用于提取二氧化碳的模块化反应器和方法技术

本发明专利技术涉及适用于从含有二氧化碳的气体流提取二氧化碳的反应器和方法。所述反应器基于二模块系统，其中吸收发生于一个模块而解吸发生于另一个模块。系统中的吸收和解吸模块包含至少一个气－液膜（ＧＬＭ）模块和至少一个直接气－液接触（ＤＧＬＣ）模块。二氧化碳提取可由碳酸酐酶催化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及对于二氧化碳的吸收和解吸使用不同模块而能够从混合气体分离二氧化碳(CO2)的反应器和方法。使用碳酸酐酶可促进CO2的提取。混合气体为例如含有CO2 的气体，如来自煤或天然气发电厂的烟道气、沼气、垃圾填埋产生气(landfill gas)、环境空气、合成气或天然气或任何含有二氧化碳的工业废气。
技术介绍
二氧化碳(CO2)排放是全球变暖现象的重要原因。CO2是燃烧的副产物，且其造成操作、经济和环境问题。CO2排放可通过在CO2气体排放至空气之前将其捕捉来控制。有几种控制CO2排放的化学方法。一种方法是让CO2经过含有钙离子的水性液体，使得CO2能够作为CaCO3沉淀。从燃烧过程捕捉CO2的优选技术为下述技术，其中捕捉过程的产物是以可压缩并运输至储藏位置，或用于有用目的的气体形式存在的C02。用于从气体进料提取CO2 并捕捉提取的CO2气体以供使用或储藏的最成熟的技术是将CO2吸收至胺溶液。许多类型的CO2吸收胺溶液在本领域是已知的(参见例如US 4,112,052).该方法的主要缺点是总体的高能耗(特别是在解吸步骤中)、缓慢的过程、胺的氧化和降解以及使用生态上可疑或有毒或腐蚀性化合物，如胺。能够从气体流分离二氧化碳且并不需要胺或加热以再生其吸收能力的溶液在本领域是已知的。这些溶液是基于CO2气体扩散至含有碱性化合物的水性液体如碱性盐溶液的能力，其中溶解的CO2水合产生碳酸、碳酸氢根离子和碳酸根离子的平衡。生物催化剂 (例如，碳酸酐酶)能够增加CO2水合反应的速率。有报道称碳酸酐酶可以以非常高的速率催化CO2至碳酸氢根的转化(报道称转换数高至每秒IO5个CO2分子)。为了捕捉CO2,该离子可作为碳酸盐沉淀，并以固体形式从液体移除，或者可转化变回CO2 (脱水)，并以气体形式从液体移除。已经描述了用于从气体如燃烧气体或呼吸气体使用液膜提取CO2的反应器和方法。例如，包含中空纤维膜(包括液膜)的反应器描述于Majumdar等，1988，AIChE 1135-1145 ；US 4,750,918 ；US 6,156,096 ；WO 04/104160。在现有技术中，上述基于中空纤维膜的设计命名为中空纤维液膜(hollow fiber liquid membrane, HFLM)而基于这些的 CO2分离装置命名为中空纤维封闭液膜(HFCLM)透过器。HFCLM透过器的常见特征是围绕进样和吸扫(swe印)气流的中空纤维彼此靠近(即，“紧密填充(tightly packed)”或“紧挨着(immediately adjacent) ”)，且其被封装于单一的刚性处理室而形成一个完整的透过器。在上述设计中，液体围绕紧密充满的进样和吸扫中空纤维外壳一侧。由于一个中空纤维外壁之间的距离非常接近邻接的中空纤维，其间液体层的厚度非常薄，类似膜，且液体的组分仅使得某些组分能够穿过，因此使用了术语“液膜”以描述围绕所述中空纤维的液体。 包含液膜，在其中所述液膜夹在两个结构支持膜之间的封闭液膜透过器在本领域也有描述 (Cowan 等，2003，Ann. NY Acad Sci. 984 :453_469)；该设计基本上与 HFCLM 以相同方式运作。描述了从气体如燃烧气体或呼吸气体使用直接气液接触来提取CO2的反应器和方法。例如，常规的基于胺溶剂的CO2捕捉反应器是基于吸收/解吸柱反应器(us 2008/0056972,Reddy 等，Second National Conference on Carbon Sequestration,NETL/ DOE, Alexandria, VA,May 5-8, 2003) 0另一个实例描述了基于胺的CO2捕捉反应器，其基于吸收 / 解吸中空纤维膜模块(Kosaraju 等，2005，Ind. Eng. Chem. Res. 44 1250-1258)。描述了用于从气体如燃烧气体或呼吸气体使用膜与碳酸酐酶组合的反应器。在一种情况下，通过使气体流经过气体扩散膜进入溶液中来从气体流去除CO2，其中通过使 CO2溶液经过含有碳酸酐酶的基质并添加矿物离子来导致碳酸盐的沉淀来加速向碳酸的转化(US 7,132,090) 0在另一种情况下，利用封闭液膜的反应器与碳酸酐酶的组合描述于 US 6，143，556，WO 2004/104160，Cowan 等，2003，Ann. NY Acad. Sci. 984 :453_469 ；以 M. Trachtenberg 2003, SAE international Conference on Environmental Systems Docket number 2003-01-2499。在这些情况下，CO2解吸步骤与吸收步骤发生于相同的封装的处理室中。使用碳酸酐酶的直接气_液接触反应器在本领域中已有描述，参见例如美国专利 6，524，843 号；WO 2004/007058 和 US 2004/059231。描述了用于从气体如燃烧气或呼吸气体使用直接气_液接触与碳酸酐酶的组合提取CO2的反应器和方法(US 6，524，843)。附图简述附图说明图1是模块化反应器的概略表示，其包含含有膜的模块和鼓泡塔类型的模块。 A.图示了下述反应器，其中吸收模块是中空纤维膜模块，而解吸模块是含有液体的容器，配置有将吸扫气体暴露于液体的入口。B.图示了下述反应器，其中解吸模块是中空纤维膜模块，而吸收模块是含有液体的容器，配置有将进料气暴露于液体的入口。数字代表下述特征1. 二氧化碳(CO2)罐；2.氮气(N2)罐；3.质流控制器(MFC) ；4.载液储器；5.液体泵； 6.压力计；7.吸收模块；8.解吸模块；9.进料气(feed gas) ；9a.进入吸收模块的进料气； 10.洗涤气(scrubbed gas) ； 10a.离开解吸模块的洗涤气；11.质流计(Mass flow meter, MFM) ；12.气体取样阀；13.具有热导率检测器的气相色谱仪(GC-TCD) ；14.进入的含有CO2 的气体；15.排出的洗涤气；16.进入的液体；17.排出的液体；18.进入的吹扫流；19.排出的富集CO2的吹扫流；20.鼓泡器或喷雾器石(sparger stone) 0 图2是中空纤维膜模块的概略表示。数字代表下述特征1.模块外罩；2.载液流 (腔流)；3.进入气体；4.排出气体；5.单独的中空纤维；6.纤维壁；7.纤维孔；8.中空纤维的腔。在本图中表示的中空纤维膜模块中，也可对调液相和气相，在此情况下，2 =气体流；3 =进入的载液；4 =排出的载液。图3A.图示了具有两个并联连接的吸收模块的反应器，其中将来自第一吸收模块 (7a)的排出气体(洗涤气)传至第二吸收模块(7b)。将来自第一吸收模块的富碳载液(4a) 继续传至第一解吸模块(8a)，并将来自第二吸收模块的载液继续传至第二解吸模块(8b)， 并将来自两个解吸模块的贫载液(4b)收集于载液储器(4)中，其供应第一和第二吸收模块。B.图示了两个如A中的并联连接的吸收模块，解吸模块是串联连接的。8a从7a接受载液，并潜在地从7b接受载液(或者来自7b的载液传至8b)。来自8a的载液传至8b，本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．用于从含有二氧化碳的气体提取二氧化碳的方法，包括：ａ）将气体通过一个或多个吸收模块，使得包含于所述气体中的二氧化碳被通过所述吸收模块的载液吸收；ｂ）将来自所述吸收模块的载液通过一个或多个解吸模块，使得步骤ａ）中吸收于载液的二氧化碳在此解吸；和ｃ）使步骤ｂ）中来自吸收模块的载液回到步骤ａ）中的吸收模块；和其中步骤ａ）中的吸收模块和步骤ｂ）中的解吸模块包含至少一个气－液膜（ＧＬＭ）模块和至少一个直接气－液接触（ＤＧＬＣ）模块。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕里亚·桑德斯，
申请(专利权)人：诺维信公司，
类型：发明
国别省市：DK