Procedimiento y sistema de separación de CO basado en absorción química

ES 2 650 963 B2 19 OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS ESPAÑA 11 21 Núme o de publicación: 2 650 963 Núme o de solici ud: 201600519 51 In . CI.: B01D 53/14 (2006.01) B01D 53/62 (2006.01) B01J 20/30 (2006.01) 12 PATENTE DE INVENCIÓN CON EXAMEN B2 54 Tí ulo: P ocedimien o y sis ema de sepa ación de CO basado en abso ción química 2 73 Ti ula /es: UNIVERSIDAD DE SEVILLA (100.0%) Sec e a iado de ans e encia del conocimien o y emp endimien o, Po. de las Delicias s/n (Pabellón de B asil) 41013 Se illa (Se illa) ES 72 In en o /es: VEGA BORRERO , Fe nando ; NAVARRETE RUBIA , Beni o ; CAMINO FERNÁNDEZ , José An onio; CANO PALACIOS , Me cedes y CORTÉS GALEANO , Vicen e Jesús 22 Fecha de p esen ación: 20.06.2016 43 Fecha de publicación de la solici ud: 23.01.2018 Fecha de la concesión: 27.04.2018 45 Fecha de publicación de la concesión: 08.05.2018 56 Se emi e a la solici ud in e nacional: PCT/ES2017/000073 Se puede ealiza consul a p e is a po el a . 40.2.8 LP 11/1986. A iso: 57 Resumen: La p esen e in ención se e ie e a un p ocedimien o y sis ema de sepa ación de CO2 basado en la abso ción química egene a i a, que cons a de un abso bedo donde el CO2 queda e enido en un líquido abso ben e, y de un egene ado donde el CO2 es libe ado, ob eniendo un abso ben e egene ado que es empleado nue amen e en la unidad de abso ción. La in ención p opone una con igu ación del p oceso global de cap u a que pe mi e una ope ación e icaz que educe de o ma signi ica i a los eque imien os ene gé icos asociados p incipalmen e a la egene ación del abso ben e, así como de una meno deg adación é mica del mismo. 5 PROCEDIMIENTO Y SISTEMA DE SEPARACiÓN DE CO 2 BASADO EN ABSORCiÓN QUíMICA OBJETO DE LA INVENCiÓN La p esen e in ención se e ie e a un p ocedimien o de sepa ación de CO2 basado en la abso ción química egene a i a, que emplea un abso bedo donde el CO2 queda e enido en un líquido abso ben e, y un egene ado donde el CO2 es libe ado, ob eniendo un abso ben e egene ado que es empleado nue amen e en el abso bedo . La in ención 10 p opone una con igu ación del p oceso global de cap u a que pe mi e una ope ación más e icaz y, po lo an o, educe de o ma signi ica i a los eque imien os ene gé icos asociados p incipalmen e a la egene ación del abso ben e, así como de una meno deg adación é mica del mismo. 15 ANTECEDENTES DE LA INVENCiÓN La abso ción química egene a i a de gases ácidos ha sido empleada desde los años 30 en nume osos p ocesos indus iales. El p oceso básico ue pa en ado po R. R. Bo oms (Pa en e US N° 1783901), y a pa i de él se han desa ollado a lo la go de los años 20 nume osas con igu aciones y/o abso ben es químicos con el obje i o de op imiza el p oceso global de sepa ación de CO2 y, en pa icula , educi de o ma signi ica i a el consumo ene gé ico asociado p incipalmen e a la egene ación del abso ben e. También han sido p opues as dis in as a ian es sob e la disposición adicional del 25 abso bedo , ecogidas en la li e a u a especializada (Pa en e US N° 8192530). Po o o lado, la mayo pa e de las pa en es egis adas en es e ámbi o e san sob e modi icaciones aplicadas en el egene ado : ap o echamien o ene gé ico del calo sensible de la co ien e de salida del egene ado, p ecalen amien o de los condensados a la en ada del egene ado , e apo ación pa cial de la amina pob e a la salida del 30 egene ado de modo que se minimice el apo e ene gé ico o al al calde ín de la unidad de egene ación, p esu ización de la sección supe io del egene ado pa a disminui el a io agua/C0 2 en la co ien e de s ipping de la unidad de egene ación, e c. Todas ellas han conducido a impo an es educciones ene gé icas en la egene ación del abso ben e en compa ación con la disposición adicional. ES 2 650 963 A1  2 ES 2 650 963 B2 DESCRIPCIÓN En los úl imos años, los p ocesos de sepa ación de CO2 basados en abso ción química han despe ado un g an in e és a ni el indus ial g acias a la posibilidad de se empleados en el campo de las ecnologías de cap u a y almacenamien o de CO2, p incipalmen e en p ocesos de p oducción de ene gía eléc ica, en la indus ia del 5 cemen o y la p oducción de ace o. Las p ime as e e encias sob e pa en es de aplicación de la abso ción química pa a la mi igación de emisiones de CO2 a la a mós e a en la li e a u a especializada da an de mediados de los años 90 y O 1995/021683). A pesa de se conside ada una ecnología madu a en el ámbi o indus ial, la aplicación de la abso ción química pa a sepa a CO 2 p oceden e de gases de combus ión y/o de p oceso 10 e is e cie as di icul ades que deben se sol en adas pa a alcanza su desa ollo a escala come cial, las cuales aún no han sido esuel as de o ma e icaz. Es as di icul ades se esumen p incipalmen e en el ele ado consumo ene gé ico asociado a la egene ación del abso ben e y en la deg adación que su e el mismo 15 debido a mecanismos oxida i os y é micos ocu idos du an e el p oceso de cap u a. Es os aspec os hacen que el empleo de una unidad de abso ción química en una ins alación de p oducción eléc ica basada en la combus ión de combus ibles ósiles pueda supone has a 10 pun os de pé dida de endimien o ne o en el ciclo de po encia, lo que hace que sea económicamen e in iable ac ualmen e su implemen ación a escala 20 indus ial (Pul e ized coal oxycombus ion powe plan s. Volume 1: Bi uminous coal o elec ici y, Final epo 1291 . DOE-NETL, 2007, pags. 5-6). Respec o a la deg adación del abso ben e, es e pa áme o iene una i al ele ancia en la de inición de las condiciones ope a i as en la unidad de egene ación. Según G. T. 25 Rochelle (Rochelle, G. T. ; Cu en Opinion in Chemical Enginee ing, 2012, 1 (2): 183-90) , el p oceso de sepa ación de CO2 median e abso ción química basado en compues os de ciné icas ápidas, como ocu e con el uso de aminas p ima ias y secunda ias, se e a o ecido al ope a a al a empe a u a y al a p esión en é minos de consumo ene gé ico po onelada de CO 2. Po lo an o, la empe a u a de ope ación en la unidad de deso ción 30 es de inida a pa i de aquella que p oduce la máxima deg adación admisible en el abso ben e, es deci , que los a ios de deg adación obse ados sean compensados po una disminución signi ica i a en el consumo especí ico po onelada de CO2 cap u ada du an e la egene ación del abso ben e (Oexmann, J .; A he , A , In ema ional Jou nal o G eenhouse Gas Con ol, 2010, 4(1), 36-43). ES 2 650 963 A1  3 ES 2 650 963 B2 Ac ualmen e, exis en di e sas compañías licencia a ias de p ocesos de abso ción química a escala come cial aplicados especí icamen e a la cap u a de CO2 en p ocesos indus iales, lo que mues a el in e és que es os desa ollos despie an en el ámbi o de la ecnología ambien al y de p ocesos qu ímicos e indus iales donde se equie a de la 5 sepa ación de CO2 y/o gases ácidos de una co ien e de gas. DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN La p esen e in ención p opone una con igu ación al e na i a al sis ema adicional de 10 sepa ación de CO2 de una co ien e de gases median e abso ción química, basado en la op imización de la capacidad cíclica de ope ación del abso ben e empleado median e una pa icula disposición de las co ien es que in e ienen en el p oceso de abso ción-deso ción de CO2 y un con ol muy exhaus i o de las condiciones de ope ación de las co ien es de en ada al egene ado , p incipalmen e en é minos de 15 empe a u a y epa o de caudales de al imen ación al equipo. De es a mane a, se educe de o ma signi ica i a los consumos ene gé icos asociados al p oceso de egene ación y a o ece una meno deg adación é mica del abso ben e. Es a in ención ha sido desa ollada pa a su aplicación en ecnologías de cap u a de 20 CO2 de uen es es aciona ias pe o puede se aplicable pa a cualquie p oceso donde se equie a una sepa ación de gases ácidos de una co ien e de gas. La in ención consis e en un p oceso y en un sis ema de abso ción química egene a i a aplicado a la cap u a de CO2 de uen es es aciona ias, que pe mi e 25 adecua el g ado de egene ación eque ido po el abso ben e educiendo signi ica i amen e el consumo ene gé ico del p oceso. En gene al, la con igu ación p opues a iene como obje i o op imiza la capacidad cíclica en ope ación del abso ben e pa a consegui minimiza los eque imien os ene gé icos en el calde ín del sis ema abso bedo . 30 Pa a log a es e obje i o, la p esen e in ención p opo ciona un p ocedimien o pa a la abso ción química egene a i a aplicado a la cap u a de CO2 de uen es es aciona ias, que pe mi e adecua el g ado de egene ación del abso ben e median e el uso del sis ema desc i o, y en el que iene luga el a amien o de las di e en es co ien es ES 2 650 963 A1  4 ES 2 650 963 B2 gaseosas gene adas. Po lo an o, un p ime aspec o de la p esen e in ención se e ie e a un p ocedimien o de sepa ación de CO2 p oceden e de una co ien e de gas, que comp ende las 5 siguien es e apas: a) abso ción del CO2 p oceden e de una co ien e gaseosa a a a a una empe a u a p e e iblemen e in e io a 60°C, p e e iblemen e de en e 40°C y 60°C, Y una p esión comp endida en un ango de en e 1 y 1,5 ba , median e la pues a en con ac o en un 10 abso bedo de dicha co ien e con una solución abso ben e a la que se a a e ene el CO2; b) eci culación de has a un 75% de la co ien e que comp ende la solución de abso ben e ica en CO2 p oceden e de la e apa a) al lecho in e io del sis ema de 15 abso ción. La ope ación bajo es as condiciones pe mi e ajus a de mane a op imizada el ango de capacidad cíclica de abajo del abso ben e du an e la ope ación; c) deso ción del CO2 en un egene ado de la co ien e que comp ende la solución abso ben e ica en CO2 p oceden e de la e apa a) no eci culada a la e apa b) a una 20 empe a u a de en e 80 'C y 120'C, una p esión de en e 1,5 Y 5 ba y un caudal de a as e de apo de en e 10 Y 90% en olumen espec o al caudal de CO2 deso bido, donde dicha co ien e se di ide al menos en dos co ien es median e un en de in e cambiado es de calo , p e iamen e a la en ada del egene ado ; 25 d) ecupe ación de la solución abso ben e esul an e de la e apa c) al abso bedo de la e apa a) . En una ealización p e e ida, el CO2 se abso be desde la co ien e a a a en la e apa a) del p ocedimien o de la in ención en la unidad abso bedo a desde la ase gas hacia 30 la ase líquida, donde se disuel e y queda enlazado químicamen e con el abso ben e o solución abso ben e. También se pueden emplea abso ben es que ope en sólo con mecanismos ísicos, y no químicos, de abso ción. En una ealización p e e ida, la solución abso ben e con enida en la unidad de ES 2 650 963 A1  5 ES 2 650 963 B2 abso ción comp ende un cualquie solución acuosa de abso ben es de CO2, y más p e e iblemen e una solución acuosa de un compues o de base amínica, que puede selecciona se, aunque sin limi a se a una amina de la lis a que comp ende monoe anolamina (MEA), ie anolamina (TEA), me ildie anolamina (MDEA), 5 diisop opanolamina (DIPA) y diglicolamina (DGA), pipe idina (PP), pipe acina (PZ), 2- amino-2-me il-1-p opanol (AMP), monome ile anolamina (MMEA), e c., o cualquie a de sus combinaciones. Es asimismo obje o de la in ención el sis ema de abso ción empleado en es e 10 p ocedimien o que pa e de la inco po ación undamen al de un abso bedo al que llega el gas a a a con CO2, que es abso bido median e una solución de abso ben e, un en de in e cambiado es de calo que acondiciona la empe a u a de la solución de abso ben e que sale del abso bedo ica en CO2 y un egene ado , en el que se egene a la solución abso ben e libe ándola del CO2, pa a su eu ilización e 15 inco po ación nue amen e en el abso bedo . A pa i de es a con igu ación básica el sis ema de es a in ención p opone en p ime luga la inco po ación de una línea de eci culación di igida al abso bedo que cons i uye una de i ación de la salida de la solución abso ben e ica en CO2, que es 20 pa cialmen e econducida al abso bedo al obje o de op imiza la capacidad de abso ción de CO2 del abso ben e empleado. En segundo luga el sis ema inco po a un pa icula en de in e cambiado es de calo que apa e de acondiciona é micamen e la solución ica en CO2 la di ide en al menos dos co ien es que son in oducidas en el egene ado en zonas si uadas a dis in as al u as, es a i icando la alimen ación al 25 egene ado , lo que p o oca una disminución del pe il de empe a u as del egene ado consiguiendo una educción en el consumo ene gé ico asociado a la egene ación del abso ben e. De es e modo, el sis ema pe mi e educi signi ica i amen e el consumo especí ico 30 asociado a la egene ación del abso ben e en compa ación con una con igu ación con encional del sis ema de abso ción. Se ha demos ado que el ni el de educción de consumo es mayo cuan o más concen ado se encuen a el gas ácido en la co ien e de gas a a a . ES 2 650 963 A1  6 ES 2 650 963 B2 La in ención ga an iza, po an o, una ope ación del egene ado en un ni el é mico in e io a los p opues os en modos de ope ación adicionales. Con ello, se consigue abaja con una mayo ca ga o concen ación de CO2 en el abso ben e egene ado y, de es e modo, desplaza la capacidad cíclica de ope ación del mismo hacia zonas 5 donde el consumo ene gé ico asociado a la deso ción del CO2 sea meno . Asimismo la disminución ob enida en el pe il de empe a u as del egene ado educe la elocidad de deg adación del abso ben e asociado a mecanismos é micos. 10 DESCRIPCiÓN DE LOS DIBUJOS Pa a complemen a la desc ipción que se es á ealizando y con obje o de ayuda a una mejo comp ensión de las ca ac e ís icas de la in ención, de acue do con un ejemplo p e e en e de ealización p ác ica de la misma, se acompaña como pa e in eg an e de dicha desc ipción, un juego de dibujos en donde con ca ác e ilus a i o y no limi a i o, se 15 ha ep esen ado lo siguien e: Figu a 1 .- Mues a un esquema del sis ema de abso ción-deso ción de CO2 de la in ención. 20 Figu a 2.- Mues a un de alle del en de in e cambiado es de calo . Figu a 3. Mues a un g á ico en el que se ep esen a la en alpía de solubilidad de CO2 en unción de la ca ga del abso ben e exp esada en moles de CO2 po mol de abso ben e (abso ben e gené ico). Se indican de o ma gené ica la capacidad cíclica 25 de ope ación pa a una con igu ación con encional y una con igu ación de acue do con el sis ema de la in ención. REALIZACiÓN PREFERENTE DE LA INVENCiÓN 30 A con inuación se desc ibe un modo de ealización p e e en e del sis ema obje o de es a in ención. Conc e amen e en la igu a 1 se ha ep esen ado el sis ema de abso ción-deso ción de CO2 que incluye los elemen os que se desc iben a con inuación: ES 2 650 963 A1  7 ES 2 650 963 B2 1.- Co ien e de gas a a a 2.- Abso bedo 3.- Gas limpio 5 4.- Solución abso ben e de salida ica en CO2 5.- P ime a bomba de impulsión 6.- Solución de abso ben e ica en CO2 7.- Solución de abso ben e ica en CO2 eci culada 8.A.- P ime in e cambiado de calo 10 8.8.- Segundo in e cambiado de calo 9.- T en de in e cambiado es 10.- Co ien e p ima ia 11 .- In e cambiado de calo pa a ap o echamien o ene gé ico de la co ien e de gas a la salida del egene ado 15 12 . - Co ien e p incipal de en ada al egene ado de solución de abso ben e ica en CO2 13. - Co ien e secunda ia 14. - Co ien es al e na i as de en ada al egene ado de solución de abso ben e ica en CO2 20 15.- Regene ado 16.- Co ien e de gas de salida del egene ado 17.- Sepa ado de condensados 18.- Co ien e de gas de al a concen ación de CO2 19. - Co ien e de condensados 25 20.- Calde ín 21 .- Solución de abso ben e egene ado pob e 22.- Segunda bomba de impulsión 23.- Co ien e de en ada de solución abso ben e egene ada 30 Tal y como se obse a en la igu a 1 el sis ema inco po a un abso bedo (2) que comp ende una columna de elleno que puede se an o es uc u ado como no es uc u ado, y un lecho in e io , donde llega la co ien e de gas a a a (1) que en a á en con ac o en el abso bedo (2) con un líquido abso ben e que es empleado pa a e ene el CO2 del gas a a a (1 ). El abso bedo (2) inco po a una salida de solución ES 2 650 963 A1  8 ES 2 650 963 B2 abso ben e de salida ica en CO2 (4), una en ada pa a la co ien e de en ada de solución abso ben e egene ada (23), una co ien e de solución de abso ben e ica en CO2 eci culada (7) y una salida po la que se e acúa el gas limpio (3) lib e de CO2. 5 La co ien e de en ada de solución abso ben e egene ada (23) p oceden e del egene ado (15), se encuen a a una empe a u a que ha sido ajus ada a alo es p óximos a la de la co ien e de gas a a a (1) median e el uso de un segundo in e cambiado de calo (88). 10 Po o o lado el abso bedo (2) inco po a una en ada de una línea de eci culación de solución de abso ben e ica en CO2 eci culada (7), que es econducida al lecho in e io del abso bedo (2) con el in de aumen a la ca ga del mismo, con in e mediación de un p ime in e cambiado de calo (8A) que en ía su empe a u a. 15 En una ealización p e e ida, el diseño del abso bedo (2) equie e de un aumen o de la sección en el lecho in e io con espec o al es o de la columna, al y como se mues a en la Figu a 1. Asimismo se obse a en la igu a 1 que la solución abso ben e de salida ica en CO2 20 (4) es ex aída del abso bedo (2) po la pa e in e io del mismo e impulsada median e una p ime a bomba de impulsión (5) que impulsa la solución abso ben e de salida ica en CO2 (4) pa a sepa a se a con inuación en la solución de abso ben e ica en CO2 eci culada (7) y en una solución de abso ben e ica en C02 (6), que se in oduce p e iamen e en el en de in e cambiado es de calo (9). 25 Al en de in e cambiado es de calo (9) le llega la mencionada solución de abso ben e ica en CO2 (6), donde la empe a u a de es a co ien e es ajus ada de o ma op imizada an es de se di idida y di igida hacia el egene ado (15), así como llega una solución de abso ben e egene ado pob e (21) p oceden e del egene ado (15), y 30 sale del en de in e cambiado es de calo (9) la co ien e de en ada de solución abso ben e egene ada (23) di igida al abso bedo (2), así como sale, consecuencia de la e e ida di isión de la solución de abso ben e ica en CO2 (6), una co ien e p ima ia (10) Y una co ien e secunda ia (13). ES 2 650 963 A1  9 ES 2 650 963 B2 5.- P ocedimien o según cualquie a de las ei indicaciones an e io es, donde las co ien es p oceden es de la e apa c) son in oducidas en zonas si uadas a dis in as al u as del egene ado de la e apa d). 5 6.- Sis ema pa a la ealización del p ocedimien o desc i o en una cualquie a de las ei indicaciones an e io es, que comp ende: 10 un abso bedo (2) que comp ende una columna de elleno y un lecho in e io , que dispone de: una en ada donde llega la co ien e de gas a a a (1) que en a á en con ac o en el abso bedo (2) con un líquido abso ben e que es empleado pa a e ene el CO2 del gas a a a (1), una salida de co ien e de solución abso ben e ica en CO2 (4), una en ada de co ien e de en ada de solución abso ben e egene ada (23), una en ada de co ien e de solución abso ben e ica en CO2 eci culada (7), y 15 una salida po la que se e acúa el gas limpio (3) lib e de CO2, 20 un egene ado (15) al que le llega una co ien e p incipal de en ada al egene ado (12) de abso ben e ico en CO2, del que pa e una co ien e de salida de abso ben e egene ado pob e (21), y una co ien e de salida (16) compues a p incipalmen e po CO2 y apo de agua, y que comp ende un calde ín (20) que gene a la ene gía necesa ia pa a la egene ación del abso ben e, un en de in e cambiado es de calo (9) si uado en e el abso bedo (2) y el 25 egene ado (15) 30 al que le llega la solución de abso ben e ica en CO2 (6), así como le llega una solución de abso ben e egene ado pob e (21) p oceden e del egene ado (15), y le sale una co ien e de en ada de solución abso ben e egene ada (23) di igida al abso bedo (2), y le sale una co ien e de abso ben e ico en CO2 que se di ige al egene ado (15), ca ac e izado po que el abso bedo (2) comp ende adicionalmen e una en ada de una línea de eci culación de solución de abso ben e ica en CO2 eci culada (7), que es ES 2 650 963 A1  16 ES 2 650 963 B2 econducida al lecho in e io del abso bedo (2) con el in de aumen a la ca ga del mismo, con in e mediación de un p ime in e cambiado de calo (8A) que en ía su empe a u a. 5 7.- Sis ema de acue do con la ei indicación 6 ca ac e izado po que den o del en de in e cambiado es de calo (9) la co ien e de solución de abso ben e ica en CO2 (6) se di ide en una co ien e p ima ia (10) Y en una co ien e secunda ia (13), en el que ambas son di igidas espec i amen e a la pa e supe io y al lecho in e medio del egene ado (15). 10 8 .- Sis ema de acue do con la ei indicación 7 ca ac e izado po que el epa o de la co ien e de solución de abso ben e ica en CO2 (6) en e la co ien e p ima ia (10) Y la co ien e secunda ia (13) se es ablece en el ango de en e 0,25 y 0,75. 15 9.- Sis ema de acue do con la ei indicación 7 ca ac e izado po que comp ende adicionalmen e un segundo in e cambiado (11) de con ac o indi ec o en el que la co ien e p ima ia (10) es p ecalen ada usando la co ien e de salida del egene ado (16), dando luga a la co ien e p incipal de en ada al egene ado (12). 20 10.- Sis ema de acue do con la ei indicación 7 ca ac e izado po que la co ien e secunda ia (13) se di ide en una co ien e adicional (14) pa a se alimen ada a dis in as al u as del egene ado (15). 11 .- Sis ema de acue do con las ei indicaciones 6 y 7 ca ac e izado po que el en de 25 in e cambiado es de calo (9) comp enden in e cambiado es de calo in e nos (24, 25, 26) que calien an la co ien e p ima ia (10), Y la co ien e secunda ia (13) se ob iene a pa i de co ien es in e io es (13A, 138 , 13C) que son ex aídas a la salida de cada uno de los in e cambiado es in e nos (24, 25, 26), Y po que la co ien e de solución pob e de abso ben e egene ado (21) puede se a su ez di idida en dis in as 30 subco ien es (21A, 218, 21C) que en an en cada uno de los in e cambiado es de calo in e nos (24, 25 , 26). ES 2 650 963 A1  17 ES 2 650 963 B2  ES 2 650 963 B2 18 FIG 2 • I I I • I ~ : i Q ,,~ , I " ' - -- '- - ~ ,:?;--'----"""" I ~ I 120,- ------------------------------------------. 100 Con encional 4 i P oced imi en o de la ! In enc i ón I 40 204-~~~~~~~~~~~~~~~~~_+~~~~ 000 020 0.40 060 0.80 1. 00 Ca ga I ( ol CO/mol ab so ben e) FIG 3 ES 2 650 963 A1  19 ES 2 650 963 B2