KR20230121098A - 산성 가스를 제거하기 위한 수성 흡수 매질 - Google Patents
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Abstract
가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하기 위한 수성 흡수 매질은 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및 적어도 하나의 2차 알칸올아민을 포함한다. 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 총 중량은 수성 흡수 매질의 아민 중량을 차지한다. 수성 흡수 매질의 총 중량을 기준으로, 수성 흡수 매질의 아민 중량은 25 중량% 내지 65 중량%이고, 수성 흡수 매질의 아민 중량을 기준으로, 적어도 하나의 2차 알칸올아민은 11 중량% 내지 45 중량%의 양으로 존재한다.
Description
실시예는 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및 적어도 하나의 2차 알칸올아민을 포함하는 산성 가스의 제거하기 위한 수성 흡수 매질, 및 상기 수성 흡수 매질을 제공하는 단계를 포함하는 산성 가스를 제거하는 공정에 관한 것이다.
가스 스트림은 이산화탄소, 황화수소, 이산화황, 이황화탄소, 시안화수소, 황화카르보닐, 및/또는 메르캅탄과 같은 산성 가스를 불순물로 함유할 수 있다. 가스 스트림은 천연 가스, 석유, 합성 가스, 바이오가스, 또는 석탄 가공에서 유래될 수 있다. 예를 들어, 가스 스트림은 천연 가스, 정제 가스, 셰일 열분해된 탄화수소 가스, 암모니아 합성 가스, 연도 가스, 및/또는 액화 천연 가스를 포함할 수 있다.
수성 아민 기반 흡수 매질은 산성 가스를 제거하기 위한 가장 일반적인 흡수제일 수 있다. 그러나 비용을 최소화하고 산성 가스 제거를 최대화하기 위해서는 산성 가스를 제거하기 위해 개선된 아민 기반 수성 흡수 매질이 요구된다.
실시예는 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하기 위한 수성 흡수 매질을 제공함으로써 실현될 수 있으며, 수성 흡수 매질은, (a) 하기 일반식 (I)을 갖되,
(I)
R1는 C1 내지 C4 알킬인 적어도 하나의 3차 알칸올아민;
(b) 하기 화학식 (II)를 갖되,
(II)
R2는 C1 내지 C4 알킬인 적어도 하나의 2차 알칸올아민; 및
(C) 물을 포함한다.
적어도 하나의 3차 알칸올아민 및 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 총 중량은 수성 흡수 매질의 아민 중량을 차지한다. 수성 흡수 매질의 총 중량을 기준으로, 수성 흡수 매질의 아민 중량은 25 중량% 내지 65 중량%이고, 수성 흡수 매질의 아민 중량을 기준으로, 적어도 하나의 2차 알칸올아민은 11 중량% 내지 45 중량%의 양으로 존재한다.
실시예의 특징은 첨부된 도면을 참조한 예시적 실시예의 상세한 설명을 통해 당업자에게 보다 명백해질 것이다. 첨부된 도면에서:
도 1에서는 예시적인 공정 다이어그램을 도시하였고;
도 2에서는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 A, 비교예 B에 대한 성능 데이터를 도시하였다.
도 1에서는 예시적인 공정 다이어그램을 도시하였고;
도 2에서는 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 A, 비교예 B에 대한 성능 데이터를 도시하였다.
산성 가스의 제거에 사용되는 3차 알칸올아민을 포함하는 수성 흡수 매질은 반응 속도를 가속화하여 가스 스트림으로부터 이산화탄소와 같은 산성 가스를 제거하는 데 도움이 될 수 있는 적어도 하나의 활성화제(activator)를 충분한 양으로 포함할 수 있다. 이론에 구애받는 것은 아니나, 충분한 양의 활성화제가 없으면 3차 알칸올아민을 포함하는 수성 흡수 매질은 이산화탄소를 효율적으로 제거할 수 없는 것으로 여겨진다. 또한, 비용 관리상, 그리고 공정의 문제를 최소화하기 위해, 수성 흡수 매질은 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및/또는 물에 비해 상대적으로 높은 농도(중량% 및/또는 몰%)의 활성화제를 필요로 하지 않는 것이 최적의 성능을 위해 바람직하다. 따라서, 상대적으로 낮은 농도에서 이산화탄소와 같은 산성 가스를 효율적으로 제거할 수 있는 활성화제가 요구되고 있다.
바람직하게는 적어도 하나의 3차 알칸올아민에 대해 활성화제의 양을 가능한 한 낮게 유지하면서 여전히 효과적이도록 하는 것이다. 예를 들어, 활성화제 대 적어도 하나의 3차 알칸올아민의 중량비는 1 미만일 수 있다(예를 들어, 55 중량% 아민 용액에서 총 활성화제 농도가 25 중량%인 경우, 3차 알칸올아민 농도는 30 중량%일 수 있다). 이와 관련하여, 활성화제의 흡수 열은 MDEA와 같은 3차 알칸올아민에 비해 높은 경향이 있으므로, 상대적으로 적은 양의 활성화제를 사용하는 것이 바람직할 수 있으며, 이러한 높은 흡수열은 수성 흡수 매질(예를 들어, OPEX)의 재생 비용을 증가시킬 수 있는 바, 이는 예를 들어, 재생 공정에 더 많은 에너지가 필요할 수 있고 및/또는 흡수 공정 동안 높은 아민 손실이 발생할 수 있기 때문이다. 반응 속도란 수성 흡수 매질에서 단위 시간당 단위 부피당 소비되는 이산화탄소의 몰수를 말하며, 이해할 수 있는 것은, 활성화제의 존재는 반응 속도에 매우 큰 영향을 미칠 수 있다.
수성 흡수 매질과 관련하여, 매질이 메틸다이에탄올아민(MDEA)과 같은 3차 알칸올아민을 포함하는 경우, 일반적으로 활성화제는 피페라진이다. 또한, 활성화제는 2차 알칸올아민인 것이 바람직하며, 이는 아미노에톡시에탄올(AEE) 과 같은 1차 아민은 가스 처리의 응용에서 부식되고 분해될 수 있으며, 3차 아민은 전형적으로 양호한 활성화제가 아니기 때문이다. 그러나, 가스 처리의 최종 응용에서 피페라진의 반응 속도는 너무 빠를 수 있고 및/또는 피페라진 자체가 너무 휘발성일 수 있다. 피페라진의 반응 속도가 너무 빠른 경우, 대안적인 선택은 메틸에탄올아민(NMEA)이다.
MDEA/NMEA 혼합물은 정제 가스 처리 응용에 자주 사용되나, NMEA의 낮은 끓는점을 기반으로 볼 때 최적의 선택은 아니다. 예를 들어, 낮은 끓는점은 특히 흡수 중에 용매/수성 흡수 매질에서 MDEA 염기에 비해 활성화제의 높은 손실을 초래할 수 있으므로 이러한 가스 처리 응용에서 자주 문제가 된다. 베이스 아민에 비해 활성화제의 이러한 높은 손실은 수성 흡수 매질 조성물을 최적으로 유지하는 것이 어려운 등 중요한 공정 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 공정 문제를 최소화하면서 상대적으로 높은 반응 속도가 가능하도록 하는 대안이 요구되고 있다.
또한, DEA는 MDEA와 유사한 평균 정상 끓는점을 가지므로, MDEA/DEA와 같이 디에탄올아민(DEA)을 포함하는 혼합물이 제안되었다. 그러나, DEA의 반응 속도는 NMEA의 반응 속도보다 현저하게 낮은 것으로 알려져 있으므로, 효율적인 공정에서 DEA는 가스 혼합물로부터 이산화탄소를 제거하는 데 덜 바람직하다.
예시적인 실시예에 따르면, 수성 흡수 매질에 사용되는 활성화제는 메틸아미노프로판디올(MAPD)과 유사한 구조를 갖는 2차 아민으로, 낮은 농도에서 높은 반응 속도, 상대적으로 낮은 처리 비용을 가능하게 하고 부식/분해 문제와 관련하여 큰 우려가 없는 것으로 알려져 있다. MAPD 및 유사 구조는 가스 혼합물로부터 산성 가스를 제거하기 위한 효율적인 수성 흡수 매질로서 MDEA 및 유사 구조와의 혼합물에 사용 가능한 것으로 여겨진다. MAPD 및 유사 구조는 DEA 및 MDEA와는 반대로, 하이드록실 기가 분자의 한쪽 말단에 위치한다는 점에서 NMEA와 유사하다. 이 구조는 분자의 반대쪽 말단에 알킬화된 질소기 구조를 허용한다. 이러한 이론에 구애받는 것은 아니나, 분자의 한쪽 말단에 위치한 다수의 하이드록실기와 반대쪽 말단에 위치한 알킬화된 질소기 구조의 조합 사이 상호작용은 MAPD 및 유사 구조가 활성화제로서 사용하기에 매우 적합한 선택인 것으로 여겨진다.
수성 알칸올아민 매질
예시적인 실시예에 따르면, 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하기 위한 수성 흡수 매질은, 산성 가스를 제거하기 위한 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및 활성화제로서 반응 속도를 증가시켜 산성 가스를 제거하기에 충분한 양의 적어도 하나의 2차 알칸올아민을 포함하여, 적어도 하나의 3차 알칸올아민이 이러한 활성화제 없이 충분한 양으로 사용되는 경우 또는 덜 바람직한 아민이 사용되는 경우와 비교하여 다른 문제를 최소화한다. 피페라진과 같이 휘발성이 너무 높을 수 있는 다른 아민 및/또는 NMEA와 같이 휘발성이 너무 높은 다른 아민은 수성 흡수 매질로부터 제외될 수 있다.
적어도 하나의 3차 알칸올아민은 하기 일반식 (I)을 갖되,
(I)
R1는 C1 내지 C4 알킬, 예를 들어 선형 C1 내지 C4 알킬이다. C1 내지 C4 알킬은 1 내지 4개의 탄소 원자를 포함하는 알킬기를 말한다. 그 예로는 -CH3, -CH2CH3, -(CH2)2CH3 및 -(CH)2)3CH3(예를 들어, 선형)이 포함된다. 수성 흡수 매질은 각각 일반식 (I)을 갖는 하나 이상의 상이한 3차 알칸올아민을 포함할 수 있다. 상기 일반식 (I)은 가스 혼합물로부터 산성 가스를 제거하기 위한 유사한 특성을 갖는 것으로 여겨지는 MDEA 및 유사 구조를 포함한다.
활성화제로서 적어도 하나의 2차 알칸올아민은 하기 일반식 (II)를 갖되,
(II)
R2는 C1 내지 C4 알킬, 예를 들어 선형 C1 내지 C4 알킬이다. C1 내지 C4 알킬은 1 내지 4개의 탄소 원자를 포함하는 알킬기를 말한다. 그 예로는 -CH3, -CH2CH3, -(CH2)2CH3 및 -(CH)2)3CH3(예를 들어, 선형)이 포함된다. 수성 흡수 매질은 각각 일반식 (II)를 갖는 하나 이상의 상이한 2차 알칸올아민을 포함할 수 있다. 상기 일반식 (II)는 가스 혼합물로부터 산성 가스를 제거하는 활성화제로서 사용하기 위한 유사한 특성을 갖는 것으로 여겨지는 MAPD 유사 구조를 포함한다.
예시적인 실시예로는 일반식 (I)에서 R1이 C1 알킬이거나 및/또는 일반식 (Ii)에서 R2가 C1 알킬인 것을 포함한다.
수성 흡수 매질은 물을 더 포함한다. 수성 흡수 매질은 당업계에 알려진 물리적 용매와 같은 적어도 하나의 물리적 용매를 더 포함할 수 있다. 예시적인 물리적 용매로는 메톡시트리글리콜(MTG), 설포란, 글리세롤, 메탄올, 에틸렌 글리콜, 디에틸렌 글리콜, 및 트라이에틸렌 글리콜이 포함된다.
수성 흡수 매질에 존재하는 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 총 중량은 수성 흡수 매질의 아민 중량(예를 들어, 수성 흡수 매질의 건조 아민 중량)을 차지한다. 달리 말하면, 수성 흡수 매질의 아민 중량은 수성 흡수 매질에 존재하는 적어도 하나의 3차 알칸올아민의 총 중량 및 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 총 중량으로 이루어지며, 임의의 다른 첨가제, 물, 또는 물리적 용매를 포함하지 않는다. 예시적인 실시예에서, 수성 흡수 매질의 아민 중량을 제외한 수성 흡수 매질의 총 중량의 나머지 부분은 물이다.
수성 흡수 매질의 아민 중량은 수성 흡수 매질의 총 중량의 25 중량% 내지 65 중량%를 차지한다(예를 들어, 25 중량% 내지 60 중량%, 30 중량% 내지 55 중량%, 30 중량% 내지 50 중량%, 40 중량% 내지 55 중량%, 45 중량% 내지 55 중량% 등). 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 양은 수성 흡수 매질의 아민 중량의 총 중량을 기준으로 할 수 있다. 실시예에서, 수성 흡수 매질의 아민 중량을 기준으로, 적어도 하나의 2차 알칸올아민은 11 중량% 내지 45 중량%(11 중량% 내지 40 중량%, 11 중량% 내지 35 중량%, 11 중량% 내지 30 중량%, 11 중량% 내지 25 중량%, 12 중량% 내지 20 중량% 등)의 양으로 존재한다.
적어도 하나의 2차 알칸올아민의 양은 또한 수성 흡수 매질의 총 중량을 기준으로 할 수 있다. 예를 들어, 수성 흡수 매질의 총 중량을 기준으로, 적어도 하나의 2차 알칸올아민은 5 중량% 내지 25 중량%(예를 들어, 5 중량% 내지 20 중량%, 5 중량% 내지 15 중량%, 6 중량% 내지 20 중량%, 6 중량% 내지 15 중량%, 6 중량% 내지 11 중량% 등)의 양으로 존재할 수 있다. 적어도 하나의 2차 알칸올아민은 활성화제로서 존재하므로, 이는 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및/또는 물보다 적은 양으로 존재한다. 예를 들어, 수성 흡수 매질 중 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 총 중량 백분율은 (수성 흡수 매질 총 100 중량%를 기준으로)적어도 하나의 3차 알칸올아민의 총 중량 백분율 및 물의 총 중량 백분율보다 작다.
예시적인 실시예에서, 수성 흡수 매질의 총 중량을 기준으로, 적어도 하나의 3 차 알칸올아민은 25 중량% 내지 60 중량%(예를 들어, 25 중량% 내지 55 중량%, 30 중량% 내지 55 중량%, 35 중량% 내지 55 중량%, 35 중량% 내지 50 중량%, 39 중량% 내지 45 중량% 등)의 양으로 존재할 수 있다
응용
주로 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하는 것은 가스-액체 접촉 장비(예를 들어, 액체 흡수제를 사용한 압력 변동 흡수(Pressure Swing Absorption, PSA) 및 온도 변동 흡수(Temperature Swing Absorption, TSA) 등)에서 일어날 수 있다. 휘발성으로 인한 아민의 손실은 가스-액체 분리에서 문제가 될 수 있다. 휘발성은 활성화제와 같은 수성 흡수 매질의 성분이 일반적으로 사용되는 염기성 3차 알칸올아민에 비해 상대적으로 낮은 끓는점을 갖는 경우 특히 문제가 될 수 있다. 이와 같이, 적어도 하나의 3차 알칸올아민 및 활성화제로서 적어도 하나의 2차 알칸올아민을 포함하는 수성 흡수 매질의 경우, 양자가 상대적으로 높은 끓는점(예를 들어, 적어도 230℃인 유사한 끓는점)을 갖는 것이 유용할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 유의할 점은, 낮은 끓는점은 가스 처리 응용에서 높은 휘발성을 의미하지만, 반드시 액체 탄화수소 매질에서 높은 용해도를 의미하는 것은 아니다. 다시 말해서, 휘발성 및 탄화수소 공동 용해도는 상이한 원리이며, 이 경우 문제는 휘발성이다. 이와 관련하여, 휘발성이 높은 아민은 가스 스트림의 산성 가스 처리에는 비실용적이고 비용이 많이 드는 경향이 있다.
가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하는 공정은 산성 가스 제거 처리를 수행하기 위한 가스 스트림 및 수성 흡수 매질을 제공하는 단계를 포함한다. 산성 가스를 제거하는 공정에서, 수성 흡수 매질은 흡수탑에서 현재 저온 및 고압에서 산성 가스를 포함하는 가스 혼합물과 접촉하여 산성 가스가 풍부한 수성 흡수 매질을 형성할 수 있다. 순환 수착 공정은 높은 비율의 가스-액체 교환, 흡수 및 재생 단계 사이의 대량 액체 재고 이동, 및 아민 용액 재생을 위한 높은 에너지 요건을 사용할 수 있다. 이러한 공정은 순환의 흡수 및 탈착(재생) 부분 사이에서 가스 스트림의 큰 온도 차이를 이용할 수 있다. 예를 들어, 수성 아민 스크러빙 방법은 산성 가스 흡수를 위해 상대적으로 낮은 온도, 예를 들어 50℃ 이하의 온도를 사용하고, 탈착을 위해 약 100℃ 이상, 예를 들어 120℃ 이상의 온도까지 상승시킬 수 있다.
산성 가스는 재생을 통해 산성 가스가 풍부한 수성 흡수 매질로부터 적어도 부분적으로 제거되어 산성 가스가 희박한 수성 흡수 매질이 형성되도록 한다. 산성 가스가 희박한 수성 흡수 매질을 형성하기 위한 다량의 수성 흡수 매질의 재생은 100℃ 이상의 온도에서 이루어질 수 있으며, 따라서 일반적으로 사용되는 많은 아민은 온도 변동 과정에서 기화로 인해 상당한 아민 손실을 겪을 수 있다. 이와 같이, 이러한 손실을 최소화하는 아민을 사용하는 것이 바람직하다. 재생 후, 산성 가스가 희박한 수성 흡수 매질은 산성 가스의 제거 공정으로 다시 재순환되어 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하기 위해 재사용될 수 있다.
산성 가스를 제거하기 위해 처리될 수 있는 가스 스트림은 산업 가스, 예를 들어 탄화수소 저장소, 석탄 처리로부터 생성된 천연가스, 바이오가스, 및 정제 가스를 포함한다.
실시예
예시적 작용예, 비교예, 및 작용예 및 비교예에 대해 보고된 결과에서 사용되는 정보에 관해 근사 특성, 특징, 파라미터 등이 아래에서 제공된다.
가스 스트림을 처리하는 공정은 도 1에 도시된 바를 기초로 하며, 여기서 수성 흡수 매질은 공급 라인(5)을 통해 가스-액체 역류 패킹 베드(1/4" 세라믹 인탈록스 안장(Ceramic Intalox Saddles) 흡수 컬럼(2)의 상부로 공급될 수 있다. 가스 스트림은 공급 라인(1) 통해 분당 약 17 표준 리터의 가스 유속으로 흡수 컬럼(2)의 하부로 유입될 수 있다. 건식 공급 조성물은 90 몰%의 질소 및 10 몰%의 이산화탄소이다. 흡수 컬럼 내의 압력은 약 250 psig로 설정되어야 한다. 깨끗한 가스 (즉, 감소된 양의 CO2)는 배출 라인(3)을 통해 흡수 컬럼(2)의 상부에서 배출되고, 잔류 CO2 수준은 가스 크로마토그래피로 측정된다. CO2가 풍부한 수성 흡수 매질은 흡수 컬럼(2) 하부를 향해 흘러 라인(4)를 통해 분리된다.
라인(4)의 풍부한 수성 흡수 매질은 레벨 제어 밸브(8)에 의해 압력이 감소되고 라인(7)을 통해 풍부한 수성 흡수 매질을 가열할 수 있는 열 교환기(9)로 흐를 수 있다. 이어서, 가열된 풍부한 수성 흡수 매질은 라인(10)을 통해 재생기(12)의 상부로 유입될 수 있다. 재생기(12)에는 H2S 및 CO 2의 탈착에 영향을 줄 수 있는 랜덤 패킹(1/4" Pro-Pak®)이 구비된다. 재생기의 압력은 약 27 psia로 설정되어야 한다. 이어서, 재생기(12)로부터 나온 가스는 라인(13)을 통해 응축기(14)로 유입되어 임의의 잔류수와 아민의 냉각 및 응축이 발생할 수 있다. 이어서, 가스는 분리기(15)로 유입되어 응축된 액체가 증기상으로부터 분리될 수 있다. 응축된 수용액은 펌프(22)를 거쳐 라인(16)을 통해 재생기(12)의 상부로 펌핑될 수 있다. 응축에서 남겨진 가스는라인(17)을 통해 배출되어 최종 수집 및/또는 폐기될 수 있다. 재생된 수용액은 재생기(12)와 밀착되게 결합된 리보일러(18)를 통해 아래로 흐르게 된다. 전기 가열 장치가 구비된 리보일러(18)는 수용액의 일부를 기화시켜 임의의 잔류 가스를 제거할 수 있다. 리보일러의 온도는 약 125℃로 설정될 수 있다. 증기는 리보일러로부터 상승하여 재생기(12)로 되돌아갈 수 있으며, 낙하하는 액체와 섞인 후 라인(13)을 통해 배출되어 공정의 응축 단계로 유입될 수 있다. 리보일러(18)로부터 나온 재생된 수성 흡수 매질은 라인(19)을 통해 배출되어 열 교환기(20)에서 냉각될 수 있다. 이어서, 재생된(즉, 산성 가스가 희박한) 수성 흡수 매질은 펌프(21)를 거쳐 용매 공급 라인(5)를 통해 흡수기(2)로 다시 펌핑될 수 있다.
예에는 하기 물질이 사용된다.
MDEA는 Dow Chemical company 또는 계열사로부터 입수 가능한 약 98% 의 3차 알칸올아민 메틸디에탄올아민 용액을 말하며, 하기 구조를 갖는다.
MAPD는 Dow Chemical company 또는 계열사로부터 입수 가능한 약 98%의 2차 알칸올아민 메틸아미노프로판디올 용액을 말하며, 하기 구조를 갖는다.
NMEA는 Dow Chemical company 또는 계열사로부터 입수 가능한 약 98%의 2차 알칸올아민 메틸에탄올아민 용액을 말하며, 하기 구조를 갖는다.
아래 표 1의 예를 참조하여MDEA-MAPD 혼합물과 일반적으로 사용되는 MDEA-NMEA 혼합물의 산성 가스 제거 성능을 비교한다. NMEA는 1가 2차 알칸올아민이지만, 이는2가 2차 알칸올아민인 MAPD와 비교하여 현저하게 낮은 평균 정상 끓는점을 갖는다. 또한, 예에서는 부식 및 가공 문제를 최소화하면서 산성 가스에 대한 용량을 최대화하기 위한 일반적인 목표인 50 중량%의 물로 설정되지만, 전체 아민 함량 (따라서 물의 양)은 특정 가스 처리 설비에 사용되는 재료의 의도 및 유형에 따라 변할 수 있다는 것은 공지된 사실이다. 활성화제/전체 아민은 수성 흡수 매질(즉, 물의 중량을 제외하고) 중 아민 중량에 대한 활성화제(즉, MAPD 또는 NMEA)의 중량 백분율을 말한다.
[표 1]
표 1의 예는 10 몰 %의 이산화탄소 함량으로 흡수 컬럼(2)에 유입되는 공급 가스 (즉, 도 1의 공급 라인 1)를 처리하는 것을 기준으로 한다. 목표는 처리된 가스 (즉, 도 1의 배출 라인(3))에서 2 몰%의 이산화탄소 농도를 달성하기 위해 흡수기 컬럼(2)에서 충분한 이산화탄소를 제거하는 것이다. 도 1을 참조하면, CO2를 제거하기 위한 유속과 관련하여, 상대적으로 적은 양의 활성화제를 사용하면서 가능한 한 낮은(예를 들어, 2.5 ㎏/hr 미만) 수성 흡수 매질 (즉, 용매)의 유속을 갖는 가스 스트림으로부터 2 몰%의 CO2를 제거하는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 작업예 1 및 작업예 2와 관련하여, 바람직한 낮은 유속이 가능한 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 A 및 비교예 B의 경우, 유속은 2.5 ㎏/hr 보다 크다. 특히, 용매 유속(즉, 용매 공급 라인(5)) vs 처리된 가스 CO2(즉, 배출 라인(3)의 가스 스트림에서)와 관련하여 도 2에 제공된 데이터에 도시된 바와 같이, 작업예 1 및 작업예 2(즉, MDEA-MAPD(43:7) 및 MDEA -MAPD(40:10)에 대한 데이터)는 모두2.5 ㎏/hr 미만의 유속에서 처리된 가스 CO2의 임계값 2.0 몰%(20,000 ppmv)에 도달할 수 있다. 특히, 도 2는 90 몰%의 질소 및 10 몰%의 CO2로 구성된공급 가스 스트림으로부터 CO2를 제거하는 가능한 결과를 나타낸다. 바람직한 것은 가능한 한 낮은 용매 순환 속도로 처리된 가스 스트림(즉, 처리된 가스)에서2 몰% 이하의CO2 사양에 도달하는 것이다.
도 2를 참조하면, 제거된 이산화탄소의 양은 그의 흡수되는 속도에 비례하며, 이는 (i) 활성화제와 이산화탄소의 반응 속도, (ii) 활성화제 농도, 및 (iii) 용매 유속에 의해 결정될 수 있다. 또한, 등몰의 2 몰% 용액(5 중량%의 NMEA 및 7 중량%의 MAPD)에 대해, 동일한 유속에서 NMEA/MDEA와 비교하여 MAPD/MDEA가 이산화탄소를 더 잘 제거할 수 있음을 나타낸다. 따라서, MAPD가 상대적으로 빠른 반응 속도를 갖는 것으로 여겨진다. 놀라운 것은, 등몰량의 NMEA 및 MAPD를 함유하는 예의 경우, MAPD 용액은 NMEA 용액보다 더 나은 성능을 발휘하며, 이는 추가적인 하이드록실이 성능을 다소 떨어뜨릴 것으로 예상되기 때문이다.
또한, 상대적으로 낮은 유속으로 충분한 이산화탄소를 제거할 수 있는 유일한 용매 혼합물은 7 중량% 및 10 중량%의 MAPD를 함유하는 MDEA/MAPD 혼합물이다. 또한, 5 중량%의 NMEA를 함유하는 MDEA/NMEA 혼합물은 잠재적으로 약 3.0 ㎏/hr의 용매 순환 속도를 달성할 수 있으나, NMEA는 평균 끓는점이 약 158℃이므로 공정 조건에서 휘발성이 너무 높아 용매 손실률이 높고 운영 비용이 증가할 수 있으므로 MDEA/NMEA 혼합물을 사용하는 것은 바람직하지 않다. 반면, MAPD는 동일한 휘발성 문제를 갖지 않으며, 평균 끓는 점이 약 249℃로 현저히 더 높다. 또한, 유의할 점은, MDEA의 평균 끓는점은 유사하게 약 247℃이다. 또한, 작업예 2를 참조하면, MAPD 농도의 증가도 유사한 이점을 제공하는 것을 알 수 있다.
이와 관련하여, 특정 MDEA/MAPD 혼합물은, 예를 들어 이산화탄소와 같은 산성 가스의 제거 사양을 충족시키기 위해 수성 흡수 매질의 더 낮은 순환 속도를 사용함으로써 MDEA/NMEA 혼합물보다 더 양호한 성능을 발휘할 수 있음을 알 수 있다. NMEA와 비교하여, 활성화제로서 MAPD는 CO2와 같은 산성 가스와의 반응을 방해하지 않을 수 있으며, MAPD가 산성 가스 제거를 위해 고성능 흡수 매질로서 작용할 수 있도록 충분히 빠른 반응 속도를 유발할 수 있다고 여겨진다.
따라서, MAPD는 50 중량%의 아민 용매에 대해 5 중량% 이상의 양으로 존재하는 수성 흡수 매질에서 MDEA/MAPD 혼합물이 2.5 ㎏/hr 미만의 유속으로 이산화탄소 제거의 기본 성능을 제공할 수 있도록 하는 한편, 혼합물에 필요한 고가의 MAPD 활성화제의 양을 최소화하고 휘발성에 관련된 문제를 최소화할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
Claims (10)
- 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하기 위한 수성 흡수 매질로서,
(a) 하기 일반식 (I)을 갖되,
(I)
R1는 C1 내지 C4 알킬인 적어도 하나의 3차 알칸올아민;
(b) 하기 화학식 (II)를 갖되,
(II)
R2는 C1 내지 C4 알킬인 적어도 하나의 2차 알칸올아민; 및
(C) 물을 포함하되,
상기 적어도 하나의 3 알칸올아민 및 상기 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 총 중량은 상기 수성 흡수 매질의 아민 중량을 차지하고, 상기 수성 흡수 매질의 총 중량을 기준으로, 상기 수성 흡수 매질의 상기 아민 중량은 25 중량% 내지 65 중량%이고, 상기 수성 흡수 매질의 상기 아민 중량을 기준으로, 상기 적어도 하나의 2차 알칸올아민은 11 중량% 내지 45 중량%의 양으로 존재하는, 수성 흡수 매질. - 제1항에 있어서, 상기 수성 흡수 매질의 상기 총 중량을 기준으로, 상기 적어도 하나의 3차 알칸올아민은 25 중량% 내지 55 중량%의 양으로 존재하는, 수성 흡수 매질.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수성 흡수 매질의 상기 총 중량을 기준으로, 상기 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 양은 5 중량% 내지 20 중량%인, 수성 흡수 매질.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수성 흡수 매질의 상기 총 중량을 기준으로, 상기 적어도 하나의 2차 알칸올아민의 양은 6 중량% 내지 11 중량%인, 수성 흡수 매질.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, R1는 C1 알킬인, 수성 흡수 매질.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, R2는 C1 알킬인, 수성 흡수 매질.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, R1는 C1 알킬이고 R2는 C1 알킬인, 수성 흡수 매질.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 피페라진 및 메틸에탄올아민은 상기 수성 흡수 매질로부터 제외되는, 수성 흡수 매질.
- 가스 스트림으로부터 산성 가스를 제거하는 공정으로서, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 상기 가스 스트림 및 상기 수성 흡수 매질을 제공하는 단계를 포함하는, 공정.
- 제9항에 있어서,
상기 가스 스트림과 상기 수성 흡수 매질을 접촉시켜 산성 가스가 풍부한 수성 흡수 매질을 형성하는 단계;
상기 산성 가스가 풍부한 수성 흡수 매질에서 산성 가스를 적어도 부분적으로 제거하여 산성 가스가 희박한 수성 흡수 매질을 형성하는 단계; 및
상기 가스 스트림으로부터 산성 가스를 더 제거하기 위해 상기 산성 가스가 희박한 수성 흡수 매질을 재활용하는 단계를 더 포함하는, 공정.
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