СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СМЕСИ Российский патент 2016 года по МПК B01D53/14 

Изобретение относится к способу разделения газов в потоке смеси газов и к установке для осуществления указанного способа.

Удаление конкретных газов из газовых потоков требуется для многих процессов, чтобы очистить газовые потоки или чтобы извлечь конкретные продукты. Одной из наиболее широко применяемых технологий является абсорбция загрязнений (очистка) или требующегося продукта (извлечение) избирательно жидким абсорбентом.

Широко известной проблемой разделения является удаление кислых загрязнений, например таких, как сульфид водорода, из газовых смесей. Например, природный газ часто загрязнен большим количеством диоксида углерода и/или сульфида водорода (в частности, во время последних стадий экстракции природного газа). Количество извлекаемого газа прямо связано со стоимостью удаления из него кислых газов. Было разработано много способов для удаления этих кислых газов.

В качестве другого примера может быть упомянуто удаление диоксида углерода из газовых смесей (в частности, смесей, содержащих водород и диоксид углерода). Оно включает предварительное поглощение диоксида углерода, которое является видом газовой обработки водорода или синтез-газа.

Могут быть рассмотрены различные жидкие абсорбенты. Подходящие жидкие абсорбенты включают химические растворители (для которых абсорбция преимущественно зависит от химических реакций между растворителем и газообразным компонентом, а также физические растворители (для которых абсорбция определяется растворимостью газообразного компонента, а не химической реакцией с растворителем).

Физические абсорбенты главным образом используются при высоком (парциальном) давлении абсорбента, и обычно они используются в процессах, основанных на абсорбции при высоком давлении, за которой следует десорбция при низком давлении. Подаваемый смешанный газовый поток обычно приводят в контакт с жидким абсорбентом в насадочной или тарельчатой абсорбционной колонне. После абсорбции газа жидким абсорбентом указанный жидкий абсорбент может быть регенерирован. Это обычно проводят нагреванием жидкого абсорбента и/или понижением давления, чтобы тем самым освободить абсорбированный газ для дальнейшей обработки. Это приводит к большим потребностям в энергии, расходуемой или на нагревание растворителя, или на повторное повышение давления жидкого абсорбента до рабочего давления для стадии абсорбции. Поэтому стадия регенерации обычно интенсивно расходует энергию, и это приводит к большим эксплуатационным затратам.

Целью изобретения является обеспечение способа разделения подаваемого смешанного газового потока, при этом в предлагаемом способе используют экономически эффективную регенерацию жидкого абсорбента.

Изобретатели неожиданно обнаружили, что указанная выше цель может быть достигнута обеспечением комбинированного процесса абсорбции и десорбции, в котором жидкий абсорбент поддерживают при повышенном давлении.

Поэтому в первом аспекте изобретение направлено на способ разделения газов в подаваемом смешанном газовом потоке, включающий:

i) приведение в контакт подаваемого потока газовой смеси с жидким абсорбентом в абсорбционной колонне и/или в мембранной установке для абсорбции газов при давлении 1 бар или более, при этом указанный жидкий абсорбент является избирательным при абсорбции одного или более газов в подаваемом смешанном газовом потоке таким образом, чтобы часть газа в смешанном газовом потоке поглощалась жидким абсорбентом с получением обогащенного жидкого абсорбента;

ii) регенерацию по меньшей мере части жидкого абсорбента посредством приведения в контакт обогащенного жидкого абсорбента с десорбционной мембраной, при этом давление у десорбционной мембраны со стороны ретентата было по меньшей мере на 1 бар выше давления у десорбционной мембраны со стороны пермеата, таким образом, что по меньшей мере часть абсорбированного газа десорбируется из обогащенного жидкого абсорбента и проникет через десорбционную мембрану с образованием обедненного жидкого абсорбента; и

iii) рециркуляцию по меньшей мере части обедненного жидкого абсорбента на стадию i) для ее приведения в контакт с подаваемым смешанным газовым потоком.

Изобретатели нашли, что этот способ является наиболее предпочтительным. В связи с тем что жидкий абсорбент находится под большим давлением как во время стадии абсорбции, так и во время стадии десорбции, расход энергии для поддержания давления жидкого абсорбента или для возможного повышения давления жидкого абсорбента для стадии абсорбции после регенерации значительно снижается.

Более того, отделенный газ (т.е. газ, который проникает через десорбционную мембрану) может подаваться при повышенном давлении. Это наиболее предпочтительно, так как позволяет снизить расход энергии на сжатие при повторной инжекции отделенного газа. Например, хранение отделенного газа, например такого, как CO₂ (улавливание и хранение CO₂, отделение и хранение углерода), обычно требует трехстадийного сжатия этого газа, причем особенно энергоемкой является первая стадия сжатия. На первую стадию расходуется больше одной трети от общих расходов на сжатие. Если отделенный газ может подаваться под давлением, то имеется возможность исключить очень энергетически-затратную первую стадию сжатия. Другим предпочтительным примером является повышенное извлечение нефти, требующее сжатого газа (обычно сжатие порядка около 100 бар) для его инжекции в приповерхностный слой около нефтяной или газовой скважины. Сжатый отделенный газ, полученный способом в соответствии с настоящим изобретением, может инжектироваться в нефтяную скважину для выдавливания нефти из скважины.

Десорбционная мембрана функционирует как барьер для жидкого абсорбента и таким образом исключает его потери в виде капель или пены. Это не только приводит к более эффективной регенерации жидкого абсорбента, но также устраняет необходимость в подпитке жидкого абсорбента (или жидкий абсорбент по меньшей мере должен пополняться менее часто).

Более того, в воплощении изобретения десорбционная мембрана не только функционирует как барьер для жидкого абсорбента, но кроме того служит в качестве барьера и для других веществ, присутствующих в обогащенном жидком абсорбенте, чтобы улучшить степень чистоты отделенного газа (т.е. газа, который проникает через десорбционную мембрану).

Изобретение дает возможность просто объединить одну или более классических абсорбционных колонн (таких как насадочные или тарелочные колонны) и/или мембранные аппараты для абсорбции газов с использованием преимуществ мембранной газовой десорбции. В то время как, например, в WO-A-2006/004400 описывается интегрированный процесс мембранной газовой абсорбции и десорбции, в соответствии с настоящим изобретением способ мембранной газовой десорбции комбинируют с одной или более классическими абсорбционными колоннами и/или мембранными установками газовой абсорбции, чтобы обеспечить значительно улучшенную гибкость и надежность способу. Установки мембранной газовой абсорбции и в особенности классические абсорбционные колонны (такие, которые известны, например, из WO-A-98/51399) также имеют такое преимущество, как обеспечение крупно-объемных областей применения. Кроме того, комбинация одной или более абсорбционных колонн и/или установок мембранной газовой абсорбции с одной или более установками мембранной газовой десорбции дает высокую гибкость при настройке, например, для обеспечения степени чистоты конечного продукта (продуктов), производительности разделения и т.д. Это благодаря тому, что различные установки можно легко сконфигурировать последовательно и/или параллельно в зависимости от конкретных требований специалиста в этой области. Примеры таких вариантов даются в конце этого документа.

В документе США-А-2002/0014154 описан способ разделения с использованием мембранного контактора в комбинации с жидким абсорбентом. Этим он отличается от настоящего изобретения в нескольких аспектах. В одном аспекте документ США-А-2002/0014154 преимущественно относится к органическим асимметричным мембранам, а настоящее изобретение только определяет характеристики мембран, не указывая их типы (симметричные или асимметричные, органические или неорганические). Вторым отличием является сам модуль. Документ США-А-2002/0014154 определяет многослойную систему типа газ-мембрана-жидкость, а настоящее изобретение оставляет место для оптимизации: плоская пленка, скрученная в виде спирали или трубчатая. Также в соответствии с настоящим изобретением давление, прикладываемое к мембране, используется в качестве движущей силы для десорбции.

Способ по изобретению особенно подходит для разделения подаваемых смешанных газовых потоков, содержащих загрязнения, например такие, как диоксид углерода и/или сероводород, но не исключительно. В частном воплощении подаваемый смешанный газовый поток включает диоксид углерода и водород, и по меньшей мере часть диоксида углерода проникает через десорбционную мембрану. Однако этот способ может также подходить и для других способов разделения, например такого, как разделение олефина и парафина или повышение качества биогаза (т.е. очищает биометан посредством удаления, например, H₂S и/или CO₂).

Стадия абсорбции проводится под давлением 1 бар или более, предпочтительно в диапазоне от 1 до 200 бар, например при давлении в диапазоне от 10 до 100 бар. Более высокое абсолютное давление обеспечивает более высокое парциальное давление, что приводит к более высокой движущей силе и более сильному обогащению жидкого абсорбента. Использование способа по изобретению при повышенном давлении очень способствует более низкой циркуляции потоков абсорбента и снижению затрат на (ре)компрессию отделенного газа.

Абсорбция газа, например кислого газа, жидким абсорбентом может быть проведена подходящим образом в абсорбере, которым предпочтительно является обычная абсорбционная колонна и/или установка для мембранной газовой абсорбции.

Температура в абсорбционной колонне и/или в установке мембранной газовой абсорбции обычно находится в диапазоне от 10 до 500°C, предпочтительно в диапазоне от 30 до 300°C.

Абсорбция газа из подаваемого смешанного газового потока проводится с использованием жидкого абсорбента. Этот абсорбционный этап может, например, проводиться в абсорбционной колонне, которая подходит для операций при высоком давлении. Примерами таких абсорбционных колонн являются насадочные или тарельчатые колонны. Такие абсорбционные колонны хорошо известны специалистам в этой области. Обычно абсорбционная колонна работает в противотоковом режиме, чтобы, например, подача смеси газов поступала в колонну снизу и обедненный жидкий абсорбент поступал в колонну сверху, и очищенный газ выходил сверху, а обогащенный жидкий абсорбент выходил из колонны снизу.

Используемый жидкий абсорбент является избирательным при абсорбции одного или более газов из подаваемого смешанного газового потока. Подходящие жидкие абсорбенты могут быть выбраны специалистом на основе компонентов, присутствующих в подаваемом смешанном газовом потоке.

Могут быть рассмотрены многие жидкие абсорбенты. Подходящими жидкими абсорбентами являются химические растворители (для которых абсорбция преимущественно зависит от химических реакций между растворителем и газообразным компонентом), а также физические растворители (для которых абсорбция зависит от растворимости газообразного компонента, а не от химической реакции с растворителем). Вообще регенерирующая теплота для физических растворителей гораздо меньше в сравнении с теплотой для регенерации химических растворителей. Кроме того, они менее коррозионные. Однако при более низком парциальном давлении химическая реакция предпочтительнее для связывания достаточного количества заданных соединений (соединений, которые должны быть отделены от подаваемой газовой смеси). Слишком сильная циркуляция жидкого абсорбента будет отрицательно влиять на экономику процесса. Выбор жидкого абсорбента может оптимизироваться на основе температуры и давления в зависимости от ситуации (в особенности от применяемых газов и от типа используемой десорбционной мембраны).

Некоторыми примерами жидких абсорбентов типа физических растворителей являются диметиловый эфир тетраэтиленгликоля, N-метил-2-пирролидон, пропиленкарбонат и метанол.

Кроме того изобретатели обнаружили, что ионные жидкости являются очень подходящими жидкими абсорбентами, в особенности для абсорбции диоксида углерода. Ионные жидкости обладают высокой емкостью по отношению к диоксиду углерода при высоких температурах и имеют хорошую температурную стабильность. Ионные жидкости при комнатной температуре являются расплавленными солями. Наиболее распространенные ионные жидкости содержат в своей основе имидазолиевый, пиридиниевый или четвертичный аммониевый катионы. Преимущественно ионные жидкости остаются жидкими до температур около 300°C, и они являются не летучими. Эти свойства делают ионные жидкости особенно подходящими для высокотемпературного разделения газов. Некоторыми примерами ионных жидких абсорбентов являются 1-гексил-3-метилпиридиния бис(трифторметилсульфонил)имид, 1-пентил-3-метилимидазолия трис(нонафторбутил)трифторфосфат, бутил-триметиламмоний бис(трифторметилсульфонил)имид и тетрааммонийэтиламмоний бис(трифторметилсульфонил)имид. Вообще ионные жидкие абсорбенты, базирующиеся на анионе трис(пентафторэтил)трифторфосфате (FAP), как оказалось, показывают наилучшее сочетание свойств для абсорбции CO2 при высоких давлении и температуре в этом семействе растворителей.

Жидкий абсорбент затем регенерируется при контакте обогащенного жидкого абсорбента с десорбционной мембраной. Десорбционная мембрана отделяет сторону ретентата мембраны от стороны пермеата мембраны. Разность давлений поддерживается такой, чтобы давление у десорбционной мембраны со стороны ретентата было по меньшей мере на 1 бар выше давления у десорбционной мембраны со стороны пермеата. На десорбционной мембране газ десорбируется из обогащенного жидкого абсорбента и проникает через десорбционную мембрану. Движущей силой проникновения десорбированного газа является более низкое давление со стороны пермеата десорбционной мембраны.

Во время и/или перед приведением в контакт жидкого абсорбента с десорбционной мембраной обогащенный жидкий абсорбент может быть подвергнут частичному нагреванию. Такое нагревание может еще более улучшить эффективность десорбции на десорбционной мембране благодаря увеличению движущей силы для десорбции. Движущаяся сила для десорбции и проникновения может быть еще более повышена благодаря подаче потока отгоняющего газа к стороне пермеата десорбционной мембраны.

В соответствии с изобретением десорбционная мембрана используется как мембранный контактор. Это означает, что десорбционная мембрана функционирует как граница раздела между двумя фазами, при этом она не имеет значительного влияния на массопередачу через мембрану. Вообще мембранный материал с интенсивным потоком является предпочтительным, так как он не имеет большой избирательности к газам, которые нужно разделять. Предпочтительно мембрана имеет поток 200 л/час/м²/бар или более для жидкостно-газового разделения (соответствующего потоку для газ-газ разделения величиной 2000 л/час/м²/бар или более). Более предпочтительно, когда мембрана имеет поток для газ-газ разделения в диапазоне от 200 до 4000 л/час/м²/бар (соответствующий потоку для газ-газ разделения от 2000 до 40000 л/час/м²/бар).

Десорбционная мембрана предпочтительно остается стабильной и сохраняет высокий поток при температуре десорбции в контакте с выбранным жидким абсорбентом. Более того, десорбционная мембрана предпочтительно показывает свои хорошие барьерные свойства в отношении к жидкому абсорбенту, даже когда прикладывается значительное давление к обеим сторонам мембраны. Поэтому давление жидкого абсорбента на сторону пермеата мембраны едва ли снизится (или не снизится), когда десорбируется абсорбированный газ.

В частности гидрофобные десорбционные мембраны являются предпочтительными, так как большинство жидких абсорбентов на основе воды. Более предпочтительно использование гидрофобных стекловидных полимерных мембран с высокой проницаемостью. Примеры подходящих органических мембранных материалов включают поли(1-триметилсилил-1-пропин), поли(4-метил-2-пентил), поли(1-триметилгермил-1-пропин), поли(винилтриметилсилан) и поли(тетрафторэтилен). Использование некоторых из этих мембран для мембранной десорбции газа было описано в WO-A-2006/004400. Эти материалы, как было выявлено, особенно применимы в способе по изобретению, так как они проявляют отличные барьерные свойства в отношении растворителей даже при повышенных температурах и давлениях. Более того, мембраны, включающие эти материалы, имеют отличные потоковые свойства.

Кроме того, могут применяться неорганические мембраны (например, мембраны на основе оксида алюминия). Однако некоторые неорганические мембраны менее совместимы с такими кислыми газами, как CO₂ и H₂S.

В одном воплощении в мембранной десорбционной установке применяется прокладочный материал. Предпочтительно прокладочный материал является совместимым с жидким абсорбентом, в который он погружен. Прокладками являются материалы сеточного типа, расположенные между мембранными пленками и между мембранами и стенками мембранных модулей. Эти прокладки находятся там для разделения пленок и для распределения жидкости по мембране. В случае жидкого абсорбента на водной основе рекомендуется использовать гидрофильный прокладочный материал. В случае жидкого абсорбента на неводной основе рекомендуются гидрофобные прокладки.

Способ в соответствии с изобретением можно точно отрегулировать в зависимости от требуемого разделения посредством подбора специальной комбинации из жидкого абсорбента, материала (материалов) для десорбционной мембраны, температуры абсорбции, температуры (температур) десорбции, свойств десорбционной мембраны (мембран), давления (давлений), прикладываемых к противоположным поверхностям мембран и типа модуля (модулей) (трубчатый, плоский пленочный или спирально свернутый). Это позволяет осуществить оптимизацию барьерной функции десорбционной мембраны и оптимизацию эффективности абсорбции жидким абсорбентом. Поэтому имеются большие возможности для управления общей эффективностью процесса.

Десорбционная мембрана обычно имеет толщину в диапазоне от 10 до 500 мкм, например в диапазоне от 15 до 300 мкм. Если требуется, то может быть применена пористая подложка для улучшения механической стабильности, например из органического полимера, или керамическая подложка.

Преимущественным образом мембраны, предпочтительные для применения согласно настоящему изобретению, также препятствуют испарению растворителя. Испарившийся жидкий абсорбент может захватываться десорбирующимся газом (таким как CO₂ и/или H₂S). В частности, при применении водных систем испарение воды является высоко энергозатратным процессом. Такое загрязнение десорбирующегося газа растворителем является нежелательным, поскольку при этом требуется проведение дополнительной стадии разделения (например, конденсации) и восполнение потерь растворителя.

За счет подавления испарения растворителя способ согласно настоящему изобретению обеспечивает предотвращение потерь энергии в виде теплоты испарения, при этом предотвращая загрязнение десорбирующегося газа парами растворителя. Это также означает, что настоящее изобретение позволяет расширить диапазон рабочих режимов процесса разделения, поскольку потери растворителя будут играть значительно менее заметную роль или попросту отсутствовать. При этом даже те растворители, которые ранее не рассматривались из-за их высокого давления насыщенных паров и, соответственно, потерь за счет испарения, согласно настоящему изобретению можно исследовать на предмет возможности применения в качестве абсорбирующего растворителя для разделения газов, таких как CO₂ и/или H₂S.

Подходящие мембраны для подавления испарения растворителя (в частности, испарения воды) включают, например, гидрофобные десорбционные мембраны, такие как гидрофобные стекловидные полимерные мембраны с высокой проницаемостью, описанные выше.

Давления, приложенные к противоположным поверхностям мембраны (т.е. разность давлений между стороной ретентата и стороной пермеата десорбционной мембраны) составляет 1 бар или более. Предпочтительно применение разности давлений, приложенных к противоположным сторонам десорбционной мембраны, в диапазоне от 5 до 150 бар. Давление у десорбционной мембраны со стороны ретентата нормально будет в диапазоне от 1 до 200 бар, предпочтительно в диапазоне от 5 до 100 бар.

Температура в мембранной установке для десорбции газа обычно находится в диапазоне от 10 до 500°C, предпочтительно в диапазоне от 30 до 300°C.

Возможно применение более одной мембранной установки для десорбции газа. Если применяется много мембранных установок для десорбции газа, то эти установки могут быть соединены последовательно и/или параллельно. Последовательное соединение мембранных установок для десорбции газа может улучшить чистоту отделенного газа (газа, проникающего через десорбционную мембрану), а параллельное соединение мембранных аппаратов для десорбции газа может улучшить общую производительность.

Например, обогащенный жидкий абсорбент может сначала пропускаться через первую мембранную установку для десорбции газа, где проводится первая стадия десорбции, после которой сохраненный жидкий абсорбент с возможно оставшимся абсорбированным газом может подаваться в одну или более последующих мембранных установок для десорбции газа, возможно после нагревания сохраненного жидкого абсорбента от первой мембранной установки для десорбции газа. Такое воплощение может повысить степень, до которой газ десорбируется из жидкого абсорбента, перед тем как обедненный жидкий абсорбент будет рециркулирован для абсорбции газа из подаваемого смешанного газового потока. Более того, в соответствии с этим воплощением может быть получен более чистый отделенный газ благодаря барьерным свойствам мембраны. Кроме того, возможна раздельная десорбция газов, которые одновременно абсорбировались в абсорбере, например посредством использования двух или более различных мембран в мембранных установках для десорбции газа. Обычно вторая мембранная установка для десорбции газа будет работать при более низком давлении со стороны пермеата, чем первая установка для десорбции газа. Однако трансмембранное давление будет обычно выше.

При рециркуляции обедненного жидкого абсорбента для абсорбции газа из подаваемого смешанного газового потока обедненный жидкий абсорбент может, но не обязательно, охлаждаться, чтобы повысить движущую силу для абсорбции газа.

В предпочтительном воплощении жидкий абсорбент нагревается и обедненный жидкий абсорбент охлаждается, при этом нагревание обогащенного жидкого абсорбента связано с охлаждением обедненного жидкого абсорбента посредством теплообменника. Это еще более снижает потребляемую мощность для работы аппарата, реализующего способ в соответствии с изобретением.

Этот способ разделения газов имеет высокую гибкость при реальной работе. Мембранный десорбер газа является модульным, поэтому добавление дополнительных установок является относительно легким делом. Посредством подбора мембранного давления и трансмембранного давления функционирование процесса может быть отрегулировано в соответствии с реальными потребностями. Изобретение обеспечивает точное соответствие степени загрузки и скорости циркуляции жидкого абсорбента требующемуся расходу энергии.

Теперь изобретение далее будет разъясняться посредством воплощения, в котором газообразный диоксид углерода отделяется от подаваемой газовой смеси диоксида углерода и водорода. Это воплощение также иллюстрируется Фиг. 1, на которой показана возможная блок-схема процесса в соответствии с изобретением.

На Фиг. 1 абсорбция происходит в абсорбционной колонне (1), где CO₂ избирательно удаляется из подаваемого газа (3) (например, водород, как подаваемый газ, содержит 30% объемных CO₂) посредством приведения в контакт с избирательно жидким абсорбентом в циркуляционном контуре (9). Это приводит к получению очищенного газового потока (4) (например, потока водорода, содержащего менее 2% объемных CO₂). Регенерация жидкого абсорбента производится путем подачи жидкого абсорбента, обогащенного CO₂, в мембранную установку (2) для десорбции. CO₂ проникает через десорбционную мембрану и десорбируется из жидкого абсорбента, обеспечивая входящий поток (5) CO₂ и регенерированный жидкий абсорбент. Движущуюся силу для проникновения CO₂ получают путем прикладывания более высокого давления к стороне ретентата десорбционной мембраны, чем к стороне пермеата десорбционной мембраны. Возможно использование нагревания (7) для увеличения движущей силы для стадии десорбции в мембранной установке (2) для десорбции, или может быть использован отгоняющий газ (6) для этой же цели. Аналогичным образом может быть применено охлаждение для увеличения движущей силы для этапа абсорбции в абсорбционной колонне (1).

Это воплощение, показанное на Фиг. 2, является в основном таким же, как и в процессе, показанном на Фиг. 1. Однако применяется интеграция тепла потоков растворителя (7) (возможно нагревание обогащенного растворителя, вводимого в десорбер) и (8) (возможно охлаждение обедненного растворителя, вводимого в абсорбер). Благодаря использованию теплообменника (10) можно сэкономить энергию для нагревания и охлаждения.

На Фиг. 3 показано воплощение, основанное на базовом процессе в соответствии с Фиг. 1, где регенерация растворителя проводится в две стадии. Для этой цели вводится вторая мембранная установка (11) для десорбции вслед за первой установкой. Второй газовой поток десорбируется из растворителя в поток (12). Возможно, что для нагревания потока (13) растворителя может использоваться поток (14) отгоняющего газа. Таким образом, появляется возможность десорбировать одновременно абсорбированные газы или использовать вторую отгонку при более низком давлении для дальнейшего уменьшения содержания абсорбированного газа. Таким образом, комбинируется подача более обедненного растворителя для абсорбера (1) и получение по меньшей мере части десорбированного газа при более высоком давлении.

На Фиг. 4 показано воплощение, в котором вторая мембранная установка (11) для десорбции газа размещена параллельно первой установке. В этом случае обогащенный растворитель от абсорбера делится на два потока, из которых затем десорбируется газ. Температуры и давления со стороны пермеата в двух установках (2) и (11) могут выбираться независимо, и, таким образом, вводится дополнительная гибкость. Это воплощение считается, особенно предпочтительным для обработки больших потоков растворителя, так как каждая из отдельных установок может быть сделана небольшой.

Конечно, имеется возможность составлять любые комбинации между воплощениями, показанными на различных фигурах.

В другом аспекте изобретение направлено на создание аппарата для разделения газов в подаваемом смешанном газовом потоке, включающего:

- абсорбционную колонну и/или мембранную установку для абсорбции газа для приведения в контакт подаваемого смешанного газового потока с жидким абсорбентом, включающую вход для подачи смешанного газового потока, вход для обедненного жидкого абсорбента, выход для очищенного смешанного газа и выход для обогащенного жидкого абсорбента;

- жидкостное соединение для переноса обогащенного жидкого абсорбента от абсорбционной колонны в установку регенерации, возможно оснащенную нагревательным средством;

- установку для регенерации, включающую по меньшей мере одну десорбционную мембрану, отделяющую сторону пермеата регенерирующей установки, на которую подается обогащенный жидкий абсорбент, от стороны пермеата регенерирующей установки, в которой газ, десорбированный из обогащенного жидкого абсорбента, проникает через десорбционную мембрану; и

- жидкостное соединение, для переноса регенерированного обедненного жидкого абсорбента из установки для регенерации в абсорбционную колонну, возможно снабженную средством для охлаждения,

в котором жидкий абсорбент, таким образом, находится в замкнутом контуре под давлением.

В воплощении аппарат включает теплообменник для передачи тепла от обогащенного жидкого абсорбента к обедненному жидкому абсорбенту. Поэтому жидкостное соединение для переноса обогащенного жидкого абсорбента от абсорбционной колонны в установку для регенерации может быть связано с жидкостным соединением для переноса обедненного жидкого абсорбента из установки для регенерации в абсорбционную колонну посредством теплообменника. Это также снижает требуемый расход энергии для работы аппарата, реализующего способ в соответствии с изобретением.

Изобретение также будет иллюстрировано следующим примером.

Пример

Расчеты для разделения Н₂/СО₂ при давлении 50 бар с использованием ионного жидкого растворителя N₄₁₁₁ ⁺Tf₂N^- (бутил-триметиламмоний бис(трифторметилсульфонил)имид) и мембран из Тефлона AF2400 (аморфный фторполимер, полученный из фторполимеров фирмы DuPont), показывают, что при использовании двухэтапного процесса (Случай 2) может быть сэкономлено почти 20% энергии для отделения такого же количества CO₂ в сравнении с одноэтапным процессом (Случай 1).

Результаты моделирования процесса для систем N₄₁₁₁ ⁺Tf₂N^- - Тефлон AF2400.

Изобретение направлено на создание способа разделения газов в подаваемом смешанном газовом потоке и аппарата для реализации указанного способа. Способ в соответствии с изобретением включает в себя: i) контактирование подаваемого смешанного газового потока с жидким абсорбентом в абсорбционной колонне под давлением 1 бар или больше, при этом указанный жидкий абсорбент является избирательным в отношении абсорбции одного или больше газов в подаваемом смешанном газовом потоке таким образом, чтобы часть газа в подаваемом смешанном газовом потоке абсорбировалась жидким абсорбентом, что приводит к получению обогащенного жидкого абсорбента; ii) регенерирование по меньшей мере части жидкого абсорбента посредством контакта обогащенного жидкого абсорбента с десорбционной мембраной, при этом давление со стороны проникновения десорбционной мембраны по меньшей мере на 1 бар выше давления со стороны проникновения десорбционной мембраны, чтобы по меньшей мере часть абсорбированного газа десорбировалась из обогащенного жидкого абсорбента и проникала через десорбционную мембрану, тем самым образуя обедненный жидкий абсорбент; и iii) рециркуляцию по меньшей мере части обедненного жидкого абсорбента на стадии i) для контактирования с подаваемым смешанным газовым потоком. Изобретение позволяет использовать экономически эффективную регенерацию абсорбента. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ разделения газов в подаваемом смешанном газовом потоке, включающий:
i) приведение в контакт подаваемого смешанного газового потока с жидким абсорбентом в абсорбционной колонне и/или в мембранной установке для абсорбции газа под давлением 1 бар или более, при этом указанный жидкий абсорбент является избирательным при абсорбции одного или более газов в подаваемом смешанном газовом потоке таким образом, что часть газа в подаваемом смешанном газовом потоке абсорбируется жидким абсорбентом, что приводит к обогащению жидкого абсорбента;
ii) регенерацию по меньшей мере части жидкого абсорбента посредством приведения в контакт обогащенного жидкого абсорбента с десорбционной мембраной, при этом давление у десорбционной мембраны со стороны ретентата по меньшей мере на 1 бар выше давления у десорбционной мембраны со стороны пермеата, таким образом, что по меньшей мере часть абсорбированного газа десорбируется из обогащенного жидкого абсорбента и проникает через десорбционную мембрану с образованием обедненного жидкого абсорбента; и
iii) рециркуляцию по меньшей мере части обедненного жидкого абсорбента на стадию i) для приведения в контакт с подаваемым смешанным газовым потоком,
причем указанный жидкий абсорбент содержится в замкнутом контуре под давлением.

2. Способ по п. 1, в котором подаваемый смешанный газовый поток содержит диоксид углерода и/или сульфид водорода.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором подаваемый газовый поток содержит:
i) смесь
- СН₄ и
- CO₂ и/или H₂S, или
ii) смесь
- Н₂ и
- CO₂ и/или H₂S.

4. Способ по п. 1 или.2, в котором обедненный жидкий абсорбент охлаждают перед приведением в контакт с подаваемым смешанным газовым потоком на стадии i).

5. Способ по п. 1 или 2, в котором поток извлекающего газа подается к десорбционной мембране со стороны пермеата и/или в котором обогащенный жидкий абсорбент нагревают перед приведением в контакт с десорбционной мембраной.

6. Способ по п. 1 или 2, в котором жидкий абсорбент содержит ионную жидкость, предпочтительно ионную жидкость на основе имидазолиевого, пиридиниевого или четвертичного аммониевого катиона.

7. Способ по п. 1 или 2, в котором десорбционная мембрана является барьером для жидкого абсорбента.

8. Способ по п. 1 или 2, в котором десорбционная мембрана имеет толщину 10-500 мкм.

9. Способ по п. 1 или 2, в котором мембрана включает в себя один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из поли(1-триметилсилил-1-пропина), поли(4-метил-2-пентина), поли(1-триметилгермил-1-пропина), поли(винилтриметилсилана) и поли(тетрафторэтилена).

10. Способ по п. 1 или 2, в котором давление у десорбционной мембраны со стороны ретентата находится в диапазоне 1-200 бар, предпочтительно в диапазоне 10-100 бар.

11. Способ по п. 1 или 2, в котором абсорбционная колонна является насадочной или тарельчатой абсорбционной колонной.

12. Способ по п. 1 или 2, в котором жидкий абсорбент с абсорбированным газом приводят в контакт с десорбционной мембраной в двух или более мембранных установках для десорбции газа, соединенных последовательно и/или параллельно.

13. Способ по п. 1 или 2, в котором часть газа в подаваемом смешанном газовом потоке абсорбируется жидким абсорбентом на стадии i) в поперечном направлении мембраны при повышенном давлении.

14. Способ по п. 1 или 2, в котором давление у десорбционной мембраны со стороны пермеата составляет 5 бар или более, предпочтительно 10 бар или более.

15. Установка для осуществления способа по п. 1, включающая:
- абсорбционную колонну и/или мембранную газовую абсорбционную установку для приведения в контакт подаваемого смешанного газового потока с жидким абсорбентом, включающую вход для подачи смешанного газового потока, вход для обедненного жидкого абсорбента, выход для очищенного смешанного газа и выход для обогащенного жидкого абсорбента,
- жидкостное соединение для переноса обогащенного жидкого абсорбента из абсорбционной колонны в регенерирующую установку, возможно оснащенную нагревательным средством;
- регенерирующую установку, включающую по меньшей мере одну десорбционную мембрану, отделяющую сторону ретентата регенерирующей установки, на которую подается обогащенный жидкий абсорбент, от стороны пермеата регенерирующей установки, в которой газ, десорбирующийся из обогащенного жидкого абсорбента, проникает через десорбционную мембрану; и
- жидкостное соединение для переноса регенерированного обедненного жидкого абсорбента из регенерирующей установки в абсорбционную колонну, возможно оснащенную охлаждающим средством,
причем указанный жидкий абсорбент содержится в замкнутом контуре под давлением.