JP2006521928A - ガス流から二酸化炭素を除去するためのポリアミン/アルカリ塩混合物 - Google Patents
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Abstract
Description
CO2(g)+CO3 =+H2O→2HCO3 -
PZ+CO2+H2O←→PZCOO-+H3O+
PZCOO-+CO2+H2O←→PZ(COO-)2+H3O+
この反応においては、PZ(C4N2H10)はCO2と反応してPZ−カルバミン酸塩(PZCOO-)およびPZ−ジカルバミン酸塩(PZ(COO-)2)が生成する。反応に限定すれば、その化学量論はこのようになるだろう。
CO3 2-+2・PZCOO-+CO2←→2・PZ(COO-)2
CO2(g)+CO3 2-+PZ→PZCOO-+HCO3 -
CO2(g)+CO3 2-+PZ−COO-→PZ(COO-)2+HCO3 -
r=(kPZ-OH[PZ][OH-]+kPZ[PZ]+kPZCOO-[PZCOO-])[CO2]。
さらに、水酸化物または炭酸塩などの塩基が存在する場合、見かけ上の挙動が加速されることは明らかである。両方の特性は好都合である。というのは、吸着速度がより速くなると結果的にエネルギー要求量がより少なくなるから、および/または資本コストを減少できるからである。その他のアミン溶媒よりも吸着速度を三倍高くすることができた。
本発明の好ましい実施形態を実証するために、次の実施例を記載する。当業者であれば、発明者によって発見された代表的な技術に従って、本発明の実施に際して十分に機能する、実施例で開示された技術を評価すべきである。そしてそれゆえに、この実施に好ましいモードを構築するように考慮することができる。しかしながら、当業者であれば、本開示に照らして、開示された特定の実施形態において多くの変化をなすことができること、および本発明の精神および範囲から逸脱することなく、同様のまたは類似の結果がそれでもなお得られることを評価すべきである。
溶媒の混合物の有用性および効率を規定する少なくとも三種の特性がある:O2の吸着速度、CO2の吸着熱および吸着能力である。表2では、7mのMEAを用いる標準技術と比較したいくつかのシステムについての三種の特性の要旨を提供しており、本発明の利点を強調している。報告された値は、実験データ、およびBishnoi,Sanjay.「Carbon Dioxide Absorption and Solution Equilibrium in Piperazine Activated Methyldiethanolamine」.哲学博士学位論文、 オースチンのテキサス大学、2000年からの予測モデル、ならびにJ.T.Cullinane.「Carbon Dioxide Absorption in Aqueous Mixtures of Potassium Carbonate and Piperazine」理学修士論文、オースチンのテキサス大学、2002年からの予測モデルに由来する。
吸着が高速であることの重要性を控えめに言うことはできない。というのは、溶媒の流速およびカラムの高さを決定する原因だからである。CO2の吸着速度が上昇すると液体の流速を下げることが可能になり、これによってプロセスを操作するために必要なエネルギーが減少する。あるいは、カラムを通過する圧力損失が少なくなり、それに伴うエネルギーの必要量も少なくなるので、カラムの高さを低くすることができる。
本発明のさらなる利点を図4に示す。吸着熱は吸着速度と同じくピペラジンの濃度に依存する。吸着熱がより高くなることは、より多くのエネルギーが溶媒を再生するために必要であることを示す。通常の操作条件下では、吸着熱が低いことがより好ましい。
熱容量は、溶媒の能力を規定する三番目に重要な特性である。熱容量を所定の分圧の変化を超える負荷の変化と定義すると、熱容量は、所定の操作の範囲全体の、CO2を吸着する溶媒の能力であると評価される。
モノエタノールアミン(MEA)の応用を、Freguia(理学修士論文、2002)によって計算した。石炭火力発電所からの煙道ガスを処理する。アブソーバーの直径は7mであり、15mの充填剤のCascade Mini Ring #2(CMR#2)を用いる。アブソーバー中での圧力損失は10kPaである。単純な再沸騰型のストリッパーの直径は4.5mであり、10mのCMR#2が充填され、そして1.6atmで操作する。12.6%のCO2および7.8%のH2Oを含む煙道ガスを、アブソーバー内に、55℃で11,000kmol/hrの速度で供給する。溶媒は30重量%のMEA(1Kgの水あたり7gmol)であり、アブソーバー内に、40℃でCO2を含む193kgのH2O/sの速度で供給し、0.21mol/molのMEAで負荷する。濃厚な負荷は、1gmolのMEAあたり0.46gmolのCO2であり、CO2の蒸気圧は2.5kPaである。ストリッパーに供給する前に、109Cにクロスエクスチェンジすることによってこの溶媒を予熱する。70,000kwというリボイラーの負荷によって、アブソーバー内で90%のCO2が除去される(0.34kmol/s)。
Claims (42)
- ガス流からCO2を除去するために、少なくとも、1Kgの水あたり少なくとも3.0当量の濃度のアミンを有する第一級または第二級ポリアミンと、1Kgの水あたり少なくとも1.0当量の濃度を有するアルカリ塩と、水とを混合することによって形成される溶液と、該ガス流を接触させる工程と、
上記溶液を再生する工程と
を含む、ガス流からCO2を除去する方法。 - 上記ポリアミンが、ピペラジン、ピペラジン誘導体、エチレンジアミン、ジメチルエチレンジアミン、ピラゾリジン、イミダゾリジン、2−(2−ピロリジル)ピロリジンまたは2−(2−イミダゾリジル)イミダゾリジンである請求項1に記載の方法。
- 上記アルカリ塩が、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、重炭酸塩、ジスルフィド塩または水酸化物塩である請求項1に記載の方法。
- 上記ガス流が、約25〜120℃で上記溶液と接触する請求項1に記載の方法。
- CO2と上記ピペラジン誘導体との反応速度定数(KPZ)が、25℃で少なくとも25m3/mol−sである請求項1に記載の方法。
- 上記溶液が、添加物をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 上記ポリアミンの濃度および上記アルカリ塩の濃度が、少なくとも2.3mである請求項1に記載の方法。
- 上記ポリアミンの当量に対する上記アルカリ塩の当量の比率が、0.3〜3.0である請求項1に記載の方法。
- 処理されるガス流から上記ポリアミンを回収する水洗システムを適用する工程をさらに含む請求項1に記載の方法。
- 上記ガス流からの溶媒を介したCO2の除去速度が、5.0Mのモノエタノールアミン水溶液を用いた方法によるCO2の除去速度の少なくとも1.5倍である請求項1に記載の方法。
- 1Kgの水あたり少なくとも3.0当量の濃度を有するピペラジン誘導体と、
1Kgの水あたり少なくとも1.0当量の濃度を有するカリウム塩と、
水とを含み、
上記ピペラジン誘導体の当量に対するアルカリ塩の当量の比率が、0.3〜3.0である組成物。 - 上記ピペラジン誘導体が、ピペラジンである請求項11に記載の組成物。
- 上記カリウム塩が、炭酸カリウム、重炭酸カリウム、二硫化カリウムまたは水酸化カリウムである請求項11に記載の組成物。
- 上記ピペラジン誘導体の当量に対するアルカリ塩の当量の比率が、0.5〜2.0である請求項11に記載の組成物。
- 上記ピペラジン誘導体の濃度が、1Kgの水あたり少なくとも5.1当量であり、上記アルカリ塩の濃度が1Kgの水あたり約5.1当量である請求項11に記載の組成物。
- 消泡剤、酸化防止剤、腐食防止剤、凝集助剤またはこれらの混合物をさらに含む請求項11に記載の組成物。
- ガス流からCO2を除去するために、少なくとも、1Kgの水あたり少なくとも5.1当量の濃度のアミンを有する第一級または第二級ポリアミンと、1Kgの水あたり少なくとも5.1当量の濃度を有するアルカリ塩と、水とを混合することによって形成される溶液と、該ガス流を接触させる工程と、
上記溶液を再生する工程、
を含む、ガス流からCO2を除去する方法。 - 上記ポリアミンの濃度および上記アルカリ塩の濃度が、1Kgの水あたり少なくとも5.5当量である請求項17に記載の方法。
- 上記ポリアミンの濃度および上記アルカリ塩の濃度が、ほぼ等しい請求項17に記載の方法。
- 上記ポリアミンが、ピペラジン、ピペラジン誘導体、エチレンジアミン、ジメチルエチレンジアミン、ピラゾリジン、イミダゾリジン、2−(2−ピロリジル)ピロリジンまたは2−(2−イミダゾリジル)イミダゾリジンである請求項17に記載の方法。
- 上記アルカリ塩が、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、重炭酸塩、ジスルフィド塩または水酸化物塩である請求項17に記載の方法。
- 上記ガス流が、約25〜120℃で上記溶液と接触する請求項17に記載の方法。
- CO2と上記ピペラジン誘導体との反応速度定数(KPZ)が、25℃で少なくとも25m3/mol−sである請求項17に記載の方法。
- 上記溶液が、添加物をさらに含む請求項17に記載の方法。
- 上記ガス流からの溶媒を介したCO2の除去速度が、5.0Mのモノエタノールアミン水溶液を用いた方法によるCO2の除去速度の少なくとも1.5倍である請求項17に記載の方法。
- ガス流からCO2を除去するために、少なくとも、1Kgの水あたり少なくとも3.0当量の濃度のアミンを有する第一級または第二級ポリアミンと、1Kgの水あたり少なくとも1.0当量の濃度を有するアルカリ塩と、水とを混合することによって形成され、1%未満の一価または多価アルコールを含む溶液と、該ガス流を接触させる工程と、
上記溶液を再生する工程と
を含む、ガス流からCO2を除去する方法。 - 上記溶液にアルコールを添加しない請求項26に記載の方法。
- 上記ポリアミンが、ピペラジン、ピペラジン誘導体、エチレンジアミン、ジメチルエチレンジアミン、ピラゾリジン、イミダゾリジン、2−(2−ピロリジル)ピロリジンまたは2−(2−イミダゾリジル)イミダゾリジンである請求項26に記載の方法。
- 上記アルカリ塩が、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、重炭酸塩、ジスルフィド塩または水酸化物塩である請求項26に記載の方法。
- 上記ガス流が、約25〜120℃で上記溶液と接触する請求項26に記載の方法。
- CO2と上記ピペラジン誘導体との反応速度定数(KPZ)が、25℃で少なくとも25m3/mol−sである請求項26に記載の方法。
- 上記溶液が、添加物をさらに含む請求項26に記載の方法。
- 上記ポリアミンの濃度および上記アルカリ塩の濃度が、少なくとも2.3mである請求項26に記載の方法。
- 上記ポリアミンの当量に対する上記アルカリ塩の当量の比率が、0.3〜3.0である請求項26に記載の方法。
- 上記ガス流からの溶媒を介したCO2の除去速度が、5.0Mのモノエタノールアミン水溶液を用いた方法によるCO2の除去速度の少なくとも1.5倍である請求項26に記載の方法。
- ガス流からCO2を除去するために、少なくとも、1Kgの水あたり3.0〜10.0当量の濃度のアミンを有するピペラジン誘導体と、1Kgの水あたり3.0〜10.0当量の濃度を有するアルカリ塩と、水とを混合することによって形成され、上記ピペラジン誘導体の濃度と上記アルカリ塩の濃度とがほぼ等しい溶液と、該ガス流を接触させる工程と、
上記溶液を再生する工程と、
を含む、ガス流からCO2を除去する方法。 - 上記ピペラジン誘導体が、ピペラジン、アミノエチルピペラジン、ヒドロキシエチルピペラジン、2−(3−ピロリジル)ピペラジン、3−(3−ピペリジル)ピペリジン、3−(2−ピペラジニル)ピペリジン、3−(3−ピロリジル)ピペリジンまたは2−(2−ピペラジニル)ピペラジンである請求項36に記載の方法。
- 上記アルカリ塩が、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸リチウム、重炭酸塩、ジスルフィド塩または水酸化物塩である請求項36に記載の方法。
- 上記ガス流が、約25〜120℃で上記溶液と接触する請求項36に記載の方法。
- CO2と上記ピペラジン誘導体との25℃での反応速度定数(KPZ)が、少なくとも25m3/mol−sである請求項36に記載の方法。
- 上記溶液が、添加物をさらに含む請求項36に記載の方法。
- 上記ガス流からの溶媒を介したCO2の除去速度が、5.0Mのモノエタノールアミン水溶液を用いた方法によるCO2の除去速度の少なくとも1.5倍である請求項36に記載の方法。
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