ES2662006T3 - Dispositivo para proceso de modulación de temperatura - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo para llevar a cabo un proceso de modulación de la temperatura de adsorción/desorción que tiene una etapa de desorción realizada, al menos en parte, a una temperatura de desorción por debajo de 100 ºC, comprendiendo dicho dispositivo (i) un depósito que contiene agua líquida; (ii) un reactor que contiene un adsorbente; (iii) una fuente de vacío, y (iv) uno o más intercambiadores de calor adaptados para recuperar el calor de los gases que salen del reactor y en los que el calor recuperado de los gases que salen del reactor se transfiere a agua en el depósito; estando el depósito, el reactor y la fuente de vacío en conexión de fluido entre sí durante la etapa de desorción, de manera que la fuente de vacío hace que el agua en el depósito se evapore, y el vapor de agua fluya a través del reactor para purgar el adsorbente.

Description

Dispositivo para proceso de modulación de temperatura 5 ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
1. Campo de la invención
La invención se refiere en general a un dispositivo para realizar un proceso de modulación de la temperatura de 10 adsorción/desorción, y más particularmente a tal dispositivo tal que usa vapor seco para purgar un reactor durante la etapa de desorción.
2. Descripción de la técnica relacionada
15 Los reactores de modulación de temperatura son conocidos en la técnica. Durante un proceso de modulación de temperatura, una primera parte del proceso se realiza a una primera temperatura, T1, y una segunda parte del proceso se realiza a una segunda temperatura, T2. Después de completar la segunda parte del proceso, la temperatura vuelve a T1 y el ciclo vuelve a comenzar.
20 Los reactores de modulación de la temperatura pueden usarse, por ejemplo, para procesos de adsorción/desorción, en los que la temperatura de desorción T2 generalmente es más alta que la temperatura de adsorción, T1. Puede ser deseable facilitar el proceso de desorción purgando el reactor con un gas inerte. El vapor seco es a menudo el gas inerte preferido para esta operación de purga, porque se puede producir fácilmente in situ, y en general es mucho menos costoso que los gases inertes alternativos, tal como nitrógeno o helio. Además, el vapor de agua se puede 25 separar fácilmente del gas de desorción mediante condensación selectiva.
La solicitud de patente pendiente junto con la presente, presentada el mismo día que la presente solicitud, titulada "Materials and Process for Reversible Adsorption of Carbon Dioxide" describe materiales adsorbentes a partir de los cuales se puede desorber el dióxido de carbono, al menos en parte, a temperaturas inferiores a 100 °C. Sería 30 deseable usar un gas de purga inerte durante la etapa de desorción de dióxido de carbono del proceso. Sin embargo, los procesos convencionales de generación de vapor no producen vapor seco a temperaturas inferiores a 100 °C.
Por lo tanto, existe la necesidad particular de un reactor de modulación de temperatura en el que al menos parte de 35 la etapa de desorción se realice a una temperatura inferior a 100 °C, y en el que se puede usar vapor seco como gas de purga incluso a temperaturas inferiores 100 °C.
El documento US2010/0251887 describe un proceso de adsorción de modulación de la temperatura.
40 BREVE RESUMEN DE LA INVENCIÓN
La presente invención aborda estos problemas proporcionando un dispositivo para llevar a cabo un proceso de modulación de la temperatura de adsorción/desorción que tiene una etapa de desorción realizada, al menos en parte, a una temperatura de desorción por debajo de 100 °C, comprendiendo dicho dispositivo (i) un depósito que 45 contiene agua líquida; (ii) un reactor que contiene un adsorbente; (iii) una fuente de vacío, y (iv) uno o más intercambiadores de calor adaptados para recuperar el calor de los gases que salen del reactor y en los que el calor recuperado de los gases que salen del reactor se transfiere a agua en el depósito; estando el depósito, el reactor y la fuente de vacío en conexión de fluido entre sí durante la etapa de desorción, de manera que la fuente de vacío hace que el agua en el depósito se evapore, y el vapor de agua fluya a través del reactor para purgar el adsorbente. 50
BREVE DESCRIPCIÓN DEL DIBUJO
Las características y ventajas de la invención se apreciarán con referencia a los siguientes dibujos, en los que:
55 La FIG. 1 es una representación esquemática de un dispositivo de acuerdo con la invención, en modo de
adsorción.
La FIG. 2 muestra el dispositivo de la FIG. 1 en modo de desorción.
La FIG. 3 muestra un dispositivo similar al de las FIGS. 1 y 2, con una bomba de vacío de secado automático.
La FIG. 4 muestra un dispositivo de acuerdo con la invención con una columna de adsorción como depósito de agua.
La FIG. 5 muestra la producción de CO2 de alta pureza con el dispositivo de la FIG. 3.
5 DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Lo siguiente es una descripción detallada de la invención.
Definiciones
10
La expresión "vapor seco" como se usa en el presente documento, se refiere a vapor de agua que tiene una temperatura Tw y una presión parcial Pw, en donde la presión parcial Pw es menor que la presión de vapor saturado a la temperatura Tw.
15 La expresión "proceso de modulación de la temperatura" como se usa en el presente documento, se refiere a un proceso que comprende al menos dos etapas, en el que una primera etapa se realiza a una primera temperatura y la segunda etapa a una segunda temperatura, siendo la segunda temperatura diferente de la primera temperatura. Durante el proceso, la temperatura se cicla de la primera temperatura a la segunda, y de nuevo a la primera temperatura.
20
En su aspecto más amplio, la presente invención se refiere a un proceso de modulación de la temperatura de adsorción/desorción. El proceso comprende una etapa de adsorción, realizada a una primera temperatura T1, y una etapa de desorción realizada, al menos en parte, a una segunda temperatura T2, con T2 > T1. La segunda temperatura T2 es inferior a 100 °C, lo que significa que al menos parte de la etapa de desorción se realiza a una 25 temperatura inferior a 100 °C. Los ejemplos de tal proceso se describen detalladamente en nuestra solicitud de patente pendiente junto con la presente de la misma fecha, titulada "Materials and Process for Reversible Adsorption of Carbon Dioxide".
El dispositivo de la presente invención aborda la necesidad de usar vapor seco como un gas de purga durante la 30 etapa de desorción, incluyendo la porción o porciones de la etapa de desorción realizadas a temperaturas por debajo de 100 °C.
El dispositivo de la invención comprende (i) un depósito que contiene agua líquida; (ii) un reactor que contiene un adsorbente; (iii) una fuente de vacío, y (iv) uno o más intercambiadores de calor adaptados para recuperar el calor 35 de los gases que salen del reactor, y en los que el calor recuperado de los gases que salen del reactor se transfiere al agua en el depósito.
Durante la etapa de desorción, el depósito, el reactor y la fuente de vacío están en conexión de fluido entre sí. La fuente de vacío hace que el agua en el depósito se evapore (en el caso de un recipiente con agua líquida) o se 40 desorba (en el caso de un adsorbente que tenga agua adsorbida), y el vapor de agua fluya a través del reactor para purgar el adsorbente.
En el caso de un recipiente que contiene agua líquida, el depósito tiene una temperatura Tw, que es inferior a la temperatura Td del reactor durante cualquier porción de la etapa de desorción. Por ejemplo, el depósito puede 45 mantenerse a temperatura ambiente, por ejemplo, a 25 °C. La fuente de vacío reduce la presión en el depósito, lo que hace que el agua en el depósito se evapore. Sin embargo, la presión parcial del vapor de agua será igual, o inferior, a P25, la presión del vapor saturado a 25 °C. La temperatura de desorción Td en el reactor es más de 25 °C. Como resultado, el vapor de agua que pasa a través del reactor que tiene una presión parcial P25, tiene una presión inferior que la presión de vapor saturado de Td. En otras palabras, el vapor de agua que purga el reactor cumple con 50 la definición de vapor seco. No se produce condensación de vapor de agua en el reactor durante la etapa de desorción.
Como el propósito de la etapa de desorción es recoger los gases adsorbidos al adsorbente durante la etapa de adsorción, el dispositivo comprende convenientemente un depósito para recoger gas desorbido del adsorbente 55 durante la etapa de desorción.
Es deseable eliminar el vapor de agua del gas de desorción antes de recoger el gas de desorción en un depósito. Con este fin, el dispositivo puede contener uno o más intercambiadores de calor para enfriar el gas desorbido, por lo
que una porción importante del vapor de agua presente en el gas de desorción se elimina por condensación. El intercambiador o intercambiadores de calor permiten que el calor de los gases que salen del reactor se recupere.
El calor recuperado de los gases que salen del reactor se transfiere a agua en el depósito.
5
Convenientemente, la fuente de vacío puede ser una bomba de vacío. Dado que la condensación de vapor de agua puede ocurrir en la bomba de vacío o cerca de ella, la bomba de vacío es preferiblemente una bomba de vacío de secado automático.
10 Una de las tareas de la bomba de vacío es proporcionar una presión operativa que sea lo suficientemente baja como para causar una evaporación significativa de agua en el depósito. Preferiblemente, la presión operativa es lo suficientemente baja como para hacer hervir el agua en el depósito. En la práctica, la presión operativa puede ser, por ejemplo, 30 mbar o menos, preferiblemente 25 mbar o menos. Para la perspectiva, 25 mbar es la presión de vapor saturado a 21 °C; 30 mbar es la presión de vapor saturado a 24 °C. Se entenderá que las diferentes 15 temperaturas del depósito dictan diferentes presiones operativas. Si, por ejemplo, la temperatura del depósito es de 15 °C, la presión de funcionamiento puede mantenerse en 17 mbar; si la temperatura del depósito es de 35 °C, la presión operativa puede ser de hasta 56 mbar.
El dispositivo comprende convenientemente una fuente de agua para reponer agua en el depósito. Además, el 20 dispositivo puede contener un depósito para recoger agua desmineralizada de la fuente de vacío y/o uno o más intercambiadores de calor.
El uso de agua como gas de purga tiene la desventaja de que la presencia de agua durante la etapa de desorción desplaza el equilibrio de adsorción/desorción al lado de adsorción. Esto se debe a que la adsorción de dióxido de 25 carbono (en la formación de un bicarbonato) consume agua, y la desorción genera agua. Sin embargo, el efecto de desplazamiento del equilibrio del agua presente en el gas de purga se ve enormemente disminuido debido al hecho de que la etapa de desorción se lleva a cabo a presión reducida. Por esta razón, el uso de una fuente de vacío ofrece ventajas incluso a temperaturas de desorción superiores a 100 °C, ya que permite el uso de agua como gas de purga sin incurrir en una grave penalización de desplazamiento del equilibrio.
30
DESCRIPCIÓN DE REALIZACIONES/EJEMPLOS ILUSTRATIVOS
La siguiente es una descripción de ciertas realizaciones de la invención, dadas a modo de ejemplo solamente y con referencia a los dibujos. Con referencia a la FIG. 1, se muestra un dispositivo durante la etapa de adsorción. El 35 dispositivo de la FIG. 1 está configurado para absorber dióxido de carbono y agua del aire atmosférico. Se entenderá que el dispositivo puede modificarse para adsorber dióxido de carbono de una mezcla de gases distinta del aire, tal como gas de combustión, o para adsorber selectivamente un gas distinto del dióxido de carbono de cualquier tipo de mezcla de gases.
40 La FIG. 1 muestra un dispositivo que comprende un depósito de agua 1, un reactor 2 y una fuente de vacío 3. Sin embargo, el depósito de agua 1 y la fuente de vacío 3 no están operativos durante la etapa de adsorción.
Durante la etapa de adsorción, el aire atmosférico entra en el dispositivo en 10, y fluye a través de la válvula 11 al reactor 2. El aire es propulsado por un ventilador o una bomba (no mostrada). También es posible propulsar el flujo 45 de aire por otros medios, por ejemplo, una chimenea solar, un dispositivo de vórtice atmosférico, o aprovechando las diferencias de temperatura diurna/nocturna.
El flujo de aire pasa a través del lecho adsorbente 12, donde el vapor de agua y el dióxido de carbono se adsorben del flujo de aire sobre el adsorbente. Desde el lecho adsorbente 12, el aire fluye a través de la válvula 13 hacia la 50 ventilación 14, donde es liberado a la atmósfera. En lugar de un único lecho adsorbente, el reactor 2 puede contener dos o más lechos adsorbentes. Los lechos adsorbentes pueden ser de composición idéntica o de composiciones diferentes. En el último caso, cada lecho adsorbente puede diseñarse para adsorber diferentes componentes de gas, o combinaciones de componentes de gas, del flujo de aire.
55 En la realización, la etapa de adsorción se realiza a temperatura ambiente. Se entenderá que la etapa de adsorción puede realizarse a una temperatura más alta o más baja.
La FIG. 2 muestra el dispositivo de la FIG. 1 durante la etapa de desorción. Las válvulas 11 y 13 se han conmutado, de manera que la entrada de aire 10 y la ventilación 14 están cerradas, y se establece una comunicación de fluido
entre la fuente de vacío 3 y el depósito de agua 1. La fuente de vacío 3 establece una presión suficientemente baja para crear una presión de funcionamiento en el interior del depósito de agua 1 de 25 mbar (teniendo en cuenta las caídas de presión sobre las restricciones entre la fuente de vacío 3 y el depósito de agua 1, tal como el lecho adsorbente 12 y las válvulas 11 y 13).
5
Inicialmente, el lecho adsorbente 12 se mantiene a temperatura ambiente. La presión operativa de 25 mbar en el depósito de agua 1 hace que el agua se evapore. La fuente de vacío 3 hace que el vapor de agua fluya a través del reactor 2 y el lecho adsorbente 12. Este flujo de vapor de agua purga el aire del reactor.
10 Mientras se purga aire, la válvula 15 dirige el flujo de gas a través de las flechas 19 y 20 al intercambiador de calor 21, y desde allí a la ventilación 22. El flujo de gas se enfría en el intercambiador de calor 21, y cualquier agua condensada se recoge en tanque de agua desmineralizada 23. El calor recuperado por el intercambiador de calor 21 se transfiere al agua en el depósito 1.
15 Una vez que el aire se ha purgado del reactor 2, el lecho del reactor se calienta a 30 °C para iniciar la etapa de desorción real. El flujo de gas se dirige ahora mediante la válvula 15, a través de las flechas 16 y 17, al intercambiador de calor 18, y finalmente al tanque de dióxido de carbono 24. Puede ser deseable eliminar el agua residual del gas que sale del intercambiador de calor 18, por ejemplo con un lecho de zeolita (no mostrado). El flujo de gas se enfría en el intercambiador de calor 18, y cualquier agua condensada se recoge en tanque de agua 20 desmineralizada 23. El calor recuperado por el intercambiador de calor 21 se transfiere al agua en el depósito 1.
Durante la etapa de desorción, es deseable aumentar gradualmente la temperatura del lecho adsorbente 12, para asegurar una desorción más completa. Por ejemplo, la temperatura del lecho de desorción puede aumentarse gradualmente de 30 °C a 180 °C.
25
Dado que el agua se evapora del depósito 1, y el agua desmineralizada recuperada se recoge en el tanque 23 y no se devuelve al depósito 1, será necesario reponer el agua en el depósito 1 a través de la válvula de entrada 25. Se puede usar cualquier fuente de agua, incluyendo agua corriente, agua de pozo, agua industrial, agua superficial (tal como agua de río o lago), e incluso agua salada de un mar u océano, con la condición de que la fuente de agua esté 30 sustancialmente libre de contaminantes volátiles. Para evitar la acumulación excesiva de minerales y contaminantes en el depósito 1, el depósito puede purgarse utilizando la entrada 25 y la salida 26.
Opcionalmente, los conductos que conducen del reactor 2 a la fuente de vacío 3 se pueden calentar, por ejemplo, con cinta térmica 27, para evitar la condensación de agua aguas arriba de la fuente de vacío 3. Sin embargo, si se 35 usa una bomba de vacío de secado automático, tal calentamiento generalmente no es necesario.
La FIG. 3 muestra un dispositivo similar al de las FIGS. 1 y 2, excepto que la bomba de vacío 3 es del tipo secado automático. Se permite que el agua líquida se acumule en la cabeza de la bomba 3, desde la cual se purga de vez en cuando cerrando una válvula dentro de la bomba (no se muestra), que desconecta temporalmente la bomba del 40 reactor.
Durante su funcionamiento, el dispositivo convierte eficazmente agua económica en agua desmineralizada mucho más valiosa. Además, el lecho adsorbente puede adsorber agua del aire ambiente durante la etapa de adsorción. Dicha agua se recoge como agua desmineralizada durante la etapa de desorción. El agua desmineralizada 45 producida por el dispositivo puede usarse con fines industriales, tales como reacciones químicas; para fines agrícolas, tal como agua potable para ganado, o agua para riego, opcionalmente después de la adición de nutrientes; para uso doméstico, tal como lavandería y limpieza; e incluso como agua potable para seres humanos, después de la adición de los minerales apropiados.
50 La FIG. 4 muestra una realización alternativa del dispositivo. En este dispositivo, el depósito de agua se reemplaza por la columna 40 que contiene un lecho 41 de un material absorbente de agua, tal como gel de sílice. Durante la etapa de adsorción, el aire entra en la columna 40 a través de la válvula 42. El aire secado previamente que sale de la columna 40 es conducido al lecho adsorbente 12 a través del conducto 43. El aire secado previamente debe contener suficiente humedad para permitir la adsorción de dióxido de carbono en el lecho 12, es decir, el aire secado 55 previamente debe contener agua y dióxido de carbono en una relación molar de agua:dióxido de carbono de al menos 1:1. Dicho de otra manera, dado que el aire contiene aproximadamente 400 ppm de dióxido de carbono en peso, el aire secado previamente debe contener al menos aproximadamente 160 ppm de agua en peso. En condiciones típicas, el aire secado previamente contiene mucho más de 160 ppm de agua en peso, lo cual es aceptable. La adsorción de dióxido de carbono procede como se explica con referencia a la FIG. 1.
Durante el modo de desorción, la válvula 42 se cierra y la bomba de vacío 3 se conecta. En primer lugar, la temperatura del lecho 41 aumenta, para iniciar la liberación de agua adsorbida. El agua desorbida del lecho 41 pasa a través del lecho 12 para purgar el aire del lecho 12. Después de purgar el lecho 12, la temperatura del lecho 12 5 aumenta para iniciar la desorción de agua y el dióxido de carbono del lecho 12. El agua desorbida y el dióxido de carbono se recogen en el tanque de agua 23 y el tanque de dióxido de carbono 24, como se describe con referencia a la FIG. 2.
Se entenderá que no se requiere una fuente externa de agua líquida para el funcionamiento del dispositivo de la 10 FIG. 4. Además, el dispositivo captura el agua del aire ambiente, y hace que esté disponible en una forma muy pura. Dependiendo de la demanda, el dispositivo puede usarse como fuente de dióxido de carbono, con agua limpia como subproducto; como fuente de agua limpia con dióxido de carbono como subproducto; o como fuente tanto de agua limpia como de dióxido de carbono.
15 El dispositivo de la FIG. 3 se usó en el siguiente experimento. El adsorbente era carbono activo impregnado con K2CO3.
La adsorción y la desorción se realizaron como se ha descrito anteriormente. La temperatura de desorción se programó como se muestra en la FIG. 4 (línea de puntos; Valor nominal T). La línea continua muestra la 20 Temperatura del revestimiento, que siguió de cerca a la Temperatura nominal. La Temperatura central inicialmente se retrasó con respecto a las dos temperaturas anteriores, pero finalmente se estabilizó a 140 °C.
Se debe observar que la escala en el lado izquierdo del gráfico muestra la temperatura en °C y la concentración de CO2 del gas de desorción en %. La línea continua/discontinua muestra la concentración de CO2 en función del 25 tiempo. Como se puede observar, el gas de desorción está altamente enriquecido en CO2, aproximadamente del 60 % a Temperaturas centrales de hasta aproximadamente 70 °C. A medida que la Temperatura central aumentó adicionalmente, la concentración de CO2 aumentó hasta alcanzar aproximadamente el 100 %.

Claims (6)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo para llevar a cabo un proceso de modulación de la temperatura de adsorción/desorción que tiene una etapa de desorción realizada, al menos en parte, a una temperatura de desorción por debajo de 100
    5 °C, comprendiendo dicho dispositivo (i) un depósito que contiene agua líquida; (ii) un reactor que contiene un adsorbente; (iii) una fuente de vacío, y (iv) uno o más intercambiadores de calor adaptados para recuperar el calor de los gases que salen del reactor y en los que el calor recuperado de los gases que salen del reactor se transfiere a agua en el depósito; estando el depósito, el reactor y la fuente de vacío en conexión de fluido entre sí durante la etapa de desorción, de manera que la fuente de vacío hace que el agua en el depósito se evapore, y el vapor de 10 agua fluya a través del reactor para purgar el adsorbente.
  2. 2. El dispositivo de la reivindicación 1, que comprende además un depósito para recoger gas desorbido del adsorbente durante la etapa de desorción.
    15 3. El dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de
    vacío es una bomba de vacío.
  3. 4. El dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la bomba de vacío es una bomba de vacío de secado automático.
    20
  4. 5. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la fuente de vacío proporciona una presión operativa de 30 mbar o menos, preferiblemente 25 mbar o menos.
  5. 6. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una fuente 25 de agua para reponer agua en el depósito.
  6. 7. El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un depósito para recoger agua desmineralizada de la fuente de vacío y/o el uno o más intercambiadores de calor.
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