatura ambiente en la que la unidad de separación (1) comprende, además, un par de puertas deslizantes opuestas (12) para sellar la abertura de aguas arriba (31) y la abertura de aguas abajo (32), respectivamente, por lo menos, de una cavidad (3) en un estado cerrado, y en la que cada una del par de puertas deslizantes opuestas (12), para abrir la cavidad cerrada (3), es desplazada en una dirección esencialmente paralela al plano de la respectiva puerta deslizante (12) para dejar al descubierto las aberturas de aguas arriba (31) y de aguas abajo (32) respectivamente, y para permitir el flujo del aire ambiente a través de la estructura (4) de adsorción de gas.
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo de elevado rendimiento de captura directa de aire para capturar CO2 del aire y procedimiento de funcionamiento
SECTOR TÉCNICO
La presente invención se refiere a un nuevo dispositivo de elevado rendimiento para la separación de gases, en particular para la captura directa del aire, tal como la captura de CO2 del aire, que proporciona en particular grandes caudales a través de secciones transversales, bajas caídas de presión, una reducida masa térmica, partes estructurales pequeñas y gran eficiencia. Asimismo, se da a conocer un procedimiento para el funcionamiento de dichos dispositivos, así como de partes de dichos dispositivos como, por ejemplo, nuevos sistemas de puertas móviles para el sellado de las estructuras de separación del gas.
ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR
La separación de gases mediante adsorción tiene muchas aplicaciones diferentes en la industria, por ejemplo, en la eliminación de un componente específico de una corriente de gas, en la que el producto deseado puede ser el componente eliminado de la corriente, la corriente restante empobrecida, o ambos. De este modo, en ambos casos, los componentes traza, así como los componentes principales de la corriente de gas pueden ser el objetivo del proceso de adsorción. Una aplicación importante es la captura de dióxido de carbono (CO2) de corrientes de gases, por ejemplo, de gases de combustión, gases de escape, gases residuales industriales o aire atmosférico. La captura de CO2 directamente de la atmósfera, denominada captura directa del aire (DAC) es uno de los diversos medios para mitigar las emisiones antropogénicas de gas de efecto invernadero y tiene atractivas perspectivas económicas como fuente de CO2 no fósil, independiente de la ubicación, para el mercado de materias primas y para la fabricación de combustibles sintéticos.
Un planteamiento concreto para la DAC está basado en un proceso cíclico de adsorción/desorción en materiales sólidos, adsorbentes, químicamente funcionalizados. Por ejemplo, en las Patentes WO-A-2016005226 y WO-A-2017009241 se dan a conocer procesos basados en la adsorción/desorción cíclica ayudada con vapor de agua y un material adsorbente funcionalizado con aminas adecuado, respectivamente, para la extracción de dióxido de carbono del aire atmosférico del ambiente. Además, la Patente WO 2019/092128 describe otra clase de materiales adsorbentes basados en la funcionalización de carbonato potásico adecuados asimismo para los procesos de adsorción/desorción cíclica de CO2.
Normalmente, el proceso de adsorción tiene lugar en las condiciones atmosféricas del ambiente en las que el aire es suministrado a través del material adsorbente y una parte del CO2 contenido en el aire es químicamente y/o físicamente unido/adsorbido en la superficie o en el interior de los adsorbentes. Durante la posterior desorción del CO2 , normalmente, el material adsorbente es calentado y, de manera opcional, la presión parcial del dióxido de carbono que rodea el adsorbente puede ser reducida aplicando un vacío o exponiendo el adsorbente a un flujo de gas de purga, que incluya, por ejemplo, vapor de agua (PSA - Adsorción por cambio de presión). De este modo, el dióxido de carbono previamente capturado es eliminado del material adsorbente y es obtenido en una forma concentrada.
Uno de los problemas principales para una realización eficiente de la DAC en coste y energía surge de la baja concentración de CO2 en el aire atmosférico (teóricamente aproximadamente 400 ppm en el año 2019) y en el suministro de los grandes volúmenes correspondientemente necesarios de aire atmosférico a una estructura de separación de gas adecuada. Estructuras de separación de gas adecuadas que contienen material adsorbente incluido han sido presentadas en las Patentes US2017/0326494 y WO-A-2018083109 y pueden ser aplicadas en procesos de adsorción/desorción por lotes en los que dicha estructura que contiene material adsorbente necesita ser sometida alternativamente a corrientes de aire de un gran volumen de flujo (para adsorción/contacto) y a continuación a condiciones de desorción caracterizadas por temperaturas elevadas y/o presiones de vacío tan bajas de hasta, por ejemplo, 10 mbar (absolutos). Esto requiere unas estructuras de la cámara que, por una parte, permiten que el material adsorbente sea sometido a un flujo de gran volumen de aire atmosférico para adsorber el CO2 y que, por otra parte, puedan sellar de forma apropiada el material adsorbente del aire ambiente durante la desorción y que el material adsorbente resista temperaturas de hasta 130 °C, mezclas de CO2 , aire y agua como vapor y líquido, así como, opcionalmente (si se precisa el vacío para la desorción), presiones de vacío tan bajas como 10 mbar (absolutas) o menores. Una de dichas estructuras adecuadas es la unidad dada a conocer en la Patente WO-A-2015185434. En general, por consiguiente, es particularmente ventajosa una infraestructura que en primer lugar minimice la caída de presión durante el flujo a su través y en segundo lugar atribuya la porción mayor de dicha caída de presión a la parte de la unidad que está realmente capturando CO2.
En la técnica anterior, existen numerosos ejemplos de procesos cíclicos de adsorción/desadsorción que son llevados a cabo habitualmente en columnas largas, estrechas y de paredes gruesas con pequeñas secciones transversales para el flujo. Dichos dispositivos son utilizados en la separación de gases basada en el cambio de presión y/o de vacío y son accionados habitualmente con tiempos de ciclo muy cortos del orden de segundos a unos pocos
minutos, durante los cuales su masa térmica o su inercia térmica no juega un papel importante. Además, los dispositivos están sometidos habitualmente a flujos a alta presión con elevadas concentraciones de adsorbatos y de este modo pueden utilizar aberturas y conductos para el flujo significativamente más pequeños que su sección transversal ya que las caídas de presión en dichas características son relativamente pequeñas. Por ejemplo, la Patente US 8,034,164 se refiere a una serie de columnas de adsorción por cambio de presión que funcionan en paralelo y da a conocer detalles de la construcción y del montaje de las columnas, detalles del control de los flujos y de optimización del ciclo. La Patente US 6,878,186 se refiere a un procedimiento y a un aparato para la desadsorción por cambio de vacío puro en una columna de adsorción clásica, y a procesos y aparatos de columnas de adsorción clásicas. Determinados sistemas de la técnica anterior, tales como los de la Patente WO-A-2013117827 describen una estructura de separación de gas basada en conductos paralelos que en realidad buscan reducir la caída de presión mientras están contenidos en un recipiente cilíndrico a presión para procesos PSA.
Si se utiliza el vacío en la etapa de desadsorción, existe el problema de la caída de presión en las estructuras de control de gas a la entrada y a la salida. Un cierto número de sistemas de la técnica anterior dan a conocer grandes tapas oscilantes accionadas que están diseñadas, además, como aletas o compuertas, no estando dichas unidades diseñadas habitualmente para diferencias de presión mayores de aproximadamente 0,2 bar. Ciertas válvulas de aislamiento son específicamente adecuadas para aplicaciones de vacío, pero deben tener un grosor de material significativo y son de un tamaño limitado para manejar las grandes fuerzas de la aplicación del vacío. En consecuencia, dichas válvulas tienen una gran masa térmica cuando son aplicadas a etapas alternativas de calentamiento/enfriamiento y no pueden ofrecer el área de flujo de paso necesaria. Además, ciertos sistemas de la técnica anterior pueden tener mecanismos de accionamiento. La Patente EP-0864819 da a conocer una válvula de aleta rotativa para una campana extractora incluida en un conducto para ser utilizada en aplicaciones de ventilación, pero inadecuada para el vacío. La Patente US2005/005609 se refiere a una compuerta (válvula) de desviación/redirección para aplicaciones en turbinas de gas, pero inadecuado para el vacío. La Patente GB-A-621195 da a conocer una tapa curvada para vacío que busca reducir el grosor del material, pero que es incompatible con los requisitos de una caída de presión mínima en la sección transversal del flujo debido al grosor real de la tapa en el conducto. La Patente FR-A-1148736 y la Patente US 3,857,545 proponen tapas accionadas para el vacío y válvulas a través de las cuales un recipiente puede ser evacuado, pero que son inadecuadas para los flujos de aire muchos miles de veces más grandes que se requieren en una aplicación DAC.
Una solución específica para un recipiente DAC con una tapa oscilante se halla también en la Patente WO-A-201585434, sin embargo, en ella las limitaciones en el flujo pueden reducir el rendimiento. Algunos sistemas de la técnica anterior para el contacto y la regeneración del material adsorbente sólido en aplicaciones DAC implican la transferencia del material adsorbente y la estructura de separación del gas entre una primera zona del flujo de aire para la adsorción, y una segunda zona en forma de una cámara para la regeneración, tal como se muestra en las Patentes US 2012/0174779, US 2011/0296872 y WO-A-2013166432. La Patente JP-A-2009172479 da a conocer un eliminador de dióxido de carbono que puede adsorber de manera eficiente dióxido de carbono de la atmósfera y asimismo, puede eliminar el dióxido de carbono solamente mediante un ligero calentamiento. El eliminador de dióxido de carbono propuesto está equipado con una película de adsorción del dióxido de carbono de una estructura de perovskita con una superficie de exposición a la atmósfera que contiene moléculas de dióxido de carbono, un calentador para calentar la película de adsorción del dióxido de carbono y un extractor para evacuar el espacio alrededor de la película de adsorción del dióxido de carbono. La película de adsorción del dióxido de carbono realiza una adsorción química de la molécula de dióxido de carbono de la atmósfera, y el calentador hace que la molécula de dióxido de carbono adsorbida por la película de adsorción del dióxido de carbono sea liberada.
CARACTERÍSTICAS DE LA INVENCIÓN
Por consiguiente, el objetivo de la presente invención es dar a conocer una estructura mejorada para procesos de separación de gases, concretamente para procesos DAC, que tenga tan pocos componentes como sea posible, sea de un funcionamiento fácil, permita unos procesos eficientes de separación de gases y sea altamente fiable en una utilización a largo plazo.
En consecuencia, la presente invención propone una unidad de separación, así como una disposición de unidades de separación, tal como se reivindica, y un procedimiento para el funcionamiento de dicha unidad de separación o de una disposición de dichas unidades de separación, y la utilización de estos elementos, para procesos DAC. Más concretamente, la presente invención propone una unidad de separación para separar dióxido de carbono del aire ambiente que contiene dicho componente, adecuada y adaptada de este modo para separar dióxido de carbono, o dióxido de carbono y vapor de agua del aire ambiente.
La unidad de separación propuesta comprende, como mínimo, un elemento de pared circunferencial contiguo y de sellado, que encierra circunferencialmente, como mínimo una cavidad, y define una abertura de aguas arriba y una abertura de aguas abajo opuesta de esa, como mínimo, una cavidad. El dispositivo está construido de tal modo que el aire ambiente en la fase de adsorción pasa a través de la abertura de aguas arriba, luego transversalmente a través del interior de la cavidad y a través o más allá de una estructura de adsorción de gas situada en la cavidad, y para salir a continuación de nuevo pasando a través de la abertura de aguas abajo, siendo preferentemente
esencialmente lineal todo el flujo de aire excepto por las turbulencias y desviaciones en el interior o en la estructura de adsorción de gas.
La, como mínimo una cavidad puede ser preferentemente de sección cuadrada o rectangular, en cuyo caso está dispuesto un conjunto de cuatro elementos de pared circunferenciales contiguos y de sellado, un elemento de pared inferior, un elemento de pared superior opuesto y dos elementos de pared circunferenciales, laterales y opuestos que unen los extremos correspondientes del elemento de pared superior e inferior y que encierran circunferencialmente la cavidad. Dicho conjunto de cuatro elementos de pared circunferenciales contiguos y de sellado define una abertura de aguas arriba y una abertura de aguas abajo opuesta de la cavidad.
En el caso de las cavidades adyacentes de la unidad de separación en una disposición, las paredes adyacentes de las cavidades vecinas pueden estar formadas por elementos de pared comunes a las cavidades vecinas.
Cuando se define un elemento de pared inferior y un elemento de pared superior opuesto, esto no implica que la cavidad respectiva deba estar orientada con la dirección horizontal del flujo que pasa. También puede estar orientada en un ángulo con respecto a la dirección horizontal, o bien la dirección del flujo pasante puede ser asimismo vertical. El elemento de pared inferior y el elemento de pared superior opuesto se deben entender mirando en la dirección a lo largo de la dirección principal del flujo a través de la cavidad como generalmente los dos elementos de pared que unen los dos elementos de pared laterales circunferenciales.
Por lo menos, una cavidad puede ser también de sección poligonal, por ejemplo, puede comprender un conjunto de ocho elementos de pared circunferenciales contiguos y de sellado, por lo menos, un elemento de pared inferior, por lo menos, un elemento de pared superior opuesto y, por lo menos, dos elementos de pared circunferenciales opuestos lateralmente que unen los extremos correspondientes del elemento de pared superior e inferior directamente o a través de elementos de pared oblicuos adicionales, formando preferentemente en este caso una estructura hexagonal, y encerrando circunferencialmente una cavidad, definiendo dicho conjunto de ocho elementos de pared circunferenciales contiguos y de sellado la abertura de aguas arriba y la abertura de aguas abajo opuesta de la cavidad.
El principio propuesto puede ser aplicado a cualquier forma de la sección transversal del flujo pasante poligonal o redonda que está definida mediante un elemento de pared circunferencial contiguo y de sellado esencialmente cilíndrico o un conjunto de elementos de pared que forman la cavidad respectiva. Son posibles formas de la sección, por ejemplo, triangulares, rectangulares, cuadradas, pentagonales, hexagonales u octagonales.
Asimismo, son posibles estructuras redondas. En este caso la, como mínimo, una cavidad comprende un único elemento de pared circunferencial circular u ovalado.
Por lo menos, dicha una cavidad contiene o, como mínimo, permite contener, por lo menos, una estructura de adsorción de gas para adsorber dicho dióxido de carbono, preferentemente en las condiciones de presión y/o temperatura ambientales. Si la unidad de separación contiene más de una cavidad, por ejemplo, en una disposición, cada cavidad contiene, por lo menos, una estructura individual de adsorción de gas de dicho tipo. De acuerdo con la presente invención, la unidad de separación comprende un par de puertas deslizantes opuestas para sellar la abertura de aguas arriba y la abertura de aguas abajo, respectivamente, como mínimo, de una cavidad en un estado de cierre de la misma. El par de puertas deslizantes opuestas sella, si existe solamente una cavidad, esta cavidad. Si está dispuesta más de una cavidad, el par de puertas deslizantes opuestas puede sellar asimismo al mismo tiempo más de una (pero no necesariamente todas) estas cavidades a la vez.
Normalmente, el par de puertas deslizantes opuestas está montado de modo que abran y cierren las cavidades sincronizadamente dependiendo del estado operativo.
En caso de que más de una cavidad forme parte de la unidad de separación, por ejemplo, en el caso de una disposición de cavidades, el par de puertas deslizantes opuestas está montado preferentemente para cerrar alternativamente solamente una cavidad a la vez y a continuación ser desplazado a la cavidad siguiente, y así sucesivamente, preferentemente de una manera cíclica tal como se detallará adicionalmente más adelante.
Para abrir la por lo menos una cavidad, el par de puertas deslizantes opuestas puede ser desplazado en una dirección esencialmente paralela al plano de la respectiva puerta deslizante para dejar al descubierto la abertura de aguas arriba y de aguas abajo respectivamente, y para permitir el flujo pasante del aire ambiental a través de la cavidad respectiva y de la estructura de adsorción de gas situada en ella. Para liberar el mecanismo de sellado correspondiente, el movimiento de deslizamiento de la puerta puede implicar fases en las que la puerta es levantada de la abertura correspondiente además o simultáneamente al deslizamiento.
Los mecanismos de puertas deslizantes de sellado como tales, son conocidos a partir de otras aplicaciones, sin embargo, no del sector de los procesos de separación de gas, y nunca en el caso de esta instalación concreta en la que está dispuesta no una sino más bien un par de puertas deslizantes opuestas paralelas que actúan como puertas de sellado para una cavidad que tiene una abertura de aguas arriba y de aguas abajo. De hecho, a partir de estos
otros sectores y aplicaciones son conocidas puertas de mecanismos de sellado, por ejemplo, en las Patentes US2015/0157030, Gb -A-2420711 y KR-A-20110095014, en las que en cada caso una única puerta deslizante puede aislar y proporcionar acceso alternativamente a una cavidad de vacío, y en estado abierto permitir una sección totalmente sin impedimentos. No obstante, estos sistemas no están diseñados para el paso de un flujo de gas en sentido transversal a través de la cavidad de vacío y carecen en consecuencia de dicha segunda puerta y de un medio de conducción del flujo de gas.
La unidad de separación propuesta permite, en particular, proporcionar una disposición de cavidades, tal como será descrita más adelante, en la cual se utiliza un único par de puertas deslizantes para cerrar y abrir alternativamente cavidades adyacentes que contienen estructuras de adsorción y que permite un funcionamiento cíclico de las cavidades adyacentes. En dicha disposición puede ser combinado un número apropiado de cavidades, dependiendo entre otras cosas de la distribución de tiempos entre adsorción y desadsorción. Si, por ejemplo, la proporción entre las dos fases es de 2:1, una estructura en forma de una unidad de separación que contenga una disposición de tres cavidades y un par de puertas deslizantes opuestas montadas de forma que cierren alternativamente una de las cavidades en la disposición para las etapas de desadsorción mientras que las otras dos cavidades de la disposición están sometidas al paso del flujo transversal pasante del aire ambiente y al proceso de adsorción.
Preferentemente, la unidad de separación permite la evacuación de la cavidad que es entonces una cavidad de vacío, a una presión de menos de 700 mbar (absolutos), o de menos de 500 mbar (absolutos), preferentemente a una presión de menos de 300 mbar (absolutos), o a una presión de menos de 150 mbar (absolutos) o como máximo de 100 mbar (absolutos). Preferentemente, la unidad de separación en estado cerrado permite evacuar la cavidad a una presión comprendida dentro del intervalo de 500 a 10 mbar (absolutos).
Más preferentemente, la unidad de separación permite someter la cavidad a una sobrepresión (habitualmente con relación a la presión exterior normal de 1,01325 bar) de hasta 0,1 bar(g) o de hasta 0,2 bar(g) o 0,5 bar(g). Según una realización preferente de la unidad de separación propuesta, los elementos de pared superior e inferior de la, como mínimo, una cavidad están dispuestos paralelos entre sí, los elementos de pared laterales están dispuestos paralelos entre sí, y preferentemente también el par de puertas deslizantes opuestas están dispuestas paralelas entre sí.
La unidad de separación puede comprender, además, en la abertura de aguas arriba, por lo menos de una cavidad, o en el caso de más de una cavidad de la serie de cavidades, un recinto de gas de entrada en el que está situada una puerta deslizante de aguas arriba, y en la abertura de aguas abajo un recinto de gas de salida en el que está situada la puerta deslizante de aguas abajo.
Preferentemente, en caso de más de una cavidad, el recinto de gas de entrada y/o el recinto de gas de salida son comunes a todas las cavidades.
Preferentemente, aguas arriba del recinto de gas de entrada o formando la entrada del recinto de gas de entrada está dispuesto una o un conjunto de lamas preferentemente movibles y/o, por lo menos, un dispositivo de propulsión de aire o de gas, y/o aguas más del recinto de gas de salida o formando la salida del recinto de gas de salida, preferentemente en un colector de salida, está montado, por lo menos, un dispositivo de propulsión de gas o de aire, preferentemente en la forma de un ventilador, y/o está dispuesto un conjunto de lamas preferentemente móviles. Una o ambas puertas deslizantes pueden estar montadas sobre un par de carriles superior e inferior, tales como carriles en C, en los que preferentemente las puertas se desplazan en, o sobre, estos carriles con rodillos, y en los que, además, están dispuestos preferentemente medios que permiten presionar la puerta respectiva contra la cara axial correspondiente de la respectiva abertura a la posición de cierre, y distanciar de nuevo la puerta de dicha posición de sellado para permitir el deslizamiento de la puerta para liberar la abertura respectiva.
La puerta deslizante y/o la respectiva abertura de la cavidad o cavidades pueden estar dispuestas, por lo menos, con un elemento circunferencial de sellado, preferentemente en forma, como mínimo, de un anillo de sellado y/o en forma de un recubrimiento de sellado.
Los medios que permiten presionar la puerta respectiva contra la cara axial correspondiente y liberar la abertura respectiva para separar la puerta de nuevo pueden ser proporcionados, por ejemplo, por medio del par de carriles superior e inferior que están montados en un armazón o en las paredes circunferenciales de una manera que se puedan desplazar axialmente, preferentemente por medio de un accionamiento neumático.
Preferentemente, el par de puertas deslizantes es accionado por separado o conjuntamente mediante una correa montada, por ejemplo, sobre un par de poleas.
La longitud axial de la pared circunferencial, es decir, la longitud de la pared en la dirección del flujo, por lo menos, de una cavidad, es preferentemente menor que la distancia mínima de los elementos de pared circunferenciales opuestos.
La pared circunferencial puede encerrar una sección transversal rectangular o cuadrada y el par de puertas deslizantes son, en consecuencia, rectangulares o cuadradas.
El accionamiento deslizante del par de puertas puede estar dispuesto para permitir (solamente) un movimiento paralelo sincronizado por parejas de las puertas.
La unidad de separación puede comprender, además, por lo menos un elemento de estabilización, preferentemente en forma, como mínimo, de un tirante estabilizador, por lo menos en una, o preferentemente en todas las cavidades, para garantizar que la estructura es suficientemente fuerte para resistir, si se desea, las condiciones de vacío o de sobrepresión. Con el mismo propósito, por lo menos una, o preferentemente ambas puertas deslizantes pueden comprender elementos estabilizadores, preferentemente en forma de nervios, preferentemente en el lado exterior con respecto a la cavidad.
Tal como se ha indicado anteriormente, según otro aspecto particularmente preferente de la invención, se refiere a una unidad de separación con, no solo una, sino con más de una cavidad, preferentemente con una serie de cavidades, es decir, conteniendo por lo menos dos, preferentemente por lo menos tres, o por lo menos cuatro o en el intervalo de 2 a 8 o de 2 a 6 cavidades con elementos de pared circunferenciales encerrando las cavidades y alojando cada una de ellas las respectivas estructuras de adsorción de gas. Habitualmente, luego, dicho par de puertas deslizantes opuestas está montado para permitir el sellado alternativo de una cavidad de la unidad de separación, así como sucesivamente la otra u otras cavidades.
Las cavidades en dicha disposición pueden tener cualquiera de las estructuras de la cavidad tal como se ha detallado anteriormente, es decir, pueden tener una forma de sección que sea rectangular, triangular, cuadrada, hexagonal, octagonal o redonda, y preferentemente todas las cavidades de la unidad de separación tienen la misma forma y dimensión de sección transversal para permitir el sellado de cada una de ellas con el mismo par de puertas de sellado opuestas de forma alternativa.
Una ventaja de esta solución con respecto al estado actual de la técnica es que la infraestructura del par de puertas de sellado opuestas móviles puede ser utilizada para muchas cavidades, permitiendo ahorros de costes y mejoras de fiabilidad frente a las múltiples puertas o tapas. Además, comparada con las invenciones de la técnica anterior que desplazan la estructura de separación de gas al interior y al exterior de las cámaras de regeneración, la complejidad y la sensibilidad del elemento móvil es muchísimo menor reduciendo de esta manera el riesgo. Todavía más, en los procedimientos de regeneración que utilizan un cambio térmico, las puertas permanecen calientes cuando son desplazadas entre las cámaras de regeneración reduciendo de este modo la masa térmica efectiva de la regeneración y por consiguiente la demanda de energía. Todavía otra ventaja sorprendente de esta invención frente a los dispositivos de la técnica anterior aplicados a los procesos de cambio de presión y temperatura es la cantidad de material estructural de la cavidad por unidad de volumen encerrado, que debido a las paredes de separación comunes, la puerta común y las paredes circunferenciales que se estabilizan mutuamente, es significativamente menor en esta invención que en cualquier dispositivo de la técnica anterior y conduce a ahorros significativos de coste, complejidad y energía en los procesos de cambio térmico. Finalmente, comparada con las aplicaciones de flujo pasante de la técnica anterior, el beneficio claro de la invención es que está disponible la totalidad de la sección transversal de la cavidad como área de paso del flujo sin los impedimentos comunes de aletas, tapas, válvulas u otras limitaciones al flujo. En consecuencia, dada una “estimación” permisible de caída de presión, este valor total puede ser aplicado a la estructura de adsorción de gas mantenida en la cavidad a través de la cual fluye el gas con el resultado de unos volúmenes de flujo de gas mayores y en la aplicación de la separación de gas a una proporción más elevada de absorción de los productos relevantes.
En dicha disposición, las cavidades de la disposición pueden estar dispuestas unas adyacentes a las otras, en una o varias filas, y los elementos de pared circunferenciales de las cavidades adyacentes pueden estar formados mediante paredes de separación comunes. Preferentemente, las cavidades de la disposición están dispuestas en una única fila horizontal o vertical y directamente adyacentes unas a las otras.
Dicha disposición de cavidades está preferentemente unida o abarca una sola unidad de evacuación común y/o una sola unidad de calentamiento común, y/o una sola unidad de recogida común del dióxido de carbono, y/o un solo accionamiento común en el lado de aguas arriba y en el lado de aguas abajo para las puertas, y/o un solo conjunto de lamas en el lado de aguas arriba, común en todos los casos a todas las cavidades, mientras que preferentemente está dispuesto para cada cavidad un dispositivo de propulsión del aire controlable individualmente en el lado de aguas arriba y/o en el lado de aguas abajo.
Habitualmente, dicha disposición de cavidades contiene un único armazón que forma los elementos de pared circunferenciales de todas las cavidades.
Tal como se ha indicado anteriormente, según un aspecto particularmente preferente de la invención, se refiere a una disposición de dos unidades de separación tal como se ha detallado anteriormente, en la que dos unidades de separación están dispuestas en una orientación en V, estando orientadas las respectivas aberturas de aguas arriba
orientadas hacia abajo o en una dirección oblicua lateral/hacia abajo y estando orientadas las respectivas aberturas de aguas abajo hacia arriba o en una dirección oblicua lateral/hacia arriba y orientadas de un modo oblicuo la una con respecto a la otra, y estando, por lo menos, un par de dispositivos de propulsión de gas o de aire dispuestos preferentemente para propulsar el aire ambiente que circula a través de las unidades de separación en una dirección verticalmente hacia arriba.
La unidad de separación puede estar orientada de este modo en dirección hacia abajo con la cara normal orientada entre 30° y 60° hacia abajo, opcionalmente con unidades de separación vecinas que están en contacto unas contra otras con simetría especular horizontal. De esta manera la estructura de separación de gas en particular está protegida contra la precipitación y caída de impurezas atmosféricas, hojas, nieve, etc. Además, en la orientación inclinada, la diagonal formada por la profundidad axial y la altura de las dimensiones máximas de la envoltura puede ser utilizada lo mejor posible para el mayor flujo posible a través de la sección transversal.
Además, la presente invención se refiere a un procedimiento de funcionamiento de una unidad de separación o de una disposición, como se ha detallado anteriormente, en la que el par de puertas deslizantes está posicionado para sellar una cavidad de la disposición mientras que las demás cavidades de la disposición están abiertas al flujo transversal al aire ambiente, la cavidad sellada está sometida a unas condiciones de modo que desadsorbe y extrae el dióxido de carbono, mientras que las otras cavidades son accionadas por dispositivos de propulsión del aire para adsorber el dióxido de carbono del aire ambiente que pasa a su través, y una vez finalizada la desadsorción en la cavidad sellada, el par de puertas deslizantes es desplazado a la cavidad siguiente, preferentemente la cavidad de la disposición que ha estado sometida a la adsorción del aire ambiente durante más tiempo en dicho momento para sellar esa cavidad siguiente, y a continuación esta cavidad siguiente es sometida a unas condiciones de modo que desadsorbe y extrae el dióxido de carbono mientras que las otras cavidades son accionadas por dispositivos de propulsión del aire para adsorber el dióxido de carbono del aire ambiente, en la que preferentemente esta secuencia de etapas continúa de manera análoga para sellar y extraer secuencialmente todas las cavidades de la disposición y para iterar cíclicamente la secuencia de etapas de adsorción y desadsorción igual al número de cavidades de la disposición, por lo menos una vez, preferentemente, por lo menos, 100 veces o, por lo menos, 500 o 1000 veces. Por último, pero no menos importante, la presente invención se refiere a la utilización de una unidad de separación, o de una disposición como la detallada anteriormente, o de un procedimiento según el párrafo anterior, para la separación de dióxido de carbono y/o de vapor de agua del aire ambiente.
El objetivo de la presente invención es por consiguiente dar a conocer un sistema DAC basado en unidades de flujo pasante que ofrecen la mayor área posible de flujo pasante sin obstrucciones, siendo sellable individualmente para procesos de separación de gases, que tengan una masa térmica lo más baja posible y capaces de ser agrupadas de manera efectiva en unidades repetitivas.
De este modo, se presenta una unidad de separación para la separación de gases que encierra por lo menos uno y preferentemente una serie de espacios cerrados denominados cavidades, estando separadas dichas cavidades unas de otras por medio de paredes de separación y, además, cerradas con paredes circunferenciales transversales, que tienen, además, como mínimo un par de puertas axiales con una puerta de cada par en las caras de entrada y salida de gas de la unidad, respectivamente, en la que dichas puertas pueden desplazarse por parejas y en sentido transversal entre las cavidades, sellando el espacio que encierran y permitiendo que el gas pase a través de las cavidades que ya no aíslan, en la que el espacio del interior de las cavidades puede estar ocupado por una estructura de adsorción de gas a través de la cual pasa un flujo de gas para la adsorción del componente a separar. En los casos de una sola cavidad, la unidad de separación y la cavidad están formando sustancialmente el dispositivo.
En los casos en los que la unidad de separación debe permitir la evacuación de la cavidad a presiones menores que la atmosférica, se entiende que la estructura, si permanece en un entorno a la presión atmosférica ambiente (alrededor de 1 atm, es decir, unos 101,325 kPa) es capaz de resistir una presión interna de unas presiones por debajo de 1000 mbar (absolutos), siendo preferentemente capaz de resistir una presión interna de 700 mbar (absolutos), o de 500 mbar (absolutos), o de 100 mbar (absolutos), o más preferentemente de menos de 10 mbar (absolutos). De este modo, la estructura está dispuesta para ser capaz de resistir presiones, por ejemplo, dentro del intervalo de 5 a 350 mbar (absolutos) o de 5 a 200 mbar (absolutos) o incluso por debajo de, por ejemplo, 10 mbar (absolutos) o 5 mbar (absolutos). De este modo, la estructura es preferentemente capaz, en general, de resistir diferencias de subpresión entre el exterior y el espacio interior dentro del intervalo de -0,3 bar(g) o de -0,5 bar(g), preferentemente -0,95 bar(g) o -0,99 bar(g), o incluso -0,9999 bar(g), tan próximas o incluso alrededor de -1 bar(g), así como unas diferencias de sobrepresión de hasta 0,1 bar(g) o hasta 0,5 bar(g).
En la anterior descripción, por axial se entiende la dirección global del flujo de gas a través de la unidad de separación que podría ser en cualquier dirección que atraviese la dirección de profundidad de la unidad de separación, incluyendo desde la parte inferior a la superior de la unidad o de manera similar desde la parte superior a la inferior y todas las demás variantes, independientemente de si el flujo cambia localmente de dirección en la unidad, transversal significando sustancialmente perpendicular al flujo global de gas a través de la unidad de separación y de la cavidad, independientemente de desviaciones de la dirección local del flujo y por consiguiente
puede significar sustancialmente horizontal o vertical o en realidad cualquier dirección intermedia. Además, en la descripción anterior por separación de gas se debe entender la separación de especies químicas gaseosas miscibles de una mezcla gaseosa y abarca, por lo tanto, corrientes gaseosas tales como de aire, de gases de combustión, gases biológicos o geotérmicos o en realidad cualquier mezcla gaseosa. Las puertas móviles pueden tener unas dimensiones características de 0,6 m x 0,6 m x 0,05 m (anchura, altura y grosor) hasta de 12 m x 3,8 m x 0,3 m, preferentemente de 2 m x 2 m x 0,14 m y pueden, como la pared circunferencial que forma las cavidades, ser fabricadas de metales (en particular de aluminio, hierro, acero, acero inoxidable, acero al carbono), productos compuestos, cerámica o plásticos o combinaciones de los mismos. De manera similar, con la cavidad no sellada del flujo de gas por medio de la puerta móvil, es decir, cuando está abierta al flujo de gas, se caracteriza por una sección transversal del flujo que pasa de dimensiones características desde entre 0,55 m x 0,55 m hasta 11,75 m x 3,8 m y con una profundidad, la extensión axial de la cavidad, de entre 0,1 m y 1,8 m, preferentemente entre 0,2 m y 1,2 m. En conjunto, las dimensiones de la envoltura de una unidad de separación incluyendo las puertas pueden estar limitadas sustancialmente a las de contenedores de transporte altos de la norma ISO 668, permitiendo de este modo un transporte estandarizado económico. Un experto en la materia debe comprender que dichas unidades de separación pueden ser combinadas para formar sistemas mayores mediante la colocación de múltiples unidades de separación juntas y que funcionen como una sola planta.
Las puertas móviles y las cavidades pueden ser circulares, hexagonales, o rectangulares en sección transversal y, opcionalmente, las puertas pueden tener nervios de refuerzo para impedir una deformación excesiva bajo las cargas de presión, en las que dichos nervios pueden tener una separación de 50 a 500 mm y un grosor del nervio de 2 a 20 mm.
En particular, en el caso de puertas y cavidades rectangulares, el plano de las caras axiales a la entrada y a la salida de la unidad de separación puede ser reforzado con tirantes de tensión cruzados, tales como cables, cadenas, varillas o listones, pero sin estar limitados a ellos, que abarcan el área del flujo pasante y están fijados a la estructura de soporte de la carga, las paredes circunferenciales y de separación de la cavidad, en la que la reducción del flujo por esta característica comparado con la sección total de la cavidad es menor del 10 %, preferentemente menor del 1 % del área de flujo pasante de la cavidad. De esta manera, bien conocida en la construcción de entramados, se puede evitar la basculación transversal de la unidad de separación bajo cargas de presión o cargas resultantes de su propio peso. En otra realización preferente de este mismo aspecto, la estructura de separación del gas puede estar fijada a una cavidad a lo largo de su pared circunferencial y de separación, teniendo, además, opcionalmente la circunferencia interior de la cavidad un malla de alambre o de plástico que no soporta cargas o un material sustancialmente permeable al gas con poros dentro del intervalo de 0,5 a 10 mm. De esta manera, las cargas de basculación pueden ser soportadas por la estructura de separación del gas sin requerir otra estructura de estabilización impidiendo de este modo la deformación de toda la unidad de separación, pero permitiendo una mayor profundidad de la estructura de separación del gas en la cavidad dado que no deben ser previstas mayores profundidades para las estructuras de estabilización.
Las puertas pueden ser movidas por parejas en la dirección transversal mediante diferentes tipos de sistemas de accionamiento que incluyen, pero no están limitados a, cadenas, ruedas dentadas o cabrestantes con motores paso a paso u otros motores con los que la posición de las puertas es controlada para detenerla en la cavidad que debe ser aislada.
Las caras de entrada pueden estar provistas de un recinto para el gas que tenga las dimensiones de las dimensiones características de la unidad de separación y una profundidad justo algo mayor que la de la puerta móvil y caracterizadas por un conjunto de placas inclinadas (lamas) que se extienden a lo largo de la totalidad de las longitudes transversales de la unidad de separación o de la disposición desde el lado del flujo de gas de entrada con el plano principal inclinado de 30° a 60° hacia abajo desde la horizontal, u opcionalmente ajustable desde la horizontal hasta una posición totalmente vertical. De esta manera, las lamas pueden cerrar de forma efectiva la entrada de gas de la unidad de separación.
Un ventilador para propulsar el movimiento del gas, preferentemente el aire atmosférico, puede estar colocado en la pared axial de un recinto de gas, preferentemente en el lado de salida del gas de la unidad de separación en la que el área mínima del flujo pasante de las secciones del recinto es como mínimo del 20%, preferentemente un mínimo del 50% de la sección transversal del flujo de una cavidad no aislada y dicho recinto es hermético al gas para el flujo de gas pero no para unas diferencias de presión mayores de 1000 Pa en las que no se produce una separación adicional del flujo de gas y en las que dicho recinto puede estar fabricado de un material tal como metales, plásticos, materiales compuestos o cerámica y opcionalmente reforzados interiormente contra las cargas exteriores tales como nieve, hielo, lluvia, viento, etc.
Una o ambas puertas móviles pueden estar provistas de un anillo de contacto que encierre una forma con la misma forma que la cavidad, pero teniendo una dimensión característica justo algo mayor que la de la cavidad y que, en un estado de aislamiento, dicho anillo entre en contacto en dirección axial con la cara axial de la unidad de separación. Dicho anillo de contacto puede estar provisto en su superficie axial de un elemento elástico de sellado en todo su perímetro, tal como una junta tórica, un perfil de sellado sobre un perfil de borde, un perfil de sellado fijado mediante adhesivo o cualesquiera perfiles corrientes de sellado de gases. El elemento elástico de sellado tiene un diámetro
cordal de 2 a 25 mm, preferentemente dentro del intervalo de 3 a 15 mm. Asimismo, la totalidad o partes de la cara axial de la puerta, axialmente opuestas a la cara axial de la cavidad, pueden estar recubiertas con un material elástico. Una ventaja de esta realización preferente es que no es necesario fabricar una estructura explícita de sellado (es decir, una ranura para el anillo tórico) lo cual permite ahorros de coste. Otra ventaja de esta realización preferente es el aislamiento térmico que permite dicho recubrimiento, reduciendo de este modo la masa térmica efectiva de la puerta en un ciclo de adsorción/desadsorción por cambio de temperatura.
Por lo menos, puede estar previsto un accionamiento para establecer un sellado de las puertas móviles en las paredes axiales de la cavidad sobre las puestas móviles y acoplarlo con pestillos, palancas o carriles en la unidad de separación, trasladando de este modo axialmente las puertas hacia las paredes axiales exteriores de la unidad de separación, afectando de esta manera al sellado hermético al gas. Preferentemente, estos dispositivos pueden incluir, pero no están limitados a, accionamientos neumáticos o hidráulicos o solenoides con los que preferentemente el gas puede ser evacuado desde cada cavidad por medio de cualquier sistema de vacío corriente para conseguir presiones de menos de 1000 mbar (absolutos), preferentemente de menos de 200 mbar (absolutos), en donde en otra realización preferente del dispositivo, una rápida aplicación inicial de un sistema de vacío puede proporcionar una aspiración suficiente para realizar el sellado inicial y permitir una evacuación adicional.
La unidad de separación puede comprender, además, elementos de entrada/salida para fijar, por lo menos, una bomba de vacío y/o para la extracción de gases y/o de líquidos de la cavidad y/o para la introducción de otros medios de proceso, en particular agua y/o vapor de agua en las cavidades de la unidad de separación aisladas por la puerta, en la que pueden ser fijados preferentemente dos elementos de entrada/salida por cavidad que tengan unas dimensiones de DN40 a DN500 en las paredes circunferenciales horizontales de la unidad de separación en las que, además, opcionalmente dichos elementos de entrada/salida están conectados, además, a cabezales que recorren toda la longitud de una sola unidad de separación, conectando de este modo todas las cavidades en dicha unidad de separación.
La utilización de una unidad de separación, como se ha descrito anteriormente, puede ser para un proceso de captura directa de dióxido de carbono que implica el ciclo entre la adsorción de dióxido de carbono a las presiones y temperaturas atmosféricas ambientales y la desadsorción del dióxido de carbono a una presión reducida por debajo de la presión ambiental atmosférica, preferentemente a un nivel de presión de como máximo 1200 mbar (absolutos) y con un incremento de la temperatura del material adsorbente de 60 a 130 °C, preferentemente de 80 a 120 °C.
Otras realizaciones de la invención están expuestas en las reivindicaciones dependientes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las realizaciones preferentes de la invención están descritas a continuación haciendo referencia a los dibujos que tienen el propósito de ilustrar las actuales realizaciones preferentes de la invención y no el propósito de limitarlas. En los dibujos,
la figura 1 muestra una sección transversal de una unidad de separación/una disposición en dos orientaciones posibles: (a) una sola unidad de separación alineada verticalmente, y (b) una disposición de dos unidades de separación inclinadas que están en contacto de forma simétrica;
la figura 2 muestra una vista, en perspectiva, de una unidad de separación que contiene una disposición de seis cavidades y un par de puertas trasladables horizontalmente (solamente se muestra la frontal) y sin estructuras de adsorción de gas para mostrar la posición de la puerta móvil, de las cavidades y de las lamas;
la figura 3 muestra una vista, en perspectiva, de una unidad de separación que contiene una disposición de seis cavidades y un par de puertas trasladables horizontalmente (solamente se muestra la frontal) sin estructuras de adsorción de gas y con diferentes estabilizadores sobre/en las cavidades individuales;
la figura 4 muestra la distribución de la caída de presión a lo largo de la dirección del flujo de aire para una unidad DAC de la técnica anterior y de esta invención;
la figura 5 muestra detalles de un mecanismo para el movimiento transversal de una puerta deslizante entre las cavidades individuales de una disposición en el interior de una unidad de separación;
la figura 6 muestra detalles de un mecanismo para proporcionar un sellado hermético al gas entre la puerta y la cara axial de la unidad de separación; y
la figura 7 muestra el incremento de presión en el interior de una cavidad de una unidad de separación con unas puertas móviles funcionando bajo repetidas evacuaciones por vacío y que lleva más de 1000 ciclos.
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES PREFERENTES
La figura 1a muestra una sección vertical de una unidad de separación 1 utilizada, por ejemplo, para la captura directa del aire de CO2 atmosférico, en la que el flujo de aire 2 a través de la unidad de separación 1 es sustancialmente horizontal. El flujo de aire 2 pasa a través de las lamas 9, a través de un primer recinto 6 de gas de entrada, a través de la abertura de aguas arriba 31 en la cara axial de aguas arriba 13a y hacia una cavidad 3 que contiene una estructura 4 de adsorción de gas, antes de pasar a través de una abertura de aguas abajo 32 situada en la cara axial de aguas abajo 13b a un segundo recinto 7 de gas de salida y al exterior de la unidad de separación como el flujo de aire de salida 2+, accionado por medio de un ventilador 8 montado en el interior o en el colector de salida 33.
Una tubería de recogida 10 de entrada y salida está conectada mediante la tubería 11 de entrada y salida a los elementos de entrada/salida de una cavidad individual 3 y en este ejemplo están incluidos o unidos a una pared circunferencial inferior 5a de la unidad de separación 1.
Asimismo, es posible inclinar 90° la unidad de separación mostrada en la figura 1a, de modo que el flujo de aire a través de la unidad de separación 1 es sustancialmente vertical tanto en la dirección del flujo hacia arriba como hacia abajo.
Otra posible orientación de la unidad de separación 1 está mostrada en la figura 1b. En este caso, el flujo de aire de salida 2+ es sustancialmente vertical y la unidad de separación 1 está orientada en ángulo con respecto a la dirección vertical (inclinada). Dicha unidad de separación 1 puede estar combinada con otra unidad de separación 1 ’ con simétrica especular horizontal y con la que está en contacto.
En este caso, las lamas 9 pueden ser suprimidas y el flujo 2 de aire de entrada puede acceder directamente a través del recinto 6 de entrada, a la abertura de aguas arriba 31 en la cara axial de aguas arriba 13a y a la estructura 4 de adsorción de gas en el interior de la cavidad 3.
Un recinto 7 de gas de salida sustancialmente triangular que se inicia en la cara axial de aguas abajo 13b situada en la abertura de aguas abajo 32 está dispuesto de modo que permite el área de salida necesaria y un dispositivo de propulsión, en este caso un ventilador 8, está alojado a la salida del recinto 7 de gas de salida en un colector 33 de salida.
En la figura 1b, se muestran dos recintos 7 y 7’de salida; sin embargo, los dos recintos 7 y 7’ de salida pueden estar también combinados como un recinto de salida conjunto, es decir, sin pared de separación entre ellos y en vez de dos dispositivos de propulsión (8, 8’) o dos filas correspondientes de dispositivos de propulsión (8, 8’) en la dirección de la visión, podría haber asimismo un solo dispositivo de propulsión centrado (o una fila de dispositivos de propulsión en la dirección de la visión).
Al igual que en la figura 1a, la unidad de separación 1 está conectada con la tubería de recogida 10 de entrada y salida conectada mediante la tubería de conexión 11 de entrada y salida a la cavidad 3 o a la pared circunferencial inferior 5a.
Se debe comprender que el par de puertas deslizantes móviles 12 no se muestran en estas vistas de la figura 1, ya que no están en el plano de la sección mostrada. Ellas se moverían dentro de los recintos de entrada 6 y de salida 7, estarían orientadas perpendicularmente a las direcciones 2 y 2+ del flujo de aire de entrada, y en el caso de la disposición de la figura 1b, las puertas deslizantes móviles de aguas arriba están situadas en el recinto de entrada 6 y 6’, y las puertas deslizantes móviles de aguas abajo están dispuestas paralelas a las puertas deslizantes móviles de aguas arriba en la zona 27 de la puerta deslizante del recinto 7 de salida de gas esencialmente directamente más abajo de la estructura 4 de adsorción de gas.
Además, en las figuras 1a y 1b, se muestran las unidades de separación 1, 1’ respectivamente, con solo una cavidad 3 cada una, pero normalmente existen por lo menos dos cavidades por unidad de separación, adyacentes y esencialmente una junto a otra en una dirección paralela a la dirección de visión. Además, este concepto se puede extender a cualquier número de unidades de separación mediante el apilado de unidades en caso de una disposición alineada verticalmente, o de unidades que estén en contacto en el caso de la disposición inclinada. En particular, en el caso de la disposición de la figura 1b, si se utilizan como mínimo dos cavidades para cada unidad de separación, los recintos 7 y 7’ de salida (o el recinto de salida conjunto, tal como se ha descrito anteriormente) pueden estar formados de modo que formen un recinto de salida conjunto (o dos en paralelo) sobre cada unidad de separación y en este caso los dispositivos individuales de propulsión del aire no es necesario que estén asignados cada uno de ellos a una cavidad y el número de dispositivos de propulsión del aire por unidad de separación no tiene que coincidir necesariamente con el número de cavidades en dicha unidad de separación.
La figura 2 muestra una vista, en perspectiva, de una posible unidad de separación 1 que contiene una disposición 28 de seis cavidades adyacentes 3 formadas por las paredes circunferenciales 5a, 5b y 5c, siendo la última en caso
de cavidades adyacentes proporcionadas por las paredes de separación 14, en las cuales, en la representación, la segunda cavidad desde la izquierda está sellada por medio de un par de puertas móviles de forma cuadrada (solamente se muestra la puerta de aguas arriba 12a) situadas en el recinto de entrada, y las cinco cavidades restantes están sometidas a un flujo de gas 2 que pasa en este caso a través de las lamas 9 fijadas a una pared lateral 29 y accionado por medio de un ventilador 8. La puerta de aguas abajo 12b (no mostrada) está situada en el recinto 7 de aguas abajo. En la base de la unidad de separación, o en la pared circunferencial inferior 5a está dispuesto un par de tuberías 10 de recogida de entrada y salida como medio de transporte hacia o desde las cavidades individuales 3.
En esta realización concreta preferente, las paredes laterales de cada una de las cavidades 3 tales como las mostradas están fabricadas de acero, o de acero inoxidable, o de acero al carbono de un grosor de 8 mm y tienen una longitud axial (en la dirección del flujo pasante) del orden de 1,8 m. Las cavidades tienen en este caso una altura interior de 2,1 m normalmente y una anchura interior de 2,1 m. La puerta deslizante puede ser realizada con unas dimensiones de altura y anchura de 2,2 m x 2,2 m fabricada de acero, acero inoxidable o acero al carbono con un grosor del material de 8 mm, teniendo unos nervios de 0,16 m de altura con un grosor de material de 5 mm estando dichos nervios soldados a la placa de la puerta con una separación de 0,2 m entre nervios en ambos ejes del plano de la puerta.
La unidad de separación 1, tal como se muestra en la figura 2, puede ser accionada tal como sigue: en este escenario como aparece en esta figura, la segunda cavidad desde la izquierda está sellada por medio de la puerta deslizante de aguas arriba 12a y la puerta deslizante de aguas abajo 12b . La tubería de entrada 11 está cerrada por medio de una válvula y la tubería de salida 11 es utilizada para evacuar dicha cavidad. Al mismo tiempo, esta cavidad puede ser calentada, lo cual puede tener lugar mediante la introducción de un líquido de calentamiento en la tubería correspondiente situada en la cavidad y/o en la estructura 4 de adsorción de gas y/o mediante la introducción de vapor de agua caliente por una tubería de entrada 11.
Asimismo, es posible durante, después, o en vez de la evacuación y/o del calentamiento, la introducción de vapor de agua o de otros gases como un flujo de gas de purga, y para la extracción del dióxido de carbono se utiliza la tubería de salida 11 y el dióxido de carbono es extraído de la cavidad. Por consiguiente, la extracción del dióxido de carbono puede ser llevada a cabo con o sin vacío dependiendo de la configuración del proceso. Mientras tiene lugar este proceso, en la segunda cavidad desde la izquierda, el ventilador 8 de la segunda cavidad desde la izquierda no está funcionando, o, preferentemente funciona a una velocidad reducida, tal como se describirá más adelante, mientras los demás ventiladores están funcionando, y la primera cavidad desde la izquierda y las cuatro cavidades de la derecha están abiertas al flujo pasante y para la adsorción del dióxido de carbono.
Una vez finalizada la etapa de extracción del dióxido de carbono en la segunda cavidad desde la izquierda, y, opcionalmente se ha permitido a la segunda cavidad desde la izquierda alcanzar de nuevo la temperatura ambiente y/o la presión ambiente, el par de puertas deslizantes es desplazado para cubrir, por ejemplo, la primera cavidad desde la izquierda y son manipuladas para sellar dicha primera cavidad desde la izquierda. Se reduce el caudal del ventilador de la primera cavidad desde la izquierda, mientras que se aumenta el del ventilador de la segunda cavidad desde la izquierda. Esta reducción de potencia de los ventiladores vecinos a la cavidad de adsorción activa sin una detención completa es preferente ya que en otro caso el aire podría ser aspirado en el recinto 7 de salida a través del ventilador detenido, reduciendo la toma de adsorbato.
A continuación, las operaciones tal como han sido descritas anteriormente en el caso de la segunda cavidad desde la izquierda son llevadas a cabo para la primera cavidad desde la izquierda, mientras que las otras cavidades están sometidas al flujo pasante para la adsorción de dióxido de carbono del aire ambiente. En el ciclo siguiente, normalmente el par de puertas deslizantes es desplazado para sellar la cavidad en la posición más a la derecha en la ilustración, asumiendo que es la cavidad que ha estado expuesta al paso del flujo de aire ambiente durante un periodo de tiempo más largo en este momento.
El ciclo continúa de modo que las puertas deslizantes después de haber sellado la primera cavidad desde la derecha, se desplazan a continuación a la segunda cavidad desde la derecha y sellan dicha cavidad, a la tercera cavidad desde la derecha y así sucesivamente. De este modo, tiene lugar un proceso cíclico en el que están presentes tan pocos elementos estructurales como sea posible para el funcionamiento con tantas cavidades de adsorción como sea posible, en un modo óptimo considerando que habitualmente la etapa de adsorción precisa más tiempo que las etapas de desadsorción. En realidad, el número de cavidades dispuestas en dicha disposición puede ser adaptado a la proporción temporal para la adsorción y la desadsorción. Si, por ejemplo, la adsorción y la desadsorción precisan la misma cantidad de tiempo, una disposición de dos cavidades adyacentes la una a la otra puede ser lo más adecuado. El funcionamiento óptimo de más adelante, tal como el mostrado en la figura 2 se da si la proporción temporal para la adsorción y la desadsorción es de 5:1.
La figura 3 muestra detalles de una variante del elemento 30 del armazón de una posible unidad de separación 1 que contiene una disposición 28 de seis cavidades 3 separadas por medio de paredes de separación 14 y encerradas de este modo cada una por las paredes circunferenciales 5a, b, y c con un par de puertas móviles 12a y b (solamente se muestra la puerta de aguas arriba) que están en contacto con las caras de aguas arriba y de aguas
abajo 13a y b, respectivamente, para el sellado, sellando en este caso la segunda cavidad desde la izquierda. En algunas de las cavidades están mostradas diferentes realizaciones de estabilizadores 15 basados en construcciones de refuerzo formadas por diversas combinaciones de tirantes cruzados fijados en la cavidad 3 a las paredes circunferenciales 5 y de separación 14 o, como en la primera cavidad desde la izquierda, una lámina permeable al gas que abarca la sección transversal de la cavidad puede ser también un elemento de la estructura de adsorción de gas. De forma opcional, dependiendo de la gama de presiones requeridas y del tamaño de la unidad de separación 1, pueden no ser precisos estabilizadores como en la cavidad situada más a la derecha.
Las figuras 4a y b muestran las posiciones significativas (0 - iv) para el estudio de la caída de presión bajo las condiciones de un flujo de aire 2 para una unidad DAC de la técnica anterior y la unidad de separación de esta invención, respectivamente. La figura 4c) muestra los perfiles de presión resultantes para las dos unidades funcionando con los mismos ventiladores 8 y las mismas estructuras 4 de adsorción de gas. Ambas unidades empiezan aspirando aire a la presión atmosférica en el punto 0, sin embargo, la inclusión del conducto en la unidad a) de la técnica anterior produce inmediatamente una caída de presión mientras que la unidad de esta invención mantiene el nivel de presión virtualmente sin cambios hasta el punto i en donde el aire choca con la estructura 4 de adsorción de gas. Sobre la estructura de adsorción de gas (puntos i - ii) la principal caída de presión se produce antes de que el ventilador 8 aumente la presión de nuevo al nivel atmosférico. Debido a que el ventilador 8 de la unidad a) debe vencer una caída de presión compuesta de la de la estructura 4 de adsorción de gas y de los conductos, incluyendo tapas, dispositivos de accionamiento y limitaciones de flujo, el flujo de aire resultante está definido por una caída de presión compuesta y en consecuencia es mayor que en el caso b), en donde el ventilador debe sustancialmente vencer solamente la caída de presión de la estructura de adsorción de gas. En consecuencia, el flujo de aire en el caso b) y la velocidad de captación de CO2 son mayores que en el caso a).
La figura 5 muestra detalles de un posible mecanismo de accionamiento de una unidad de separación 1 para el movimiento transversal de una puerta 12, en este caso, entre tres cavidades 3 de una disposición 28 en la que las dos cavidades 3 exteriores están sometidas a un flujo de aire 2 propulsado cada una de ellas por un ventilador 8. La puerta 12 está guiada y conducida en unos carriles superior e inferior 16 fijados al armazón 30 de la disposición 28 para limitar su movimiento solamente en la dirección transversal y unidos, además, a una correa de accionamiento 18 por medio de uno o de un par de pestillos 20. La correa 18 se desplaza sobre dos poleas 17 en las que por lo menos una polea es accionada por un motor eléctrico paso a paso 19. La puerta 12, tal como se indica, puede moverse hacia la izquierda, así como hacia la derecha.
La figura 6 muestra detalles de un posible mecanismo para el sellado de una puerta móvil 12 contra la cara de aguas arriba 13 del armazón de la unidad de separación 1. En esta figura la unidad está representada desde el lado y solamente muestra la puerta móvil de aguas arriba 12a que tiene unos rodillos superior e inferior 21 alojados en carriles 16 en forma de C fijados por medio de una varilla 22 a un accionamiento neumático 23 que está fijado, además, por medio de un soporte en L 24 a la pared circunferencial 5 de la unidad de separación 1 en la que el retroceso del accionamiento neumático 23 empuja el carril en C 16 y en consecuencia la puerta de aguas arriba 12a hacia la cara de aguas arriba 13a que entra en contacto con el anillo de sellado 26 (mostrado en una vista en sección) con la cara de aguas arriba 13a y proporcionando el sellado para sellar la cavidad 3 interior a la unidad de separación 1. Los carriles en C 16 están soportados y guiados, además, en su movimiento por medio de un par de varillas 25 que forman un sistema articulado de 4 barras. Aunque solamente se muestra una puerta (solamente en un lado de la unidad de separación, por ejemplo, en este caso el lado de aguas arriba de entrada de gas), se debe comprender que el mismo mecanismo con simetría especular puede ser aplicado al otro lado de la unidad de separación.
La figura 7 muestra los resultados de un ensayo a largo plazo de una posible disposición de una unidad de separación consistente en una puerta móvil de dimensiones 2,2 x 2,2 m y una disposición de dos cavidades de vacío. El par de puertas fue desplazado repetidamente entre las cavidades por medio de un accionamiento de correa con un sellado que está establecido en las caras axiales de la unidad de separación con un conjunto de accionamientos neumáticos. Además, la cavidad fue evacuada de la presión atmosférica a 100 mbar (absolutos) seguido de un mantenimiento de la presión durante 15 minutos antes de que la cavidad fuera presurizada de nuevo, siendo desplazada la puerta a la segunda cavidad y repetida la evacuación y el mantenimiento de la presión. La unidad de separación funcionó en un entorno ambiental atmosférico durante más de 1000 ciclos, mostrando la figura 7 el incremento final en la presión a la finalización del mantenimiento de la presión, es decir, las fugas de aire en la cavidad de vacío evacuada. En primer lugar, se ve que este aumento es en todos los ciclos menor de 10 mbar y se sitúa totalmente dentro de los límites designados para el sistema, y en segundo lugar el aumento permanece virtualmente sin cambios entre el primer y el último ciclo demostrando la estabilidad cíclica y la solidez de la unidad de separación.
Ejemplo 1. Cantidad de material e intensidad de material en el caso de un dispositivo de captura directa de aire por cambio de temperatura y de vacío.
La Tabla 1 muestra la cantidad de material y la intensidad de material de una posible realización de una unidad de separación que contiene una disposición de seis cavidades adyacentes con un par de puertas deslizantes horizontalmente. Esto se compara con un dispositivo de separación que consiste en seis unidades individuales de la
técnica anterior según la Patente WO-A-201585434. Ambas variantes están realizadas en este ejemplo dentro de las dimensiones de la envoltura de un contenedor de transporte de 40 pies según ISO 668.
Tabla 1
Se ve que esta invención tiene un 40 % menos de intensidad de material (en donde la intensidad de material describe la cantidad específica de material estructural necesario para encerrar un determinado volumen que puede ser utilizado para la estructura de adsorción) que conduce a un ahorro de costes significativo en la fabricación. Además, en particular, en caso de procesos de captura directa de aire que utilizan cambios de temperatura, la correspondiente reducción de masa térmica representa un ahorro de energía significativo.
Lista de signos de referencia
1 unidad de separación 13b cara axial de aguas abajo
2 flujo de entrada de gas/aire 14 paredes de separación
2+ flujo de salida de gas/aire 15 estabilizadores
3 cavidad 16 carril, por ejemplo, carril en C
4 estructura de adsorción de gas 17 polea
5 paredes circunferenciales de 5 18 correa
5a pared circunferencial inferior de 5 19 motor paso a paso
20 pestillo
5b pared circunferencial superior de 5 21 rueda
22 varilla
5c pared circunferencial lateral de 5 23 accionamiento neumático
24 perfil en L
6 recinto de gas de entrada 25 varillas del sistema articulado de 4 barras 7 recinto de gas de salida 26 anillo de sellado
8 dispositivo de propulsión de aire, ventilador 27 zona de la puerta deslizante de 7
9 lamas 28 unidad de separación con disposición de 10 tuberías de recogida de entrada y salida cavidades
11 tuberías de entrada y salida a las cavidades 29 pared lateral para 6
individuales 30 armazón de la disposición 28
31 abertura de aguas arriba
12 puerta deslizante 32 abertura de aguas abajo
12a puerta deslizante de aguas arriba en 6 33 colector de salida
12b puerta deslizante de aguas abajo en 7
13a cara axial de aguas arriba
Claims (15)
1. Unidad de separación (1) para separar dióxido de carbono del aire ambiente,
en la que la unidad de separación (1) comprende
como mínimo un elemento de pared circunferencial (5) contiguo y de sellado, que encierra circunferencialmente, por lo menos una cavidad (3),
definiendo dicho como mínimo un elemento de pared circunferencial (5) contiguo y de sellado una abertura de aguas arriba (31) y una abertura de aguas abajo opuesta (32) de dicha, como mínimo, una cavidad (3),
conteniendo dicha cavidad (3) como mínimo una estructura (4) de adsorción de gas para adsorber dióxido de carbono, preferentemente bajo las condiciones de presión y/o temperatura ambiente
en la que la unidad de separación (1) comprende, además, un par de puertas deslizantes opuestas (12) para sellar la abertura de aguas arriba (31) y la abertura de aguas abajo (32), respectivamente, por lo menos, de una cavidad (3) en un estado cerrado,
y en la que cada una del par de puertas deslizantes opuestas (12), para abrir la cavidad cerrada (3), es desplazada en una dirección esencialmente paralela al plano de la respectiva puerta deslizante (12) para dejar al descubierto las aberturas de aguas arriba (31) y de aguas abajo (32) respectivamente, y para permitir el flujo del aire ambiente a través de la estructura (4) de adsorción de gas.
2. Unidad de separación (1), según la reivindicación 1, en la que la unidad de separación (1) permite la evacuación de la, por lo menos, una cavidad (3) en un estado cerrado a una presión de, como máximo, 700 mbar (absolutos) o a una presión de menos de 500 mbar (absolutos), preferentemente a una presión de menos de 300 mbar (absolutos), o a una presión de menos de 150 mbar (absolutos), o como máximo de 100 mbar (absolutos);
y/o en la que la unidad de separación (1) permite poner la, por lo menos, una cavidad (3) en un estado cerrado bajo una sobrepresión de hasta 0,1 bar (g) o de hasta 0,2 bar (g) o hasta 0,5 bar (g).
3. Unidad de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la unidad de separación comprende, por lo menos, un conjunto de cuatro elementos de pared circunferenciales (5) contiguos y de sellado, un elemento de pared inferior (5a), un elemento de pared superior (5b) opuesto y dos elementos de pared circunferencial laterales opuestos (5c) que unen los extremos correspondientes del elemento de pared superior e inferior, y que encierran circunferencialmente, por lo menos, dicha una cavidad (3), definiendo dicho conjunto de cuatro elementos de pared circunferencial contiguos y de sellado la abertura de aguas arriba (31) y la abertura de aguas abajo (32) opuesta; o en la que la unidad de separación comprende, como mínimo, un conjunto de ocho elementos de pared circunferencial (5) contiguos y de sellado, por lo menos, un elemento de pared inferior (5a), al menos un elemento de pared superior (5b) opuesto y, por lo menos, dos elementos de pared circunferencial laterales (5c) opuestos que unen los extremos correspondientes de los elementos de pared superior e inferior directamente o a través de elementos de pared oblicuos adicionales, formando preferentemente una estructura hexagonal u octagonal, y encerrando circunferencialmente dicha, por lo menos, una cavidad (3), definiendo dicho conjunto de ocho elementos de pared circunferenciales contiguos y de sellado la abertura de aguas arriba (31) y la abertura de aguas abajo (32) opuesta,
o en la que la unidad de separación comprende, por lo menos, un solo elemento de pared circunferencial (5) circular u ovalado que encierra circunferencialmente, por lo menos, un cavidad (3).
4. Unidad de separación (1), según la reivindicación 3, en la que los elementos de pared superior e inferior están dispuestos paralelos entre sí, estando los elementos de pared lateral dispuestos paralelos entre sí, y preferentemente también el par de puertas deslizantes opuestas (12) están dispuestas paralelas entre sí.
5. Unidad de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende en la abertura de aguas arriba (31) de, como mínimo, una cavidad (3), o en el caso de más de una cavidad (3), de la serie de cavidades (3), un recinto (6) de gas de entrada en el que está situada una puerta deslizante de aguas arriba (12a), y en la abertura de aguas abajo (32) un recinto (6) de gas de salida en el que está situada una puerta deslizante de aguas abajo (12b),
en la que en caso de más de una cavidad (3), por lo menos, uno de los recintos (6) de gas de entrada o el recinto (7) de gas de salida es común a todas las cavidades, y
en la que aguas arriba del recinto de gas de entrada o formando el recinto (6) de gas de entrada está dispuesto, como mínimo, uno de: una o un conjunto de lamas (9) preferentemente móviles o, por lo menos, un dispositivo de propulsión (8) de gas o aire,
y/o aguas abajo del recinto de gas de salida o formando la salida del recinto (7) de gas de salida, en un colector de salida (33), está dispuesto, por lo menos, uno de: como mínimo, un dispositivo (8) de propulsión de gas o de aire, preferentemente en forma de un ventilador, o una o un conjunto de lamas (9) preferentemente móviles.
6. Unidad de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que una o ambas puertas deslizantes (12) están montadas sobre un par de carriles (16) superior e inferior, preferentemente carriles en C, en la que preferentemente las puertas se desplazan en o sobre estos carriles (16) con rodillos (21), y en la que preferentemente, además, están dispuestos medios que permiten presionar la puerta respectiva contra la
correspondiente cara axial (13) de la abertura (31, 32) respectiva a la posición de cierre, y separar la puerta de nuevo de dicha posición de sellado para permitir el deslizamiento de la puerta para liberar la abertura (31, 32) respectiva.
7. Unidad de separación (1), según la reivindicación 6, en la que la puerta deslizante y/o la abertura (31, 32) respectiva de, por lo menos, una cavidad (3) está dispuesta, por lo menos, con un elemento circunferencial de sellado (26), preferentemente en forma, como mínimo, de un anillo de sellado y/o en forma de un recubrimiento de sellado,
y/o en la que, además, están dispuestos medios que permiten presionar la puerta respectiva contra la correspondiente cara axial (13) de la abertura (31, 32) respectiva en la posición de cierre y separar de nuevo la puerta de dicha posición de sellado para permitir deslizar la puerta para liberar la abertura (31, 32) respectiva y en la que los medios, para permitir presionar la puerta respectiva contra la cara axial correspondiente y liberar la respectiva abertura para separar la puerta de nuevo están dispuestos por medio del par de carriles superior e inferior (16) que están montados en un armazón (30) o en las paredes circunferenciales (5) de una manera que pueden ser desplazados axialmente, preferentemente por medio de un accionamiento hidráulico o neumático (23)
y/o en la que el par de puertas deslizantes está accionado cada una por medio de una correa (18) sobre un par de poleas (17).
8. Unidad de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la longitud axial del elemento o elementos de pared circunferencial (5) es menor que la distancia mínima del elemento o elementos de pared circunferencial (5) opuestos,
y/o en la que, la pared circunferencial encierra una sección rectangular o cuadrada y el par de puertas deslizantes (12) son en consecuencia rectangulares o cuadradas, y/o en la que el accionamiento deslizante del par de puertas (12) está realizado para permitir el movimiento sincronizado por parejas de las puertas.
9. Unidad de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, por lo menos un elemento de estabilización, preferentemente en forma de, por lo menos, un tirante estabilizador (15) sobre o en la, por lo menos, una cavidad (3),
y/o en la que por lo menos una, preferentemente ambas puertas deslizantes (12) comprenden elementos de estabilización, preferentemente en forma de nervios.
10. Unidad de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que contiene una disposición de por lo menos dos, preferentemente, como mínimo, tres, o, como mínimo, cuatro, o dentro del intervalo de 2 a 8, o de 2 a 6 cavidades con elementos de pared circunferenciales que encierran las cavidades (3) y alojan cada una las respectivas estructuras (4) de adsorción de gas, en la que dicho par de puertas deslizantes opuestas (12) está montado para permitir el sellado alternativo de una cavidad de la unidad de separación (1) así como de la otra u otras cavidades.
11. Unidad de separación (1), según la reivindicación 10, en la que las cavidades de la disposición están dispuestas adyacentes las unas a las otras en una o varias filas, y en la que los elementos de pared circunferencial (5) de las cavidades adyacentes están formados por medio de paredes de separación comunes (14), en la que preferentemente las cavidades de la disposición están dispuestas en una sola fila horizontal o vertical y directamente adyacentes las unas a las otras.
12. Unidad de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 10 u 11, que está unida a, o abarca solamente una unidad de evacuación común, y/o solamente una unidad de calentamiento común, y/o solamente una unidad de recogida común para el dióxido de carbono, y/o solamente un accionamiento común en el lado de aguas arriba y en el lado de aguas abajo para las puertas, y/o solamente un conjunto de lamas en el lado de aguas arriba, en cada caso común a todas las cavidades (3), mientras que preferentemente está dispuesto para cada cavidad un dispositivo de propulsión de gas o aire (8) controlable individualmente en el lado de aguas abajo, y/o que contiene un solo armazón (30) que forma los elementos de pared circunferencial de todas las cavidades.
13. Disposición de dos unidades de separación (1), según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que las dos unidades de separación (1, 1’) están dispuestas en una orientación en V, estando orientadas las respectivas aberturas de aguas arriba (31) en una dirección oblicua hacia abajo/en sentido lateral y estando orientadas las respectivas aberturas de aguas abajo (31) en una dirección oblicua hacia arriba/en sentido lateral y estando orientadas las respectivas aberturas de aguas abajo (31) de forma oblicua entre sí y estando dispuesto, preferentemente, por lo menos, un dispositivo de propulsión (8) de gas o de aire para propulsar el aire ambiente que circula a través de las unidades de separación en una dirección sustancialmente hacia arriba.
14. Procedimiento de funcionamiento de una unidad de separación (1) o de una disposición de unidades de separación, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, y que contiene una serie de cavidades, en el que el par de puertas deslizantes (12) está posicionado para sellar una cavidad de la disposición, mientras que las otras cavidades están abiertas al flujo pasante del aire ambiente, la cavidad sellada está sometida a unas condiciones de modo que desadsorbe y extrae el dióxido de carbono, mientras que las otras cavidades están accionadas por dispositivos de propulsión de gas o aire para adsorber el dióxido de carbono del aire ambiente, y una vez finalizada
la desadsorción en la cavidad sellada, el par de puertas deslizantes (12) es desplazado a la cavidad siguiente, preferentemente la cavidad de la disposición que ha estado sometida a la adsorción del aire ambiente durante el periodo de tiempo más largo, para sellar esa cavidad siguiente, y a continuación esta cavidad siguiente es sometida a condiciones tales que desadsorbe y extrae el dióxido de carbono, mientras que las otras cavidades son accionadas por dispositivos de propulsión de gas o aire para adsorber, como mínimo, el dióxido de carbono del aire ambiente, en el que preferentemente dicha secuencia de etapas continúa de manera análoga para sellar y extraer secuencialmente todas las cavidades de la disposición y para iterar cíclicamente dicha secuencia de etapas de adsorción y desadsorción igual al número de cavidades de la disposición, por lo menos una vez, preferentemente por lo menos 100 veces, o por lo menos 1000 veces.
15. Utilización de una unidad de separación, una disposición o una serie, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, o de un procedimiento, según la reivindicación 14, para la separación de dióxido de carbono y/o de vapor de agua del aire ambiente.
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